Исследование физических свойств жидкой фазы на линии насыщения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Камениченко Елена Ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ИА ЛИШШ НАСЫЩЕНИЯ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ 4855997

диссертации на соискание ученой степени кандидата фншко-математнческнх наук

Ставрополь — 2010

4855997

Работа выполнена на кафедре медицинской и биологической физики

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ставропольская государственная медицинская академия»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Марков Иван Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Симоновский Александр Яковлевич

кандидат физико-математических наук, доцент Хащенко Андрей Александрович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

Защита состоится 26 ноября 2010 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.06 в Северо-Кавказском государственном техническом университете по адресу: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Кавказского государственного технического университета.

Автореферат разослан 25.10.2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

Лисицын С.В.

Актуальность проблемы. Ряд весьма важных особенностей процесса кипения^ таких как, например, наиболее; интенсивный процесс перенос тепла от нагретой твердой поверхности к соприкасающейся с ней кипящей жидкостью, быстрое удаление паровой фазы из жидкой системы, преимущественное содержание в паровой фазе пара более летучего вещества при кипении смесей, и ряд других особенностей позволили процесс кипения использовать в теплотехнике, в криогенной технике, адерной-энергетике, в металлурги, в технологических процессах химической, легкой и пищевой промышленности. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования отечественных

ученых и зарубежных .ученых. . .

Поскольку в качестве теплоносителей широко используются жидкости самой различной природы, то глубокое понимание процесса кипения в целом, невозможно без глубокого изучения жидкой фазы и ее свойств,- таких как плотность жидкости, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, теплота фазовых превращений и т.д.

Несмотря на обилие жидкостей, рекомендация для их внедрения в промышленность ^имитируется в подавляющем случае отсутствием сведений о их физических свойствах. Экспериментальное определение физических свойств веществ, в том числе и в жидком состоянии, требует больших затрат времени и материальных средств. Поэтому расчет физических свойств жидкой фазы, используемой в качестве теплоносителя в различных температурных режимах* имеет большое значение. А . широкое использование жидкой фазы в теплоэнергетике, в криогенной технике, в химической и пищевой промышленности и других областях, требуют постоянных уточнений результатов ее физических и физико-химических свойств, что, естественно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой темы «Исследование физических свойств жидкой фазы на линии насыщения», изучению которой и посвящена данная диссертационная работа. > , .

Диссертационная работа выполнена в. Ставропольской государственной медицинской,академии в 2006-2010 годах в соответствии с.планом научно-исследовательских работ академии.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании физических свойств воды и спиртов, взаимосвязи .коэффициента поверхностногонатяжения и вязкости ?кидкой фазы. ; . • ; ■ ■ -г

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать характер изменения, плотности жидкой фазы как функции температуры, на линии насыщения,. н.... ч ,

2. Исследовать характер изменения плотности паровой фазы как , функции температуры.

3. Исследовать величины критической плотности жидкой фазы.

4. 1 Провести анализ коэффициента'поверхностного натяжения

жидкой фазы в области ее существования, как функцию тем-

■ - НСратурЫ. • ' (■..!: ;■.:/!;■: ю::-;,,^

5. Исследовать характер изменения коэффициента динамической вязкости жидкой фазы как функции температуры на линий насыщения.

6. Провести анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкой фазы на линии насыщения.

Научная новизна

. 1, : Проведен анализ характера изменения плотности жидкой фазы на всей линии насыщения и получено математическое выражение, позволяющая определять плотность жидкости в области существования жидкой фазы Тц<,Т<,Тк.

2. Проведены исследования характера изменения плотности паровой фазы на всей линии насыщения и предложено математиче-

■ ское выражение, позволяющее определять плотность паровой фазы.

3. Основываясь на правиле прямолинейного диаметра, разработан способ определения критической плотности жидкой фазы.

4. Впервые проведены исследования температурного коэффициента

Неповерхностного натяжения ——, полученного методом термоди-

аТ

намических циклов и показано, что как и выражения Этвеши и Френкеля — Губанова, сводятся к результату: а = с(Тк - Т).

5. Исследован характера изменения вязкости жидкой фазы в интервале температур Т0<Т<ТК и получено математическое выражение, позволяющее определять вязкость жидкой фазы в указанном интервале температур.

6. Впервые проведен анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидкости на линии насыщения и проанализирована динамика изменения

отношения — как функции температуры.

П

Научная и практическая значимость работы

1. Впервые получено математическое выражение, позволяющее опре-

, ,. делять плотность жидкой фазы на линии насыщения в области существования жидкой фазы (Г0<Т<Т,).

2. Разработан метод расчета плотности паровой фазы на линии насы-

. ■ ■, щения в интервале температур (Т0<Г < Г,).

3. Основываясь на методе Кальете - Матиаса разработан способ определения критической плотности жидкой фазы.

4. Впервые аналитическим методом показано, что термический коэф-. Лт

фициент поверхностного натяжения —, полученный методом тер-

с1Г

модинамических циклов, как и выражения Этвеши и Френкеля — Губанова, сводятся к результату а = с(Т1: - Т).

5. Проведен анализ динамики характера изменения вязкости жидкой фазы как функции температуры и получено математическое выражение, позволяющее определить вязкость жидкой фазы на линии насыщения в интервале температур Т0<Т <Т„. .

6. Выяснена динамика изменения отношения —как функции температуры и выяснен характер взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидких фаз,

Личный вклад автора

Диссертационная работа представляет собой итог самостоятельной работы автора. Задачи исследования ставились научным руководителем, который также принимал участие в выборе методов исследования и в обсуждении полученных результатов. Соавторы участвовали в проведении экспериментальных работ, обработке и обсуждении некоторых результатов.

На защиту выносятся следующие положения и результаты;

1. Математическая модель, позволяющая оценить плотность жидкой фазы на линии насыщения.

2. Математическая модель, позволяющая оценить плотность пара на линии насыщения.

3. Расчет критической плотности пара методом Кальете-Матиаса.

4. Математическая модель для расчета коэффициента поверхностного натяжения методом термодинамических циклов.

5. Метод расчета коэффициента вязкости жидкости.

6. Обоснование характера взаимодействие коэффициента поверхностного натяжения и вязкости жидкой фазы на линии насыщения и характера изменения расхода Жидкости.

Достоверность результатов диссертационной работы. Научные положения, результаты экспериментальных исследований, выводы по диссертации оригинальны и получены с использованием современных методов. Достоверность научных положений подтверждена системным подходом к исследованиям, обработкой результатов экспериментов современными математическими и статистическими методами.

Полученные параметры (коэффициент поверхностного натяжения, динамический коэффициент вязкости, плотность жидкости) близки по значению к подобным параметрам, полученными другими авторами.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2006 - 2010 г.г.), на кафедре теплотехники Северо-Кавказского государственного технического университета (г.Ставрополь 2006 - 2010г.г.),

на VI, VII и VIII региональных конференциях «Вузовская наука - СевероКавказскому региону» (г. Ставрополь 2006-2010 г.г.).

Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы:

- в журнале «Физическая химия».

- в материалах X, XI, XII, XIII научно-практических конференций «Вузовская наука- Северо-Кавказскому региону»;

- в Вестнике Северо-Кавказского государственного технического университета;

7 Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, спйска литературЬГи приложения.

Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 17 рисунков, 14 таблиц и списков литературы из 132 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, сфор-мулйрованы цель и задачи, охарактеризована структура диссертационной работы и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы содержит обзор литературных источников, посвященных исследованиям основных теплофизических свойств на линии насыщения и критических параметров жидких теплоносителей. По результатам выполненного литературного обзора, обоснована необходимость теоретического и экспериментального исследования теплофизических параметров жидких теплоносителей, их температурной зависимости, и определения характера их взаимосвязи.

■■■■■< Во второй главе были рассмотрены выражения для расчета коэффициента поверхностного натяжения по полной и скрытой теплоте парообразования.

Сопоставление уравнений (1) и(2) показывает, что в этих уравнениях различны только коэффициенты К, и Кг,

<т=0Ав 1п + К{ (Тк -Т)

T¿

О)

(2)

Анализ выражения (3) позволил получить выражение:

= + (4)

Результаты расчета коэффициента поверхностного натяжения показаны в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты расчета коэффициента поверхностного натяжения по полной и скрытой теплоте испарения жидкости

№ Г, К о-Д.ьД+^-Г) а, Н/м, Да ¿т " —10«

!П1 Н/м Н/м Н/м ошг а

1. 273 0,108 0,077 0.074 0,076 [1]

2. 298 0,098 0,079 0.069 0,072 [2|

3. 323 0,089 0,063 0,064 0,068 [11

4. 348 0,081 0,056 0.059 0,063 [2]

5 373 0,073 0.050 0.054 0,059(1]

6. 398 0,065 0,045 0,049 0,053 [2] 0,001 0,7%

7. 423 0,057 0,040 0.044 0,049 [1)

8. 448 0,050 0,034 0,040 0,043 [2]

9. 473 0,043 0,030 0.035 . 0,038 П|

10. 523 0,030 0,020 0,025 0,026 П|

11. 573 0,018 0,012 0.015 0,014 [11

Т. к. множитель = константа зависящая от природы жидко-

сти, то выражение (4) можно записать

Проведенный анализ показал, что уравнение для определения коэффициента поверхностного натяжения методом термодинамических циклов, а также формула Этвеши и формула Френкеля — Губанова сводится к выражению (5).

В таблице 2 представлен сравнительный анализ коэффициента поверхностного натяжения для воды и спиртов, вычисленого по формуле (5) с экспериментальными данными.

Таблица 2 — Сравнение расчетных значений коэффициента поверхностного натяжения для воды и спиртов, вычисленных по формуле (5) с экспериментальными данными

теплоноситель Коэффициент поверхностного натяжения а, Н/м

Т = 293 К Т = ЗЗЗК Т = 353 К Т = 373 К

, ,вода сг - с' (Г, - Г), Н/м м 0,070 0,061 0,060 0,053

ОПЫТ сг, Н/м 0,073 [3] 0,066 [3] 0,063 {3] 0,059 [3]

метанол <Г- с* (г, -г). Н/м и 0,024 0,020 0,017 0,015

ОПЫТ а, й/м 0,023 [3] - 0,017 [3] 0,015 [3]

этанол 0,020 0,014 0,013 0,011

: опыт о-, Н/м 0,022 [3] 0,018 [3] 0,016 [3] 0,010 [3]

пропанол « = С,(Г,-7>Н/м .' м 0,015 0,012 0,011 0,010

' ОПЫТ ff, Н/м 0,024 [3] - - -

бутанол в - с' (г, - Г). Н/м f 0,013 0,011 0,010 0,009

■' оЬыт <r, Н/м 0,017 [3] - - 0,009 [3]

Был проведен теоретический анализ температурной зависимости коэффициента динамической вязкости, в результате чего получено уравнение

т

-5.51л—

и = Ча-е (6)

Более точные значения, особенно в предкритической области, дает эмпирическое уравнение, которое имеет вид:

. ■:= ^г,;:,,:.,-. г\ (7)

где где с„ =6/94, ¿ = 0,008 (для воды).-Уравнение (7) можно использовать "для вычисления коэффициента динамической вязкости жидкостей по всей линии насыщения, что и подтверждают результаты, приведены на рисунке 1. Таким образом, с увеличением температуры коэффициент динамической вязкости будет уменьшаться по экспоненциальной зависимости.

Рисунок 1 — График зависимости г} = /(Т-Т0)

Далее было рассмотрено отношение — как функция температуры.

П

Из графика функции ~ = /(Т ~Т0) у видно, что указанная функция имеет

максимум в области которого мы наблюдаем небольшое плато, (рисунок 2)

С увеличением разности температур (Т -Т0) увеличивается и отношение —, следовательно, увеличивается расход жидкости, который затем П

стабилизируется. После стабилизации начинается процесс уменьшения отношения —, а, следовательно, и расхода жидкости вплоть до полного исчез-П.

новения при Т = Тк . Указанная закономерность, есть естественный переход жидкости из жидкого состояния в парообразное, связанное с процессом увеличения температуры. К тому же, предыдущий анализ подтверждает, в указанной закономерности, показанной на рисунке 2, в начале & уменьшается медленнее чем 77, затем достигается равновесие, после чего сг уменьшается быстрее т].

Рисунок 2 - Зависимость — = /(Г - Т„) для воды П

Путем математических преобразований было получено выражение:

*<0 7

или

; , , 0(() = [соц+18ао(Т-То)]п(О. (9)

В точке Максимума аг = 0 и = 0, значит

Па, (10)

где см и 7}„ - коэффициент поверхностного натяжения и коэффициент динамической вязкости, соответствующие максимуму (рисунок 2). В ниже приведенных таблицах 3, 4, 5, приведены численные значения, которые подтверждают, что результаты расчета удовлетворительно согласуются с опытом.

Таблица 3 — Определение коэффициента поверхностного натяжения .Ч> }

по формуле: <т, =

т, к Т-Т„ ^•Ч'.Н/м сг„„-Ю\Н/м [11 До- —■ 100% . ■<* ¡. я

273 0 751,0 756,4 5,4 0,7... „

293 20 722,9 726,9 4,0 0,5 ....

313 40 666,4 692,5 26,1 3,9

333 60 620,3 662,2 41,9 6,7

353 80 575,3 625,9 50,6 8,8

373 100 542,4 588,6 46,2 8,5

393 120 527,3 548,4 21,1 4,0

413 140 506,8 507,2 0,4 0,08

Таблица 4 - Определение коэффициента поверхностного натяжения по формуле: =

г, к Т-Т0 Ю4, Н/м ю4,Н/м [11 Дст —■ 100% а

433 160 J 468,7 466,0 2,7 0,6

453 180 413,1 422,8 9,7 2,3

473 200 368,3 376,7 8,4 2,3

793 220 336,4 331,6 4,8 1,4

Таблица 5 — Определение коэффициента поверхностного натяжения

по формуле: с, =

Чк

Г, К Г-Г, «г^.Ю'.Н/м Н/м [11 До- ¿1.100% а

513 240 J 278,4 285,5 7,1 2,5

533 260 219,7 237,4 17,7 7,5

553 280 169,2 191,3 22,1 11,6

573 300 125,4 144,2 18,8 13,0

593 320 97,6 98,1 0,5 0,5

613 340 52,3 56,7 4,4 7,8

633 360 21,6 20,21 1,4 6,9

Аналогичный анализ был проведен для этанола. В графической зави-

симости — = /(Т-Т„) имеет место скошенность <0. Однако, математи-П

ческий аппарат для установления взаимосвязи между сг и т] остается такой же, как для. воды.

В третьей главе нами сделана попытка получить математическую модель, которая бы позволяла рассчитать плотность жидкой фазы в интервале температур Т0<Т<Т■, где То - температура плавления, Г, - критическая температура.

Анализ плотности жидкой фазы как функции температуры приводит к следующему уравнению

Р= Ро

/ „ „ \0.I8 -

\Тк — Т0

(И)

Из рисунка 3 видно, что опытные и теоретические значения удовлетворительно согласуются во всем интервале существования жидкой фазы

1200 1000 800 600 400 200

»теоретические данные в опытные данные

50 100 150 200 250 300 350 100

Рисунок 3 - График зависимости р' = /(Тк - Т) для воды

Т. к. постоянная зависит от природы жидкости, то уравнение (11) примет вид; ;

р'=ра 1п

/ Тк-Т у я

(12)

Выражение (12) может использоваться для определения плотности воды и спиртов в области существования жидкой фазы, что и подтверждают данные таблицы 6.

Таблица 6 - Сравнение расчетных значений плотности для спиртов, вычисленных по формуле (12) с экспериментальными данными.

т.к т,-т, К р', ^м' этанол теория (121 р', кг/мг этанол опыт [4] Ар — ЮО1^ Р р', кг/м1 метанол теория (12) р',кгл«3 МСТШ10Л ОПЫТ [1] Ар — 100"/ Р />', И-/.М1 ацетон, теория (12) Р'. кг/м' •цетси опыт (4] ■ —100°/ I

273 374.15 806,00 806,00 810,00 810,00 813,00 813,00 ■' ■

293 354,15 785,89 789,00 3,11 0,40 795,88 792,00 3,88 0,49 787,50 791,00 3,5 0,44

313 334,15 765,15 772,00 6,85 0,90 781,22 774,00 7,22 0.93 761,39 768,00 6,61 0,87

333 3415 743,73 754,00 10,27 1,38 765,94 756,00 9.94 1,31 734,62 746,00 11,38 1,55

353 294,15 721,57 735,00 13,43 1,86 749,98 736,00 13,98 1,90 707,12 719,00 11,88 1.68

373 2Т4.15 698,57 716,00 17,43 2,50 733,24 714,00 ¡9,24 2.69 678,82 693,00 14,18 1,09

393 ¡54,15 674,65 693,00 18,35 2,72 700,69 649,65 665,00 15,35 2,33

Анализ уравнения Кальете - Матиаса, показал, что величину критической плотности жидких теплоносителей можно определить по формуле

г

Р, =СоРо (13)

где с„ - безразмерная константа, зависящая от природы жидкости. (0,335)

В таблице 7 показаны результаты расчета рк для воды и спиртов и их сопоставление с опытными данными.

Таблица 7 - Сопоставление расчетных и опытных значений для критической плотности с обобщенным значением сд

Вещество 1 Ро , кг/м3 1 Р, = «оРо , кг/м3 кг/м5 ^•100% Р. Ас. кг/м3

Вода 999,9 334,97 14.97 27.98 4,47 ■ 8,35 320,00 [5] 307,00 Г6]

Этанол 806 270,01 4,99 5,99 1,85, 2,22 .... 275,00 [5] 276,00 Г6].

Метанол 793 0,335 265,66 6,34 2,39 • 272,00 [6]'

Ацетон 790 264,65 8,35 3,35 3,16 1,27 273,00 [У 268,00 [61

Бензол 879 294,47 12,53 9,53 4,26 3,24 307,00 [5] 304,00 Г61

Пропанол 804 264,34 8,66 3,28 273,00 (61

Таблица 8 показывает, что расчетные и опытные значения согласуются Гораздо лучше, если константа найдена с учетом природы жидкости.

Зсщество pi, кг/м3 со Рк ~ ссРо >щ-/м') t±pK ,кг/м3 Р. Р„ кг/м3

Вода 999,9 0,320 319,97 0,03 12,97 0,009 4,05 320,00 [5] 307,00 [6]

Эганол 806 0,344 277,26 2,26 1,26 0,81 0,45 275,00 [5] 276,00 [6]

Метанол ' 793 272,74 0,74 0,27 272,00 [5,6]

Ацетон 790 277,76 А;76 9,76 0,017 3,51 273,00 [5] 268,00 [6]

Бензол ' 879 302,38 4,62 1,62 1,53 0,53 307,00 [5] 304,00 [6]

Пропадал 804 276,57 3,57 1,29 273,00 [6]

Для расчета плотности паровой фазы по формуле

(14)

былЬ предложено рассмотреть коэффициент пропорциональности х как Уг_

Р"

ловой коэффициент зависимости 1п^г=/(Г-Гх). При этом выделили два

температурных интервала (для воды) - 273 <Т < 373 и 373 <Т <Тк, с различными углами наклона прямых, в первом случае = 0,00483, и во втором случае ^ог = 0,0234.

Расчетные и опытные данные согласуются удовлетворительно.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости.

; ! ; 'Экспериментальная установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель представляла собой цилиндрический сосуд с залитой в него исследуемой жидкостью. Жидкость выходит из отливного отверстия и проходит по трубке, которая заканчивается капилляром с известным радиусом отверстия. Расход жидкости регулируется краном.

Подогрев осуществлялся с использованием трубчатой печи, напряжение в которой регулируется с помощью JIATPa. Температура жидкости в сосуде измеряется ртутным термометром. Температура оторвавшейся капли, которая попадает на шарик термопары, осуществляется с помощью термометра «CENTER - 300».

Расчет коэффициента поверхностного натяжения осуществлялся с помощью выражения: и и;.;

cVp'g

cr =—П51 IttNR U3J

В качестве исследуемых жидкостей использовались вода и этанол. В процессе исследования температура жидкой фазы повышалась для воды от Г = 296 до Т = 364 для этанола от Г = 297 до Г = 342. -

Измерения коэффициента поверхностного натяжения производились при установившемся температурном режиме.

Опытные значения коэффициента поверхностного натяжения показаны в таблице 9. Из указанной таблицы видно, что результаты расчета и опыта согласуются удовлетворительно. Таблица 10 иллюстрирует характер взаимодействия коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости для жидкой фазы по анализу результатов расчета и опыта. Таким образом, как показал анализ, проведенный выше, возможно определение коэффициента поверхностного натяжения по известному значению коэффициента вязкости и наоборот, определение коэффициента вязкости ' по известному значению коэффициента поверхностного натяжения. -¡. ,

Таблица 9 — Экспериментальные и теоретические значения коэффициента поверхностного натяжения для воды и этанола

№ п/п Жидкость Г, К , кг "V Км' R, м N cr-lO4-, H/m [114,122] : a _VP'&C0 2 гЛ'Л Д<т a

1. 296 997,5 4,5-10"* 0,22-Ю3 141 0,07096 0,07226

2. 299 996,7 4,5 10" 0,22-10"3 142 0,07181 0,07169

3. 305 995,0 4,5 10" 0,22-l0"J 143 0,07091 0,07107

4. 311 993,7 4,5-1 О*6 0.22101 145 0,06996 0,06999

5. 318 990,2 4,510® 0,22-Ш'3 147 0,06897 0,06880

б. Вода 323 988,1 4,5 10* 0,22-10"J 149 0,06769 0,06774 , 0,003 3,6

7. 330 984,7 4,5-10* 0,22-10"3 151 0,06666 0,06661

8. 337 981,0 4,5 Ю"6 0,22-10'J 153 0,06547 0,06549

9. 343 977,8 4,5-10"4 0,22-10"3 155 0,06435 0,06443 :

10. 351 973,0 4,5-10"* 0,22-10J 158 0,06294 0,06290

11. IX 356 969,9 4.5-10"* 0,22-10"J 160 0,06203 0,06192

364 964,6 4,5-10"* 0,22-10"5 163 0,06053 0,06045

13. 297 788,8 4,5 10"* 0,22-W"3 330 0,0224 0,0221

14. 305 778,9 4,5-10"® 0,2210"3 332 0,0217 0,0217

15. 311 773,6 ■ 4,5 10"4 0,22 • 10'J 336 0,0212 0,0213 v '

16. Этанол 317 768,2 4,5 10* 0,22-l0'J 344 0,0206 0,0207 0,001 4,1

14. 328 757,9 4,5-10^ 0,2210' 356 0,0197 0,0197

15. 337 749,3 4,5-10"* 0.22-10"3 367 0,0188 0,0189

16. 342 744,2 4,5-10"* 0,22-10'J 375 0,0184 0,0185

Таблица 10 — Характер взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом динамической вязкости для воды

№ пГп Жидкость Г, К Т-То,К Н/м ,= * -101 с+Ъар-Т,) (7-10',Па с [3,11 Д;7'10' М.юоо/о 1

1. 296 23 72,3 0,879 936,0 57,5 6,5

2. 299 26 '71,7 0,819 885,8 66,5 8,1

3. 305 32 71,1 0,725 773,4 48,2 6,6

4. 311 38 : 69,9 1 0,645 684,6 39,5 6,1 ■

5. 318 45 68,8 0,570 603,0 33,2 5,8

6. Вода 323 50 67,7 0,523 549,4 26,3 5,0

7. 330 57 66,6 0,470 494,3 24,4 5,2

8. 337 ; 64 65,5 0,425 444,8 19,5 4,6

9, 343 70 64,4 0,392 406,1 14,4 3,7

10. 351 78 62,9 0,352 365,3 12,9 3,7

11. 356 83 61,9 0,331 343,0 12,4 3,8

12. 364 91 60,4 0,300 311,7 11,3 3,8

9. 297 24 22,1 1,040 1,113 0,073 7,0

10. 305 32 21,7 0,912 0,952 0,040 4,4

и: 311 38 21,3 0,828 0,852 0,024 2,9

12. Этанол 317 44 : 20,7 0,749 0,767 0,018 2,4

13. 328 55 19,7 0,632 0,639 0,007 1,1

14. 337 64 18,9 0,555 0,553 0,002 0,4

15. 342 69 18,5 0,530 0,509 0,02 4,0

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Получена температурная зависимость плотности жидкой фазы (воды) на линии насыщения, которая с достаточной точностью согласуется с известными результатами.

2. Получена температурная зависимость плотности паровой фазы (воды) на линии насыщения, которая удовлетворительно согласуется с известными опытными данными.

3. Проведен анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения, полученной методом термодинамических циклов, и показано, что формула Этвеши, формула Френкеля - Губанова и формула, полученная методом термодинамических циклов, сводятся к одному и тому же результату.

4. В результате теоретического анализа, получена математическая модель описывающая динамический коэффициент вязкости на линии насыщения.

5. Проведен анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента динамической вязкости. Предложена математическая модель.

6. На основе анализа уравнения Кальете - Матиаса получена величина плотности жидкой фазы в критической точке.

Цитированная литература

1. Краснощекое, Е. Л. Задачник по теплопередаче / Е. А. Краснощекое, А. С. Сукомел. - М.: Энергия. 1980. - 288 с.

2. Физический практикум / Под ред. В. И. Ивероновой М. : Физматгиз, 1962.-95 с.

3. Вукалович, М. П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.-М.: Энергия. - 1963.-324 с.

4. Варгафтик, Н. Б. Справочник по геплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

5. Рабинович, В. А. Краткий химический справочник / В. А. Рабинович, 3. Я. Хавин. - Л.: Химия, 1979. - 392 с.

6. Справочник по элементарной физике / Н. И. Кошкин, М. Т. Ширкевич; под ред. Д. И. Сахарова. - М. : Физматгиз, 1960.-208 с.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Марков, И. И. О результатах экспериментального исследования характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения ^коэффициентом вязкости / И. И. Марков, Е. И. Хрынина, М. Н. Иванов, Е. И. Камени-ченко // Материалы X региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» - Ставрополь. - 2006. - Т. ¡.-С. 246-247

2. Марков, И. И. О величине коэффициента поверхностного натяжения, полученного методом термодинамических циклов / И. И. Марков, Е. И. Ка-мениченко, Е. И. Хрынина, М. Н. Иванов // Материалы XI региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» - Ставрополь. - 2007. - Т. 1. - С. 248-249

3. Марков, И. И. О влиянии температуры на плотность жидкой фазы / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Е. И. Хрынина, Г. Ю. Напольская // Материалы XI региональной конференции «Вузовская наука — СевероКавказскому региону» - Ставрополь. - 2007. - Т. 1. - С. 249-250

4. Марков, И. И. Анализ уравнения Кальете — Матиаса и его использование для определения величины критической плотности / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Е. И. Хрынина, М. Н. Иванов, Г. Ю. Напольская // Вестник Сев.-Кав. ГТУ. Ставрополь,-2007.-№3 (12).-С. 19-24

5. Марков, И. И. О характере температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкой фазы / И. И. Марков, Е. И. Хрынина, Е. И. Камениченко, М. Н. Иванов // ЖФХ, 2008. - Т. 82. - №6.

6. Марков, И. И. О влиянии температуры на вязкость жидкости / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Е. И. Хрынина, Л. Н. Смирнова // Материалы XII региональной научно - технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» — Ставрополь. - 2008. - Т. 1. - С. 272-273

7. Марков, И. И., О величине Критической температуры жидких теплоносителей / И. И. Марков, Е. И. Хрынина, Е. И. Камениченко // Вестник Сев,-Кав. ГТУ. - Ставрополь. - 2008. - №3 (16). - С. 55-57

8. Марков, И. И. Анализ изменения плотности жидкой фазы на линии насыщения / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Е. И. Хрынина, Г. Ю. Наполь-ская, Л. Н. Смирнова // Вестник. Сев. -Кав.ТТУ; - 2009: - №2 (19). - С. 4651 ... ■■■, :.■.•.■..

9. Марков, И. И. О взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Е. И. Хрынина // Материалы XIII региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» - Ставрополь. - 2009. - Т. 1. - С. 273274

10. Марков, И. И. О вязкости воды на линии насыщения / И. И. Марков, Е. И. Камениченко // Материалы XIII региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» - Ставрополь. - 2009. - Т. 1. - С. 271272

11. Марков, И. И. Анализ температурной зависимости паровой фазы / И. И. Марков, Е. И. Камениченко, Л. Н. Смирнова //Материалы XIII региональной конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» -

Ставрополь.-2009.-Т. 1.-С 281-283

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 21.10.2010 Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. - 1,2 Уч.-изд. л. - 1,0 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ №274 Тираж 120 экз. ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета Отпечатано в типографии СевКавГТУ

Введение.

ГЛАВА 1 Основные физические свойства жидкой фазы и их характеристика.

1.1 Фазы вещества и их характеристики.

1.2. Характерные особенности фазовых переходов на линии насыщения.

1.3 Основные физические свойства жидкой фазы на линии насыщения.

ГЛАВА 2 Теоретический анализ поверхностного натяжения и вязкости на линии насыщения.

2.1 Теоретический анализ величины поверхностного натяжения на линии насыщения.

2.2 Теоретический анализ величины коэффициента вязкости на линии насыщения.

2.3 Теоретический анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости на линии насыщения.

ГЛАВА 3 Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой и паровой фаз на линии насыщения.

3.1 Теоретический анализ характера изменения плотности жидкой фазы на линии насыщения.

3.2 Анализ уравнения Кальете - Матиаса и его использование для определения величины критической плотности.

3.3 Анализ температурной зависимости плотности паровой фазы.

Глава 4 Экспериментальное исследование температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости и взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости.

4.1 Описание экспериментальной установки для определения коэффициента поверхностного натяжение и коэффициента вязкости жидкости.

4.2 Анализ экспериментальных результатов коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости. Характер их взаимосвязи.

Актуальность проблемы

Ряд весьма важных особенностей процесса кипения, таких как, например, наиболее интенсивный процесс перенос тепла от нагретой твердой поверхности ,к соприкасающейся с ней кипящей жидкостью, быстрое удаление паровой фазы из жидкой системы, преимущественное содержание в паровой фазе пара более летучего вещества при кипении смесей, и ряд других особенностей позволили процесс кипения использовать в теплотехнике, в криогенной технике, ядерной энергетике, в металлурги, в технологических процессах химической, легкой и пищевой промышленности. О чем свидетельствуют многочисленные исследования отечественных ученых [1 - 20 и др.] и зарубежных ученых [21 -29 и др].

Поскольку в качестве теплоносителя широко используются жидкости самой различной природы, то глубокое понимание процесса кипения в целом, невозможно без глубокого изучения жидкой фазы и ее свойств, таких как плотность жидкости, вязкость, поверхностное натяжение, теплоемкость, теплота фазовых превращений и т.д.

Несмотря на обилие жидкостей, рекомендация для их внедрения в промышленность лимитируется в подавляющем случае отсутствием сведений о их физических свойствах [30]. Экспериментальное определение физических свойств веществ, в том числе и в жидком состоянии, требует больших 'затрат времени и материальных средств. Поэтому расчет физических свойств жидкой фазы, используемой в качестве теплоносителя в различных температурных режимах, имеет большое значение. А широкое использование жидкой фазы в теплоэнергетике, в криогенной технике, в химической и пищевой промышленности и других областях, требуют постоянных уточнений результатов ее физических и физико-химических свойств, что, естественно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой темы «Исследование физических свойств жидкой фазы на линии насыщения» изучению которой и посвящена данная диссертационная работа.

Диссертационная работа выполнена в Ставропольской государственной медицинской академии в 2006-2010 годах в соответствии с планом научно-исследовательских работ академии.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании физических свойств воды и спиртов, взаимосвязи поверхностного натяжения и вязкости жидкой фазы.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать характер изменения плотности жидкой фазы как функции температуры на линии насыщения.

2. Исследовать характер изменения плотности паровой фазы как функции температуры.

3. Исследовать величины критической плотности жидкой фазы.

4. Провести температурный анализ коэффициента поверхностного натяжения жидкой фазы в области ее существования.

5. Исследовать характер изменения коэффициента динамической вязкости жидкой фазы как функции температуры на линии насыщения.

6. Провести анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкой фазы на линии насыщения.

Научная новизна работы.

1. Проведен анализ характера изменения плотности жидкой фазы на всей линии насыщения и получено математическое выражение, позволяющая определять плотность жидкости в области существования жидкой фазы Т0<Т<ТН.

2. Проведены исследования характера изменения плотности паровой фазы на всей линии насыщения и предложено математическое выражение, позволяющее определять плотность паровой фазы.

3. Основываясь на правиле прямолинейного диаметра, разработан способ определения критической плотности жидкой фазы.

4. Впервые проведены исследования температурного коэффициента

1(У поверхностного натяжения ——, полученного методом термодинамических аТ циклов и показано, что как и выражения Этвеши и Френкеля - Губанова, сводятся к результату: сг = с(Тк - Т).

5. Исследован характера изменения вязкости жидкой фазы в интервале температур Т0 <Т <ТК и получено математическое выражение, позволяющее определять вязкость жидкой фазы в указанном интервале температур.

6. Впервые проведен анализ характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидкости на линии у насыщения и проанализирована динамика изменения отношения — как функции температуры.

Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Впервые получено математическое выражение, позволяющее определять плотность жидкой фазы на линии насыщения в области существования жидкой фазы (Г0 < Т < Тк).

2. Разработан метод расчета плотности паровой фазы на линии насыщения в интервале температур (Г0 <Т <ТК).

3. Основываясь на методе Кальете — Матиаса разработан способ ' определения критической плотности жидкой фазы.

4. Впервые аналитическим методом показано, что термический коэффициент поверхностного натяжения , полученный методом аТ термодинамических циклов, как и выражения Этвеши и Френкеля - Губанова, сводятся к результату <т = с{Тк - Т).

5. Проведен анализ динамики характера изменения вязкости жидкой фазы как функции температуры и получено математическое выражение, позволяющее определить вязкость жидкой фазы на линии насыщения в интервале температур Т0 <Т <ТК. 7

6. Выяснена динамика изменения отношения — как функции 1 температуры и выяснен характер взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости жидких фаз.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Математическая модель, позволяющая оценить плотность жидкой фазы на линии насыщения.

2. Математическая модель, позволяющая оценить плотность пара на линии насыщения.

3. Расчет критической плотности пара методом Кальете-Матиаса.

4. Математическая модель для расчета коэффициента поверхностного натяжения методом термодинамических циклов.

5. Метод расчета коэффициента вязкости жидкости.

6. Обоснование характера взаимодействие коэффициента поверхностного натяжения и вязкости жидкой фазы на линии насыщения и характера изменения расхода жидкости.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2006-2009гг.), на кафедре теплотехнике Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь — 2006-2009гг.), на X, XI и XII региональных конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (г. Ставрополь, 2006-2009гг.). На 6-й и 5-й Международных конференциях «Циклы» (г. Ставрополь, 2007, 2008).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения.

Выводы

1. Получена математическая модель характера изменения плотности жидкой фазы на линии насыщения (для воды).

Р' = Ро 1п

Т -Т

К1к 1 о у

2. Получена математическая модель характера изменения плотности пара на линии насыщения (для воды).

3. С использованием уравнения Кальете - Матиаса, получена величина критической плотности жидкой фазы для критической точки.

Рк = соРо

4. Впервые проведен анализ математического выражения коэффициента поверхностного натяжения методом циклов и показано, что данный результат сводится к уравнению ст = с(Т-Тк).

5. В результате анализа состояния жидкой фазы показано, что ее коэффициент динамической вязкости на линии насыщения определяется выражением: с0-кр-Т0)]/Ыу

77 = 770е

7. Анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом динамической вязкости на линии насыщения определяется выражением:

Ъ = Щ tga(T-TQ)

Заключение

В диссертационной работе в результате выполненного теоретического и экспериментального исследования физических свойств жидкой фазы на линии насыщения.

1. Получена температурная зависимость жидкой фазы (воды) на линии насыщения, которая с достаточной точностью согласуется с известными результатами.

2. Получена температурная зависимость паровой фазы (воды) на линии насыщения, которая удовлетворительно согласуется с известными опытными данными.

3. Проведен анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения, полученной методом термодинамических циклов, и показано, что формула Этвеши, формула Френкеля - Губанова и формула, полученная методом термодинамических циклов, сводятся к одному и тому же результату.

4. Проведен температурный анализ коэффициента динамической вязкости на линии насыщения.

5. Проведен анализ взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента динамической вязкости.

6. На основе анализа уравнения Кальете — Матиаса получена величина плотности жидкой фазы для критической точки.

1. Куттателадзе, С. С. Теплопередача при конденсации и кипении. М.-Л. : Машгиз, 1952. - 232 с.

2. Субботин, В. И. Теплообмен при кипении металлов в условиях естественной конвекции / В. И. Субботин, Д. Н. Сорокин, Д. М. Овечкин, А. П. Кудрявцев. М. : Наука, 1969. - 207 с.

3. Кутателадзе, С. С. Основы теории теплообмена. — Новосибирск: Наука, 1970. 659 с.

4. Капаев, А. А. Неводяные пары в энергомашиностроении / А. А. Капаев, И. 3. Копи. Л.: Машиностроение, 1973. - 360 с.

5. Несис, Е. И. Кипение жидкостей. М.: Наука, 1973. - 488 с.

6. Фастовский, Е. Г. Криогенная техника / Е. Г. Фастовский, Ю. В. Петровский, А. Е. Ровекнский. М. : Энергия, 1974. - 496 с.

7. Исаченко, В.П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М. : Энергия, 1975. - 488 с.

8. Лыков, А. В. Теплообмен: Справочник. М. : Энергия, 1978. - 48 с.

9. Болгарский, А. В. Термодинамика и теплопередача / А. В. Болгарский, Т. А. Мухачев, В. К. Щукин. М. : Высшая школа, 1975. — 495 с.

10. Скрипов, В. П. Метастабильная жидкость. М. : Наука, 1972. - 311 с.

11. Петухов, Б.С. Теплообмен в ядерных энергетических установках / Б. С. Петухов, Л. Г. Генин, С. А. Ковалев. М.: Атомиздат, 1974. - 408 с.

12. Кутепов, А. М. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании / А. М. Кутепов, Л. С. Стерман, Н. Г. Стюшин. М. : Высшая школа, 1977. - 352 с.

13. Григорьев, В. А. Кипение криогенных жидкостей / В. А. Григорьев, Ю. М. Павлов, Е. В. Аметистов. — М.: Энергия, 1927. — 344 с.