Исследование основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Хрынина, Елена Игоревна

• Хрынина, Елена Игоревна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хрынина, Елена Игоревна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование основных свойств и критических параметров жидких теплоносителей»

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.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Хрынина, Елена Игоревна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Хрынина, Елена Игоревна, 2006 год

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