УДК 621.892:532.13

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩИХ

СВОЙСТВ ГРУБОДИСПЕРСНЫХ ВОДНО-МАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

АННОТАЦИЯ

В работе приводятся экспериментальные данные по влиянию природы и основных структурных свойств водно-масляных эмульсий на темп охлаждения, определяемый в условиях регулярного теплового режима 1-го рода. Показано, что природа эмульсола, состав эмульгатора не оказывает заметного влияния на темп охлаждения. Концентрация эмульсии и ее дисперсность значимо влияют на темп охлаждения. Установленное аномальное увеличение охлаждающей способности в зоне малых концентраций объяснено значительным снижением поверхностного натяжения жидкостей и увеличением ее адгезии к конкретному металлу.

1. ВВЕДЕНИЕ

Грубодисперсные водно-масляные эмульсии широко используются во многих технологических процессах с целью отбора избыточного тепла из зоны обработки. Например, охлаждающие эмульсии незаменимы при обработке резанием в машиностроении, при прокатке металлов в металлургии, при бурении скважин в горном производстве. Преимуществом водно-масляных эмульсий перед другими техническими жидкостями является полифункциональность (они могут выполнять смазочные и моющие функции), негорючесть коррозионная безопасность, экономичность. При подборе оптимальной эмульсии для конкретной ситуации необходимо провести сравнительный анализ охлаждающих свойств. Существующие модели теплообмена в жидких гетерогенных средах не позволяют расчетным путем определить теплофизические характеристики эмульсий с учетом их многофазности и полидисперсности. Надежную количественную оценку охлаждающей способности эмульсии можно получить только экспериментальным путем на установке, моделирующей реальные условия теплообмена.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДОКЛАДА

2.1. Методика экспериментального

ис­следования

Эксперименты проводились по известной методике [1] на установке, реализующей регулярный режим охлаждения первого рода. Чувствительным элементом является цилиндрический зонд из стали 45, внутри которого находились электронагреватель и термопара. Нагретый вращающийся зонд погружается в испытуемую жидкость. В процессе теплообмена фиксировалось время остывания в интервале температур от 150˚С до 100˚, когда стабильно наступал регулярный тепловой режим. Критерием охлаждающей способности являлась константа-темп охлаждения, определяемая по формуле:

,

где m – темп охлаждения, сек-1 ;

𝜃1 и 𝜃2 – начальная и конечная температуры охлаждения зонда, ˚С;

𝜏1 и 𝜏2 – время достижения начальной и конечной температур, сек.

Если все эмульсии испытываются с одним эталонным зондом, что и было реализовано в данном исследовании, то темп охлаждения однозначно определяет теплофизические характеристики эмульсии [2].

Дисперсность эмульсий характеризовалась диаметром масляной дисперсной фазы.. дисперсный анализ проводился при помощи лазерного дифракционного анализатора «анализетте 22» модели COMPACT. Область измерения частиц дисперсной фазы составляла от 0,1 до 300 мкм.

В качестве объекта исследования были выбраны технические эмульсии из трех видов эмульсолов: НГЛ-205, Укринол-1, Аквол-2.

Эмульсол НГЛ-205 состоит из сульфированного масла АС-6 восточных нефтей, защелоченного каустической содой с добавлением пассивирующих добавок. Эмульсол Укринол-1 представляет собой композицию минерального масла И-12А, нефтяных сульфонатов, экстракта трансформаторного дистиллята, триэтаналамина, нитрита натрия. Эмульсол Аквол-2 представляет собой смесь минерального масла ИС-12 с химически активными присадками, таких как хлорированный парафин, осерненное жировое масло, полисульфиды. Физико-технические свойства эмульсолов и полученных на их основе эмульсий приведены в [1].

2.2. Влияние концентрации эмульсий на темп охлаждения

Испытывались эмульсии 5-ти концентраций (0,5%, 1%, 3%, 5%, 10% - мас.) в водопроводной воде при комнатной температуре в течение 30 минут пропеллерной мешалкой. Результаты испытаний представлены на рис 1.

Из рис.1 следует, что состав масляной фазы эмульсии (эмульгатора) на охлаждающие свойства эмульсии практически не влияет. Концентрация эмульсии существенно влияет на темп охлаждения. В диапазоне концентраций от 1% до 10% темп охлаждения эмульсий существенно монотонно снижается. В зоне низких концентраций (до 1%) наблюдается увеличение темпа охлаждения по сравнению с чистой водой.

Рис. 1. Зависимость темпа охлаждения от концентрации эмульсий: 1- эмульсии из НГЛ-205; 2- эмульсии из Укринола-1; 3 – эмульсии из Укринола-2.

Эту аномалию можно объяснить тем, что при введении в воду даже малых количеств эмульгатора резко снижается поверхностное натяжение жидкости и повышается ее смачивающая способность. Если у чистой воды поверхностное натяжение составляет 72,5ּ10-3 Н/м, то уже при 0,5%-й концентрации эмульсола оно падает до 52,8ּ10-3 Н/м [3]. Низкоконцентрированная эмульсия хорошо смачивает нагретую металлическую поверхность, затекает в микропоры, что вызывает увеличение темпа охлаждения. При дальнейшем увеличении концентрации эмульсола в воде на поверхности металла образуются многослойные адсорбционные слои из молекул эмульгатора, затрудняющие конвективный теплообмен. На существенную роль поверхностного натяжения жидкостей в процессах теплообмена указано в [4], где поверхностное натяжение жидкости рассматривается как важнейшая термодинамическая характеристика, тесно связанная с ее теплоемкостью и теплотой парообразования.

2.3. Влияние дисперсности эмульсий на темп охлаждения

Дисперсность эмульсий чаще всего оценивают средним диаметром микросфер масляной фазы. Изменить дисперсность можно изменением свойств эмульгатора (поверхностно-активного вещества на границах раздела фаз) и технологией диспергирования масляной фазы. В данной работе применялся второй способ. Масляная фракция (эмульсол) диспергировалась в воде гомогенизацией, ультразвуком и механическим перемешиванием. Это позволило получать эмульсии со средним диаметром дисперсной фазы от 20 до 180 мкм. Результаты испытаний 3%-х (мас.) эмульсий НГЛ-205 и Укринол-1 с разной дисперсностью представлены на рис.2.

Рис.2. Зависимость темпа охлаждения эмульсий от среднего диаметра масляной фазы: 1-эмульсии из НГЛ-205; 2-эмульсии из Укринола-1.

Из рис. 2 следует, что снижение дисперсности (увеличение dср) эмульсии ухудшает ее охлаждающие свойства, что согласуется с современными представлениями о теплопереносе в жидких бинарных средах [4].

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Темп охлаждения может служить информативным критерием при сравнительной оценке охлаждающих свойств грубодисперсных водно-масляных эмульсий.

Состав масляной фазы современных технических эмульсий практически не влияет на темп охлаждения. Существенно влияют структурные свойства эмульсий, такие как концентрация и дисперсность масляной фазы.

Установленная аномально высокая охлаждающая способность эмульсий при низких концентрациях эмульсола может быть объяснена положительным влиянием на теплообмен пониженного поверхностного натяжения жидкостей и улучшением ее смачивающей способности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Бердичевский -охлаждающие технологические средства для обработки материалов. Справочник. - М.: Машиностроение, 1984. – 224 с.

2.  А Экспериментальное исследование процессов теплообмена. - М.: Энергия, 1977. – 288 с.

3.  О связи поверхностного натяжения жидкости с теплотой парообразования. //Журнал физической химии. – 1983. - Вып. 10. – С. 2528 - 2530

4.  , , Ступак -химические и теплофизические свойства смазочных материалов. - Л.: Химия, 1996. – 226 с.