ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ
Купить

Актуальность темы
Изучение свойств веществ, находящихся в метастабильных состояниях, является важной частью исследований фазовых переходов первого рода. Метастабильное фазовое состояние - это состояние неполного равновесия термодинамической системы. Неустойчивость метастабильной фазы вызвана существованием при заданных внешних условиях двух минимумов у термодинамического потенциала, разделенных потенциальным барьером. В чистой системе этот барьер преодолевается путем спонтанного образования зародыша новой фазы, что определяет конечное время существования метастабильной системы. Высота барьера в существенной мере зависит от поверхностного натяжения на границе раздела зародыш - метастабильная фаза.
Интенсификация процессов тепло- и массообмена в криогенных аппаратах, постоянно расширяющееся использование низких температур в энергетике, технике, на транспорте предъявляет жесткие требования к надежности информации о теплофизических свойствах криогенных жидкостей, в том числе и о поверхностном натяжении. Криогенные жидкости применяются в ракетной и космической технике, обеспечивают функционирование многих устройств в ядерной физике. Обладая простой молекулярной структурой, они являются эталонной системой для построения теоретических моделей физики жидкого состояния.
Трудно представить себе природный или технологический процесс, в котором система не содержит примесей, в частности, растворенных газов. Добавление в систему даже малого количества ещё одного компонента может кардинальным образом изменить ее свойства. В ряде случаев использование в качестве рабочего вещества жидкого раствора позволяет заметно оптимизировать технологический процесс. Экспериментальные исследования свойств и кинетики фазовых переходов в растворах криогенных жидкостей могут дать новый материал, как для совершенствования технологии, так и для развития представлений о физике фазовых превращений в сложных термодинамических системах. Указанные обстоятельства стимулировали постановку данной работы.
Цель работы и задачи исследования
Целями работы являются:
Экспериментальное исследование в широком интервале температур и концентраций свойств межфазной границы жидкость-газ (капиллярная постоянная, поверхностное натяжение, адсорбция) растворов криогенных жидкостей: кислород-азот, аргон-гелий, аргон-неон, кислород-азот-гелий. Изучение кинетики спонтанного вскипания бинарных и тройных растворов. Описание в рамках градиентной теории капиллярности Ван-дер-Ваальса свойств плоской межфазной границы жидкость-газ и границы паровой пузырек-жидкость (на примере раствора кислород-азот).
В соответствии с поставленными целями, основным экспериментальным методом, используемым в работе для определения поверхностного натяжения, был выбран дифференциальный метод капиллярного поднятия. Методы изме-рения времени ожидания вскипания и непрерывного изотермического понижения давления использовались для исследования кинетики вскипания перегретых жидкостей.
Основные задачи диссертационного исследования:
1. Измерение капиллярной постоянной растворов кислород-азот, аргон-гелий и аргон-неон и раствора кислород-азот-гелий.
2. Определение поверхностного натяжения указанных растворов и анализ полученных данных в рамках термодинамических и статистических моделей.
3. Описание концентрационной и барической зависимостей капиллярной постоянной и поверхностного натяжения бинарных растворов.
4. Изучение влияния «приработки» поверхности измерительной ячейки при вскипании перегретых жидкостей.
5. Измерение времени жизни перегретых растворов вблизи границы их спонтанного вскипания. Определение предельных растяжений. Сопоставление экспериментальных данных с теорией гомогенной нуклеации.
6. Описание свойств межфазной границы жидкость-газ бинарного раствора кислород-азот в рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса. Расчет распределения плотности, концентрации компонентов на плоской и сферической границе раздела фаз, работы образования критического пузырька, поверхностного натяжения, параметра Толмена.
На защиту выносятся
1. Экспериментальные данные по капиллярной постоянной и поверхностному натяжению растворов кислород-азот, аргон-неон, аргон-гелий, кислород-азот-гелий; аналитические выражения, описывающие зависимости капиллярной постоянной и поверхностного натяжения от температуры, давления и состава.
2. Методика определения состава трехкомпонентных газонасыщенных растворов. Обоснованность возможности применения метода аддитивного приближения для определения давления насыщенных паров, ортобарических плотностей, поверхностного натяжения и температуры достижимого перегрева трехкомпонентных растворов, в которых один из компонентов является слабо-растворимым (на примере раствора кислород-азот-гелий).
3. Результаты расчета свойств межфазной границы жидкость-пар раствора кислород-азот в рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса (профили плотности, поверхностное натяжение, положение разделяющих поверхностей, параметр Толмена).
4. Экспериментальные данные по температуре достижимого перегрева растворов кислород-азот, аргон-гелий, аргон-неон, кислород-азот-гелий.
5. Результаты расчета свойств зародышей новой фазы раствора кислород-азот в рамках теории капиллярности Ван-дер-Ваальса (радиусы пузырьков, профили плотности, работа образования критического пузырька, поверхностное натяжение).
Научная новизна работы
1. Измерена капиллярная постоянная и определено поверхностное натяжение растворов О2-И2, Аг No, Аг-Не, О2 N2 Не в широком интервале температур и концентраций.
2. Получены экспериментальные данные по частоте зародышеобразования в растворах Аг No, Аг-Не, О2 N2 и О2- N2 -Не. Исследовано влияние растворения легкокипящего компонента на температуру достижимого перегрева раствора. Получены количественные данные по влиянию «приработки» поверхности измерительной ячейки на время жизни перегретой жидкости.
3. Дано описание свойств двухфазной бинарной системы жидкость-газ с плоской и сферической границей раздела фаз раствора кислород-азот в рамках градиентного приближения теории капиллярности Ван-дер-Ваальса. Все свободные параметры теории определены по экспериментальным значениям теплофизических свойств чистых компонентов и раствора.
4. Рассчитаны распределения плотностей компонентов раствора на плоской и искривленной границе раздела фаз, работа образования критического пузырька, его поверхностное натяжение, определены положения разделяющих поверхностей и параметр Толмена. Установлена размерная зависимость поверхностного натяжения.
Фундаментальная и практическая значимость работы
Фундаментальность работы заключается в получении экспериментальных результатов, расширяющих знания о свойствах межфазной границы жидкость-пар и кинетике нуклеации в растворах криогенных жидкостей.
Практическая значимость состоит в том, что данные по теплофизическим свойствам и температуре достижимого перегрева растворов криогенных жидкостей необходимы для проектирования криогенных установок, расчета тепловыделения и гидродинамических процессов с участием криогенных жидкостей.
Работа соответствует паспорту специальности 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника для физико-математических наук (пункт 1. Фундаментальные, теоретические и экспериментальные исследования молекулярных и макросвойств веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии для более глубокого понимания явлений, протекающих при тепловых процессах и агрегатных изменениях в физических системах).
Связь работы с научными программами и темами
Диссертационная работа выполнена в лаборатории криогеники и энергетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института теплофизики Уральского отделения Российской академии наук в соответствии с государственными заданиями, проектами РФФИ и Российской академии наук. Среди них проекты по программам фундаментальных исследований Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН “Устойчивость фазовых состояний и критические режимы тепломассопереноса”, совместных научных исследований УрО и ДВО РАН “Акустическая кавитация в метастабильных жидкостях”, программы совместных исследований УрО-ДВО РАН «Фазовые превращения и флуктуационные явления в жидких энергоносителях при акустических воздействиях», совместных научных исследований УрО и СО РАН «Исследование динамики переходных процессов и критических явлений при кипении, кавитации и испарении жидкостей при высокоинтенсивных фазовых превращениях для развития научных основ безопасной и устойчивой работы элементов энергетического оборудования», проекты РФФИ № 09¬08-00176 «Перегрев и взрывное вскипание криогенных жидкостей и их растворов», № 12-08-31261-мол_а «Перегрев и поверхностное натяжение растворов метана с азотом и гелием», тема 2009-2011 гг. «Теплофизические свойства веществ в стабильных и метастабильных состояниях» (номер госрегистрации 01200852792), темы 2012-2014 гг. «Тепломассоперенос и флуктуации в энергонапряженных процессах с фазовыми превращениями» (номер госрегистрации 01201179702), «Теплофизические свойства веществ в стабильных и метастабильных состояниях» (номер госрегистрации 01201179701), молодежные про-граммы Президиума УрО РАН.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях и семинарах: VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, 2008), XVII International conference on chemical thermodynamics in Russia (Kazan, 2009), XII Международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, 2012), Всероссийской конференции «Со-временные проблемы термодинамики и теплофизики» (Новосибирск, 2009), Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 2010), XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева “Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях” (Звенигород, 2011), Юбилейной X Всероссийской молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2009), XIII Всероссийской школе- семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2012).
Публикации
По теме работы опубликовано 8 статей в ведущих научных рецензируемых журналах, определенных Высшей Аттестационной Комиссией, 9 тезисов док-ладов на конференциях разного уровня. Список публикаций приведен в конце автореферата. Все основные результаты были получены лично автором и совместно с сотрудниками лаборатории криогеники и энергетики ИТФ УрО РАН.
Структура диссертации
Диссертация содержит оглавление, введение, пять глав, заключение и список используемой литературы. Работа изложена на 150 странице текста формата А4, содержит 69 рисунков, 17 таблиц, список цитируемой литературы состоит из 158 наименования.

Купить