Метод термоаналитического определения основных характеристик горючих жидкостей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Академия государственной противопожарной службы

Метод термоаналитического определения основных характеристик горючих жидкостей

Голубов Андрей Иванович

Россия, г. Брянск

Аннотация

В статье изложен метод унификации диагностики и контроля жидкостей, путем определения динамической и кинематической вязкости, которые являются основными характеристиками легко воспламеняемых и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ).Предложена "поплавковая конструкция" тигля термо-электро-дилатометра на термоакустическом шток-волноводе, который, благодаря разработанным физико-математическим моделям, "превращается" в вискозиметр. Существенным при этом является тот факт, что и кинематическая вязкость, и динамическая вязкость ЛВЖ и ГЖ определяется как в диапазоне отрицательных температур, так и положительных, вплоть до температуры самовоспламенения. Предлагаемая методология может найти применение в новой редакции ГОСТ 12.1.044 "Пожаровзрывоопасность веществ и материалов". Новизна исследования заключается в том, что для тигля термо-электродилатометра в БЭТА-анализаторе разработана функция вискозиметра, с помощью которой определяется кинематическая и динамическая вязкости ЛВЖ и ГЖ и в диапазоне отрицательных температур, и в диапазоне положительных температур, вплоть до температур их самовоспламенения.

Ключевые слова: термоаналитический метод, кинематическая вязкость, динамическая вязкость, легко воспламеняемая жидкость, горючая жидкость, тигель, термо-электро-дилатометр, термоакустический шток-волновод, БЭТА-анализатор, вискозиметр

The paper provides the method of diagnostics and liquid control unification by determining the dynamic and kinematic viscosity which are the main characteristics of easily flammable and combustible liquids (EFL and CL). "The float-operated design" of a crucible thermo-electro-dilatometer on thermoacoustic rod wave guide is offered, that can be used as a viscometer by applying the developed physical and mathematical models. The essential factor is that both kinematic and dynamic viscosity of EFL and CL are defined in the range of negative and positive temperatures, up to the spontaneous ignition temperature. The offered methodology can find application in the new edition of GOST 12.1.044 "Fire-and-explosion hazard of substances and materials". The novelty of the research is that the function of the viscometer is developed for a thermo-electrodilatometer crucible in the BETA-analyzer, that allows measuring both kinematic and dynamic viscosity of EFL and CL in the range of negative and positive temperatures, up to temperatures of their spontaneous ignition.

Keywords: thermo - the electro-dilatometer, crucible, combustible liquid, easily flammable liquid, dynamic viscosity, kinematic viscosity, thermoanalytical method, thermoacoustic rod a wave guide, BETA-analyzer, viscometer

Известны установки синхронного термического анализа (СТА), объединяющие в одном измерении термогравиметрию (ТГ) и дифференциальную термогравиметрию (ДТГ) с дифференциальным термическим анализом (ДТА) или с дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), термодилатометрией (ТД) и дифференциальной термодилатометрией (ДТД) с ДТА, в том числе используемые для определения некоторых основных показателей пожарной опасности твердых веществ и материалов в керамических тиглях, устанавливаемых на весах ^[1,2]. Однако, пожарная опасность жидкостей методами термического анализа не определяется ^[2,3]. жидкость вязкость легковоспламеняемый вискозиметр

В то же время существующие методы и средства испытаний веществ и материалов, в т.ч. на пожаровзрывоопасность не унифицированы ^[3], за исключением метода и комплекса баро-электро-термо-акустического (БЭТА) анализа, что создает трудности, например, в оценке пожарной опасности объектов и расчете деклараций о пожарной безопасности, сводя на нет их объективность и достоверность^[4].

Реализация модели определения основных характеристик легко воспламеняющихся и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ) стала возможной, благодаря разработке поплавковой конструкции тигля термо-электро-дилатометра на термо-акустическом шток-волноводе (ТЭД ТАШВ) для БЭТА-анализатора^[5,6].

Сущность модели состоит в том, что универсальный тигель термоэлектродилатометр (ТЭД) на термоакустическом шток-волноводе (ТАШВ) для установок термического анализа, имея поплавковую конструкцию с ТАШВ установленным на весы, позволяет, при размещении их в источнике тепла-холода (электропечи-криостате), синхронно проводить термогравиметрию (ТГ и ДТГ), термодилатометрию (ТД и ДТД), дифференциально-сканирующую калориметрию (ДСК) и дифференциально-термический анализ (ДТА) вязких и жидких материалов, а также выполнять термоэлектрометрию, термомагнетометрию и акустометрию вязких и жидких материалов синхронно с указанными методами термического анализа, но отличается тем, что, благодаря разработанным физико-математическим моделям может осуществить термоденсиметрию и термовискозиметрию вязких и жидких сред, т.е. является денсиметром и вискозиметром, позволяющим фиксировать их температуры самовоспламенения (рис.1).

Рис.1 - Чертеж "плавкового" тигля термо-электродилатометра на термоакустическом шток-волноводе (ТЭД АШВ)

Поплавковая конструкция тигля ТЭД ТАШВ позволяет исследовать любые жидкости и огнезащитные покрытия, т.к. поплавок, несмотря на то, что сделан из молибдена, в соответствии законом Архимеда не тонет в них, и, глубина погружения определяется по формуле ^[6-8].

h_Ж = h_{Ж 0} + к·(h_{П -} h_{П 0)} (1)

где к - отношение площади сечения "поплавка" к площади ТЭД (является постоянной до полного погружения); h_{Ж 0} - высота жидкости в ТЭД при нормальных условиях; h_{П 0} - глубина погружения части поплавка при нормальных условиях; h_П - фактическое погружение части поплавка;

С точки зрения электропроводности для ЛВЖ и ГЖ были получены следующая эквивалентная схема (рис.2) и физико-математическая модель ^[6]:

(2)

? - глубина жидкости под поплавком в ТЭД; S_С - площадь сегмента АЭ-волновода; е _{ЖВС -} диэлектрическая проницаемость ЖВСжидкости; C_{С 1} = C_С2 - емкости между сегментами ТАШВ и дном поплавка; i - мнимая единица; tgd_Ж- тангенс угла потерь ЖВС; ?_к - расстояние от верхней поверхности поплавка до крышки; C_к - емкость между верхней поверхностью поплавка и крышкой; е_В - диэлектрическая проницаемость воздуха/вакуума; tgd_к - тангенс угла потерь воздуха/вакуума.

Рис. 2 - Эквивалентная схема

Для идентификации легко воспламеняемых и горючих жидкостей (ЛВЖ и ГЖ) на предмет их пожарной опасности и устойчивости (например, трансформаторного масла, углеводородного топлива и др. нефтепродуктов), необходимо знать их функцию кинематической вязкости в эксплуатационном интервале температур, что определяется вискозиметрами, после чего расчетным путем вычисляется динамическая вязкость по формуле ^[9]:

з = н·с·10^-1 (3)

где с - плотность при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м^3, н - кинематическая вязкость, м²/с.

Кинематическая вязкость характеризует текучесть жидких сред в условиях низких и высоких температур. Измеряется кинематическая вязкость в сантистоксах (cST или сСт) и, в зависимости от плотности жидких сред отличается от динамической вязкости, которая измеряется в Паскалях умноженных на секунду. По общепринятым стандартам ^[9,10]кинематическую вязкость определяют при разных температурах.

В отличие от прототипа ^[6] и стандартов ^[9,10], универсальный ТЭД с ТАШВ выполняет функции денсиметра и вискозиметра ЛВЖ и ГЖ благодаря тому, что синхронно с измерением плотности измеряются:

е_{ЖВС -} диэлектрическая проницаемость ЖВС жидкости,

е_{В -} диэлектрическая проницаемость воздуха (между "поплавком" и крышкой ТЭД),

tg d_ЖВС - тангенс угла потерь ЖВС,

tg d_В - тангенс угла потерь воздуха (между "поплавком" и крышкой ТЭД),

з _В - динамическая вязкость воздуха (между "поплавком" и крышкой ТЭД),

что позволяет воспользоваться уравнением Паулса, устанавливающим связь микроскопического времени релаксации (ф_м) с макроскопическим временем (ф) ^[11]:

(4)

Тогда, сравнивая табличные значения динамической вязкости воздуха (таб.) и расчетные значения его времён с ЛВЖ и ГЖ, определяется динамическая вязкость ЛВЖ и ГЖ, т.к. по формуле Дебая они связаны с их вязкостью - з _i, простым соотношением ^[11,12]:

(5)

Таким образом, вместо определения кинематической вязкости - н с помощью вискозиметра, и последующего вычисления динамической вязкости - з, вначале определяется физическая вязкость (динамическая) по изменению диэлектрической проницаемости и времён релаксации в сравнении с табличными и расчетными значениями для воздуха, в т. ч. с учетом температуры, а затем вычисляется кинематическая вязкость ЖВС по "обратной" (6) формуле стандарта ^[10]:

н _Ж = з _Ж·с _Ж (6)

Таблица динамической и кинематической вязкость воздуха при различных температурах

Конструктивно тигель ТЭД ТАШВ (рис.1) состоит:

- из цилиндрического керамического тигля (9) с молибденовой крышкой (10), соединяющейся с кроссовой колодкой (12), через электроконтакт (7) проводником, проходящим в стенке тигля, в его конусной части и далее по керамической трубке (2);

- из поплавка (1) с 4-мя колесиками из молибдена, закрепленными на его верхней поверхности, передвигающимися в пазах-проводниках (8) в стенке тигля, соединяющихся с кроссовой колодкой (12), проводниками, проходящими в стенке конусной части тигля и по керамической трубке (2);

- из 2-х круглых молибденовых акустических волноводов со встроенными "микро-эталонами" и термометрами-сопротивлениями (5) в конусные полусегменты, которые вставляются в отверстия конусной части тигля, образуя в цилиндрической части "дно тигля", контактируемое с жидкостью (с поплавком при её отсутствии);

- из керамической секции стыковки с конусной частью (4) с отверстиями для акустических волноводов (5) и керамической трубки с проводниками (2), плотно прижимаемой к конусной части тигля керамическими элементами сборки (3), образующих шток-волновод (ТАШВ) с помощью металлической секции-гайки (6), в которой размещены кроссовая колодка (12) и акустические датчики;

- из металлической "пятки ТАШВ" (11), для крепления на магнитометрических весах ("Sartorius").

Перед испытаниями ЛВЖ и ГЖ тигель ТЭД ТАШВ (например, в составе ВЭТА-анализатора) проходит калибровку на воздухе (измеряются R, G, Z, j, С, L и tg d), по которым калибруются расстояния от его верхней поверхности (1) до крышки тигля (10) и от - нижней (0), когда поплавок лежит на дне тигля, т.е. на 2-х молибденовых акустических волноводах со встроенными "микро-эталонами" и термометрами-сопротивлениями (5) при температуре окружающей среды.

Далее в тигель ТЭД ТАШВ наливается определенное (по его паспорту) количество криобензола, по известным параметрам которого, т.е. "образу криобензола" при температуре окружающей среды (плотность, диэлектрическая проницаемость и т.д.), происходит измерение и корректировка "архимедовых" и остальных констант (ф-лы 1-6) и измеренных параметров ^[12,13].

После калибровки тигель ТЭД ТАШВ готов к испытаниям ЛВЖ и ГЖ, которые выполняются в соответствии с методикой на установку синхронного термического анализа (например, БЭТА-анализатора).

Библиография

1. Молчадский О.И., Смирнов Н.В., Дудеров Н.Г. Оценка тепло-физических характеристик и прогноз пожарной опасности строительных материалов с помощью методов термического анализа // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: сб. трудов XV научно-практической конференции /Ч.1-М.:, ВНИИПО, 1999, с.170-172.

2. Приборы термического анализа группы NETZSCH-http://www.netzsch-thermal-analysis.com/ru/produkte/.

3. ГОСТ 12.1.044 Пожаровзрывоопасность веществ и материалов - М.: ГОССТАНДАРТ, 1985.

4. Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И., Прус Ю.В., Удовиченко Ю.И. Диагностика опасности материалов методом баротермоэлектрометрии, сопряженной с акустической эмиссией //Фундаментальные исследования. - 2008. - №2, с.116-118.

5. Белозеров В.В., Голубов А.И. Об автоматизированной системе диагностики пожарной опасности горючих жидкостей на основе их многопараметрической оценки //Технологии техносферной безопасности - 2010.-№ 6(34)-http://ipb.mos.ru/ttb .

6. Belozerov V. V., Golubov A. I., Kalchenko I. E. About unification of diagnostics and tests of solid and liquid materials and fireproof coverings //7th International Scientific and Practical Conference "Science and Society", London,23-30 March 2015,p.31-41.

7. Белозеров В.В., Кальченко И.Е., Прус Ю.В. Модель Интернет-системы термоэлектроакустической диагностики материалов и огнезащитных покрытий //Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 1.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=11952 .

8. Голубов А.И. Термоэлектроакустический метод анализа жидких сред и огнезащитных покрытий //"Студенческий научный форум 2017": Материалы IХ Международной студенческой электронной научной конференции URL: https://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30353.pdf

9. ГОСТ 33-2000 Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости-М.: Стандартинформ, 2017.-35с.

10. ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности-М.: Стандартинформ, 2010.-36с.

11. Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии /уч.пособие/-Казань: КГУ, 2008.-112с.

12. Белозеров В.В., Батшев А.С., Любавский А.Ю. Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов // Электроника и электротехника. - 2016.-№ 1.-С.135-145. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.20924.

13. Батшев А.С., Белозеров В.В. Методология автоматизации экспресс-контроля фасованных молочных продуктов //"Студенческий научный форум 2017": Материалы IХ Международной студенческой электронной научной конференции URL: https://www.scienceforum.ru/2017/pdf/30467.pdf.

Размещено на Allbest.ru