Исследование физических свойств жидкой фазы на линии насыщения

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.

ТТ.

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.