Теплофизика высоких температур, 2022, T. 60, № 1, стр. 33-37

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение окружающей среды нефтяным топливом постоянно увеличивается. Сжигание нефтяных топлив является основным источником загрязняющих газов, таких как оксиды азота, оксиды серы, оксиды углерода, свинца и др. Со снижением запасов нефтяного топлива возрастает потребность в альтернативных видах топлива, в частности в растительных маслах с их возобновляемой органической доступностью и минимальным загрязнением. Биодизель – это альтернативный возобновляемый источник энергии, компенсирующий растущий спрос на нефтяное топливо. Большая часть производимого биодизеля получается из различных видов биомассы, таких как соевое, пальмовое, рапсовое, ятрофовое, подсолнечное и кокосовое масла, которые являются возобновляемыми источниками. Использование биотоплива имеет ряд экологических преимуществ: 1) простота в использовании; 2) биоразлагаемость; 3) нетоксичность; 4) выбросы вызывают образование на 50% меньше озона, чем у обычного дизельного топлива; 5) практически отсутствует сера и ароматические вещества. Биодизельное топливо является экологически чистым жидким топливом и может значительно снизить выбросы в атмосферу загрязняющих веществ и парниковых газов. Кроме того, биодизельное топливо может уменьшить износ двигателя. Например, по сравнению с обычным нефтяным топливом биотопливо хорошо снижает трение и износ деталей скольжения и продлевает срок службы двигателя, т.е. значительно повышает износостойкость и фрикционные характеристики. Кроме того, поскольку биодизельное топливо имеет температуру воспламенения (температуру вспышки) около 150°C, оно безопаснее нефтяного дизельного топлива для транспортировки, поскольку последнее имеет температуру вспышки около 50°C. При разработке моделей проектирования технологических процессов, энергоэффективности, при оценке возможных воздействий на окружающую среду для транспортировки и хранения топлива необходимы данные о теплофизических и термодинамических свойствах.

Давление паров, плотность и критические свойства компонентов биотоплива были исследованы ранее многими авторами [1–14]. Однако эти исследования противоречивы и охватывают недостаточно широкую область температур, давлений и плотностей. Целью данной работы является исследование теплофизических свойств биотоплива – метилкаприлата.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Измерения проведены на пьезометре постоянного объема [15] по 15 изохорам в температурной области 20–165°С, при давлениях до 170 атм, в пределах значений плотности 44.7–829 кг/м³. Ранее пьезометр использовался для измерения (PVTx)-данных чистого 1-бутанола и бинарных смесей H₂O + н-C₅H₁₂ и H₂O + н-C₆H₁₄ в широком интервале температур и давлений, включающих критические и сверхкритические области [16–21].

Пьезометр постоянного объема представляет собой трубку из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с внутренним диаметром 8.721 мм, длиной 394 мм, толщиной стенки 2.7 мм. На одном торце трубки установлен датчик давления СДВ-А-16,00-4-20мА-0322С-0605-2 с погрешностью измерения ±0.15%, на другом ‒ запорный вентиль, который служит для откачки и заполнения пьезометра. Для выравнивания температуры вдоль пьезометра на трубку посредством горячей прессовки надет массивный медный блок. На торцах и в средней части медного блока просверлены отверстия для размещения контрольных и измерительных термопар и термометра сопротивления ПТС-10. Нагрев осуществляется трехсекционной печью высотой 500 мм. Температура регулировалась автоматически с помощью трех терморегуляторов ВРТ-3: один терморегулятор поддерживает общую температуру системы с погрешностью 0.01 К, два других контролируют нулевой градиент вдоль трубки. Погрешность измерения температуры составляет ±0.014 К. Падающий груз также изготовлен из нержавеющей стали 12X18Н10Т и имеет форму цилиндра с конусными концами. В центре груза установлен постоянный магнит, который удерживает груз в верхнем положении благодаря включенному электромагниту. При отключении электромагнита груз свободно падает вниз, перемешивая исследуемую жидкость. Поворот системы на 180° возвращает груз в исходное положение.

Давление в объеме пьезометра регистрируется и измеряется датчиком давления с точностью ±0.15%. Объем пьезометра, определяемый калибровкой по воде, составлял 24.410 ± 0.025 см³ при температуре ~20°С. Для учета изменения объема пьезометра в зависимости от температуры и давления вносились поправки. Вся система устанавливалась на полуосях и могла свободно поворачиваться на 180°. Для компенсации теплоотвода по полуосям на них наматывался нагреватель, мощность которого регулировалась в зависимости от показаний дифференциальной термопары. Заполнение пьезометра проводилось под вакуумом через вентиль на торце пьезометра. Запорный вентиль имел два автономных выхода в виде капилляров из нержавеющей стали для получения в пьезометре вакуума и заправки его жидкостью. Вакуумный выход соединялся с насосом, а капилляр для заправки, снабженный пробкой, опускался в пикнометр с исследуемой жидкостью. Изначально выход для заправки был закрыт, и система откачивалась вакуумным насосом. Далее вакуумный выход закрывался и открывался выход для заправки. При этом раствор полностью перетекал из пикнометра в пьезометр. После этого закрывался выход для заправки. Для того чтобы убедиться, что вся жидкость втянулась в пьезометр, измерялась масса пикнометра до и после заправки.

Для исследования использовался метилкаприлат (CAS № 111-11-5) чистотой 99.5 вес. %.

Жидкость для измерения взвешивалась на аналитических весах с погрешностью не более 0.5 мг.

Результаты измерения представлены на рис. 1 и в табл. 1.

На рис. 1 изохоры 1 совпадают, в измеренном интервале температур переход не обнаружен, а на изохорах 2–6 виден переход газ–жидкость, и по мере увеличения плотности после перехода газ–жидкость наклон изохоры увеличивается, т.е. давление с увеличением температуры растет резко из-за слабой сжимаемости вещества в жидком состоянии.

На рис. 2 изохора 1 – паровая. В области исследуемых температур переход газ–жидкость не обнаружен. В табл. 2 приведены параметры фазовых переходов в метилкаприлате.

Экспериментальные значения давления паров метилкаприлата вдали от критической точки описываются уравнением типа уравнения Антуана:

где Р₀ = 101 кПа. Экспериментальные значения давления паров описываются уравнением типа уравнения Вагнера [22]: где τ = 1 – (Т/Т_с); Т_с и Р_с – критические температура и давление; а_i – подгоночные параметры: ${{a}_{1}}{\text{ }}$ = = –8.729498, ${{a}_{2}}{\text{ }}$ = 2.623240, ${{a}_{3}}{\text{ }}$ = –13.137455, ${{a}_{4}}{\text{ }}$ = = 21.104545, ${{a}_{5}}{\text{ }}$ = –31.520199. Оптимальные величины критических параметров, найденные с помощью анализа литературных данных: T_c = 640.5 ± 5 К и Р_с = 2435.0 ± 20 кПa. Уравнение (1) описывает экспериментальные данные с точностью в пределах 1.5%. Уравнение Вагнера в отличие от уравнения Антуана позволяет корректно предсказывать поведение большинства термодинамических свойств в критической точке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены новые (PVT)-данные для метилкаприлата в широких диапазонах температур, давлений и плотностей вдоль 15 изохор. Измеренные данные использованы для точного определения параметров фазового перехода жидкость–газ методом излома. Полученные уравнения типа уравнения Антуана и уравнения Вагнера достаточно точно, в пределах 1.5%, описывают экспериментальные данные.