В'язкість розчинів холодоагентів із компресорними мастилами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

УДК 536.32:

532.13:621.57

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

В'ЯЗКІСТЬ РОЗЧИНІВ ХОЛОДОАГЕНТІВ ІЗ КОМПРЕСОРНИМИ МАСТИЛАМИ

(Експеримент, методи прогнозування)

Спеціальність 05.14.06 - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

СЄЧЕНИХ ВІТАЛІЙ ВАЛЕРІЙОВИЧ

Одеса - 2008

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Одеській державній академії холоду (ОДАХ) Міністерства освіти і науки (МОН) України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Желєзний Віталій Петрович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри інженерної теплофізики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Геллер Володимир Зіновійович, Одеська національна академія харчових технологій, професор кафедри екології харчових продуктів і виробництв;

кандидат фізико-математичних наук, доцент Григор'єв Андрій Миколайович, Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка, доцент кафедри молекулярної фізики.

Захист дисертації відбудеться 27 жовтня 2008 р. о 14.00 годині в ауд. 108 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.087.01 в Одеській державній академії холоду за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, 65082, Україна.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ОДАХ за адресою: вул. Дворянська, 1/3, м. Одеса, 65082, Україна.

Автореферат розісланий “___” _____________ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., проф. Мілованов В.І.

АНОТАЦІЯ

Сєчених В.В. В'язкість розчинів холодоагентів із компресорними мастилами (Експеримент, методи прогнозування) - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - «Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика». - Одеська державна академія холоду, Одеса, 2008 р.

Дисертація присвячена експериментально-розрахунковому вивченню в'язкості розчинів холодоагентів із компресорними мастилами, розробці з використанням отриманої інформації таблиць довідкових даних з в'язкості реальних робочих тіл: R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY. Крім того, в дисертації представлені результати комплексного експериментально-розрахункового дослідження теплофізичних властивостей компресорних мастил: ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32.

Для виконання поставлених в дисертації завдань створено два оригінальні експериментальні стенди: для дослідження в'язкості рідин методом кульки, що котиться, і для визначення молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил. У роботі запропонована заснована на теорії термодинамічної подібності модель для опису температурної залежності в'язкості для чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ у всьому діапазоні концентрацій. Розроблена методика прогнозування в'язкості для чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ, заснована на структурно-адитивному підході з використанням обмеженої емпіричної інформації. Вперше встановлений зв'язок між парахором, ортохором, молярною рефракцією, критичним молярним об'ємом і критичною амплітудою для різниці густин на лінії кипіння та конденсації. Запропонована нова кореляція між показником заломлення і густиною рідини.

Розроблені таблиці довідкових даних з капілярної сталої, густини, показника заломлення, в'язкості, молекулярної маси і тиску на лінії кипіння компресорних мастил: ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32. Розроблені таблиці довідкових даних з в'язкості реальних робочих тіл: R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY. Побудовані зручні для практичного застосування діаграми в'язкість-тиск-температура для робочих тіл: R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Ключові слова: холодоагент, компресорне мастило, розчин холодоагенту з мастилом, експеримент, в'язкість, методи прогнозування, реальне робоче тіло.

АННОТАЦИЯ

Сеченых В.В. Вязкость растворов хладагентов с компрессорными маслами (Эксперимент, методы прогнозирования) - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - «Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика». - Одесская государственная академия холода, Одесса, 2008 г.

Диссертация посвящена экспериментально-расчетному изучению вязкости смесевых хладагентов и растворов хладагентов с компрессорными маслами, разработке с использованием полученной информации таблиц справочных данных по вязкости для реальных рабочих тел: R-600a/ХМИ Азмол R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY. Кроме того, в диссертации представлены результаты комплексного экспериментально-рассчетного исследования теплофизических свойств компрессорных масел: ХМИ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32.

Для выполнения поставленных в диссертации задач созданы два оригинальных экспериментальных стенда: для исследования вязкости жидкостей методом катящегося шарика и для определения молекулярной массы и давления паров на линии кипения компрессорных масел. В работе предложена основанная на теории термодинамического подобия модель для описания температурной зависимости вязкости для чистых хладагентов, смесевых хладагентов и РХМ во всем диапазоне концентраций. Разработана методика прогнозирования вязкости для чистых хладагентов, растворов хладагентов и РХМ, основанная на структурно-аддитивном подходе с использованием ограниченной эмпирической информации. Впервые установлена связь между парахором, ортохором, мольной рефракцией, критическим мольным объёмом и критической амплитудой для разности ортобарических плотностей. Предложена новая корреляция между показателем преломления и плотностью жидкости.

Разработаны таблицы справочных данных по капиллярной постоянной, плотности, показателя преломления, вязкости, молекулярной массы и давления на линии кипения компрессорных масел: ХМИ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32. Разработаны таблицы справочных данных по вязкости реальных рабочих тел: R-600a/ХМИ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY. Построены удобные для практического применения диаграммы вязкость-давление-температура для рабочих тел: R-600a/ХМИ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Ключевые слова: хладагент, компрессорное масло, раствор хладагента с маслом, эксперимент, вязкость, методы прогнозирования, реальное рабочее тело.

ABSTRACT

Sechenyh V.V. Viscosity of the solutions the refrigerants with compressor oils (An experiment and prediction methods) - Manuscript.

Thesis for candidate of science (Engineering) degree by specialty 05.14.06 - «Technical Thermophysics and Industrial Thermal Engineering». - Odessa State Academy of Refrigeration, Odessa, 2008.

The dissertation is dedicated to experimental investigation and modeling the viscosity of the refrigerant/oil solutions. New experimental data for the vapor pressure at liquid-saturated curve, capillary constant, surface tension, density, refractive index, kinematic viscosity and average molecular weight for widely applicable refrigerating compressor oils are reported.

The experimental set-up for investigation the viscosity for the refrigerant/oil solutions based on a rolling ball method has been designed. Based on theory of thermodynamical similarity a new correlation for prediction of the dynamic viscosity for the refrigerants, refrigerant mixtures and refrigerant/oil solutions over wide range of the concentrations and temperatures has been developed. Possibilities of application the structurally-additive methods for calculation the dynamic viscosity for the refrigerant mixtures and refrigerant/oil solutions are considered. For the first time relationship between parachor, ortochor, molar critical volume, critical amplitude for density and molar refraction are demonstrated. New equation for relationship between the refractive index and density of the liquid at saturation line is reported.

Based on result obtained the tables of reference data on the viscosity for solutions of the refrigerant R-600a with the mineral compressor oils Azmol and Reniso WF 15A, and R-245fa with the polyolester compressor oil Planetelf ACD 100 FY are calculated. The tables of the reference data on the thermophysical properties for compressor oils: Azmol, XC 15, XC 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22 and Castrol Icematic SW32 are calculated and presented. Based on result obtained the viscosity-pressure-temperature diagrams for real working fluid R-600a/Azmol, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100 FY are developed.

Keywords: refrigerant, compressor oil, refrigerant-oil solution, experiment, viscosity, prediction method, real working fluid.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При розрахунках показників ефективності роботи компресорної системи й аналізі процесів теплообміну у випарнику і конденсаторі слід використовувати властивості розчинів холодоагентів з компресорними мастилами (РХМ). Присутність домішок мастила в робочому тілі призводить до збільшення роботи стиснення, зменшення коефіцієнта теплопередачі у випарнику та холодильного коефіцієнта. Від в'язкості РХМ істотно залежить механічний ККД компресора; коефіцієнт подачі; робота підшипників ковзання; гідравлічні опори в трубопроводах холодильної установки; коефіцієнт теплопередачі у випарнику й інтенсивність відводу тепла від компресора.

Для сучасного холодильного обладнання науково обґрунтований вибір компресорних мастил є пріоритетною задачею. Численність і різноманітність вимог, що висуваються до мастил, роблять питання їх розробки і вибору складною технічною проблемою. За відсутності інформації про теплофізичні властивості компресорних мастил і різноманіття вживаних холодоагентів виробникам холодильного обладнання, фахівцям сервісного обслуговування холодильної техніки досить важко зробити обґрунтований вибір певного сорту холодильного мастила. Не менш важливою є проблема ідентифікації компресорного мастила, придбаного на ринку. Незважаючи на це, в літературі міститься надто недостатньо даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил, призначених для застосування із альтернативними холодоагентами.

Температурно-концентраційна залежність в'язкості РХМ має складний характер. Тому при апроксимації дослідних даних необхідно мати в своєму розпорядженні значний масив емпіричної інформації. Однак до цих пір база достовірних даних з в'язкості розчинів альтернативних холодоагентів із компресорними мастилами залишається надто обмеженою. Відомі з літератури методи прогнозування в'язкості РХМ не забезпечують прийнятного рівня точності розрахунку. В умовах безперервного розширення номенклатури холодоагентів та марок компресорних мастил можливості експериментального вивчення чистих речовин і розчинів дуже обмежені. Пріоритетним науковим напрямом залишається подальший розвиток методів розрахунку і прогнозування в'язкості для таких складних термодинамічних систем як РХМ. Тому створення бази даних з в'язкості перспективних для застосування в новому холодильному обладнанні робочих тіл на підставі проведених експериментальних досліджень, розробка методів прогнозування в'язкості РХМ є актуальним завданням.

Серед великої кількості дослідників, котрі плідно працювали за вищевказаними науковими напрямками, і на роботи яких автор опирався при вирішенні розглянутих у дисертації проблем, слід назвати імена таких відомих учених: Вамлінг Л. (Vamling L.), Кавестрі Р. (Cavestri R.), Хендерсон Д. (Henderson D.), Геллер В.З., Йокозекі А. (Yokozeki А.), Крузе Х. (Kruse H.), Лавренченко Г.К., Мельцер Л.З., Філіппов Л.П., Йоффе В.Б., Бачинський А.І.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота виконана відповідно до: Постанови Верховної Ради України від 04.02.2004 р. про ратифікацію Кіотського протоколу, що набув чинності 16.02.2005; Постанови Кабінету Міністрів України №624 від 16.05.2002 р. «Про посилення державного регулювання ввозу і вивозу з України озоноруйнівних речовин»; Постанови Кабінету Міністрів України №256 від 04.03.2004 р., що затвердила програму призупинення виробництва і використання озоноруйнівних речовин на 2004-2030 рр. Дисертаційна робота також є складовою частиною досліджень, проведених у рамках виконання: проекту № 10.02/003 Т05К-001 Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України й Білоруського республіканського фонду фундаментальних досліджень, затвердженого наказом Міністерства освіти і науки України № 356 від 14.06.2005 р. (науково-технічна робота № Ф10/ 34-2005, номер держреєстрації - 0105U007471) і науково-дослідної роботи № МК 06/7, номер держреєстрації - 0106U002619.

Цілями і завданнями дослідження є розробка науково обґрунтованої бази довідкових даних з в'язкості РХМ R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY; розробка діаграм в'язкість-тиск-температура; розробка бази довідкових даних з теплофізичних властивостей нових компресорних мастил; подальший розвиток методів прогнозування в'язкості РХМ.

Об'єктами дослідження є розчини озононеруйнівних холодоагентів із компресорними мастилами та компресорні мастила.

Предметом дослідження є в'язкість РХМ, методи прогнозування в'язкості РХМ, теплофізичні властивості нових компресорних мастил.

Для досягнення поставленої мети було необхідно виконати наступні завдання:

- здійснити експериментальне дослідження теплофізичних властивостей компресорних мастил;

- виконати експериментальне дослідження в'язкості робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

- розробити методи апроксимації і прогнозування в'язкості для розчинів холодоагентів із компресорними мастилами;

- розробити таблиці довідкових даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил;

- розробити таблиці довідкових даних з в'язкості робочих тіл, перспективних для застосування в новому поколінні холодильного обладнання;

- розробити діаграми в'язкість-тиск-температура для робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Вирішення сформульованих завдань досягнуте в рамках наступних методів дослідження:

експериментальних досліджень, включаючи:

- вимірювання капілярної сталої, густини, показника заломлення, в'язкості, середньої молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил;

- вимірювання в'язкості реальних робочих тіл: R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

теоретичних досліджень, включаючи:

- розрахунок таблиць довідкових даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил;

- розробку методів прогнозування в'язкості РХМ;

- розрахунок таблиць довідкових даних з в'язкості РХМ;

-розробку діаграм в'язкость-тиск-температура для розчинів R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Методи дослідження. При вирішенні зазначених задач використовувались методи експериментального визначення в'язкості РХМ а також капілярної сталої, густини, показника заломлення, в'язкості, середньої молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил. Для виконання аналітичних досліджень використовувались структурно-адитивні методи прогнозування в'язкості рідин та методи теорії термодинамічної подібності.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому:

- в результаті проведеного експериментального дослідження вперше отримано дані з капілярної сталої, густини, показника заломлення, в'язкості, середньої (позірної) молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32;

- вперше отримано експериментальні дані з в'язкості реальних робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

- розроблено нову, засновану на теорії термодинамічної подібності, модель для опису температурної залежності в'язкості для чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ у всьому діапазоні концентрацій з використанням обмеженої емпіричної інформації;

- встановлено, що область автомодельності для в'язкості чистих холодоагентів і їх розчинів знаходиться в інтервалі зведених температур 0.08?t?0.4;

- встановлено, що при термодинамічному моделюванні в'язкості РХМ повинні використовуватися значення псевдокритичних температур, які отримані не із закону відповідних станів, а при обробці даних з густини або в'язкості РХМ.

- вперше встановлено, що структурно-адитивні методи розрахунку можуть бути застосовані для прогнозування в'язкості РХМ;

- розроблено нову методику прогнозування в'язкості для чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ, що заснована на застосуванні конститутивних величин, яка потребує обмежений обсяг емпіричної інформації;

- вперше встановлено, що існують взаємні функціональні зв'язки між парахором, ортохором, молярною рефракцією, критичним молярним об'ємом і критичною амплітудою для різниці густин на лінії кипіння та конденсації, що відкриває широкі можливості при вирішенні завдань прогнозування термодинамічних властивостей речовин;

- запропоновано нову формулу для залежності між показником заломлення і густиною рідини;

- показано що зведена молярна рефракція змінюється універсально як для чистих речовин, так і розчинів;

- вперше розроблено таблиці довідкових даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32;

- вперше розроблено таблиці довідкових даних з в'язкості реальних робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

- побудовано зручні для практичного застосування діаграми в'язкість-тиск-температура для робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів підтверджуються результатами тарувальних та тестових експериментів, детальним аналізом похибок отриманих експериментальних даних, адекватним описом отриманих експериментальних даних та порівнянням розрахованих за запропонованими методиками значень в'язкості із даними експериментальних досліджень інших авторів.

Наукове значення мають такі результати дослідження:

- експериментальні дані з в'язкості розчинів R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY і теплофізичних властивостей компресорних мастил ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32;

- модель для опису температурної залежності в'язкості чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ у всьому діапазоні концентрацій з використанням обмеженої емпіричної інформації;

-методика визначення псевдокритичної температури РХМ, засновану на методі мінімізації відхилень експериментальних даних з в'язкості РХМ від значень, розрахованих за допомогою запропонованого рівняння для опису температурної залежності в'язкості;

- методика прогнозування в'язкості для чистих холодоагентів, сумішевих холодоагентів і РХМ, що заснована на застосуванні конститутивних величин і потребує для свого застосування обмежений обсяг емпіричної інформації;

- кореляції між парахором, ортохором, молярною рефракцією, критичним мольним об'ємом і критичною амплітудою для різниці густин на лініях кипіння та конденсації;

- нова формула для залежності між показником заломлення і густиною рідини;

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що отримано значний обсяг даних з в'язкості розчинів R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY, а також з теплофізичних властивостей нових компресорних мастил; побудовано діаграми в'язкість-тиск-температура, необхідні при проектуванні і проведенні експлуатаційних випробувань холодильної техніки нового покоління.

Запропоновано методи прогнозування в'язкості РХМ, що дозволяють суттєво скоротити обсяг необхідних експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача. Дисертація виконана за консультацій наукового керівника. На окремих етапах роботи в ній брали участь співробітники лабораторії кафедри інженерної теплофізики ОДАХ - співавтори публікацій. Особисто здобувачем створено дві експериментальні установки: для дослідження в'язкості РХМ та для дослідження середньої молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил; проведено експериментальні дослідження в'язкості РХМ та теплофізичних властивостей компресорних мастил; розраховано таблиці довідкових даних з теплофізичних властивостей нових компресорних мастил; побудовано діаграми в'язкість-тиск-температура для РРТ; розроблено дві моделі для прогнозування в'язкості сумішевих холодоагентів і РХМ, побудовані на різних методичних засадах; проведено порівняння розрахованих за запропонованими методиками значень в'язкості РХМ із даними експериментальних досліджень інших авторів.

Апробація роботи. Основні результати виконаних досліджень доповідались автором на Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки й технології», м. Одеса, 2005; Міжнародній науково-технічній конференції «Промисловий холод і аміак», м. Одеса, 2006; Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми холодильної техніки й технології», м. Одеса, 2007. Крім того, наукові результати, викладені в дисертації, доповідалися співавторами робіт на ХI Російській конференції з теплофізичних властивостей речовин, м. Санкт-Петербург (Росія), 2005; 5-й міжнародній конференції «Проблеми промислової теплотехніки», м. Київ, 2007; 4-й міжнародній конференції «Фізика рідкого стану: сучасні проблеми», м. Київ, 2008; науковому семінарі «Обладнання та технології харчових виробництв», м. Донецьк, 2008.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 6 статтях, опублікованих у фахових періодичних журналах, і в 8 друкованих працях, що опубліковані у формі доповідей і тез у збірниках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури й трьох додатків. Робота містить 214 сторінок тексту, 81 рисунок, 45 таблиць і список літератури з 183 найменувань.

теплофізичний компресорний мастило

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, відображено її зв'язок з існуючими державними програмами й держбюджетною науковою тематикою ОДАХ, сформульовано мету і завдання дослідження. Наведена наукова новизна і практична цінність виконаних досліджень, зазначено особистий внесок здобувача та відомості про апробацію результатів дисертаційної роботи й публікації.

У першому розділі наведено огляд виконаних експериментальних робіт, присвячених дослідженням в'язкості РХМ та теплофізичних властивостей компресорних мастил. У літературі присутня досить обмежена інформація з теплофізичних властивостей компресорних мастил. Інформація з капілярної сталої, поверхневого натягу, тиску пари на лінії кипіння і критичних параметрів компресорних мастил практично відсутня.

Для емпіричної інформації з в'язкості РХМ, що міститься в літературі, характерні високі похибки, основним джерелом яких є випадкові фактори та недоліки методик проведення експериментальних досліджень. У літературі відсутні експериментальні дослідження одних і тих же розчинів холодоагент/мастило різними авторами, тому отримані дані мають непідтверджену похибку. При цьому в більшості робіт наводяться результати, отримані у досить вузькому діапазоні температур та концентрацій, що значною мірою знижує їх практичну цінність.

На підставі виконаного аналітичного огляду можна дійти висновку, що обсяг і якість літературної інформації про в'язкість РХМ є недостатніми для розробки нових розрахункових методів. Це дозволяє сформулювати мету пропонованого наукового дослідження, досягнення якої буде сприяти забезпеченню проектувальників холодильного обладнання надійною достовірною інформацією з теплофізичних властивостей широко вживаних на практиці компресорних мастил та реальних робочих тіл.

Проведений аналіз також дозволив визначити методи вирішення поставлених в дисертації завдань, спрямованих на поглиблене вивчення в'язкості перспективних робочих тіл і теплофізичних властивостей нових компресорних мастил та на розробку нових методів розрахунку в'язкості складних (нетрадиційних) систем, до яких можуть бути віднесені РХМ.

У другому розділі наводяться результати експериментального дослідження капілярної сталої, густини, показника заломлення та в'язкості компресорних мастил ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, а також результати дослідження молекулярної маси і тиску пари на лінії кипіння компресорних мастил, серед яких ХМІ Азмол, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Casrol Icematic SW32 і Casrol Icematic SW22. Для вимірювань капілярної сталої використовувався диференціальний капілярний метод; густини - метод пікнометра; в'язкості - метод витоку рідини через капіляр; молекулярної маси - ебуліоскопічний метод; тиску насиченої пари на лінії кипіння - метод точок кипіння. Вимірювання капілярної сталої, густини, показника заломлення і в'язкості компресорних мастил були проведені в діапазоні температур 293-353 К.

У розділі наведено опис експериментальних установок, представлені результати досліджень та проведена оцінка похибок отриманих даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил. Повні відносні похибки вимірювання теплофізичних властивостей мастил склали: для капілярної сталої - 0.48 %, поверхневого натягу - 0.50 %, показника заломлення - 0.013 %, густини - 0.055 %, кінематичної в'язкості - 0.60 %, молекулярної маси - 3.5 %, тиску пари на лінії кипіння - 13.9 %.

Отримані експериментальні дані апроксимовані малоконстантними рівняннями. Відхилення дослідних даних від розрахованих за запропонованими рівняннями не перевищують відповідних експериментальних похибок. Розраховано таблиці довідкових даних з теплофізичних властивостей досліджених компресорних мастил.

Третій розділ дисертації присвячений результатам експериментального дослідження в'язкості робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY. Наведено опис експериментальної установки для дослідження в'язкості рідин методом кульки, що котиться. Детально описана методика проведення експерименту. У розділі наводяться результати дослідів, виконано оцінку похибок отриманих даних. Принципова схема експериментальної установки зображена на рис. 1.

Основним елементом створеної експериментальної установки є вимірювальний осередок, який являє собою заповнену досліджуваним розчином скляну трубку 15, усередині якої рухається кулька 16. На трубці нанесено дві позначки, що обмежують певну відстань, яку проходить кулька у досліді. Вимірювальний осередок розміщено всередині термостата 14, через який прокачується теплоносій із допоміжного термостата, який оснащено розгінним 3 та регульованим 2 нагрівачами, мішалкою 4, насосом 7 і теплообмінником 5. Постійна температура в допоміжному термостаті підтримується автоматичною системою, що складається із контактного термометра 6, підсилювача 1 і нагрівача 2. Температура в експериментах вимірювалась за допомогою лабораторних ртутних термометрів розширення з ціною поділки 0.1 К. Термометри встановлювалися в безпосередній близькості від вимірювального осередку. Коливання температури в проточному термостаті 14 під час вимірювань не перевищували ±0.05 К.

Для вакуумування вимірювального осередку та очищення компонентів розчинів від газів, що не конденсуються, установка оснащена вакуумною системою, основними елементами якої є: форвакуумний насос 8, натікач 9, кріогенний уловлювач 10 та термопарний манометричний перетворювач 11.

Для визначення масової концентрації холодоагента в рідкій фазі РХМ проводилося зважування компонентів розчинів до і після заправки у вимірювальний осередок. Відносна похибка визначення концентрації холодоагенту в рідкій фазі РХМ не перевищує 0.05 %.

Проточний термостат закріплений на поворотному столі, який дозволяє встановлювати той чи інший кут нахилу вимірювального осередку, змінюючи тим самим швидкість руху кульки для забезпечення можливості проведення вимірювань в широкому інтервалі значень в'язкості досліджуваних розчинів. Для візуальних спостережень за рухом кульки використовувався катетометр 18 типу КМ 8.

Сильфон 17 виконує функцію роздільника між досліджуваним розчином і мастилом вантажопоршневого манометра 20. За допомогою останнього створювався, підтримувався і вимірювався тиск у віскозиметрі. В експериментах встановлювався тиск, який на 0.1-0.2 МПа перевищував тиск насиченої пари розчину. Тим самим усувалась можливість утворення парової фази в осередку, що забезпечувало коректність визначення концентрації холодоагенту у досліджуваному зразку РХМ. Як показали результати спеціально проведених досліджень, в інтервалі температур 300-350 К підвищення тиску навіть на 1 МПа призводить до нехтовно малого збільшення в'язкості рідкої фази РХМ, з огляду на що вимірювані значення в'язкості цілком обґрунтовано можна віднести до стану насиченої рідини.

Критеріями встановлення термодинамічної рівноваги у вимірювальному осередку були незмінні показники термометра 13, незмінний тиск у віскозиметрі і незмінні показники секундоміра, який фіксував проміжок часу, необхідний для переміщення кульки на базовому відрізку скляної трубки 15. Вимірювання проміжків часу здійснювалися багаторазово і при декількох кутах нахилу трубки. Отримані при різних кутах нахилу значення динамічної в'язкості порівнювалися між собою з метою виявлення систематичних відхилень між ними. Систематичні відхилення, що перевищували експериментальну похибку, вказували на порушення ламінарного режиму течії рідини в серпоподібному зазорі між кулькою і трубкою віскозиметра, на підставі чого відповідні результати вилучалися з розгляду. Максимальна відносна похибка визначення динамічної в'язкості РХМ не перевищувала 4 %. Отримані температурні залежності динамічної в'язкості досліджених РХМ представлені на рис. 2.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробці методів розрахунку (прогнозування) в'язкості РХМ. У розділі наводиться короткий огляд існуючих методів розрахунку в'язкості РХМ. Не зупиняючись на деталях і особливостях наявних розрахункових методик, можна констатувати, що існують такі проблеми:

· мастило є складною (нетрадиційною) термодинамічною системою із невизначеним складом та структурою і у якої через термічну нестабільність відсутня критична точка;

· практично відсутня інформація про молекулярну масу мастил, що ускладнює процедуру моделювання в'язкості РХМ з використанням фізично коректних методів розрахунку коефіцієнтів переносу;

· значення в'язкості чистих компонентів РХМ при однаковій абсолютній температурі розрізняються більш ніж в 100-1000 разів;

· компоненти розчину (холодоагент і мастило) перебувають у станах із суттєво відмінними зведеними параметрами, тому застосування до РХМ закону відповідних станів є дуже проблематичним.

На підставі проведеного короткого огляду існуючих методів розрахунку в'язкості РХМ можна зробити висновок про необхідність подальшого розвитку методів розрахунку в'язкості РХМ у напрямі зменшення обсягу необхідної початкової інформації.

В дисертації вирішення проблеми створення методів прогнозування в'язкості РХМ здійснювалося у рамках двох альтернативних підходів. Перший підхід передбачав використання широко вживаної теорії термодинамічної подібності. Другий підхід заснований на подальшому розвиткові вже існуючих структурно-адитивних методів прогнозування в'язкості чистих речовин і розчинів з використанням інформації про хімічну структуру компонентів розчину.

Для опису температурної залежності динамічної в'язкості холодоагентів, компресорних мастил та їх розчинів пропонується рівняння у вигляді:

, (1)

де з₀ - коефіцієнт, що залежить від індивідуальних властивостей речовини; t=1-(T/T_c) ? зведена температура; T_c - критична (або псевдокритична для мастил і РХМ) температура, K; ? - параметр, що залежить від індивідуальних властивостей речовини і виконує роль критерію подібності; б(t) ? універсальна для холодоагентів та компресорних мастил функція зведеної температури.

Значення функції б(t) в широкому діапазоні зведених температур 0.08?t?0.65 були отримані шляхом сумісної обробки даних із в'язкості різних холодоагентів і компресорних мастил. Як вихідна інформація в діапазоні зведених температур 0.08?t?0.4 використовувались дані з динамічної в'язкості холодоагентів. При температурах t?0.4 у зв'язку із зростаючою роллю орієнтаційних сил у взаємодії полярних молекул в'язкість холодоагентів не виявляє ознак автомодельності. Для забезпечення можливостей адаптації запропонованої моделі до розрахунку в'язкості РХМ як початкова інформація в діапазоні зведених температур 0.4?t?0.65 використовувались наведені в дисертації експериментальні дані з кінематичної в'язкості та густини компресорних мастил.

Отримана залежність для універсальної функції б(t) апроксимована наступним рівнянням:

. (2)

Оскільки до рівняння (1) входить величина , пропонується нова методика визначення псевдокритичних температур РХМ, заснована на методі мінімізації відхилень експериментальних даних з в'язкості РХМ від значень, розрахованих за рівнянням (1) при змінюваних значеннях .

У розділі приділено значну увагу розширенню можливостей застосування підходу «структура-властивість» для розрахунку в'язкості холодоагентів, їхніх сумішей та РХМ. Актуальність вказаного завдання визначається як складністю експериментального і розрахункового дослідження вказаної властивості в широкому інтервалі параметрів стану, так і вельми обмеженим обсягом важливої для вирішення різних технічних і технологічних завдань інформації з в'язкості РХМ.

Пропонується розглядати залежність в'язкості з неасоційованої рідини від її молярного об'єму V у вигляді:

(3)

Широкі можливості для розрахунку ортохора Or при наявній обмеженій емпіричній інформації про густину, поверхневий натяг і показник заломлення відкривають встановлені в роботі залежності між конститутивними величинами, такими як парахор, молярний критичний об'єм і коефіцієнт рефракції.

У дисертації вперше запропоновано розглядати комплекс M/с₀ як структурно-адитивну величину. Величина с₀ є критичною амплітудою для різниці густин на лінії кипіння і конденсації, яка фігурує в рівнянні*:

(4)

У дисертації пропонується нова формула для розрахунку коефіцієнта молярної рефракції:

(5)

де B_n - критична амплітуда для показника заломлення, що фігурує в рівнянні*:

(6)

де n_c - значення показника заломлення в критичній точці; F_n(ф) - універсальна для нормальних рідин кросоверна функція, значення якої у дисертації вперше запропоновано розраховувати за рівнянням:

(7)

Використовуючи рівняння (5), можна записати вираз для розрахунку коефіцієнта молярної рефракції в критичній точці:

(8)

У дисертації для узагальнення температурної залежності коефіцієнта молярної рефракції рекомендується розглядати зведену величину:

(9)

У результаті сумісної обробки даних з коефіцієнта рефракції дев'яти холодоагентів у діапазоні зведених температур 0?ф?0.6 була отримана універсальна залежність (див. рис. 3):

 (10)

У розділі також вивчені залежності між такими конститутивними величинами як ортохор; молярний критичний об'єм; амплітуда для різниці густин на лінії кипіння та конденсації; парахор і коефіцієнт рефракції в критичній точці для різних речовин (див. рис. 4-7), які апроксимовано рівняннями:

; (11)

; (12)

; (13)

* Железный В.П. Методы прогнозирования свойств веществ на линии насыщения, включая окрестность критической точки / В. П. Железный, С. Н. Анчербак, Д. А. Проценко // Холодильна техніка і технологія. - 2004. - № 5. - С. 5-15.

. (14)

Вперше показано, що між ортохором, комплексом M/с₀, коефіцієнтом молярної рефракції в критичній точці і молярним критичним об'ємом існують залежності (див. рис. 8-10):

; (15)

; (16)

. (17)

Наявність зв'язку між розглянутими в роботі конститутивними величинами і молярним критичним об'ємом відкриває широкі можливості для прогнозування в'язкості холодоагентів, їх сумішей і РХМ з використанням обмеженої різнорідної теплофізичної інформації.

Для ортохора Or, комплексу M/с₀, коефіцієнта молярної рефракції в критичній точці [R]_с розраховані значення структурних складових, за допомогою яких можна із задовільною похибкою розраховувати вказані величини.

Апробація рівнянь (1) і (3) щодо адекватності опису даних з в'язкості розчинів здійснена для трьох сумішей холодоагентів R-22/R-114, R-22/R-142b і R-22/R-152a та РХМ: R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY, R-134a/синтетичне мастило HXL8336, R-744/синтетичне мастило 68H та R-32/поліефірне синтетичне мастило. Отримані при цьому результати свідчать, що запропоновані моделі дозволяють не тільки адекватно описувати експериментальні дані, але й можуть використовуватися для екстраполяційних розрахунків за наявності доволі обмеженої вихідної емпіричної інформації, що значною мірою скорочує обсяг необхідних лабораторних досліджень.

З використанням отриманої експериментальної інформації і запропонованих у дисертації моделей прогнозування розраховані таблиці довідкових даних з кінематичної і динамічної в'язкості трьох РХМ: R600a/ХМІ Азмол, R600a/Reniso WF 15 A і R-245fa/Planetelf ACD 100 FY. Побудовані зручні для практичного використання діаграми в'язкість-тиск-температура.

ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ

У дисертації створено базу довідкових даних з теплофізичних властивостей широко вживаних компресорних мастил ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32 і в'язкості розчинів R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY.

Для реалізації поставленої мети потрібно було вирішити ряд взаємопов'язаних експериментальних і теоретичних завдань. Найважливішими науковими і практичними результатами і висновками, отриманими у дисертації, є такі:

1) створено стенди для експериментального дослідження теплофізичних властивостей компресорних мастил і вивчення в'язкості РХМ;

2) експериментальні дані з в'язкості розчинів R600a/ХМІ Азмол, R600a/Reniso WF 15 A і R-245fa/Planetelf ACD 100 FY і теплофізичних властивостей компресорних мастил: ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32, Castrol Icematic SW22, Castrol Icematic SW32;

3) висновок про те, що зона автомодельності для в'язкості чистих холодоагентів і їх розчинів знаходиться в інтервалі зведених температур 0.08?t?0.4;

4) нова модель для опису температурної залежності в'язкості чистих холодоагентів, розчинів холодоагентів і РХМ (у всьому діапазоні концентрацій) з використанням обмеженої емпіричної інформації;

5) нова методика розрахунку псевдокритичної температури РХМ, засновану на методі мінімізації відхилень експериментальних даних з в'язкості РХМ від значень, які розраховані за допомогою запропонованого рівняння для опису температурної залежності в'язкості;

6) висновок про те, що структурно-адитивні методи розрахунку можуть бути застосовані для прогнозування в'язкості РХМ;

7) нова методика прогнозування в'язкості для чистих холодоагентів, розчинів холодоагентів і РХМ з використанням обмеженої емпіричної інформації, яка дозволяє значною мірою скоротити обсяг експериментальних досліджень;

8) таблиці довідкових даних з теплофізичних властивостей компресорних мастил: ХМІ Азмол, ХС 15, ХС 40, Planetelf ACD 100 FY, Reniso WF 15A, Mogul ONF 46, Lunaria FR 32 та таблиці довідкових даних з в'язкості реальних робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

9) діаграми в'язкість-тиск-температура для робочих тіл R-600a/ХМІ Азмол, R-600a/Reniso WF 15A, R-245fa/Planetelf ACD 100FY;

10) значення структурних складових для конститутивних величин ортохора Or, комплексу M/с₀, коефіцієнта молярної рефракції в критичній точці [R]_с, які дозволяють прогнозувати показник заломлення, густину і в'язкість чистих холодоагентів та їх сумішей із використанням обмеженої емпіричної інформації;

11) висновок про те, що при теплофізичному моделюванні в'язкості РХМ повинні використовуватися значення псевдокритичних температур, які отримані не із закону відповідних станів, а при обробці даних з густини або в'язкості РХМ;

12) висновок про те, що існують взаємні функціональні зв'язки між парахором, ортохором, молярною рефракцією, критичним молярним об'ємом і критичною амплітудою для різниці густин на лінії кипіння та конденсації, що відкриває широкі можливості при вирішенні завдань прогнозування теплофізичних властивостей речовин;

13) експериментально підтверджено, що тиск насиченої пари мастил в робочому діапазоні їх застосування 353-418 K не перевищує 200-350 Па;

14) визначено межі термічної стабільності досліджених компресорних мастил;

15) нова формула, яка встановлює залежність між показником заломлення і густиною рідини;

16) висновок про те, що зведена молярна рефракція змінюється універсально як для чистих речовин, так і розчинів.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ Й ІНДЕКСИ

з - коефіцієнт динамічної в'язкості, Пас; Or - ортохор; n - показник заломлення; V - молярний об'єм; - коефіцієнт молярної рефракції; - парахор; - зведений коефіцієнт молярної рефракції; f(t), F_n(t) - кросоверна функція; a, b - коефіцієнти апроксимаційних залежностей; M - молекулярна маса; - температура; - зведена температура; w - масова концентрація;- критичний індекс; с - густина; Дс - різниця густин на лінії кипіння та конденсації; ф- логарифмічна зведена температура.

Нижні символи: _C - властивості в критичній точці; ₀ - належить критичним амплітудам; _R - властивості чистого холодоагенту.

Верхні символи: ' - рідина на лінії насичення; '' - пара на лінії насичення; Ї - псевдокритичні параметри.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Исследования теплофизических свойств новых компрессорных масел : зб. наукових праць [“Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”], (Одеса, 21-23 вересня 2005 р.) / М-во освіти і науки України, Одес. держ. академія холоду. - О.: ОДАХ, 2005. - 134 с.

2. Методические особенности экспериментального и расчетного исследования теплофизических свойств маслохладоновых растворов : материалы докладов и сообщений ЧЙ Российской конференции по теплофизическим свойствам, 4-7 октября 2005 г., Санкт-Петербург, Россия. Т. 2 / Акад. наук России, Санкт-Петерб. гос. унив. низк. и пищ. техн. [и др.]. - С.-П. : СПбГУНиПТ, 2005. - 321 с.

3. Анчербак С. Н. Экспериментальное исследование теплофизических свойств компрессорных масел: Mogul ONF 46, Planetelf ACD 100 FY, ХМИ Азмол, Lunaria FR 32 / С. Н. Анчербак, В. В. Сеченых, В. В. Ищенко, В. П. Железный // Холодильна техніка і технологія. - 2005. - № 6. - С. 17-24.

4. Вязкость растворов хладагент/масло: R600a/ХМИ Азмол; R245fa/Planetelf ACD 100 FY: зб. наукових праць міжнародної науково-технічної конференції [“Промисловий холод і аміак”], (Одеса, 28-30 серпня 2006 р.) / М-во освіти і науки України, Одес. держ. академія холоду. - О.: ОДАХ, 2006. - 109 с.

5. Сеченых В. В. Экспериментально-расчетное исследование вязкости растворов R600a/ХМИ Азмол и R245fa/Planetelf ACD 100 FY / В. В. Сеченых, Ю. В. Семенюк, В. П. Железный // Холодильна техніка і технологія. - 2006. - № 6. - С. 82-87.

6. Железный В. П. Экспериментальное исследование теплофизических свойств компрессорных масел: Mogul ONF 46, Planetelf ACD 100 FY, ХМИ Азмол, Lunaria FR 32, ХС 15, ХС 40 / В. П. Железный, В. В. Сеченых, Ю. В. Семенюк, С. Н. Анчербак, О. Н. Цветков // Вестник Международной Академии Холода. - 2007. - № 2. - С. 23-30.

7. Сеченых В. В. Экспериментально-расчетное исследование вязкости растворов R600a/ХМИ Азмол, R-600a/Reniso WF 15 A и R245fa/Planetelf ACD 100 FY / В. В. Сеченых, Ю. В. Семенюк, В. П. Железный // Вестник Международной Академии Холода. - 2007. - № 4. - С. 4-10.

8. An investigation of the thermophisical properties of solution refrigerant-compressor oil: R245fa/Planetelf ACD 100FY, R600a/HMI Azmol, R600a/Reniso WF 15A : proc. 5-th international conference [“Problems of industrial heat engineering”], (Kyiv, Ukraine, 22-26 May 2007) / National Academy of Sciences of Ukraine, Ins. of Engineering Thermophysics. - K.: Inst. of Engineering Thermophysics, 2007. - 323 p.

9. Экспериментальное исследование средней молекулярной массы и давления паров на линии кипения компрессорных масел : зб. наукових праць науково-технічної конференції [“Сучасні Проблеми Холодильної техніки і технології”], (Одеса, 19-21 вересня 2007 р.) / М-во освіти і науки України, Одес. держ. академія холоду. - О.: ОДАХ, 2007. - 161 с.

10. Методы прогнозирования вязкости растворов хладагентов с компрессорными маслами : зб. наукових праць науково-технічної конференції [“Сучасні Проблеми Холодильної техніки і технології”], (Одеса, 19-21 вересня 2007 р.) / М-во освіти і науки України, Одес. держ. академія холоду. - О.: ОДАХ, 2007. - 161 с.

11. Сеченых В. В. Cтруктурно-аддитивный метод расчета вязкости жидкости на линии насыщения смесевых хладагентов и растворов хладагент/компрессорное масло / В. В. Сеченых, Ю. В. Семенюк, В. П. Железный, Т. Л. Лозовский // Холодильна техніка і технологія. - 2008. - № 1. - С. 49-56.

12. Semenyuk Yu.V. Thermophysical properties of compressor oils for refrigerating plant / Yu.V. Semenyuk, V.V. Sechenyh, V.P. Zhelezny, P.V. Skripov // Journal of Synthetic Lubrication. - 2008. - № 25. - P. 57-73.

13. New method for prediction of the thermophisical properties for the refrigerant-oil solution : proc. 4-th international conference [“Phisics of liquid matter: Modern problems”], (Kyiv, Ukraine, 23-26 May 2008) / Ministry of Education and Science of Ukraine, Taras Shevchenko Kyiv National University. - K.: Taras Shevchenko Kyiv National University, 2008. - 154 p.

14. Экспериментальное исследование и моделирование термодинамических свойств растворов R600a/Reniso WF 15 A : зб. наукових праць [“Обладнання та технології харчових виробництв”], (Донецьк, 11-12 вересня 2008 р.) / М-во освіти і науки України, Донецький нац. унів. Економіки і торгівлі ім. Михайла Туган-Барановського. - Дон.: ДонНУЕТ, 2008. - 307 с.

Размещено на Allbest.ru

...