КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ И СОСТОЯНИЙ СМЕСЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ ВОДЫ И ФТОРУГЛЕРОДОВ

Выполнен аналитический обзор методик и соотношений по расчету поверхностного натяжения для простых однокомпонентных и многокомпонентных систем; оценка и систематизация данных о влиянии ПАВ, включая перфторуглероды, на межфазные взаимодействия, методик расчета термогидродинамических характеристик двухфазных двухкомпонентных течений с фазовыми переходами. Разработаны физико-математическая модель и компьютерная программа (с базой данных для различных веществ) расчета поверхностного натяжения на границе жидкость - пар той же физической природы на базе уравнения состояния Ван-Дер Ваальса. Осуществлен расчет внутреннего параметра несимметричности потенциального поля для рассматриваемого вещества с учетом принципа минимума потенциальной энергии, ориентации молекулы жидкости, числа степеней свободы молекулы на межфазной поверхности. Создана методика расчета поверхностного натяжения на границе раздела фаз вода - смесь водяного пара и фторуглеродного газа, базирующаяся на ранее созданных аналитических методах расчета поверхностного натяжения для однокомпонентных систем жидкость - пар. Рассмотрена задача, связанная с межмолекулярным взаимодействием поверхностных молекул жидкости, пара той же физической природы и молекул фторуглеродных газов, в частности, взаимной ориентации их молекул в приповерхностных слоях: верхний слой жидкости, мономолекулярный слой газов. Полученные экспериментальные данные позволяют оценить значения двух констант, используемых в расчетной модели поверхностного натяжения смеси. Используя принцип о минимуме потенциальной энергии на межфазной поверхности, принцип максимума межмолекулярного взаимодействия для веществ разной физической природы, вычисляя число степеней свободы молекул компонент смеси, предложен способ определения ориентации молекулы жидкости вблизи межфазной поверхности. Исходя из этих соображений, с относительной погрешностью 5% посчитано индивидуальное значение параметра несимметричности потенциального поля притяжения молекул пара к молекулам жидкости на межфазной поверхности для каждого рассмотренного вещества; предложен способ определения взаимной ориентации молекул жидкости и молекул ПАВ вблизи межфазной поверхности. Численно установлено, что ориентация молекул в приповерхностном слое воды и мономолекулярном слое смеси значительно изменяет поверхностное натяжение смеси. Показано, что симметричные молекулы газа (например, элегаз SF₆) слабо влияют на поверхностное натяжение смеси, которое остается близким значению поверхностного натяжения на границе вода - водяной пар во всем исследуемом диапазоне температур. С другой стороны, длинные молекулы, типа C₃F₈, C₄F₁₀ ориентируются перпендикулярно межфазной поверхности. Поверхностное натяжение на границе вода - парогазовая смесь может при этом изменяться в два - три раза во всем диапазоне исследуемых температур и концентраций ПАВ. Численный эксперимент показал, что при объемной концентрации фторуглерода на удалении от межфазной поверхности 0,05 и возникающей при этом объемной концентрации на межфазной поверхности порядка 0,4 в области исследованных режимных параметров конденсация пара из парогазовой смеси превышает конденсацию чистого сухого насыщенного пара при том же давлении на 5 - 10%. Создан экспериментальный стенд для определения поверхностного натяжения на границе жидкость - смесь пара той же физической природы и газа другой физической природы. Выполнены верификационные экспериментальные исследования по определению поверхностного натяжения для чистых веществ: вода - водяной пар. Выполнены верификационные экспериментальные исследования по определению поверхностного натяжения для чистых веществ: вода - водяной пар, C₄F₁₀ - пары C₄F₁₀; экспериментальные данные по поверхностному натяжению на границе жидкость - газ для смесевых композиций воды и фторуглеродов (вода - смесь водяного и фторуглеродных паров элегаза SF₆, перфторпропана C₃F₈, перфторбутана C₄F₁₀). Получены экспериментально обоснованные расчетные соотношения поверхностного натяжения на границе системы вода - парогазовая смесь (включая системы вода - водяной пар и газы ПАВ). Осуществлена верификация расчетной методики поверхностного натяжения (сравнение экспериментально полученных значений с расчетными величинами). Полученное аналитическое соотношение для расчета поверхностного натяжения смеси является функцией температуры и объемной концентрации фторуглеродного газа в смеси и справедливо для любых размеров молекул газа. Создан расчетный модуль Mathcad, реализующий влияние поверхностного натяжения на границе вода - смесь водяного и фторуглеродного паров на интенсивность контактной конденсации. Численно исследован тепломассообмена в процессах фазового перехода при конденсации водяного пара из ПГС на струе воды. Численно исследовано влияние поверхностного натяжения (числа Вебера We) на интенсивность теплообмена при струйной конденсации.