Теплофизика высоких температур, 2019, T. 57, № 4, стр. 634-637

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 p_b. Первичные данные обрабатывались уравнением Риделя

где p_b – в МПа, T – в К. Среднее абсолютное отклонение экспериментальных точек от (1) составило 0.07%.

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.

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

где R – универсальная газовая постоянная. Сопоставление (2) с расчетом $C_{P}^{0}$ по идеально-газовым теплоемкостям компонентов [2, 7] показало, что среднее абсолютное отклонение данных составляет 1.8%. С учетом того, что ошибка в идеально-газовой теплоемкости в 22–26 раз больше ошибки в скорости звука, хорошее согласие экспериментальных и расчетных значений указывает на корректность определения состава и оценки погрешностей измерений U в проведенных экспериментах.

Первичные данные по плотности перегретого пара (рис. 3, табл. 3) аппроксимировались восьмипараметрическим уравнением состояния Бенедикта–Вебба–Рубина (БВР) [8]

где d = ρ/M – плотность пара в моль/дм³. Коэффициенты уравнения (3) приведены в табл. 4. Среднее абсолютное отклонение экспериментальных точек от зависимости (3) составляет 2.3 кПа.

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.