Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 2, стр. 298-300

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение атмосферы многочисленными остаточными газами имеет серьезные последствия для здоровья человека и для окружающей среды из-за кислотных дождей, фотохимического смога и глобальных климатических изменений, вызванных “парниковым эффектом” [1]. Сжигание ископаемых видов топлива является главным источником многих загрязняющих газов [2]. В связи с этой проблемой и с истощением ископаемого топлива увеличивается потребность в альтернативных источниках топлива, в частности растительных маслах, которые яляются возобновляемыми, меньше влияют на образование озона, чем обычное дизельное топливо, и не содержат серы и ароматических углеводородов [3]. Биотопливо имеет температуру воспламенения около 150°С против 50°С дизельного топлива, что удобно для транспортировки.

Биотопливо получают из растительных масел различного сырья [4, 5]. Для характеристики топлива и оптимизации работы двигателя необходимы данные о теплофизических свойствах [6, 7]. Как было указано в [8], плотность, динамическая вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость и давление насыщенных паров являются наиболее необходимыми свойствами. В литературе для метилового эфира пальмитиновой кислоты (метилпальмитата) содержится ограниченное количество данных, имеющих значительные неопределенности и несоответствия. Данные о плотности могут быть использованы для разработки модельной смеси биотоплива [9].

Целью настоящей работы является исследование плотности и вязкости одного из компонентов биотоплива – метилпальмитата. Аналогичные исследования проведены в [10‒14]. В [13, 14] представлены результаты исследования вязкости и плотности при атмосферном давлении в области температур 278.15–363.15 К многих компонентов биотоплива.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Вязкость метилпальмитата измерялась с помощью стеклянного капиллярного вискозиметра ВПЖ-3 (рис. 1, размеры указаны в мм) с внутренним диаметром капилляра d = 0.43 мм в области температур от 304 до 372 К с точностью 0.3%.

Рис. 1.

Вискозиметр ВПЖ-3.

Это наиболее точный из вискозиметров, так как конструкция предусматривает образование “висячего уровня” при течении жидкости. Таким образом, время течения жидкости не зависит от гидростатического давления и количества жидкости, налитой в вискозиметр. Измерение вязкости основано на определении времени истечения через капилляр 2 объема жидкости из измерительного резервуара 1, ограниченного двумя метками М₁ и М₂. Капиллярная трубка впаяна внутрь рубашки 3, имеющей два отвода 4: верхний и нижний. К прибору прилагается насадка 5 и промежуточная стеклянная трубка 6. Насадка имеет конус. Насадка и промежуточная трубка соединяются с рубашкой при помощи шлифов. При измерении промежуточная трубка через отверстие покровного стекла погружается в стакан с жидкостью. Для заполнения прибора жидкостью насадку соединяют с водоструйным насосом или резиновой грушей. Для поддержания необходимой температуры при измерении рубашку прибора соединяют с жидкостным циркуляционным термостатом.

Расчет вязкости проводился по формуле η = = Кρt, где К – постоянная вискозиметра, равная 0.01413; t – время истечения жидкости от верхней метки вискозиметра до нижней метки; ρ ‒ плотность жидкости при данной температуре.

Определение плотности проводилось в стеклянных пикнометрах объемом 10 см³, откалиброванных по бидисциллированной воде, в температурном интервале от 304 до 372 К. Погрешность определения плотности не превышает 0.1%.

Экспериментальные данные вязкости и плотности метилпальмитата при атмосферном давлении приведены в таблице 1 и на рис. 2.

Рис. 2.

Температурная зависимость вязкости (1) и плотности (2) метилпальмитата при атмосферном давлении.

Заданные температуры для вискозиметра и пикнометра поддерживались с точностью ±0.01 К при помощи термостата (UH-16, Hoppler-Thermostat, NBE/NBER, Germany).

Экспериментальные значения вязкости описываются уравнением Френкеля‒Андраде η = = Сe^U/RT, где С – постоянная, R – газовая постоянная, Т – температура и U – энергия активации вязкого течения. Для метилпальмитата значение U, найденное по экспериментальным данным вязкости, равно 17.464 кДж/моль, а С = 0.00469. Энергия активации вязкого течения служит косвенной характеристикой прочности структуры жидкости и равна отношению теплоты испарения жидкости при заданной температуре к координационному числу. Экспериментальные значения плотности метилпальмитата при атмосферном давлении описываются квадратичной функцией температуры ρ_Т = 1044.016987 – 0.5067140Т – ‒ 0.0003560Т ², где ρ_Т – плотность в кг м⁻³, T – температура в K. Температурная зависимость плотности грубо можно аппроксимировать линейной функцией ρ_Т = ρ₃₀₈(1 – α∆Т), где ρ₃₀₈ ‒ плотность при Т = 308 К, а α – изобарный коэффициент термического расширения, определенный по экспериментальным значениям плотности и равный для метилпальмитата 8.588 × 10^–4 К^–1. Максимальная погрешность аппроксимации данных по вязкости уравнением Френкеля–Андраде составляет ±0.24%, максимальная погрешность аппроксимации данных по плотности квадратичной функцией равна ±0.1%. Погрешность определения изобарного коэффициента термического расширения составляет ±1.2%. Полученные значения хорошо согласуются с литературными данными [13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методом капиллярного вискозиметра и пикнометрическим методом получены данные о вязкости и плотности метилпальмитата в температурной области от 304 до 372 К при атмосферном давлении. Полученные значения вязкости описываются уравнением Френкеля‒Андраде, а плотности – квадратичной функцией температуры.