Измерительная установка для исследования теплофизических и реологических характеристик неньютоновских жидкостей

УДК 543.4:544.2

А. Г. Дивин, С. В. Пономарев, П. С. Беляев, М. А. Петрашева, Д. А. Любимова

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Ключевые слова: теплофизические характеристики, неньютоновские жидкости, сдвиговое течение, измерительное устройство.

Представлены измерительное устройство и установка для определения реологических и теплофизическихха-рактеристик неньютоновских жидких материалов. Основой измерительного устройства являются два коаксиальных цилиндра, между которыми находится исследуемая жидкость. Определение теплофизических свойств возможно стационарными и нестационарными методами. Получены расчетные зависимости, разработано программное обеспечение. Проведено экспериментальное определение зависимости реологических и теплофизических характеристик от скорости сдвига для моторного масла производства «Роснефть».

Keywords: thermal characteristics, non-Newtonian fluids, shear flow, the measuring device.

The measurement setup for determining rheological and thermophysical properties of non-Newtonian liquid materials is presented. The liquid under the study is placed between two coaxial cylinders and this is the basis of the measurement tool. Determination of thermophysical properties is possible by stationary and nonstationary methods. Calculated dependences were obtained, software was developed. The experimental determination of the dependence of rheological and thermophysical properties on the shear rate for the motor oil "Rosneft" production was carried out.

Введение

В процессе переработки полимерных материалов в жидкой фазе эффективная вязкость последних довольно высока. Это приводит к тому, что в процессе сдвигового течения полимеров в жидкой фазе по каналам различной формы выделяется тепло за счет диссипации механической энергии сил вязкого трения. Мощность тепловыделений бывает столь высокой, что приводит к значительному повышению температуры в потоке и вызывает необратимые структурные изменения. Температурное приращение, в свою очередь, зависит от теплофизических характеристик полимерного материала. По данным российских исследователей 80-85 % затрат энергии на перемещение полимера в пластикацион-ном цилиндре с помощью шнека превращается в тепло и вызывает приращение температуры рабочей среды на 100 - 150 °С [1].

Температурный режим в процессе производства изделий из полимерных материалов оказывает существенное влияние на качество продукции. Так, например, термореактивные материалы имеют небольшой температурный диапазон переработки. При температуре 363 К они имеют высокую вязкость, а при температурах выше 373-393 К начинаются необратимые структурные изменения, что приводит к их затвердеванию в технологических аппаратах.

Основными дефектами, возникающими при экструзионном изготовлении изделий из резинотехнических материалов, являются их пористость и преждевременная вулканизация (подвулканизация). Это объясняется тем, что при экструзии резиновых смесей диссипация энергии происходит более интенсивно.

Таким образом, существует проблема выбора режимных параметров технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов с высокой эффективной вязкостью, сопро-

вождающихся диссипацией механической энергии сил вязкого трения при сдвиговом неизотермическом течении, при которых максимальная температура в потоке жидкости не превысит заранее заданного значения.

Измерительная устройство и установка

Для расчета рациональных режимных параметров, обеспечивающих заданные ограничения на распределение температурного поля в сдвиговом потоке, применяют методы математического моделирования. При этом в математические модели входят теплофизические и реологические свойства материалов в качестве параметров. Значения этих параметров возможно определять с помощью разработанной авторами статьи теплофизической измерительной установки. Конструкция

измерительного устройства основана на использовании двух коаксиальных цилиндров. В пространстве между цилиндрами находится исследуемый материал в жидкой фазе. При этом наружный цилиндр вращается, внутренний остается неподвижным, а тепловой поток направлен от внутреннего цилиндра к внешнему. Соответственно, модель измерительного устройства, будет иметь вид, представленный на рисунке 1.

Внутренний цилиндр (составной) 1 изготовлен из полиэфирэфиркетона. Это термостойкий полимер, который выдерживает длительное температурное воздействие до 260°С (сохраняя при этом свои механические характеристики, имеет высокую химическую стойкость) хорошо обрабатывается и формуется, не выделяет летучих продуктов термоокислительной деструкции.

Рабочая часть цилиндра 1 имеет две пары обмоток 4,5 электрического нагревателя и термопреобразователя сопротивления,

намотанныхсоответственно константановой и

меднойпроволоками. Обмотка

термопреобразователя наматывается поверх обмотки нагревателя и изолируется от нее пленкой из фторопласта толщиной 0,1 мм. Внутренние обмотки защищеныполиэфирэфиркетоновой

гильзой 2, а внешние закрывает гильза из алюминия 6. В ходе теплофизического эксперимента через обмотки нагревателей 4, 5 пропускают ток, что вызывает выделение в них тепла. Температуры обмоток при этом поддерживаются равными за счет регулирования мощности, подаваемой на внутреннюю обмотку.

Внешний цилиндр 7 выполнен из латуни и размещен внутри теплообменника. Теплообменник заполнен теплоносителем - силиконовым маслом ПМС 200.

425 3 7

Измерение теплофизических свойств исследуемой жидкости при помощи предложенного устройства возможно стационарными и нестационарными методами.

Я}Я2Яз Я4 Рис. 1 - Схема измерительного устройства

Предполагается, что весь тепловой поток, выделяемый нагревателем 5, идет преимущественно в защитный слой гильзы 6, далее в исследуемую жидкость 3 и наружный цилиндр 7. Это можно обеспечить за счет использования охранного нагревателя из константановой проволоки 4, расположенного во внутреннем цилиндре в цилиндрическом сечении радиусом Я1. В силу малой толщины пленки из фторопласта между нагревателем и термопреобразователем в физической модели она не учитывается. Внешний цилиндр омывается жидким теплоносителем (силиконовым маслом) температура которого определяется экспериментально.

Подготовительный этап измерения включает в себя приведение наружного цилиндра во вращение с угловой скоростью О, обеспечивающей заданное значение скорости сдвига. На подготовительной стадии эксперимента в измерительном устройстве устанавливается температурное поле в соответствии с выбранными начальными условиями (для упрощения математической модели температурного поля целесообразно на границе г=Я4 поддерживать граничные условия первого рода). Если в процессе теплофизических экспериментов, проводимых при различных скоростях сдвига, к жидкости подводить тепловое воздействие со стороны основного нагревателя то, на основании температурного отклика в сечении внутреннего цилиндра с известными координатами можно косвенно судить о теплоемкости, теплопроводности и

температуропроводности исследуемой жидкости.

Рис. 2- Функциональная схема измерительной установки

-----теплоноситель

_ - электрический сигнал

1 - измерительное устройство; 2 - жидкостный термостат; 3 - двигатель шаговый (РЫЗОБУО); 4

- блок управления шаговым двигателем (8МБ-82); 5 - тензодатчик (ТОКВЕС); 6 - преобразователь ТОКВЕС ТЬ-30; 7 - термоэлектрический преобразователь; 8 - мостовая измерительная схема; 9

- блок управления мощностью охранного нагревателя; 10 - источник питания; 11 - плата сбора данных (Ши8Б 9162); 12 - плата сбора данных (ШРС1 6221); 13 - персональный компьютер

На базе измерительного устройства изготовлена автоматизированная измерительная установка под управлением персонального компьютера (см. рис. 2). Программное обеспечение установки разработано в среде LabView 2009 [4]. Измерительная установка 1 позволяет определять зависимость теплопроводности, коэффициента температуропроводности, а также зависимость касательного напряжения в слое жидкости от скорости сдвига. Ход эксперимента и обработка экспериментальных данных осуществляются под управлением персонального компьютера 13 через платы сбора данных 11 и 12, в соответствии с алгоритмом функционирования и методикой выполнения измерений. Вращение внешнего цилиндра обеспечивает двигатель 3 посредством ременной передачи. Управление двигателем осуществляет контроллер 4, на который в свою очередь от платы сбора данных 12 поступают управляющие сигналы на пуск, остановку, реверс, изменение скорости вращения, формируемые программно. Температура в слое внутреннего цилиндра определяется при помощи термопреобразователей сопротивления, включенных в мостовые измерительные схемы, напряжения разбаланса которых поступают на аналоговые входы платы 9 (ЫШББ 9162). Температура внешней поверхности наружного цилиндра измеряется термоэлектрическим преобразователем 7. Касательное напряжение в слое исследуемой жидкости определяется по известным геометрическим параметрам коаксиальных цилиндров измерительного устройства, а также по сигналу тензометрического датчика 5, который через преобразователь 6, подает-

г

ся на аналоговый вход платы 12.

Преобразователь вращающего момента калибровался путем нагружения внутреннего цилиндра моментом, создаваемым силой тяжести гирь известной массы и действующей на заданном расстоянии от оси коаксиальных цилиндров. Погрешность косвенного измерения напряжения сдвига равна +2 Па.

Экспериментальное определение реологических и теплофизических характеристик

С использованием данной измерительной установки были проведены исследования моторного масла М-8В8ЛБ 20W-20 API SD/CB ГОСТ 10541-78производства «Роснефть». График зависимости при 30°С приведен на рис. 3. Теплопроводность масла определялась стационарным методом и составила 0,13+0,01 Вт/(м-К) при скорости сдвига 0..100 с-1.

2O

1S

16

I» 14

s

ft 12

1O

и S

я 6

is 4

m

2

O

ж /V

л

4O 6O SO

Скорость сдвига, 1/с

Рис. 3 - Зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига для моторного масла М-8В SAE 20W-20 API SD/CB, ГОСТ 10541-78 производства «Роснефть»

Теплопроводность^ исследуемой жидкости и напряжение сдвига тхопределялись по формулам

R2U2Л • ta|R-

R1U 2ln( f1!-RS1

(А -(Aj -U„ )+B) ' R3 • S1 ,

где и - напряжение питания основного нагревателя;

-теплопроводность защитной гильзы (см. рис. 1); ^-электрическое сопротивление нагревателя; -площадь нагревателя, Тэ -установившаяся температура в слое внутреннего цилиндра радиусом Яъ АиВ - константы, определяемые при градуировке преобразователя вращающего момента, - площадь

внутренней поверхности цилиндра 7, соприкасающейся с исследуемой жидкостью, ^¡-напряжение на выходе преобразователя 6 (рис. 2) когда исследуемая жидкость заполняет весь зазор между цилиндрами, £/0-напряжение на выходе преобразователя 6, когда исследуемая жидкость находится в нижней полусферической части зазора между цилиндрами.

Выводы

Представленная измерительная установка может применяться как в реологических, так и теп-лофизических исследованиях ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Полученные зависимости могут использоваться для оптимизации технологических процессов, сопровождающихся сдвиговым течением материалов в жидкой фазе.

Разработка метода и устройства были проведены при финансовой поддержке со стороны Ми-нобрнауки России в рамках базовой части государственного задания.

Литература

1. В.Н. Колодежнов, А.В. Колтаков, Моделирование диссипативного разогрева для сдвиговых течений неньютоновских жидкостей в плоских каналах. ВГПУ, Воронеж:, 2008. С. 3-10.

2. A.G. Divin, S.V. Mishchenko, S.V. Ponomarev, G.V.Mozgova, A.G Tkachev, Instruments and Experimental Technique, 51, 3, 480 - 488 (2008).

3. Б.Р. Абайдуллин, Е.К. Вачагина, Вестник Казанского технологического университета, 15, 19, 40-44

4. Р. С. Шайхетдинова, Ф.А. Гарифуллин. Вестник Казанского технологического университета, 9, 490492 (2010).

5. М.А. Петрашева, А.Г. Дивин. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 11, 66-69 (2013).

6. М.П. Беляев, В.П. Беляев, А.Г. Дивин. Вестник Тамбовского государственного технического университета, 16, 4, 797-802 (2010).

7. А.Г. Дивин, С.В. Пономарев, П.С. Беляев, М.А. Петрашева, Д. А. Дивина.Вестник Тамбовского государственного технического университета. 19, 3, 500-505,

O

© А. Г. Дивин - д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Управление качеством и сертификация» Тамбовского госуд.о технич. ун-та, agdv@yandex.ru С. В. Пономарев - д.т.н., профессор кафедры «Управление качеством и сертификация» того же всуза, kafedra@uks.tstu.ru; П. С. Беляев - аспирант той же кафедры, tyler24@mail.ru; М. А. Петрашева - аспирант той же кафедры, mariya-che1@yandex.ru; Д. А. Любимова - аспирант той же кафедры, divinadar@yandex.ru

© A. G. Divin - doctor in technical science, associate professor, the Head of the "Quality management and certification" Department in Tambov State Technical University, agdv@yandex.ru; S. V. Ponomarev - doctor in technical science, professor of the "Quality management and certification" Department in Tambov State Technical University, kafedra@uks.tstu.ru; P. S. Belyaevpostgraduate student, "Quality management and certification" Department, Tambov State Technical University, tyler24@mail.ru; M. A. Petrasheva postgraduate student, "Quality management and certification" Department, Tambov State Technical University, mariya-che1@yandex.ru; D. A. Liubimova - postgraduate student, "Quality management and certification" Department, Tambov State Technical University, divinadar@yandex.ru.