книги из ГПНТБ / Аксенов А.Ф. Применение авиационных технических жидкостей

За температуру начала кипения жидкости принимают темпера­ туру, которую показывает термометр, установленный в колбе, при падении первой капли конденсата в приемник (ГОСТ 2177—59). При определении пределов выкипания жидкости необходимо учи­ тывать, что некоторые жидкости неравномерно кипят и вследствие этого возможен выброс их из колбы в приемник через холодильник. В этих случаях для разгонки рекомендуется брать не более 50 мл жидкости. Температура начала кипения минеральных жидкостей, используемых в настоящее время, не превышает 200° С. Давление насыщенных паров жидкостей определяют в приборе, изображенном на рис. 41. Этот прибор используется для определения насыщенных паров как индивидуальных веществ, так и сложных смесей, а также для определения количества растворенных в жидкости газов. Метод разработан Всесоюзным институтом авиационных материалов.

Данные о величине давления насыщенного пара жидкости необ­ ходимы при определении ее пригодности для работы в условиях высоких температур, а также для оценки кавитационных характе­ ристик гидросистемы. Давление насыщенных паров жидкости имеет особенно большое значение для гидросистем ракет, полеты которых происходят на больших высотах в условиях глубокого вакуума. С выходящих во внешнюю среду смачиваемых рабочих поверхностей в этих условиях испаряется жидкость.

Давление насыщенных паров чистого химического соединения характеризуется вполне определенной величиной и является одной из основных физических констант. Однако многие жидкости для гидравлических систем состоят из нескольких веществ. Давление насыщенных паров смеси зависит от давления насыщенных паров отдельных компонентов. Поэтому для получения сравнительных данных о величине давления насыщенных паров сложных по соста­ ву жидкостей в каждом случае измерения соотношение между

70

объемом жидкости и объемом для пара должно оставаться по­ стоянным, как правило 1:1 (ампула 5).

По рассматриваемому методу определяется давление насыщен­ ных паров жидкостей не содержащих растворенных газов (произ­ водится предварительное обезгаживаиие вакуумированием охлаж­ денной до потерн текучести жидкости с последующим разогревом).

Методика определения давления насыщенных паров заключает­ ся в следующем. При давлении до 0,001 мм рт. ст. система заполня­ ется наполовину объема ампулы 5 испытуемой жидкостью,перели­ ваемой из колбы 2. При закрытом кране 4 жидкость в ампуле нагре­ вается до требуемой температуры, фиксируемой с помощью термопары 6. При заданной температуре ампулу с жидкостью вы­ держивают не менее 30 мин и фиксируют показание манометра, не меняющееся в течение этого времени.

При использовании ртутных вакуумметров и манометров давле­ ние насыщенных паров по их показаниям вычисляется по формуле

йуж

ниска жидкости в ампуле до мениска ртути в манометре; у>к — удельный вес жидкости; урт — удельный вес ртути. Описанный метод позволяет измерить давления насыщенных па­

ров жидкостей при различных температурах (до температуры нача­ ла термической деструкции молекул жидкости).

Для контрольных измерений давления насыщенных паров жид­ костей могут быть также использованы стандартные методы (ГОСТ

1756—52 и ГОСТ 6668—53).

Метод определения испаряемости путем измерения потерь от ис­ парения применяется в основном для оценки летучести высококипящих жидкостей. При определении используется прибор, изображен­ ный на рис. 18. При определении испаряемости обратные холодиль­ ники и пробки от сосудов с жидкостью отсоединяют. Испытание проводится без металлических образцов с барботажем воздуха (при температурах до 200°С) или азота (при температурах выше 200°С). Время испытания составляет 5 ч. Потери от испарения выражают в процентах уменьшения веса образца жидкости.

При определении летучести этим методом следует выбирать тем­ пературу, при которой скорость окисления жидкости была бы дос­ таточно низкой. В противном случае окисление жидкости может привести к искажению показателя летучести.

9. ВСПЕНИВАЕМОСТЬ

Вспениваемость жидкостей в основном связана с присутствием в ней растворенного воздуха (газа) и поверхностно-активных про­ дуктов. Воздух может попадать в гидравлическую систему различ­ ными путями. Большая часть попавшего воздуха при наличии вы-

71

сокпх давлений растворяется в жидкости. Если количество попав­ шего в систему воздуха настолько велико, что пузырьки воздуха остаются в жидкости при рабочем давлении, резко снижается про­ изводительность насоса и ухудшается стабильность работы всей системы. Поскольку при прохождении жидкости через цилиндры, клапаны, двигатели и другие элементы системы давление жидкости снижается, количество воздуха, находящегося в иен в растворен­ ном состоянии, также снижается. Излишний воздух в виде пузырь­ ков из жидкости с хорошими антнпенными свойствами выносится через систему дренажа. При наличии в жидкости поверхностно-ак­ тивных продуктов, адсорбирующихся на разделе фаз «жидкость — воздух», образуется в резервуаре очень устойчивая пена. Если пе­ ны образуется много, возможен выброс ее через систему дренажа бака.

Отрицательное влияние пены проявляется еще и в том, что она снижает смазывающую способность жидкости, вызывает корро­ зию металлических деталей гидросистемы. Вследствие большой площади поверхности раздела между жидкостью и воздухом зна­ чительно ускоряется окисление и другие реакции в пене. Устойчи­ вая пена превращается со временем в вязкие включения, отклады­ вающиеся на поверхностях агрегатов и вызывающие нарушение их нормальной работы.

Пена представляет собой двухфазную дисперсную систему, в которой воздух или другой газ находится в ячейках, стенки которой образованы тончайшими пленками жидкости. Совокупность таких ячеек и является собственно пеной. Механизм образования пены выясняется из следующей простой схемы. Введенный в жидкость пузырек воздуха вследствие своей меньшей по сравнению с жид­ костью плотности начинает всплывать, обладая при этом подъем­ ной силой, пропорциональной размерам пузырька:

Р-

где р — плотность воздуха; V — объем пузырька; g — ускорение силы тяжести.

Если раствор содержит ПАВ, то они будут адсорбироваться на поверхности раздела жидкость — газ, т. е. на границе раздела жид­ кость— пузырек так, что гидрофобные углеводородные части моле­ кул ПАВ будут обращены в сторону менее полярной фазы — внутрь пузырька, а гидрофильные части молекул — в сторону жидкости. Достигнув поверхностного слоя, пузырек благодаря своей подъем­ ной силе приподнимает поверхностную пленку жидкости. Но так как на этой поверхностной пленке ориентация поверхностно-актив­ ных молекул такая же, как и на границе раздела жидкость — пу­ зырек, то он, приподнимая пленку, окружается вторым слоем мо­ лекул. Если в жидкость ввести не один, а несколько пузырьков, то они точно также всплывут на поверхность, приподняв поверхност­ ный слой жидкости. Когда количество пузырьков станет таким, что они заполнят собой всю поверхность жидкости, то все последующие

72

пузырьки, вводимые в жидкость, будут приподнимать ранее введен­ ные так, что под первым слоем пузырьков будет откладываться второй, третий.и т. д.

В верхней части пены располагаются крупные пузырьки со смежными стенками, а в нижней — мелкие пузырьки, не имеющие смежных стенок. Эти пузырьки воздуха (а часто смеси воздуха и паров этой жидкости), окруженные жидкостной пленкой, и пред­ ставляют собой пену.

Несколько другой характер пенообразования наблюдается у неводных ограниченно-растворимых жидкостей [31, 32], имеющих сложную структуру поверхностного слоя, определяемую концентра­ цией одного вещества в другом и температурой. Для таких жид­ костей наблюдается двойственный характер действия ПАВ на образование пен. При малых концентрациях одного вещества в другом (до 1%) ценообразование обусловливается содержанием ПАВ. При дальнейшем увеличении концентрации (до 50%) свой­ ства поверхностного слоя изменяются — происходит расслаивание; образуется подслой из нерастворенной фазы; ПАВ адсорбируются на границах раздела и ценообразование не происходит.

Пенообразование в ограниченно-растворимых жидкостях также не происходит при высоких концентрациях ПАВ. В жидкостях с малым поверхностным натяжением и не содержащих ПАВ иногда наблюдается пенообразование, вызванное содержанием и поверх­ ностно-неактивных веществ.

С термодинамической точки зрения, пены являются неустойчи­ выми системами. Затрачиваемая при ценообразовании работа вы­ ражается произведением величины поверхностного натяжения на величину поверхности жидкости [25]. Величина этой работы харак­ теризует собой свободную поверхностную энергию системы на гра­ нице раздела жидкость — газ. На основании второго закона тер­ модинамики все изменения любой системы происходят в направле­ нии уменьшения свободной энергии до минимума, при котором система достигает устойчивого равновесия. При пенообразованип уменьшение свободной энергии возможно только в результате уменьшения площади поверхности. Это уменьшение и наблюдается в действительности и проявляется в разрушении ячеек пены.

Пенообразование протекает так, что в определенный момент времени количество пены достигает максимума. Этот максимум яв­ ляется первым важным показателем, характеризующим склонность различных жидкостей к вспениванию. Другим не менее важным показателем пенообразования является устойчивость пены, т. е. период ее существования, который зависит от «времени жизни» пузырьков, — времени, прошедшего от момента образования пу­ зырьков до их разрушения.

Пенообразование как специфический физико-химический пока­ затель жидкостей тесно связан с такими физико-химическими пока­ зателями, как поверхностное натяжение жидкости, вязкость, дав­ ление насыщенных паров, химический состав и концентрация ве­ ществ, способствующих ценообразованию, температура.

73

С уменьшением поверхностного натяжения склонность жидкос­ ти к вспениванию повышается. Влияние химического состава про­ является в том, что интенсивность пенообразоваиия в большей ме­ ре зависит от длины цепи в молекулах органических соединений, ис­ пользуемых для приготовления жидкости. Влияние температуры на пенообразование неоднозначно. Для некоторых веществ макси­ мальное пенообразование наблюдается при низких температурах, для других — при высоких. Однако замечено, что при температурах выше 100° С пена быстро распадается.

Влияние вязкости и летучести жидкости на пенообразование прямо противоположно. Если увеличение вязкости ведет к получе­ нию прочных пленок жидкости и устойчивой пены, то повышение летучести способствует уменьшению их толщины и прочности, а следовательно, снижению устойчивости пены.

Более простые зависимости наблюдаются при изменении кон­ центрации веществ, способствующих пенообразованию. Как пра­ вило, с повышением их концентрации (в определенных пределах) склонность жидкости к пенообразованию увеличивается. При по­ вышенных температурах растворимость воздуха уменьшается, по­ этому повышение температуры часто способствует уменьшению вспеннваемостп жидкостей.

Пенообразование различных жидкостей различно и зависит как от природы жидкости, химического ее состава, так и от внешних условий. Вспениваемость более вязких жидкостей выше. Вспенпваемость спиртоглнцериновых смесей меньше по сравнению с жид­ костями минерального происхождения.

Синтетические жидкости способны в большей мере, чем мине­ ральные растворять воздух и газ. Большинство из них при комнат­

74

уходящего из пены в процессе разрушения. По высоте столба пены в динамических условиях испытания можно определить ее равно­ весный объем (приближенно это и будет равновесный объем воз­ духа в пене и жидкости). Скорость разрушения пены определяют по показаниям расходомера, установленного на выходе газа из ко­

жидкости определяют Куд и коэффициент Q при температуре 20° С.

10. ЭМУЛЬСИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

Работа гидравлической системы может нарушиться при попада­ нии в рабочую жидкость воды. Если во время работы вода цирку­ лирует по системе вместе с жидкостью, образуется эмульсия. Эмульсией называется система из двух или нескольких несмешивающпхся жидкостей, одна из которых распределена в виде мелких капель в другой. Эмульсии подразделяются на два основных типа: эмульсия «масло в воде» и эмульсия «вода в масле». Под маслом здесь подразумевается любая органическая жидкость, нераствори­ мая в воде и водных растворах. При изменении соотношения фаз, температуры и других факторов одни тип эмульсин может перехо­ дить в другой (обращение фаз).

При работе жидкости в гидросистеме образуется только второй тип эмульсин, когда вода диспергирована в рабочей жидкости. Ес­ ли жидкость обладает хорошей деэмульсируемостыо, вода и жид­ кость достаточно быстро расслаиваются в резервуаре. При исполь­ зовании же жидкостей, обладающих плохой деэмульсируемостыо, следует стремиться предотвратить попадание в систему воды и за­ грязняющих веществ. Присутствие эмульсий вызывает затруднения в работе гидравлической системы, поскольку они ухудшают эксплуа­ тационные свойства жидкостей. Стойкие эмульсии воды и жидкос­ ти образуют вязкий шлам, который засоряет насосы, регулировоч­ ные клапаны и цилиндры и таким образом приводит к неудовле­ творительной работе системы. Эмульсии могут переносить по сис­ теме абразивные материалы. Кроме того, смазка пар трения жид­ костью с водой не обеспечивает их надежной работы.

Эмульсия может быть определена как дисперсия одной жид­ кости в другой. С термодинамической точки зрения, такая система неустойчива, однако время, требуемое для ее разделения на фазы, может составлять от нескольких секунд до нескольких лет. Сво­ бодная поверхностная энергия проявляется как сила, уменьшаю­ щая площадь поверхности раздела и способствующая соединению мелких капель в более крупные, когда они соприкасаются в резуль­ тате броуновского движения или механического перемешивания. Скорость расслоения зависит от первоначального размера частиц, разницы в плотности фаз, вязкости непрерывной фазы и силы тя­ жести, действующей на частицы.

76

Эмульсаторы создают на поверхности капли воды очень прочные адсорбционные слои. При этом гидрофобная часть молекулы эмульсатора связывается с молекулами жидкости, а гидрофильная — с молекулами воды. Таким образом происходит гидрофобизация во­ ды, что препятствует последующему слиянию капель. Вид такой эмульсии схематически представлен на рис. 46.

Для определения эмульсируемости жидкостей используют два типа приборов, причем в одних жидкость и вода перемешиваются механической мешалкой, в других — водяным паром.

Определение эмульсируемости жидкостей в приборах первого типа заключается в следующем. В градуированный цилиндр зали­ вают при комнатной температуре 40 мл жидкости и добавляют за­ тем в него такое же количество воды. Содержимое цилиндра на­ гревают в ванне до температуры 54° С, затем погружают в него мешалку (медная пластинка) и перемешивают со скоростью 1500 об/мин. Через 5 мин прекращают перемешивание, пластинку вынимают из цилиндра и обтирают о края последнего, стараясь, чтобы как можно больше эмульсин вошло в цилиндр. Затем ци­ линдр погружают в ванну с температурой 54° С и оставляют там в течение определенного времени. Если после установленного срока в вынутой пробе не окажется сплошного слоя эмульсии, проба считается выдержавшей испытание.

Вряде случаев характеристикой эмульсируемости служит ве­ личина скорости деэмульсации. Скорость деэмульсации определя­ ется так же, как и эмульсируемость, с той лишь разницей, что пос­ ле погружения цилиндра в ванну для отстоя отмечают через опре­ деленные отрезки времени (1 мин, 5 мин) положение линии раздела между жидкостью и примыкающим к нему слоем эмуль­ сии. Первую запись делают через 1 мин после окончания перемеши­ вания. Максимальная скорость распада эмульсии, т. е. количество миллиметров жидкости, выделяющихся за 1 ч является числовым значением скорости деэмульсации данной жидкости.

Вприборах второй группы эмульсируемость определяют следу­ ющим образом. В измерительный цилиндр наливают 100 мл жидкос­ ти и 20 мл дистиллированной воды, и на дно цилиндра опускают трубку, по которой пропускают пар в течение 10 мин. По истечении этого времени прекращают подачу пара, быстро вынимают паро­ проводящую трубку из цилиндра, помещают цилиндр в баню с во-

доп, нагретой до 55° С, н отмечают время в минутах, потребное для полного разделения жидкостей. Ж и д к о с т и считаются разделивши­ мися, если между жидкостью и водой нет учитываемого слоя эмульсин при рассматривании границ раздела на уровне глаз. Ме­ ниск вода — жидкость при рассмотрении его снизу должен быть чистым. В заключение следует отметить, что использование эмуль­ сий в гидросистемах современных летательных аппаратов не допу­ скается.

11. СОДЕРЖАНИЕ ВОДЫ

Все рабочие жидкости, используемые в гидросистемах, способ­ ны растворять в себе воду. Количество растворенной воды в жид­ костях зависит от химической природы жидкости, внешнего давле­ ния, температуры, влажности атмосферы. Применяемые жидкости, обладают, как правило, обратимой гигроскопичностью. Это означа­ ет, что при нзменип условий растворения вода из растворенного состояния может выделиться в виде микроскопических капель в жидкость.

Обратимая гигроскопичность приводит к тому, что в жидкости постепенно накапливается довольно значительное количество эмульсионной воды, несмотря на то что все рабочие жидкости обладают ограниченной гигроскопичностью.

Свойство обратимой гигроскопичности связано с тем, во-первых, что компоненты жидкости имеют больший молекулярный объем, чем вода; во-вторых, молекулы жидкости не полярны, а связи С—Н не способны к образованию водородных связей с молекулами во­ ды. Поэтому вода, растворенная в органических рабочих жидкос­ тях, находится в виде отдельных молекул, заполняющих межмоле­ кулярные промежутки между молекулами технической жидкости.

Благодаря гигроскопичности в жидкостях всегда в растворен­ ном состоянии присутствует вода. Количество растворенной воды определяется как внешними условиями, так и химическим составом жидкости. Так, например, предельное содержание растворенной воды в ж и д к о с т и АМГ-10 при длительном ее выдерживании и пере­ мешивании в открытом сосуде при влажности окружающего возду­ ха 96—98% составляет 0,02% а синтетической жидкости

7-50С-3—0,1%.

На рис. 47 показаны кривые, характеризующие изменение со­ держания воды в жидкостях во времени при соотношении объемов жидкой и газовой фаз 1 : 1 [8].

Присутствие воды в жидкостях нежелательно и даже опасно, поэтому в практике применения жидкостей необходимо следить за их обводненностью. Содержание воды определяют качественно и количественно. Содержание воды в жидкостях качественно опре­ деляют по внешнему виду. Жидкость, не содержащая воды, всегда прозрачна. Если же жидкость непрозрачна, то это служит приз­ наком ее обводнения. Воду в жидкости на минеральной основе

78

Рис. 47. Характеристики насыщения жидко­ стей водой:

I — синтетическая жидкость 7-50С-3; 2 — ЛМГ-10

Рис. 48. Прибор для определения количе­ ства воды, содержащейся в жидкости:

1 — колба: 2 —ловушка; 3 —холодильник

можно обнаружить также по характерному потрескиванию, появ­ ляющемуся при ее нагреве до 150° С (ГОСТ 1547—42).

Для определения количества воды, содержащейся в жидкости, используют два метода. Один основан на отгоне воды с несмешпвающпмея с нею летучим растворителем (ГОСТ 2477—44), дру­ гой — на химической реакции. Наибольшее распространение полу­ чил первый способ. Он заключается в следующем. В колбу поме­ шают 100 мл жидкости и 100 мл обезвоженного растворителя (бензин «Галоша», лигроин). Образовавшийся раствор нагревают, при этом происходит испарение растворителя и воды, как наиболее легко кипящих частей раствора. Пары, выходящие из колбы, кон­ денсируют в обратном холодильнике.

Конденсат растворителя и воды непрерывно разделяют в ло­ вушке, воду отводят в мерный отсек ловушки, а растворитель на­ правляют обратно в перегонную колбу. Прибор, используемый при этом, изображен на рис. 48.

Из химических методов используется известный гидридкальцневый способ (ГОСТ 8287—57).

Содержание воды в спирто-глицериновых и спнрто-водоглице- рпновых смесях определяют также разгонкой. Для этого опреде­ ленное количество испытываемой жидкости помещают в колбу, собирают прибор для разгонки топлива и нагревают жидкость. Скорость разгонки не должна превышать четырех капель в секун­ ду. По достижении температуры 101° С подогрев прекращают, дают колбе охладиться, доливают в нее 50 м.л воды и снова нагревают до 101° С. По достижении этой температуры перегонку заканчи­ вают. Точно измеряют количество отгона и остатка. При этом кол­ бу споласкивают водой и добавляют ее .к остатку. Определяют удельный вес отгона и остатка в колбе при температуре 20° С. В по­ лученном водном растворе определяют весовой процент спирта и