Введение к работе
Актуальность проблемы,
В настоящее время расчет термодинамических свойств веществ и разработка термодинамических таблиц осуществляется в основном на базе единых аналитических уравнений состояния газа и жидкости. Существенный недостаток данного подхода заключается в невозможности с помощью уравнений состояния аналитического вида качественно верно передать поведение вещества в широкой окрестности критической точки, что в конечном итоге приводігг к недопустимо большим погрешностям при расчете термодинамігческих свойств.
Известные неаналитические уравнения состояния газа и жидкости при описании равновесных свойств в регулярной части термодинамической поверхности заметно уступают в точности единым аналитическим уравнениям состояния.
В связи с этим является актуальной задача построения единого неанали
тического уравнения состояния, качественно н количественно верно передаю
щего поведение термодинамических свойств веіаеств в широкой окреспюсти
критической точки, не уступающего по точности единым аналитическим урав
нениям состояния в регулярной области параметров состояния и позволяющего
рассчитывать точные таблицы термодинамических свойств веществ в однофаз
ной области, на линии фазового равновесия и в области метастабнльных со
стояний. .
Цель работы.
Разработка метода построения единого неаналитического уравнения состояния, качественно и количественно верно передающего поведение газа и жидкости, как в широкой окрестности критической точки, так и в регулярной часта термодинамігческой, а также в области метастабнльных состояний. Апробация этого уравнения состояния на примере одного из наиболее изученных в термодшшнгческом плане вещеста - аргоне. Составление на основе полученного единого неаналитического уравнения состояния аргона точных термодинамических таблиц аргона в диапазоне параметров состояния по температуре от Ттрт\\ линии затвердевания до 1000 К и по давленшо от 0,01 МПа до 500
МПа, а также подробных термодинамических таблиц аргона для широкой окрестности критической точки и области метастабнльных состояний. Разработка единых неаналитических уравнений состояния для перспективных экологически безопасных холодильных агентов R23, R134a и R218. Составление на основе полученных единых неаналитическнх уравнений состояния R23, R134a и R218 точных термодинамических таблиц на линии насыщения, однофазной области и широкой окрестности критической точки.
Научная новизна.
Разработана методика построеїшя в физических переменных сингулярных составляющих термодинамических потенциалов (свободной энергии Гельм-гольца и химического потенщіала), которые в соответствии с требованиями МТ воспроизводят особенности поведения термодинамических свойств в широкой окрестности критической точки. На ее основе разработана структура масштабных функций, обеспечивающих качественно верную передачу как асимптотических, так и неасимптотическнх и асимметричных составляющих термодинамических функций в околокритнческой области.
Предложен метод построения масштабного уравнения в физических переменных, использующий обобщенную масштабную переменную, что позволило качественно и количественно верно описать поведение вещества в широкой окрестности критической точки, включая ыетастабильную часть термодинамической поверхности.
Получены термодинамические равенства, устанавливающие положение линии псевдокритических точек на термодинамической поверхности.
Получены новые экспериментальные данные об изохорпой теплоемкости хладона 218 в широкой окрестности критической точки.
'Получены новые экспериментальные данные о кажущейся теплоте парообразования хладона 218 , в том числе и в окрестности критической точки.
Разработаны новые способы измерения «кажущейся» теплоты парообразования, комплексного определения нзохорцой и изобарной теплоємкостей, плотности насыщенного пара.
Разработана методика построения единого неаналнтнческого уравнения состояния, удовлетворяющего требованиям МТ и равенству химических потенциалов в каждой точке линии фазового равновесия. Проведен количественный анализ различных модификаций данного уравнения состояния на примере описания термодинамических свойств R218.
Разработан метод'построения единого неаналнтнческого уравнения состояния, удовлетворяющего всем требованиям, обычно предъявляемым к единым аналитическим уравнениям состояния, и, кроме того, обеспечивающего описание термодинамической поверхности в широкой окрестности критической точки в соответствии с требованиями современной теории критических явлении.
Предложенный метод апробирован на примере построения единого уравнения состояния аргона и хладагентов R23, R218 и R134a. Показано, что полученные уравнения состояния позволяют количественно верно рассчитать термические и калорические данные, как в широкой окрестности критической точки, так и в регулярной части термодинамической поверхности. Причем при описании регулярной части термодинамической поверхности предложенные уравнения состояния не уступают единым аналитическим уравнениям состояния ни по размеру рабочей области, ни по точности.
Разработаны новые подробные таблицы термодинамических свойств аргона, R23, Rl34a и R218 для широкой области параметров состояния в однофазной области и на линии фазового равновесия, в том числе и в широкой окрестности критической точки..
Для аргона разработаны подробные таблицы термодинамических свойств для области метастабильных состояний.
Автор защищает:
-методику конструирования сингулярных составляющих термодинамических потенциалов, верно передающих степенные зависимости, предсказываемые современной теорией критических явлений;
масштабные уравнения состояния в физических переменных;
метод построения единого неаналитического уравнения состояния, разработанный на основе "обобщенной" масштабной переменной и обеспечивающий выполнение требования равенства химических потенциалов в каждой точке линии фазового равновесия системы жидкость - пар;
- метод построения единого неаналитического уравнения состояния,
удовлетворяющего всем требованиям, обычно предъявляемых к единым анали
тическим уравнениям состояния, и передающего термодинаміріескую поверх
ность в соответствии с требованиями современной теории критических явле
ний;
единое неаналнтнческое уравнение состояния аргона;
единое неаналитическое уравнение состояния R23;
единое неаналитическое уравнение состояния R218;
единое неаналитическое уравнение состояния Ш34а;
- экспериментальные данные об изохорной теплоемкости и «кажущейся» теплоте парообразования хладагента R218;
таблицы термодинамических свойстп аргона, рассчитанные на линии насыщения в диапазоне температур от 80,806 К и до 150,65 К и в однофазной области (включая широкую окрестность критической точки) в диапазоне параметров состояния по температуре от 80 К. до 1000 К и по давлению от 0,01 МПа до 500 МПа;
таблицы термодинамических свойств аргона, рассчитанные для метаста-билыюй области, в том числе на спннодалн;
таблицы термодинамических свойств хладагента R218, рассчитанные на лннин насыщения в диапазоне температур от 170 К и до 344 К и в однофазной области (включая широкую окрестность критической точки) в диапазоне параметров состояния по температуре от 170 К до 470 К и по давлению от 0,001 МПа до 70 МПа;
таблицы термодинамических свойств хладагента R23, рассчитанные на линии насыщения в диапазоне температур от 180 К и до 298 К и в однофазной
области (включая широкую окрестность критической точки) в диапазоне параметров состояния по температуре от 140К до 570К и по давлешио от 0,001 МПа до 25 МПа;
- таблицы термодинамических свойств хладагента R134a, рассчитанные на линии насыщения в диапазоне температур от 170 К и до 374 К и в однофазной области (включая широкую окрестность критической точки) в диапазоне параметров состояния по температуре от 170 К до 460 К и по давлению от 0,001 МПа до 80 МПа.
Практуршская ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.
Разработшшые методы расчета термодинамических двойств рабочих веществ в однофазной области, на липни фазового равновесия и в области мета-стабильных состояний оформлены в виде пакета прикладных программ на языке Фортран и могут быть использованы для разработки единых неаналнтиче-ских уравнений состояішя.
Па основе полученных единых неаналитических уравнений состояния разработаны подробные термодинамические таблицы аргона и хладагентов R23, R134a и R218 как в регулярной части термодинамической поверхности, так и в широкой окрестности критической точки. Таблицы термодинамических свойств R134a на линии насыщения и таблицы R218 на липни насыщения и в однофазной области аттестованы ГСССД СССР и получили статус таблиц РСД. Таблицы термодинамических свойств R23ncnonb30Baiibi при составлении справочника «Холодильная техника. Кондиционирование воздуха. Свойства веществ» (под ред. СП. Богданова, 1999 г.)
Полученные опытные данные об изохорной теплоемкости и теплоте парообразования R218 могут быть использованы при составлении и анализе новых термодинамических таблиц'К218.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "-Повышение эффективности процессов и оборудования холодильной и криогенной техники" (Ленинград, 1981 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение научных исследований и учебного процесса в вузах" (Ленинград, 1984г.); на ХУ научно-технической конференции молодых специалистов И'ГГ АН УССР (Киев, 1984 г.); на научном семинаре "Фазовые равновесия в критической области" (Москва, МИНХиГП, 1985 г.); на научном семинаре Отдела термодинамических исследованші ИНХ СО АН. СССР (Новосибирск, 1986 г.), на Всесоюзном совещании "Метастабилыше жидкости в связи с явлениями кипения и кристаллизации" (Свердловск, 1985 г.); на ХІ-ХУ, ХУІІІ, ХХУ1ІІ научно-технических конференциях ЛТИХП (Ленинград, 1981-1985, 1988 г.г.); на Всесоюзной научно-практической конференции "Пути интенсификации произвол-
ства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте" (Одесса, 1989 г.); на Y Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение теплофизиче-склх измерений при низких температурах" (Хабаровск, 1988 г.); на II Всесоюзном совещании "Метастабилыше фазовые состояния - теплофизнческне свойства и кинетика релаксации" (Свердловск, 1989 г.); на Теплофизнческой конференции СНГ (Махачкала, 1992 г.); на ХХУІІІ научно-технической конференции СПбГАХПТ (Санкт-Петербург, 1998 г.); на Международной конференции "Ресурсосберегающие технологии в пищевой промышленности" (Санкт-Петербург, 1998 г.); на Международной научно-технической конференции "Холодильная техника России. Состояние и перспективы накануне XXI века" (Санкт-Петербург, 1998 г;); на совместном заседании Рабочей группы "Свойства хладагентов и теплоносителей" и секции "Теоретические основы холодильной н криогенной техники" Международной академии холода (Санкт-Петербург, 1998, 1999 г.г.); на Всероспйской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование пищевых производств" (Санкт-Петербург, 1999 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 63 печатных работах и 4 авторских свидетельствах на изобретение.
Структура и объем работы.