Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях

Изобретение относится к измерительной технике. В способе охлаждают и нагревают пробу жидкости, измеряют амплитуду колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от времени A(t) и зависимость изменения температуры жидкости от времени T(t) при одновременном определении температурного темпа процесса Θ(T), по результатам измерений определяют зависимость A(t) от температуры и на основе этого изменяющегося параметра вычисляют термоэнергетическую функцию по формулам: для маловязких жидкостей , для высоковязких жидкостей . Технический результат - упрощение способа с сохранением достоверности исследования процессов структуропреобразования в жидкостях. 2 ил.

 

Изобретение относится к области исследования вязкостно-температурных свойств жидкости тепловыми средствами и может быть использовано для количественной оценки интенсивности и динамики структурных превращений по степени изменения энергии активации вязкого течения гомо- и гетерогенных жидкостей, в частности углеводородных, и их эволюции в процессе подбора состава различных рабочих жидкостей на стадии их разработки и прогнозирования поведения в условиях транспортирования, хранения и применения.

Известен способ исследования термодинамического структуропреобразования жидких сред по патенту РФ №2289125, позволяющий экспериментально с помощью низкочастотного вибровискозиметра при заданной постоянной скорости изменения температуры измерять изменение динамической сдвиговой вязкости жидкости η(T,Θ¹)(¹ в описании к патенту было применено обозначение V_T).

Кинетика структуропреобразования в жидкостях, как показано в описании к известному способу, при достаточно низких температурах эффективно описывается термоэнергетической функцией жидкости E(T):

.

Здесь T - абсолютная температура; Θ - скорость изменения температуры; R - универсальная газовая постоянная; η^δ - безразмерный динамический критерий подобия температуровязкостных свойств жидкости, выражающий зависимость относительного изменения сдвиговой вязкости от относительного изменения абсолютной температуры жидкости при заданной скорости изменения ее температуры:

.

Согласно известному способу изменяют температуру исследуемой жидкости и определяют зависимость вязкости жидкости от температуры. Для этого пробу жидкости объемом ≤1 мл циклически монотонно и непрерывно с заданной скоростью охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом последовательном цикле определяют температурные области структуропреобразования жидкости по безразмерному динамическому критерию подобия температуровязкостных свойств η^δ, а степень интенсивности структуропреобразования исследуемой жидкости в указанных температурных областях количественно выражают

- либо через изменение термоэнергетической функции жидкости,

- либо через изменение энергии межмолекулярного взаимодействия ε(T) (ранее в прототипе для ε(T) использовался термин "свободная энергия активации"). Решение дифференциального уравнения имеет вид

;

здесь С - постоянная интегрирования, определяемая из условия E(T)=ε(T) при

∂ε/∂T=0. При этом температуру и вязкость определяют посредством сферического миниатюрного металлического зонда низкочастотного вибровискозиметра, снабженного встроенным датчиком температуры и работающего в режиме вынужденных колебаний с амплитудой не более нескольких микрон.

Однако определение η^δ является довольно трудоемкой задачей, поскольку требует калибровки вибровискозиметра и решения системы нелинейных уравнений.

Изобретение решает техническую задачу, которая состоит в том, чтобы упростить способ в части экспериментального определения термоэнергетической функции E(T) с сохранением достоверного определения и количественного описания процесса структуропреобразования жидкостей.

Заявляется способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях, при котором изменяют температуру T исследуемой жидкости и определяют посредством низкочастотного вибровискозиметра температуровязкостнозависимый параметр жидкости, пробу жидкости объемом менее 1 см³ циклически, монотонно и непрерывно охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом цикле определяют температурные интервалы структуропреобразования жидкости по термоэнергетической функции и находят энергию межмолекулярного взаимодействия по формуле , отличающийся тем, что в каждом цикле монотонного и непрерывного охлаждения или нагрева измеряют зависимость изменения амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от времени A(t) и зависимость изменения температуры жидкости от времени T(t) при одновременном определении температурного темпа процесса Θ(T) как скорости изменения температуры от времени Θ(T)=∂T/∂t. По результатам измерений расчетным путем определяют зависимость амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от температуры A(T,Θ) и на основе этого изменяющегося параметра вычисляют термоэнергетическую функцию по формулам:

для маловязких жидкостей

,

для высоковязких жидкостей

,

где A^δ=δA(T,Θ)/δT. Интервал времени τ для любой из функций E(T) или ε(T), необходимый для изменения температуры пробы любого интересующего интервала от T₁ до T₂, определяют по формуле

На фигуре 1 приведена схема устройства для осуществления способа, на фигуре 2 приведена зависимость, полученная с использованием математической обработки результатов измерения.

Заявляемый способ, как и в прототипе, реализуется с использованием низкочастотного вибровискозиметра.

Как и в прототипе, для проведения исследований жидкостей в широком диапазоне предлагается использовать пробу жидкости объемом не более 1 мл. Для жидкости тепловая постоянная времени τ_ж равна τ_ж=h²/a_ж, где h - характерный геометрический размер пробы; а_ж - температуропроводность жидкости. Для малых объемов жидкости тепловая постоянная времени τ_ж не превышает единиц или десятков секунд, что позволяет исследовать быстро протекающие процессы структуропреобразования жидкости.

В отличие от предыдущего решения введен параметр "скорости изменения температуры жидкости Θ(t)". Определение Θ(t) упрощает технику измерения и математические расчеты, заложенные в основу способа. Многие многокомпонентные жидкости, в частности нефтепродукты, являются тиксотропными, то есть структурно-чувствительными к механическим воздействиям, способным разрушать некоторые образующиеся структуры. В связи с этим для целей детального исследования процессов термодинамического структуропреобразования жидких сред с учетом термогистерезисных явлений необходимо определять энергию межмолекулярного взаимодействия ε(T) или E(T) при заданной скорости изменения температуры жидкости Θ(t) и при отсутствии (либо детальном контроле) механической деструкции образующихся структур.

Для оперативного и непрерывного измерения температурозависимых параметров жидкости малого объема и в широком температурном диапазоне при осуществлении заявляемого способа используются низкочастотные вибровискозиметры, работающие на частотах нескольких сотен герц, позволяющие использовать миниатюрные (например, шариковые) зонды, легко размещаемые в пробах малого объема и работающие в режиме вынужденных колебаний малой амплитуды. Такие вискозиметры отличаются непрерывностью, высокими чувствительностью и оперативностью измерений. Их метрологические характеристики не чувствительны к изменению температуры контролируемой жидкости. В отличии от капиллярных и ротационных вискозиметров они не вызывают механической деструкции жидкой среды при амплитуде колебаний зонда менее нескольких микрон.

В математическую основу способа положены следующие расчеты.

Уравнение движения сферического зонда радиуса r, работающего в жидкости в режиме автоколебаний на резонансной частоте, имеет вид:

Здесь М - масса колебательной системы, связанной с зондом; m_п - присоединенная масса жидкости; (C_з+C₀) - коэффициент диссипации (затухания); С₀ - собственный коэффициент затухания вибровискозиметра; С_з - коэффициент затухания, вносимый жидкостью; b - жесткость колебательной системы; ω - резонансная частота колебаний; F₀ - амплитуда вынуждающей силы, действующей на сферический зонд; t - время.

Уравнения для инерционных и диссипативных сил, действующих на сферу, движущуюся в вязкой среде, имеют вид:

Уравнение для резонансной частоты колебаний имеет вид:

В резонансном режиме амплитуда механических колебаний A(T) равна:

При условии М>>m_п и С_з>>С₀, которые имеют место при использовании малого объема пробы и миниатюрного зонда, уравнение движения зонда имеет вид:

При выполнении условий ω>2·10³ 1/с, η≤1 пуаз, ρ≈10³ кг/м³, r≥2·10^-3 м, что характерно для типичных условий экспериментов со светлыми нефтепродуктами и большинством простых жидкостей, выражение , и тогда из (3) и (5) получаем следующее приближение:

Учитывая, что ω и ρ слабо зависят от температуры, из (7) для A^δ(T)=δA(T)/δT получим

Подставляя данное выражение в уравнение термоэнергетической функции E(T) получим:

При η≥10 пуаз и при прочих равных условиях в случае исследования вязких жидкостей выполняется условие .

Тогда из (6) получим следующее выражение для термоамплитудной характеристики A(T):

Аналогично, подставляя данное выражение в уравнение термоэнергетической функции Е(Т), получим:

Таким образом, термоэнергетическую функцию Е(Т) в большом количестве практических приложений с достаточной точностью можно найти непосредственно по термоамплитудной характеристике вибровискозиметра, что не требует трудоемкого нахождения термовязкостной характеристики исследуемой жидкости. Однако при повышенных требованиях к определению энергии межмолекулярного взаимодействия ε(T) (в частности, в интервале вязкостей жидкости 1÷10 пуаз) E(T) может быть определена по термовязкостной характеристике, как указано в прототипе.

Схема устройства для осуществления способа показана на фигуре 1 и включает следующие основные элементы.

Кювета 1 с исследуемой жидкостью 2 объемом не более 1 мл размещена на тепловом модуле (на фигуре 1 условно показано направление внешнего теплового потока). Кювета выполнена из металла с высокой температуропроводностью, например из меди. Зонд 3 вибровискозиметра выполнен в виде шарика из меди или серебра диаметром не более нескольких миллиметров. Выполнение зонда из металла существенно уменьшает тепловую инерцию зонда и, соответственно, погрешность измерения текущей температуры жидкости.

Зонд 3 снабжен измерительным преобразователем температуры в виде термопары 4. Для реализации способа задается процедура монотонного изменения температуры жидкости либо при ее охлаждении, либо при ее нагреве, что позволяет исследовать процессы последовательного структуропреобразования в жидкости при ее нагреве и охлаждении. Шток 5 зонда выполнен в виде капилляра из термоизоляционного материала, что позволяет исключить неконтролируемые тепловые потоки из внешней среды в жидкость. Вибровискозиметр содержит датчик 6 положения штока (зонда) для определения амплитуды А зонда. Выход датчика 6, а также выходы всех измерительных преобразователей подключены к устройству управления 7, выполненному на базе микроконтроллера. Термостатируемые элементы вибровискозиметра имеют термоизоляцию 8. Устройство управления 7 обеспечивает возбуждение колебательной системы вибровискозиметра на ее резонансной частоте и задает амплитуду вынуждающей силы через устройство возбуждения 9.

Перед началом измерений устанавливается необходимая начальная температура исследуемой жидкости, зонда и кюветы, например комнатная температура 20°C.

В процессе изменения температуры снимают зависимость от времени температуры жидкости на измерительных спаях термопары зонда T(t) и вычисляется температурный темп Θ(t). Также измеряют амплитуду A колебаний зонда. По результатам измерения этих параметров вычисляют зависимость от температуры амплитуды механических колебаний в жидкости зонда вибровискозиметра A(T).

Далее по известной функции A(T) вычисляют функции E(T) и ε(T). Длительность τ процессов структуропреобразования в любом интересующем температурном интервале от T₁ до T₂ (фигура 2) определяют для известной функции ε(T) по формуле

.

Математические операции могут выполняться автоматически с помощью, например, ЭВМ или микроконтроллера.

Как видно, предлагаемый способ, в отличии от прототипа, проще, так как не требует калибровки вибровискозиметра по вязкости, измерения частоты и фазы колебаний зонда, решения системы нелинейных уравнений при определении η^δ и позволяет достоверно и надежно определять температурные области и динамику изменения энергии межмолкулярного взаимодействия в процессе структуропреобразования любых многокомпонентных жидкостей.

Предлагаемый способ позволяет исследовать зависимость структурных свойств жидкости от скорости изменения ее температуры, а также исследовать термогистерезис структурных свойств жидкостей и эволюцию гистерезисной петли термоамплитудной характеристики жидкости при ее последовательном термоциклировании. Использование функций E(T), ε(T) и Θ(T) позволяет количественно точно сравнивать динамику термодинамического структуропреобразования в различных жидкостях, достоверно определять низкотемпературные свойства дизельных топлив и моторных масел, оценивать текущее качественное состояние моторных масел, смазок и других многокомпонентных жидкостей.

Способ может быть реализован на базе известного технологического оборудования.

Способ исследования процессов структуропреобразования в жидкостях, при котором изменяют температуру Т исследуемой жидкости и определяют температурозависимый параметр жидкости посредством низкочастотного вибровискозиметра, пробу жидкости объемом менее 1 см³ циклически, монотонно и непрерывно охлаждают и нагревают в заданном интервале температур, в каждом цикле определяют температурные интервалы структуропреобразования жидкости по термоэнергетической функции E(T) и находят энергию межмолекулярного взаимодействия по формуле отличающийся тем, что в каждом цикле монотонного и непрерывного охлаждения или нагрева измеряют зависимость изменения амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от времени A(t) и зависимость изменения температуры жидкости от времени T(t) при одновременном определении температурного темпа процесса Θ(T) как скорости изменения температуры от времени по результатам измерений расчетным путем определяют зависимость амплитуды колебания зонда вибровискозиметра в жидкости от температуры A(T,Θ) и на основе этого изменяющегося параметра вычисляют термоэнергетическую функцию по формулам:
для маловязких жидкостей

для высоковязких жидкостей

где A^δ=δA(T,Θ)/δT, интервал времени τ для любой из функций E(T) или ε(T), необходимый для изменения температуры пробы любого интересующего интервала от T₁ до T₂ определяют по формуле