Экспериментальное исследование поверхностного натяжения и давления насыщенных паров растворов хладагент/ наномасло

УДК 532.11:532.612

В. П. Железный, Н. Н. Лукьянов, С. С. Рябикин, А. Г. Никулин, М. П. Полюганич, Д. А. Ивченко

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ РАСТВОРОВ ХЛАДАГЕНТ/ НАНОМАСЛО

Ключевые слова: наномасло, хладагент, поверхностное натяжение, давление насыщения.

Исследовано влияние примесей наночастиц ТЮ2 на давления насыщенных паров и поверхностное натяжение растворов хладагент/масло. Полученные результаты позволяют прийти к заключению о том, что примеси наночастиц ТЮ2 приводят к весьма значительному возрастанию давления насыщенных паров растворов хладагент/масло а также к понижению их поверхностного натяжения.

Keywords: nanolubricant, refrigerant, surface tension, saturation pressure.

The influence of impurities of ТЮ2 nanoparticles on the saturated vapor pressure and the surface tension of solutions of the refrigerant/oil were investigated. The obtained results allow to conclude that the impurity ТЮ2 nanoparticles led to a very significant increase in the vapor pressure of solutions refrigerant/oil and decrease the surface tension.

Введение

При исследовании перспектив применения нанотехнологий в холодильной технике важно выделить эффект влияния наночастиц на теплофизические свойства растворов

хладагент/компрессорное масло (РХМ).

В настоящее время влияние наночастиц на поверхностное натяжение и давление насыщенных паров РХМ является наименее изученным вопросом, а вопросы изменения концентрации наночастиц в поверхностном слое жидкой фазы вообще не являлись предметом экспериментальных и теоретических исследований. Вместе с тем эти термодинамические свойства в значительной мере определяют показатели эффективности

компрессорной системы и интенсивность процессов теплообмена при кипении рабочего тела в испарителе холодильной установки.

В докладе рассмотрены поверхностные свойства модельных систем - ЯП/Агринол и К11/Агринол/ТЮ2. Определение давления насыщенных паров нано РХМ производилось статическим методом. Схема экспериментальной установки для исследования давления насыщенных паров РХМ и нанофлюидов на их основе представлена на рис. 1.

Экспериментальное исследование давления насыщенных паров растворов хладагент/ наномасло

Измерительная ячейка расположена в термостате 15. Измерение температуры осуществлялось платиновым термометром сопротивления 13 (ТЯ10Л с погрешностью не выше ±0,05 К). Термометр устанавливался вблизи средней части измерительной ячейки 1. Для измерения давления насыщенных паров в верхней части балластного капилляра присоединён

пьезоэлектрический преобразователь давления 10, который оснащён стабилизированным источником питания 8 и подключен к мультиметру 11. Контроль

за температурой капилляра осуществлялся термопарой 12, соединённой с мультиметром 12. Термостат оснащен системой автоматического регулирования температуры 6. Колебания температуры в термостате не превышали 0.02 К.

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для определения давления насыщенных паров: 1 -измерительная ячейка; 2 - фоновый нагреватель; 3 - разгонный нагреватель; 4 -мешалка; 5 - контактный термометр, 6 - система терморегулирования; 7 - источник постоянного питания Б5-44; 8 - источник постоянного питания Б5-49; 9 - нагреватель на балластном капилляре; 10 - преобразователь давления WIKA 8-10; 11 - мультиметр М3510А; 12 -термопара (БТ838); 13 - платиновый термометр сопротивления ТШ0А; 14 - вентиль. 15 -термостат

Средний размер наночастиц в приготовленных нанофлюидах составлял 25 нм.

Исследование давления насыщенных паров РХМ выполнено при массовых концентрациях масла: 0%, 9%, 28%, 60%. Исследование влияния наночастиц на давление насыщенных паров РХМ выполнено на концентрации наночастиц ТЮ2 0,14%, и масла 54%, 25%, 3%. Выполненный анализ показывает, что в проведенных исследованиях погрешность измерения температуры не превышает 0,05 К, концентрации масла - 0,012%, концентрации наночастиц 1%, давления насыщенных паров РХМ от 0,2 до 0,3%.

Результаты исследования давления насыщенных паров РХМ представлены на рис. 2. Полученные результаты позволяют прийти к заключению о том, что примеси наночастиц ТЮ2 приводят к весьма значительному возрастанию давления насыщенных паров растворов хладагент/масло.

поднятия. Схема экспериментальной установки для исследования поверхностного натяжения объектов исследования представлена на рис. 4.

Рис. 2 - Концентрационная зависимость давления насыщенных паров Ш1/Агринол и И1 1/Агринол/ТЮ2

Рис. 3 - Концентрационная зависимость разности давлений насыщения растворов Ш1/Агринол и К11/Агринол/ТЮ2

Экспериментальное исследование поверхностного натяжения растворов хладагент/ наномасло

Исследование влияния наночастиц ТЮ2 на поверхностное натяжение производилось дифференциальным методом капиллярного

Рис. 4 - Схема экспериментальной установки по исследованию поверхностного натяжения растворов Ш1/Агринол и К11/Агринол/ТЮ2: 1 -измерительная ячейка; 2 - фоновый нагреватель; 3 - регулирующий нагреватель; 4 -мешалка; 5 - термостат; 6 - мультиметр М3510а; 7 - платиновый термометр сопротивления; 8 -контактный термометр; 9 - система терморегулирования температуры; 10 -катетометр; 11 - капилляры; 12 - фланец; 13 -стеклянная труба; 14 - вентиль; 15 - вакуумный насос; 16 - баллон с исследуемым веществом.

Основным элементом измерительной ячейки 1 является кассета с семью капиллярами различного диаметра 11, которые установлены в стеклянной трубе 12. Уплотнение ячейки осуществляется фланцами 12. На верхнем фланце установлен вентиль 14, через который осуществляется вакуумирование и заправка ячейки исследуемым образцом. Термостатирование измерительной ячейки осуществляется в жидкостном термостате, который имеет смотровые окна. Измерение температуры осуществляется платиновым термометром сопротивления 7. Для измерения уровней жидкости в капиллярах использовался катетометр 10. Термостат оснащен системой автоматического регулирования температуры 9.

Исследование влияния примесей масла на поверхностное натяжение хладагента производилось при массовых концентрациях масла в растворах 53%, 30%, 11%. Исследование влияния наночастиц на поверхностное натяжение растворов хладагент/масло производилось на концентрациях наночастиц 0,14%, и концентрациях масла 53%, 30%, 11%. Полученные результаты демонстрируют рис. 5,6.

Из информации, приведенной в таблицах 1 и 2 следует, что примеси наночастиц в растворах хладагент/ масло способствуют понижению их поверхностного натяжения. Этот эффект при повышении температуры уменьшается. Более того проведенные исследования подтверждают сформулированный в работе [1] вывод о наличии функциональной зависимости давления

насыщенных паров от поверхностного натяжения раствора. В докладе приведен анализ температурно-

концентрационной зависимости поверхностного натяжения и давления насыщенных паров.

Таблица 1 - Поверхностное натяжение

РХМ Нано РХМ

t, C X масла, мас.% о, мН/м X TiO2, мас.% X масла, мас.% о, мН/м

52.72 25.12 0.138 52.73 23.97

20 30.00 20.58 0.140 30.84 20.44

10.75 18.62 0.142 10.36 18.71

0 18.38

53.09 22.87 0.139 53.07 21.96

40 30.20 18.54 0.141 31.03 18.53

10.81 16.49 0.143 10.43 16.57

0 16.00

53.63 20.63 0.140 53.65 19.95

60 30.57 16.50 0.143 31.39 16.62

10.91 14.36 0.145 10.57 14.43

0 13.63

54.34 18.38 0.143 54.48 17.93

80 31.10 14.46 0.145 31.92 14.70

11.07 12.24 0.148 10.78 12.29

0 11.26

Таблица 2 - Зависимость давления насыщения

X масла, мас.% t, C X TiO2, мас.% о, мН/м P, бар

53 27 0.138 23.27 0.76

37 0.139 22.26 1.04

53 0.140 20.65 1.64

66 0.141 19.33 2.30

80 0.143 17.91 3.21

30 27 0.140 19.67 0.96

37 0.141 18.72 1.33

53 0.142 17.18 2.14

66 0.143 15.94 3.04

80 0.145 14.60 4.31

10 27 0.142 17.98 1.11

37 0.143 16.92 1.53

53 0.144 15.21 2.47

66 0.146 13.82 3.52

80 0.148 12.32 5.01

Литература

1. V. Zhelezny, V. Sechenyh, D. Ivchenko, Yu. Semenyuk. Int. J.of Refrig. 40 (2014) 241.

© В. П. Железный - д-р техн. наук, профессор, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, vzhelezny@mail.ru; Н. Н. Лукьянов - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, nikolai_lukyanov@ukr.net; С. С. Рябикин - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, ryabikin90@mail.ru; А. Г. Никулин - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, arteomng@gmail.com; М. П. Полюганич - аспирант, младший научный сотрудник, институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, mppolyuganich@gmail.com; Д. А. Ивченко - ассистент каф., институт холода криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского, каф. теплофизики и прикладной экологии, Одесская национальная академия пищевых технологий, dmitriy.ivchenko@gmail.com.

© V. P. Zhelezny - Professor. Dr. Sc, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, vzhelezny@mail.ru; M. M. Lukianov - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, nikolai_lukyanov@ukr.net; S. S. Riabikin - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, ryabikin90@mail.ru; A. G. Nikulin - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, arteomng@gmail.com; M. P. Polyuganich - postgraduate student, scientific assistant, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, mppolyuganich@gmail.com; D. Ivchenko - assistant of the department, institute of refrigeration, cryotechnology and eco-energy, Department of Thermal Physics and Applied Ecology, Odessa National Academy of Food Technologies, dmitriy .ivchenko@gmail.com.