Термодинамічні властивості та характеристики високодисперсних ліофобних систем як нових гетерогенних робочих тіл

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 536.7; 532.6

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕРМОДИНАМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИСОКОДИСПЕРСНИХ ЛІОФОБНИХ СИСТЕМ ЯК НОВИХ ГЕТЕРОГЕННИХ РОБОЧИХ ТІЛ

Студенець Віктор Петрович

Київ-2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки та енергозбереження Інституту енергозбереження й енергоменеджменту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Єрошенко Валентин Андрійович, НТУУ “КПІ”, професор кафедри теплотехніки та енергозбереження

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАНУ, доктор технічних наук, професор Халатов Артем Артемович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділу високотемпературної термогазодинаміки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кравець Володимир Юрійович, НТУУ “КПІ”, доцент кафедри атомних електростанцій та інженерної теплофізики

Захист дисертації відбудеться “30” вересня 2008р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.09 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 5, аудиторія 307.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “29”серпня 2008р.Вчений секретар спеціалізованої Вченої Ради В.І. Коньшин

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Енергетику традиційних робочих тіл можливо характеризувати як таку, що наближається до межі ефективності використання енергопристроїв в умовах збільшення їх дефіциту. Необхідність виконання дійсної роботи зумовлена нагальною потребою у розробці та створенні енергопристроїв на нетрадиційних, принципово нових науково-технічних засадах, які б за своїми технічними характеристиками перевищували традиційні.

В останні роки, у межах наукового напрямку “термомолекулярна енергетика”, проводиться все більша кількість робіт з акумулювання та перетворення енергії з використанням поверхневих явищ у високодисперсних системах з наступним створенням ефективних енергопристроїв різного класу.

У той час, як усі відомі енергопристрої, що застосовують як робоче тіло газ або пару, як правило, використовують залежність кінетичної енергії хаотичного (теплового) руху молекул від температури, фізична і термодинамічна сутність термомолекулярних енергопристроїв полягає у використанні, з одного боку, факту термодинамічної зворотності процесів розвитку та скорочення міжфазових поверхонь, а з іншого боку, залежності потенційної енергії міжмолекулярної взаємодії від температури. Таким чином, вперше як робоче тіло використовується міжфазова поверхня. Подальше дослідження даного класу систем, а також їх аналогій у живій природі, може призвести до створення революційних технологій в енергетиці.

Дійсна робота стосується особливостей поведінки високодисперсних ліофобних систем (ВЛС), що використовуються як нове, гетерогенне, робоче тіло (ГРТ), яке складається з двох основних компонентів: рідини та капілярно-пористого тіла (КПТ), що не змочується цією рідиною. На сьогоднішній день накопичено певний досвід створення енергопристроїв нового класу, що використовують гетерогенне робоче тіло (гідрокапілярних акумуляторів, демпферів, виконавчих механізмів). Разом з тим, процес конструктивного розвитку та підвищення питомої енергоємності енергопристроїв на базі нових робочих тіл стримується недостатнім рівнем вивчення термодинамічних властивостей та характеристик гетерогенних робочих тіл, зокрема, явища гістерезису в ізотермічних процесах “стиснення-розширення” гетерогенних робочих тіл.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи обумовлена фундаментальними і прикладними дослідженнями, що тривалий час здійснюються в галузі розробки енергопристроїв нового класу на базі гетерогенних робочих тіл. Робота пов'язана з серією НДР “Дослідження властивостей та характеристик гетерогенних робочих тіл для термомолекулярних енергопристроїв”(ДР №0100U000963, 2000-2001рр.), “Глобальна модель гетерогенних термодинамічних систем” (ДР №0102U000640, 2002-2003рр.), “Дослідження термічного ефекту при стисненні гетерогенної термодинамічної системи” (ДР №0104U000644, 2004-2006рр.), що виконувались згідно тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є:

розробка методик визначення теплофізичних властивостей і характеристик гетерогенних робочих тіл в умовах існування гістерезису в ізотермічних процесах їх стиснення-розширення;

поглиблення термодинамічних і теплофізичних уявлень про ГРТ і розробка пропозицій щодо їх синтезу для різних класів енергопристроїв: гідрокапілярних акумуляторів і дисипаторів енергії.

Досягнення цієї мети обумовлює необхідність вирішення наступних задач. теплофізичний гетерогенний гістерезис термодинамічний

Провести теоретичне дослідження термодинамічних та теплофізичних аспектів процесів стиснення-розширення ВЛС з метою визначення факторів формування гістерезисної петлі.

Запропонувати та дослідити моделі ВЛС, що містять механізми гістерезису у процесах стиснення-розширення, з метою розробки методик визначення властивостей і характеристик системи та їх синтезу у відповідності з техзавданням.

Провести експериментальне дослідження процесів стиснення-розширення у ВЛС з метою кількісного визначення теплофізичних характеристик системи у цих процесах, зокрема, гістерезису, та перевірки запропонованих методик.

Провести теоретичне дослідження теплоємності ВЛС у процесах стиснення-розширення та її зв'язку з гістерезисними явищами.

Визначити нові перспективи створення інженерних систем на базі поглибленого вивчення феномену гістерезису у ВЛС та їх теплофізичних властивостей.

Об'єкт дослідження - високодисперсні ліофобні системи, що складаються з двох основних компонентів: рідини та капілярно-пористого тіла, яке не змочується цією рідиною.

Предмет дослідження - теплофізичні властивості ВЛС у процесах ізотермічного стиснення-розширення.

Методи дослідження. З метою розв'язання поставлених задач в основу роботи покладено використання термодинамічного методу Гіббса для поверхневих фаз, термодинамічних, гідромеханічних та молекулярних закономірностей теорії капілярності, а також методів колоїдної хімії щодо аналізу процесів міжфазної взаємодії. Експериментальні дослідження виконувались на спеціальному стенді для зняття ізотерм стиснення-розширення ВЛС за різних температур, обладнаного системою підвищення тиску та системою термостатування. Реєстрація тиску проводилась п'єзоелектричним датчиком, зміна об'єму реєструвалась спеціально сконструйованим волюметром усередині камери високого тиску. Обробка результатів здійснювалась на базі інформаційно-обчислювального комплексу. Достовірність отриманих результатів базується на використанні загальноприйнятих методик та порівнянні з даними інших авторів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

вперше проведено дослідження термодинамічних аспектів процесів стиснення-розширення ВЛС з визначенням факторів формування гістерезисної петлі, розроблено основи термодинамічної теорії гістерезису у процесах стиснення-розширення ВЛС;

запропоновано та досліджено капілярну та корпускулярну моделі ВЛС на базі капілярної, глобулярної та губчастої моделей КПТ, що містять механізм гістерезису у процесах стиснення-розширення; вперше виявлено та кількісно визначено змочувальну, топологічну та адгезійну гістерезисні складові; розроблено нові методи кількісного визначення теплофізичних властивостей системи, що формують складові гістерезисної петлі;

розроблено опис та кількісне визначення деформаційного фактору у процесі ізотермічного стиснення-розширення ВЛС як для глобулярної, так і для губчастої моделей КПТ;

отримано новий вираз температурної похідної крайового кута змочування, завдяки якій розроблено опис та кількісне визначення температурного фактору у процесі ізотермічного стиснення-розширення ВЛС;

проведено експериментальне дослідження процесів стиснення-розширення у ВЛС на різних температурних рівнях; підтверджено наявність деформаційного і температурного факторів та отримано сумарні кількісні величини гістерезису; підтверджено запропоновані методи визначення теплофізичних властивостей системи, що формують змочувальну, топологічну та адгезійну складові гістерезису під впливом деформаційного і температурного факторів;

проведено теоретичне дослідження поверхневої теплоємності рідкої компоненти ВЛС та отримано нові залежності для її визначення.

Практичне значення отриманих результатів полягає:

у їх використанні для розробки методик синтезу гетерогенних робочих тіл на базі ВЛС з необхідними енергетичними характеристиками; у можливості закладення у характеристику ГРТ необхідного ступеню дисипації накопиченої енергії;

у подальшому застосуванні синтезованих ГРТ в енергопристроях певного класу (гідрокапілярних акумуляторах, демпферах) з підвищеними технічними характеристиками.

Особистий внесок здобувача:

запропоновано та досліджено термодинамічну модель ВЛС, що містить механізм гістерезиса у процесах стиснення-розширення системи; отримано залежності для ряду термодинамічних властивостей ВЛС;

виявлено та кількісно визначено змочувальну, топологічну та адгезійну гістерезисні складові процесу стиснення-розширення ВЛС; розглянуто вплив деформаційного фактору на даний процес;

отримано температурну похідну крайового кута змочування та розглянуто вплив температурного фактору на процес стиснення-розширення ВЛС;

отримано вирази для поверхневої теплоємності рідкої компоненти ВЛС.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на наступних наукових конференціях.

Межгосударственная конференция «Теплофизика-96». Методы и средства измерения теплофизических параметров, 12-14 ноября 1996г., Обнинск, Россия.

International Conference “Dynamical System Modeling and Stability Investigation - DSMSI-2001”, May 22-25, 2001, Kyiv, Ukraine.

“Seventh International Conference on Interfacial Phenomena in Composite Materials - IPCM-2001”, September 11-14, 2001, Bordeax-Arcachon, France.

International Conference “Dynamical System Modeling and Stability Investigation - DSMSI-2003”, May 27-30, 2003, Kyiv, Ukraine.

III Международная конференция «Проблемы промышленной теплотехники», 29 сент.-4 окт. 2003г., Киев, Украина.

IV-th International Conference “Problems of Industrial Heat Engineering”, September 26-30, 2005, Kyiv, Ukraine.

V-th International Conference “Problems of Industrial Heat Engineering”, May 22-26, 2007, Kyiv, Ukraine.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 друкованих праць, з них 5 наукових статей в спеціалізованих фахових виданнях України, 2 наукові статті в іноземних фахових виданнях, 2 наукові доповіді у тезах наукових конференцій, отримано одне авторське свідоцтво.

Структура й обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел зі 122 найменувань і дев'ятьох додатків. Загальний обсяг дисертації складає 149 стор., включаючи 47 рисунків і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі для її досягнення; перелічені зв'язки роботи з науковими програмами, темами; зазначено новизну отриманих у дисертаційній роботі результатів, її практичне значення; наведено відомості про апробацію роботи і публікації автора, що відображують основну суть виконаних в роботі досліджень.

У першому розділі розглянуто стан питання щодо існуючих у технічній термодинаміці робочих тіл та параметрів, які характеризують теплофізичні властивості речовин, що є робочими тілами. Зазначено, що, незважаючи на їх уявну відмінність, в основі застосування кожного з даних робочих тіл, загалом, лежить єдиний фактор - використання залежності кінетичної енергії хаотичного (теплового) руху молекул системи від температури.

Розглянуто фізичну модель гетерогенної термодинамічної системи “рідина-тверде тіло” та термодинамічні методи опису міжфазової поверхні, започатковані Гіббсом, а пізніше, Ван дер Ваальсом. Показано наявність у розвинутої міжфазової поверхні значної вільної поверхневої енергії (потенціал Гіббса), що здатна виконувати корисну механічну роботу.

Проведено огляд явища гістерезису, що супроводжує процеси розвитку та скорочення міжфазової поверхні “рідина - тверде тіло” і є складним, фундаментальним процесом, що має різні форми: гістерезис змочування (статичний, кінетичний, фізико-хімічний), гістерезис капілярний (термокапілярний). Фізична природа цього явища залишається невизначеною.

Проведено огляд методів дослідження пористої структури твердих тіл, об'єднаних в єдиний напрямок - порометрію. Більш детально розглянуто метод ртутної порометрії, ідею та теоретичні основи якого було викладено Уошборном. Зазначено факт фіксації ртутною порометрією гістерезису інтрузії-екструзії, проблема якого до цього часу залишається до кінця не вирішеною.

Спираючись на термодинамічні методи опису міжфазової поверхні та на ртутну порометрію як метод розвитку та вимірювання значної міжфазової поверхні, розглянуто можливість використання високодисперсних ліофобних систем (ВЛС) як нового гетерогенного робочого тіла (ГРТ).

Гетерогенна термодинамічна система “рідина - капілярно-пориста речовина, що не змочується цією рідиною” є тепломеханічною системою і здатна до накопичення енергії. Якщо ізотермічно стискати таку систему, то її стиснення відбудеться за рахунок примусової інтрузії рідини в капілярно-пористе тіло. При цьому система практично нестислива доти, доки тиск у системі не досягне величини капілярного тиску Лапласа. Після цього починається процес інтрузії і, відповідно, ізотермічний процес стиснення системи в цілому. У процесі стиснення відбувається примусовий розвиток міжфазової поверхні «рідина-тверде тіло» (тобто накопичення енергії системою за рахунок утворення міжфазової поверхні). У зворотному процесі розширення системи (після зняття зовнішнього навантаження) відбувається екструзія, тобто спонтанний вихід рідини з КПТ, скорочення міжфазової поверхні, вивільнення накопиченої енергії та здійснення корисної роботи. Процес стиснення-розширення ВЛС (розвитку-скорочення міжфазової поверхні) супроводжується явищем гістерезису, тобто розходженням між кривими інтрузії та екструзії (появою різниці між тиском інтрузії і тиском екструзії ).

Нормована величина гістерезису визначатиметься наступним виразом

(1)

і лежатиме у діапазоні . Таким чином, у ВЛС може відбуватись повне чи часткове звільнення накопиченої енергії, або повна її дисипація.

Вперше ідею використання високодисперсної ліофобної системи “рідина - капілярно-пористе тіло, що не змочується цією рідиною” як нового робочого тіла, було запропоновано В.А.Єрошенком (Київський політехнічний інститут). Тим самим, вперше було запропоновано новий спосіб перетворення енергії, який полягає у використанні, з одного боку, факту термодинамічної зворотності процесів розвитку та скорочення міжфазових поверхонь, а з іншого боку, залежності потенційної енергії міжмолекулярної взаємодії від температури (замість традиційного використання температурної залежності кінетичної енергії хаотичного руху молекул робочого тіла).

Роблячи підсумок існуючих наукових результатів дослідження ВЛС, що використовуються як гетерогенне робоче тіло, зазначено, що, незважаючи на існуючий науковий добуток, є цілий ряд невирішених задач, у тому числі теплофізичних, які стримують подальший розвиток розробки та синтезу нової енерготехніки на базі ГРТ.

Головною невирішеною проблемою дослідження ВЛС як ГРТ залишається природа гістерезиса у процесах стиснення-розширення ВЛС. Гістерезис є складним, комплексним явищем, проте, існуючі моделі опису механізму гістерезису носять частковий, фізичний або фізико-хімічний, характер. Термодинамічні ж моделі ВЛС, описуючи певні їх властивості, не мають механізму опису гістерезисних явищ.

Не визначені теплофізичні фактори, які б сприяли з'ясуванню фізико-енергетичної природи гістерезису, або впливали на його величину.

Виходячи з вищезазначеного, сформульовано основні задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено термодинамічним аспектам процесів стиснення-розширення ВЛС. Для опису останніх запропоновано термодинамічну модель, що містить адгезійний механізм гістерезису та його кількісний опис. Розгляд моделі базується на КПТ у вигляді прямих паралельних капілярів і, як і процес, що моделюється, складається з двох частин - примусової інтрузії рідини у КПТ та її самовільної екструзії. Вихідні умови та припущення щодо ВЛС, яка розглядається: рідка компонента системи є нестисливою та нев'язкою; тверда компонента є абсолютно жорсткою; силою тяжіння знехтувано (); процеси власне розвитку та скорочення міжфазової поверхні проходять рівноважно (); ; система є закритою та хімічно інертною (процеси на зразок адсорбції або хімічних реакцій відсутні). У результаті дослідження отримано вирази для визначення тиску екструзії, роботи, теплоти та повної енергії процесів інтрузії та екструзії, виявлено дві гістерезисні складові - змочувальну та адгезійну, отримано залежності для їх кількісного визначення.

Сумарний приведений гістерезис процесу інтрузії-екструзії для капілярної моделі (КМ) матиме величину:



. (2)

Крім того, отримано значення коефіцієнту пружності (термічного коефіцієнту тиску) на всіх етапах процесу “інтрузія-екструзія”:

. (3)

Далі, запропоновану термодинамічну модель поширено на системи з глобулярною моделлю (ГМ) КПТ з метою наближення до реально існуючих твердих речовин з відкритою пористістю (вихідні дані та припущення ідентичні капілярній моделі). Отримано вираз для сумарної роботи інтрузії, максимального, мінімального і середнього тисків інтрузії, тиску екструзіі, виявлено три гістерезисні складові - змочувальну, топологічну, адгезійну.

Сумарна величина приведеного гістерезиса процесу інтрузії-екструзії для ГМ:

. (4)

Відповідно, значення коефіцієнту пружності (термічного коефіцієнту тиску) залишаться такими ж, як і для КМ:

. (5)

Після дослідження ВЛС з абсолютно нестисливими компонентами розглянуто вплив на процеси у ВЛС зовнішніх факторів - механічного і теплового (деформаційного і температурного). Вихідні положення для аналізу деформаційного фактора: модель твердої компоненти ВЛС є глобулярною, при цьому глобули деформуються під зовнішнім тиском; стисливістю та в'язкістю рідкої компоненти системи знехтувано; силою тяжіння знехтувано (); процеси розвитку та скорочення міжфазової поверхні проходять рівноважно (); ; система є закритою та хімічно інертною. Процес деформації КПТ відтворено, користуючись моделлю зі сферами, що перетинаються (МСП), яка є розвитком глобулярної моделі. При цьому, розгляд проведено для двох типів систем - корпускулярної (КС) та губчастої (ГС). У результаті отримано вирази для максимального, мінімального і середнього тисків інтрузії, тиску екструзіі, трьох гістерезисних складових (змочувальної, топологічної та адгезійної), сумарної величини приведеного гістерезису процесу інтрузії-екструзії, яка розрізнятиметься в залежності від типу системи.

Для КС, що деформується, сумарний приведений гістерезис складає:

(6)

де - коефіцієнт форми пор деформованої системи.

Відповідно, для ГС:

(7)

Далі, спираючись на комплексну дію деформаційного фактору, пов'язану з деформацією об'єму, поверхні та радіусу пор КПТ, визначено, що така теплофізична властивість ВЛС як ізотермічний коефіцієнт стискання також повинна мати комплексний характер. У результаті, на базі отриманих коефіцієнтів стискання об'єму , поверхні , радіусу та форми пор , визначено коефіцієнт деформації пор КПТ:

. (8)

Далі проведено дослідження температурного фактора, яке розпочато з визначення залежності для температурної похідної крайового кута змочування (розгляд базується на моделі ВЛС з капілярною моделлю КПТ з додатковим припущенням , тобто незалежності від температури будь-якого геометричного параметру КПТ):

, (9)

а також, виразів для коефіцієнту пружності (термічного коефіцієнту тиску) системи в процесі інтрузії та екструзії:

, (10)

. (11)

Після цього, від капілярної моделі (КМ) зроблено перехід до моделі глобулярної (ГМ). Отримано вирази для коефіцієнту пружності (термічного коефіцієнту тиску) системи в процесі інтрузії та екструзії. Для глобулярної моделі корпускулярної системи (ГМ КС):



, (12)

. (13)

Для глобулярної моделі губчастої системи (ГМ ГС):

, (14)

, (15)

. (16)

Аналіз отриманих у розділі 2 результатів дозволив сформулювати ряд висновків:

Первинна термодинамічна модель процесів інтрузії-екструзії у ВЛС на базі моделі КПТ у вигляді прямих паралельних капілярів містить у собі змочувальний та адгезійний механізми гістерезису, а також їх кількісний опис. Існування даних механізмів є результатом гістерезису крайового кута змочування і притаманне будь-якій ВЛС, незалежно від моделі КПТ.

Термодинамічна модель процесів інтрузії-екструзії для ВЛС на базі глобулярної моделі КПТ містить у собі змочувальний, адгезійний і топологічний механізми гістерезису та їх кількісний опис. Це стосується як глобулярної моделі для корпускулярної структури КПТ, так і глобулярної моделі для губчастої структури КПТ. Топологічний механізм є результатом складної геометрії порового простору у даних моделях КПТ і кількісно залежить від виду останніх.

Для будь-якої розглянутої моделі КПТ, величини кожної зі складових, а також сумарний коефіцієнт гістерезису є лінійними функціями крайового кута змочування. При цьому, змочувальна і адгезійна складові мають постійний характер та існуватимуть незалежно від топології КПТ.

Визначено механізм та кількісне значення впливу деформаційного фактору на гістерезисні складові процесу інтрузії-екструзії у ВЛС. Даний фактор є результатом зовнішньої силової дії на ВЛС, яка впливає на форму порового простору КПТ (розмір, площу та об'єм пор).

Визначено механізм та кількісне значення температурного фактору у процесі стиснення-розширення ВЛС. Даний фактор є результатом температурної залежності поверхневого натягу рідкої компоненти та крайового кута змочування.

Визначено величини таких теплофізичних властивостей як ізотермічний коефіцієнт стискання і термічний коефіцієнт тиску ВЛС у процесі стиснення-розширення. Величина термічного коефіцієнту тиску за умови для капілярної та глобулярної моделей КПТ залишається постійною на всіх етапах процесу стиснення-розширення ВЛС і дорівнює значенню . Величини термічного коефіцієнту тиску за умови для корпускулярної та губчастої систем. розрізнятимуться не тільки в залежності від топології КПТ, але й від стадії процесу стиснення ВЛС (інтрузії, або екструзії).

У третьому розділі наведено опис дослідницького стенду для зняття експериментальних ізотерм стиснення-розширення ВЛС при робочому тискові до 100 МПа і температурному рівні до 200єС. Основними конструктивними елементами стенду є камера високого тиску, задатчик тиску (насосна станція), датчик об'єму (волюметр), датчик тиску, термостатуючий пристрій. Реєстрація тиску проводиться п'єзоелектричним датчиком, зміна об'єму реєструється спеціально сконструйованим волюметром усередині камери високого тиску. Обробка результатів і побудова P-V діаграми здійснюється на базі інформаційно-обчислювального комплексу. Достовірність отриманих результатів базується на використанні загальноприйнятих методик та порівнянні з даними інших авторів.

На створеному дослідницькому стенді за приведеною методикою отримано експериментальні ізотерми стиснення-розширення ряду ВЛС на різних температурних рівнях. Три з них було взято як приклад:

ВЛС “СХ-1,5 + Hg” за температур 19, 80, 140єС,

ВЛС “КСК-Г + H2O” за температур 19, 50, 95єС,

ВЛС “ІХС-500 + Hg” за температур 21, 40, 60єС.

За результатами експериментальних досліджень отримано основні характеристики кожної ВЛС (з урахуванням деформаційного та температурного факторів), зокрема: об'єм інтрузії (об'єм пор) , величини тиску інтрузії та екструзії , нормовану величину гістерезису .

З метою обробки експериментальних даних та порівняння їх з результатами теоретичного дослідження розроблено загальну методику визначення величини гістерезису у процесах ізотермічного стиснення-розширення ВЛС. Гістерезисна методика дозволила отримати цілий ряд властивостей і характеристик ВЛС та порівняти відповідні величини з експериментальними, зокрема: тиск інтрузії ; тиск екструзії ; приведені величини гістерезису змочування , топологічного гістерезису , адгезійного гістерезису ; приведені величини сумарного гістерезису та ; коефіцієнти стискання радіусу , поверхні , об'єму та форми пор; термічні коефіцієнти тиску інтрузії та екструзії .

Визначено (див. (6), (7)), що в області сумарний приведений гістерезис , тобто процес екструзії рідини з КПТ відсутній, а в області , починаючи з певного значення , , тобто відбувається екструзія рідини під зменшеним тиском .

Результати порівняння модельних та експериментальних характеристик (відносні похибки) підтверджують коректність використаних теоретичних моделей, які описують процес ізотермічного стиснення-розширення ВЛС з задовільною точністю.

У четвертому розділі проведено дослідження природи поверхневої теплоємності та її ролі у термодинамічних процесах, що відбуваються у ВЛС. Пов'язано це з тим, що, як робоче тіло, використовується фактично міжфазова поверхня у ВЛС. Спочатку розглянуто теплоємність вільної поверхні рідини і отримано декілька нових співвідношень (зазначено від'ємність її величини):

, (16)

, (17)

. (18)

Далі досліджено співвідношення поверхневої та об'ємної теплоємностей рідкої фази. Отримано вираз для загальної теплоємності рідини як суми об'ємної та поверхневої складових:

. (19)

Побудовано залежність сумарної теплоємності системи від характерного розміру рідини у поровому просторі.

На закінчення проаналізовано можливість використання отриманих результатів при створенні енергопристроїв нового класу, сформульовано висновки.

П'ятий розділ присвячено прикладним аспектам використання результатів, отриманих у роботі. Проведено розрахунок питомої енергоємності ряду ГРТ на базі ВЛС (як максимальної так і з урахуванням гістерезису) для енергопристроїв різних класів (акумуляторів і демпферів). Розглянуто конструкції, робочі характеристики та результати випробувань ряду термомолекулярних енергопристроїв на базі ГРТ: автомобільний амортизатор (гідрокапілярний демпфер), автомобільний бампер (на базі гідрокапілярних демпферів), виконавчий енергопристрій (на базі гідрокапілярного акумулятора). Виконано порівняльний аналіз енергоємності термомолекулярних енергопристроїв та їх традиційних аналогів.

За результатами, представленими у розділі, сформульовано наступні висновки.

Підтверджено термодинамічну здатність гетерогенних робочих тіл акумулювати та демпфірувати механічну енергію за рахунок розвитку та скорочення міжфазової енергії. Доведено працездатність нових робочих тіл в умовах реальних навантажень у дійсному масштабі часу. Гетерогенне робоче тіло після випробувань перебуває у робочому стані (деградація властивостей робочого тіла відсутня).

Автомобільний ГРТ-амортизатор забезпечує пасажирський комфорт і безпеку механічних частин автомобіля за рахунок: зниження зусилля у відповідь на механічне навантаження на шток пристрою; інваріантності зусилля по відношенню до швидкості штока в діапазоні швидкостей і частот, перевищуючих порогові робочі значення; покращення внутрішньої жорсткості пристрою у не навантаженому стані; високої енергії дисипації з подальшою можливістю мініатюризації пристрою (питома енергоємність знаходиться у діапазоні 1ч8 Дж/см3 і залежить тільки від амплітуди переміщення, питома потужність дисипації наближається до 50 Вт/см3 і пропорційна робочій частоті).

Питома енергоємність акумуляторів на базі ГРТ наближається до відповідних значень традиційних аналогів (пневмогідроакумуляторів). Крім того, гідрокапілярні акумулятори мають значно кращу робочу характеристику: практично весь процес розрядки гідрокапілярного акумулятора відбувається майже на постійному тискові (у порівнянні зі значним падінням тиску при політропному процесі у пневмогідроакумуляторі). Нарешті, у гідрокапілярних акумуляторах конструктивний об'єм використовується повністю (на відміну від пневмоакумуляторів).

Ключову роль у величині енергоємності гідрокапілярних енергопристроїв відіграє наявність гістерезисної петлі як комплексної характеристики ГРТ, а також можливість регулювання її величини у процесі синтезу робочого тіла для пристроїв різного класу (акумуляторів, демпферів, виконавчих механізмів).

У додатках приведені наступні результати.

Геометричні параметри однорідної глобулярної моделі корпускулярної системи.

Геометричні параметри моделі зі сферами, що перетинаються. Модель хаотично розташованих сфер. Розрахунок деформаційних параметрів КПТ за моделлю зі сферами, що перетинаються. Розрахунок тиску пробою у системі сферичних порожнин, що перетинаються. Калібрування та визначення загальної похибки теплофізичного експерименту. Визначення величини гістерезису для ВЛС. Результати практичного застосування ВЛС як робочих тіл для термомолекулярних енергопристроїв. Акти випробувань робочого тіла та виконавчого енергопристрою.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено нове рішення науково-технічної задачі, спрямованої на конструктивний розвиток та підвищення питомої енергоємності енергопристроїв на базі нових гетерогенних робочих тіл. При цьому досягнута кінцева мета роботи - розроблено методики визначення теплофізичних властивостей і характеристик ГРТ в умовах існування гістерезису в ізотермічних процесах їх стиснення-розширення; поглиблено термодинамічні і теплофізичні уявлення про ГРТ і розроблено пропозиції щодо їх синтезу для різних класів енергопристроїв: гідрокапілярних акумуляторів і дисипаторів енергії.

На основі виконаного термодинамічного моделювання основних складових процесу стиснення-розширення високодисперсних ліофобних систем на різних температурних рівнях вперше отримані наступні наукові результати.

1. Проведено теоретичне дослідження термодинамічних аспектів процесів стиснення-розширення ВЛС. Запропоновано та досліджено моделі ВЛС, що містять механізми гістерезису у процесах стиснення-розширення. Визначено фактори формування гістерезисної петлі у даному процесі. Фактично, розроблено основи термодинамічної теорії гістерезису у ВЛС.

2. Розроблено загальну методику визначення основних теплофізичних властивостей ВЛС у процесі стиснення-розширення: тиску інтрузії ; тиску екструзії ; приведених величин гістерезису змочування , топологічного гістерезису , адгезійного гістерезису ; приведених величин сумарного гістерезису та ; коефіцієнтів стискання радіусу , поверхні , об'єму та форми пор; термічних коефіцієнтів тиску інтрузії та екструзії .

3. Проведено експериментальне дослідження процесів стиснення-розширення у ВЛС з метою кількісного визначення теплофізичних властивостей системи у цих процесах, зокрема, гістерезису, та перевірки запропонованих методик. Зроблено висновок про задовільний якісний та кількісний опис зазначеними методиками процесу ізотермічного стиснення-розширення у ВЛС.

4. Проведено теоретичне дослідження теплоємності ВЛС у процесах стиснення-розширення та її зв'язку з гістерезисними явищами. Отримано негативне значення величини поверхневої теплоємності рідкої компоненти ВЛС та її співвідношення з об'ємною теплоємністю.

На основі застосування одержаних наукових результатів отримані наступні практичні результати.

1. Розвинуто існуючі термодинамічні та теплофізичні основи синтезу ГРТ для різних класів термомолекулярних енергопристроїв, зокрема, отримано вирази для розрахунку питомої енергоємності ГРТ. Синтезовано наступні робочі тіла:

1) “СХ-1,5 + Hg”, 2) “КСК-Г + H2O”, 3) “ІХС-500 + Hg”, 4) “КСК+Л82”.

Отримано величини питомої енергоємності ГРТ для пристроїв різного класу (гідрокапілярних акумуляторів та демпферів):

	СХ-1,5 + Hg	ІХС-500 + Hg	КСК-Г + H2O	КСК + Л82
, [МДж/м3]	1,46	1,26	0,04	5,48
, [МДж/м3]	2,62	4,81	3,79	10,37

2. Розроблено, виготовлено та випробувано наступні енергопристрої на базі синтезованих ГРТ: автомобільний амортизатор (гідрокапілярний демпфер), автомобільний бампер (на базі гідрокапілярних демпферів), виконавчий енергопристрій (гідрокапілярний акумулятор).

3. Доведено працездатність нових робочих тіл в умовах реальних навантажень у дійсному масштабі часу. Встановлено, що гідрокапілярні амортизатори значно перевищують традиційні в'язкісні аналоги за питомою енергією дисипації (питома енергоємність знаходиться у діапазоні 1ч8 МДж/м3 і залежить тільки від амплітуди переміщення, питома потужність дисипації наближається до 50 МВт/м3 і пропорційна робочій частоті), мають більш комфортну робочу характеристику, спрощену гідромеханічну частину, більш екологічні. Питома енергоємність акумуляторів на базі ГРТ наближається до відповідних значень традиційних аналогів (пневмогідроакумуляторів). Крім того, гідрокапілярні акумулятори мають значно кращу робочу характеристику.

4. Підтверджено, що ключову роль у величині енергоємності даних енергопристроїв відіграє наявність гістерезисної петлі як комплексної характеристики ГРТ, а також можливість регулювання її величини у процесі синтезу робочого тіла для пристроїв різного класу.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Студенец В. П. Термодинамические особенности гетерогенных рабочих тел как динамических систем / В. П. Студенец // Вісник Київського національного університету. Сер.фіз.-мат. - 2001. - вип.5. - С. 173-178.

2. Запропонував термодинамічну модель ВЛС, що містить у собі механізм гістерезису в процесі стиску-розширення системи.

3. Єрошенко В. А. Поверхнева та об'ємна теплоємності у гетерогенних робочих тілах / В. А. Єрошенко, В. П. Студенець // Доповіді НАНУ. - 2002. - №4. - С. 104-111.

4. Дисертант отримав вирази для поверхневої теплоємності ВЛС у процесах стиснення-розширення системи (розвитку-скорочення міжфазної поверхні).

5. Eroshenko V. A. The Influence of Developed Interfaces upon the Heterogeneous Nanosystem Thermal Capacity / V. A. Eroshenko, V. P. Stoudenets // Composites. Part A: applied science and manufacturing. - 2002. - v.33 - P. 1349-1353.

6. Дисертант провів розрахунок співвідношення поверхневої та об'ємної теплоємності для бензолу та води.

7. Студенец В. П. Некоторые теплофизические особенности высокодисперсных лиофобных систем как рабочих тел / В. П. Студенец // Промышленная теплотехника. - 2003. - т.25. - №4. - С. 206-208.

8. Отримав співвідношення для температурної залежності крайового кута змочування.

9. Студенец В. П. Теплофизические особенности процесса расширения рабочих тел на базе высокодисперсных лиофобных систем / В. П. Студенец // Промышленная теплотехника. - 2006. - т.28. - №6. - С. 91-93.

10. Провів кількісну оцінку швидкісних та часових характеристик процесу розширення конкретних ВЛС.

11. Eroshenko V. A. A new paradigm of mechanical energy dissipation. Part 2: experimental investigation and effectiveness of a novel car damper / V. A. Eroshenko, I. Piatiletov, L. Coiffard, V. Stoudenets // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D: Journal of Automobile Engineering. - 2007. - v.221. - №3. - P. 301-312.

12. Дисертант провів розрахунок та побудував робочу характеристику гідрокапілярного амортизатора, а також його дисипативну спроможність.

13. Студенец В. П. Теплофизические особенности процесса сжатия рабочих тел на базе высокодисперсных лиофобных систем / В. П. Студенец // Промышленная теплотехника. - 2007. - т.29. - №7. - С. 218-220.

14. Провів уточнюючу кількісну оцінку термічної реакції ВЛС на різних стадіях процесу стиснення.

15. А. с. 1716708 СССР. Система для подъема затонувшего объекта / В. А. Ерошенко, В. Б. Цомая, В. П. Студенец (СССР). - № 1716708 ; заявл. 17.01.1990 ; ДСП.

16. Дисертант провів розрахунки підйомної сили та необхідної кількості гетерогенного робочого тіла.

17. Ерошенко В. А. Создание датчика температуры-исполнительного механизма на базе гетерогенного рабочего тела / В. А. Ерошенко, В. П. Студенец // «Теплофизика-96»: методы и средства измерения теплофизических параметров : межгосударств. конф., 12-14 ноября 1996г. : тезисы докл. - Обнинск: ФЭИ, 1996. - С. 44-45.

18. Студенець В. П. До питання про термодинамічні особливості гетерогенних робочих тіл як динамічних систем / В. П. Студенець // Dynamical System Modeling and Stability Investigation - DSMSI-2003 : intern. conf., May 27-30, 2003. : thesis of conf. reports. - Kyiv: Kyiv National University, 2003. - P. 248.



АНОТАЦІЯ

Студенець В.П. Термодинамічні властивості та характеристики високодисперсних ліофобних систем як нових гетерогенних робочих тіл. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова енергетика. - Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти і науки України, Київ, 2008р.

Дисертація присвячена розробці термодинамічних та теплофізичних основ синтезу нових гетерогенних робочих тіл (ГРТ) на базі вискодисперсних ліофобних систем (ВЛС) для різних класів енергопристроїв і стосується розробки методик визначення теплофізичних властивостей ВЛС в ізотермічних процесах “стиснення-розширення”, коли система здатна до накопичення енергії за рахунок утворення міжфазової поверхні.

З метою дослідження ВЛС “рідина - капілярно-пористе тіло (КПТ), що не змочується цією рідиною” запропоновано термодинамічну модель ВЛС на базі капілярної, глобулярної та губчастої моделей КПТ, яка містить механізм феномену гістерезису в процесі стиснення-розширення ВЛС та дозволяє розробити загальну методику визначення основних теплофізичних властивостей ВЛС: тиск інтрузії та екструзії; об'єм інтрузії; роботу та теплоту процесів інтрузії та екструзії; зміну внутрішньої енергії міжфазної поверхні; змочувальну, топологічну та адгезійну гістерезисні складові; ізотермічний коефіцієнт стискання і термічний коефіцієнт тиску.

Проведено експериментальне дослідження процесів стиснення-розширення у ВЛС з метою кількісного визначення теплофізичних характеристик системи у цих процесах, зокрема, гістерезису, та перевірки запропонованих методик.

Розвинуто існуючі термодинамічні та теплофізичні основи синтезу ГРТ для різних класів енергопристроїв. Розроблено, виготовлено та випробувано наступні енергопристрої на базі ГРТ: автомобільний амортизатор (гідрокапілярний демпфер), автомобільний бампер (на базі гідрокапілярних демпферів), виконавчий енергопристрій (на базі гідрокапілярного акумулятора).

Ключові слова: високодисперсна ліофобна система, гетерогенне робоче тіло, міжфазна поверхня, теплофізичні властивості.



АННОТАЦИЯ

Студенец В.П. Термодинамические свойства и характеристики высокодисперсных лиофобных систем как новых гетерогенных рабочих тел. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальный технический университет Украины «КПИ», Министерство образования и науки, Киев, 2008г.

Диссертация посвящена разработке термодинамических и теплофизических основ синтеза новых гетерогенных рабочих тел (ГРТ) на базе высокодисперсных лиофобных систем (ВЛС) для разных классов энергоустройств и касается разработки методик определения теплофизических свойств ВЛС в изотермических процессах “сжатие-расширение”, когда система способна к накоплению энергии за счет образования межфазной поверхности.

С целью исследования ВЛС “жидкость - капиллярно-пористое тело (КПТ), не смачиваемое этой жидкостью” предложена термодинамическая модель ВЛС на базе капиллярной, глобулярной и губчатой моделей КПТ, содержащая механизм феномена гистерезиса в процессе сжатия-расширения ВЛС и позволяющая разработать общую методику определения основных теплофизических свойств ВЛС: давления интрузии и экструзии; объема интрузии; работы и теплоты процессов интрузии и экструзии; изменения внутренней энергии межфазной поверхности; смачивающей, топологической и адгезионной гистерезисных составляющих; изотермического коэффициента сжатия и термического коэффициента давления.

Для любой из рассмотренных моделей КПТ величины каждой из составляющих, а также суммарного приведенного гистерезиса являются линейными функциями краевого угла смачивания. При этом смачивающая и адгезионная составляющие гистерезиса носят постоянный характер и существуют независимо от топологии КПТ. Топологическая составляющая есть результат сложной геометрии порового пространства в данных моделях КПТ и количественно зависит от вида последних.

Определен механизм и количественное значение влияния деформационного фактора на гистерезисные составляющие процесса интрузии-экструзии в ВЛС. Данный фактор есть результат внешнего силового воздействия на ВЛС, влияющего на форму порового пространства КПТ (размер, площадь и объем пор).

Определен механизм и количественное значение температурного фактора в процессе сжатия-расширения ВЛС. Данный фактор есть результат температурной зависимости поверхностного натяжения жидкой компоненты и краевого угла смачивания.

Проведено экспериментальное исследование процессов сжатия-расширения ВЛС с целью количественного определения теплофизических характеристик системы в этих процессах, в частности, гистерезиса, и проверки предложенных методик. Сделан вывод об удовлетворительном качественном и количественном описании данными методиками процесса изотермического сжатия-расширения ВЛС.

Проведено теоретическое исследование теплоемкости ВЛС в процессах сжатия-расширения и ее связи с гистерезисными явлениями. Получена величина поверхностной теплоемкости жидкой компоненты ВЛС и ее соотношение с объемной теплоемкостью.

Развиты существующие термодинамические и теплофизические основы синтеза ГРТ для различных классов энергоустройств. Разработаны, изготовлены и испытаны следующие энергоустройства на базе ГРТ: автомобильный амортизатор (гидрокапиллярный демпфер), автомобильный бампер (на базе гидрокапиллярных демпферов), исполнительное энергоустройство (на базе гидрокапиллярного аккумулятора). Доказана работоспособность новых рабочих тел в условиях реальных нагрузок в реальном масштабе времени. Подтверждена ключевая роль в величине энергоемкости данных энергоустроств наличия гистерезисной петли как комплексной характеристики ГРТ, а также возможность регулирования ее величины в процессе синтеза рабочих тел для устройств разного класса.

Ключевые слова: высокодисперсная лиофобная система, гетерогенное рабочее тело, межфазная поверхность, теплофизические свойства.



ANNOTATION

Stoudenets V.P. Thermodynamic properties and characteristics of highly dispersed liophobic systems as a new heterogeneous working media. - The manuscript.

The candidate of engineering science degree thesis by specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial power engineering. - National Technical University of Ukraine “Kiev polytechnic institute”, Ministry of education and science of Ukraine, Kyiv, 2008.

The work is devoted to the providing of the thermodynamic and thermophysical basis of a new heterogeneous working media (HWM) synthesis for different types of energy devices based on highly dispersed liophobic systems (HDLS). It deals with the method preparation of HDLS thermophysical properties during the isothermal compression-expansion when the system can accumulate energy due to interphase expansion.

The HDLS “liquid - porous liophobic solid (PLS)” thermodynamic model on the base of capillary, globular and spongy models of PLS is suggested for HDLS investigation. It contains the mechanism of hysteresis phenomenon in HDLS isothermal compression-expansion process and enables to devise a method of HDLS general thermophysic properties determination: pressure of intrusion and extrusion; volume of intrusion; work and heat of intrusion and extrusion; interphase intrinsic energy change; wetting, topological and adhesive hysteresis components; isothermal compression coefficient; thermal pressure coefficient.

The HDLS compression-expansion process experimental investigation giving the quantitative description of the HDLS thermophysic properties and hysteresis in processes considered is realized and the analytical methods suggested are tested.

The thermodynamic and thermophysical basis of HWM synthesis for different types of energy devices is provided. The next HWM energy devices are designed, produced and tested: automobile shock absorber (hydrocapillary damper), automobile bumper (on the base of hydrocapillary dampers) and actuator (on the base of hydrocapillary accumulator).

Key words: highly dispersed liophobic system, heterogeneous working media, interphase/interface, thermophysical properties.

Размещено на Allbest.ru

...