Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 4, стр. 634-637
Давление пара, скорость звука и плотность смесевого хладагента R-134a–R227ea в паровой фазе
С. Г. Комаров 1, С. В. Станкус 1, *
1 ФГБУН Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе
Сибирского отделения РАН
г. Новосибирск, Россия
* E-mail: stankus@itp.nsc.ru
Поступила в редакцию 23.11.2018
После доработки 25.12.2018
Принята к публикации 27.03.2019
Аннотация
С помощью ультразвукового интерферометра и пьезометра постоянного объема в интервале температур от 293 до 373 К и при давлениях от 0.06 до 0.4–3.6 МПа исследованы давление пара на линии испарения, скорость звука и плотность газообразного смесевого хладагента R-134a (48.66%)– R-227ea (51.34%). Погрешности измерения температуры, давления, скорости звука и плотности составили соответственно ±20 мК, ±4 кПа, ±(0.1–0.3)% и ±(0.2–0.4)%. Получены аппроксимационные зависимости плотности пара и его давления на линии испарения. Выполнено сопоставление экспериментальных данных с расчетами по программе REFPROP.
ВВЕДЕНИЕ
Смесевые хладагенты системы гидрофторуглеродов R-134a и R-227ea относятся к группе хладагентов с нулевым потенциалом разрушения озонового слоя (ODP = 0). Один из вариантов состава этой системы – хладон R-423a (52.5 мас. % R-134a + 47.5 мас. % R-227ea) нашел широкое применение в качестве замены R-12 в системах охлаждения жидкостей. По заявлению компании “Дюпон”, успешная замена R-12 на R-423A произведена более чем на 40 объектах в Европе в установках различных типов [1]. Однако экспериментальных исследований термодинамических свойств R-423A и других составов системы R-134a–R-227ea в паровой фазе обнаружить не удалось. Все приводимые в литературе данные получены расчетным путем, в основном с использованием широко известной программы REFPROP различных версий.
Цель данной работы состояла в экспериментальном исследовании скорости звука и p,V,T-свойств одного из составов смеси хладагентов R-134a и R-227ea в широком интервале параметров состояния паровой фазы и сопоставлении полученных значений с результатами теоретических расчетов свойств данной системы.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Плотность ρ исследовалась с помощью пьезометра постоянного объема (439 см3) из нержавеющей стали 12Х18Н10Т вдоль шести изомасс (постоянная масса вещества в пьезометре) в интервале температур 293–373 К и давлений от 0.26 до 3.6 МПа. Ячейка погружалась в жидкостный термостат, температура в котором поддерживалась постоянной, с точностью не менее 5 мК. Температура T измерялась образцовыми термометрами сопротивления первого разряда ПТС-10, отградуированными в Сибирском НИИ метрологии, с погрешностью 0.02°С, а давление p – кварцевым манометром, который предварительно был отградуирован по грузопоршневому манометру. Использовался “горячий” мембранный нуль-индикатор из нержавеющей стали. Инструментальная погрешность измерения p составляла 4 кПа. Погрешность измерения плотности составляла 0.2–0.4%. Вводились поправки, учитывающие тепловое расширение пьезометра и его деформацию. Их величина не превышала 0.2%.
Скорость звука U измерялась методом ультразвукового интерферометра с переменной базой вдоль пяти квазиизохор в интервале температур 293–373 К и давлений 0.06–0.40 МПа. Рабочая частота интерферометра составляла около 1 МГц. Все детали установок изготовлены из нержавеющей стали. Использовался тот же термостат и датчики температуры, что и для пьезометра. Погрешность измерения скорости звука оценивается в 0.1–0.3%.
Положение линии испарения определялось по изменению характера температурной зависимости давления в пьезометре. Описание экспериментальной техники и методики проведения экспериментов приведено в [2–5].
Образцы приготовлялись весовым методом (погрешность состава не более 0.05 мас. %) с использованием хладагентов R-227ea производства РНЦ “Прикладная химия” (Санкт-Петербург) чистотой 99.99% и R-134a производства Forane (Франция) чистотой 99.9%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 и в табл. 1 приведены результаты измерений давления пара смеси на линии испарения pb. Первичные данные обрабатывались уравнением Риделя
(1)
$\begin{gathered} \ln {{p}_{b}} = 41.354 - \frac{{4020.93}}{T} - \\ - \,\,4.99221\ln T + 9.864 \times {{10}^{{ - 17}}}{{T}^{6}}, \\ \end{gathered} $Таблица 1.
T, К | pb, МПа | T, К | pb, МПа |
---|---|---|---|
293.15 | 0.518 | 343.15 | 1.920 |
303.15 | 0.697 | 343.15 | 1.921 |
313.15 | 0.920 | 353.15 | 2.389 |
323.15 | 1.195 | 353.15 | 2.389 |
323.15 | 1.195 | 363.15 | 2.940 |
333.15 | 1.525 | 368.15 | 3.252 |
333.15 | 1.524 | 373.15 | 3.607 |
В табл. 2 и на рис. 2 приведены первичные данные по скорости звука в смеси 48.66 мас. % R-134a + + 51.34 мас. % R-227ea на пяти изотермах. Видно, что, в отличие от жидких алканов [6], U в паре хладагента возрастает с увеличением температуры.
Таблица 2.
T, К | p, МПа | U, м/с | T, К | p, МПа | U, м/с |
---|---|---|---|---|---|
293.15 | 0.061 | 142.6 | 333.15 | 0.187 | 148.9 |
293.15 | 0.061 | 142.7 | 333.15 | 0.242 | 147.9 |
293.15 | 0.114 | 140.6 | 333.15 | 0.309 | 146.6 |
293.15 | 0.163 | 139.1 | 333.15 | 0.356 | 145.7 |
293.15 | 0.211 | 137.6 | 353.15 | 0.073 | 155.7 |
293.15 | 0.267 | 135.8 | 353.15 | 0.199 | 153.6 |
293.15 | 0.307 | 134.6 | 353.15 | 0.258 | 152.7 |
313.15 | 0.065 | 146.8 | 353.15 | 0.329 | 151.5 |
313.15 | 0.121 | 145.6 | 353.15 | 0.380 | 150.7 |
313.15 | 0.175 | 144.3 | 373.15 | 0.078 | 160.3 |
313.15 | 0.226 | 142.7 | 373.15 | 0.145 | 159.2 |
313.15 | 0.288 | 141.3 | 373.15 | 0.211 | 158.4 |
313.15 | 0.331 | 140.2 | 373.15 | 0.274 | 157.3 |
333.15 | 0.070 | 151.6 | 373.15 | 0.350 | 156.2 |
333.15 | 0.130 | 150.1 | 373.15 | 0.404 | 155.5 |
В исследованном диапазоне параметров состояния дисперсии скорости звука не наблюдалось. Для подтверждения заявленной точности измерений U результаты для каждой изотермы аппроксимировались полиномом первой степени для нахождения идеально-газового значения скорости звука при нулевом давлении. Среднее абсолютное отклонение измеренных значений от аппроксимационных зависимостей U(p) составило 0.05%.
С использованием найденных U(p = 0), молекулярной массы смеси M = 128.394 кг/кмоль и известного термодинамического соотношения [3, 5] рассчитана идеально-газовая теплоемкость $C_{P}^{0}.$ Аппроксимация этих данных дала уравнение
(2)
${{C_{P}^{0}} \mathord{\left/ {\vphantom {{C_{P}^{0}} R}} \right. \kern-0em} R} = 4.418 + 0.0260T,$Первичные данные по плотности перегретого пара (рис. 3, табл. 3) аппроксимировались восьмипараметрическим уравнением состояния Бенедикта–Вебба–Рубина (БВР) [8]
(3)
$\begin{gathered} p = RTd + \left( {{{a}_{1}}RT - {{a}_{2}} - \frac{{{{a}_{3}}}}{{{{T}^{2}}}}} \right){{d}^{2}} - \\ - \,\,({{a}_{4}}RT - {{a}_{5}}){{d}^{3}} + {{a}_{6}}{{d}^{6}} + \\ + \,\,\frac{{{{a}_{7}}{{d}^{3}}}}{{{{T}^{2}}}}\left( {1 + {{a}_{8}}{{d}^{2}}} \right){\text{exp}}( - {{a}_{8}}{{d}^{2}}), \\ \end{gathered} $Таблица 3.
T, К | p, МПа | ρ, кг/м3 | T, К | p, МПа | ρ, кг/м3 |
---|---|---|---|---|---|
293.15 | 0.314 | 17.92 | 353.15 | 2.100 | 138.0 |
313.15 | 0.338 | 17.90 | 358.15 | 2.170 | 138.9 |
313.15 | 0.615 | 33.96 | 363.15 | 0.745 | 33.87 |
313.15 | 0.850 | 50.40 | 363.15 | 1.057 | 50.27 |
323.15 | 0.894 | 50.37 | 363.15 | 1.898 | 106.6 |
333.15 | 0.364 | 17.88 | 363.15 | 2.239 | 138.9 |
333.15 | 0.669 | 33.92 | 363.15 | 2.572 | 175.4 |
333.15 | 0.936 | 50.35 | 368.15 | 2.307 | 138.9 |
343.15 | 0.694 | 33.90 | 368.15 | 2.666 | 175.4 |
343.15 | 0.977 | 50.32 | 373.15 | 0.413 | 17.85 |
343.15 | 1.697 | 106.7 | 373.15 | 0.770 | 33.85 |
353.15 | 0.389 | 17.86 | 373.15 | 1.096 | 50.24 |
353.15 | 0.714 | 33.89 | 373.15 | 1.993 | 106.6 |
353.15 | 1.017 | 50.29 | 373.15 | 2.373 | 138.8 |
353.15 | 1.799 | 106.7 | 373.15 | 2.758 | 175.3 |
Таблица 4.
Коэффициент | Значение |
---|---|
a1, дм3/моль | –0.1768 |
a2, МПа дм6/моль2 | –0.7904 |
a3, МПа К2 дм6/моль2 | 135 718 |
a4, дм6/моль2 | 0.13159 |
a5, МПа дм9/моль3 | 0.42856 |
a6, МПа дм18/моль6 | 0.04301 |
a7, МПа К2 дм9/моль3 | –24 237 |
a8, дм6/моль2 | 0 |
Сопоставление полученных данных с результатами расчетов по программе REFPROP (версия 8.0) [9] показывает, что экспериментальные значения плотности пара в среднем лежат на 1.3% выше, а данные по скорости звука и давления на линии испарения практически совпадают (среднее отличие – 0.012% и 2.4 кПа соответственно).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Впервые получены экспериментальные данные по давлению пара на линии испарения, плотности и скорости звука в растворе 48.66 мас. % R-134a + 51.34 мас. % R-227ea в паровой фазе. Представлены аппроксимационные уравнения для плотности и давления, подтверждена заявляемая точность измерений скорости звука. Показано, что расхождение экспериментальных и существующих расчетных данных по плотности хладагента существенно превышает оцениваемые погрешности выполненной работы. Полученные результаты дают возможность уточнить теоретические модели для расчета свойств растворов системы гидрофторуглеродов R-134a–R-227ea.
Список литературы
Скоренко А.В. Современные хладагенты // Холодильная техника. 2008. № 6. С. 40.
Gruzdev V.A., Khairulin R.A., Komarov S.G., Stankus S.V. Thermodynamic Properties of HFC-227ea // Int. J. Thermophys. 2002. V. 23. P. 809.
Комаров С.Г., Станкус С.В. Термодинамические свойства хладагента R-415A в паровой фазе и на линии конденсации // ТВТ. 2013. Т. 51. № 6. С. 837.
Комаров С.Г., Станкус С.В. Экспериментальное исследование скорости звука в жидком и газообразном хладагенте R-407С // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23. № 1. С. 141.
Комаров С.Г., Станкус С.В. Плотность и скорость звука хладагента R-406A в паровой фазе // ТВТ. 2016. Т. 54. № 2. С. 314.
Неручев Ю.А., Радченко А.К. Скорость звука в жидкой фазе изомеров гексана // ТВТ. 2018. Т. 56. № 1. С. 137.
Tillner-Roth R., Baehr H.D. An International Standard Formulation for the Thermodynamic Properties of 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (HFC-134a) for Temperatures from 170 K to 455 K and Pressures up to 70 MPa // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1994. V. 23. № 5. P. 657.
Benedict M., Webb G.B., Rubin L.C. An Empirical Equation for Thermodynamic Properties of Light Hydrocarbons and Their Mixtures: I. Methane, Ethane, Propane, and n-Butane // J. Chem. Phys. 1940. V. 8. P. 334.
Lemmon E.W., McLinden M.O., Huber M.L. NIST Standard Reference Database 23: Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP. Version 8.0. National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Data Program. Gaithersburg, Maryland, 2002.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теплофизика высоких температур