Давление насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 536.7: 544.3.01

М. А. Талибов, Д. Т. Сафаров, А. Н. Шахвердиев, Е. Р. Хассел

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ И МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ЯРДЫМЛИНСКОГО РАЙОНА АЗЕРБАЙДЖАНА

Ключевые слова: Геотермальные и минеральные воды, давление насыщенных паров, температура, статический метод, эмпирическое уравнение Антуана.

В данной статье приводятся экспериментальные исследования давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана. Опыты были проведены в лабораториях кафедры «Техническая термодинамика» Ростокского университета Германии с использованием абсолютного и дифференциального статического метода.

Keywords: geothermal and mineral waters, vapour pressure, temperature, static method, Antuan empirical equation.

In the present paper, the experimental results of geothermal and mineral waters of the Yardimli district of Azerbaijan are given. The experiments were carried out using the static and differential methods in the laboratories of the University of Rostock, Germany.

Введение

Ярдымлинский район — административная единица на юго-востоке Азербайджана и один из красивейших уголков Азербайджана, расположившийся в Талышских горах. Красивый природный ландшафт, холодные и горячие минеральные воды, благоприятный влажный климат и развитая транспортная сеть обусловливают развитие в районе курортов и туристических баз. Район богат термальными и минеральными источниками. В разных уголках района имеются также многочисленные термальные и минеральные воды: Арус, Алиабад, Пештесар, Мирзехан, Сойугбулаг, Корбулаг, Багбу-лаг и др.

В течение нескольких лет между кафедрами «Тепло- и хладотехника» Азербайджанского технического университета и «Техническая термодинамика» Ростокского университета Германии развиваются всесторонные научные связи, одной из которых являются исследования теплофизических свойств геотермальных и минеральных вод различных стран (Германия, Азербайджан, Россия, Турция и т.д.). Данная работа является частью этих исследований. В этой работе приводятся результаты давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана.

Экспериментальная часть

Измерения давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана проводились в лабораториях кафедры «Техническая термодинамика» Ростокско-го университета Германии с использованием двух различных установок:

- при Т=(274.15 - 323.15) К - реализующий абсолютный и дифференциальный статический метод (рис. 1).

- при Т=(323.15 - 413.15) К - реализующий абсолютный статический метод (рис. 2).

Основную часть установки (рис. 1) для измерения давления насыщенных паров при температурах Т=(274.15 - 323.15) К составляют стеклянные ячейки (3, 4, 27), которые имеют внутренние и внешние объемы, между которыми течет дистиллированная вода, подаваемая из термостата Lauda Gold R-415, Германия (21). Температура в измерительных ячейках создается и стабилизируется при помощью термостата (21) с точностью ±0.01 K и измеряется платиновыми термометрами PT-100 (6, 35) с точностью ±0.01 K. Измерительные ячейки имеют объем примерно 80 cm3. Для растворов с низкими концентрациями, давление насыщенных паров которых очень близко к давлению насыщенных паров растворителя, и эта разница меньше чем погрешность статической ячейки (10-30 Па), измерения проводились в дифференциальной части (3, 4) установки. В этой части две ячейки совмещены в один водяной резервуар. Температура во всем объеме резервуара измеряется с помощью платинового термометра Р^ 100 (6) с точностью ±0.01 K.

Давление насыщенных паров в измерительных ячейках измеряется с помощью высокоточных измерителей давлений (10) MKS Baratron, типа 616A (США) в дифференциальной части с точностью р = ±(1 до 3) Пя и MKS Baratron, типа 615А (США) в статической части (23) с точностью р = ±(10 до 30) Пя. Эти измерители давления термостатируются при температуре 7=333.15±0.01 K в специальных резервуарах для поддержания постоянной температуры (11, 22). Вода в резервуары подается через термостат Haaki, Германия (16).

Полученные результаты передаются на индикаторы сигнала давления (13, 14) через переходники (12, 15), а потом непосредственно в центральный компьютер (34) с помощью управляемой программы LabVIEW. На этот компьютер также передаются измеренные значения температуры всех из-

мерительных ячеек. Компьютер определяет стабилизацию давления насыщенных паров при данной температуре, а после измерений значений давления изменяет температуру эксперимента на следующую по заданному интервалу до максимального значения. После достижения максимальной температуры эксперимента, компьютер изменяет температуру в противоположную сторону и происходит измерение давления насыщенных паров до минимальной тем-

пературы. Таким образом происходит повторение экспериментальных точек. Кратность повторения также можно задать в компьютерную систему заранее. В установке также предусмотрено ручное измерение температуры с помощью платинового термометра РТ-100. Он используется как запасной, на случай выхода из строя электронных систем. В таком случае эксперименты продолжаются вручную.

ПЗШТ"-... 29

16

ЗЗ З2 З1

..ÉnTLk

Рис. 1 - Экспериментальная установка для определения давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана: (1), (28), (30) магнитная мешалка; (2), (36) магнит, (3) ячейка дифференциального метода для чистой воды; (4) ячейка дифференциального метода для образца; (5), (37) клапаны для закрывания ячейки дифференциального метода для образца и (26) статического метода для образца; (6), (35), (39), (40) платиновые термометры сопротивления с 4-х канальным входным модулем получения и накопления данных Омега PT-104A (19); (7), (20), (38) соединения для заполнение образца; (8), электрическое нагревание соединений ячейки с измерителями давления MKS Baratron 616А и (25), MKS Baratron 615 А; (9), водяное нагревание соединений ячейки с измерителями давления MKS Baratron 616А и (24), MKS Baratron 615 А; (10) измеритель давления MKS Baratron 616А в дифференциальном методе и (23) MKS Baratron 615А в статическом методе; (11) резервуар для поддержание постоянной температуры для измерителя давлении в дифференциальном методе и (22) в статическом методе; (12) соединитель сигнала давления с индикатором давления дифференциального метода и (15) статического метода; (13) индикатор сигнала давления дифференциального метода и (14) статического метода; (16) термостат HAAKE F5; (17) системы управления электронагревателя для дифференциального метода и (18) для статического метода; (21) Термостат Lauda Gold R-415; (27) ячейка статического метода; (29) колба для заполнения образца; (31) вакуумный индикатор TTR100; (32) ловушка с жидким азотом; (33) вакуумный насос; (34) компьютер для управления установкой

Рис. 2 - Экспериментальная установка для измерения давления насыщенных паров при температурах T=(328.15 до 473.15) K: (1) термостат LAUDA ECO RE 415 G; (2), (3) платиновые термометры сопротивления; (4) измерители давления SERIE 35 X HTC; (5) 4-х канальный входной модуль получения и накопления данных температуры Омега PT-104A; (6) компьютер для управления установкой; (7) индикатор давления; (8) Колба для заполнения установки измеряемой жидкости; (9), (10) вентили; (11) изоляция измерительной ячейки; (12) резервуар для поддержания постоянной температуры в измерительной ячейке; (13) измерительная ячейка; (14) магнит; (15) магнитная мешалка; (16) вакуумный индикатор TTR100; (17) ловушка с жидким азотом; (18) вакуумный насос

З9

30

34 \ 21

Перед проведением экспериментов измерительная ячейка промывается водой, ацетоном и ва-кууммируется с помощью вакуумной системы (3133). Процесс проводится около 2-3 часов, до тех пор пока в измерительных системах не получаются минимальные давления в пределах погрешности эксперимента. Измерительная ячейка заполняется примерно наполовину. Образец заполняется в вакуум-мированную ячейку с помощью специальной колбы, соединенной металлическим наконечником (7, 20, 38). После заполнение ячеек жидкостью часть его испаряется на паровую фазу и создает давление насыщенных паров над жидкостью. После определенного времени производится измерение давления насыщенных паров данного образца в данном стационарном режиме.

В данном случае мы измеряли давление насыщенных паров геотермальных и минеральных вод, внутри которых имеются растворенные газы, и в паровую фазу испаряется вода и растворимые газы. Поэтому давление насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана есть суммарное давление насыщенных паров водяного пара и растворимых газов.

Магниты (2, 36), находящееся в измерительных ячейках, вращаются внутри с помощью магнитных мешалок (1, 28) и помогают стабилизации системы «жидкость-пар».

Для соединения измерительных ячеек и измерителей давления MKS Baratron использовалась специальная конструкция, так как они расположены друг от друга на расстоянии примерно 40 см. В стеклянные измерительные ячейки приварены специальные переходники «стекло-металл» фирмы MDC Vacuum Limited (Англия). На металлическую часть припаяны специальные штуцера фирмы VAT Deutschland GmbH, между которыми имеются уп-лотнительные диски с резиновой прокладкой. Второй штуцер соединяется с измерителем давления с помощью капиллярной трубки. Такая конструкция уменьшает потери при измерении давления насыщенных паров, но не исключает их полностью. Это можно проверить с использованием веществ, давление насыщенных паров которых известно с высокой точностью (например: вода, алифатические спирты и т. д.). Для предотвращения этих потерь между стеклянными измерительными ячейками и измерителем давлений MKS Baratron сначала использовано электрическое (8, 25) нагревание (так как в месте соединения обоих штуцеров возникает сложность при конструировании водяной рубашки), затем водяное (9, 24). После многократного измерения давления насыщенных паров эталонных образцов (вода, метанол, этанол, ацетон и т.д.) была установлена мощность электрического напряжения для каждой измеряемой температуры, которая создается с помощью системы управления электронагревателей

(17, 18).

Для измерения давления насыщенных паров при высоких температурах, когда измеряемое давление становится выше атмосферного, стеклянные ячейки оказываются непригодными. Для этой цели, была сконструирована вторая установка измерения

давления насыщенных паров при температурах T=(328.15 до 473.15) K (рис.2).

Экспериментальная установка для измерения давления насыщенных паров при температурах T=(328.15 до 473.15) K состоит из металлической ячейки из нержавеющей стали V4A (Германия). Внутренний объем ячейки составляет примерно 140 см3, который включает в себя объем самой ячейки, соединительных трубок и половину объема вентиля (10), за вычетом объема платиновых термометров (2, 3), находящихся внутри ячейки.

Температура внутри измерительной ячейки, расположенной внутри резервуара (12), заполненного силиконовым маслом ^ORASILON oil M50 (Kurt Obermeier GmbH & Co. KG, Германия), создается с помощью термостата (1) LAUDA ECO RE 415 G (Германия) с точностью AT=±0.01 K. Температура ячейки измеряется с помощью двух платиновых термометров сопротивления (2, 3) PT-100 (1/10 DIN Class B, Temperatur Messelemente Hettstedt GmbH, Германия), которые соединены к 4-х канальному входному модулю получения и накопления значений температуры (5) Омега PT-104A (Omega Engineering, inc., США). Один термометр подключен к термостату для непосредственной передачи информации. С помощью этого термометра термостат создает измеряемую температуру прямо в измерительной ячейке, а не в самом термостате. Это очень важный момент, при котором любую температуру с высокой точностью можно создать прямо в измеряемой среде. Второй термометр сопротивления передает измеряемую температуру в компьютер.

Давление насыщенных паров измерялось с помощью измерителя давления (4) (SERIE 35 X HTC, Omega GmbH & Co., Германия) с точностью AP= ±2000 Pa.

Перед проведением эксперимента измерительная ячейка промывается водой, ацетоном и ва-кууммируется с помощью вакуумной системы (1618). Процесс проводится около 5-6 часов, до тех пор пока в измерительных системах не получаются минимальные давления в пределах погрешности экспериментов. После этих подготовительных этапов установку можно использовать непосредственно для проведения экспериментов. Потом закрывается вентиль (9) и открывается вентиль (10). С использованием специальной колбы (8) образец заполняется в измерительную ячейку примерно на половину, далее вентиль (10) закрывается. После заполнения ячеек жидкостью часть его испаряется и создает давление насыщенных паров над жидкостью. Для создания равновесного состояния используется магнитная мешалка (15). Внутри измерительной ячейки имеется магнит (14), который вращается с вращением магнитной мешалки, находящейся под измерительной ячейки. Через заранее заданный интервал времени (обычно 1 мин.) производятся измерения давления насыщенных паров данного образца и передаются в компьютер. Стационарный режим с постоянной температурой достигается примерно в течение 50-70 минут. Но установка передает информацию о давлении насыщенных паров с определенным интервалом времени. Во время анализа эксперимен-

та используются только данные при стационарном режиме с постоянной температурой. После этого компьютер, используя программу ЬаЪУ1е^ изменяет температуру установки и переходит на другой температурный режим. Таким образом эксперименты продолжается от низкой температуры (7=333.15 К) до высокой (7=413.15 К) с интервалом Д7=10 К (этот интервал тоже можно задать перед экспериментом). После достижения максимальной температуры компьютер, используя программу ЬаЪУ1е^ останавливает работу установки.

Результаты экспериментов

Полученные результаты давлений насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана приведены в таблице 1 и для наглядности приведены на рис. 3. Как видно из рис. 3, давление насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского

Таблица 1 - Давления насыщенных паров геотер! района Азербайджана

района Азербайджана выше, чем давление насыщенных паров чистой воды. Этот факт можно объяснить тем, что в природной воде имеются растворимые газы, которые также создают давление паров [4]. Для эксперимента использовались геотермальные и минеральные воды Ярдымлинского района Азербайджана в том состоянии, в котором они выходят на поверхность земли, т. е. без извлечения растворенных в них газов. Поэтому растворенные газы оставались в образцах во время проведения экспериментов для определения давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдым-линского района Азербайджана. В результате этих экспериментов мы измерили абсолютное давление насыщенных паров заполненного образца. Давление насыщенных паров всех измеряемых образцов близки друг к другу, за исключением образца «Пештасар».

, минеральных и питьевых вод Ярдымлинского

"Арус" "Алиабад" "Пештасар" "Шалала"

7/К р/Ра 7/К р/Ра 7/К р/Ра 7/К р/Ра

274.21 1075 274.20 1151 274.28 2249 274.16 810

277.27 1312 278.11 1486 277.21 2705 277.14 996

283.17 1900 284.20 2176 283.87 4050 283.88 1561

292.20 3240 292.71 3597 292.35 6566 292.22 2632

301.91 5529 302.17 6054 301.70 10789 301.73 4586

310.89 8769 310.85 9456 309.23 15698 313.24 8531

323.44 15929 323.47 17227 323.47 30221 323.02 13896

333.15 24432 333.15 26358 333.15 45495 333.15 22260

343.15 36913 343.15 39755 343.15 67551 343.15 34368

353.15 54355 353.15 58416 353.15 97810 353.15 51617

363.15 78192 363.15 83826 363.15 138429 363.15 75602

373.15 110111 373.15 117720 373.15 191890 373.15 108233

383.15 152068 383.15 162094 383.15 261000 383.15 151752

393.15 206292 393.15 219205 393.15 348893 393.15 208747

403.15 275291 403.15 291572 403.15 459015 403.15 282166

413.15 361849 413.15 381968 413.15 595110 413.15 375315

"Мирзахан" "Союгбулаг" "Корбулаг" "Баг-булаг"

7/К р/Ра 7/К р/Ра 7/К р/Ра 7/К р/Ра

274.18 938 274.24 815 274.23 849 274.24 707

278.11 1207 277.15 1002 278.10 1108 277.26 874

283.20 1657 283.39 1533 284.88 1733 283.38 1324

291.85 2767 291.41 2564 292.46 2776 293.98 2592

301.44 4718 303.50 5237 303.76 5321 303.47 4520

310.44 7552 313.13 8825 313.20 8789 313.17 7668

322.98 13912 322.97 14482 322.94 14233 322.93 12586

333.15 22062 333.15 23316 333.15 22781 333.15 20414

343.15 33790 343.15 36047 343.15 35005 343.15 31756

353.15 50494 353.15 54153 353.15 52310 353.15 48030

363.15 73774 363.15 79268 363.15 76225 363.15 70816

373.15 105575 373.15 113331 373.15 108557 373.15 102017

383.15 148226 383.15 158596 383.15 151409 383.15 143883

393.15 204474 393.15 217640 393.15 207183 393.15 199035

403.15 277506 403.15 293367 403.15 278589 403.15 270469

413.15 370980 413.15 389000 413.15 368633 413.15 361572

600000

500000

400000

300000

200000

100000

Таблица 2 - Коэффициенты А, В, С уравнения (1) для геотермальных и минеральных вод Ярдым-линского района Азербайджана

273.15 293.15 313.15 333.15 353.15 373.15 393.15 413.15

Т /К

Рис. 3. Зависимость давления насыщенных паров р геотермальных и минеральных вод Ярдымлин-ского района Азербайджана от температуры:

Этот образец имеет огромное количество растворимых газов и богат минеральными элементами.

Теоретическое описание экспериментальных результатов

Вследствие того, что эксперименты проводились в определенном интервале температур, для вычисления давления насыщенных паров [5] каждого образца в индивидуальной форме получено эмпирическое уравнение Антуана:

ln р = A-B/(7+C).

здесь: р - давление пара в Ра, Т- абсолютная температура в К, А, В и С - коэффициенты, которые приведены в таблице 2 вместе с погрешностью описания экспериментальных данных давлении насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Яр-дымлинского района Азербайджана, которые были рассчитаны по формуле:

= 100/« .£[( рэкс- ррас.)/рэкс.]

Воды A B C Sp/p, %

"Арус" 22.9559 3874.47 -31.6874 0.0049

"Алиа- 22.7030 3691.06 -38.4193 0.0026

бад"

"Пешта- 22.7613 3544.47 -38.6595 0.0018

сар"

"Шалала" 23.2279 3889.92 -38.8469 0.0059

"Мирза- 23.6111 4186.88 -25.1102 0.0107

хан"

"Союгбу- 22.8490 3628.01 -49.5363 0.0023

лаг"

"Корбу- 22.8636 3703.83 -44.4623 0.0092

лаг"

"Баг- 23.3880 3968.37 -38.4121 0.0090

булаг"

где рэкс - экспериментальные значения давления насыщения, ррас - значения, рассчитанные по уравнению (1).

Анализируя химические свойства этих образцов [3], можно сказать, что эти источники не так сильно отличаются друг от друга по своим свойствам за исключением воды «Пештасар» и составляют основной потенциал геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана.

© М. А. Талибов - доцент кафедры технологии тепло- и хладоснабжения Азербайджанского технич. университета, misirkhantalibov@yahoo.com; Д. Т. Сафаров - доцент, науч. сотр. каф. технической термодинамики Университета г. Росток (Германия), javid.safarov@uni-rostock.de; А. Н. Шахвердиев - зав. каф. технологии тепло- и хладоснабжения Азербайджанского технич. ун-та; Е. Р. Хассел - зав. каф. технической термодинамики Университета г. Росток (Германия), egon.hassel@uni-rostock.de.

Заключение

Впервые были исследованы давления насыщенных паров геотермальных и минеральных вод Ярдымлинского района Азербайджана. Полученные данные были сравнены с давлением насыщенных паров чистой воды, и получены коэффициенты уравнения Антуана. Растворенные газы играют значительную роль при исследовании давления насыщенных паров образцов.

Сегодня геотермальные и минеральные воды Ярдымлинского района Азербайджана используются в основном в лечебных и питьевых целях. Используя природные богатства района и отличный климат, из которых преобразуются и обогащаются эти водные источники, здесь можно развивать туристические, лечебные и др. объекты, и оказывать услуги населению. В этом направлении ведутся различные работы. В районе уже создано несколько центров отдыха и туристических баз, где есть все условия для гостей.

Литература

1. http://ru.wikipedia.org

2. Талибов, М.А. Химический состав (Катионы) геотермальных, минеральных и питьевых вод Ярдымлинского района Азербайджана, Мониторинг. Наука и технологии», 2012, №1 (10), 48-53.

3. Wagner, W., Pruß, A. The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use, Journal of Physical Chemistry Reference Data 2002, 31, 387-535.

4. Э.В. Осипов, Ф.М. Сайрутдинов, Э.Ш. Теляков, К.С. Садыков, Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 213 - 216 (2012).

5. А.Е. Воронин, Р.Р. Сафин, А.Ф. Зигангараев, Вестник Казанского технологического университета, 9, 505 - 511 (2010).

0

i=1