Прогнозирование свойств новых многокомпонентных рабочих тел дроссельных регенеративных систем при ограниченных экспериментальных данных тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Су А?

^ На правах рукописи

<г> г^

с *

Зулькарнеева Юлия Рафаилевна

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ свойств новых МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ РАБОЧИХ ТЕЛ ДРОССЕЛЬНЫХ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ СИСТЕМ ПРИ ОГРАНИЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Специальность 01.04.09 - Физика низких температур

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/О

Москва - 1998

Работа выполнена на Кафедре низких температур Московского энергети ческого института (Технического университета).

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

Боярский М.Ю.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

профессор Семенов A.M.

кандидат технических наук Сапронов В.И.

Ведущая организация - Конструкторское бюро общего

машиностроения (г.Москва)

Защита диссертации состоится О и_ 1998 года в 13— часо;

на заседании диссертационного совета К 053.16.02 в Московском энергетиче ском институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Краснока зарменная ул., д. 17, корп.Т, комн.206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 111250, Москва Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан

Ml" ©Л

1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета К 053.16.02 к. ф.-м. н. доцент

Мика В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной холодильной и криогенной техни-; по прежнему широко используются дроссельные регенеративные системы, юотающие по обратным термодинамическим циклам и основанные на эф-екте Джоуля-Томсона.

Разработка таких систем ведется в двух основных направлениях. Первое з них - это замена традиционно используемых рабочих тел, не удовлетво-¡пощих современным требованиям экологической безопасности на альтерна-1вные, без существенной модификации оборудования. При этом альтерна-гаными рабочими веществами могут служить как вновь синтезированные абочие вещества, так и смеси. Второе направление - это создание нового эколения систем на основе многокомпонентных рабочих тел, требующее стальной разработки элементов конструкции.

И в том и в другом случае, для проектирования низкотемпературных уста-эвок и анализа характеристик циклов на их основе, необходимы надежные энные о термодинамических свойствах новых рабочих тел. На предвари-:льном этапе исследований, когда важно оценить целесообразность приме-гния данного рабочего вещества, необходимо иметь способы априорной денки(прогнозирования) его свойств, поскольку широкая экспериментальная нформация в таких случаях отсутствует. Несмотря на то, что такая инфор-ация может быть получена на основе современных единых уравнений со-гояния, необходимая для инженерных расчетов точность достигается не :егда. В связи с этим, необходимо дальнейшее развитие уравнений состоя-ня, обеспечивающих прогнозирование с повышенной точностью свойств как истых, вновь синтезируемых хладагентов, так и смесей на их основе.

Цель работы. Разработать метод, позволяющий оценивать точность опи-шия термодинамических свойств рабочих тел обратных циклов единым равнением состояния Ван-дер-Ваальсовского типа; и на его основе выбрать груктуру трехпараметрического кубического уравнения состояния.

Разработать модификацию уравнения состояния повышенной точности тя прогнозирования и расчета термодинамических свойств индивидуальных 1бочих тел и смесей.

Разработать корреляционные соотношения для прогнозирования динамике кой вязкости жидких хладагентов(чистых и смесей) в расширенном диапа->не от нормальной температуры кипения до критической.

Научная новизна. Найден критерий, определяющий точность описания фмодинамических свойств неполярных и слабополярных индивидуальных :ществ трехпараметрическим кубическим уравнением состояния Ван-дер-

Ваальсовского типа. На основе найденного критерия, разработан алгорит выбора оптимальной структуры уравнения состояния.

На базе предложенного алгоритма проведено сравнение четырех уравн( ний. Определено, что уравнение Пател-Теджа наиболее точно описывае термодинамические свойства исследованных веществ. С использование метода индивидуальной настройки коэффициентов трехпараметрическог уравнения состояния, предложено модифицированное уравнение Пате; Теджа высокой точности, которое представлено в обобщенном виде. 3i уравнение позволяет по данным для критической точки предсказывать те[ модинамические свойства неполярных и слабополярных индивидуальны веществ и описывать свойства смесей. Кроме того разработаны соотношсш для прогнозирования параметра бинарного взаимодействия смесей хладо! хладон, углеводород-углеводород.

Модифицирована корреляция Лецу-Стила для прогнозирования динам! ческой вязкости жидких хладагентов: как чистых, так и смесей. Разработа! ная модификация позволяет рассчитывать динамическую вязкость широко! класса жидкостей - углеводородов метанового ряда, хладонов, а также пр< стых веществ(азот, аргон) и их смесей — используя только критические п; раметры и молекулярный вес компонентов, в диапазоне от нормальной тел пературы кипения до критической.

Автор защищает положения, определяющие научную новизну работ! Кроме того защищаются следующие результаты экспериментальных исследс ваний:

1. экспериментальные р-Т-х данные для бинарных смесе хладон218 - хладон134, хладон218 - н-бутан, хладон134 - н-бутан, хл;

дон!34а - н-бутан в интервале температур от Тос до Т=220К;

2. экспериментальные р-Т-х данные для тройной смеси хладон134 - хл; дон218 - n-бутан в интервале температур от Тос до Т=240К

Практическая ценность. Разработанная модификация единого уравнена состояния дополнила созданный ранее пакет прикладных программ "Смеси"

Используя предложенную модификацию уравнения состояния и проведе! ные экспериментальные исследования, разработаны таблицы термодинам! ческих свойств новых многокомпонентных рабочих тел: СМ-1 и FR-12.

На основе предложенных корреляций рассчитана динамическая вязкосп СМ-1 и FR-12 на линии кипения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на междун; родной конференции "FLOWERS-97" в июле 1997 года, на научных семин; рах кафедры Низких температур МЭИ и в InterCool Enerj Corporation(ClilА, Октябрь 1997г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 печатные )аботы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех лав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы 156 стра-шц машинописного текста, включая 53 рисунка и 41 таблицу. Библиография ¡одержит 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, изложены основные результаты, научная новизна и практическая начимость работы.

В первой главе выделены области практического применения систем на месях; обоснована необходимость прогнозирования свойств многокомпонентных рабочих тел на основе единых уравнений состояния(ЕУС).

Проведен обзор литературных данных по мало константным ку бическим равнениям состояния. Исходя из практики инженерных расчетов, обоснова-1а целесообразность использования трехпараметрических кубических ЕУС на снове модели Ван-дер-Ваальса (табл.1) для описания свойств рабочих веществ холодильных и криогенных систем.

Во второй главе проанализированы различные способы нахождения ин-ивидуальных параметров вещества а, Ь, с трехпараметрических ЕУС. В том случае величины а, Ь, с определяются из условий в критической точке:

.¿у)Ткр ^ч2)Ткр Р Д-Пр

(ыполнение условий (1) обеспечивает дополнительную степень свободы,

оторая дает возможность варьировать величину 2 • Повысить точность

кр

асчета выбранной группы свойств в нужной области параметров состояния озможно, используя величину не истинного ¿Г - а эффективного критиче-

*Р

кого коэффициента сжимаемости Тогда параметры уравнения а, Ь, с удут зависеть от Z3Kр на основе соотношений (2):

Ркр Ркр Ркр

1С а{т) - фунция, описывающая зависимость давления насыщения от тем-

пературы, а зависимости определяются видо

уравнения состояния.

Значения рассчитываются с учетом наилучшего представления опр

деленных свойств вещества уравнением состояния в нужной области пар метров состояния - Т, р. В этом случае каждой точке истинной термодинам: ческой поверхности вещества ри (р,\/,Т) = 0 ставится в соответствие расче

нал поверхность а, Ь, с) = 0, связанная с эффективной критическс

точкой. Можно описать истинную поверхность одной расчетной, подбир; для нее значение так, чтобы с минимальным средним отклонением оп:

сать необходимый массив экспериментальных данных в нужном диапазо! Т, р.

Используя способ, связанный с введением в уравнение неизменного да данного вещества эффективного критического коэффициента сжимаемост автором проведено сравнение четырех уравнений состояния: Пател-Теда (П-Т), Уздина-МакОлайфа (У-М), Клаузиуса (Кл), Боярского-Подчерняе) (Б-П) (табл.1). Оно показало, что точность описания термодинамичесы свойств чистых веществ трехпараметрическим уравнением состояния опред ляется различием между эффективным и реальным значением критич

ского коэффициента сжимаемости. Величины эффективного критическо] коэффициента сжимаемости были получены по р-у-Т данным на линии н сыщенной жидкости, для 13 неполярных и слабополярных веществ, критич ский коэффициент сжимаемости которых варьируется в пределах 0.2-...0.291. Для ряда веществ полученные значения представлены в табл.

Полученные среднеквадратичные погрешности описания удельного объел пара и жидкости на линии насыщения (табл.3) показали, что чем меньи отличие величины 2^рот реального гкр, тем выше точность описаш

свойств веществ данным уравнением. Распределение погрешностей описаш удельного объема пара и жидкости на линии насыщения от температур представлено на рис.1 для хладона134а. Для других веществ распределен] погрешностей аналогично.

Таблица 1

Сопоставляемые уравнения состояния_

Название уравнения Вид уравнения

Пател-Теджа Уздина-МакОлайфа Клаузиуса Боярского-Подчерняева ЯГ а Р v-Ь V1+\/{Ь + с)-Ьс Я Т а Р = » V - Ь V + V ■ с Я • Г а Р V - Ь (у + с)2 *.г.(1 + а р - -5-!----- V -0.42 Ь V

Таблица 2

Сравнение значений 23кп - полученных для различных уравнений.

Вещество Zкp ЕУС П-Т ЕУС У-М ЕУС Кл ЕУС Б-П

^ к р г1 кр ^ кр г3 Л'р

Аммиак 0.245 0.280 0.297 0.314 0.323

Пропан 0.277 0.315 0.319 0.326 0.339

Азот 0.290 0.327 0.333 0.336 0.339

Аргон 0.291 0.328 0.331 0.334 0.339

Таблица 3

Среднеквадратичные погрешности описания удельного объема пара(У„) и жидкости(уж.) на линии насыщения при постоянном ■

Погрешность расчета

Вещество ЕУС П-Т ЕУС У-М ЕУС Кл. ЕУС Б-П

Уж уп уж Уп Уж Уп Уж уп

Аммиак 3.4 2.9 6.8 3.6 7.1 5.0 9.2 6.0

Хладон-134а 2.1 1.2 3.6 1.8 5.6 1.9 7.1' 2.9

Хладон-124 0.7 4.1 1.3 4.2 1.3 4.3 2.2 4.8

Пропан 6.2 0.9 7.7 1.1 8.0 1.6 10.4 3.3

Азот 2.4 0.5 2.0 0.5 2.3 0.5 6.1 1.2

Аргон 4.2 0.3 4.3 0.5 4.7 0.7 7.6 1.9

0.6 0.8 1.0

- ЕУС Пател-Теджа

0.6 0.8 1.0

------- ЕУС Клаузиуса

---- ЕУС Уздин-МакОлайфа

— - - ЕУС Боярского-Подчерняева

Рис.1 Погрешности расчета удельного объема насыщенной жидкости 8мж и пара ¿мп хладона134а в зависимости от ТПр=Т/Т,ф.

Полученные для рассмотренных уравнений р-у-Т данные в двухфазной области показали, что уравнение Пател-Теджа с наименьшей погрешностью описывает свойства чистых веществ.

Таким образом, в работе показано, что величина эффективного критического коэффициента сжимаемости может служить критерием оценки точности описания термодинамических свойств трехпараметрическим единым уравнением состояния. При этом процедура определения не требует значительных затрат времени и широкой экспериментальной информации.

Дальнейшие исследования были связаны с введением в уравнение Пател-Теджа эффективного критического коэффициента сжимаемости, зависящего от температуры и давления , с целью повысить точность расчетов в

околокритической двухфазной и однофазной областях. Введение зави-

кр

сящего от температуры и давления, интерпретируется как описание истинной термодинамической поверхности вещества уже не одной, а семейством расчетных поверхностей.

Зависимость 2^рот температуры определялась по данным на линии насыщенной жидкости чистого вещества, от давления - по данным на критической изотерме. Полученная зависимость -2Г£р(Г,р) была аппроксимирована

выражением вида:

4Р(г.Р, = |1+ехр( л ^ ^ ^

(3)

в котором 2° , А, п - индивидуальные коэффициенты вещества, а В равен 2. /ф

Значения , А, п для ряда неполярных и слабополярных веществ были «р

обобщены на основе трехпараметрического закона соответственных состояний:

-0.301141 + 3.64506 7кр- 5.0316 (4)

А = 39.7502 -117.525 гкр (5)

п = 1.130 + 9.257 • а - 49.92 • <ог + 64.36 • со3 (6)

Для описания зависимости давления насыщения от температуры использована температурная функция а(7 ), найденная по экспериментальным р-Т данным вещества в двухфазной области и аппроксимированная выражением вида:

а(Г) = [1 + ^.(1-^)]2 (7)

Проведенный применительно к уравнению П-Т анализ показал, что 1{'Р' зави-:ит от эффективного критического коэффициента сжимаемости •

кр

1 индивидуальные коэффициенты /о и // обобщаются относительно фактора щентричности Питцера.

/„ =-0.39 + 3.45 и-51.97 о2 + 107.96-Ш3 (9)

/, = 2.587 - 6.90 • а +170.94 • а2 - 352.2 а3- (10)

Таким образом, на основе выбранной структуры уравнения и эффективного критического коэффициента сжимаемости, зависящего от температуры и явления разработана модификация единого уравнения состояния, параметры соторого обобщены на основе трехпараметрического закона соответственных юстояний.

Тестирование модифицированного уравнения состояния Пател-Теджа бы-ю проведено для чистых веществ, критический коэффициент сжимаемости соторых варьируется в пределах 0.24 ...0.29.Расчеты удельного объема жид-сости на линии насыщения обеспечивают точность вычислений 1...3% вблизи

критической точки(Тпр=0.93 ...0.98) и не более 1% в остальных точках двухфазной области(Тпр=0.50 ...0.93)(рис.2а). При этом погрешность описания объема насыщенного пара для большинства рассмотренных веществ составила 1...3% (рис.2б). Тестирование уравнения в однофазной области, на изобарах от 3 до 10 МПа, позволило установить погрешность описания удельного объема 1.. .4% в диапазоне температур от Ткр до 700К.

Помимо p-v-T данных, уравнение было проверено на точность описания калорических свойств и, в частности, энтальпии. Так, в двухфазной области автором проанализированы удельные теплоты парообразования)/") 12 веществ. В диапазоне температур Тпр=0.5 ...0.93 относительная погрешность описания г составляет 2...3%, вблизи критической точки(Тпр=0.93 ...0.98) - не более 10%. Для сравнения на рис.3 показано распределение погрешностей расчета теплоты парообразования(8г,%) аммиака, полученных по уравнению П-Т и Б-П в случаях постоянного значения и Z^p(7',p) В однофазной

области погрешность описания энтальпии 2...5%.

В третьей главе модифицированное уравнение состояние Пател-Теджа анализируется применительно к смесям веществ. Для расчета фазовых равновесий и термодинамических свойств многокомпонентных рабочих веществ уравнение использовалось совместно с традиционными правилами смешения:

(12)

СсгЦЬ-Ч (13)

/

Установлено, что для модифицированного уравнения П-Т параметр разносортного взаимодействия /су не зависит от температуры и состава смеси при Т> 220К(рис.4).В этой области температур для смесей хладон-хладон предложена зависимость параметра кч от разности плотностей дипольных моментов компонентов д^ (рис.5):

г

М

\ЬкрJ:

(

5Уж,% 12

0.6

0.8 Тпр

1.0

8Уп,% 4

/ / \ \ 1

/ / / / / \ / ( / \ /

/ / ^^ ^ /1 / \ / *

'\ \ / \

0.6

0.8 Тпр

1.0

а) б)

ис.2 Погрешность расчета удельных объемов на линии насыщенной жидкости (а) и насыщенного пара(б) для хладона134а.

5 г,% 16

12

4 -

Аммиак

еус п-т,гкр<т,р) э

ЕУС П-Т, гкр-Меш

ЕУС Б-п,гкрО»

ЕУС Б-П,гкр-|11е1п

0.5

1.0

0.6 0.7 0.8 0.9

Тпр, К

ис.З Распределение погрешности удельной теплоты парообразования(<5г.%) в двухфазной области для аммиака.

Эта зависимость получена автором на основе обработки экспериментальны р-Т-х данных по 25 смесям хладон-хладон. При этом рассматривались азе< тропные и зеотропные системы. Полученная зависимость к,, от д^ позволш

определить граничное значение д^, разделяющее смеси с сильнь

ми(азеотропные) и слабыми отклонениями(зеотропные). Величина д^гр /V

уравнения П-Т составила 23-33 Дебай/дм3 моль 1 .

В дальнейшем для азеотропных смесей(д^> д^ф), в которых преобладав дипольная составляющая сил межмолекулярного взаимодействия, предложи но прогнозировать кц по линейной корреляции:

к^у = 0.002902 • Ар - 0.030916 (15)

Для зеотропных смесей( д^<д^гр), в которых преобладает дисперсионно взаимодействие - на основе трехпараметрического закона соответственны состояний:

А;. = -0.408714+ 0.00609 1®. -а>\ + 0.428491

V I 1 Л 7

Ь'Р,

Значения к0. полученные из соотношений (15), (16), и соответствующие и: погрешности определения давления на линии кипения для ряда смесей пре^ ставлены в табл.4 в сравнении с величинами, полученными из эксперимеи тальных данных.

Таким образом, при полном отсутствии экспериментальных данных п

фазовому равновесию, значения для рассмотренного класса смесей хладе

ч

нов в области температур Т>220 К с погрешностью 3-10% можно предска зать по свойствам ее компонентов, на основе выше предложенных соотноше ний. Оценив для данной системы плотность дипольного момента, можн определить к какому типу - со слабыми или сильными отклонениями от иде альных растворов - она относится, и в соответствии с полученным результа том осуществлять прогнозирование одной из предложенных выше корреляци ей.

Аналогичные результаты получены автором для уравнения Б-П.

Показано также, что модифицированное уравнение П-Т показывает высо кую точность при описании объемных(1...3%) и калорических(1...5%) свойсп смесей хладонов.

Ку

0.04-

Я134а/т24

Р152а/Я142Ь

0.00 •

1*22/^152а

•0.04 ■

280

300

т,к

320

КО

0.04-т-

0.00

-0.04

т52'а/ Я142Ь

0.2

0.6

1.0

Рис.4 Зависимость д.. от температуры Т,К и концентрации легкокипящего компонента х для модиф. уравнения П-Т.

0.20 т

о.ю --

0.00 -:

-0.10

| зеотропныё смеси

I I

1 азеотропные смеси

Я152а/г215'

К134аЖ218

1Ш/1?115 •

1*125/Ю2

Я134«*124 I А I

А «134аЖ22,22/К124 I

А 9

К134а/К{74,яа^2 л , ф Я134ат32

П22т143ак.± _%£2а/1НИ А - _ А_К?2/К22

К124№!142Ь | |

А»22/И,152а '

Я22/Я142Ь

К23Ж134а ▲

-Г

Ац,

моль/дмЪ

0 10 20 30 40 50

Рис.5 Зависимость кц от д^ для модиф. уравнения П-Т.

60

шзда

Таблица■

Значения А-, и Др,%, полученные из корреляций (19),(20) и из эксперимен

тальных данных.

азеотропные Др,%

системы расчетные экспер. зна- расчетные экспер. зна-

значения чения значения чения

Ш2-11152а 0.092 0.077 3.8 1.7

1132-1112 0.143 0.130 4.4 3.4

1*22-11115 0.051 0.066 4.0 1.6

Л152а-11218 0.122 0.156 9.0 3.5

зеотропные

системы

К152а-Ш42Ь 0.028 0.029 3.0 3.0

Rl.34a-R.32 0.010 0.009 1.6 1.6

ЯЗ 2-112 2 0.001 0.004 1.3 1.2

Н22-Ш52а 0.023 -0.024 9.2 1.6

Я124-Ш42Ь 0.005 0.006 1.7 1.7

Я134а-Ш24 0.039 0.033 1.9 1.5

И22-Ю42Ь 0.008 -0.012 3.9 1.8

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования фазовы? равновесий пар-жидкость новых экологически безопасных многокомпонент ных рабочих тел. Исследовались бинарные смеси хладон134 - н бутан, хла дон]34 хладон218, хладон218 - н-бутан, хладон134а - н-бутан\ и тройна5 смесь СМ-]: хладом 134-хладон218-н бутан, состоящие из озонобезопасны> веществ.

Принципиальная схема стенда для определения фазовых равновесий раз личного типа статическим методом с перемешиванием фаз представлена н; рис.6. Основной элемент стенда - рабочая ячейка(2), в которую помещаете* исследуемая смесь. Ячейка через медный тепловой мост (18) охлаждалаа жидким азотом из ванны (3). Температура смеси регулируется электрических: нагревателем (9), подключенным к системе автоматического задания и поддержания температуры. Перемешивание фаз с целью установления фазовогс равновесия проводилось механической мешалкой (17). Мешалка приводила« в движение электродвигателем (11) через магнитную муфту (12). Описанные элементы стенда размещены в криостате с окнами(4), который для уменьшения теплопритоков вакуумировался.

Исследуемая смесь приготавливалась в баллоне (8) емкостью 12 дм3. Максимальное абсолютное давление смеси в баллоне не превышало 0,25 ■Ша. Это давало возможность в процессе подготовки смеси определять ее остав на основе законов идеальных смесей по образцовому манометру клас-а точности 0.15. Для Лучшего перемешивания содержимого баллона в его ижней части располагается электронагреватель (7), создающий конвективно токи.

Измерение температуры смеси в ячейке проводилось тремя платиновыми ермометрами сопротивления(ТСП) класса 2. Они располагались в различ-[ых точках ячейки для определения температур жидкой и паровой фаз смеси, также температурного градиента по ячейке. Провода термометров сопро-ивления выводились без разрывов через уплотнение в крышке криостата. )лектрическое сопротивление ТСП измерялось цифровым прибором Щ-300.

Зис.6 Принципиальная схема стенда для исследования фазовых равновесий.

1-смотровое окно, 2-рабочая ячейка, 3-сосуд с жидким азотом, 4-криостат, >-вакуумный насос. 6-баллоны с компонентами, 7-электронагреватель, 8->аллон со смесью, 9-электронагреватель, 10-вакуумный насос.

Погрешность измерения давления составила в соответствии с классом точности 4-Ю"4 МПа для манометра с пределом измерения 0.25 МПа и 6-Ю"3 \4Па для манометра с пределом измерения 4.0 МПа. Погрешность измерения

температуры составила 0.4К. Состав газовой смеси определялся на газовол хроматографе ЛХМ-72. Максимальная абсолютная погрешность определена состава смеси составила 0.01 моль/моль.

Полученные в результате экспериментальных исследований данные н; линии кипения в смесях хладон134 - н бутан, хладон134 - хладон218, хла дон218 - н-бутан, хладон134а - н-бутан, хладон134-хладон218-н бутан 1 интервале температур от 220К до 300К представлены на рис.7-11. Эти дан ные были использованы для определения параметра бинарного взаимодейст вия уравнений состояния П-Т и Б-П.

10

ё в

¿■4

ф зкспернменг ----расчет по моднф.1

П-Т(Ку=0Ш)

220 240

260

т,к

—I— 280

300

г в

^з

ф эксперимент --расчет по модиф. ЕУС П-Т (Кч= 0.165)

Рис.7 Результаты экспериментальных исследований линии кипения смеси хпадон218 - н бутан (0.80- 0.20 молън.дол.).

240 260 280 300

т,к

Рис.8 Результаты экспериментальны; исследовании линии кипения сме си хладон!34 - н бута/ (0.72 - 0.28 мольн.дол.).

4-

ф эксперимент ¿щ

- — расчет по мод. ЕУС П-Т /%

/*

Г

эксперимент

расчет по мояиф. ЕУС П-Т (Ку=0.19Х)

230 240 250 260 270 280 220 240 260 280 з0„

Т,К Г, К

ис.9 Результаты экспериментальных рис.10 Результаты экспериментальных

исследований линии кипения смеси исследований линии кипения сме-

СМ-1: хпадон134 - хладон218 - н бу- си хладон134а - н бутан (0.79-

тан (0.71-0.20-0.09 мольн.дол.). о.21 мольн.дол.).

О

эксперимент (состав 0.5-0.5)

расчет по мод. ЕУС П-Т(состав 0.5-0.5), Ку=0.142 эксперимент (состав 0.68-0.32)

расчет по мод. ЕУС П-Т (состав 0.68-0.32), Ку=0.149

220

240

260

280

300

Г, К

Рис. 11 Результаты экспериментальных исследований линии кипения смеси хладон218 - хладон134.

Для анализа низкотемпературных систем помимо термодинамическим свойств, необходимы надежные данные о теплофизических свойствах, и е частности, вязкости жидкостей. В связи с этим, были разработаны соотноше ния для прогнозирования вязкости жидких хладагентов, как индивидуаль ных, так и смесей в интервале приведенных температур Тпр=0.55...0.98. Дш установления связи между вязкостью т/ж и критическими параметрами веще ства нами использован принцип соответственных состояний, который позво ляет прогнозировать свойства по критическим параметрам. На основе обра ботки экспериментальных данных для 14 нормальных жидких веществ, ранее этот принцип был использован Лецу и Стилом в корреляции для расчета вяз кости насыщенных жидкостей неполярных и слабополярных веществ при 7'п/ -=0.76... 0.98.

где и зависят только от приведенной температуры Тпр, а £

индивидуальный параметр вещества:

^Т^.^-М^ (18).

Для установления численной зависимости (^и (т^)'1) от Тпр пр! Тпр=0.55...0.76 нами использовались справочные высокой надежности дан ные для 15 нормальных жидкостей, в число которых в основном вошли угле водороды метанового ряда и их галогенопроизводные, в частности, хладонъ различной структуры. Определено, что в соотношении (17) параметры^)!0

и можно представить в следующем виде:

= 0.178565 - 0.843742 • Тпр + 1.54748 • Тгпр - 1.27153 • Тъпр + 0.39067 • Т*р(I9) (т^)'1' = 2.54-22.27 Г„р +80.23 150.17 Г3р+ (20)

+153.81 ■ Т*р - 81.88 Г*р + 17.74 •

Погрешность расчета вязкости большинства исследованных жидких вс ществ на основе соотношений (17)-(20) составила 3...5% при Тпр=0.76...0.9! 6...7% при Тпр =0.55...0.76 и 10-15% при Тпр =0.5.

Предлагаемый метод расчета вязкости жидких веществ был применен и 1 жидким смесям. При этом параметры индивидуального вещества в (18) за меняются псевдокритическими параметрами для данной смеси. Псевдокри тическая температура, фактор ацентричности, критический коэффициен сжимаемости, критический объем смеси и молярная масса определяются ка1 простая сумма мольных составляющих, а псевдокритическое давление смес!

- по модифицированному правилу Праусница и Гана. Расчет вязкости некоторых перспективных многокомпонентных рабочих веществ показал, что средние отклонения для них, в области приведенных температур Тпр=0.55...0.76, составляют 3 - 8%. На рис.12 показаны для сравнения экспериментальные и расчетные зависимости вязкости различных альтернативных смесей на линии насыщенной жидкости от приведенной температуры.

Я-134а - К-124 - п-Бутан (64-32-4°/.)

И-32 - 11-125 - Я-134а (46-7-47 %)

0.4

0.4-1

«а

И

¡8

л н и о X м

к 09

0.0

эксперимент

расчет по методу Лецу-Стила расчет по предлож. соотношениям

Рис.12 Вязкость различных смесей на линии насыщенной жидкости:

Используя модифицированное уравнение Пател-Теджа и корреляции для расчета вязкости жидкостей, был рассчитан комплекс данных: термодинамические свойства в двухфазной области и в области перегретого пара, а также вязкость на линии кипения практически актуальных смесей СМ-1(Ш34-Е1218-Н бутан, 71-20-9 мольн.%) и РЯ-12(Я134а-К124-н бутан, 64-32-4 чольн.%).

ВЫВОДЫ

1.В работе найдено, что точность описания термодинамических свойств грехпараметрическим кубическим уравнением состояния определяется критерием наименьшего значения эффективного критического коэффициента сжимаемости. На основе этого критерия разработана методика выбора струк-гуры трехпараметрического уравнения состояния, которое с минимальной тогрешностью описывает термодинамические свойства чистых веществ и их :месей.

2. Найденная на основе предложенного критерия оценки точности уравне-шя состояния, структура Пател-Теджа наилучшим образом описывает свой-

ства неполярных и слабополярных веществ. Модификация уравнения Пател Теджа в предпосылке эффективного критического коэффициента сжимаемо сти, зависящего от температуры и давления, позволяет с лучшей (по сравне нию с другими уравнениями Ван-дер-Ваальсовского типа) точностью прогно зировать свойства индивидуальных веществ в отсутствии экспериментальны: данных и описывать свойства смесей.

3. Предложенные модификация уравнения и соотношения для определе ния параметра бинарного взаимодействия могут быть использованы дл прогнозирования фазовых равновесий смесей, сформированных из вещест одной химической группы. При этом параметр бинарного взаимодействия дл азеотропных смесей хладон-хладон нужно определять через дипольный мо

мент молекулы и параметр уравнения ЬКр ; для зеотропных смесей хладон хладон, углеводород-углеводород - через фактор ацешричности молекулы 1 критический коэффициент сжимаемости.

4. Предложенные соотношения для прогнозирования вязкости жидки хладагентов могут быть использованы в расширенной области приведенньг

температур Тпр =0.5...0.98.

5. Таблицы термодинамических свойств новых хладагентов СМ-1 и БЕ 12, рекомендованных к применению в современных холодильных системах : установках кондиционирования воздуха, рассчитаны на основе предложснно модификации уравнения и проведенных экспериментальных исследований.

6. Динамическая вязкость смесей СМ-1, Н1-12 на линии насыщенно: жидкости рассчитана по предложенной в п. 5 корреляции.

Основное содержание изложено в работах:

1.М.Ю.Боярский, О.Н.Подчерняев, Ю.Р.Зулькарнеева. Выбор оптималь ной структуры единых уравнений состояния // Холодильная техника-1996,-№8.-С.26-27.

2. М.Ю.Боярский,О.Н.Подчерняев, Ю.Р.Зулькарнеева. Модифицирован ный метод Лецу-Стила для прогнозирования вязкости жидких хладагентов ; расширенном диапазоне температур Л Холодильная техника.-1997.-№3,-С.26-27.

3.М.Ю.Боярский,О.Н.Подчерняев, Ю.Р.Зулькарнеева Прогнозирован» термодинамических свойств многокомпонентных хладагентов единым урав нением состояния // Труды международной конф."ФЛАУЭРС-97." - Фло ренция, Италия, 1997. - С.87-94.(на англ.яз.)

Печ. л. Тираж /ОО Заказ

Типографии МЭИ, Краснокэзарменнэя, 13,