Автореферат (Исследование термодиффузии в разреженных трехкомпонентных газовых системах при различных концентрациях и температурах)

На правах рукописиМакеенкова Ольга АндреевнаИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИФФУЗИИ В РАЗРЕЖЕННЫХТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СИСТЕМАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХКОНЦЕНТРАЦИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХСпециальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре физики филиала Федерального государственногобюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске.Научный руководитель:доктор технических наук, профессорБогатырев Александр ФедоровичОфициальные оппоненты:Козлов Александр Дмитриевич,доктор технических наук, профессор,руководитель главного научногометрологического центра «Стандартныесправочные данные о физических константахи свойствах веществ и материалов» ФГУП«Всероссийский научно-исследовательскийинститут метрологической службы»Дадашев Мирали Нуралиевич,доктор технических наук, профессор,профессор кафедры физической и коллоиднойхимии ФГБОУ ВО «Российскийгосударственный университет нефти и газа(национальный исследовательскийуниверситет) имени И.М.

Губкина»Ведущая организация:ООО «Научно-исследовательский институтприродных газов и газовых технологий —ВНИИГАЗ»Защита диссертации состоится 22 апреля 2016 года в 10 часов 00 мин. назаседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17, корп.

Т,кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, ауд. Т-206.С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотекеФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) с подписями, заверенныепечатью учреждения, просим присылать по адресу 111250, Москва,Красноказарменная ул., дом 14, Ученый совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».Автореферат разослан «___» __________ 2016 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.157.04кандидат технических наукА.К. Ястребов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыРешение задач тепломассообмена, фазового равновесия, сепарации,дегазации, выпадения газоконденсата и других процессов необходимо вомногих областях науки и техники.

Развитие газовой, нефтяной, химической идругих отраслей промышленности требует знания теплофизических свойстввеществ и, в частности, характеристик молекулярного массопереноса –диффузииитермодиффузии.Явлениетермодиффузиизаключаетсявизменении состава газовой смеси в горячей и холодной областях приналожении на нее градиента температур. Во многих случаях термодиффузияявляется процессом, который может существенно воздействовать на течениедругих процессов или вызывать их появление. Поэтому необходимо либовводить соответствующую поправку на термодиффузию, либо исключать еевлияние на течение технологических процессов.В настоящеевремяпроцесс термодиффузииописывается двумятеориями: кинетической и термодинамической.

Кинетическая теория в своюочередьразбиваетсянадве:элементарнуюистрогую.Наибольшеераспространение для описания термодиффузии получила строгая кинетическаятеория. Однако, как следует из проведенного различными исследователямианализа, расчеты по строгой кинетической теории не всегда приводят ксогласию между теорией и экспериментом, наблюдаются расхождения каккачественного, так и количественного характера.

Элементарная теория внастоящее время развита только для модели твердых сфер.Экспериментальнотермодиффузиявмногокомпонентныхгазовыхсистемах на данный момент исследована недостаточно полно. Так, поимеющимся данным, даже по трехкомпонентным системам исследовано около160 смесей газов различного состава для 13 систем газов. Более подробноисследованы только три трехкомпонентные системы: He-N2-Ar, H2-He-Ar,He-Ar-CO2, для которых исследовано 88 смесей газов.

При этом выполненные к3настоящему моменту измерения не позволяют сделать однозначный вывод осогласии теории и эксперимента, а также о влиянии третьего компонента натермодиффузионное разделение двух других компонентов смеси.Изучение процесса термодиффузии в многокомпонентных газовыхсистемахтребуетпроведенияэкспериментальногоисследованиятермодиффузионного разделения в широком диапазоне концентраций итемператур с целью проверки возможности расчета термодиффузионныхпостоянных (ТДП) по существующим теориям и полуэмпирическим методамрасчета. Результаты такого исследования являются основой при разработкесхемы и методики, позволяющей рассчитать ТДП в пределах погрешностиэксперимента.Работа выполнялась в соответствии с заданием и планами научноисследовательской«Экспериментальноетеплофизическихтермодинамическихработыипогосбюджетнойтеоретическоехарактеристикисследованиемолекулярногопараметров»(гос.темерег.7.4312.2011зависимостимассопереноса01201253802),отнаучно-исследовательской работы в рамках базовой части государственного заданияМинобрнауки России № 2014/123 на выполнение государственных работ всфере научной деятельности проект № 2493 «Исследование и разработкаметодов, моделей и технологий интеллектуального анализа данных иподдержки принятия решений в топливно-энергетическом комплексе» (гос.

рег.01201458416).Цель работыЭкспериментальное и теоретическое исследование термодиффузионногоразделения в разреженных трехкомпонентных газовых системах, содержащихтехнически важные газы, при различных составах смеси и температурах.Основные задачи исследования- Провестиэкспериментыпоопределениютермодиффузионныххарактеристик трехкомпонентных газовых систем для различных концентрацийкомпонентов и температур эксперимента.4- Проанализироватьзависимостьэкспериментальныхданныхпотермодиффузионному разделению трехкомпонентных газовых смесей отконцентрации и температуры.- Разработать метод расчета термодиффузионных постоянных вшироком интервале составов газовых смесей и температур.Научная новизна работы заключается в следующем:- полученыэкспериментальные данныепотермодиффузионномуразделению ряда разреженных трехкомпонентных газовых систем, содержащихтехнически важные газы, в широком диапазоне концентраций и температур;- значительная часть данных по термодиффузионному разделению висследованной области термодинамических параметров получена впервые;- предложена схема и методика расчета по ней термодиффузионныхпостоянных в трехкомпонентных газовых системах в широком диапазонеизменения концентраций и температур, использующая ТДП бинарных систем.Практическая значимость работы состоит в том, что полученные врезультате исследования экспериментальные данные и формулы для расчетаТДП могут быть использованы:- для пополнения баз данных по термодиффузионному разделению втрехкомпонентных газовых системах;- прирасчететепломассообменныхпроцессов,многофазнойфильтрации, фазового равновесия, процессов горения, а также проектированиии разработке оборудования в самых различных областях науки и техники –энергетике, газовой и химической промышленности и т.п.- для развития кинетической теории многокомпонентных газовыхсистем.Обоснованность и достоверность выводов обеспечивается надежнымиэкспериментальными данными, корректным использованием кинетическойтеории при получении расчетной формулы, а также согласием междуэкспериментальными и расчетными данными.5Основные положения, выносимые на защиту:- результаты экспериментального исследования термодиффузионногоразделения в трехкомпонентных газовых системах при различных составахсмесей и температурах эксперимента;- формулы для расчета и обобщения ТДП в широком диапазонеконцентраций и температур.Апробация работыОсновныеположенияирезультатыдиссертационнойработыдокладывались на конференциях:- XIV Российской конференции (с международным участием) потеплофизическим свойствам веществ (РКТС-14), 15-17 октября 2014 г., Казань.- XXVМеждународнойнаучнойконференции«Математическиеметоды в технике и технологиях – ММТТ-25», 28-30 мая 2012 г., Саратов,СГТУ.- 19, 20 Международных научно-технических конференциях студентови аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», Москва, НИУ «МЭИ»2013, 2014 гг.- III,МеждународныхIVнаучно-техническихконференциях«Энергетика, информатика, инновации», Смоленск, филиал МЭИ в г.Смоленске, 2013, 2014 гг.–- IXстудентовиXIIМеждународныхаспирантовнаучно-технических«Информационныетехнологии,конференцияхэнергетикаиэкономика», Смоленск, филиал МЭИ в г.

Смоленске 2012 – 2015 гг.ПубликацииОсновноесодержаниедиссертацииизложенов3статьях,опубликованных в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данныхWeb of Science и Scopus; 7 статьях в ведущих российских рецензируемыхнаучных журналах и изданиях, входящих в Перечень ВАК России; 1монографии, а также в 11 статьях в других научно-технических сборниках исборниках трудов и тезисов докладов международных и российских6конференций. В рамках выполнения диссертационной работы также получено 2свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.Личный вклад автора в получение результатов, изложенных вдиссертации.

Соискателем лично получены следующие результаты: проведенанализсовременногосостояниятеоретическихиэкспериментальныхисследований по термодиффузии в многокомпонентных газовых системах;полученазначительнаячастьэкспериментальныхданныхпотермодиффузионному разделению в разреженных трехкомпонентных газовыхсистемах; осуществлен анализ полученных экспериментальных данных;предложена схема и методика расчета по ней ТДП в трехкомпонентныхгазовых системах через ТДП соответствующих бинарных систем, данырекомендации по использованию предложенной схемы расчета; полностьювыполнены расчеты ТДП по существующим теориям и предложенной схемерасчета для рассматриваемых в работе систем газов; реализовано программноеобеспечениедлярасчетатермодиффузионныххарактеристиквтрехкомпонентных газовых системах по предложенной методике, а такжепрограммное обеспечение для расчета термодиффузионных постоянных вбинарных и трехкомпонентных газовых смесях в рамках кинетических теорий.Структура и объем диссертацииМатериалы диссертации изложены на 129 страницах основного текста,включающих 24 рисунка и 17 таблиц.

Работа состоит из введения, трех глав,основных выводов, списка использованных источников из 178 наименований идвух приложений на 29 страницах.ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность исследований, проводимых врамках диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования,выделены научная новизна и практическая ценность работы, представленыположения, выносимые на защиту, отмечен личный вклад автора исследования.В первой главе проведен обзор теоретических методов описаниятермодиффузии в многокомпонентных газовых системах. Рассмотрены способы7описания процесса термодиффузии в многокомпонентных газовых системах врамках строгой и элементарной кинетических теорий, а также в рамкахтермодинамики необратимых процессов.В первой главе также проведен обзор экспериментальных исследованийпо термодиффузии в многокомпонентных газовых системах.