Термодинамические свойства и уравнения состояния озонобезопасных хладоагентов R134A, R116 и смеси R116-R23 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

рг6 псковский энергетический институт

( технический университет )

2 ? ??др ¡99*

На правах рукописи

масленников алексея васильевич

теи/0дюшд1ческие свойства и уравнения состояния 030н0бе30пасвдх хладоагентов й134а, и116 к смеси й116-я23

Специальность 01.04-. 14. - Теплофизика и молекулярная физика

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I ч ЧЛ-

\ А

а'осква - 1994

Работа выполнена на кафедре Инженерной теплофизики Московского Энергетического института

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

' Ведущая организация:

кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Е.Е.Устюжанин

доктор технически! наук профессор В.А.Рабинович

кандидат технических наук доцент Г.А.Спиридонов

ВНИИХолодмаш

Защита диссертации состоится " 1994 года в

часов на заседании специализированногс/совета К 053.16.02 при Московском энергетическом институте по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д.17, корпус "Т", 2 этак, к.206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы на автореферат в двух экзеылярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул , д. 14. Ученый совет МЭИ.

" // 11 1994 г.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета К 053.16.02 к.ф.-м.н., о.н.с. Ь^^ В.И.Мика

общая характеристика работы

Актуальность темы. Систематические исследования теплофизи-ческих свойств галоидопроизводных этана были инициированы Монреальским протоколом по веществам, разрушаящим озонный слой Земли, принятым на Конференции экспертов Организации Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП) в 1987 г. В связи с этим во многих странах мира развернулся интенсивный поиск и исследование альтернативных, экологически чистых холодильных are тов. Проблема замены озоноактивкых хладоагентов на альтернативные многспланова, а перечень безопаскы1 веществ весьма ограничен. В этих условиях ведется также поиск перспективных смесей альтернативных хладоагентов. В качестве объектов исследования выбраны хладоагент R134a и смесь хладоагентов R116 и R23. Хладоагент R134a в настоящее время рассматривается как самый перспективный заменитель R12. Смесь R116-R23 рассматривается как заменитель R13 или R503. Эффективное использование новых рабочих веществ возможно при выполнении ряда условий, в том числе при наличии надехных экспериментальных данных об их термодинамических свойствах.

Цель работы.

1. Экспериментальное исследование P-V-T- зависимостей хладоагентов R134a, R116 и P-V-T-M- зависимости смеси H116-R23.

2. Обработка результатов измерений. Разработка на их основе и имеющихся литературных источников уравнений состояния для R134a, R116, R23 и смеси R116-R23.

3. Расчет таблиц термодинамических свойств хладоагента Н134а в жидкости, газе и на кривой упругости.

Научная новизна. При модернизации установки, реализующей метод пьезометра постоянного обьема , Енедрены новые технические решения, нацеленные на автоматизацию и повышение точности эксперимента по исследованию чистых веществ и смесей. Выполнены систематические измерения плотности хладоагентов R134a, R116 и смеси R116-R23 в интервале температур 200...315К и давлензЛ О.1..-55Ша. Получено 77 экспериментальных значений плотности R134a, 80 значетй плотности для R116 и 330 значений плотности для смеси R116-R23. Измерения выполнены в ранее практически неизученных областях температур и давлений. Для смеси R116-R23

исследовано 5 композиций, в том числе для ^=0.22, 0.63, 0.70, 0.72 экспериментальные точки получены впервые.

Разработан пакет программ для аппроксимавди слитных данных, реализующих метод многократных испытаний и метод нелинейной регрессии.

С использованием нобых и известных экспериментальных и расчетных данных построены : вириальное уравнение состояния для Н134а и кубические уравнения состояния для Й116, Й23 и смеси Н116-1123.

Разработана программа для расчета термодинамических свойств 11134а в ¡жидкости, газе и на кривой упругости. .

Рассчитаны таблицы термодинамических свойств хладоагента Н134а в широкой области параметров состояния.

Автор защищает.

1. Результаты расчетно-экслериментального определения плотности упомянутых объектов в пироком интервале температур

и давлений.

2. Полученные уравнения состояния и таблицы термодинамических свойств.

3. Методические и технические решения, использованные при автоматизации установки.

4. Пакет программ для аппроксимации Р-У-Т и Р-У-Т-Ы-данных, а также для расчета таблиц термодинамических свойств.

Практическая ценность работы. Рекомендуемое в работе уравнение состояния и таблицы теплофизических. свойств хладоагента И134а вошли в Проькг рекомендуемых справочных данных для данного Еещества.

Экспериментальные Р-У-. -М - данные для Л11б и смеси Н116-1123 и построенные уравнения могут быть испол: ,ованы при составлении таблиц справочных (стандартных или оценочных) данных по термодинамическим свойствам изученных веществ.

Апробация работы. Основные результати работы докладывались на IX (1938г.) и X (1990г.) - Всесоюзных теплофизических школах, Тамбов; 1У Всесоюзной конференции молодых исследователей, Новосибирск, 1991 г.; Всесоюзной научно-технической конференции "Холод - народному хозяйству", Ленинград, 1991 г.; XVIII Международном конгрессе по холодильной технике, Монреаль, 1991 г.; Международной теплофизической школе. Тамбов, 1992 г.;

Теплофизической конференции СНГ, Махачкала, 1992 г.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 11 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем работы - 196 страниц машинописного текста, из них основного текста - 103 страницы, 56 рисунков, 31 таблица. Библиография содержит 101 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и ЕЫбор объектов исследования -альтернативных хладоагентов и их смеси.

В первой главе сделан обзор экспериментальных работ по исследовании термодинамических свойств И134а, Г1116 п смеси Р116-И23. Проведен анализ их погрешности и показана необходимость проведения дополнительных экспериментальных измерений плотности для разработки уравнений состояния исследуемых веществ. Рассмотрены существующие единые (жидкость, газ и кривая упругости) уравнения состояния, дана их краткая характеристика и сравнительный анализ. Обоснован выбор форм уравнения состояния: вири-ального для 11134а и кубического для Р116, Р.23 и смеси 11116-1123. Сформулированы направления исследования.

Во второй главе изложена методика проведения опытов, дано описание автоматизированной экспериментальной установки (АЭУ), реализующей метод пьезометра постоянного объема с определением количества вещества путем выпуска в отделяемую ампулу. Рассмотрено аппаратно-программное обеспечение эксперимента и сделана оценка погрешности определения плотности.

АЭУ является работоспособной в диапазонах температур 80.. .320К и избыточных давлений 0,1.. .250Ша. АЭУ содерзит следующие блоки: пьезометр, крисстат .систему вакуумирования, систему создания и измерения давления, систему регулирования и измерения температуры, систему определения массы вещества, блок приготовления и проведения концентрационного анализа исследуемой смеси веществ, систему сбора и обработки всей экспериментальной информации и управления экспериментом. Общая схема АЭУ

приведена на рис.1. Пьезометр 5 изготовлен из сплава ЭИ-268 в виде полого цилиндра и находится в вакуумной камере криостата. Его внутренний объем определен путем тарировки по воде и равен 40.648+0.001см^ при температуре 273,15К. Соединение пьезометра с системой заполнения осуществляется толстостенным капилляром длиной 1133 мм, внешним диаметром 1 мм и внутренним - 0.3 мм. Величина балластного объема пьезометра определена тарировкой и расчетным путем по известным геометрическим размерам и равна 239.1±1.5 мм. Нуль-индикатор давления 7 отделяет исследуемое вещество в пьезометре от системы измерения давления упругой мембраной из нержавеющей стали толщиной 50 мкм и диаметром 36 мм. Линейная зона характеристики лежит в пределах +0,025 МПа. Нуль-индикатор помещен в термостат, в котором поддерживается заданная (310+0.2К) температура. Давление в пьезометре измеряется с погрешностью близкой к 0.0556. Датчик давления 7 (погрешность измерения давления 0,5%; служит для измерения давления газа в коммуникациях, входящих в балластный объем ампулы. Измерение массы вещества в пьезометре осуществляется путем выпуска его части в отделяемую ампулу 10 с последующим взвешиванием на аналитических весах ВЛР-200г. Взвешивание осуществляется по методу Менделеева не менее трех раз для каздого выпуска. Для измерения и регулирования температуры в пьезометре применен 100-омный образцовый платановый термометр сопротивления ТСПН-1. Погрешность измерения температуры составляет 0.01К. В схеме используется образцовая катушка РЗОЗО сопротивлением 100 Ом, помещенная в термостат 4. температура в термостате измеряется 50-оыным платиновым-термометром ТСПН-4.

В настоящей работе исследуемая смесь готовилась способом парциальных давлений с последующим более точным определением состава смеси на хроматографе. Блок приготовления смеси заданного состава показан на рис.2. Перед заполнением исходными компонентами производилась их многократная деаэрация по циклу "замораживание - вакуумирование - размораживание".'

Структурная схема системы обработки первичных опытных данных и управления экспериментом показана на рис.3. Работой установки в эксперименте управляет микро-ЗВМ KERA-60, укомплектованная необходимыми внешними устройствами. Для связи экспери-

Сиотема обора н обработки

ДГ)ШШХ

-

рис.1 Схема автоматизированной оксперимснтальной установки. 1 -вакуумотр;2 -вэкуушшя система;3 -усилитель модности;4 -термостат;5 -пьезометр;б -регулятор теьшературы;7 - даф1апо!/.зтр;8 - электронная система дц'*:лжометра;9 - масло-водяной разделитель; 10 -отделяемая ампула; 11 -заправочный баллон; 1;.: -грузопоринсше манометры; 13 - термокомпрэссор; 14 - ртутный мультипликатор; 15 - пресс; 16 - измеритель перепада давления ¡-тфровой; 17 -платиновый термометр;13 - дифтермопари; 19 - термопары;20 - нагреватели;21 - датчик давления ТЫД-25.

Q £ К ] Л a

1

h-

ra

¡gg a

a 0_

\ 6

lirmi

v ^

v7 дб8

1

Ьба^;2™^16®0®® для приготовления газовых смесей

Дисплей СМ-7209 t i |Принтер D100 t Плоттер MDG101 т Плоттер 620А t Магнитофон PT-JCS Дисковод

Видеомонитор Электроника 32 ВТЦ 101

JL

IBM-PC R5-232C

IEEE-488

I-1 — * >

Вольтметр B7-34

Интегратор И-^2

_i_

Хроматограф ЛХМ.8МД

КЭК 625.1 (IEEE-488)

i

,Вольтметр НР-3455А

'Коммутатор , Ф-7078К '-Т"

Микро-ЭВМ .MRRA-60

00

03У-2Мбайта ВЗУ-20Мбайт Процессор-Мб

Вольтметр 111-31

Самописец КСП-4

Крейт КК 109

КАМАК

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Ркс.З Схема системы обработки данных и управления экспериментом

ментальной установи! с ЭВМ применен интерфейс программируемых приборов МЭК 625-1 (IEEE-488). Системное программное обеспечение позволяет сочетать одновременно работу на ЭВМ экспериментатора и параллельное вшолнение других 'задач.Стыковка микро-ЭВ" с IBM PC/AT осуществлена при помоет интерфейса RS-232C. Применение специального программного обеспечения (ПО) позволяет наблюдать на дисплее за распределением температуры по дл:яе каппиляро, за положенном мембраны нуль-индикатора и достижением режима выхода установки на заданную температуру. Максимально возможное ..оли-чество датчиков в АЭУ - 100, продолжительность непрерывной работы более 150 часов. •

ПО обеспечивает проведение эксперимента, обработку полученной информации к расчет экспериментальной плотности. ПО работает под управлением многопользовательского IS-монитора операционной системы РАФОС и состоит из трех пакетов программ. В эксперименте работают пакета 1 и 2. Использование ТС-монитора позволяет установить обмен информацией мезау этими пакета;« с помощью "почтового ящика", позволяющего передавать данные из пакета 1 в пакет 2 и обратно. Пакет 1 работает в режиме "зето-номная задача", а пакет 2, как обычная. По скончании охспери-мента результирующий файл обрабатывается пакетом 3. который вычисляет деформации пьезометра, массу вещества в балластном обьеме и другие поправки, плотность исследуемого вещества и погрешность с учетом параметров отнесения.

Третья глава посвящена определении состава смеси K116-R23 на основе хроматографа ЛХМ-8МД . С помощ;.:> тарировки по пяти поверочным смесям рассчитаны поправочные коэффициенты дяжой смеси. Определена погрешность нахождения концентрации, которая составила 0.7555.

Приведен порядок проведения концентрационного анализа и режим разделения компонентов. Расчет состава смеси осуществлялся специальной программой. Скорость считывания 'показаний с вольтметра, подключенного к катарзметру, составила 4 нжер./'сек. Программа вводит хроматографу в компьютер, разделяет пики, учитывает дрейф нулевой линии, производит интегрирование, рассчитывает площади компонентов и вычисляет концентрации компонентов смеси. Программа дает всзможюсть обрабатывать ранее создашше хроматогрпммы, производить статистическую обработку

множества измерения, выдавать по требованию пользователя графики хроматограым и архивировать файлы данных.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования плотности хладоагентов Е134а, И11б и смеси Р.116-Й23- Опыты проводились как по изотермах!, так и по квазиизохо-рам. Всего было проведено 14- серий экспериментов, в которых получено 487 значений пяотности. В каждой экспериментальной точке измерения выполнялись многократно. Массовая доля основного компонента для исследованных обьектов составила: для Ш34а -0.9997, для Я11б - 0.9996, для И23 - 0.9992. Выборка точек помещена в табл. 1, где Р - давление, МПа, Т - температура. К, р - плотность, кг/м^, 5рэ - расчетная погрешность точки, %. N - мольная доля. Полностью данные приведены в диссертации.

Пятая глава посвящена обобщению Р-У-Т- данных и разработке программного обеспечения для построения уравнения состояния (УС) и расчета термодинамических свойств хладоагента И134а в широком диапазоне температур и давлений.

• В качестве УС выбрано полиномиальное разложение коэффициента сжимаемости:

КМ 11-1

ы 1 ' и - р/ркр' г - V1 (1)

где и, х- приведенные плотность и температура, Ь^ - регулируемые параметры, определяемые статистической обработкой исходных данных.

Для построения моде т уравнения состояния был использован метод многократных испытаний (ММИ) . Для вычисления коэффициентов {Ь^} была разработан^ программа, реализующая ММИ применительно к массиву точек по Л134а. На первом этапе программа формирует множество систем нормальных уравнений (АдХВ^=и, 1 = 1, V), каждое из которых содержит в левой части малый параметр а^. На втором этапе вычисляются ча' ные решения {Ь^}, характеристика рассеяния точек 5,, усредненное решение В и

?

характеристика рассеяния коэффициентов % . Из рассмотрения исключаются варианты, дающие большое рассеяние точек (б^2^) и коэффициентов (х^2^) • На третьем этапе программа проверяет гипотезу о незначиыости коэффициента. Последняя состоит в том, что коэффициент Ьр приравнивается нулю, если его характеристика

рассеяния 5Ь является максимальной. После этого этапы 1...3 Р

3Konepi5MeHTaJ!tHHe aamnie o njioraoora nccJie^oEsHHiu t;.

T P P T P a 'Q I

Ri34a H116

260.00 3.1989 1346.6 0.038 183.00 2.0339 1665-3 0.043

261.00 4.1431 1346.5 0.038 184.00 3.1747 1665.2 0.043

262.00 5.0847 1346.4 0.038 185.00 4.1382 1665.1 0.049

315.00 43.1915 1316.0 0.039 137.00 6.3549 1664.9 0.049

315.00 43.3001 1315.9 0.039 188.00 7.2603 1664.7 0.049

268.00 2.5345 1319.7 0.038 189.00 8.3166 1664.6 0.'". '9

234.00 1.7144 U19.0 0.047 201.01 1.9394 1537.9 O.UiÉ

236.00 4.0269 1418.8 0.047 203.00 3.5357 1583.0 0.046

237-00 5.2146 1418.7 0.047 203.00 23.5903 1662.6 0.049

216.00 27.7015 1511.5 0.049 205.00 5.5370 1587.9 0.046

264.00 6.9887 1346.2 0.038 208.00 29.1037 1662.1 0.049

268.00 10.8007 1345.8 0.038 210.00 9.6895 1587.9 0.047

273.15 15.7037 1345.4 0.038 210.00 31.1244 1661.8 0.049

200.00 2.9607 1513.3 0.049 213.00 12.3215 1587.9 0.047

201.00 4.5606 1513.2 0.049 215.00 36.5028 1661.2 0.050

202.00 6.0488 1513.0 0.049 217.00 15.6363 1587.8 0.047

300.00 20.4242 1286.9 0.038 220.00 42.1140 1660.6 0.050

NR116= = 0.358 NR23= 0.642 NR11fV = 0.217 Nr??= 0.783

(rafid" ronrmas KonTiPHTrnwraíO 210.00 215.00 220.00 225.00 9.6533 14.7612 20.0757 25.3575 1446.6 1445.5 1444.9 1444.2 0.03i. 0.032 0.032 0.033

190.00 195.00 200.00 205.00 210.00 8.7458 14.7604 20.4119 26.3421 31.8787 1554.8 1553.5 1552.5 1551.2 1550.3 0.043 0.043 0.043 0.043 0.044

NR11fi= 0.635 NR„= 0.365

203.00 7-0837 1496.0 0.044 295.02 8.9617 1037.3 0.044

212.50 12.8039 1482.2 0.044 301.00 10.5734 1036.5 0.046

217.50 17.5419 148'.8 0.045 305.00 11.6718 1036.2 0.046

210.00 220.00 10.5846 19.9975 1483.4 1481.2 0.044 0.044 NR116 = 0.724

220.00 10.0757 1429.4 0.044 210.00 7.5266 1514.1 0.036

240.00 28.0536 1426.3 0.044 212.00 9-3274 1513.7 0.036

240.00 6.6249 1316.3 0.047 214.00 11.1243 1513.5 0.036

:;с£".'ср.:;ст?.ч до тех пор, пока выполняется условие $-,<g.j. Б ка-чс:тг:е i, выбрано относительное среднее квадратичное отклонение точ'л: всего кзссав8 по плотности.

Пр-.грзг/ла написана на языке Fortran-77.' Вычисления выполня-лпсь its ОБ" PC/AT в режиме удвоенной точности. Использованные в испытаниях 1-а,} лежат е диапазоне ±1СГ1'* близки к машшным округления. Количество испытаний V равнялось 39. Параметр;; ^ и к-, приняты равными 3.3 10 J и 75. Исходный массив тег'"'!-: ьключзл около 1500 P-V-T -точек, в том числе точки в области кидкоети, газа и кривой упругости.

В соответствии с методом, в качестве рекомендуемого Сало принято уравнение, содержащее 10 нулевых коэффициентов. Ненулевые коэффициенты рекомендуемого УС приведены ниже:

Ь13= 0.780310719 Ю2 Ъ1б=-0.862154495 Ю1 Ъ23= 0.196345938 Ю3 Ъ31= 0.194729535 Ю2 Ьзб=-0.354365890 102 Ъ43=-0.5б8612554 Ю2 Ь51= 0.362665964 Ю1 Ьб1= 0.317502068 10° b66=-0.7732935S1 10° b?4=-0.174570140 101 b81= 0.270692871 10° Ъ84=-0.260422014 Ю-1

Ма^лтабные параметры Г,_, р „_ и молярная масса выбраны

тКр кр^

равными 374.25К. 512.0 кгАги 102.03 кг/кмоль.

Полученное уравнение состояния хорошо согласуется с исходным массивом точек в целом (среднее квадратичное отклонение по плотности 6 равно 0.19%) и грушами надежных данных - Базу (1989 г., 0.19%), Вебера (1989 г., 0.1S6), Железного (1991 г., 0.13Ä) и наших данных (0.11Й). Анализ показывает, что распределение отклонений для всего исходного массива олизко к нормальному. Данные Базу расположены ниже расчетной поверхности в среднем на 0.1%. Других заметных систематических расхождений не выявлено. В целом характеристики аппроксимации удовлетворительно согласуются с оценкой погреашости, сделанной авторами.

Ьн 0.731333276 101

bji=-0.804294119 ю2

Ь2*= 0.294791420 102

Ь24=-0.116831337 103

Ъ32=-0.354607712 102

Ь41=-0.305142756 102

Ь45=-0.103643121 101

Ь53=-0.292945942 101

Ь62=-0.640674909 101

Ь?2=-0.361500!'.,. 10°

Ь7,=-0.375240915 10°

Ьао=-0.546858190 10и иг п

Ьд,= 0.182169025 10и

Ь1?=-0.383948540 102, 0.407313966 102 Ь22=-0.126128288 103 Ъ26= О'. 172708702 102 Ь35= 0.516541602 102 Ь42= 0.780568655 Ю2 Ь46= О.101027156 102 Ь5б=-0.603875206 10° Ь63= 0.674466119 Ю1 Ь?3= 0.207524938 101 Ь?6= 0.497175068 10° Ъаз= 0.193161434 10° Ь„,=-0.926179869 10"1

УС (1) било положено в основу алгоритма расчета термодинамических свойств р, Б, Н, Р, г, Ср, Су и V/ при заданных те'.'ло-ратуре и давлении. Для расчета свойств на кривой упругие:и привлечено уравнение Р3(Т). которое приведено з Рексмендур;/;:х справочных данных для НТ^-'-ч (1990г.). Для теплоемкости в идезль-но-газовон состоянии было выбрано соотношение, предложенное Базу:

0р=-0.5257455 10~2+0.329657 10~2Т-2.017321 10"бГ2+15.8217Т-1,(2)

где С^ выражена в кДж/(кг К), Т - в К.

Шестая глава посвящена обобщению термических данных и построению единых кубических УС для хладочгентоь Р.116,"К23 " смеси 16-Е23. В настоящей работе были использованы УС Соавэ и УС Треббла (1988г.). Аналитическое обобщение опытных данных с помощью выбранных УС содержало следующие этапы: 1) определен;'.е регулируемых параметров УС в соответствии с литературными рекомендациями и расчет характеристик отклонения: 2) корректировка модели и определение регулируемых параметров с помощью программы, реализующей метод нелинейной регрессии (МНР); 3) анализ' концентрационных зависимостей для смесевых коэффициентов; 4) выявление области параметров состояния, в которой рассматриваемое УС имеет удовлетворительные характеристики и может успешно применяться для расчета термодинамических свойств.

Для лучшего описания экспериментальных данных УС Соаве было

нами модифицировано. Оно имеет следующую форму:

р__Е-Д_ . .аСГ)_

* ~ V - Ь(Т) V (У+Ь(Т)) •

(3)

а=а0+а1т+а2г2, Ъ =Ь0+Ь1х , г = Ткр /Т - 1.

Обозначения в (3) являются общепринятыми. Для бинарной смеси коэффициенты а и Ь рассчитываются по формулам:

2 2 2 (а^+а1/3)3

а = Г Е а^х.х-.; Ь= I а13=(1-г))—и—- (4)

1=1 3=1 ^ 1 3 3=1 0 3 1г г

УС Треббла выглядит следующим образом: р=_ДЛ1_ _-аш-:--(5)

'<- л. л- «иг _ х

V - Ь(Ш) Vе + (МП) + с)У - (Ь(Е)о + <Г)

а(Т) = а0 ехр ^.,(1 - Тг)), = Г / Ткр ;

Ь(5)=Ь (1.0+чо( 1-Т„+ЬпТ_), если Фа 1.0; Ь(Т)=Ь.,еоли Т_>1.0

О с. Г " " О х

::р::.\'?н?кня УС Треббла к смесям применяются

-•щ::-- прпззда ксмошшровапия: г. п 1/2 Ь.+Ъ,

.•с-^таенты Ь„,, с„, и рассчитываются аналогично а„,,,

- М СМ ОМ См

: :: а..,, аналогично

Для чистого вещества параметры а^а.-,, Ь^, Ъ^ , д,, ^ :: определяются с помощью МНР на основе обработки эксперкмен-тьлыгцх данных. Для смеси определяются смесевые коэффициенты г),

Ч- V :: V

При расчете оптимальных коэффициентов УС для чистых веществ (3) и (5) были тестированы на изученных веществах: 5зст5 и хладоагекте Р.23. Характеристика массива дана в таол.2. 3 сднсфознсй области давление рассчитывалось непосредственно из формул 1.3) я (5). а на кривой упругости из условия равенства лс-тучостой для данного вещества в жадности и газе. Для сравнены в таСл.З приведены среднеквадратичные отклонения (СКО) опытных точек от этих УС. Из анализа был сделан вывод, что око-локрит;;че,скую область, газ и пограничную кривую лучпе описывает уразн-глно (5). а область квдкости - уравнение (3).

С целью увеличения точности УС Треббла было модифицировано. Изменению подверглась форма зависимости коэффициентов а и Ь от температуры. Для этого варианта расчеты были выполненыдля Р23, К116 и их азеотропной смеси (0.36 мол. долей И116). Б данном случае смесь рассматривалась как чистое вещество. При 'проведении расчетов исходные данные были разбиты по изотермам. Область исследования была ограничена докритическими параметрами. Для каждой такой группы бил:; определены локальные коэффициенты УС Трзббла и рассчитаны (СКО). Проведенные в работе исследования показали, что наилучшей аппроксимацией для коэффициентов ^ и является'следующая:

= А1 + А2 Тг. = А3 ехр(А4 Тг). Тг= Т/Ткр (7)

В рамках настоящей работы изучено несколько моделей УС Треб-Сла, представленных в табл.4. Наилучшими аппроксимационными характеристиками обладает уравнение с набором локальных коэффициентов (см.рис.6). Для Й23 и азеотропной смеси 1*116-1123 среди сравниваемых моделей наилучшей является модель 4, а для Н116- модель 3 СКО для этих моделей даны в табл.5, а коэффициенты - в табл.6. ([ТЗ=К. 1У]=м3/кмоль, И=8.314 Дж/(К кмоль),[Р]=МПа). Относительные

Таб.таца

Характеристика использованного в расчетах массива данных.

Вещество Кол. почек Интервал температур. К Интервал давления МГГа Ткр. К Ркр.|укр.1000

одноф обл. ж-г

Азот И23 Ш1б 0.36И116 +0.641121 235 182 228 227 27 34 21 31 75-350 233-373 180-365 200-350 0.5-Ю 0.2-10 0.1-19 0.3-20 126.20 299.00 299.05 287.26 3.40 4.82 3-04 4.00 89-471 133.37 221.84 164.80

Таблица 3

Сравнение погрешности расчета давления и плотности (¡5)

Веще- Уравнение ОР <7Р Рт ОР ОР СТУ аУ " Н£ЦШ дшща.

ство состояния ОбШРЙ ж-г ШЖж. гаг; яоттгк. газ ГТР ау

Азот Соаве-МЭИ 11.42 12.83 12.9 1.92 2.14 0.42 7.32 7.38

Треббла 9.58 1.94 24.9 0.31 1.51 0.22 1.59 2.44

И23 Соаве-МЭИ 7.60 3.44 7.43 1.39 2.25 1.50 2.70 0.5

Треббля 22.14 1.Й9 26.2 0.66 1..52 0.83 Я.9 4.?3

Таблица 4

Различные модификации уравнения Треббла.

Номер модели йитт нятеитшпп1™ ют я тлпп^тптяечттоп Комментарий

<4 ч?

1.. 2. 3. 4. А1 А1 + А2 Тр А1 А1 + Ар Тг А3 Аз ¿2 ехр(А^Т„) А-, ехр(АлТ1.) Уравнение (20) а2=о, а4=о а,=0 а£=0

Таблица 5

Итоговые погрешности расчета давления и плотности (й)

Вещество Номер моле.пи ар обшее ар погр.кр. ОР погр.кр. ар няот.раб. ар няст.раб.

И23 11116 0.36Й116 ..+0.64Й21 4 3 4 3-02 3.89 2.87 2.14 1.29 1.96 1.85 0.98 1.72 2.62 2.57 22.3 14.8

Таблица б

Коэффициенты модифицированного уравнения Треббла.

вещество А1 А? А3 А4 5 С1

И23 Я116 0.3611116 +0.64ИРЗ 3.1145 0.93329 -1.3918 -3.1429 0.0 2.1758 4.8707 10 8 -2.2774 Ю~2 7.85563 20.9992 5.96338 -3.66025 0.29456 0.30365 0.29315 3.3222 10"2 3.6812 Ю-7 5.1908 Ю-2

)

Т/Ткр

Рис.6. Среднеквадратичные отклонения различных моделей уравнения состояния ТребЗла для Й23. о-модель 1, о-ыодель 2, ^-модель 3. »-.модель 4, «-локально

а 6 4 2

-2 -4 -6 -8

8 9 Ю 11 12 13 14 i6 16 17 18 ,р , кмоль/м^

Рис.7. Отклонения экспериментальной плотности от УС Треббла на кривой мг-чния (• - R23. ■ - R116, ♦ - R1l5-R23,a3eoTp.) и в жидким (о - R23. п - R116, v - R116-R23, азеотр.)

отклонения точек от УС для Ю16 показаны на рис.7.

При построении УС для смеси хладоагентов Н116 и И23 бглн использованы уравнения (3) и (5) с комбинационными правилами (4) и (6). При поиске оптимальных коэффициентов были обработаны данные на кривой упругости.

На первом этапе при использовании уравнения (3) удалось добиться удовлетворительного описания исходных данных в тем случае, когда г) зависит от температуры и от концентрации. В результате СКО по давлению составило 7.555.

На втором этапе было использовано уравнение (5) для двух-кемпенентной смеси с коэффициентами я^Т), с]-,(Т),"5> и найденными ранее для модели 4 для чистых Н116 и Л23. Оценка з&гл-симости смесевых коэффициентов КдД^.К^.Кд от концентрации позволяет сделать вывод, что 1С0 практически не зависит от концентрации и близок к единице. В этом случае удается описать экспериментальные данные с погрешностью по давлению не более ±5%.

Сравнение двух уравнений позволяют сделать следующее заключение ; уравнение (3) применило вдали от критической области и в нешироком диапазоне Р-У-Т-К-поверхности; наилучшее согласование .с экспериментом достигается с использованием уравнения Треббла, причем точность расчета значительно повышается при использовании в этом уравнении набора локальных (по концентрации и температуре) смесевых коэффициентов.

ВЫВОДЫ

1. Осуществлена модернизация экспериментальной установки, при этом использованы технические решения для автоматизации пьезометрического эксперимента по определенна плотности чистых веществ и смесей. Разработан и создан блок для приготовления и анализа газовых и жидких смесей хладоагентов. Автоматизирован процесс определения состава исследуемых смесей с помощью ЭВМ.

2. Выполнены систематические измерения плотности альтернативных хладоагентов (индивидуальных и их смесей). Для И134а и Я11б экспериментальные данные по термическим свойствам получены в малоизученных областях, а для смеси Я11б-Р23 впервые. Произведена оценка погрешности-полученных результатов.

3. Для хладоагента 11134а сформирован массив экспериментальных и расчетных данных, охватывающий область жидкости.

газа, кривую упругости и содержащий примерно 1500 точек. Разработана ЗЬМ-программа. которая осуществляет аппроксимацию P-V-T-даниых по методу многократных испытаний. Получено вириальное УС, которое обладает устойчивостью к компьютерным погрешностям, содержи небольшое количество ненулевых коэффициентов и удовлетворительно описывает массив исходных данных . Для коэффици- . ентов УС сделана оценка допуска.

4. На основе вириального УС и зависимости давления насыщения сформирован пакет программ для расчета термодинамических свойств хладоагента Н134а.

5. Рассчитаны таблицы термодинамических свойств хлэдоаген-та Р. 134а на пограничной кривой и в однофазной области, основанные на надежной экспериментальной информации.

6. Выполнено обобщение и сформированы массивы термических данных для R116, R23 и смеси R116-R23. Разработан пакет программ для поиска коэффициентов кубических УС методом нелинейной регрессии.

7. Для диапазона температур 200...315К и давлений 0.1...20МПа определены эмпирические коэффициенты термических УС Ссаве и УС Треббла для хладоагентов R116, R23 и их азеотропной смеси. Произведена модификация этих уравнений, в том числе получены модели УС, которые учитывают зависимость параметров от температуры и концентрации. Дан сравнительный анализ исходных и модифицированных УС и рекомендации по их применении.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Устюжанин Е.Е., Доброхотов A.B., Масленников A.B. Автоматизированный измерительный комплекс для измерения ' плотности кщкости и газа при низких температурах. // IX Всееоюз. тепло-физическая школа: Тез. докл. - Тамбов, 1988. -С. 147-148.

2. Аринин A.A., Доброхотов A.B., Масленников A.B. и др. Термоданаические свойства смесей- на основе озонобезопасных хладонов в области низких температур. // X Всесоюз. теплофизи-ческая школа: Тез. докл. - Тамбов, 1990. -С. 47.

3. Семенюк Ю.В., Масленников A.B. Исследование сжимаемости фреона 134а при низких температурах и давлениях до 60 МПа. // IV Всесоюз. конф. молодых исследователей: Тез. докл. - Новосибирск, 1991. -f. 8-9.

4. Доброхотов A.B., Масленников A.B., Устюжанин Е.Е. Исследование плотности и построение уравнения состояния хладагента

R134a. // Холод - народному хозяйству: Тез. докл. Всесоюз. на-учно-техн. конф. - Ленинград, 1991. -С. 7;

5. Доброхотов A.B., Масленников A.B., Семенюк Ю.В., Устюжанин Е.Е. Плотность хладагента Н134а - эксперимент и обобщение. // Холодильная техника. - 1991. -Я7. -С. 16-20.

6. Доброхотов A.B., Устюжанин Е.Е., Масленников A.B. Исследование плотности хладоагента R134a - эксперимент и статистическое обобщение. // XVIII Междун. конф. по хол. технике: Тез. докл. - Монреаль, 1991. - том II. - С.393-397. - На англ. яз.

7. Доброхотов A.B., Железный В.П., Масленников A.B., Устюжанин Е.Е. Термодинамические свойства смеси оз'снобезопаспых хладонов R23 и R116. // Международная теплофизическая школа: Тез. докл. - Тамбов, 1992. -С. 22.

8. Доброхотов А.В., Устюжанин A.B., Масленников A.B.

0 проекте таблиц рекомендуемых справочных данных о термодинамических свойствах экологически безопасного хладона Rl34a. // Теплофизическая конф. СНГ: Тез. докл. - Махачкала. 1992. - С. 136.

9. Доброхотов A.B., Реутов Б.Ф., Масленников A.B. Применение озонобезопасных смесей в холодильных циклах (HFC 23/116, 134а/152а) // XIII Европейская конф. по теплофизическим свойствам: Тез. докл. - Лиссабон, 1993. - С. 337. - На англ. яз.

10. Доброхотов A.B., Гребеньков А.Я., Масленников A.B. Теп-лофизические свойства хладоагента R134a (уравнения и таблицы) // XIV Японский симпозиум по теплофизическим свойствам: Тез. докл. - Токио, 1993. - С. 271-274. - На англ. яз.

11. Доброхотов A.B., Устюжанин Е.Е., Масленников A.B. Уравнение состояния и теплофизические свойства хладоагента R134a з однофазной области // Эффективность в холодильной технике и проблемы глобального потепления: Тез. докл. Мекдун. конф. 12-14 мая 1993 г. - Гент, 1993. - С. 175-182. - На англ. яз.