Изохорная теплоемкость и фазовое равновесие фреонов r410 а и r507 Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ТЕПЛОТЕХНИКА

УДК 536.633.2

ИЗОХОРНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ФАЗОВОЕ РАВНОВЕСИЕ ФРЕОНОВ R410A И R507

© 2013 г. В.И. Дворянчиков, Д.П. Рамазанова

Дворянчиков Василий Иванович - д-р техн. наук, ведущий науч. сотр., Институт проблем геотермии, Дагестанский научный центр, Российская академия наук. E-mail: [email protected]

Рамазанова Динара Пашаевна - аспирант, Институт проблем геотермии, Дагестанский научный центр, Российская академия наук.

Dvoryanchicov Vasiliy Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, chief rescarch assistant, Institute sor Geotheemal Problems of the Dagestan Scientific Centre of Russian Academy of Sciences. E-mail: [email protected]

Ramazanova Dinara Pashaevna - post-graduate student, Institute sor Geotheemal Problems of the Dagestan Scientific Centre of Russian Academy of Sciences.

Приводятся данные изохорной теплоёмкости фреонов R410A и R507, рассчитанные на основе данных об энтропии, приводимые в литературе. Данные об изохорной теплоёмкости фреонов могут быть использованы для оптимизации при эксплуатации тепловых насосов, холодильной техники.

Ключевые слова: изохорная теплоёмкость; хладагент; фазовое равновесие.

Data of an isochoric Heat capacity offreons R 410A and R 507, calculated on the basis of data on the entropy, given in literature are provided. Data on an isochoric heat capacity offreons can be used for opimira-tion at aperation of thermal pumps, refrigerating eguipment.

Keywords: isochoric heat capacity; phase eguilibrium.

Поиск низкокипящих, озонобезопасных рабочих веществ в холодильной технике вызвало появление переходных хладагентов, которые представляют собой бинарные, тройные и даже четырёхкомпонентные смеси известных озонобезопасных фреонов. Синтезированы новые, озонобезопасные смесевые композиции, основанные в основном на хладагентах ^125, R32, R134а, R143а. В отдельных случаях к ним добавляют пропан, бутан, изобутан, эфиры. Новые смеси базируются на бинарных композициях с веществами, имеющими существенно различные температуры нормального кипения, и на тройных смесях с промежуточными температурами для компонентов [1].

Появление новых рабочих веществ потребовало исследования их теплофизических свойств. В основном это оказались расчётные методы. Экспериментальных исследований, тем более для смесей, крайне мало [2 - 11]. Появились банки данных о свойствах хладагентов, т.е. можно рассчитать равновесные свойства переноса холодильных агентов, построить диаграммы и рассчитать параметры цикла холодильной машины (теплового насоса).

Для смесей важны данные по фазовому равновесию жидкости и пара, Р-У-Т-измерения, измерения теплоёмкости смесей, свойств переноса газообразных смесей и растворов.

В связи с вышеизложенным, предусмотрено исследование калорических и других свойств низкоки-пящих жидкостей и их смесей, используемых в качестве хладагентов и теплоносителей.

Цель работы - проведение анализа закономерностей термодинамических свойств хладагентов и возможных альтернативных смесевых вариантов хладагентов, важных при подборе теплоносителя, построении диаграммы и расчёта параметров цикла и оптимизации функционирования холодильной машины (теплового насоса), получение расчётных данных об изохорной теплоёмкости хладагентов и их смесей в широкой области параметров состояния, включая критическую область. Для теплофизиков имеется уникальная возможность проведения широкомасштабных исследований большого класса веществ.

Предусмотрено получение расчётных данных Су теплоёмкости хладагентов и их смесей на линии фазового равновесия, а именно: R410А и R507. Метод исследования - на основе данных об энтропии, приводимых в литературе, рассчитаны значения изохорной теплоёмкости С'у и С"у вдоль линии фазового равного

весия по формуле: S2 - S1 = Су 1п— - уравнение

Т1

изохоры в системе координат (Т - S).

Для хладагента R410А рассчитаны значения изохорной теплоёмкости С'у, С"у в интервале температур Т = 223,15 - 323,15 К (табл. 1, рис. 1) и плотностей р = 4,526 - 1339,761 кг/м3. Температура кипения R410А ^ = - 51,53 оС, критическая температура Тк = = 345,28 К, критическая плотность рк = 488,9 кг/м3. Состав R410А ^32 + R125 в пропорции 50/50). Линия фазового равновесия R410А представлена на рис. 2.

Таблица 1

Термодинамические свойства хладагента Й410А

Т, К р, кг/м3 р , кг/м3 CV, кДж/(кг-К) C" C V, кДж/(кг-К)

228,15 1325,036 5,616 1,2637 0,5416

233,15 1309,941 6,909 1,2917 0,5075

238,15 1294,45 8,435 1,2725 0,5184

243,15 1278,514 10,224 1,3476 0,5294

248,15 1262,162 12,312 1,3266 0,4422

253,15 1245,297 14,738 1,3535 0,5014

258,15 1227,897 17,546 1,3805 0,4602

263,15 1209,914 20,785 1,4076 0,4171

268,15 1191,292 24,511 1,4877 0,4772

273,15 1171,968 28,790 1,4616 0,4331

278,15 1151,861 33,696 1,5437 0,4411

283,15 1130,887 39,317 1,5156 0,4491

288,15 1108,928 45,759 1,6567 0,5142

293,15 1085,849 53,149 1,6277 0,5232

298,15 1061,481 61,643 1,7148 0,5322

303,15 1035,603 71,440 1,8039 0,5412

308,15 1007,926 82,798 1,8509 0,6725

313,15 978,057 96,062 1,9292 0,6835

318,15 945,435 111,722 2,0835 0,8208

323,15 909,218 130,504 2,2447 0,8979

345,28 488,900

CV, кДж/(ктК) 2,4

2,0 1,6 1,2 0,8 0,4

♦

♦

♦♦♦♦

■ ■

--ххххЩЙИи

200

250

300

Т, К

которых при эксплуатации установок может привести к ряду нежелательных последствий. Это связано в первую очередь с изменением концентрации входящих в смесь компонентов в процессе заправки холодильной системы хладагентом, что в итоге сказывается на его термодинамических свойствах.

р, кг/м3 1600

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

♦♦♦

♦♦♦

200 250 300 Т, К

Рис. 2. Кривая фазового равновесия фреона R410A

В отличие от хладагента R410A, хладагент R507 (смесь хладагентов R125 + R143a в пропорции 50/50) представляет собой смесь, близкую к азеотропной, т.е. смесь двух жидкостей, состав которой не меняется при кипении, другими словами, - смесь с равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз. Азео-тропная смесь R507 ведёт себя как обычный хладагент. В процессе фазового перехода (от пара к жидкости или от жидкости к пару) концентрация составляющих смесь хладагентов в паре и жидкости остаётся постоянной.

Линия фазового равновесия R507 представлена на рис. 3. Для хладагента R507 рассчитаны значения изохорной теплоёмкости C'V, C"V в интервале температур Т = 223,15 - 323,15 К и представлены на рис. 4 (табл. 2), интервал плотностей р = 4,847 -- 1320,9 кг/м3. Температура кипения R507 t0 = = -47,1 оС, критическая температура Тк = 343,85 К, критическая плотность рк = 488,9 кг/м3. р, кг/м3 1400

Рис. 1. ■, ◊ - рассчитанные значения Су -теплоёмкости хладагента R410А на линии фазового равновесия;

Х - данные работы [2]

Хладагент R410А - это неазеотропная смесь двух фторуглеводородов, т.е. смесь, в которой каждое из веществ обладает собственными свойствами. Одним из основных недостатков неазеотропных смесей может являться температурное скольжение, т.е. изменение температуры кипения в процессе фазового перехода кипения или конденсации. Работа с хладагентами, являющимися неазеотропными смесями, требует выполнения определённых правил, игнорирование

1200 1000 800 600 400 200

♦♦♦

0 200

250

300

350

Т, К

Рис. 3. Кривая фазового равновесия фреона R507

Данные об изохорной теплоёмкости хладагентов могут быть использованы для оптимизации процессов при эксплуатации тепловых насосов, использующих в качестве теплоносителей хладагенты во вторичном контуре отбора тепла при использовании геотермальных источников.

Таблица 2

Термодинамические свойства хладагента R507

Т, К р, кг/м3 р , кг/м3 C'v, кДж/(кг-К) C" кДж/(кг-К)

228,15 1305,303 6,053 1,0411 0,2082

233,15 1289,482 7,485 1,1533 0,2307

238,15 1273,407 9,172 1,1311 0,1414

243,15 1257,046 11,147 1,2033 0,1925

248,15 1240,361 13,447 1,1792 0,1474

253,15 1212,311 16,111 1,2032 0,1003

258,15 1205,846 19,184 1,2782 0,1023

263,15 1187,911 22,717 1,2512 0,1043

268,15 1169,439 26,766 1,3240 0,1063

273,15 1150,353 31,399 1,2992 0,0541

278,15 1130,561 36,691 1,3783 0,1103

283,15 1109,952 42,734 1,3743 0,0561

288,15 1088,390 49,634 1,4282 0,1143

298,15 1041,698 66,569 1,4783 0,1183

303,15 1016,083 76,974 1,5134 0,1804

308,15 988,506 89,009 1,5894 0,1834

313,15 958,476 103,041 1,6155 0,1864

318,15 895,279 119,584 1,7046 0,3157

323,15 887,852 139,412 1,7958 0,3848

344,05 500,000 0,3848

СУ, кДж/(кг-К) 2,0

1,6

1,2

0,8

0,4

220

240 260

280

300

320

Т, К

Рис. 4. Рассчитанные значения Су -теплоёмкости хладагента Я507 на линии фазового равновесия

Исследования теплофизических свойств хладагентов и возможных альтернативных их смесевых вариантов важны при подборе теплоносителя, построения

фазовой диаграммы и расчёта параметров цикла, оптимизации функционирования холодильной машины или теплового насоса.

Литература

1. 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.

2. Magee J.W. Isochoric p-p-T and Heat Capacity Measurements for Binary Refrigerant Mixtures Containing Difluoromethane (R32), Pentafluoromethane (R125), 1,1,1,2-Tetrafluoro-methane (R134a), and Trifluoroethane (R143a) from 200 to 345 K at Pressures to 35 MPa. // Intern. J. of Thermo-physics. 2000. Vol. 21. № 1. P. 95.

3. Багинский А.В., Станкус С.В., Кошелева А.С. Теплоёмкость фреона R236еa в жидком состоянии // Теплофизика и аэродинамика. 2004. Т. 11. № 4. С. 647.

4. Дворянчиков В.И., Рабаданов Г.А. Изохорная теплоёмкость и Т-p зависимость хладагентов и их смесей на линии фазового равновесия // Журн. физ. химии. 2010. Т. 84, № 6. С. 1009.

5. Кузнецов К.И. Эксперментально-расчётное исследование термодинамических свойств октафторпропана и декаф-торбутана: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2009.

6. Кузнецов К.И., Скородумов С.В., Сухих А.А., Утенков В. Ф. Экспериментальные данные о плотности октафтор-пропана при повышенных температурах. М., 2008.

7. Дворянчиков В.И., Сефиханов Г.Г. Термодинамические свойства хладагентов R407A, R410A на линии фазового равновесия // Тр. II Всерос. науч.-техн. конф. Махачкала. ДГТУ. 2011. Ч. 2. С.104.

8. Дворянчиков В.И. Изохорная теплоёмкость и Т-p зависимость хладагентов пропанового ряда // Журн. физ. химии. 2011. Т. 85, № 11. С. 2015.

9. Митропов В.В. Уравнение состояния и таблицы термодинамических свойств озонобезопасных хладагентов R125, К227еа: автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2009. 16 с.

10. Рыков В.А. Термодинамические свойства R23 на линии насыщения в диапазоне температур от 180 до 298 К // Вестн. МАХ.2000. Вып.4. С. 30.

11. Клецкий А.В., Митропов В.В. Современные тенденции в аппроксимации термодинамических свойств хладагентов // Вестн. МАХ. 2009. Вып. 1. С. 222.

Поступила в редакцию

8 апреля 2013 г.

0