Исследование основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Хрыннна Елена Игоревна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ И КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ

01.04.14 — Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ставрополь — 2006

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

Дроздова Виктория Игоревна

доктор физико-математических наук, доцент Падалка Виталий Васильевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Курский государственный технический университет»

Защита состоится 28 сентября 2006 года в 14 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 10 августа 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, доцент

Наац В.И.

Актуальность проблемы. Весьма большое многообразие температурных режимов, при которых осуществляются различные технологические процессы, всегда вызывали большой интерес исследователей для практического использования жидких теплоносителей различной природы. Практическое применение требует знания различных теплофизических параметров и свойств, а особенно характер их изменения с температурой. К таким параметрам относятся, прежде всего, плотность жидкой и паровой фаз, коэффициент поверхностного натяжения, динамический коэффициент вязкости, теплота испарения и другие. Расчет этих параметров имеет существенное значение для ряда инженерных дисциплин, теплофизики, теплоэнергетики и некоторых других наук.

В настоящее время имеется достаточно большой объем информации по всем теплофизическим параметрам, однако остается недостаточно выясненным вопрос о плотности жидких теплоносителей и их насыщенных паров как функции температуры в области их существования. Недостаточно исследована температурная зависимость коэффициента поверхностного натяжения в области существования жидкой фазы. Отсутствуют сведения о взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидких теплоносителей. Остается недостаточно изученным правило прямолинейного диаметра Кальете-Матиаса при определении величины критической плотности. Несомненно, представляет интерес околокритическая область, которая остается трудной для описания с помощью уравнения состояния.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию некоторых из указанных выше аспектов.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании основных физических свойств и критических параметров жидких теплоносителей (преимущественно воды) как функции температуры и в определении характера их взаимосвязи.

Исследование указанной проблемы было связано с решением следующих задач:

1. Исследование характера изменения плотности жидкости в области ее существования.

2. Анализ температурной зависимости плотности пара в области существования жидкого теплоносителя.

3. Анализ коэффициента поверхностного натяжения жидких теплоносителей как функции температуры.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидких теплоносителей..

5. Определение критических параметров жидких теплоносителей: плотности, температуры и давления.

Научная новизна

1. Проведен анализ плотности жидкого теплоносителя в области его существования и предложена математическая модель, позволяющая оценить его плотность.

2. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность паровой фазы в области существования теплоносителя.

3. Впервые выделены три области, в которых коэффициент пропорциональности х' в функциональной зависимости = /(т-Т0),

Р

являющийся индикатором силы молекулярного взаимодействия, остается величиной постоянной.

4. Проведен температурный анализ коэффициента — и предложены

¡]Т

математические модели, позволяющие оценить коэффициент поверхностного натяжения.

5. Впервые получена математическая модель взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости.

6. Предложены и обоснованы методы оценки критических параметров жидких теплоносителей: плотности, температуры, давления.

Научная н практическая значимость работы

1. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность жидкого теплоносителя в области его существования.

2. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность пара в области существования жидкого теплоносителя.

3. Выделено три области, в которых коэффициент пропорциональности х' в функциональной зависимости = /(7'-Г0), являющий-

Р

ся индикатором силы молекулярного взаимодействия, остается практически постоянным.

4. В результате анализа температурного коэффициента поверхностного натяжения получена математическая модель, позволяющая оценить коэффициент поверхностного натяжения для воды и спиртов.

5. Предложена и обоснована математическая модель, указывающая на взаимосвязь коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости.

6. Предложены и обоснованы методы расчета критической плотности, критической температуры и критического давления.

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 плотности жидкости как функции температуры.

2. Математическая модель плотности пара как функции температуры.

3. Обоснование трех областей в жидком теплоносителе, в которых .коэффициент пропорциональности в функциональной зависимости 1п-^у = /(г~г0), являющийся индикатором силы молекуляр-

Р'

ного взаимодействия, остается величиной постоянной.

4. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

5. Математическая модель взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости.

6. Методы расчета критических параметров: плотности, температуры, давления.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается их удовлетворительным согласованием с известными теоретическими положениями и экспериментальными результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2003 — 2006 г.г.), на кафедре теплотехники Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь 2004 — 2006 г.г.), на VI, VII и VIII региональных конференциях «Вузовская наука — СевероКавказскому региону» (г. Ставрополь 2003 - 2006 г.г.). На 4-й и 5-й Международных конференциях «Циклы» (г. Ставрополь 20Ó5, 2006).

Публикации: основные результаты диссертационной работы опубликованы:

- в материалах VI, VII, VIII научно-практических конференций «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону»;

- в материалах четвертой и пятой Международной конференции «Циклы»; * .1

- в Вестнике Северо-Кавказского государственного технического университета;

- в сборнике научных трудов. Серия «Физико-химическая», серия «Естественнонаучная». МО РФ СКГТУ, СКОАТН РФ.

Структура ч объем работы

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

Диссертация содержит 119 - страниц машинописного текста, 21 рисунок, 12 таблиц и библиографический список из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе диссертационной работы проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованиям основных те-плофизических свойств и критических параметров жидких теплоносителей. По результатам выполненного литературного обзора, обоснована необходимость теоретического и экспериментального изучения теплофизических параметров жидких теплоносителей, их температурной зависимости, и определения характера их взаимосвязи.

Вторая глава диссертации посвящена анализу температурной зависимости плотности жидких теплоносителей и их насыщенных паров. В результате теоретического анализа получено выражение для определения плотности жидкости в области ее существования (Т0 <Т <ТК):

где р[. — плотность жидкости при температуре кипения, Тх — температура кипения, х' — коэффициент пропорциональности.

Коэффициент пропорциональности х'> в формуле (1), определенный методом наименьших квадратов, рассчитывался с использованием следующего выражения:

, In р'„ - In р' = Уп— ■ (2)

Полученные теоретические значения плотности жидкости (воды), показанные на графической зависимости р' = /(т), как это видно из рис. 1, в достаточно широком интервале температур, удовлетворительно согласуются с опытными данными [1].

Однако при температуре Т > 550 К расхождение опытных и расчетных данных резко возрастает по мере приближения температуры к критической,

что свидетельствует оо изменении в структуре жидкости в указанном диапазоне температурь!.

1100 „ 1000 •! 900

5- 800 | 700

| 600 2 500 Е 400

I 300 I 200 100

г г

XI

450 550

Температура, К

• теория -

-эксперимент ¡1]

Рисунок I — Зависимость плотности воды р' от температуры

Для анализа характера изменения плотности жидкости было использовано выражение:

Р

(3)

из которого видно, что коэффициент пропорциональности х' представляет собой угловой коэффициент, т.е.

X =%<* =

1п р'„ - 1п р' _ 1п р'а - 1п р'

Т-Т„

ДГ

(4)

Графический анализ зависимости \пЩ- = х'{Т-Т„), как видно из рис. 2,

Р

показывает, что условно в указанной графической зависимости можно выделить три области с различными значениями коэффициента пропорциональности х'. в каждой из которых он является своеобразным индикатором силы молекулярного взаимодействия.

Первая область — область недогретой жидкости, в которой жидкость сохраняет в большей степени свойства твердого тела и в которой силы межмолекулярного взаимодействия еще достаточно велики, поэтому коэффициент пропорциональности х' > характеризующий убыль плотности жидкой фазы с увеличением температуры имеет наименьшее значение.

Вторая область — область перегретой жидкости, в которой в результате температурного воздействия ослаблены силы молекулярного взаимодействия и показателем ослабления взаимодействия является коэффициент пропорциональности х' > о чем свидетельствует его возросшее численное значение. Вторую область можно назвать областью наиболее устойчивого состояния жидкой фазы, в которой жидкость ушла от состояния присущего твердой фазе и еще не дошла до состояния присущего паровой фазе.

Третья область - область предкритического и критического состояния, в которой в результате температурного воздействия происходит нарушение ближнего порядка. Жидкая фаза в этой области все в большей степени походит на газ, по мере приближения температуры к критической. Об этом свидетельствует скачок коэффициента принимающего наибольшее значение в жидкой фазе.

Считая, что процесс парообразования происходит в закрытом сосуде на линии насыщения, и при любых значениях температуры имеет место динамическое равновесие между процессом испарения и процессом конденсации, аналогично было получено выражение, позволяющее оценить плотность пара как функцию температуры:

п" - г," ^х'Чт-П)

Р - Рве , (5)

где р" — плотность паровой фазы при температуре кипения, х" - коэффициент пропорциональности.

Представим выражение (5) в виде зависимости:

Ш 4 =

(6)

из которой следует, что коэффициент пропорциональности х" является угловым коэффициентом, т.е.

X = '£« =

1п р"-\пр'[ \пр"-\пр1

Т-Т,

Д Т

(7)

I область х = 0,048 П область х ' =0,021 Шобласть X' =0,022

' Область недогретой жидкости

Область перегретом жидкости 7' > 7"

лрокритыческая и кртл1чсскал область

Рисунок 3 — График зависимости [п-^- = /(Т - Т..)

Р*

Численные значения х . соответствующие паровой фазе воды, обращают внимание на то, что в паровой фазе сохраняется скачок х" в сторону уменьшения указанного параметра, при переходе из области недогретой жидкости в область перегретой жидкости, т.е. в момент, когда преодолеваются наиболее существенные силы межмолекулярного взаимодействия в жидкой фазе, что не может не сказаться на состоянии паровой фазы. Более интенсивное испарение жидкой фазы начинает более существенно сказываться на увеличении плотности паровой фазы. Однако динамическое равновесие требует с увеличением х' уменьшение х", что и имеет место при переходе из области недогретой жидкости в область перегретой жидкости.

Когда система достигает состояния перехода из области перегретой жидкости к области предкритического и критического состояния, то к этому моменту паровая фаза уже играет практически эквивалентную роль с жидкой фазой в начале этого перехода, а затем превалирующую роль, поэтому в указанной области не происходит скачков в численном значении величины х" ■

Графическая зависимость плотности жидкой и паровой фаз воды, рассчитанных по уравнениям (1) и (5) с использованием соответствующих значений коэффициентов пропорциональности х' и х" приведена на рис. 4.

Из рисунка 4 видно, что экспериментальные [1] и теоретические данные согласуются удовлетворительно.

Для определения плотности жидкой и паровой фаз различных теплоносителей можно использовать следующие выражения:

Г-Ч (9)

где х' = 1'х'о, Х" = НХо , /.I - молярная масса.

-200 .....................10й.........

- р ,. кг/м'

- р „ кг/м1| I ]

- р _ кг/м '[1 ]

- р кг/.м5

Рисунок 4 - Графическая зависимость р' и р" от температуры

Третья глава диссертационной работы посвящена теоретическому и экспериментальному анализу температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения и его взаимосвязи с динамическим коэффициентом вязкости жидкости.

Проведен теоретический анализ уравнения Этвеши и уравнения Френкеля-Губанова, в результате которого показано, что температурный коэффи-Ы<т

циент практически во всем температурном интервале существования

жидкой фазы остается постоянной величиной и лишь в близи критической температуры имеет место резкое его снижение. На основании этого положения показано, что определение коэффициента поверхностного натяжения по уравнению Френкеля-Губанова сводится к определению его по уравнению Этвеши.

В результате анализа температурного коэффициента поверхностного натяжения в уравнении:

(1сУ г

где г - теплота испарения с едпннцы поверхности, показано, что практически во всем температурном интервале, коэффициент остается величиной

аТ

постоянной.

Определение коэффициента поверхностного натяжения воды и спиртов в указанных случаях сводится к определению его по уравнению:

где Тк - критическая температура жидкости, /; — молярная масса, С„=СОП51.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ значений коэффициента поверхностного натяжения, рассчитанных по формуле (11) с экспериментальными данными других авторов.

Таблица 1 - Сравнение значений коэффициента поверхностного натяжения для воды и спиртов, вычисленных по формуле (11) с экспериментальными данными

ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ Коэффициент поверхностного натяжения а, Н/м

Т = 293 К Т = 333 1С Т = 353 К Т= 373 К

Вода СГ,Н/м(11) 0,070 0,061 0,060 0,053

ОПЫТ <т, Н/м 0,073 [1] 0,066 [1] 0,063 [1] 0,059 [1]

. Метанол <т, Н/м (11) 0,024 0,020 0,017 0,015

ОПЫТ (7 , Н/м 0,023 [2] - 0,017 [2] 0,015 [2]

Этанол с, Н/м (11) 0,020 0,014 0,013 0,011

ОПЫТ ст, Н/м 0,022 [2] 0,018 [2] 0,016 [2] 0,010 [2]

Пропанол сг, Н/м (11) 0,015 0,012 0,011 0,010

ОПЫТ <Т, Н/м 0,024 [2] - - -

Бутанол сг, Н/м (11) 0,013 0,011 0,010 0,009

опыт сг, Н/м 0,017 [2] - - 0,009 [2]

Из таблицы 1 видно, что значения коэффициента поверхностного натяжения, рассчитанные по формуле (11) и экспериментальные данные [1, 2] согласуются удовлетворительно.

В результате теоретического анализа уравнения, полученного методом циклов, показано, что температурный коэффициент поверхностного натяжения является величиной постоянной в достаточно широком температурном интервале.

Предложено математическое выражение, позволяющее определить коэффициент поверхностного натяжения жидких теплоносителей как функции температуры:

а = + (12)

где р — размерная константа, имеющая размерность [кг/м2], Л„ - полная теплота парообразования,

Я", — коэффициент пропорциональности, определяемый из функциональной зависимости Л = /{т).

В результате теоретического анализа, проведенного на основе уравнения Пуазейля, получена математическая модель, отражающая взаимосвязь коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости:

(13)

где г] — динамический коэффициент вязкости, д — расход жидкости, А —постоянная прибора.

Уравнение (13) позволяет по известному значению динамического коэффициента вязкости и расходу жидкости определить значение коэффициента поверхностного натяжения.

Экспериментальное исследование взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости проводилось при нормальном атмосферном давлении с использованием капиллярного вискозиметра Оствальда.

Для исследования температурной зависимости вискозиметр помещался в цилиндрический сосуд, в котором поддерживалась определенная температура с помощью ультратермостата. В качестве исследуемых жидкостей были выбраны дистиллированная вода, этанол и ацетон. Определялся расход ис-

следуемой жидкости при данной температуре, а затем вычислялся коэффициент поверхностного натяжения по выражению (13).

Полученные численные значения коэффициента поверхностного натяжения в сравнении с экспериментальными данными других исследователей приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, полученные экспериментальные значения коэффициента поверхностного натяжения удовлетворительно согласуются с опытными данными других авторов [1, 2, 3].

Таблица 2 — Результаты опытных и расчетных значений а как функции г] в пределах температур (0 < Т < 7^).

Диет, вода Этанол Ацетон

Лег

и "с а, Н/м опыт гп А л f«- 0 Н/м о, Н/м опыт m Н/м а, Н/м опыт Г31 А г> /Л-о Н/м — ■100% <т

20 27 0,0726 0,0716 0,0747 0,0721 0,0228 0,0221 0,0223 0,0217 0,0237 0,0228 0,0231 0,0224

30 50 70 80 0,0712 0,0677 0,0644 0,0626 0,0701 0,0653 0,0628 0,0620 0,0211 0,0193 0,0175 0,0166 0,0206 0,0189 0,0169 0,0225 0,0212 0,0220 0,0202 0,001 4,5

На основе уравнения (13) было получено эмпирическое выражение: "1,404 0,0264,

ег =

■1,

(14)

позволяющее оценить коэффициент поверхностного натяжения жидких теплоносителей в интервале температур (о "С ^ Т < 150 °с).

Численные значения коэффициента поверхностного натяжения воды как функции Г и ц приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, в интервале температур 0°С < / < 150°С, значения коэффициента поверхностного натяжения воды, рассчитанные по выражению (14) удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, представленными в работе [1].

Таблица 3 - Результаты опытных и расчетных значений <т = /{Г,п) при различных температурах

№ Т,° С Г 1.404 0.0264, Л С7= -+-(Т-Т1}) ■//, д м } Н/м <7, Н/м опыт [1] До, Н/м ^■100% сг

1 20 0,07095 0,07259 0,0025 3,48

2 50 0,06296 0,06769

3 70 0,05849 0,06435

4 90 0,05459 0,06072

5 100 0,05312 0,05886

6 110 0,05250 0,05690

7 120 0,05160 0,05484

8 130 0,05054 0,05288

9 140 0,04871 0,04886

10 150 0,04961 0,05072

В четвертой главе диссертации проведено исследование основных критических параметров жидких теплоносителей: плотности, температуры и давления.

Основываясь на методе Кальете-Матиаса (правило прямолинейного диаметра), получена математическая модель, позволяющая определить величину критической плотности жидких теплоносителей:

рк=^-9,56-Ю''(Тк-Т0)1 (15)

где Ро — плотность жидкости при температуре Т = Т0,

9,56 -1СГ4 — размерная константа, имеющая размерность [|/А'].

Как видно из таблицы 4, полученные теоретические значения и экспериментальные данные [3] согласуются удовлетворительно.

Таблица 4 — Сравнение теоретических и экспериментальных значений критической плотности различных жидкостей__ .

Теплоноситель рк, кг/м3 опыт рк, кг/м3, рассчитанная Ар р

[3] по формуле (15)

Вода 320 321,13 1,13 0,3

Этанол 275 265,47 10,03 3,8

Метанол 272 274,31 2,31 0,8

Ацетон 273 266,60 6,40 2,4

Бензол 307 324,05 17,00 5,2

Пропанол 273 263,38 9,62 3,6

На основе анализа плотности жидкой и паровой фаз, проведенного во второй главе диссертационной работы, и используя положение о равенстве плотности жидкости и плотности пара в критической точке, предложена математическая модель, позволяющая определить критическую температуру жидких теплоносителей:

где Тх - температура кипения жидкого теплоносителя, Хь — постоянная величина.

Значения критической температуры различных жидкостей, рассчитанные по уравнению (16), и экспериментальные данные авторов работы [3], приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Сравнение теоретических и опытных значений критической температуры для различных жидкостей

№ п/п Жидкость Ts, К -4 Т к = + , К МХо опыт Г,, К [3] А Тк, К \т Р =---100% Т,

1. Вода 373,00 647,24 647,3

2. Метанол 337,51 512,28 512,4 7,073 1,1

j. Этанол 351,39 514,76 516,1

4. Пропанол 370,20 536,61 536,7

Сравнительный анализ показывает, что полученные значения критической температуры и экспериментальные данные согласуются удовлетворительно.

В результате анализа уравнения Майера-Боголюбова, было получено выражение, позволяющее определить величину критического давления жидких теплоносителей:

Р^С** 2 М

1-9,5610"

1п

P's

РХо

In

PL рИ

PXo

+ TS

где С = const,

R — универсальная газовая постоянная.

(17)

Таблица 6 - сравнительный анализ значений критического давления различных жидкостей

№ п/п Жидкость Опыт рк, Па Теория рк, Па (17) Др^Ю5 Р = -^100% Рк

1 2 3 4 5 Вода Метанол Этанол Пропанол Бутанол 220,53 105[1] 79,54 105 [2] 63,80 105 [2] 51,00 -10! [2] ,80-10' [2] 221,5-105 84,32 105 52,14-10* 45-,23-Ю5 38,25-105 0,97 4,78 11,66 5,77 8,55 0,4 5,6 18,3 11,3 18,3

Из таблицы 6 видно, что результаты расчета величины критического давления, проведенного по выражению (17), в сравнении с опытными данными различных авторов, показывают, что теоретические и экспериментальные данные согласуются удовлетворительно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ температурной зависимости плотности жидких теплоносителей в области существования жидкой фазы и предложена математическая модель для оценки плотности жидкой фазы.

2. Проведен анализ плотности паровой фазы в области существования жидкой фазы и предложена математическая модель для оценки плотности пара.

3. В результате анализа температурной зависимости плотности жидкой и паровой фаз в интервале существования жидкости выявлены три области, в которых коэффициент пропорциональности, являющийся индикатором силы молекулярного взаимодействия, остается величиной постоянной.

4. Получены математические выражения, позволяющие определять коэффициент поверхностного натяжения воды и спиртов как функции температуры.

5. Предложена математическая модель, определяющая взаимосвязь коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкостей.

6. Основываясь на уравнении Кальете-Матиаса, получено математическое выражение для определения величины критической плотности жидких теплоносителей.

7. Предложены математические модели, позволяющие определять критическую температуру и критическое давление жидких теплоносителей.

Цитированная литература

1. Краснощекое Е.А., Сукомел A.C. Задачник по теплопередаче. М.: Энергия, 1980.-288 с.

2. Бачинский А.И. О формулах поверхностного натяже-ния//Известия физического института. Под редакцией П.П. Лазарева. М.: Государственное издательство. - 1922. - Т.2. - С.60-79.

3. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Изд-во Химия, 1978. - 329 с.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения/Марков, Хрынина Е.И., Хащенко A.A., Батурин М.В.//Циклы. Материалы V Международной конференции. - Т.2. -Ставрополь. - 2003. - С. 136-139.

2. Марков И.И., Хрынина Е.И., Хащенко A.A. О характере изменения плотности пара//Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». - МО РФ, СКГТУ. - Ставрополь. - 2003 - Т. 1. - С. 133.

3. Марков И.И., Хрынина Е.И. О величине поверхностного натяже-ния//Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». - МО РФ. СКГТУ. -Т. 1.-Ставрополь. - 2003.-С. 131 -132.

4. Марков И.И., Хрынина Е.И. О температурной зависимости плотности жидкости//Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». — МО РФ. СКГТУ. - 2003. - Ставрополь. - Т.1, С. 132.

5. Марков И.И., Хрынина Е.И. Плотность теплоносителя как функция температуры//Вестник Сев.-Кав.ГТУ. Серия физико-химическая. -№1(8). - 2004. - Ставрополь. - С. 78-79.

6. Марков И.И., Хрынина Е.И. О взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости//Вестник. Сев.-КавГТУ - МО РФ, СКГТУ. АТН РФ. - №1 (8). - 2004. С.80-82.

7. Марков И.И., Хрынина Е.И. Определение критической плотности жидкости с помощью уравнения Кальете-Матиаса//Циклы природы и общества. Материалы VIII научно-практической конференции. - Ставрополь: НОУ ВПО институт им. В.Д. Чурсина. - 2005. - С. 60-61.

8. Марков И.И., Хрынина Е.И. Расчет критической плотности жидких теплоносителей с использованием правила прямолинейного днамет-ра//Материалы VIII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». - МО РФ. СКГТУ. -Т. 1.-Ставрополь. - 2005.-С. 131 -132.

9. Марков И.И., Хрынина Е.И., Иванов М.Н. О характере изменения плотности жидкой и паровой фаз при различных температурных режи-мах//Сборник научных трудов Сев.-КавГТУ. Серия естественнонаучная. Ставрополь, 2006, №2, С. 13-16.

10. Марков И.И., Хрынина Е.И., Иванов М.Н. О величине критической плотности жидких теплоносителей//Вестник Сев.-Кав.ГТУ — №2(6) Ставрополь. - 2006 - С.23-25.

Сдано внабор 26.06.2006 гш. Подписало в печать 27.06.2006 г. Формат 60х80'Лб Бумага тнпогр. № 1. Печать офсетная. Усл. печ. л.1,5. Уч.-изд. 1,4 Отпечатано в типографии «ОрфеП-2» 27.06.2006 г.

Введение.

ГЛАВА 1 Температурная характеристика основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей.

1.1 Теплофизическая характеристика некоторых основных свойств жидких теплоносителей.

1.2 Термодинамические свойства теплоносителей на линии фазовых переходов.

1.3 Свойства веществ в области критической точки.

ГЛАВА 2 Теоретический анализ температурной зависимости плотности жидких теплоносителей и их насыщенных паров.

2.1 Теоретический анализ температурной зависимости плотности жидких теплоносителей.

2.2 Теоретический анализ плотности насыщенных паров жидких теплоносителей.

2.3 Коэффициент пропорциональности % в температурной зависимости плотности теплоносителя как индикатор силы межмолекулярного взаимодействия.

ГЛАВА 3 Теоретический и экспериментальный анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидких теплоносителей и его взаимосвязь с вязкостью.

3.1 Теоретический анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидких теплоносителей.

3.2 О характере взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидких теплоносителей.

3.3 Экспериментальная проверка взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом вязкости теплоносителей.

ГЛАВА 4 Исследование критических параметров жидких теплоносителей.

4.1 Определение критической плотности жидких теплоносителей методом Кальете-Матиаса.

4.2 Определение критической температуры жидких теплоносителей с использованием их основных свойств.

4.3 Определение величины критического давления.

Актуальность проблемы.

Известно [1], что проблема жидкого состояния вещества относится к числу наиболее сложных проблем молекулярной физики и теплофизики. Сложность обусловлена противоречивым, двойственным характером природы жидкостей, сочетанием качеств, присущих газам и твердым кристаллическим телам. Опыт показывает, что свойства жидкости весьма близки к свойствам твердых тел при температуре близкой к температуре плавления, и весьма близки к свойствам газов при температуре близкой к критической [1 - 5].

Другой важной особенностью жидкости является наличие в ней «ближнего порядка», который определяет ту сферу около данной частицы жидкости, в пределах которой соседние молекулы оказывают на нее заметное влияние. И если твердые тела в состоянии равновесия имеют кристаллическую структуру, которая характеризуется строгой периодичностью в расположении частиц, т.е. наличием так называемого «дальнего порядка», то в жидкостях этот «дальний порядок» отсутствует. Жидкость характеризуется наличием свободного объема, представляющего собой совокупность микрополостей, так называемых «дырок» [6]. С повышением температуры жидкости число «дырок» в ней возрастает и как следствие этого уменьшается координационное число, что в свою очередь приводит к изменению основных параметров жидкости, - плотности, коэффициента поверхностного натяжения, вязкости, теплопроводности и других ее параметров.

Как показывает анализ [2], критическая температура Тк вещества теснейшим образом связана со структурой молекулярного поля внутри жидкости, отсюда следует, что и все физические параметры жидкости (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения, плотность, теплопроводность, теплота испарения и другие свойства), являются так же функциями температуры.

Широкое использование жидкостей различной природы в химической, пищевой, криогенной и ракетной технике, в теплоэнергетике и других областях, требует постоянного уточнения их физико-химических параметров, что свидетельствует об актуальности темы «Исследование основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей». Исследованию указанной проблемы посвящается данная диссертационная работа.

Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании физических свойств и критических параметров жидких теплоносителей (преимущественно воды) как функции температуры и в определении характера их взаимосвязи.

Исследование указанной проблемы было связано с решением следующих задач:

1. Исследование характера изменения плотности жидкости в области ее существования.

2. Анализ температурной зависимости плотности пара в области существования жидкого теплоносителя.

3. Анализ коэффициента поверхностного натяжения жидких теплоносителей как функции температуры.

4. Теоретическое и экспериментальное исследование характера взаимосвязи поверхностного натяжения и вязкости жидких теплоносителей.

5. Определение критических параметров жидких теплоносителей: плотности, температуры и давления.

Научная новизна работы

1. Проведен анализ плотности жидкого теплоносителя в области его существования и предложена математическая модель, позволяющая оценить его плотность.

2. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность паровой фазы в области существования теплоносителя.

3. Впервые выделены три области, в которых коэффициент пропорцио нальности х' в функциональной зависимости = /(г-Т0), явР ляющийся индикатором силы молекулярного взаимодействия, остается величиной постоянной.

4. Проведен температурный анализ коэффициента — и предложены с1Т математические модели, позволяющие оценить коэффициент поверхностного натяжения.

5. Впервые получена математическая модель взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости.

6. Предложены и обоснованы методы оценки критических параметров жидких теплоносителей: плотности, температуры, давления.

Научная и практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность жидкого теплоносителя в области его существования.

2. Предложена и обоснована математическая модель, позволяющая оценить плотность пара в области существования жидкого теплоносителя.

3. Выделено три области, в которых коэффициент пропорциональности х' в функциональной зависимости = /{Т-Т0), являющийся инР дикатором силы молекулярного взаимодействия, остается постоянным.

4. В результате анализа температурного коэффициента —— получена аТ математическая модель, позволяющая оценить коэффициент поверхностного натяжения для воды и спиртов.

5. Предложена и обоснована математическая модель, указывающая на взаимосвязь коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента вязкости жидкости.

6. Предложены и обоснованы методы расчета критической плотности, критической температуры и критического давления.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Математическая модель плотности жидкости как функции температуры.

2. Математическая модель плотности пара как функции температуры.

3. Обоснование существования трех областей в жидком теплоносителе, в которых коэффициент пропорциональности х' в функциональ ной зависимости = /(Г-Г0), являющийся индикатором силы моР лекулярного взаимодействия остается величиной постоянной.

4. Методы расчета коэффициента поверхностного натяжения.

5. Математическая модель взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости.

6. Методы расчета критических параметров: плотности, температуры, давления.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре физики Ставропольской государственной медицинской академии (2003 - 2006 г.г.), на кафедре теплотехники Северо-Кавказского государственного технического университета (г. Ставрополь 2003 - 2006 г.г.), на VI, VII и VIII региональных конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону)^ (г. Ставрополь 2003 - 2006 г.г.). На 4-й и 5-й Международных конференциях «Циклы» (г. Ставрополь 2005,2006).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ. Структура и объем работы

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

100 Выводы

Основные результат работы сводятся к следующему:

1. Проведен температурный анализ плотности жидкого теплоносителя в области существования жидкой фазы и предложена математическая модель для оценки плотности жидкой фазы: р' =р<-е~х^т-т*)

2. Проведен температурный анализ плотности паровой фазы в области существования жидкой фазы и предложена математическая модель для оценки плотности пара: р" =р1^еМт~т*)

3. В результате анализа температурной зависимости плотности жидкой и паровой фаз в интервале существования жидкости выявлены три области, в которых коэффициент пропорциональности ■> являющийся индикатором силы молекулярного взаимодействия в функциональной зависимости р!

1п -у = /(Г - Г0), остается величиной постоянной. Р

4. Показано, что в области существования жидкой фазы определение коэффициента поверхностного натяжения воды и спиртов сводится к определению его по уравнению: или ст = /ЗЛ0 Ы^ + К^-Т)

5. Получена связь коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом динамической вязкости в виде функциональной зависимости:

6. Основываясь на методе Кальете-Матиаса, показано, что величину кри тической плотности жидкого теплоносителя можно оценить выражением:

7. Для оценки величины критической температуры и критического давле ния предложены выражения:

1п —

Тк

2 ц

1-9,56-10

-4

ИХо Хо Л

Хо

Заключение

В диссертационной работе в результате выполненного теоретического и экспериментального исследований основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей:

1. Получена температурная зависимость плотности жидкого теплоносителя (воды) и плотности пара в области существования жидкой фазы т0<т<тк).

2. Выявлены три области, в которых коэффициент пропорциональности X1, являющийся индикатором силы межмолекулярного взаимодействия, в функциональной зависимости остается величинои постоянной.

3. Проведен анализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкого теплоносителя (воды) во всем интервале существования жидкой фазы и предложены математические модели, позволяющие определить коэффициент поверхностного натяжения воды и спиртов.

4. Получена математическая модель, выражающая взаимосвязь коэффициента поверхностного натяжения с коэффициентом динамической вязкости в виде функциональной зависимости сг = /{ц).

5. Проведена оценка критической плотности жидкостей с использованием метода Кальете-Матиаса.

6. Используя равенство плотностей жидкой и паровой фаз, получено математическое выражение, позволяющее оценить значение критической температуры.

7. Проведен анализ характера изменения давления паровой фазы и сделана оценка величины критического давления.

1. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. М.: МГУ, 1970.-240 с.

2. Чечеткин A.B. Высокотемпературные теплоносители. М.: Энергия, 1971.-496 с.

3. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М.: Высшая школа, 1981. -400 с.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.-488 с.I

5. Шахпаранов М.И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. -М.: Высш. Школа, 1980. 352 с.

6. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. JL: Наука, 1975. -592 с.

7. Я. Де Бур Введение в молекулярную физику и термодинамику. М: Иностранная литература, 1962 278 с.

8. Давид Р. Введение в биофизику. Перевод с французского канд. хим. наук Г.Г. Маленкова под ред. доктора физ.-мат. наук М.Д. Франк-Каменецкого. М.: Мир, 1982. - 208 с.

9. Кембл Дж. Современная общая химия. Т. 3. - М.: Мир, 1975.448 с.

10. Перегудов В.В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий. М.: Высш. Школа, 1973.-295 с.

11. Васильев A.M. Введение в статистическую физику. М.: Высш. Школа, 1980. -272 с.

12. Костерев Ф.М., Кушнырев В.И. Теоретические основы теплотехники. М.: Энергия, 1978. - 360 с.f

13. Нигматулин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.-336 с.

14. Coy С. Термодинамика многофазных систем. М.: Мир, 1971. -536 с.

15. Степанов В.Г., Воляк Л.Д., Тарлаков Ю.В. Краевые углы смачивания некоторых систем//ИФЖ. 1977. - Т. 32 - №36. - С.1000-1003.

16. Степанов В.Г., Воляк Л.Д., Тарлаков Ю.В. О краевых углах смачивания вблизи критической температуры//ИФЖ. 1977. - Т.32. -№3. - С. 458-462.г

17. Швиндерман Л.С. О критериях смачивания//Поверхностные влияния в расплавах и возникающих из них твердых фаз. КБГУ. Нальчик. 1965. - С. 40-45.

18. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент/Аметистов Е.Е., Григорьев В.А., Емцов Б.Т. и др. Справочник/Под общей редакцией Григорьева В.А. и Зорина В.М. М.: Энергоиздат, 1982. -512 с.

19. Гидродинамика невесомости. Бабский В.Г., Копачевский Н.Д.,

20. Мышкис А.Д., Слабожанин A.A., Попцов А.Д./Под редакцией А.Д.

21. Мышкиса. М.: Наука, 1976. - 504 с.А

22. Батурин М.В. Динамика роста и свертывания слоев жидкости на твердой подложке//Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2001.-22 с.

23. Хащенко A.A. О процессе генерации пара и его влиянии на теплообмен при насыщенном кипении жидкостей в условиях естественной конвекции//Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2002. -18с.23