Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие современной техники и технологий находится в прямой зависимости от наличия надежной факгографической информации о свойствах разнообразных индивидуальных веществ и, особенно, их смесей, поскольку в природе вообще нет чистых веществ. Ни один научный или инженерный расчет невозможен без данных о свойствах веществ и материалов. В настоящее время свойства индивидуальных веществ изучены очень подробно, и актуальной становится проблема получения информации о свойствах различных смесей. Непрерывно возрастающие запросы науки и техники увеличивают разрыв между потребностью в надежных данных и возможностью их оперативного получения.
Приоритетным источником информации является надежный эксперимент. Однако постановка и проведение экспериментальных исследований относятся к весьма трудоемким и дорогостоящим работам, а получаемые экспериментальные данные имеют дискретный характер. Кроме того само многообразие всевозможных смесей практически бесконечно. Более плодотворный путь усматривается в рациональном сочетании практических преимуществ эмпирических методов исследования с организующим началом результатов теории. Эффективность такого подхода существенно возрастает, если его применить не только к исследованию свойств какой-нибудь смеси, но и распространить на определенную группу смесей веществ с типовыми характерными признаками. Влажные газы могут быть объединены в такую группу. Все они представляют собой бинарные системы, одним из компонентов которых является водяной пар. В этой связи следует заметить, что в природе не существует сухих газов. Все газы, так или иначе контактирующие с воздухом, содержат и водяной пар.
Область практического применения влажных газов обширна. Несмотря на это, до сих пор в отечественной и зарубежной литературе имелись лишь малочисленные разрозненные экспериментальные данные о термодинамических свойствах некоторых влажных газов. Исключение составляет, пожалуй, влажный воздух, для которого имеются таблицы его термодинамических свойств, но лишь при атмосферном днилении и положительных температурах. Не было специализированного справочника, в котором данные о термодинамических свойствах влажных газов были бы собраны, систематизированы, обобщены и оценены. Причина в том, что до сих пор не было обоснованной методики для выполнения этих работ.
Предлагаемая к защите диссертация посвящена разработке такой методики расчета термодинамических свойств влажных газов, которая с одной стороны имеет теоретическое обоснование, а с другой позволяет получить новые надежные расчетные результаты, удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными данными для тех влажных газов и в тех областях параметров, где такие данные имеются. Эта методика позволяет на основе экспериментальных данных о термодинамических свойствах чистых компонентов рассчитать значения термодинамических свойств большой группы веществ, а именно влажных газов, во всей практически используемой области параметров состояния на основе экспериментальных или стандартных справочных данных о термодинамических свойствах чистых компонентов.
Разработанная методика позволила произвести расчет таблиц термодинамических свойств двенадцати влажных газов: воздуха, азота, кислорода, метана, водорода, гелия, неона, аргона, криптона, ксенона, диоксида углерода и этана, - в диапазоне температур от 200 до
400 К, давлений до ЮМПа при относительной влажности от 0 до 100 %, включая расчет растворимости водяного пара в газах.
Эта работа была выполнена при финансовой поддержке Российскою фонда фундаментальных исследований (93-02-16532).
Цель работы.
Получение новых уравнений состояния для двенадцати широко используемых в науке и технике влажных газов.
Раїрабоїка методики расчета равновесной концентрации водяного пара во влажных газах и термодинамических свойств влажных газов: объема, энтальпии, энтропии, изобарной теплоемкости, парциального давления водяного пара, массового влагосодержания и абсолютной влажности, - в практически важной области параметров на основе: стандартных справочных данных о термических и калорических свойствах чистых компонентов; экспериментальных данных о растворимости льда и воды в газах; системы уравнений состояния влажного газа и растворимости. Разработка методики, позволяющей получить надежные рпечетные значения указанных свойств с одновременной оценкой погрешности расчетных значений.
Расчет таблиц справочных данных о равновесной концентрации водяного пара во влажных газах и о перечисленных выше термодинамических свойствах двенадцати названных влажных газов в практически важной области температур и давлений при относительной влажности от нуля до 100 % с указанием погрешности расчетных значений.
Научная новизна заключается в следующем.
Термодинамические свойства индивидуальных веществ изучены практически полностью. Вместе с тем чистых веществ в природе прак-
f>
тически нет. Мы имеем дело с бесконечным разнообразием различных смесей.
В данной работе предлагается новый научный подход, позволяющий для некоторой группы смесей (в данном случае для влажных raw») рассчитать их термодинамические свойства на основе имеющихся данных о свойствах индивидуальных веществ компонентов ті их смесей, включая обоснованный выбор группы таких смесей и облает параметров, іде йот расчет можно нроиївесіи и оценить итоговые результаты.
Выполнен анализ фазовых диаграмм бинарных систем газ - вода, который позволил сделать обоснованный выбор области параметров состояния для расчета равновесной концентрации водяного пара во влажных газах и их термодинамических свойств и определены границы параметров, за которыми нельзя использовать полученные уравнения состояния из-за наличия кристаллогидратной фазы.
Получено оригинальное уравнение растворимости льда и воды в газе на основе разработанного уравнения состояния влажного газа и уравнения состояния конденсированной воды посредством вполне корректных с соблюдением всех законов термодинамики преобразований условия фазового равновесия для воды как второго компонента влажного газа.
Впервые создана методика, позволяющая на основе разработанной модели влажного газа и экспериментальных данных о свойствах чистых компонентов получить расчетные значения термодинамических свойств различных влажных газов с одновременной оценкой погрешности этих значений для любых наперед заданных параметров бинарной системы в обширной и важной с практической точки зрения
области параметров состояния. Сопоставление расчетных значений термодинамических свойств влажных газов с имеющимися экспериментальными данными показало адекватность выбранной модели влажного газа и разработанной методики в целом.
Впервые на основе полученных уравнений проанализирован эффект Пойнтинга во влажных газах. Получено качественное подтверждение проявления этого эффекта. Показана невозможность количе-сшснноИ сю оценки при традиционном определении парциального давления водяного пара во влажном газе. Обнаружена также принципиальная ошибка в традиционном определении относительной влажности через отношение парциального давления водяного пара к давлению чистого насыщенного водяного пара при той же температуре и показано, что относительную влажность можно определить только как оіііоніеіінс концентрации водяного пара во влажном газе к равновесной его концентрации при тех же давлении и температуре.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Разработана универсальная методика, позволяющая произвести расчет растворимости водяного пара в любом газе с неполярными молекулами и расчет термодинамических свойств этого влажного газа при надлежащем выборе области параметров состояния на основе экспериментальных или справочных данных о свойствах чистого газа. Этой методике Государственная служба стандартных справочных данных (ГСССД) присвоила наименование "Методика ГСССД" и предназначила ее для проведения соответствующих расчетов (аттестат № 99 приложен к днсссріации).
Рассчшаны таблицы термодинамических свойств двенадцати влажных газов в диапазоне темпсраіур от 200 до 400 К, давлений до
10 МПа и относительной влажности от 0 до 100 %, в том числе и значений растворимости водяного пара в этих газах. Для всех расчетных значений указаны их погрешности. Таблицы термодинамических свойств влажных воздуха, азота, метана, водорода, гелия, аргона и диоксида углерода, где расчет производился с привлечением оцененных экспериментальных данных о растворимости льда и воды в этих газах, утверждены Госстандартом России в качестве стандартных справочных данных. Расчетным данным о термодинамических свойствах влажных лана, кислорода, неона, криптона и ксенона Государственной службой стандартных справочных данных присвоена категория рекомендуемых справочных данных. Соответствующие свидетельства (№№ 167-173, № 439) приложены к диссертации.
Получена новая формула растворимое ги, дающая возможность достаточно просто, не прибегая к решению системы уравнений, как это предусмотрено в методике, рассчитать равновесную концентрацию водяною пара в любом влажном газе с неполярными молекулами при любых наперед заданных давлении и температуре в исследованной области параметров с погрешностью, не превышающей экспериментальную.
Основные положения, выносимые на защиту.
I. Методика расчета равновесной концентрации водяного пара во влажных газах и термодинамических свойств влажных газов в области температур от 200 до 400 К, давлений до 10 МПа при относительной влажности от нуля до 100 % на основе экспериментальных или стандаргных справочных данных о свойствах индивидуальных веществ - компонентов влажного газа, в том числе:
- анализ фазовых диаграмм бинарных систем газ - вода, позволивший
сделать обоснованный выбор области параметров состояния, для ко
торой применима разработанная методика,
анализ литературных экспериментальных данных о растворимости льда и воды и газах и эмпирические формулы дли описания зависимости ной растворимости от температуры и давления;
аналитическая модель влажного газа и термические уравнения состояния лвсна/шаїи влажных газов;
уравнение растворимости водяного пара в газах;
методы и алгоритм расчета смешанных потенциальных параметров и смешанных вириальных коэффициентов;
- алгоритм расчета термодинамических свойств влажных газов с од
новременной оценкой погрешности расчетных значений.
-
Таблицы термодинамических свойств в диапазоне температур 200-400 К, давлений до 10 МПа и относительной влажности от 0 до 100 % семи влажных газов: воздуха, азота, метана, водорода, гелия, аргона и диоксида углерода, - утвержденные Госстандартом России в качестве стандартных справочных данных.
-
Данные о термодинамических свойствах в диапазоне температур 200-400 К, давлений до 10 МПа и относительной влажности от 0 до 100 % пяти влажных газов: кислорода, неона, криптона, ксенона и этана, - которым Государственной службой стандартных справочных данных присвоена категория рекомендуемых справочных данных.
4 Подтверждение на основе полученных уравнений закономерностей, связанных с проявлением во влажных газах эффекта Пойптип-га, состоящего в смешении фазового равновесия при изменении давления в одной из сосуществующих фаз, и анализ в связи с этим трали-
ционных определений парциального давления компонента смеси и относительной влажности.
5. Формула для расчета растворимости водяного пара во влажных га tax при заданных темпера гурс и давлении влажного газа, в котрий імбмючная растворимость (термин, шіслешімй автором) аналитически связана с константами (температурными функциями) уравнений состояния конденсированной воды и вириальными коэффициентами.
Вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включен ные в диссертацию, состоит в постановке обшей задачи исследования, в разработке основных положений методики расчета термодинамических свойств влажных газов: создании модели влажного газа, вывода уравнения растворимости водяного пара в газах, проведении анализа литературных экспериментальных данных о растворимости льда и воды в газах и анализа термодинамического поведения бинарных систем газ - вола, - а также в непосредственном участии на всех этапах решения поставленной задачи.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на 9-ой теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992 г.)
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, няні глав основных результатов, выводов, списка использованной литературы и приложений, содержит 290 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок, 95 таблиц, 78 ссылок на литературные источники и 9 приложений.