CC BY
20
УДК 536.2
Априорные рачеты теплопроводности жидких гидрофторуглеродов*
Д-р техн. наук О. Б. ЦВЕТКОВ, канд. техн. наук Ю. А. ЛАПТЕВ
[email protected] Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Рассмотрены вопросы, возникающие на пути применения к жидким гидрофторуглеродам и их смесям дебаевской континуальной схемы описания теплопроводности.
Ключевые слова: галогенопроизводные углеводородов, теплопроводность, насыщенная жидкость, зеотропные и азеотропные растворы.
An correlation for the prediction of the thermal conductivity of liquid halogenated hydrocarbons
D. Sc. O. B. TSVETKOV, Ph. D. Yu. A. LAPTEV
[email protected] University ITMO Institute of Refrigeration and Biotechnologies 191002, Russia, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
связь критериальнои теплопроводности с приведенными величинами. Теоретически такая возможность показана в форме соотношения [1]
(2)
The need for and uses of transport properties in the selection of halogenated hydrocarbons and their mixtures for vapor compression cycle is reviewed. For the thermal conductivity of fluorocarbons and their mixtures correlation are given according to the theoretical approached by L. P. Filippov. The predicted thermal conductivity data obtained for saturated liquid state were compared to data by other authors. Keywords: halogenated hydrocarbons, refrigerants, thermal conductivity, mixtures of refrigerants, saturated liquid.
Как показано в работах Л. П. Филиппова [1, 2], концепция о связи теплопроводности жидкостей с переносом теплоты дебаевскими гиперакустическими волнами дает возможность аналитически описать температурную зависимость теплопроводности с помощью соотношения
1 = уи (Ср р)2'3 к'13, (1)
где и — скорость гиперзвуковых волн; X — теплопроводность; Ср - теплоемкость; р — плотность; к — постоянная Больцмана; у — эмпирический параметр.
С помощью корреляции (1) изучалась температурная зависимость теплопроводности сжиженных инертных и двухатомных газов, квантовых жидкостей, разветвленных изомеров углеводородов, фторхлорбромпроиз-водных предельных углеводородов [1-6].
Введение понятия критериальной единицы [1], позволило изучить теплопроводность жидкости, используя
где X* — критериальная единица теплопроводности; ф — приведенный объем; f — поправочный множитель близкий к единице.
В работе [7] критериальная единица теплопроводности, на основе экспериментальных данных для ГХФУ-класса хладагентов, представлена в виде
Здесь
M12T К
T
Gu = TKP-
(3)
(4)
(5)
где М — молекулярная масса, кг/кмоль; Ткр,Ркр — критические температура и давление соответственно, К, бар; Т0 — температура кипения при нормальном давлении, К.
В данной работе возможности подобного подхода использованы для оценок теплопроводности ГФУ-класса жидких хладагентов И23, Я32, Я125, Я134а, Я123, Я152а, Я143а, а также для хладагента Я22.
Данные расчетов (X), а также их отклонения от значений, приведенных в литературе (X ) [8-27], показаны в табл. 1. Максимальные отклонения наблюдаются для Я32, имеющего значение приведенного дипольного момента д = 1,96.0, в то время как данные расчета для Я23 (д = 1,6450), Я143а (д = 2,350), Я152а (д = 2,2620) и Я22 (д = 1,410) не выпадают из общего контекста согласованности с опубликованными данными.
Оценки теплопроводности растворов, с точки зрения гипотезы о переносе энергии коллективными тепловыми движениями — фононами, должны включать учет дополнительного механизма рассеяния носителей
x
0
*Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 11-08-00337)
Таблица 1
Сопоставление экспериментальных и рассчитанных значений теплопроводности жидкостей на линии фазового равновесия
Т, К X 103, рас 5 Вт/(м ■ К) X -103, экс 5 Вт/ (м ■ К) X /X рас экс Т, К X -103, рас 5 Вт/ (м ■ К) X -103, экс Вт/ (м ■ К) X X рас/ экс
Ш23 Ш34а
260,15 84,1 87,4 0,97 240,15 109,7 108,9 1,01
270,15 81,7 84,7 0,96 260,15 100,7 99,7 1,01
290,15 76,9 79,3 0,97 280,15 91,6 89,3 1,03
330,15 67,3 69,2 0,97 320,15 73,4 72,0 1,02
370,15 57,7 59,5 0,96 36015 55,3 57,0 0,97
Ш25 Я23
253,15 83,8 83,6 1,00 233,15 106,4 103,2 1,03
273,15 75,0 75,1 1,00 253,15 91,6 89,1 1,03
293,15 66,2 66,6 0,99 263,15 84,2 82,2 1,02
313,15 57,5 58,1 0,99 273,15 76,8 75,3 1,02
323,15 53,1 53,8 0,99 283,15 69,4 68,3 1,02
Ш43а Ш52а
233,65 105,4 99,4 1,06 240 137,0 128,4 1,07
247,45 98,4 91,7 1,07 280 114,8 110,4 1,04
272,45 85,6 78,8 1,09 320 92,5 91,4 1,01
298,85 72,2 66,3 1,09 360 70,2 70,5 1,00
323,45 59,6 57,6 1,03 380 59,0 62,7 0,94
К32 Я22
240,15 150,8 170,9 0,91 233,15 115,5 115,0 1,00
260,15 138,0 155,5 0,90 263,15 110,9 100,8 1,00
280,15 125,2 141,3 0,88 293,15 86,3 86,6 1,00
300,15 106,0 128,3 0,85 323,15 71,7 74,2 0,97
Таблица 2
Сравнение расчетных значений теплопроводности жидких смесей Я407С, Я507,
Я410А, Я404А (Храс) с опубликованными данными (Хкс) [8-27]
Т, К X -103, рас 5 Вт/ (м ■ К) X -103, экс 5 Вт/ (м ■ К) X /X рас экс Т, К X -103, рас 5 Вт/ (м ■ К) X -103, экс 5 Вт/(м ■ К) X X рас/ экс
К407С К507
229,07 123,5 124,4 0,99 223,15 103,4 99,1 1,05
254,9 110,4 110,4 1,00 243,15 94,2 89,9 1,05
272,72 100,1 101,1 1,00 283,15 75,6 72,6 1,04
295,32 90,7 89,3 1,02 303,15 67,2 64,2 1,05
318,85 79,4 76,7 1,03 323,15 58,3 55,7 1,05
К410А К404А
228,16 140,4 141,4 0,99 233,65 94,9 95,1 1,00
248,84 128,1 128,9 0,99 273,75 77,3 75,3 1,03
268,17 117,0 117,1 1,00 298,15 66,3 63,1 1,05
292,06 105,0 102,0 1,03 322,85 55,7 56,3 0,99
308,39 95,3 91,0 1,05 — — — —
322,99 86,6 80,4 1,08 — — — —
на флуктуациях концентрации. Влияние этого вклада, по мнению авторов работы [1], более приоритетно в сравнении с ролью «диффузионной» теплопроводности. Развитием подобных представлений стало классическое соотношение Филиппова — Новоселовой [2] и, в частности, соотношение интерпретирующее так называемую «избыточную» теплопроводность бинарной смеси
5Х = IX - Хвд| (6)
в виде [2, 7]
5Х = Р\д ^ (7)
где Хр — теплопроводность раствора; Хад — аддитивное значение теплопроводности; в — коэффициент, характеризующий отклонение от аддитивности [2, 7]; £ —
массовые концентрации компонентов.
Возможности расчетов по соотношениям (6) и (7), с учетом [7] для нового поколения рабочих веществ низкотемпературной техники — зеотропных и азеотропных растворов жидких фторуглеродов на линии фазового равновесия, демонстрирует табл. 2.
Рассмотренная методика была использована для сопоставления с результатами экспериментальных исследований авторов для зеотропной смеси Я32
Таблица 3
Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных значений теплопроводности зеотропа Я32/Ш34а
* данные получены по методике Латини, Пассерини, Полонара [8].
и R134a с содержанием 21,8 % первого компонента по массе [27] (табл. 3).
Можно видеть, что результаты для азеотропа R507, зеотропных растворов R407А, R410A, R404А и системы R32 ^134а адекватно передают результаты измерений.
Рассмотренные подходы способны уменьшить объем проводимых экспериментов, расширить поиск новых перспективных хладагентов, используя приведенные априорные оценки.
Список литературы
1. Филиппов Л. П. Методы расчета и прогнозирования свойств веществ. — М.: Изд-во МГУ, 1988.
2. Филиппов Л. П. Исследование теплопроводности жидкостей. — М.: Изд-во МГУ, 1970.
3. Богатов Г. Ф. Теплопроводность индивидуальных углеводородов и нефтепродуктов в жидком состоянии: Автореф. дисс.... докт. техн. наук. — М. МЭИ, 1992.
4. Геллер В. З. Комплексное исследование теплофизических свойств фреонов и разработка обобщенных методов расчета и прогнозирования коэффициентов переноса: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. — Казань, 1980.
5. Григорьев Б. А. Исследование теплофизических свойств нефтей, нефтепродуктов и углеводородов: Автореф. дисс.. докт. техн. наук. — Баку: Азинефтехим, 1979.
6. Цедерберг Н. В. Теплопроводность газов и жидкостей. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.
7. Цветков О. Б. Теплопроводность холодильных агентов. — Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984.
8. Latini G., Passerini G., PolonaraF. A new approach to the evaluation on transport properties of azeotropic and quasi-azeotropic refrigerant mixtures // Proc. оf 13th Symposium on Thermophysical Properties, June 22-24, 1997, Boulder.
9. Proprietes thermophysiques R404A/Tables et
diagrammes pour l’industrie du froid // Inst. Int. Friod. — Paris, 2001.
10. Proprietes thermophysiques R410A/Tables et
diagrammes pour l’industrie du froid // Inst. Int. Friod. — Paris, 2001.
11. Proprietes thermophysiques R407C/Tables et
diagrammes pour l’industrie du froid // Inst. Int. Friod. — Paris, 2001.
12. Proprietes thermophysiques R507/Tables et diagrammes pour l’industrie du froid // Inst. Int. Friod. — Paris, 2001.
13. Железный В. П., Медведев О. О., Семенюк Ю. В. Методика расчета поверхностного натяжения смесевых озонобезопасных хладагентов // Вестник Международной академии холода. 2001. № 3.
14. Gross U., Song Y. W. Thermal conductivities of new refrigerants R125 and R32 measured by the transient hot-wire method // Proc. 12th Symposium on thermophysical properties, 12-24 June 1994, USA, Boulder, 1994.
15. Теплофизические свойства фреонов. Том 1. Фре-оны метанового ряда: Справочные данные/В. В. Алтунин, В. З. Геллер, Е. К. Петров и др. — М.: Изд-во стандартов, 1980.
16. Гребеньков А. Ж., Котелевский Ю. Г., Сапли-ца В. В. Экспериментальное исследование теплопроводности холодильных агентов и их смесей на базе R125 и R134а // Вестник МАХ. 2000. Вып. 2.
17. Tsvetkov O. B., Laptev Yu. A., Asambaev A. G. Thermal conductivity of refrigerants R123, R134a, and R125 at low temperatures // Intern. Journal of Thermophysics. 1994. Vol. 15. N 2.
18. Гребеньков А. Ж., Котелевский Ю. Г., Сапли-ца В. В. Изучение теплопроводности тройной смеси озонобезопасных фреонов (R32+R125+R134а) // Вестник Международной академии холода. 2002. № 3.
19. Geller V. Z., PaulaitisM. E. Thermal conductivity of difluoromethane (HFC-32) in the supercritical region // Prepr. 12th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, USA, 1994.
20. Tillner-Roth R., Krauss R. Extended thermophysical properties of R134a // Tables and diagrams for the refrigeration industry. — IIR, Paris. 1995.
21. Gross U., Y. W. Song Y. W., Hahne E. Thermal conductivity of the new refrigerants R134a, R152a, and R123 measured by the transient hot-wire method // Int. J. Thermophys. 1992. Vol. 13. № 6.
22. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А. Экспериментальное исследование и молекулярно-структурное обобщение по теплопроводности жидкого гидрофторуглерода R152a// Вестник Международной академии холода. 2010. № 4.
23. SpindlerK., HoffmanN., HeineE. Warmeleitfahigkeit von HFKW-Gemishen // Luft- und Kaltetechnik. 1997. N 1.
24. Lee S. N., Kim M. S., Ro S. T. Measurement of the thermal conductivities of 1,1,1-trifluoroethane (R143a) and R404A in the liquid phase // Proc. 14th Thermophysical Conference, Boulder, USA. 2000.
25. АсамбаевА. Ж., Цветков О. Б., ЛаптевЮ. А. Теплопроводность хладагентов R142b, R152a, жидких двойных систем R22-R142b и И22-Я152а в области низких температур // Тез. докл. Всесоюзн. НТК. — Л., 1991.
26. Цветков О. Б., Лаптев Ю. А., Ушакова А. К. Теплопроводность зеотропного хладагента R32/R134a // Вестник Международной академии холода. 2012. № 3.
27. Экспериментальные исследования теплопроводности жидких гидрофторуглеродов/О. Б. Цветков, Ю. А. Лаптев, А. К. Ефременкова, Г. Л. Пятаков // Вестник Алмаатинского технол. ун-та. 2013. № 1.
Т, К 296,57 305,87 323,40 334,42 343,84
і 103, экс 5 Вт/(м ■ К) 90,0 86,0 81,0 77,0 72,0
■103 ■/ м( 94,0 88,3 79,8 75,6 71,8
і /і рас экс 1,04 1,03 0,99 0,98 1,00
і* 103, рас 7 Вт/(м ■ К) 87,3 83,3 75,9 71,3 67,3
і* /і рас экс 0,97 0,97 0,94 0,93 0,94
