CC BY
21
Экспериментальное исследование растворимости хладагента R600a в компрессорном масле Reniso WF15A
Канд. техн. наук Ю.В. СЕМЕНЮК, С.В. НИЧЕНКО, д-р техн. наук В.П. ЖЕЛЕЗНЫЙ, В.В. СЕЧЕНЫХ
Одесская государственная академия холода
The paper presents the results of experimental investigation of solubility of the refrigerant R-600a in mineral oil Reniso WF15A and the pressure of saturated vapor of the system R-600a/Reniso WF15A. The measurements are fulfilled by static methods in the temperature range 288<T<393 K and with pressures up to 29 bar. The obtained experimental data are approximated by small constant equations within the frame of model ideas about thermodynamic similarity of solutions refrigerant/oil. The temperature and concentration dependencies of pressure of saturated vapors of solutions R-600a with the oil Reniso WF15A have been studied.
Переход на озононеразрушаюшие хладагенты потребовал разработки новых компрессорных масел, которые обеспечивают оптимальные условия эксплуатации современного холодильного оборудования. Наличие примесей масла в хладагенте оказывает существенное влияние на его термодинамические свойства. Поэтому энергетическая эффективность холодильного цикла, интенсивность теплообмена в испарителе и конденсаторе будут зависеть не только от примененного хладагента, но и от выбора компрессорного масла [1,6,7, 10, 13 — 161.
В качестве одного из наиболее перспективных рабочих тел для бытовой холодильной техники в настоящее время рассматривают растворы хладагента ЯбООа с компрессорным маслом Нешзо \VF15A. Однако отсутствие в литературе информации о давлении насыщенных паров растворов К600а/Яеп15о \VF15A различной концентрации значительно затрудняет разработку научно обоснованных рекомендаций, напраатенных на повышение энергетической эффективности холодильного оборудования нового поколения.
Целями настоящего исследования являлись:
/создание экспериментальной установки для исследования растворимости хладагентов в маслах;
Уэкспери ментальное исследование давления насыщенных паров растворов КбООа/Кешзо \VF15A и растворимости хладагента КбООа в масле Н.еп15о\\П 5А;
'✓аналитическая обработка полученных экспериментальных данных.
Э КС П Е РИ М ЕНТАЛ Ь Н Ы Е И ССЛ ЕДО ВАНИ Я
Экспериментальные исследования давления насыщенных паров были проведены статическим методом на установке, подробно описанной в работе [5|.
Объекты исследования — хладагент ЯбООа и компрессорное масло Летто \VF15A — были приобретены у фирмы ООО «АНСНет». ЯбООа имел чистоту 99,8 % (по массе). Перед заправкой в измерительную ячейку хладагент
подвергали многократному вакуумированию при его кристаллизации с целью удаления неконденсирующихся примесей. Удаление примесей воды и растворенных газов из масла осуществляли вакуумированием образца, нагретого до температуры 388 К. Степень чистоты масла
Таблица 1
Экспериментальные данные о давлении насыщенных паров растворов ЯбООа/Кетхо \У1;15Л р в зависимости от концентрации хладагента н>д при различных ____________________температурах Т____________________
Т = 288,15 К Т = 318,15 К Г = 348,15 К Т = 378,15 К
wR, г/г ps, бар wH. г/г Ps, бар wR, г/г ps. бар wR, г/г ps, бар
1 2,587* 1 6,042* 1 12,1* 1 21,77*
0,888 2,528 0.886 5,914 0,882 11,81 0,874 21,06
0.806 2,471 0,8 5,844 0.789 11,65 0,767 20,35
0.664 2,383 0,66 5.632 0,654 11,03 0.641 19.59
0,539 2,294 0,527 5.306 0.512 10,45 0,641 19,59
0,362 2,058 0,357 4,712 0,345 9,09 0,329 15,27
0,207 1,704 0,197 3,754 0,185 6,56 0.169 10,36
Т 303,15 К Т = 333,15 К Т = 363,15 К Т 393,15 К
wR. г/г IV бар wR, г/г ps. бар wR. r/i ps, бар wR. г/i ps. бар
1 4,045* 1 8.687* 1 16,41* 1 28.4*
0.888 3,959 0,884 8,5 (1.878 15.99 0,865 27.21
0.803 3,921 0,796 8.36 0.781 15.54 0.743 26.05
0,662 3,782 0.657 8,055 0,649 14,86 0,631 25.04
0.533 3,594 0,522 7.579 0.498 13.87 0.319 19,04
0.360 3.182 0.352 6.663 0.338 11.91 0,161 12.5
0.203 2,595 0.191 5,189 0.177 8.363
* Значения давления для чистого R600a вчяты ич |9).
контролировали по значениям показателя преломления, измерявшегося универсальным лабораторным рефрактометром ИРФ-23. Полученные экспериментальные данные
о давлении насыщенных паров растворов ЯбООа/КешБО \VF15A приведены в табл. 1.
Непосредственно в эксперименте, реализующем статический метод, измеряют температуру и давление насыщенных паров. Массовая концентрация хладагента в жидкой фазе раствора рассчитывалась в предположении, что паровая фаза смеси состоит только из чистого хладагента, находящегося в состоянии перегретого пара:
т„ + т,„, - т
(1)
где тПи и тк — массы заправленных в ячейку масла и хладагента соответственно;
ту Л— масса хладагента, находящегося в газовой фазе; т,л=Р*дК,
где руя — плотность перегретого пара 11600а при параметрах опыта [ 91);
Уу — определяемый в опытах объем измерительной ячейки, занимаемый паровой фазой.
Относительная погрешность определения массовой концентрации лежит в интервале 0,01 — 0,15 %, погрешность измеренных значений давления насыщенных паров раствора хладагент — масло (РХМ) составляет 0,28 - 2,74 %.
Такая методика изучения растворимости фазовых равновесий РХМ [8] неприменима для исследования растворов, содержащих смесевые хладагенты, которые состоят из компонентов, обладающих различной растворимостью в компрессорных маслах. В этом случае корректная коли-
Рис. 1. Экспериментсыьная установка для исследования растворимости шадагентов в компрессорных маслах:
1 — термостат; 2 — камера смешения;3 — магнитная мешалка; 4 — постоянный магнит; 5 — ра йонный нагреватель;
6 — датчик системы терморегулирования; 7 — нагреватель системы терморегулирования; 8 — капилляр для отбора проб жидкои фазы раствора; 9 — электромеханическая меша.ша термостата; 10 — трубка дм подачи в камеру смешения компонентов раствора; 11 - матиновый термометр сопротивления ПТС-10; 12 — мембранный нуль-индикатор (разделитель); 13 — регулятор температуры ИРТ-2; 14 — потенциометр Р-348; 15 — капилляр; 16 — газожидкостный разделитель системы измерения давления; 17 — баллон с газообразным азотом; 18 — грузопоршневой манометр МГІ-600 ти МІІ-60; 19 - заправочный батончик; 20 - ртутный разделитель дожимающей системы; 21 - вакуумная ловушка;
22 — диффузионный насос ПИЛ-100; 23 — форвакуумный насос 1311-461М; 24 - катетометр КМ-8; 25 - дифференциальный ртутный манометр; 26 — термостат для волюмометрического сосуда; 27 — балюнчик для определения массы растворенного в пробе РХМ хіадагента; 28 — волюмометрический сосуд; 29 — ловушка; VI — У28 — вентшіи
чественная оценка концентрации компонентов смесевых хладагентов в паровой и жидкой фазах РХМ принципиально невозможна.
Необходимо подчеркнуть, что вследствие селективной растворимости компонентов смесевого хладагента в масле может нарушиться исходный состав рабочего тела, циркулирующего по контуру компрессорной системы, что сказывается на показателях эффективности компрессорной системы и затрудняет нормальную эксплуатацию холодильного оборудования. Поскольку большинство применяемых в настоящее время хладагентов состоит из нескольких компонентов, задача изучения селективной растворимости представляется актуальной, а ее решение возможно в рамках аналитических методов исследования фазовых равновесий РХМ.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к экспериментальным установкам, предназначенным для исследования растворимости газов в жидкостях |3, 4|, создана экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1. Изучение растворимости хладагента 11600а в компрессорном масле К.еп15о\\ТП5А проводилось статическим методом с последующим анализом состава отобранных проб жидкой фазы РХМ.
Основным рабочим узлом установки является измерительная ячейка, состоящая из камеры смешения 2, «горячего» вентиля VI, вентиля ¥13для выпуска пробы жидкой фазы РХМ и мембранного нуль-индикатора 12. В камеру смешения 2 введены капилляр 8 с внутренним диаметром 0,5 мм для отбора проб жидкой фазы раствора и трубка 10, через которую осуществлялись вакуумирование и заправка компонентов РХМ в измерительную ячейку. Для ускорения процесса растворения хладагента в компрессорном масле внутри камеры смешения установлена магнитная мешалка 3. Возвратно-поступательное перемещение мешалки осуществляется под действием постоянного магнита 4 с механическим приводом. Все детали измерительной ячейки, имеющие контакт с исследуемым образцом РХМ, изготовлены из нержавеющей стали Х18Н10Т
Конструкция и принцип действия мембранного нуль-индикатора 12 приведены в работе [4|. Тарировочные эксперименты по измерению давления насыщенных паров ЯбООа, Я 134а и К22 показали, что чувствительность мембранного нуль-индикатора в диапазоне исследуемых параметров остается стабильной в пределах 80... 100 Па. Компенсирующее давление в полости над мембраной нуль-индикатора создается азотом из баллона 17 и передается через газожидкостный разделитель 16на грузопоршневой манометр 18 марки МП-60 класса точности 0,05.
С целью исключения балластных объёмов в измерительной ячейке все её элементы размешены внутри термостата У, где также находятся разгонный 5 и регулируемый 7 нагреватели, установленные в потоке термо-статирующей жидкости на выходе из насоса-мешалки 9. В качестве тер-мостатируюшей жидкости используют кремнийорганичес-кую жидкость П МС-100 и уайт-спирит. Датчиком автоматической системы регулирования температуры служит пла-
тиновый термометр сопротивления (), установленный на выходе из насоса-мешалки 9.
Проведенные исследования показывают, что примененная стандартная система термостатирования на базе высокоточного регулятора температуры ВРТ-2 (13) обеспечивает поддержание температуры с колебаниями, не превышающими ±0,002 К.
Температура измеряется десятитомным образцовым платиновым термометром сопротивления 11 модели ПТС-10 по компенсационной схеме с применением потенциометра Р-348 класса точности 0,002 (14) и образцовой катушки Р-321 класса точности 0,01. Термометр 11 установлен вблизи средней части камеры смешения.
Измерение количества хладагента, растворенного в отбираемых пробах, осуществлялось в волюмометре, который состоит из мерного термостатируемого сосуда 28, дифференциального ртутного манометра 25, лабиринтной ловушки 29 и катетометра 24. Конструкция дифференциального манометра 25 позволяет перемещать в вертикальном направлении оба его колена, что дает возможность сохранять неизменным уровень ртути в левом колене, благодаря чему внутренний объем волюмомет-ра остается постоянным. Измерение разности уровней ртути в дифференциальном манометре осуществляется катетометром 24 марки КМ-8 с погрешностью не выше 0,015 мм. Температура волюмометра измеряется ртутным термометром с погрешностью 0,1 К.
Отбор пробы жидкой фазы раствора в волюмометр производится через 30 мин после достижения раствором равновесного состояния, критериями установления которого являются неизменность температуры в термостате и давления в камере смешения.
Концентрация хладагента в отобранной из камеры смешения пробе исследуемого раствора рассчитывали по формуле
где М01Ь и Мк — массы масла в ловушке и хладагента в волюмометре.
Массу масла М0цопределяли как разность масс ловушки до и после отбора пробы РХМ. Взвешивание ловушки производили на аналитических весах АДВ-200М с погрешностью, не превышавшей 5 • 10'7 кг.
Массу хладагента Мя, выделившегося из отобранной пробы насыщенного раствора, рассчитывали из уравнения состояния идеального газа
\ 4 _ Р Рте ~ ^ОН ) ^ / ->\
кг * {3)
где р — давление в волюмометре;
Ууоь ~ внутренний объем волюмометра;
У0ц — объем масла в ловушке; ц — молекулярная масса хладагента;
/? — универсальная газовая постоянная;
Г— температура волюмометра.
Абсолютное давление в измерительной ячейке рассчитывали по формуле
Р.V = Рм + Рг.АР + АРм + &Ртс 1 (4)
Экспериментальные данные по растворимости хладагента КбОПа в масле Ren iso WF15A
Т = 333,15 К Т = 348,15 К Т = 363,15 К Т= 378,15 К Т = 393,15 К
wR, г/г ps, бар WR, г/г ps, бар wR, г/г Ps> бар WR, г/г рх, бар WR, г/г ps, бар
1 8,687 1 12,1 1 16,41 1 21,78 1 28,4
0,3965 7,004 0,3933 9,576 0,3885 12,54 0,3783 16,42 0,3668 20,51
0,2616 5,895 0,261 8,018 0,2654 10,55 0,2517 13,4 0,2432 16,53
где />м — давление, измеренное грузопоршневым манометром;
/>ЬЛр — атмосферное давление, измеренное инспекторским барометром с абсолютной погрешностью 30 Па; Арм — поправка на чувствительность разделителя; Арус ~ поправка на разность высот гидростатических столбов в разделителе и грузопоршневом манометре. Анализ погрешности экспериментальных данных показывает, что доверительные интервалы для измеренных в эксперименте величин не превышают: по давлению 0,08 бар; по концентрации 0,005 г/г; по температуре 0,01 К.
Экспериментальные данные по растворимости хладагента ЯбООа в масле Летво \VF15A приведены втабл. 2. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Аналитическое описание полученных экспериментальных данных по растворимости хладагента ИбООа в компрессорном масле ЯешБо \VF15A выполнено в рамках методики, основные положения которой изложены в работах (11, 121. Предложенная в этих работах корреляция для аппроксимации экспериментальных данных подавлению насыщенных паров р6. имеет вид
111 Ps ( ) = 1П Рс ( WR ) “ ах ( WK )|П
7~г(*,я)
Т
-hAw *)|п
т
(5)
где рс, Тс — псевдокритические параметры РХМ; ал — критерий Риделя;
Ьц — коэффициент, определяемый из экспериментальных данных.
Уравнение (5) содержит небольшое число коэффициентов, обладает высокими экстраполяционными возможностями и хорошо зарекомендовало себя при решении задач прогнозирования как для чистых веществ, так и для растворов 12, 11, 121.
В результате совместной обработки двух массивов разнородных данных (по давлению насыщенных паров РХМ и растворимости хладагента ЯбООа в масле [1еш50 \VF15A) получены концентрационные зависимости псевдокрити-ческих параметров и коэффициентов уравнения (5), которые были аппроксимированы уравнениями:
Т(. = 409,5596 -0.86479н>я - 4.32638н-; + 2,870057.\»я ; (6)
_ 7,415877 + 147,02074wR
Рс ” 1 +2,52475** +0,773475и’* ; - 3,136818 + 149,042384-,
"1+22,00485^-0,314558^
Ps, бар
(7)
(8)
х Экспериментальные данные по Т=288,15 К\ растворимости R600a / Reniso WF 15А
0,8 wr, г/г
Рис. 2. Зависимость давления насыщенных паров растворов Я60()а/Reni.sc \Vl-l5А от концентрации хладагента при различных температурах
р5. бар
Рис. 3. Зависимость давления насыщенных паров растворов Н600а/Яепмо\УР15Л от температуры при различных концентрациях раствора
4.0
3.0
2.0 1,0
-1.0
-2,0
-3,0
-4,0
% я T=288,1 • T= 303,1 A 7=318; 1 ▼ Т-ЗЗЇ1 О T=348,1 О T=363,1 A Г-378. V T=393,1
5K 5 К х Экспериментальные данные по растворимости R600a /Reniso WF 15А
5 К
ЬК 5 К
5 К т
і •
X 9х А * ♦ а \ m
Iх О Х • D о о ■
- c о A А ■ £ А ■ д
- Д X V X V V
Ї7 V
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 wR, г/г
Рис. 4. Относительные отклонения 8р экспериментальных данных по давлению насыщенных паров растворов ЯбООа/Кепт \VF15A от рассчитанных по уравнению (5)
дРу бар
0,5
0,4
0,3
0.2
0,1
О
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
■ Т=288,15 К • Т=303,15 К А т=318.15К ▼ Т=333,15 К - □ г-348,15 К О Т=363у15К Л т- 17Я 15 к
х Экспериментальные данные по растворимости R600a/Reniso WF 15А
Т=. 193,15 к
■ * l L 1 n 3
с 1 о"* " t ■ ■ □ - 3 s
о X О О і
Л A A
X 7
, 1 ,
0,1 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 wR, г/г
Рис. 5. Абсолютные отклонения Ар экспериментальных данных по давлению насыщенных паров растворов К600а/Кеп1хо \VFI5A от рассчитанных по уравнению (5)
ЬЛ = (4,48785 + 44,73685и'„ - 23,14575и^ )0,5. (9)
Зависимости давления насыщенных паров растворов 11600/ИеШ5о\УР15А от концентрации хладагента и температуры показаны на рис.2 и 3. Отклонения экспериментальных данных, полученных двумя методами исследования фазовых равновесий, от рассчитанных по уравнению (5) значений давления насыщенных паров К600/К.еги5о\¥Р15А приведены на рис. 4 и 5.
Из приведенных рисунков следует, что полученные экспериментальные данные адекватно аппроксимированы уравнением (5) с отклонениями, не превышающими погрешность эксперимента.
***
Проведенное исследование позволяет констатировать, что данные по растворимости ЛбООа в компрессорном
масле RenisoWF15A совпадают в пределах погрешности измерений с данными, полученными из информации о давлении насыщенных паров изученных растворов. Однако этот вывод справедлив только для однокомпонентных хладагентов, растворимых в компрессорных маслах. Предложенная в работе методика позволяет определять селективную растворимость многокомпонентных хладагентов в маслах, что имеет большое практическое значение при решении задач оптимального выбора рабочих тел для холодильного оборудования.
Список литературы
1. Железный В.П., Лысенко О.В., Фаиз Абед Рем. Влияние примесей растворимого в аммиаке компрессорного масла на калорические свойства рабочего тела и энергетическую эффективность холодильного цикла // Холодильная техника и технология. 1998. Ns 2.(59).
2. Железный В.П., Анчербак С И., Ііроценко Д.А. Методы прогнозирования свойств веществ на линии насыщения, включая окрестность критической точки // Холодильна техника
і технологія. №5 (91) 2004.
3. Хала Э . Пик И. Равновесие между жидкостью и паром машин. - М.: Иностранная литература, 1962.
4. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. - М.: Химия, 1976.
5. Ancherbak S.N., Semenyuk Yu. V., Skripov VP. Zhelezny VP An Experimental Investigation and Modeling of the Thermodynamic Properties of R2451'a/Compressor Oil Solutions// Proceedings of International Conference on Compressors and Coolants “’’Compressors 2006”” Papiemicka, Clovak Republic. 2006.
6. Corr S., Morrison J.D., Murphy F T. An Evaluation of the Effects of Lubricants on the Thermodynamic Properties and Performance of Refrigerant Mixtures in Refrigeration and Air Conditioning Cycles. In Proceedings of the International Refrigeration Conference, Purdue University, 1996; Purdue, USA.
7. Lottin O., Guillemet P., Lebreton J.M Effects of synthetic oil in a compression refrigeration system using R410A. Part I: modelling of the whole system and analysis of its response to an increase in the amount of circulating oil // Int. J. Refrig. 2003 N° 26.
8. Marsh K.N., Kandil M E. Review of thermodynamic properties of refrigerants+lubricant oils // Fluid Phase Equil. 2002. № 199.
9 McLinden М. O., Klein S. A., Lemmon E. И . PeskinA. P. G., 2003, NIST Standard Reference Database 23, NIST Iliermodynamic Properties of Refrigerants and Refrigerants Mixtures Database (REFPROP), Version 7.1 (Gaithersburg: National Institute of Standard and Technology).
10. Spauschus H O. Iliermodynamic Properties of Refrigerant-Oil Solutions. // ASHRAE J. 1963. № 2.
11. Zhelezny VP. Medvedev O.O. Zhelezny P.V. Prediction of phase equilibria and thermodynamic properties of refrigerant/oil solution// Fluid Phase Equilibria 2004. v.21-5.
12. Zhelezny P.V, Zhelezny P.V, Skripov P.V Determination of the pseudocritical parameters for refrigerant /oil solutions // Fluid Phase Equilibria. 2003.212.
13. Zürcher О., Thome J R., Favrat I). In-Tube Flow Boiling of R-407C. and R-407C/Oil Mixtures Part I: Microfin Tube // I1VAC&R Research. 1998. № 4.
14. Zürcher О., Thome J R., Favrat D In-Tube Flow Boiling of R 407C and R-407C/Oil Mixtures Part II: Plain Tube Results and Predictions // IIVAC&R Research. 1998. № 4.
15. Youbi-Idrissi M., Bonjour J., Marvillet C., Meunier F. Impact of Refrigerant-Oil Solubility on an Evapourator performances working with R-407C // Int. J. Rerrig. 2003 №26.
16. Youbi-Idrissi M., Bonjour J., Terrier M.F., Marvillet C., Meunier F. Oil presence in an evapourator: experimental validation of a refrigerant/oil mixture enthalpy calculation model // Int. J. Refrig. 2004 № 27.
