Получение новых уравнений бинодали для исследования рабочих процессов в элементах судовых энергетических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Захаров, Федор Валерьевич

• Захаров, Федор Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Захаров, Федор Валерьевич

Введение.

Глава 1. Новое уравнение для давления насыщения.

1.1. Существующие зависимости для давления насыщения.

1.2. Получение нового уравнения для давления насыщения.

Глава 2. Расчет давления насыщения различных веществ с помощью нового уравнения бинодали.

2.1. Метод определения параметров в новом уравнении бинодали.

2.2. Нахождение параметров в уравнении бинодали для различных веществ.

2.3. Связь параметров уравнения бинодали с характеристиками веществ.

2.4. Испарение и сублимация.

Глава 3. Уравнение бинодали в других переменных и новые универсальные зависимости.

3.1. Уравнение бинодали в переменных температура - объем пара

3.2. Линеаризованное уравнение бинодали в переменных давление - объем пара.

3.3. Инверсия бинодали.

3.4. К вопросу о подобии. Поверхностное натяжение.

3.5. Универсальная зависимость теплоты парообразования от температуры.

Глава 4. Теплофизическое обоснование нового метода экспресс - анализа обводненности теплоносителей, используемых в судовых энергетических установках.

4.1. Состояние вопроса.

4.2.Особенности парообразования в закрытом сосуде.

4.3.Зависимости для параметров веществ в контрольной камере.

4.4.Новый метод определения обводненности масла.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение новых уравнений бинодали для исследования рабочих процессов в элементах судовых энергетических установок»

Как известно [1], бинодаль (она же-линия насыщения, она же-погранич-ная кривая) - это граница, отделяющая область стабильных (однофазных) состояний вещества (жидкость, перегретый пар) от метастабильных состояний: перегретая или переохлажденная жидкость, переохлажденный пар. Интенсификация процессов тепло - и массобмена, а также появление мощных импульсных источников энергии способствовали приближению метастабильных состояний к инженерной практике и, в частности, к судовой энергетике. Для расчета параметров вещества в области метастабильных состояний необходимо знание параметров на внешней границе этой области, то есть на бинодали, и это была первая причина, побудившая заняться получением нового более общего уравнения бинодали.

Во-вторых, само по себе состояние насыщения теплоносителей представляет несомненный интерес при исследовании и расчете судовых энергетических установок (СЭУ). Это относится, в частности, к судовым ядерным паротурбинным установкам с водо - водяными реакторами, работающими на насыщенном паре. Так, например, атомные суда «Саванна» (США) и «Муцу» (Япония) имели паротурбинные установки, работающие на насыщенном паре с температурами соответственно 240 °С и 251 °С [2]. Использование в энергетике жидких металлов также вызывает необходимость создания эффективных методов расчета их теплофизических свойств на линии насыщения [3].

В-третьих, полученные новые уравнения бинодали могут с успехом использоваться при определении содержания примесей в теплоносителях, используемых в судовых энергетических установках, в частности, для определения обводненности циркуляционного масла судовых дизелей.

Наконец, новое уравнение бинодали может с успехом использоваться при расчете содержания примесей в виде паров различных жидкостей в воздухе в закрытых судовых помещениях и емкостях, где парообразование идет за счет испарения [4], [5].

Итак, основное направление работы - это получение нового уравнения бинодали, пригодного для различных веществ. Далее следовало выбрать метод решения поставленной задачи. Здесь мы последовали рекомендациям крупного российского теплофизика академика А.И.Леонтьева [6]. Он выступает в защиту приближенных подходов, аналитических решений и методов теории подобия и размерностей, считая, что именно все это и составляет основу современной теории тепло - и массобмена. В меру наших возможностей мы и пытались следовать этим рекомендациям.

Работа состоит из четырех глав и трех приложений, последнее из которых, в силу своего объема, вынесено в отдельную книгу, содержащую результаты расчета для 118 различных веществ.

В главе 1 дан короткий обзор существующих зависимостей для определения давления насыщения по известной температуре и отмечены их недостатки как в части принятых допущений, так и по ограниченности веществ, к которым они применимы. Далее нами предлагается новый способ упрощения уравнения Клапейрона - Клаузиуса для его последующего интегрирования, при этом используются элементы теории размерностей.

Глава завершается интегрированием уравнения Клапейрона - Клаузиуса от наиболее низкой температуры на бинодали, каковой является температура плавления. В результате получается двухпараметрическое уравнение бинодали в переменных температура - давление.

В главе 2 приводятся результаты расчета бинодали для 118 различных веществ с помощью полученного в 1 - й главе уравнения. Вначале дается методика определения входящих в это уравнение двух постоянных для данного вещества параметров с и К. Для их определения должны быть выделены три достаточно разнесенные опорные точки, например, плавления, нормального кипения и критическая точка. Однако это не всегда было возможно в связи с данными используемого нами Справочника [7]. В Приложении 1 дается таблица трех характерных температур для 118 различных веществ, исследованных в диссертации. У большинства веществ начальная температура равна или близка к температуре плавления, а конечная - к критической температуре.

В Приложении 2 приведена таблица, в которой даны значения параметров с и К для исследованных веществ. Установлено, что около 90% всех веществ имеют параметр с = 1,0 -5- 1,5, параметр К = 8 -н 18, а максимальное расхождение расчетных и справочных данных по давлению на линии рассматриваемый отрезок бинодали.

В главе 2 исследована также связь параметров бинодали с и К с некоторыми характеристиками веществ, такими как мольная теплота парообразования и относительная молекулярная (атомная) масса.

Наконец, в главе 2 установлена возможность применения полученного уравнения бинодали не только к фазовому переходу жидкость - пар ■ (испарение), но и к фазовому переходу твердое тело - пар (сублимация).

В главе 3 диссертации рассматриваются уравнения бинодали в других переменных. Так, в дополнение к подробно рассмотренному уравнению бинодали в переменных (Г, р) рассматривается новое уравнение бинодали в переменных (Г, v"), то есть температура — объем пара. В качестве примера рассмотрено это уравнение для водорода и воды.

Далее получено линеаризованное уравнение бинодали в переменных (р, v"), которое имеет вид обычного уравнения политропы, и его удобно использовать в системе уравнений, описывающих движение насыщенного пара.

Для расчета теплофизических характеристик жидкометаллических теплоносителей при высоких температурах была произведена инверсия бинодали, в результате чего начальной точкой стала критическая точка. Сравнение результатов расчета показало преимущество полученного в диссертации уравнения по сравнению с рекомендованным в [3].

Повысить точность всегда возможно, уменьшая

В этой же главе рассматривается термодинамическое подобие веществ по Риделю, а для получения безразмерных координат применяется аппарат теории размерностей и, в частности, тс-теоремы [8]. В результате удалось получить новые безразмерные зависимости поверхностного натяжения и теплоты парообразования от температуры для разных по своей химической природе веществ.

Четвертая глава диссертации посвящена совершенствованию существующей методики экспресс — анализа обводненного масла [11, 29]. Включая полученное в диссертации уравнение насыщенного водяного пара в систему уравнений, описывающих процесс перехода водяного пара от состояния насыщения к перегретому состоянию, получаем замкнутую систему уравнений. Решением этой системы является уравнение, связывающее температуру, в которой начинается перегрев пара, с массой воды, содержащейся в масле.

Различие в характере зависимостей давления от температуры для насыщенного и перегретого состояний дает основание сделать вывод о том, dp что значение производной ^ в точке начала перегрева пара резко уменьшится. Поэтому предлагается изменить способ обработки снимаемых параметров. Это позволит упростить всю процедуру анализа. При получении характера изменения давления от температуры пропадает необходимость dp точного замера как величины давления, так и величины производной ^j,.

Нужно определить только температуру, а практически — узкий диапазон dp температур, в котором происходит резкое уменьшение производной .

Таково краткое содержание работы. На защиту выносятся:

1. Новые уравнения бинодали в переменных (Г, р), (Т, v" ) и (р, v").

2. Массив параметров с и К, входящих в уравнения бинодали, для 11В различных веществ.

3. Формулы для нахождения определяющего критерия термодинамического подобия по Риделю.

4. Единые зависимости поверхностного натяжения и теплоты парообразования от температуры для химически разнородных веществ.

5. Усовершенствованная методика экспресс - анализа обводненности масла.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Захаров, Федор Валерьевич

выводы:

1. Получены новые уравнения бинодали («линии насыщения») в переменных температура - давление, температура - объем пара и давление — объем пара.

2. Наиболее общим из указанных в п. 1 является уравнение бинодали (2.2) в переменных (Т, р), справедливое от точки плавления до критической. В уравнение входят величины К и с - два безразмерных индивидуальных параметра вещества, рассчитанные для 118 различных веществ (Приложение 2).

3. Помимо численных значений, вскрыт физический смысл параметров. Так, параметр К определяет предельно возможное отношение давлений на бинодали данного вещества, формула (2.14), а отличие параметра с от единицы учитывает отклонение свойств пара от свойств идеального газа. Кроме того, эти параметры непосредственно связаны с определяющим критерием термодинамического подобия AR по Риделю, формула (3.37).

4. Проанализирована связь параметров бинодали К и с с такими характеристиками веществ, как молекулярная (атомная) масса и мольная теплота парообразования. Особенно четко эта связь установлена у веществ, являющихся химическими элементами (щелочные металлы и одноатомные газы). Для группы из пяти щелочных металлов и ртути установлена линейная связь между параметром бинодали К и мольной теплотой парообразования jut [кДж/моль], формула (2.15).

5. На примере ароматического углеводорода, нафталина, подтверждена возможность применения уравнения бинодали (2.2) к фазовому переходу твердое тело - пар, то есть к сублимации. При этом параметры К при сублимации и испарении различаются мало (~ на 3%), а параметр с при сублимации в 2,5 раза больше параметра при испарении, что свидетельствует, в частности, о большем отличии пара от идеального газа.

6. Уравнение бинодали (3.3) в переменных (Г, v"), аналогичное по форме уравнению (2.2), обладает меньшей областью применения: от точки плавления и не доходя до критической точки, чтобы выполнялось

Тъ условие — . В околокритической области (ТЗ Ткр) уравнение кр

3.3) неприменимо.

7. Исключение температуры из уравнений (2.2) и (3.3) привело к уравнению бинодали в переменных (р, v"), - уравнение (3.22). Это уравнение совпадает по виду с уравнением политропы идеального газа, и его использование может существенно упростить решение задач газодинамики для насыщенного пара.

8. Применение теории подобия и размерностей позволило получить новые температурные зависимости поверхностного натяжения и теплоты парообразования для веществ различной химической природы, что может представлять как теоретический, так и практический интерес при изучении и расчете процессов в элементах СЭУ.

9. Использование полученного уравнения насыщенного водяного пара

4.4) в системе уравнений, описывающих переход водяного пара от насыщенного состояния к перегретому, дает возможность:

- получить выражение, связывающее температуру начала перегрева водяного пара и массу первоначально содержащейся в масле воды (4.21),

- усовершенствовать методику экспресс - анализа обводненности масла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По выполненной работе могут быть сделаны следующие основные

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Захаров, Федор Валерьевич, 2004 год

1. Теплофизические свойства жидкостей в метастаб ильном состоянии. Справочник/Скрипов В.П., Синицин Е.Н., Павлов П.А. и др. - М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.

2. Судовые ядерные энергетические установки/Под ред. В.А.Кузнецова. М.: Атомиздат, 1976. - 376 с.

3. Филиппов Л.П., Благовещенский Л.А. Новые методы расчета свойств жидкометаллических теплоносителей. М.: Энергетика (Изв. высш. учебн. заведений), 1985, № 9. - С. 66-71

4. Воронец Д., Козич Д. Влажный воздух: термодинамические свойства и применение. М.: Энергоатомиздат,1984. - 136 с.

5. Несис Е.И. Кипение жидкостей. М.: Наука, 1973. - 240 с.

6. Леонтьев А.И. Пути развития теории тепломассобмена. М.: Известия РАН/Энергетика, №2, 1996. - с. 22 - 26.

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

8. Сунцов Н.Н. Применение теории подобия и теории размерностей в научных исследованиях. Л.: ЛКИ, 1989. - 54 с.

9. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейдлин А.Е. Техническая термодинамики. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с.

10. Петриченко P.M., Мелешкин Ю.М. Парциальное давление паров топлива и моторных масел/Энергетика (Изв. высш. учебн. заведений), 1987, №6. С. 101 - 102.

11. Болдина О.Б. Получение нового уравнения состояния водяного пара для исследования рабочих процессов в элементах судовых энергетических установок/Кандидатская диссертация, СПбГМТУ, 1998.-86 с.

12. Ривкин С.Л., Александров А.А., Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 80 с.

13. Перелыптейн И.И., Пару шин Е.Б. Система уравнений для расчета термодинамических свойств рабочих веществ/Холодильная техника, 1981, №3. С. 40 - 42.

14. Баренблатт Г. И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 207 с.

15. Захаров Ф.В. Обобщенная формула связи между температурой и давлением на линии насыщения/Турбины и компрессоры. Вып. 15. СПб.: НИКТИТ, 2001. С.50 - 51.

16. Эмели Дж. Элементы. Пер с англ. М.: Мир, 1993. - 256 с.

17. Кухлинг X. Справочник по физике. Пер. с нем. М.: Мир,1982. 520 с.

18. Техническая термодинамика/Под. ред. В.И.Крутова. М.: Высшая школа, 1981.-396 с.

19. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоиздат, 1981. -472 с.

20. Самойлович Г.С. Гидроаэромеханика. М.: Машиностроение, 1980.-280 с.

21. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ. М.: Изд-во МГУ, 1978.-255 с.

22. Александрова Н.В. Математические термины/Справчник. М.: Высшая школа, 1978. - 189 с.

23. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи/Пер. с англ. М.: Мир,1983.-512 с.

24. Сунцов Н.Н., Захаров Ф.В. Новые зависимости для теплофизических характеристик некоторых газов и жидкостей/Промежуточный отчет по разделу НИР А 506, -СПбГМТУ, 2000. - 32 с.

25. Сунцов Н.Н., Захаров Ф.В. Новые зависимости для теплофизических характеристик некоторых газов ижидкостей/Заключительный отчет по разделу НИР А 506, -СПбГМТУ, 2001. - 30 с.

26. Сунцов Н.Н., Захаров Ф.В. Универсальная зависимость теплоты парообразования от температуры/ЛГурбины и компрессоры. Вып. 14.-СПб.: НИКТИТ, 2001.-С. 30-31.

27. Захаров Ф.В. Единая формула связи между температурой и давлением веществ на линии насыщения/Турбины и компрессоры. Вып. 1,2. СПб.: НИКТИТ, 2003. - С.45 - 47.

28. Сунцов Н.Н., Захаров Ф.В. Получение новых уравнений бинодали для исследования рабочих процессов в элементах СЭУ/Труды научно-технической конференции "Кораблестроительное образование и наука -2003", находится в печати.

29. Вербов И.Н. Прибор мониторинга содержания воды в смазочном масле судового дизеля / Дипломный проект. СПб.: СПбГМТУ, 1995, 88 с.

30. Возницкий И.В., Чернявская Н.Г. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1974, 424 с.

31. Хвольсон О.Д. Курс физики, т.З, РСФСР, Гос. Издательство, 1923, 860 с.

32. Гуреев А.А., Камфер Г.М. Испаряемость топлив для поршневых двигателей. М.: Химия, 1982, 260 с.