CC BY
21
_ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ЭНЕРГЕТИКА_
УДК 536.633.2
ИЗОХОРНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ХЛАДАГЕНТОВ И ИХ СМЕСЕЙ НА ЛИНИИ ФАЗОВОГО РАВНОВЕСИЯ
© 2009 г. В.И. Дворянчиков, Г.А. Рабаданов
Институт проблем геотермии Institute for Geothermal Problems
Дагестанский научный центр of the Dagestan Scientific Center
Российская академия наук of the Russian Academy of Sciences
На основе данных об энтропии, приводимых в литературе, рассчитаны значения изохорной теплоемкости С "V и С'у фреонов вдоль линии фазового равновесия. Данные об изохорной теплоемкости фрео-нов могут быть использованы для оптимизации при эксплуатации тепловых насосов, использующих в качестве теплоносителей хладагенты во вторичном контуре отбора тепла при использовании геотермальных источников.
Ключевые слова: изохорная теплоемкость; хладагенты; фазовое равновесие.
Based on given in literature data of tntropy the significances of isochoric heat capacity C''V and C'V of freons along the line of phase eguilibrium are calculated. Parameters of isochoric heat capacity offreons can used for optimiration when heat pumps operating, where as heat carriers the cooling adents are applied in the secondary heat - transfer loop when using geothermal soures.
Keywords: isochoric heat capacity; cooling agents; phase eguilibrium.
По расчетам Института энергетических исследований РАН и отраслевых организаций при подготовке Энергетической стратегии России производство возобновляемых энергетических ресурсов к 2020 г. должно составить 15 - 20 млн т условного топлива [1].
Применение в качестве рабочих веществ аммиака, эфиров, сернистого ангидрида из-за токсичности, коррозийной активности и пожароопасности не устраивает потребителей, которые используют холод для бытовых и производственных целей.
Требования Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой инициировали поиски озонобезопасных рабочих веществ холодильной техники. Появились переходные хладагенты, которые представляют собой бинарные, тройные и даже четырехкомпонентные смеси известных озоно-безопасных фреонов. Были синтезированы новые хладагенты с заранее заданными свойствами, основанные в основном на хладагентах ^125, R32, R134a, R143a и др., в отдельных случаях к ним добавляют пропан, бутан, изобутан, эфиры [2].
Тепловые насосы в настоящее время нашли широкое применение за рубежом. В 1980 г. в США работало около 3 млн ТНУ, в Японии 0,5 млн, в Западной Европе 0,15млн, в 2006 г. общее количество работающих ТНУ в развитых странах превысило 40 млн, а их ежегодный выпуск составляет более 1 млн штук.
Одним из преимуществ ТНУ является универсальность по уровню мощности: от долей до десятков тысяч киловатт. Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах в сочетании с други-
ми технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергетики и др.), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Указанные преимущества ТНУ обусловили их широкое применение в развитых странах и во всем мире.
По прогнозу Мирового энергетического совета (МИРЭС), к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 % [3].
В России внедрение ТНУ идет достаточно сложно. В основном устанавливаются машины большой мощности (100-1000 кВт), в данный момент разрабатываются агрегаты мощностью 20 МВт. Главной проблемой при внедрении мощных ТНУ является то, что в случае недостаточно глубокой проработки схемного решения, неудачного выбора параметров источника и потребителя теплоты и рабочего тела, машина не имеет нужной эффективности [4].
В связи с этим существенный интерес представляют исследования теплофизических свойств хладагентов, позволяющих повысить эффективность тепловых машин.
Поиск новых смесей базируется на бинарных композициях с веществами, имеющими существенно различные температуры нормального кипения, и на тройных смесях с промежуточными температурами для компонентов.
Появление новых рабочих веществ потребовало исследования их теплофизических свойств. В основном это оказались расчетные методы.
Экспериментальных исследований, тем более для смесей, крайне мало [5, 6] и др.
Для смесей важны данные по фазовому равновесию жидкости и пара во всем диапазоне концентраций, плотности жидкости и пара, Р^-Т- измерения, измерения теплоемкости смесей, свойств переноса газообразных смесей и растворов.
Цель настоящей работы - проведение анализа закономерностей термодинамических свойств хладагентов и возможных альтернативных смесевых вариантов (двух, трехкомпонентных) хладагентов, важных при подборе теплоносителя, построении диаграммы и расчете параметров цикла и оптимизации функционирования холодильной машины (теплового насоса).
На основе данных об энтропии, приводимых в литературе, рассчитаны значения изохорной теплоемкости и СV вдоль линии фазового равновесия по
Т 2
формуле: - S1 = CV 1п —— - уравнение изохоры в
Т11
системе координат (Т - S).
Для фреона Я 134а в интервале температур Т = = 290 - 374,18 К, плотностей р = 26,9 - 1229, 2 кг/м3 и давлений Р = 0,064 - 4,06 МПа, на основе данных об энтропии, приводимых в литературе [7], рассчитаны значения изохорной теплоемкости С\ со стороны жидкости и со стороны пара, вдоль линии фазового равновесия приводятся термодинамические данные (рис. 1).
Таблица 1
Термодинамические свойства фреона R 407 А, полученные на основе данных по энтропии
С,
7 6 5 4 3 2 1 0
кДж кг • К
290 300 310 320 330 340 350 360 370 T, К
Т, К р', кг/м3 '' / 3 р , кг/м С V, (кДж/кг-К)
273,09 1269,067 21,993 0,11573
283,27 1229,120 30,627 0,22701
298,28 1164,353 48,499 0,24615
302,82 1142,885 55,480 0,26311
306,96 1122,315 62,644 0,28351
311,97 1095,832 72,517 0,31665
316,52 1069,969 82,805 0,35923
320,68 1044,283 93,565 0,40910
324,54 1018,333 104,867 0,46569
328,99 984,716 119,881 0,55052
332,29 955,957 132,728 0,63529
336,88 906,167 153,717 0,79213
337,60 896,429 157,453 0,83935
342,80* - 200,000 -
344,20* 800,000 -
348,00* 700,000 300,000 -
350,40* 600,000 -
351,00* - 500,000 -
Примечание. - значения, полученные графическим путем.
Т ,К 370 350 330
Рис. 1. Рассчитанные значения Су - теплоемкости фреона К 134а на линии фазового равновесия
Для фреона К407А (смесь фреонов 0,2 К32 + 0,4 К125 + 0,4 К 134а), рассчитаны значения изохорной теплоемкости С"-у вдоль линии фазового равновесия со стороны пара. Интервал температур составил Т = 273 -- 351,00 К, плотностей р = 21,99 - 1269,067 кг/м3 и давлений Р = 5,0 - 30 бар (табл. 1).
Кривые сосуществования фреонов К 134а и К407А представлены на (рис. 2). Значения Т - р вблизи критической точки фреона К407А получены графическим путем [8].
Аналогичным способом были получены данные изохорной теплоемкости фреонов: К227еа, К401А, К404А, К402А и др.
310
290
270
кг
200 400 600 800 1000 1200
Рис. 2. Кривые фазового равновесия: . - фреон К 134а [7]; ■ - фреон К 407А [7]
Кривые сосуществования фреонов К402А, К404А представлены на рис. 3. Значения Т - р вблизи критической точки фреона К402А и К404А получены также графическим путем. Попытка описать кривую фазового равновесия полиномом в степени п = 5 и п = 6 для фреона К402А дали следующие результаты (рис. 4 и 5), которые можно считать весьма приближенными. Удовлетворительный результат дают значения, найденные графическим путем.
Критические параметры найденные таким образом дают результаты представленные в табл. 2.
Таблица 2
Критические параметры озонобезопасных хладагентов
Хладагент ^кип, С [2] Тф К Ркр, кг/м3
R 134а -26,2 374,18 [7] 508,00 [7]
R 401А -33,1 381,25 510,60
R 402А -49,2 349,00* 500,00*
R 404А -46,5 345,20* 450,00*
R 407А -45,5 351,00* 500,00*
Примечание. - значения, полученные графическим путем.
Эмпирически установлено, что функция у (Т) = = (р + р)/ 2 является линейной в зависимости от температуры насыщения. Экстраполируя эту экспериментальную зависимость до Т = Тк, получаем соответствующее значение рк (рис. 3). Необходимо отметить, что значение критической плотности, получаемое этим методом, является, как правило, завышенным. Этим объясняется тот факт, что «правило прямолинейного диаметра», линейность функции у (Т), нарушается при приближении к критической точке. Этим методом можно получить лишь приближенное значение рк [9].
Т ,К 350 г
200
500
1000
1500
кг
РТТ
Рис. 3. Кривые фазового равновесия: х - фреон R 402А [7]; • - фреон R 404А [7]
Исследования теплофизических свойств хладагентов и возможных альтернативных их смесевых вариантов важны при подборе теплоносителя, построения диаграммы и расчета параметров цикла, оптимизации функционирования холодильной машины или теплового насоса.
Данные об изохорной теплоемкости фреонов могут быть использованы для оптимизации при эксплуатации тепловых насосов, использующих в качестве теплоносителей хладагенты во вторичном контуре отбора тепла при использовании геотермальных источников.
Пробы хладагента R 404 А (торговая марка Forane FX -70), произведенного на заводах Испании по лицензии концерна «Лгкета» (Франция), исследованы нами, для дальнейшего экспериментального определения Су теплоемкости на адиабатном калориметре, на
хроматографе модели «Хром-5» с ДИП (детектором ионизации пламени) и с колонкой 3,7 м хроматрон
Т ,К
400
200
кг
Рис. 4. Кривые фазового равновесия: ♦ - фреон Я 402А [7]--расчет (п = 5)
T ,K
400
300 -
200
кг
1000
Рис. 5. Кривые фазового равновесия: ♦ - фреон Я 402А [7];--расчет (п = 6)
N-AW дали следующие результаты (рис. 6). Содержание фреона - Я 143 а соответствует - 52,410 % по массе, Я125 - 43,700 %, Я134а - 4,322 % по массе, что практически соответствует сертификату (ГОСТ Р) -Я404А (Я 125/ Я134а / Я143а: 44/4/52).
112 мВ
й т
А "
а
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 мин Рис. 6. Хроматограмма хладагента Я 404А (FoRane FX 70)
0
Появление новых рабочих веществ потребовало исследований их теплофизических свойств и создания банка данных о свойствах хладагентов. Появилось большое количество бинарных, тройных и четырех-компонентных композиций хладагентов, которые находят большое применение в создании новых агрегатов, используемых в промышленности и в быту.
Литература
1. Макаров А.А., Фортов В.Е. Тенденции развития мировой
энергетики и энергетическая стратегия России. // Вестн. Росс. академии наук. 2004. Т. 74. № 3. С. 195-208.
2. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Теплофизические аспекты экологических проблем современной холодильной техники // Химия и компьютерное моделирование. Бутле-ровские сообщения : приложение к спецвыпуску 2002. № 10. С. 54 - 57.
3. АлхасовА.Б. Геотермальная энергетика. М., 2008. 376с.
4. Ермаков Ф.М. Моделирование и экспериментальное
исследование теплонасосных установок на низкокипя-щих рабочих телах : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Казань. 2007. 25 с.
5.Magee J.W. Isochoric P-p-T and Heat Capacity Cv Measurements for Ternary Refrigernt Mixturemets Containing Di-fluoromethane (32), Pentafluoroethane (125) and 1,1,1,2 -Tetrafluoroethane (134a) Rom 200 to 400 K at Pressures to 35 MPa. International of Thermophysics, 2000. Vol. 21, № 1. Р. 151-171.
6. Багинский А.В., Станкус С.В., Кошелева А.С. Теплоемкость фреона R 236еа в жидком состоянии // Теплофизика и аэромеханика. 2004. Т. 11, № 4. С. 647.
7. Sahverdiyev A.N., Quliyev H.M. Alternativ soyuducu agentler veqarisiqlar. Baki. 254 s.
8. Дворянчиков В.И. Расчет изохорной теплоемкости хладагентов и их смесей на линии фазового равновесия // Тепловое поле Земли и методы его изучения : сб. науч. трудов. 2008. С. 79.
9. Шпильрайн Э.Э., Кессельман П.М. Основы теории тепло-физических свойств веществ. М. 1977.
Поступила в редакцию 31 марта 2009 г.
Дворянчиков Василий Иванович - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем геотермии, Дагестанский научный центр, Российская академия наук. Е-mail: ramadan 01 @ mail. ru
Рабаданов Гаджи Аппасович - канд. хим. наук, ведущий научный сотрудник, Институт проблем геотермии, Дагестанский научный центр, Российская академия наук. Е-mail: ramadan 01@ mail. ru
Dvoryanchikov Vasiliy Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, chief research assistant, Institute for Geothermal Problems of the Dagestan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. Е-mail: ramadan 01@ mail. ru
Rabadanov Gadji Appasovich - Candidate of Chemical Seiences, chief research assistant, Institute for Geothermal Problems of the Dagestan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. Е-mail: ramadan 01@ mail. ru
