Методы расчета термодинамических свойств многокомпонентных смесей для разработки новых рабочих тел дроссельных циклов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

V/

и и

-1 МАП 1093

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Подчерняев Олег Николаевич

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ' МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ НОВЫХ РАБОЧИХ ТЕЛ ДРОССЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ

Специальность 01.04.09 - Физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1993 Г.

Работа выполнена на Кафедре криогенной техники Московского энергетического института

Научный руководитель: доктор технических наук профессор М.Ю.Боярский

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор В.А.Рабинович

кандидат технических наук доцент В.В.Алтунин

. Ведущая организация: Научно-производственное объединение

"Энергия"

Защита состоится "12" марта 1993 г., в на заседании специализированного совета К 053.16.02 в Московском энергетическом институте, Красноказарменная ул., д.17, корпус Т, каф.ИТФ, к. 206.

Отзыв, заверенный печатью, просим присылать по адресу: Москва, 105835, ГСП, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "/У" февраля 1993 г.

Учений секретарь специализирован?!' совета К фа.16.02

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность теми. Одно из перспективных направлений развития ресурсосберегающих технологий низкотемпературной техники связано с применением многокомпонентных рабочих тел (МРТ). Наибольшие эффект развитие этого направления получило в относительно простых в конструктивно-технологическом отношении дроссельно-ре-гонератив1ШХ системах (ДРС). Получение холода в ДРС основано на сочетании процессов сжатия, регенеративного теплообмена и дросселирования. Такая последовательность процессов характерна как для газожидкостных, так и для парожидкостных циклов.' Системы на их основе применяются в широкой области температур от окружающей среда до криотемператур То<120 К.

В криогенной технике эффективное применение МРТ стало возможным благодаря работам, начатым в конце 60-х годов под руководством В.М.Бродянского, А.К.Грозина. В дальнейшем это направление было развито и доведено до практического использоваши в работах М.Ю.Боярского, Н.Д.Захарова и Г.К.Лавренченко и других работах.

В настоящее время в криогеяике на основе ДРС на смесях разрабатываются высокоэффективные охладители ВТСП-устройств, ожижители азота и метана, криохирургические инструменты. В области низкотемпературной холодильной техники такие система эффективны при создании термокамер, сублиматоров, для охлаждения технологических потоков до Т0=140-220 К. В области умеренного охлаждения до температур Т0=253...278 К интерес к применению, МРТ возник в связи с необходимостью замещения озоноразрушаицих фреонов в перо-компрессионных установках.

Для обеспечения высокой энергетической эффективности ДРС в состав рабочего тела вводят компоненты, критические температуры которых различаются в 3...5 раз. В ряде случаев с целью понижения температуры кипения в испарителе ДРС в МРТ вводят неконденсирующиеся компоненты, такие, например, как гелий или неон. При этом критические температуры низко и высококипящих компонентов различаются в 10 и более раз.

Несмотря на то, что исследования систем на смесях ведутся в течение длительного времени, метода расчета термодинамически свойств необходимых для построения эффективных ДРС развиты недостаточно. В частности, до настоящего времени не разработаны алгоритмы расчета фазовых равновесий смесей с гетерогенной жидкостью,

в состав которых входят неконденсирующиеся компоненты. Необходимо дальнейшее развитие уравнений состояния, позволяющих прогнозировать с повышенной точностью свойства как известных, так и вновь синтезируемых чистых хладагентов, а также свойства сугубо реальных смосей на их основе, что важно для создания новых высокоэффективных рабочих тел.

Цель работы. Разработать алгоритмы расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств MPT, содержащих компоненты с сильно различающимися критическими параметрами. Разработать единое уравнение состояния (ЕУС) повышенной точности для прогнозирования свойств чистых вешеств, а также фазовых равновесий и свойств смесей по ограниченным экспериментальным данным. На этой основе провести разработку высокоэффективных систем на.МРТ для конкретных условий применения.

Научная новизна. 1) Разработаны универсальные алгоритмы, позволяющие без привлечения экспериментальных данных по фазовому равновесию, рассчитывать число фаз в системе, равновесные концентрации компонентов и термодинамические свойства смесей, содержащих компоненты, критические температуры Tc1/Tc;J которых различаются (в 3...6 раз).

2)'Разработан универсальный метод определения параметров трехпа-раметрических единых уравнений состояния для описания свойств неполярных и слабополярных веществ и смесей.

3) Предложено единое уравнейие состояния, позволяющее по данным для критической точки с высокой точностью описывать термодинамические свойства неполярных и слабополярных веществ, а также фазовые равновесия и свойства многокомпонентных смесей на их основе, в том числе при параметрах, близких к критическим.

' Автор защищает положения, определяющие научную новизну работы. Кроме того защищаются следующие результаты исследований:

1) экспериментальные р-т-х данные для бинарных-смесей на основе компонентов: R218-RC318, SF6-C3H8, SF6-nC5Hi2,B интервале температур от Тос до температуры ликвидус;

2) расчетные энергетические характеристики высокоэффективных ДРС на смесях.

Практическая ценность работы. Разработанные методы расчетов термодинамических свойств МРТ и характеристик ДРС позволяет строить эффективные системы криостатирования или неизотермического охлаждения. Программы на их основе расширили созданный ранее па

кафедре криогенной техники пакет прикладных программ. Они были использованы при разработка систем криостатирования на температурные уровни 25...30 К и 80...90 К во ФГИНТе АН Украины. Программы и новые схемные решения использованы для проектирования ожижителя азота большой производительности и рефрижератора для охлаждения ВТСП-устройств в НПО "Криогенмаш"; при разработке ожижителя природного газа.в Конструкторском Бюро Общего Машиностроения (КБОМ). Результаты экспериментальных исследований использованы при создании кондиционера воздуха в НПО "Энергия", а также бытового морозильника на смеси в НПВЦ "Сканер".

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры КТ МЭИ, 50-й научной конференции ОТШШ (Одесса, 1989г.), Всесоюзной научно-практической конференции-"Пути интенсификации производства с применением искусственного холода в отраслях агропромышленного комплекса, торговле и на транспорте" (Одесса, 1989г.), Всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологии" (Москва, 1990г.), Международной научно-технической конференции "Криогенная техника науке и производству" (Москва, 1991г.), 14-й Международной конференции по криогенной технике й материалам (Киев, 1992г.).

Публикации.. По теме диссертационой работы опубликованы 6 печатных работ.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти.глав, выводов и списка использованной литературы. Обьем работы - 199 страниц машинописного текста, из них основного текста - 112 страниц, 71 рисунок, 27 таблиц. Библиография содержит 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, изложены основные результата, Научная новизна и практическая значимость работы.

§_0врвой_главе проанализированы тенденции развития систем на смесях и методы расчета их характеристик, отражено состояние вопроса, выделены области практического применения систем на МРТ; обоснована необходимость создания методов расчета свойств смесей, ■ содержащих компоненты с существенно различающимися критическими параметрами.

Проведено сопоставление уравнений состояния вандерваальсов-ского типа, включающих различное число параметров. На основе обзора литературных данных обоснована целесообразность использования трехпараметрических уравнений для расчета свойств крио- и хладоагентов. Во многих случаях такие уравнения, как показано в работах Шмидта-Векцеля, Харменса-Кнаппа, Патела-Теджа и других, при относительно простой .кубической структуре обеспечивают более высокую точность расчета, чем даухпарметрические ЕУС. Вместе с тем, резервы улучшения трехпараметрических уравнений не исчерпаны.

Во_втордй_главе приведены алгоритмы расчета фазовых состояний в области парокидкостных равновесий МРТ. Особое внимание уделено построению универсальных алгоритмов, которые позволяют без привлечения экспериментальных данных, рассчитывать фазовые равновесия в смесях, содержащих неконденсирующиеся при минимальной температуре в цикле компоненты. Такие компоненты условно названы сверхкритическими.

Расчетные алгоритмы основаны на решешш известной системы нелинейных уравнений, которая построена с учетом материальных балансов и условий фазового равновесия в многокомпонентной смеси. В частном случае эта система преобразовывается к виду для определения границ фазовых состояний - температуры кипения TR, росы -. Тр и расслоения - ffp. В смесях, включающих сверхкритические компоненты, температура кипения лежит ниже температуры образования твердой фазы в системе, поэтому при расчете циклов; целесообразно, вместо TR использовать температуру Ти интенсивного выкипания жидкости. Эта реперная точка связана с началом фазового перехода шгз-кокипящего компонента в cm3JH.

Для расчета Ти использован искусственный прием, состоящий в том, что давление и состав многокомпонентного рабочего тола редуцируются. Из состава МРТ исключается сверхкритический компонент, а концентрации остальных нормируются с применением формулы

• = zj J z\ , i= 2 4ii . (1)

Предварительная оценка фазового состояния проводится при температуре кипения гипотетически стабильной жидкости смеси редуцированного состава гр- (zp...zp), вычисленной при давлении рр= р (1-гск). Если жидкость стабильна, то,вычисленная температура принимается за Ти, если нестабильна, то проводится дополнительно расчет температуры кипения' смеси состава гр с нестабильной тз;."-

- ? -

-14 .-и •' -ю -е -4 Рис. 1. Изобары смеси, включающей сверхкритический компонент неон а) с гомогенной жидкостью; б) с гетерогенной жидкость«

костью при редуцированном давлении рр, что дает возможность оценить в первом приближении составы равновесных фаз. Затем состав смеси восстанавливается до £ и при Ти проводится расчет газожидкостных равновесий.

В качестве примера возможностей предлагаемого алгоритма но рис." 1 приведены T-h диаграммы азотноуглёводородных смесей, включающих сверхкритический компонент - неон.

При расчете фазовых равновесия и свойств МРТ на основе единых уравнений состояния необходимо настраивать параметр бинарного взаимодействия разносортных молекул itjj по ^эксперименталь-ным данным, относящимся к различным фазовым состояниям. Для этого в пакет программ включе^ специальные алгоритмы, позволяющие определять k1;j по данным в области равновесий пар-жидкость, жидкость-жидкость и жидкость-кристалл.

В_™>1ьей_главе предложен метод определения параметров трех-параметрических единых уравнений состояния вандерваальсовского типа. Метод основан на локальной аппроксимации- термодинамической поверхности вещества. Идйя метода состоит в том, что каждой точке истинной термодинамической поверхности вещества ?H(p,v,T)=o ставится в соответствие расчетная поверхность F(p,v,T,a,b,c), которая связана с эффективной критической точкой. Последняя подбирается так, чтобы при заданных давлении и температуре плотность в данной точке поверхности совпадала с истинными значениями. В эффективной критической точке давление и температура будут совпа-

дать с истинными для вещества. Различие будет в значениях реального критического коэффициента сжимаемости гс и эффективного -г®, на который опирается расчетная Р(р,у,т,а,ь,о)=0 поверхность. При таком подходе г® должен зависеть от температуры и давления ^(т.р), а истинная термодинамическая поверхность будет описываться семейством эффективных.поверхностей. Вид расчетных соотношений для них остается неизменным; будут меняться только ' значения параметров а,ь и о, связанные зависимостью г®(Т,р).

Предложенная в работе процедура настройки параметров уравнения состояния включает четырэ этапа.

Первый этап сеязвн с определением 'зависимости а®(т) путем сведения к минимуму погрешности при описании плотности на линии насыщенной жидкости. Полученная таким образом зависимость показана на рис. 2а. Второй этап связан с определением зависимости эффективного критического коэффициента сжимаемости от давления а®(р) по данным для плотности на критической изотерме. Этот шаг позволяет выделить вклад в г® составляющей по давлению, что невозможно сделать в двухфазной области, где вклады г®(Т) и а|(р) неразличимы. Вид зависимости г®(р) установлен путем сведения к минимуму погрешности описания плотности на критических изотермах ряда веществ; в частности, на рис. 26. приведена такая зависимость для азота. Третий этап предполагает уточнение, коэффициентов функции г®(Т,р) по данным для плотности на линии насыщенной жидкости. Четвертый этап связан с тестированием удельного объема на критической изобаро, чтобы определить влияние температуры на эффективный критический коэффициент сжимаемости в однофазной области. Характерный вид полученной зависимости при р=рс показан на рис. 2в.

Проведенные в работе исследования показали, что наиболее удачной аппроксимацией зависимостей, представленных на рис. 2 служит функция а||(т,р) симметричная относительно Тг=1:

где А, В и п - индивидуальные для каждого вещества коэффициента. Функция (2) хорошо описывает околокритическую область при температурах 0,9 <-Тг<1,1 и давлениях до 10 МПа. Установлено, что расхождение аппроксимационной кривой и точными значениям! г® пр:; ТГ>1,1 на критической изобаре мало сказывается на результатах расчета свойств и нецелесообразно еводить новые слагаемые, услоз:-

0,350

I '

0,330 0,310 0,290

0,350 0,330 О.ЗЮ 0.290

максимальное энауениа »

тройная точка

Линия наседеююя «йдкостн

критическая

точка а) \

'рзальтай кситии^уиа котМиниянт % 9 сжимаемости

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 . 1,0 о)

• Критическая изотера

*1 ( I»

т,- I

рцпйыя

0,5 . 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

г;

0,350

0,330 0,310

0,290

Критическая юооарв

уралненив (Л )

в)

0.5 1,0 1.5 2,0 2,5 3.0 ^^ Рис. 2. Завксююст» афХвктимюго крнпгиского коаКвдият» ' с сждаавиост» оттаюиратурм х давлапи на какоторух логам термоданамичаскоя поверхности (азот). /

шише Функцию z®(T,p).

Проведенный в работе анализ показал, что при определении параметров трехпараметрического ЕУС должен использоваться комплексный подход. Это позволяет с относительно высокой точностью описать как двухфазную область, так и однофазную, ограниченную критическими изотермой и изобарой.

Метод настройки параметров применим к любой структуре трехпараметрического уравнения состояния. Количественные результаты, позволяющие судить об эффективности такого подхода, были получены применительно к уравнению вида:

„ = « г, = и? v+Q.77b а g(T)

Р = Рг"Ра= — v-Ö.42b " vjy+c) ' . (3)

Структура уравнения выбрана на основании качествешгого'анализа многочисленных работ, с учетом возможностей более точного описания жидкостей и газов с высокой плотностью. Слагаемое рг представляет собой кубическую аппроксимацию соотношения Кариа-хана-Старлинга, впервые предложенную в уравнении цепочки ротаторов, другое слагаемое - ра, выбрано так, чтобы остаться в рамках кубической модели.

. Параметры уравнения а,Ь и о были определены из условий в критической точке:

(а)- (б)- »>. (4)

Они зависят от критического коэффициента сжимаемости zc: а= na(z0) r2T| /.р0, Ъ- ОьС*0> га0/р0 • 0= nolzo> RW <5>

где

na<zcH ,01331-2,66323 zc-1,36091 z|+14,3719 zjj! , (6)

iyz^O,036541-0,207429 sc-0,150104 z|+0,52491 z*

+13,9655 z*. (7)

00(zc)=0,931180-2,58256 zQ-Z,82052 z|+6,83024 . (8)

Для того, чтобы описать зависимость давления 'насыщения от температуры был использован известный прием, связанный с введением некоторой температурной функции а(Т). Вид зависимости а^а(Т) определен настройкой по экспериментальным данным: а(Т) - [1 + ?(1-т°,5)]г ' (9)

где Р - индивидуальный для каждого' вещества коэффициент.

Проведенный применительно к новому уравнению анализ показал, что коэффициент F, входящий в (9), зависит от реального Крита-

чзского коэффициента сжимаемости:

7 = 2 - Б г0 , (Ю)

где Б - индивидуальный коэффициент.

Далее инт8грироваш1ем на основе известных термодинамических соотношений были получены уравнения для расчета коэффициента фугитивности:

1.19 , . 7-о./гь , а ,„/ 7+о .

V ' (11)

1п Ф =ln(f/p)= z-1-ln(z)-. ln( ) - RTÔ ln(

где z a pv/(RT), a- также для энтальпии и энтропии

h - h°= pv - RT + s ( -QL - 1) ln(Zi2) - . (12)

• aa

0 - e°e krâ R mt212^)+ l^O + R m ;0. <13>

На основе разработанного метода настройки параметров в дальнейших расчетах был использован не истинный, а аффективный критический коэфЭадаепт сжимаемости а®. Для выбранной структуру урав-ногаш состояния зависимость эффективного критического коэффкциен-та сжимаемости от давления и температуры определяется соотношением (2), в котором коэффициент В принят равным постоянной величина 0,5. Значения коаМиционтов А, п и D для ряда неполярных и слабополярных веществ с критическими коэффициентами сжимаемости от 0,25 до 0,29 обобщены на основе трэхпарамотричоского закона соответствошшх состояний:

z° » 0,54469 - 1,8979 а0+ 4.26S6 » (14)

А = 7,7308 + 17,685 и - 43,654 и2 , (15)

п = 0,63334 + 1,2383 ш - 3,9936 и2 , (16)

D = 5,4773 - 3,0563 Ы , (17)

где о - фактор.ацонтричности Питцера.

При расчетах свойств сильно полярных веществ таких, как аммиак, ■ зода и других, должны использоваться индивидуальные.коэффициенты, значения которых приведены в тексте рабо.ты. . ,.•

Тостовне расчеты удолыгого обьома жидкости и пара на линии насшцения показали, уравнение ссстоя:шя (3) позволяет существенно повысить точность вычислений, особегаго вблизи критической точки (рис.3). Для сравнения в табл. 1 приведены среднеквадратичные погрешности расчета некоторых широко исполь'зуомых ЕУС: дпухпаромэтрического уравнения Соаве, трехпараметричэского Па-■'чл-Тедгз с температурной функцией s®=z®(T), а также вириального

Рис. 3. Погрешность расчета удельных объемов R134a на линии: а) насыщенной жидкости б) насыщенного пара.

Таблица 1

: " Сравнение погрелности расчета удельных объемов насыщенной жидкости и пара (Я)

Вещество Интервал, температур Новое ЕУС ЕУС Пател - Тедаа БУС Соаве ' ЕУС Ли-Кеслера

ж-ть пар ж-ть пар ж-ть пэр ж-ть пар

Азот 0.515-0:983 1.3 1.1 2.5 1.9 5.9 0.9 4.0 0.3

RC 518 о. боо-о.эаб 1.1 1.5 4.5 1.9 12.5 1.4 4.6 1.3

•R 14 о.бэа-о.981 2.6 1.7 3.0 2.3 10.8 1.4 3.0 0.7

Пропан 0.540-0.980 1.4 2.3 2.6 1.7 12.7 2.4 1.7 0.9

R 218 0.502-0.966 1.9 4.6 3.5 3.7 10.8 4.4 2.4 з.о

н-Пантан 0.645-0.978 0.6 2.0 1.4 1.7 15.7 2.6 1.5 0.7

R 134а 0.636-0.983 1.8 3.8 2.3 2.6 20.3 5.0 3.5 2.6

н-Октаи 0.532-0.980 1.2 3.9 1.3 3.9 19.7 5.1 1.3 3.1

Аммиак* 0.484-0.945 0.9 4.0 3.0 2.2 - - ' - -

Вода* 0.422-0.978 2.5 2.0 3.5 1.7 - - - -

* - расчет о использованием индивидуальных параметров. '

ЕУС Ли-Кеслэра. Новое уравнение состояния позволяет описывать удельный обьем насыщенной жидкости со средней погрешностью не превышающей 2-2,5%, удельный обьем насыщенного пара - с погрешностью 4%, в том числе и для некоторых полярных веществ, таких как аммиак и вода. При тестировании уравнения (8) по р-у-т данным в однофазной области установлено, что средняя погрешность расчета удельного объема в интервале температур от температуры нормального кипения до Т=600 К и р<20 МПа составляет 3-556, что не превышает соответствующий показатель других рассмотрешшх выше ЕУС.

Проведенные тестовые расчеты производных свойств, в частности, энтальпии, показали, что при Т<ТС для большинства веществ из табл. 1 новое уравнение показывает более высокую точность, чем другие известные кубические-уравнения состояния. При температурах Т>ТС средняя погрешность определения изотермической разности энтальпия не превышает 2-3 Дж/г.

Для расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств многокомпонентных смесей уравнение состояния (3) использовалось совместно с традиционными правилами смешения: .

Установлено, что новое уравнение состояния менее чувствительно к изменению параметра бинарного взаимодействия разносортных молекул k1;j, в том числе для смесей, включающих компоненты с существенно различными критическими параметрами (рис.4). В табл.2 приведены значения для некоторых пар веществ.

Показано также, что ЕУС (3) обладает повышенной точностью при расчете удельного обьемз кидких и энтальпии газовых смесей.

Сравнение расчетных данных по холодопроизводительности ^ рефрижератора на смеси (То=80 К) с результатами эксперимента показало .(рис.5), что ЕУС (3) позволяет с"Высокой' точностью описы-ть экспериментальные данные по свойствам только чистых компонентов (к^^=о), в то время как при использовании других известных уравнений для адекватного описания расслоения в жидкой фазе требуется введение настроечного параметра ki;j.

3_чэтвертдй_главе проведены экспериментальные исследования фазовых равновесий озснобезопаскых МРТ. Для этого проведена моди-

Зсм=

DCM 1 1 1 ' .°СМ= 5 {i°i *

0.5

(18)

(19)

(20)

Рис. 4. Изменение параметра бинар- Рис. 5'. Зависимость qQ ного взаимодействия в зависимости рефрижератора на смеси от температуры для смеси М2-с,,На. от'состава МРТ.

Таблица 2

Оптимальные значения к^ и погрешность расчета давления в.точке кипения (%) для трех уравнений состояния

Бинарная система Интервал •температур Новое . - ЕУС ж Соаве куц иател-Теджа

kid Др/р kiJ Ьр

азот-метан 90-180 0,013 2.0 0,027 . 4,4 0,028 4,2

азот-пропан 123-353. 0,015 3,3 0,065 4,4 0,057 ' 4.2

азот-и-бутан 153-273 0,013 0,0 0,121 8,4 0,116 7.8

азот-и-пеитан 277-377 -0,033 5,0 0,090 6,2 0,063 5,0

(¡икаадя экспериментального стенда для определения различного типа фазовых равновесий смесей статическим методом с перемешиванием фаз в рЬбочей ячейке специальной мешалкой (рис.6). Основным эле-

К хроматографу

Азот

У--ГТ" 1 1 1 1 ■ч \ 1

1 V 1 /

1

1 \ 1

2 - емкость с кидаим

азотом

3 - криостат■

4 - нагреватель

5 - вакуумный насос

6 - боллош с компонентами

7 - рабочая ячейка

8 - смотровое окно

9 - баллон со смесью

10 - нагрзватель

Рис. 6. Принципиальная схема стенда для исследования £езових равновесия в смесях.

ментом стенда служит рабочая ячейка (7), в которую помещается исследуемая смесь. Охлаждение ячейки производится с помошью теплового моста (15), один конец которого соединен с ячейкой, а другой находится в ванне с жидким азотом (2). Температура смеси регулируется Электрическим нагревателем (4), который подключен к блоку автоматического задания и поддеркания температуры. Перемешивание фаз с целью установления .фазового равновесия проводится механической мешалкой (16). Она приводится в движение электродвигателем (17) через магнитную муфту (18). Отбор жидкой фазы на хроматограф осуществлялся при давлении в ячейке р > 0,1 МПа с помощью микрошприца через капилляр диаметром 0,3 мм. Описанные элементы стенда помещены в криостат с окнам! (8); для уменьшения тегагопритоков обьем его вакуумируется.

Измерение температуры смеси в ячейке проводилось тремя медь-константановыми термопарами. Они располагались в различных точках ячейки для определения температур жидкой и паровой фаз смеси, а также температурного градиента по ячейке. Термопарные провода выводились без разрывов через уплотнение в крышке крио-стата. Все'спаи размещались в криостате с жидким азотом, кипящим при атмосферном давлении. ЭДС термопар измерялась цифровым вольтметром Щ 300.

Погрешность измерения давления составила в соответствии с - классом точности 5-10"4. МПа для манометра с пределом измерения 0,25 МПа и 0,01 МПа для манометра с пределом измерения 3,0 МПа.

Погрешность измерения температуры определялась суммой систематической погрешности показаний приборов и метода измерения и случайной погрешности и составила 0,5 к.

Состав газовой смеси определялся на газовом хроматографе типа ЛХМ-72. Максимальная абсолютная погрешность определения соста-_ва смеси составила 8^=0,01 моль/моль.

Проведено экспериментальное изучение фазовых равновесий в трех практически актуальных смесях 1*218410318 „ 5Р6-о3н8 и п-о5н12 в интервале давлений р=0,01-1,5 МПа и температур от Т ликвидус до Т=300 К, в результате которого получены данные на линиях ликвидус, расслоения и кипения (рис.7-9). Данные на линии кипения, полученные для смеси з?6-с3н8, хорошо согласуются с результатами работы Клэгга и Роулинса.

Полученные результаты использованы для настройки параметров нового и известных уравнений состояния на основе разработанных

Pw. T. ftiymtrv •мсгмрдоитиыаа «семяомюя ома mv-noti AM р*мпяа ор«т#к».

алгоритмов.

§_223!оП_главе проведена разработка или обоснование применения циклов на новых рабочих телах. Они энергетически эффективнее известных ранее, в частности: 1) в ожижителе азота выход жидкого продукта увеличивается на 20-50*; 2) в ожижителе природного газа удельное энергопотребление должно составить 0,45-0,50 кВт ч/кг, что соответствует показателям лучших отечественных и зарубежных систем; 3) в серийной установке разделения воздуха выход жидкого азота увеличивается в 1,2 раза без изменения узла разделения.

Показана возможность устранения пожароопасное™ многокомпонентных рабочих тел путем введения в их состав флегматизирувдих добавок; которые служат компонентами рабочего тела.

ВЫВОДЫ

1.' Разработанный пакет прикладных программ позволяет Соз привлечения экспериментальных данных по фазовому равновесию определять число фаз в системе и их равновесные составы в смесях, включающих неполярние и слабополярные компоненты, в том числе с сильно различающимися критическими параметрами (Тс±/Тс^=3...6), а также компоненты при сверхкритических параметрах.

• 2. Параметр, учитывающий взаимодействия разносортных молекул в смесях, при расчете свойств по уравнению состояния может быть определен на основе экспериментальных данных по фазовым равновесиям с применением специально разработанных алгоритмов. Эти алгоритмы позволяют выявить зависимость параметра бинарного взаимодействия от температуры при равновесиях пар-кидкость, а также от соотава при равновесиях жидкость-жидкость и жидкость-кристалл.

3. Предложенный в работе метод настройки параметров трехпа-раметрических уравнений состояния вандерваальсовского типа обеспечивает повышенную точность расчета свойств в широком диапазоне . "температур и давлений, в том числе при параметрах близких к критическим.

4. Трехпараметрическое уравнение состояния,предложенное в работе^ позволяет по данным для критической точки с повышенной

' точностью предсказывать р-у-Т данные, а также производные свойства, в частности, энтальпию для неполярных и слабополярных веществ с критическими коэффициентами сжимаемости от 0,25 до 0,29.

Для смесей новое уравнение менее чувствительно к изменению настроечного параметра бинарного взаимодействия, что дает возмож-

кость с повышенной точностью прогнозировать свойства новых рабочих веществ.

5. Выбранный метод экспериментальных исследований позволяет с нужной точностью получить необходимую информацию для настройки параметров уравнения при расчете смесей по данным пар-жидкость, жидкость-жидкость и.жидкость-кристалл, что подтверждено на примере систем R218-RC318, SF6-C3H8 И SF6-11C5H12.

6. Рабочие тела, предложенные для циклов на смесях, позволяют улучшить характеристики систем на их основе; новые рабочие тела озоно- и пожаробезопасны.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Боярский М.Ю., Лунин А.И., Подчерняев О.Н. Влияние состава многокомпонентного рабочего тела на характеристики дроссельных рефрижераторов // Сб. научн. трудов: Низкотемпературные процессы и термодинамический анализ криогенных систем. М.: Моск. . энерг. ин-т.- 1989.- No 221.- С. 5-10.

2; Горбачев С.П., Субботин Ю.Н., Ладохин С.Д., Лунин А.И., Подчерняев О.Н., Белоус В.Д. Расчетно-экспериментальные характеристики дроссельных рефрижераторов на смесях для ВТСП-устройств // Высокотемп. сверхпров^ть.- 1990.- No 3-4.- С. 3-8.

3. Боярский М.Ю., Подчерняев О.Н. Мётоды расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств для анализа циклов дроссельных рефрижераторов на смесях // Высокотемп. сверхпров-ть.-1990.- N0 3-4.- С. 27-36.

4. Боярский М.Ю., Подчерняев О.Н. Расчет свойств рабочих веществ с помощью нового кубического уравнения повышенной точности // Холод, техн.- 1991.- No 7.- С. 13-16.. >

5. Боярский M.D., Подчерняев О.Н. Кубическое уравнение состояния для прогнозирования термодинамических свойств новых рабочих веществ // Холод, техн.- 1991.- No 10.-'С. 7-9.

'6. Воуагвку И., Podehernyaev 0. Method ,of Calculation of Multiphase Vapor-Mquid Equilibria and Thermodynamic Properties of Hultioomponent Refrigerants //14 Intern. Cryogenio Eng. Conf. 8-12 June 1992.- Kiev.1992.- P. 117.

^Ж"""" Тиряж 4cc a.», m

Типография МЭИ. Краситжамрчскнэ»., !3.