Исследование термодинамических свойств и теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ Сухих, Андрей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы

Выбор в качестве объекта исследований фторорганических рабочих веществ (РВ) обусловлен необходимостью решения как ряда теплофизических, так и теплотехнических проблем при внедрении новых рабочих тел в теплосиловых установках специального назначения в сфере малой энергетики, атомной отрасли, а также в теплонасосной технике. Проведение теплофизических исследований данных веществ является актуальным, обоснованным и необходимым при разработке новых энергоустановок с рабочим телом фторорганического состава.

Особое внимание в работе уделено классу фторуглеродов. Термодинамические свойства некоторых фторуглеродов хорошо изучены и представлены для низкотемпературного диапазона, а при повышенных температурах в известной литературе такие данные отсутствовали. Поэтому постановка и проведение исследований в широком диапазоне параметров были необходимы и актуальны.

Применение в теплосиловых энергоустановках в качестве рабочих веществ фторуглеродов является новаторским и требует выполнения комплекса научных исследований, опытных и расчетных проработок, в том числе проведения теплотехнических испытаний. Разработка и термодинамический анализ теплосиловых циклов на предлагаемых рабочих веществах актуальны и необходимы для подготовки этапа проектирования.

На современном этапе развития энергетики всё больший вес приобретают проекты в сфере малой, или распределенной, энергетики. На первый план выходят вопросы эффективного использования энергетических ресурсов, снижения энергозатрат в промышленности и коммунальном хозяйстве, ведутся непрерывные разработки «альтернативных», «нетрадиционных» источников энергии. Одним из таких направлений является разработка электрогенерирующих установок мощностью в диапазоне 100 кВт - 5 МВт на неводных РВ, работающих на основе использования вторичных и возобновляемых источников энергии. Подобные установки в полной мере отвечают современной концепции децентрализованного электроснабжения и могут использоваться как мини-электростанции для небольших посёлков, промышленных объектов, удалённых от электросетей, а также как вспомогательные, резервные, либо аварийные источники электроэнергии автономных объектов различного назначения.

Результаты настоящей работы призваны доказать, что электрогенерирующие установки такого назначения на фторорганическом РВ будут иметь более высокий уровень как термодинамической эффективности, так и технологической безопасности по сравнению с установками на водяном паре либо на углеводородах, работающих по так называемому «органическому циклу Ренкина».

Существенной частью диссертационной работы является также исследование термодинамических свойств и теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ для теплонасосной техники. При внедрении нового поколения рабочих веществ парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ) необходимо решать вопросы, связанные с обоснованием выбора новых рабочих тел, определением энергетической эффективности циклов, интенсификацией тепломассообмена в испарителе/конденсаторе и др. Постановка и решение данных проблем весьма актуальны. Тематика данной работы развивалась при выполнении ряда хоздоговорных и бюджетных работ в течение последних 13 лет. Автор был научным руководителем более десяти хоздоговорных работ (в том числе, международного контракта с Praxair Inc. (USA) и российскими заказчиками: НПКФ «ЭКИП», ОАО НИКИЭТ, ПКФ ОАО «Концерн Энергоатом»), а также трех грантов РФФИ.

Основные результаты работы вошли в состав комплекса исследований, представленного на соискание премии Правительства РФ коллективом под научным руководством профессора Сычева В.В., и были высоко оценены научным сообществом. Автор настоящей диссертационной работы стал лауреатом премии Правительства РФ в области науки и техники 2008 года за «Разработку и внедрение комплекса прецизионных данных о теплофизических свойствах рабочих веществ криогенной и холодильной техники и тепловых насосов».

Целью работы является разработка теплофизических основ и теплотехнических баз данных, необходимых для внедрения новых рабочих тел в теплосиловые установки специального назначения в сфере малой энергетики, атомной отрасли, а также в теплонасосную технику.

Ход исследования и структуру диссертационной работы определили поставленные задачи:

1. проведение измерений pvT соотношений предлагаемых к внедрению новых рабочих веществ;

2. построение на их основе экспериментально-обоснованных расчетных моделей;

3. разработка процессов, циклов, схем теплосиловых и теплонасосных установок на фторорганических рабочих веществах;

4. проведение теплотехнических испытаний прототипов основных конструкционных элементов таких энергоустановок на новых и традиционных рабочих телах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

4. 1. Получены опытные данные о плотности октафторпропана (C₃F₈) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах (в интервале температур от 373 до 773 К и давлении до 10 МПа).

   2. Получены опытные данные о плотности декафторбутана (C₄Fi₀) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах до 773 К и давлениях до 10 МПа; получены опытные данные о плотности в области жидкости, а также - при умеренных температурах вблизи кривой конденсации, по которым рассчитаны ортобарические плотности р и р".

   3. Разработаны уравнения состояния октафторпропана и декафторбутана вириального типа для газовой фазы в диапазонах до 12 МПа и до 823, 15 К.

   4. Получены опытные данные для фторэфира HFE347mcc по давлению

   насыщения P_s в диапазоне температур Т = 313,15...353,15 К и экспериментальные pvT -данные в диапазоне температур от 333,15 до 353,15 К и давлений от 105,93 до 372,56 кПа.

   4. 5. Получена аппроксимационная зависимость для давления насыщения фторэфира HFE347mcc для диапазона Т = 260.437,7 К. Для кривой насыщения построено уравнение состояния кубического типа Карнахана-Старлинга-де Сантиса с использованием как собственных данных на кривой конденсации, так и данных японских исследователей. Для расчета термодинамических величин в газовой фазе было разработано уравнение состояния эфира HFE-347mcc вириального типа.

      6. Экспериментальные pvT -данные для бинарных смесей фторэфира HFE347mcc с хладонами FС218, HFC23 и FC14 в газовой фазе и на кривых конденсации являются на сегодняшний день единственными.

      7. Разработаны уравнения состояния смесевых хладагентов на основе фторэфира HFE347mcc в форме вириального разложения. По разработанным уравнениям были рассчитаны таблицы термодинамических свойств смесевых хладагентов в газовой фазе.

      8. Получены экспериментальные pvT - данные в паровой фазе и на кривой конденсации системы SF₆ - C₃F₈ диапазоне температур Т = 238,15...333,15 К при давлениях до 3500 кПа для двух составов.

      9. Проанализированы термодинамические особенности циклов на фторуглеродах и сформулированы предпосылки для внедрения таких веществ в качестве рабочих тел теплосилового контура реакторной установки на быстрых нейтронах.

      10. Выполнен анализ термодинамической эффективности схем ПГУ при замещении водяного контура ПТУ на фторуглеродный. Сформулирован ряд технологических и конструкционных преимуществ, возможных при внедрении фторуглеродов в качестве рабочих веществ теплосиловых установок.

      11. Разработаны тепловые схемы и циклы установок для утилизации теплоты генераторного газа.

      12. Сформулированы общие особенности теплосиловых циклов на фторуглеродах.

      13. С целью подтверждения расчетно-теоретических разработок был построен циркуляционный стенд на октафтопропане (C₃F₈) тепловой мощностью котельного агрегата 80 кВт в качестве маломасштабного прототипа реальной теплосиловой установки на фторуглеродном рабочем веществе.

      14. Результаты ресурсных и теплотехнических испытаний позволили определить характерные режимы работы основных аппаратов стенда и подтвердили высокую термическую стабильность октафторпропана.

      15. Разработана математическая модель процессов термогидродинамики в регенеративных теплообменниках стендовой установки.

      16. Исследованы теплотехнические характеристики ТНУ на диоксиде углерода, а также на хладагентах R134a и R22.

      17. Разработаны оригинальные схемы и теплообменные аппараты ТНУ, на основные технические решения которых получены авторские свидетельства. Получены экспериментально обоснованные соотношения для расчета теплоотдачи при кипении и конденсации выбранных хладагентов на рельефных поверхностях теплообмена в элементах ТНУ.

      18. На основе собственных теплотехнических измерений выполнен термодинамический анализ и произведено сопоставление эффективности теплонасосных установок на диоксиде углерода и наиболее распространенных хладагентах R134a и R22.

      19. Выполнено исследование процесса пузырькового кипения в большом объёме на микроструктурированных поверхностях, изготовленных с помощью новых технологий и рекомендуемых в качестве рабочих элементов основных теплообменных аппаратов ТНУ. Эксперименты проведены при кипении двух рабочих веществ: хладона R134a и теплоносителя фторуглеродного состава FC- 3284 в большом объеме при различных давлениях и тепловых нагрузках.

      Практическая значимость и ценность научной работы

      Разработанные расчетные модели и полученные данные о калорических свойствах октафторпропана и декафторбутана достаточно надежны во всей области заявленных параметров, и могут быть использованы при проектировании термодинамических циклов и для расчетов процессов и аппаратов энергетических установок.

      Проведенный термодинамический анализ показал, что применение фторуглеродов в качестве рабочих веществ теплосиловых циклов АЭС позволит реализовать сверхкритический прямой теплосиловой цикл с давлением до 14 МПа и температурой перед турбиной до 580 ^оС, с конденсацией пара при избыточных давлениях. Конфигурация такого цикла с расширением РВ в турбине на перегретом паре и сжатием жидкой фазы насосом обеспечивает высокую интегральную температуру подвода теплоты и объединяет преимущества газовых циклов (Брайтона) и пароводяных (Ренкина).

      В настоящей работе сформулированы термодинамические особенности циклов на фторуглеродах и разработаны теплотехнические основы для внедрения таких веществ в качестве рабочих тел теплосилового контура реакторной установки. Предполагается, что внедрение фторуглеродов в качестве рабочих тел теплосилового контура АЭС на быстрых нейтронах позволит повысить не только термодинамическую эффективность, но и экологическую и технологическую безопасность энергоблока АЭС.

      Анализ термодинамической эффективности схем ПГУ при замещении водяного контура ПТУ на фторуглеродный, проведенный на расчетной базе (экспериментально-обоснованных уравнениях состояния), подготовленной на предыдущих этапах настоящей работы, показал, что практическая реализация одной из этих схем обеспечит существенное увеличение действительного КПД цикла.

      Практически всё разрабатываемое оборудование в контуре фторуглеродной ПТУ не имеет промышленных аналогов. Однако высокая термодинамическая эффективность предлагаемых схем, наличие отечественной базы по производству фторуглеродов, возможность существенного удешевления их производства делает подобные проекты вполне реальными.

      Тепловые схемы и циклы установок по утилизации теплоты генераторного газа, разработанные автором, могут быть использованы на этапе проектирования опытно-промышленных образцов.

      На основные технические решения по предлагаемым схемам и теплообменным аппаратам ТНУ получены авторские свидетельства. Получены экспериментально обоснованные соотношения для расчета теплоотдачи при кипении и конденсации исследованных хладагентов на рельефных поверхностях теплообмена в элементах ТНУ. Экспериментально подтверждена возможность повышения коэффициента теплопередачи при использовании таких поверхностей в 3-5 раз. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании нового поколения теплонасосных установок, работающих в составе систем тепло- и холодоснабжения жилых и административных зданий, а также технологических объектов различного назначения.

      Результаты исследования проблем интенсификации процессов тепломассообмена в аппаратах ТНУ имеют непосредственное прикладное значение. Интенсификация теплообмена в испарителе/конденсаторе ТНУ является одним из способов повышения компактности и экономичности установки в целом. В настоящей работе был выполнен комплекс исследований интегральных коэффициентов теплоотдачи в основных аппаратах ТНУ и локальных коэффициентов теплоотдачи на микроструктурированных поверхностях, предлагаемых в качестве рабочих элементов испарителей и конденсаторов ТНУ.

      На защиту выносятся:

      4. 19. 1. Экспериментальные данные о плотности октафторпропана (C₃F₈) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах (в интервале температур от 373 и до 773 К и давлении до 10 МПа).

             2. Экспериментальные данные о плотности декафторбутана (C₄F₁₀) в сверхкритической области и области перегретого пара при повышенных температурах до 773 К и давлениях до 10 МПа; экспериментальные данные о плотности в области жидкости, а также при умеренных температурах вблизи кривой конденсации.

             3. Уравнения состояния октафторпропана и декафторбутана вириального типа для газовой фазы в диапазонах давления до 12 МПа и температуры до 823,15 К.

             4. Опытные данные для фторэфира HFE347mcc по давлению насыщения p_s в диапазоне температур Т = 313,15...353,15 К и экспериментальные pvT -данные в диапазоне температур от 333,15 до 353,15 К и давлений от 105,93 до 372,56 кПа.

             5. Уравнение состояния кубического типа Карнахана- Старлинга-де Сантиса для кривых насыщения и аппроксимационная зависимость логарифмического типа для давления насыщения фторэфира HFE347mcc в диапазоне Т = 260.437,7 К. Уравнение состояния эфира HFE-347mcc вириального типа для расчета термодинамических величин в газовой фазе.

             6. Экспериментальные pvT -данные для бинарных смесей фторэфира HFE347mcc с хладонами FC218, HFC23 и FC14 в газовой фазе и на кривых конденсации.

             7. Уравнения состояния смесевых хладагентов на основе фторэфира HFE347mcc.

             8. Экспериментальные pvT - данные в паровой фазе и на кривой конденсации системы SF₆ - C₃F₈ в диапазоне температур Т = 238,15.333,15 К при давлениях до 3500 кПа для двух составов.

             9. Теплосиловые циклы и схемы на фторуглеродных рабочих веществах: второго контура реакторных установок на быстрых нейтронах, установок для утилизации генераторного газа и выхлопов ГТУ.

             10. Циркуляционный стенд на октафторпропане (C₃F₈) тепловой мощностью котельного агрегата 80 кВт и результаты его теплотехнических испытаний.

             11. Математическая модель процессов термогидродинамики в регенеративных теплообменниках стендовой установки на октафторпропане.

             12. Схемы и теплообменные аппараты теплонасосных установок (ТНУ) и результаты их теплотехнических испытаний.

             13. Экспериментально обоснованные соотношения для расчета теплоотдачи при кипении и конденсации фторорганических хладагентов на рельефных поверхностях теплообмена в элементах ТНУ.

             14. Результаты термодинамического анализа и сопоставления эффективности теплонасосных установок на диоксиде углерода и наиболее распространенных хладагентах R134a и R22.

             15. Результаты исследования процесса пузырькового кипения хладона R134a и теплоносителя фторуглеродного состава FC-3284 в большом объеме при различных давлениях и тепловых нагрузках в большом объёме на микроструктурированных поверхностях, изготовленных с помощью новых технологий и рекомендуемых в качестве рабочих элементов основных теплообменных аппаратов ТНУ.

             Апробация работы

             Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

             4. 19. 15. 1. На семинаре международной теплофизической школы (г. Тамбов: ТГТУ. 1995).

                        2. На международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, проводимых на базе МЭИ (2002-2003 гг.).

                        3. На Х Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Казань: КГТУ. 2002 г.).

                        4. На Всероссийской научно-практической конференции «Человеческое измерение в информационном обществе» (Москва: ВВЦ, павильон №57. Минобразования РФ. 2003 г.).

                        5. На 2-ой международной научно-практической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» (г. Санкт-Петербург: ГУНТиПТ. 2003 г.).

                        6. На 2-ой международной научно-практической конференции: «Природные холодильные агенты - альтернатива глобальному потеплению» (г. Санкт- Петербург: ГУНТиПТ. 2003 г.).

                        7. На республиканском научно-техническом семинаре «Тенденции развития теоретической теплотехники. Создание современных средств и технологий в теплоэнергетике» (Ташкент: ТГТУ. 2004 г.).

                        8. На электронной конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва: МЭИ. 2004 г.).

                        9. На 11-ой Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Санкт-Петербург. 2005 г.).

                        10. На XI национальной конференции по теплоэнергетике НКТЭ - 2006 (г. Казань. 2006г.).

                        11. На XIII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Новосибирск. 2011 г.).

                        12. На национальной конференции «Повышение эффективности, надежности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС». (Москва: ФБГОУ ВПО «НИУ «МЭИ»», 2012 г.).

                        Личный вклад автора

                        В основу диссертации легли результаты исследований, выполняемые автором на кафедре Теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» в течение 13 лет. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором как самостоятельно, так и в качестве научного руководителя соискателей и аспирантов.

                        Личное участие автора заключается в постановке и реализации комплексного экспериментального и расчетно-теоретического исследования:

                        постановка задач и выбор способов их решения;

                        создание экспериментальной установки «pvTx», разработка и реализация метода изохорически связанных расширений;

                        экспериментальное исследование термодинамической поверхности как индивидуальных, так и смесевых рабочих веществ;

                        обработка, обобщение и анализ опытных результатов;

                        разработка экспериментально-обоснованных уравнений состояния на базе, в основном, собственных данных;

                        разработка и анализ термодинамических циклов на фторуглеродных рабочих веществах;

                        создание циркуляционного стенда на октафторпропане и проведение теплотехнических испытаний;

                        создание экспериментальных теплонасосных установок для исследования теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ;

                        разработка оригинальных конструкций испарителя и конденсатора теплонасосных установок, обеспечивающих интенсификацию процессов теплообмена;

                        проведение теплотехнических измерений на теплонасосных установках;

                        разработка рекомендаций для постановки дальнейших НИР и дальнейшего развития направления «повышение энергоэффективности» теплонасосных установок;

                        научное руководство комплексом работ по исследованию процессов кипения фторорганических рабочих веществ на микроструктурированных поверхностях.

                        Степень достоверности результатов проведенных исследований, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации

                        Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается экспериментальным материалом, полученным с достаточно высокой точностью при использовании современных средств измерения и на основе апробированных методов исследования. Используемые в работе измерительные элементы тарировались и испытывались на достоверность в условиях, описанных в соответствующих методических инструкциях, и обеспечили высокий метрологический уровень полученных опытных данных.

                        Сопоставление рассчитанных по экспериментально-обоснованным уравнениям состояния термодинамических свойств и известных из публикаций, например теплоемкостей, энтальпий, скоростей звука октафторпропана, проводилось в диапазонах, имеющих статус стандартных справочных данных, и подтвердило достоверность построенных моделей.

                        При проведении экспериментальных работ по исследованию термодинамической поверхности рабочих веществ использовались различные установки и независимые методики обработки опытных данных. Использовались также специальные методы проверки внутренней согласованности полученных данных.

                        Математическая модель термогидравлического расчета регенератора маломасштабной теплосиловой установки на фторуглеродном рабочем веществе была верифицирована на базе опытных данных. Термическая и коррозионная стойкость октафторпропана как рабочего вещества была подтверждена результатами спектрометрического анализа.

                        Достоверность расчетов схем утилизационных и теплонасосных установок, а также результатов теплотехнических испытаний подтверждалась согласованием тепловых балансов их основных узлов и аппаратов.

                        Основным методическим подходом, реализованным в диссертационной работе, является экспериментальное обоснование всех теоретических выводов и расчетных результатов.

                        Публикации

                        По теме диссертации опубликовано 35 научных работ, в том числе, 13 в журналах, включенных в перечень ВАК РФ, 20 - тезисы докладов и статьи, опубликованные в материалах конференций, 2 - изобретения по теме диссертации.

                        Структура и объем работы

                        Диссертационная работа состоит из введения, 9 разделов, заключения, списка использованной литературы из 163 наименований, приложений с таблицами рассчитанных термодинамических свойств исследованных веществ. Содержание работы изложено на 380 страницах, включает 123 таблицы и 105 рисунков.

                        Обоснована актуальность темы, определены объекты и сформулирована цель исследования, изложены научные и практические результаты, выносимые на защиту.

                        Поиск заменителей водяных и газовых рабочих тел теплосиловых установок специального назначения проводился в классе веществ, относящихся к фторуглеродам (C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀...). Для решения указанных задач использовались две экспериментальные установки: «ppT» (исследование термодинамической поверхности при повышенных температурах), «pvTx» (исследование термических параметров на кривой конденсации и в газовой области), а также была создана и использовалась установка «ТСС-20» (циркуляционный стенд на октафторпропане) тепловой мощностью до 80 кВт (исследование циклов и аппаратов - прототипов промышленных теплосиловых установок). На основе результатов проведенных термодинамических исследований разрабатывались уравнения состояния, рассчитывались процессы, циклы, тепловые схемы энергоустановок. Результаты теплотехнических и ресурсных испытаний циркуляционного стенда на октафторпропане были получены впервые и подтвердили работоспособность, термическую стабильность, высокую эффективность фторуглеродного РВ. Были также измерены интегральные коэффициенты теплоотдачи, термогидравлические характеристики основных аппаратов стенда, т.е. подготовлена база для внедрения фторуглеродов в качестве РВ теплосиловых установок. Решение подобных задач необходимо и весьма актуально при переходе к этапу проектирования электрогенерирующих установок широкого ряда мощностей.

                        Поиск заменителей озоноразрушающих и радиационно-активных хладонов (R114, R11, R12,...) проводился в классах фторуглеродов C_yF_x, фторпропанов C₃F_xH_8-x, фторэфиров HFE и их смесей, в том числе и с гексафторидом серы SF₆, обладающих предельно малыми значениями экологических потенциалов. Экспериментальное исследование pvT свойств гептафторбутанолового эфира

                        HFE347mcc и его смесей c R218, R14 и R23 проводилось в соответствии с концепцией продвижения на рынок озонобезопасных рабочих тел с низкими потенциалами глобального потепления. Для решения указанных задач использовались, как вышеупомянутая экспериментальная установка « pvTx », так и теплонасосные установки «ТН300У» на R134a, «ТН-14» на R22, «ТН-18» на диоксиде углерода (исследование циклов и аппаратов ТНУ) и многофункциональный комплекс программ обработки результатов теплотехнических измерений.

                        Для исследования проблем интенсификации теплообмена в основных аппаратах ТНУ была использована экспериментальная установка Института Тепловой и Энергетической Техники Университета Падеборна (Германия), разработанная для измерения кривых кипения на трубах с микроструктурированными поверхностями. В качестве исследуемых веществ были выбраны: широко распространенный в холодильной и теплонасосной технике фреон R134a и синтезированный теплоноситель фторуглеродного состава с высокой смачиваемостью FC-3284.

                        Расчетно-теоретическое исследование в настоящей работе проводилось с помощью уравнений состояния, разработанных, в основном, на базе собственных экспериментальных данных и, в меньшей мере, данных других авторов. Расчетные модели позволили провести разработку процессов и циклов энергоустановок на фторорганических рабочих веществах, оценить их термодинамические и теплотехнические характеристики. Новые модели и опытные данные существенно расширили базу для проектирования энергетических установок на новых рабочих телах фторорганического состава. Результаты исследований предназначены, в первую очередь, для внедрения в системах малой распределенной энергетики.

                        Экспериментальная установка « pvTx » и метод изохорически связанных последовательных расширений. Для исследования кривой насыщения p_S(T) и получения pvT-зависимости в перегретых и насыщенных парах индивидуальных и смесевых рабочих веществ была создана экспериментальная установка «pvTx», схема которой представлена на рис.1. На установке реализуется метод последовательных расширений опытного образца, как в классическом, так и в специально разработанном изохорически связанном, вариантах.

                        Основным элементом опытной установки является пьезометрическая система, которая состоит из: двухкамерной ячейки равновесия (V_a+V_b), дифференциального мембранного блока (ДМБ), циркуляционного контура с микронасосом и трех вентилей постоянного объема. Дифференциальный мембранный блок находится в малом объеме V_a, его электрическая часть - снаружи ячейки; ДМБ отделяет исследуемую среду от буферного газа (Ar) в системе измерения давления; имеет линейную характеристику в диапазоне разности давлений от -1 до +1кПа. Порог чувствительность ДМБ менее 2 Па.

                        Установка оснащена системами: измерения давления; термостатирования и регулирования температуры; вакуумирования; анализа состава смеси.

                        Манометрический комплекс оснащен грузопоршневыми манометрами МП- 2,5 класса 0,02; МП-6, МП-60, МП-600 класса 0,05 (с газомасляными

                        разделителями) и электрическими манометрами с цифровым выходом ИПДЦ-1 и ИПДЦ-2 класса 0,06.

                        Рис. 1 - Схема экспериментальной установки « pvTx »

                        Блок пьезометров вместе с соединительными трубопроводами, вентилями и циркуляционным насосом установлен в стандартном криостате КГ-15,150-1. В качестве термостатирующей жидкости при температуре от 180 до 350 К используется кремнийорганическая жидкость ПМС-1,5Р. Электродвигатель мешалки находится под крышкой криостата и имеет автономное охлаждение корпуса водой. Все выводы механических и электрических линий из криостата герметизированы - это исключает возможность выпаривания термостатирующей жидкости (загрязнение окружающей среды) или конденсации паров из воздуха в криостат. Термометрическая система создана на базе десятиомного образцового термометра сопротивления ПТС-10 и потенциометра Р-348 класса точности 0,001. Для поддержания температуры в статическом режиме используется специальная система, собранная на базе прецизионного регулятора ПРТ-2М. Состав газовых смесей контролировался с помощью газового хроматографа ЛХМ-80/1 в комплекте с электронным интегратором ИЦ-26.

                        Двухкамерная пьезометрическая система позволяет реализовать классический метод последовательных изотермических расширений опытного образца. При использовании этого метода основное расчетное соотношение для коэффициента сжимаемости имеет следующий вид:

                        Zj = pj (VР0Ж, (1)

                        i=1

                        где N_a,= (V_b + V_a)/V_b - геометрическая константа - величина, характеризующая пьезометрическую систему экспериментальной установки; (p₀/Z₀)

                        = RT/v = А -«коэффициент заполнения»; П^' - произведение барических

                        i=1

                        поправок для всех j - перепусков. Геометрическая константа N_x определяется специальной тарировкой. Ее получают, используя предельный переход

                        Iim_np-JPj = (V₁ + V₁₁ )₀ /(V₁ )₀ = Nx , (2)

                        Pj n0 ^{J J}

                        экстраполяцией полинома в виде значений Pj-JPj как функции от (pj), коэффициенты которого определяются процедурой по минимизации среднеквадратичных отклонений.

                        «Коэффициент заполнения» A = p₀/Z₀ определяется аналогичным способом при использовании соотношения:

                        (Po/^Zn) = Iin₀P_jⁿXП , (3)

                        ^j i=1

                        но его величина для каждого опыта имеет свое значение.

                        Точность определения N_x и А зависит от точности измерения давлений и от достаточно большого количества точек на заключительной стадии опыта при низких давлениях.

                        В тарировочных опытах для определения N^ использовался гелий-4 высокой чистоты (99,985%) и азот особой чистоты (99,997%).

                        Надежность опытных данных по He и N₂ оценивалась по отклонению экспериментальных значений удельных объемов от стандартных справочных данных (максимальные отклонения были до 0,1%), а также - по вторым вириальным коэффициентам, полученным при экстраполяции зависимости

                        Z^-Iypj = w(pj) ^пР^и pj ^ о.

                        В результате статистической обработки величин, имеющих нормальное распределение, в интервале с доверительной вероятностью Р = 95% значение N=1,407251 (±0,002%).

                        Состав газовых смесей в зависимости от способа их приготовления определялся: 1) в случае подготовки смеси непосредственно в ячейке с помощью уравнений состояния индивидуальных компонентов; 2) путем поочередного взвешивания заправочных баллончиков, когда уравнения состояния для какого- либо компонента отсутствовали; 3) с помощью газового хроматографа ЛХМ-80/1 при использовании готовой газовой смеси.

                        Дополнительным достоинством первого способа является его высокая информативность: измеряя термические эффекты смешения (p^e и V^е), можно сразу (до окончания основной серии перепусков) определить V_CM, Z_cm при Т = Т_оп и P = P_CM, коэффициент заполнения A₀ = p₀RT = P₀ / Z₀.

                        Основные измерения в широком диапазоне температур и давлений проводили изохорически связанным методом последовательных расширений, причем фиксировали pТ - параметры равновесных состояний, как в однофазной, так и в двухфазной, областях однокомпонентного вещества или смеси.

                        Схема проведения изохорически связанного эксперимента поясняется на рис. 2, применительно к бинарной смеси постоянного состава. Переход смеси из однофазного состояния в двухфазное устанавливался по излому изохор.

                        Смесь заданного состава в количестве М₀ молей с максимальным давлением P0¹⁾ готовили в полном объеме пьезометрической ячейки (V/+V//) из компонентов, находящихся первоначально в разных камерах V_i и V_ii. Наивысшая температура Т¹¹ выбиралась достаточно далеко от критической, где адсорбционные эффекты практически отсутствуют и, следовательно, не могут исказить перераспределение
                        массы газа между двумя камерами в тот момент, когда происходит их разделение

                        (перед очередным

                        перепуском).

                        Температуру термостата

                        понижали соответственно до

                        измеряли равновесные

                        давления

                        _Г⁽²⁾ _Г⁽³⁾ _Г⁽⁴⁾ _Г⁽⁵⁾ _Г ⁽k) _при Po ^{, p}o ^{, p}o ^{, p}o ^, -Po ^при

                        изомолярном переходе (M₀ =

                        const) на первой квазиизохоре

                        vf⁾ = vovr, P), где a(T, P) -

                        полином третьей степени,

                        коэффициенты которого

                        учитывают термическую и

                        барическую деформации

                        измерительной ячейки, а k -

                        указывает номер изотермы (k =

                        2, 3, 4, 5, ...) после каждого

                        изохорического перемещения

                        (k) _ ,,(I)_f

                        (1) Ч 2

                        41)\3-

                        (4)

                        41)

                        опытного образца.

                        = V^w[1 + flik(Tk -T⁽¹⁾) + fl2k(Tk -T"Y + аз_к(Tk -T^Л,

                        где T , T_k - температуры на базовой и при k-том изохорическом перемещении

                        изотермах; а индекс / соответствует номеру перепуска.

                        Рис. 2 - Иллюстрация к измерениям р,Т - параметров смеси постоянного состава в газовой и двухфазной областях при изомолярных переходах по квазиизохорам и последовательных расширениях на базовой изотерме Т⁽¹⁾

                        Затем пьезометрическую систему нагревали до базовой температуры Т⁽¹, восстанавливая первоначальное состояние p^, и, после удаления газа из пьезометра V_ii, производили изотермическое расширение оставшегося количества M₁ газовой смеси того же состава до давления P₁⁰-¹. Далее измеряли равновесные давления po²⁾, po³⁾, po⁴⁾, po⁵⁾, ...Po^k) при температурах Т²⁾, Т⁽³⁾, Т⁽⁴⁾, Т⁵⁾.. .T^0k на второй квазиизохоре (M₁ = const) и т.д.

                        Поправка при расчете удельных объемов по квазиизохорам на термическую деформацию пьезометров для каждого /-ого перепуска определялась из обработки представительного массива измерений на гелии как веществе, имеющем статус стандартных справочных данных, в изохорически связанном опыте в следующей форме:

                        Погрешности измеряемых величин: предельная абсолютная погрешность AT в измерении температуры равна o,o3 К; максимальная предельная относительная погрешность измерения давления dp = Ap/p = o,o5%. Относительные погрешности величин, определяемых при реализации изохорически связанного метода последовательных расширений опытного образца: коэффициента «заполнения» SA = o,o3% ; составов SY = o,22%; коэффициентов сжимаемости и удельных объемов: SZ = o,15%, Sv = o,16% .
                        

                        На данной установке исследованы pvT свойства: 1) декафторбутана (R31-10) в диапазоне давлений 0,6... 1 МПа и температур 279,15...353,15 К; 2) гексафторида серы (R846) и его смесей с октафторпропаном (R218) в диапазоне температур Т = 238,15.333,15 К при давлениях до 3,5 МПа, в том числе, азеотропной смеси R510; 3) гептафторбутанолового эфира HFE347mcc и его смесей (по три состава каждой композиции) с тетрафторметаном (R14), октафторпропаном (R218) и трифторметаном (R23) в диапазоне температур 213,15.353,15 К и давлений до 2,90 МПа.

                        Экспериментальная установка « ppT » и метод пьезометра постоянного объема для измерения плотности вещества в жидком и газообразном состоянии реализованы в следующей конфигурации (рис. 3). Система создания и измерения давления включает в себя гидравлические прессы с грузопоршневыми манометрами МП-60 класса 0,02 и МП-6 класса 0,02 (поз. 9, 10), заправленными трансформаторным маслом, соединенными через масло-масляный разделитель (11) с грузопоршневым манометром МП-600 класса 0,02. Давление, создаваемое гидропрессами, уравновешивает давление в пьезометре (2) через мембранный разделитель (12). Состояние мембранного разделителя регистрируется с помощью дифференциального трансформаторного датчика (13) со вторичным прибором (14). Полость разделителя над мембраной, заполненная исследуемым веществом, соединена с пьезометром тонким капилляром (16). Заполнение линий исследуемым веществом и маслом, передающим давление, осуществляется после предварительного вакуумирования форвакуумным насосом ВН-461 (19).

                        Рис. 3 - Схема экспериментальной установки « ppT »

                        Система измерения и регулирования температуры включает в себя жидкостный термостат (1), изготовленный по индивидуальному проекту, обеспечивающий в комплекте с дополняющим его оборудованием поддержание температуры с устойчивостью не менее 0,01 С в интервале температур 30 - 550 С при условии правильно подобранного теплоносителя. Теплоноситель перемешивается по кольцевой схеме при помощи электроприводной мешалки (6),

                        установленной на охлаждаемой муфте (5) с ременным приводом от электродвигателя (7). Подвод необходимой постоянной тепловой мощности достигается основным электронагревателем (3), питание которого обеспечивается точно установленным стабилизированным напряжением системы электропитания.

                        Поддержание температуры в термостате осуществляется при помощи автоматического регулятора температуры, состоящего из регулирующего блока Р111 в комплекте с БУТ-1 (неполный комплект ВРТ-3) и блока, задающего регулируемую температуру, работающего на базе алмазного датчика температуры. Измерение температуры осуществляется платиновым десятиомным термометром сопротивления ПТС-10, работающим в комплекте с полуавтоматическим потенциометром Р-363/1 класса 0,001, которые обеспечивают измерение температуры в интервале 0-630 С с погрешностью не более 0,01 С.

                        Система электропитания подключена в трехфазную сеть напряжением 380/220 В с установленной максимальной потребляемой мощностью 6 кВт. В состав системы входит пульт пакетных выключателей и переключателей, обеспечивающий коммутацию нагревателей, агрегатов и приборов.

                        К системе измерения плотности относятся: пьезометр постоянного объема (2), выполненный из сплава ЭИ-617 в виде толстостенного сосуда шарообразной формы; заправочный баллон с исследуемым веществом; узел для отбора вещества (15); мерный баллон оригинальной конструкции и аналитические весы (17) ВЛА- 200 с ценой деления шкалы 0,1 мг.

                        Определение объема пьезометра. Точность экспериментальных данных по плотности пропорционально зависит от точности определения объема пьезометра. Тарировочный опыт основывался на использовании в качестве эталонного вещества диоксида углерода особой чистоты (99,997 %) и проводился в изотермическом режиме при температуре 32,61 С. Измерения проводились при давлениях 5, 6, 8 и 10 МПа.

                        Объем пьезометра в каждом состоянии находился, как функция от массы вещества в пьезометре и плотности в зависимости от давления и температуры с учетом погрешностей от внесения поправок и погрешностей отнесения:

                        _V = 1 _ ^[ Z ^твып ^{] - т}бал (₅)

                        ^{20 Q} Pco ₂⁽P^{, t)} ' где в - коэффициент приведения объема к начальным условиям (t = 20 С, р = 0,1 МПа); Xт_вып - суммарная масса выпущенного диоксида углерода от данного состояния до последнего выпуска, т_бал - масса диоксида углерода в балластном объеме в данном состоянии, p_CO2(p,T) - плотность диоксида углерода при параметрах данного состояния. Числитель дроби в представленном выражении соответствует массе вещества в пьезометре при данных условиях опыта.

                        Усредненное значение объема пьезометра с учетом округлений составило 204,53±0,01 см³.

                        Методика проведения опытов. В ходе опыта, который проводится по изотермам (это выгодно при изменении состояний) и начинается с максимального давления, производятся частичные выпуски вещества в баллон известной массы с последующим взвешиванием его на аналитических весах. При каждом выпуске давление в пьезометре понижается и измеряется после возвращения системы на стационарный температурный режим. Таким образом, в конце опыта известна вся масса вещества в каждом состоянии:

                        f ^ Л ^

                        ^mk =[L ^mi + ^m 0 J^-Z_r ^mi (6)

                        где m_k - масса вещества в данном состоянии k, считая первым - состояние при максимальном давлении опыта; i - номер выпуска, m_t - масса выпущенного вещества при переходе в соответствующее состояние, n - количество всех выпусков, m₀ - остаточная масса вещества в пьезометре, рассчитанная по уравнению состояния.

                        Учет термической деформации производится следующим образом: V = V₂₀ [1 + 3а(t - 20) + За(t - 20)²], (7)

                        где V - объем пьезометра при температуре опыта, V₂₀ - объем пьезометра при 20 С; а - коэффициент линейного расширения при соответствующей температуре.

                        Известное соотношение для барической деформации сферического пьезометра корректировалось специальной тарировкой и, таким образом, было учтено наличие сварных швов.

                        Погрешность определения объема пьезометра была оценена в 0,034%. Погрешность полученных значений плотности в газовой фазе, без учета погрешностей отнесения, оценена в 0,16-0,25%. Погрешность измерения плотности в жидкой фазе при измерении по изохорам - не более 0,13%.

                        На данной установке исследованы ppT свойства: октафторпропана (R218) в диапазоне температур 373,15...773,15 К и давлений 1...10 МПа в газовой фазе; декафторбутана (R31-10) в диапазоне температур 293,15.773,15 К и давлений 1.10 МПа, как в газовой фазе, так и в жидкой, а также на линиях насыщения.

                        n , ч

                        (11)

                        a, = 100

                        (1 - z^v /z) /(n - m)

                        где z³, Z^p - соответственно, экспериментальное и расчетное значение сжимаемости в каждой точке; n - число экспериментальных точек; m - число эмпирических констант уравнения.

                        Для данного варианта термического уравнения состояния (9) при расчете термодинамических свойств использовалась методика, подробно описанная в работах. Для удобства расчета свойств были использованы комплексы:

                        (12)

                        A =I U ; ,1 = (' + j ; ^ = - (' - 1)^, .

                        i=1 j=0 ^T i=1 j=0 ^T i=1 J=0 ^T

                        A ^ ^ .A₄ =IIM.^bJ A₅ =^HKj.^bJ

                        i=1 j=0 ' ^T i=1 j=0 ' ^T i=1 j=0 ' ^T

                        В данных комплексах символы i, j, ю, т аналогичны символам в формуле (9). Из соотношений (12) были найдены термодинамические функции в приведенной

                        h h₀

                        безразмерной форме: сжимаемость Z = 1 + A₀; энтальпия h*= rr ⁼ RT + A₃.

                        ^{s S}0 1

                        с л ю

                        \^Ю0

                        энтропия s* = = ^ln R R

                        + ^A4; изохорная теплоемкость c_v*= C^u = ~U + ^A₅;

                        R R

                        _б * С, = Cp_{1 A 1)} + ⁽¹ + ^A2⁾² *

                        изобарная теплоемкость c_p* = r - r ^lA 1 + (1+,) ; скорость звука w* =

                        w = R—т U (A₂ - A₁)

                        = V¹ + ^A1 ; адиабатный дроссель-эффектj* = — = у -у .

                        ^w0 U0 ⁽¹ + ^A1⁾

                        Для расчета калорических свойств были использованы идеально-газовые функции с_р0, h₀, S₀, представленные в соответствующих литературных источниках.

                        Для смесевых композиций зависимость коэффициента сжимаемости формировалась в виде квазивириального уравнения состояния в широких рТ - диапазонах газовой фазы:

                        m n l / . _ . \

                        Zm = 1b_i]k (Ю/T y (13)

                        i=1 J=1 k=0

                        ^{гдЄ Z}m = VP ,RT ^{; Ю}=^РР ^{; T} = УТ,

                        В качестве p_N и T_n могут быть выбраны критические параметры либо другие численные величины. Индекс m соответствует параметрам смеси. Уравнение (13) предназначено для полного концентрационного интервала и может быть названо унитарным для компонентов и смесей произвольного состава.

                        При недостаточном количестве экспериментальной информации в некоторых областях состояний в качестве базовой модели уравнения состояния, предназначенного для оперативных расчетов термодинамических свойств сосуществующих фаз «жидкость - газ» смесей низкокипящих веществ, использовалось трёхпараметрическое кубическое уравнение состояния Патела- RT a(T)

                        Теджа: ^р = т^-— — - — . (14)

                        v - b v(v - b) + c(v - b)
                        

                        Оптимальные значения регулируемых параметров в формулах для а_ь b_h C_i определяли на основании машинной обработки табличных pvT - данных для компонентов, а температурную зависимость коэффициента бинарного взаимодействия S₁₂ = (A + ВТ) - по собственным pvTx(y)-данным для сосуществующих фаз «жидкость - газ» смесей.

                        Все рассмотренные выше уравнения состояния являются экспериментально обоснованными, широкодиапазонными, и применимы в полном концентрационном интервале (X₁ = 0 - 100% мольн.).

                        Термодинамические эффекты смешения являются мерой неидеальности растворов, их измерение позволяет методически независимо определять pvTx - поверхность газовой смеси. В настоящей работе они использовались для подтверждения внутренней согласованности данных, полученных, в основном, методом последовательгых расширений.

                        Для определения объемного эффекта смешения газов v использовали экспериментальную установку с двухкамерной пьезометрической ячейкой с предварительно измеренным отношением объемов пьезометров N = (V_i + V₁₁)/V₁ = N_m (1 + aP) и интенсивным циркуляционным перемешиванием

                        исследуемого вещества. При определении Ap^E в начальной стадии изотермического опыта чистые компоненты находятся в разных пьезометрах при одинаковых с погрешностью манометрического прибора давлениях P_i = P_ii = p₀.

                        После открытия вентилей постоянного объема, соединяющих пьезометры V_i и V_ii, включали циркуляционный насос и производили перемешивание до полной стабилизации давления p_m образующейся смеси. Зафиксированный прирост давления соответствует Ap^E = (р_т - р_о), а мольная доля компонента, находящегося, например, в меньшем пьезометре V_ii, вычисляется по формуле

                        у_п = Z₁₁ /[Z_ii + Z₁ (Nm -1)], (15)

                        где Z_i и Z_ii - коэффициенты сжимаемости компонентов в V_i и V_ii при {р_о;Т}. Значения v и v_m вычислялись по соотношениям:

                        v^E (P, T, у) = 2У, [v* (P -Ap^E, T) - v_ok (р, T)],

                        v^E(P,T,у) = 2Ук[vok (P -Ap^E,T) - vok (P,T)] (16)

                        Необходимым условием реализации такого подхода является наличие достоверных уравнений состояния компонентов смеси.

                        Рис. 4 - Диапазон известных и новых измерений плотности: а) октафторпропана (C₃F₈); б) декафторбутана (C₄Fi₀)

                        Также получено 27 точек в области жидкости на этой же установке и рассчитано 4 точки с определением р' на левой пограничной кривой. При умеренных температурах вблизи кривой насыщения на установке, реализующей метод последовательных расширений, было получено 55 точек, которые условно обозначены «».

                        Погрешность полученных экспериментальных данных оценивается в пределах 0,2% без учета погрешностей отнесения для данных, полученных методом пьезометра постоянного объема, и 0,15% - методом последовательных расширений.Максимальные погрешности измерений с учетом вероятных ошибок отнесения в надкритической области не превышают 0,45 %. Однако такие состояния не входят в область предполагаемых расчетов. В диапазоне расчетов теплосиловых циклов полная погрешность измерения плотности октафторпропана и декафторбутана составляет 0,19.. .0,27%.

                        Разработанное уравнение состояния декафторбутана вириального типа (9) содержит 26 коэффициентов и описывает массив исходных данных со среднеквадратическим отклонением s_k = 0,24%. С целью повышения устойчивости данного уравнения на первом этапе были разработаны 25 эквивалентных уравнений и проверена их внутренняя согласованность при сопоставлении получаемых калорических величин. На втором этапе было определено уравнение состояния с усредненными коэффициентами и применена процедура оптимизации числа этих коэффициентов, их численные значения приведены в табл. 1. Табл. 1 - Коэффициенты усредненного уравнения состояния декафторбутана в

                        Разработано уравнение состояния октафторпропана вириального типа (9) с 27 коэффициентами (табл. 2), существенно расширяющее расчетный диапазон по

                        давлениям до 12 МПа и температурам до 823,15 К. Среднее квадратическое отклонение описания опытных данных составило 0,24 %.

                        Результаты тестирования уравнения состояния октафторпропана при сопоставлении расчетных калорических величин и соответствующих прямых экспериментальных измерений подтвердили его высокую достоверность. Например, основные расхождения данных по изобарной теплоемкости в интервале температур 320.. .420 К находятся в пределах ± 4% , и в большинстве точек имеют разный знак.

                        Рассчитаны таблицы основных термодинамических свойств октафторпропана и декафторбутана в газовой фазе (коэффициент сжимаемости z, удельные энтальпия h, энтропия s, изобарная теплоемкость c_p, изохорная c_v и скорость звука W) в диапазоне давлений 0,1.10 МПа и температур 293,15.823,15 К.

                        4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕПТПАФТОРБУТАНОЛОВОГО ЭФИРА HFE347mcc И ЕГО СМЕСЕЙ С ОКТАФТОРПРОПАНОМ FC218, ТРИФТОРМЕТАНОМ HFC23, ТЕТРАФТОРМЕТАНОМ FC14

                        Сделан подробный обзор литературных данных о термодинамических свойствах компонентов смесей на основе гептафторбутанолового эфира. Данных о каких-либо измерениях для смесевых композиций на основе фторэфира не обнаружено.

                        Фторэфир HFE347mcc (CF₃CF₂CF₂OCH₃) принадлежит к новому поколению озонобезопасных хладагентов с малыми значениями экологических потенциалов. У этого вещества время жизни LT[y] = 5.6, GWP[100y] = 368-430, HGWP меньше 0.15, и его рассматривают в качестве возможного заменителя фтортрихлорметана (CFCl₃; R11). При изучении смесей основными компонентами явились трифторметан (CHF₃; HFC23), октафторпропан (C₃F₈; FC218) и тетрафторметан (CiF₄; FC14), которые также относятся к озонобезопасным веществам с ODP = 0, позволяют повышать давление насыщения для смесевого хладагента и подбирать конфигурацию кривых кипения и конденсации для каждого варианта предполагаемой замены.

                        Измерение давления насыщения фторэфира. Для фторэфира было проведено три серии опытов. В первой серии значения p_s измеряли в области состояний «жидкость-газ» с содержанием основного вещества не менее 99,9 масс. % в диапазоне температур Т = 313,15.353,15 К (8 точек). На основании
                        совместной обработки трёх групп данных в интервале Т = 260...437,7 К получена

                        аппроксимационная зависимость для давления насыщения вида: ln p_s = ^ a_iT¹ ,

                        i=—1

                        где p_s в барах, Т - в Кельвинах, а коэффициенты a _i равны:

                        а_-1 = -1,7470332-10⁵; а₀ = 2,87 4 98 1 6-10³; а! = -1,9897807-10¹; а₂ = 7,3489137-10^-2;

                        а₅ = -7,6091300-10^-11; а₃ = -1,5207124-10^-4; а₄ = 1,6706521-10^-7.

                        Определение pvT- данных в паровой фазе и на кривой насыщения фторэфира HFE347mcc.

                        Во второй и третьей сериях были получены экспериментальные pvT-данные для чистого фторэфира HFE347mcc на двух базовых изотермах и пяти квазиизохорах в диапазоне температур от 333,15 до 353,15 К и давлений от 105,93 до 372,56 кПа. По опытным рТ-данным рассчитаны параметры состояния в точках росы, а также значения мольных объёмов и коэффициентов сжимаемости для перегретого пара и двухфазной области. Всего 45 опытных точек. Новые данные существенно дополнили известные к настоящему моменту измерения зарубежных исследователей, а проведенный анализ показал их согласованность.

                        Для кривой насыщения построено уравнение состояния кубического типа Карнахана - Старлинга - де Сантиса: pu

                        1 + У + У² — У³

                        (1 — У )³ RT (о + B )

                        (17)

                        с использованием, как собственных данных на кривой конденсации (шесть точек), так и данных японских исследователей (четыре точки на кривой конденсации и 10 точек на кривой кипения). Коэффициенты А(Т) и В(Т) уравнения состояния Карнахана - Старлинга - де Сантиса эфира HFE-347 mcc (18) определялись для каждой экспериментальной точки при условии равенства химических потенциалов на кривой кипения и конденсации. Величины А(Т) и В(Т) аппроксимированы полиномами:

                        A(T) = a₀ exp(a₁T + a₂T²)

                        B (T) = b₀ + b₁T + b₂T², (18)

                        где a₀ = .52392795+04; b₀ = .24838381+00; a! = .48038101-03; b = -.11139012-03;

                        a₂ = -.56315361-05; b₂ = -33576770-06.

                        Среднеквадратическая погрешность определения А(Т) составила 0,061%, а В(Т) - 0,053%.

                        Для расчета термодинамических величин в газовой фазе было разработано уравнение состояния эфира HFE-347mcc вириального типа (9) с 20 коэффициентами (табл. 3), которые были определены на основе собственных данных и данных японских исследователей.

                        Табл. 3 - Коэффициенты уравнения состояния фторэфира HFE 347mcc

                        В программу нахождения коэффициентов b_ij уравнения состояния была заложена возможность произвольного набора матрицы индексов суммирования по плотности и температуре. Среднеквадратическая погрешность аппроксимации составила 0,32 %.

                        Данные по идеально-газовой теплоемкости фторэфира в литературе отсутствовали и определялись с помощью методики, учитывающей вклад структурных групп. Такая методика была апробирована на более изученных хладонах. С ее помощью было разработано соотношение для вычисления идеально-газовой теплоемкости эфира HFE-347mcc:

                        C_p⁰ /R = -1,0243 в^-1 +13, 6432 в⁰ +45,23 в¹ -23,537 в², (19)

                        где 0 = T/1000.

                        Результаты сравнения значений C_p⁰/R, рассчитанных в приближении жесткий ротатор гармонический осциллятор с использованием имевшихся спектроскопических данных, показали, что согласие сравниваемых данных удовлетворительно в интервале температур 200.800 К, где расхождения не

                        превышают 1-2 %. Указанная величина была принята в качестве оценки

                        погрешности расчетных значений теплоемкости C_p .

                        Исследование термодинамических свойств смесей фторэфира с октафторпропаном, трифтрометаном и тетрафторметаном.

                        Экспериментальные pvT -данные для бинарных смесей фторэфира HFE347mcc с хладонами FС218, HFC23 и FC14 в газовой фазе и на кривых конденсации были получены впервые.

                        Экспериментальные данные для бинарной системы FC218 - HFE347mcc получены для трех составов: 5; 10,04 и 20,64 масс. % второго компонента и охватывают диапазон температур от 299,15 до 353,15 К и давлений от 101 до 2047 кПа. Всего получено 53 опытные точки в области перегретого пара, 14 - в двухфазной области состояний и 5 точек на кривой конденсации.

                        Экспериментальные данные для бинарной системы R23 - HFE 347mcc получены:

                        1. на пяти квазиизохорах в диапазоне температур 288,15.353,15 К и при давлениях до 2,904 МПа для смесей трех составов с содержанием HFE 347mcc 12,22; 16,40 и 30,77 масс. %;

                        2. на базовой изотерме 353,15 К в интервале давлений 0,1302. 1,291 МПа для смеси, содержащей 30,77 масс. % HFE 347mcc;

                        3. на базовой изотерме 333,15 К в интервале давлений 0,109.5,099 МПа для смеси, содержащей 9,40 масс. % HFE 347mcc;

                        4. на базовой изотерме 313,15 К в интервале давлений 0,1385.2,421 МПа для смеси, содержащей 12,22 масс. % HFE 347mcc. Всего 82 опытных точки.

                        Экспериментальные данные для бинарной системы хладагентов R14 - HFE 347mcc получены:

                        5. на трех квазиизохорах в диапазоне температур 213,15.353,15 К и при давлениях до 2,18 МПа для смесей трех составов с содержанием HFE 347mcc 35,90; 18,70 и 9,40 масс. %;

                        6. на базовой изотерме 353,15 K при двух составах смеси 37,80 и 35,90 масс. % HFE 347mcc;

                        7. на базовой изотерме 313,15 К в интервале давлений 0,109 .5,099 МПа для смеси, содержащей 9,40 масс. % HFE 347mcc. Всего 46 опытных точек.

                        Предельные погрешности измерения температуры и давления в ячейке равновесия оценивались в пределах: А Т = ± 0,03 K; 8 Р = ± 0,05 %. Индивидуальные компоненты исследуемых систем содержали не менее 99,90% основного продукта, и, следовательно, только данный фактор всецело определял погрешность состава в пределах 0,2%. Все данные были получены на двухкамерной установке «pvTx» методом изохорически связанных последовательных расширений опытного образца. Погрешность полученных значений коэффициента сжимаемости (или мольных объемов) без учета ошибок отнесения оценивалась величиной не более 0,15%.

                        Коэффициенты для трех систем приведены в табл.4-6.

                        Уравнения состояния (УС) смесевых хладагентов на основе фторэфира HFE347mcc строились на массивах собственных экспериментальных pvTx - данных и расчетных значениях плотности фторуглеродных компонентов по справочным данным при параметрах смеси в форме вириального разложения (13). Уравнения состояния воспроизводят исходные экспериментальные pvTx- данные со среднеквадратической погрешностью 0,109, а гистограммы отклонений близки к нормальному распределению.

                        Табл. 6 - Коэффициенты УС бинарной системы FC14-HFE347mcc

                        Уравнения состояния трех бинарных систем описывают термодинамические свойства в диапазоне температур 303,15...353,15 К и концентраций первого (основного) компонента в диапазоне 0,85.1,0 мольных долей. По разработанным уравнениям были рассчитаны таблицы термодинамических свойств смесевых хладагентов в газовой фазе.

                        5 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМЕСЕЙ ГЕКСАФТОРИДА СЕРЫ С ОКТАФТОРПРОПАНОМ (SF₆/C₃F₈)

                        В обзоре отмечено, что к началу настоящего исследования имелась обширная информация из литературных источников о теплофизических свойствах (ТФС) компонентов данной смесевой композиции. В Московском энергетическом институте (на кафедрах Теоретических основ теплотехники и Инженерной теплофизики) была выполнена крупномасштабная программа экспериментальных исследований ТФС SF₆, в первую очередь, в газовой и жидкой фазах (1970-1985 гг.), а также его смесей с низкокипящими веществами (Не, N₂, CF₄, CHF₃,.) в период 1982-1995 гг.

                        Экспериментальные pvTx- данные для системы SF₆-C₃F₈. Для компонентов системы SF₆-C₃F₈ имеются достаточно надёжные уравнения состояния. В этом случае, исследуемую смесь готовили в полном объёме ячейки (V₁+V₂) в процессе изотермического смешивания компонентов, находившихся первоначально в разных пьезометрах при Т = T₀ и одинаковых давлениях (р₁ = р₂). Перемешивание осуществляли до полной стабилизации давления в ячейке на значении р0 и определяли барический эффект изохорно-изотермического смешения компонентов р^Е = р₀ - р₁₂; затем вычисляли v₀, а также мольную долю компонента,

                        находившегося первоначально в объёме V₁, по формулам:

                        ^vo⁽Po^,T0^,x) = ZXt ^v0к ⁽Pc ^- P^E,T) (20)

                        = 1

                        ^X = ₁ + V (N,-1) , ⁽²¹⁾

                        где V₁, V₂, V_0k - мольные объёмы компонентов при P₁₂ и T₀.

                        Данная процедура для системы SF₆-C₃F₈ была осуществлена на базовой изотерме Т_б = 333,15 К, при этом давление и объём в начальной точке составили: P₀ = 3432,3 кПа, v₀ = 0,43563 м /кмоль, а содержание второго компонента X₂ = 17,64 мольн. %.

                        Основные опыты проводили изохорически связанным методом последовательных расширений в широком температурном интервале и фиксировали рТ- параметры, как в однофазной, так и в двухфазной, областях (рис. 2). Значения pvT-параметров на кривой конденсации были получены пересечением линий полиномов (решением системы двух уравнений), аппроксимирующих экспериментальные точки на квазиизохорах в газовой и двухфазной областях.

                        Новые экспериментальные pvT- данные в паровой фазе и на кривой конденсации системы SF₆ - C₃F₈ с содержанием второго компонента X₂ = 17,64 мольн. % получены в диапазоне температур Т = 288,15.. .333,15 К при давлениях до 3,5 МПа. Погрешность мольного объёма, с учётом ошибок отнесения не превышает 0,16 %.

                        Новые экспериментальные pvT- данные в паровой фазе системы SF₆ - C₃F₈ с содержанием второго компонента X₂ = 93,82 мольн. %, (или 0,05 масс. % SF₆ - состав азеотропного смесевого хладагента R510), получены в диапазоне температур Т = 238,15.353,15 К при давлениях до 3,3 МПа. На базовой изотерме (353,15 К) получено 14 опытных точек, а на 11 квазиизохорах получено 54 опытных значения.

                        Результаты описания опытных pvTx- данных кубическим уравнением состояния. Для построения многоконстантных уравнений квазивириального типа (13) требуются более полные массивы опытных данных, чем полученные для бинарной системы SF₆-C₃F₈. Поэтому для описания полученных экспериментальных данных по двум составам бинарной системы применено трёхпараметрическое кубическое уравнение состояния Патела-Теджа (14).

                        Значения регулируемых параметров компонентов в формулах для а_і, b_i, C_i определены по pvT-данным в диапазоне Т = 233.473 К при давлениях до 3,5 ... 4 МПа и равны: ; = 0,3163451; F₁ = 0,7302131; ;_с2 = 0,3306856; F₂=0,8787626. Коэффициенты температурной зависимости параметра бинарного взаимодействия Sij =А+В Т найдены по полученным в этой работе экспериментальным pvTx- данным, а регулируемые константы самого уравнения равны: a(T)=1,229423; b= - 0,4962 10^-3.

                        Среднеквадратические отклонения мольных объёмов, рассчитанных по уравнению состояния (14), от исходных данных для компонентов (1 и 2) и смеси (mix), равны соответственно: Sv₁ = 0,943%; Sv₂ =0,678%; Sv_mix =0,676%. В сокращённом диапазоне температур (например, Т = 253.333 К) все отклонения заметно уменьшаются.

                        Термодинамическая эффективность фторуглеродов в качестве рабочих тел теплосиловых циклов АЭС.
                        

                        Разработаны цикл и схема теплосилового контура реакторной установки (РУ) на быстрых нейтронах (рис. 5).

                        I - линия конденсации; II - линия кипения; К - критическая точка; ТР - теплообменник реактора тепловой мощностью Q₀; Т - турбина; Г - генератор, вырабатывающий электрическую мощность N₃; РТ - регенеративный теплообменник тепловой мощностью Q_f; К - конденсатор тепловой мощностью Q_r; Н - насос.

                        Рис. 5 - Принципиальная схема и цикл теплосилового контура РУ на быстрых нейтронах

                        Результаты расчета параметров цикла второго контура АЭС на декафторбутане C₄F₁₀ с конденсацией при положительных и отрицательных температурах приведены в таблице 7.

                        П =

                        Действительный КПД цикла находился по формуле:

                        ^(hi^- К)По,^{- (h}5^- КУп

                        (22)

                        (К - ю

                        Табл. 7 - Зависимость КПД цикла второго контура АЭС на декафторбутане от

                        Для приведенных ниже расчетов использовались следующие оценки: потери давления в теплообменнике реактора 4%; потери давления в регенераторе по верхней изобаре 3%, по нижней - 12%; потери давления в конденсаторе 10%; относительный внутренний КПД турбины: 92%; КПД насоса: 85%; недоохлаждение газа в регенеративном теплообменнике: 5 С.

                        На основе расчетов сверхкритических конденсационных циклов на фторуглеродах был сделан вывод о том, что замена водопарового теплоносителя закритических параметров на фторуглероды во втором контуре энергетической установки позволит достичь тех же самых КПД при более низких давлениях.

                        Термодинамический анализ схемы замещения пароводяного контура на фторуглеродный в парогазовых установках.

                        В данном подразделе представлена оценка термодинамической эффективности схем ПГУ при замещении водяного контура ПТУ на фторуглеродный. Показано, что из трех проработанных вариантов один (рис. 6) дает существенное увеличение внутреннего КПД цикла. Кроме того, отмечен ряд технологических и конструкционных преимуществ, возможных при внедрении фторуглеродов в качестве рабочего вещества теплосиловых установок. Разработка новых схем ПГУ была проведена на расчетной базе (экспериментально- обоснованные уравнения состояния), описанной выше.

                        Парогазовая установка, представленная на рис. 6, работает по регенеративному циклу ГТУ с утилизацией остаточной теплоты уходящих из рекуператора газов в одноконтурном паротурбинном цикле на декафторбутане (C₄F₁₀). Расчет такой схемы показал, что внутренний КПД бинарного цикла, без учета потерь на прокачку рабочего тела в рекуператоре и котле-утилизаторе, равен 74%. Это позволяет предполагать, что, при удачном конструировании бинарной установки, будет возможным достижение электрического КПД нетто, существенно превышающего 60%.

                        ГТ - газовая турбина, КС - камера сгорания,РП

                        - рекуператор; КУ - котел-утилизатор; Н - насос; К - конденсатор; ЭГ -

                        электрогенератор

                        Рис. 6 - Схема и цикл бинарной ПГУ с регенеративной ГТУ и утилизацией остаточной теплоты рекуператора в цикле на декафторбутане

                        Разработка теплосиловых циклов утилизационных установок в системе распределенной энергетики. Сформулированы особенности технологий генерации электроэнергии в циклах на органических рабочих веществах. Проведено сопоставление энергетической эффективности ряда широко используемых в утилизационных установках рабочих тел (углеводородов) и предлагаемых к внедрению фторуглеродов (рис.7).

                        0.1І I

                        Ддалсні^ пзрз на вїОзе в тлрбїіку PI, \Шэ

                        Рис.7 - Зависимость внутреннего КПД цикла (п ) от давления пара на входе в турбину (P₁) для ряда рабочих веществ утилизационных установок

                        На данном температурном уровне утилизации теплоты (температуры: пара на входе в турбину - 290 С, конденсации - 40 С) наибольший внутренний КПД цикла был получен на гексане. Но, очевидно, что такие пожароопасные рабочие вещества как пентан, бутан, гексан, могут работать только в двухконтурных схемах с промежуточным теплообменником, через котел-утилизатор которых циркулирует термостойкий органических теплоноситель, тогда как в схеме на одном веществе (фторуглероде) температура перед турбиной может быть повышена минимум на 15 С при переходе на одноконтурную схему. Кроме того, высокая термическая стойкость октафторциклобутана RC318 и декафторбутана R31-10 позволяет достичь высоких КПД цикла при повышении температуры газа перед турбиной до 550 ^оС. Результаты такого численного анализа показывают прирост КПД от 30% до 43% при повышении температуры перед турбиной.

                        Сформулированы неоспоримые преимущества фторуглеродов в качестве РВ утилизационных установок перед существующими аналогами: пожаро- и взрывобезопасность, возможность перевода теплосилового контура на одно РВ с исключением промежуточного теплообменника, высокая термодинамическая эффективность при повышении температурного уровня утилизации (до 580 С), а также преимущество в энергоэффективности над водопаровыми установками в диапазоне мощностей до 15 МВт.

                        Разработана двухстадийная схема утилизации генераторных газов на октафторциклобутане (C₄F₈).

                        Вся энергоустановка по утилизации генераторного газа рассчитана на 1 МВт, выделяемый при его сжигании в камере сгорания ГТУ. На первой стадии (рис.8) электрическая энергия вырабатывается в трехступенчатой турбоустановке мощностью 86 кВт с теплообменником (котлом-утилизатором) мощностью 212 кВт, использующем высокий температурный потенциал генераторного газа (500С). На второй стадии (рис. 6) электрическая энергия вырабатывается в бинарной ПГУ с регенеративной ГТУ и утилизацией остаточной теплоты рекуператора в ПТУ на октафторциклобутане при непосредственном сжигании генераторного газа в камере сгорания с выделением тепловой мощности в 1 МВт.

                        Действительный КПД такого двухблочного комплекса с учетом затрат на привод насосов и компрессоров был оценен в 57%.

                        Рис. 8 - Принципиальная тепловая схема утилизации теплоты генераторных газов в трехступенчатой турбоустановке на октафторциклобутане на I стадии

                        Общие преимущества теплосиловых циклов на фторуглеродах:

                        При одинаковых температурах перед турбиной и конденсации средняя интегральная температура подвода теплоты и, следовательно, действительный КПД цикла выше, чем КПД цикла на водяном либо газовом рабочем теле.

                        Такое преимущество в термодинамической эффективности наиболее заметно при низких и средних давлениях.

                        Фторуглеродная турбина (как и турбина ГТУ) работает в области перегретого пара, регенерация осуществляется не с помощью отборов из турбины, а передачей теплоты в рекуператоре.

                        Предварительные расчеты конструкции турбины показывают существенное снижение числа ступеней турбины и диаметра рабочего колеса, высоты лопаток и, в целом, габаритов фторуглеродной турбины по сравнению с аналогами водопаровых турбин подобной мощности.

                        Конденсация протекает при избыточном давлении, вследствие чего исключаются подсосы воздуха, упрощается конструкция конденсатора и уменьшается его вес. В зимние периоды возможно использование конденсатора с воздушным обдувом и проведение конденсации при отрицательных температурах (например, и при - 20 С), что дает более высокий рост КПД, чем повышение на такую же величину температуры перед турбиной.

                        Так как расширение происходит в газовой фазе, то отпадают проблемы, связанные с влажностью: пониженный КПД турбин, необходимость сепарации влаги, эрозийный износ и др.

                        Фторуглероды химически инертны, тяжелее воздуха, обладают свойствами пропеллентов и могут обеспечить пожаротушение в экстренных случаях.

                        8. Возможность применения более дешевых низколегированных сталей для основных аппаратов установки, что, особенно важно, скажется на упрощении конструкции и удешевлении турбоагрегата.

                        Основные недостатки применения фторуглеродов в качестве рабочих веществ теплосиловых циклов:

                        Повышенные требования к герметичности всей установки.

                        Ограничения по термостойкости (работа возможна до температуры 580С).

                        Поскольку в регенеративном теплообменнике передаются большие тепловые мощности, то предъявляются жесткие требования к эффективности регенеративных аппаратов.

                        Более низкие значения теплопроводности по сравнению с водой.

                        Циркуляционный стенд на октафторпропане (C₃F₈) тепловой мощностью котельного агрегата 80 кВт был построен в качестве маломасштабного прототипа реальной теплосиловой установки на фторуглеродном рабочем веществе. Принципиальная гидравлическая схема стенда представлена на рис. 9.

                        Рис. 9 - Принципиальная гидравлическая схема стенда и схема измерений рабочих параметров циркуляционного стенда

                        Также на ней указаны точки измерений рабочих параметров стенда. Основные аппараты стенда: котел каталитического горения на природном газе; дроссельное устройство; регенеративный теплообменник; конденсатор; насос- дозатор (НД); бак слива конденсата. Стенд оснащен системой измерения температур, давлений и расхода воды через конденсатор. Стенд оснащен также специальными вспомогательными системами: системой вакуумирования; узлом загрузки образцов и системой отбора рабочего вещества для проведения спектрометрического анализа; системой заправки стенда; системой взвешивания баллонов с отобранными пробами на основе прецизионных весов ВЛА-200;

                        системой термостатирования топливного бака с целью стабилизации давления сжиженного газа и его расхода в котле каталитического горения; системой принудительной вентиляции отходящих продуктов горения.

                        В результате ресурсных и теплотехнических испытаний стенда установлены: параметры рабочих режимов (давление нагнетания до 6,033 МПа, температура перед дросселем в диапазоне до 523,9 С); расход октафторпропана (до 0,083 кг/с) и массовые скорости РВ в аппаратах и трубопроводах; интегральные коэффициенты теплоотдачи (например, в регенераторе среднелогарифмический температурный напор At_cp^₀₂ = 29,3 С, среднеинтегральный линейный коэффициент теплопередачи kl_cp = 12,62 Вт/(мК)); потери гидравлического напора во всех основных аппаратах циркуляционного стенда; потери теплоты в окружающую среду. Результаты спектрометрического анализа, произведенные через 100, 300 и 600 часов работы, показали полную идентичность состава отобранных образцов на стенде МЭИ и образцов ЭНИН, подвергшихся нагреву в специальных капсулах. После проведения полных ресурсных испытаний в течение 600 часов состав проб не изменился и был эквивалентен исходному образцу рабочего вещества. Подтверждена полная химическая и термическая стабильность октафторпропана в качестве рабочего тела теплосиловой установки в заданном интервале теплотехнических измерений: изменение температуры перед турбиной до 525 С, давления - до 6 МПа.

                        Создана математическая модель процессов термогидродинамики в регенеративных теплообменниках и котлах-утилизаторах в среде MATHCAD. Результаты сопоставления экспериментальных и расчетных характеристик регенератора приведены в табл. 8. Расхождения составили не более 3%.

                        Табл.8 - Сопоставление экспериментальных и расчетных значений температурных напоров и гидравлических потерь в регенераторе

                        Анализ результатов расчета (рис. 10) показывает, что интенсивность

                        теплоотдачи в регенераторе меняется в диапазоне от 2050 до 2800 Вт/(м К) для потока нагреваемой среды сверхкритических параметров и от 660 до 1170 Вт/(м К) - для греющей среды.

                        Разработанная на основе проведенного эксперимента вычислительная программа расчета термогидродинамики теплообменных аппаратов позволяет рассчитывать локальные тепловые и гидродинамические характеристики для

                        разных типов поверхностей

                        теплообменников и различного направления потоков теплоносителей. Рис. 10 - Расчетные значения коэффициентов теплоотдачи вдоль регенератора: 1 - для

                        сверхкритического флюида C₃F₈ внутри трубы (нагреваемая среда); 2 - для перегретого пара C3F8 в кольцевом зазоре (греющая среда,)
                        

                        В результате анализа произведенных расчетов сделан вывод о том, что для повышения эффективности регенератора данной конструкции необходима реализация дополнительных мероприятий по интенсификации теплоотдачи со стороны греющей среды.

                        Испытания проведены на следующих установках: ТНУ мощностью 300 Вт на хладагенте R134a; ТНУ мощностью 20 кВт на диоксиде углерода; ТНУ мощностью 8 кВт на хладагенте R22.

                        Принципиальная схема стенда ТНУ на R22 приведена на рис. 11.

                        На стендах установлены системы контроля параметров установки в процессе проведения экспериментов и автоматического снятия показаний с датчиков, размещённых на стенде. Температура и давление контролировались во всех характерных точках фреонового цикла. Кроме того, непосредственно измерялась ваттметром мощность трехфазного электропривода компрессора. В водяном контуре - источнике низкопотенциальной теплоты - измерялись расход, температуры и давления на входе и выходе из испарителя. В водяном контуре - аналоге системы теплоснабжения - измерялись также расход, температуры и давления на входе и выходе из конденсатора.

                        Рис. 11 - Принципиальная схема стенда ТНУ на R22

                        Конструкции конденсатора и испарителя была разработана автором, и базировались на применении пучков труб, ошипованных по технологии деформирующего резания.

                        Были определены интегральные и локальные коэффициенты теплоотдачи аппаратов ТНУ, сконструированных на основе интенсифицированных элементов.

                        В качестве примера приведены результаты обработки опытных данных испытаний ТНУ на R22 (табл. 9).

                        Проведенное сопоставление энергетической эффективности фреоновых ТНУ с ТНУ на диоксиде углерода при стандартных температурах прямой и обратной воды в системе теплоснабжения показало, что при отсутствии низкотемпературного потребителя, термодинамическая эффективность ТНУ на диоксиде углерода существенно ниже (более чем в два раза). Был сделан вывод о том, для повышения эффективности и внедрения ТНУ на диоксиде углерода необходима разработка специальных схем с включением низкотемпературных потребителей.

                        Методика сопоставления термодинамических циклов была построена на условиях фиксации температурных уровней внешних тепловых источников и итеративном подборе давлений в испарителе и конденсаторе с целью обеспечения одинаковых температурных напоров в каждом аппарате для сравниваемых циклов.

                        Проведенный расчетно-теоретический анализ на основе опытных данных позволил сделать вывод о том, что получение значительно большего, чем в базовом цикле на R22, значения коэффициента преобразования теплоты в таких циклах возможно при применении неазеотропных смесевых композиций на основе фторуглеродов и добавок гексафторида серы.

                        Табл. 9 - Теплотехнические характеристики теплообменных аппаратов ТНУ

                        на R22

                        0,16640 + 0,04391

                        0,28488+ 0,07517

                        Результаты теплотехнических испытаний ТНУ на R22, R134а, диоксиде углерода, приведенные в данном подразделе, подготовили базу для постановки экспериментальных работ по внедрению смесевых фторуглеродных хладагентов и развитию направления по повышению энергоэффективности ТНУ на последующих этапах исследований.

                        Целью работы было экспериментальное и теоретическое исследование теплообмена на новой микроструктурированной поверхности, предназначенной для интенсификации процессов кипения в испарителях ТНУ. В качестве объектов исследования были выбраны широко распространенный R134a и недавно

                        синтезированный теплоноситель фторуглеродного состава с высокой смачиваемостью FC-3284. Для проведения исследования была использована экспериментальная установка Института Тепловой и Энергетической Техники Университета Падеборна (Германия), разработанная для исследования процессов кипения на одиночных трубах с микроструктурированными поверхностями. Установка была модифицирована с целью исследования кривых кипения на трубах с такой поверхностью, расположенных одна над другой в вертикальной плоскости (тандеме). Принципиальная схема установки представлена на рис. 12. Установка для исследования теплообмена при кипении в большом объеме на пучке труб состоит из замкнутого контура с циркуляцией исследуемого рабочего вещества. В состав контура входит рабочая камера А, в которой располагаются трубы со специально подготовленными поверхностями. Под рабочей камерой А располагается дополнительный нагреватель D, который обеспечивает нагрев жидкости, охлажденной в конденсаторе В, до состояния насыщения.

                        Рис. 12 - Принципиальная схема экспериментальной установки

                        Проведено три типа экспериментов с измерением кривых кипения на верхней трубе: 1) на обеих трубках устанавливались одинаковые значения

                        теплового потока; 2) на нижней трубке А425 устанавливалась постоянная тепловая

                        2 2 2 нагрузка в 8 кВт/м , 50 кВт/м , или 125 кВт/м , при этом верхней трубке (либо

                        А428, либо А437) устанавливались все тепловые нагрузки в диапазоне от 2 кВт/м

                        до 125 кВт/м²; 3) третий тип экспериментов был сходен второму, но постоянная

                        тепловая нагрузка устанавливалась на верхней трубке, при одновременном

                        измении тепловой нагрузки на нижней трубке.

                        Геометрические характеристики поверхности микроструктурированных трубок, исследованных в данной работе, приведены в таблице 10.

                        Результаты исследования представлены в виде кривых кипения, пример которых приведен на рис. 13. В результате исследования установлено, что на таких поверхностях необходим лишь незначительный перегрев теплоотдающей поверхности для начала устойчивого кипения жидкости, а тандемное расположение трубок даёт незначительное улучшение процесса кипения на верхней трубке по сравнению с одиночной тестовой трубой.

                        Табл.10 - Геометрические характеристики микроструктурированной поверхности

                        ^ " '' > - верхняя;

                        Пі.і:_:,i -.11 -1 К [J - боковая;

                        О - нижняя термопары.

                        Рис. 13 - Кривые кипения R134a при давлении 5 бар на микроструктурированной трубке А428

                        Особое прикладное значение имеют результаты по устойчивости и эффективности процесса кипения при низких давлениях.

                        В рамках проведенного исследования разработана концепция внедрения фторорганических рабочих веществ в качестве рабочих тел теплосиловых установок в системы малой распределенной энергетики, атомную отрасль и теплонасосную технику.

                        В результате выполнения комплекса экспериментальных и расчетно- теоретических исследований в течение 13-него периода получены новые данные о термодинамических свойствах и теплотехнических характеристиках ряда как индивидуальных, так и смесевых рабочих веществ фторорганического состава.

                        Результаты измерения плотности (удельного объема) РВ были получены на двух экспериментальных установках методически независимыми способами, имели высоких метрологический уровень и существенно расширили диапазон известных данных. Разработанные экспериментально-обоснованные уравнения состояния на их основе были использованы для расчета теплосиловых циклов в диапазонах рабочих параметров реальных энергетических установок.

                        Были разработаны принципиальные тепловые схемы второго контура реакторной установки на быстрых нейтронах, а также схемы утилизации теплоты выхлопов ГТУ и теплоты генераторного газа. Термодинамический анализ таких схем показал их высокую термодинамическую и технологическую эффективность,

                        а также их преимущества в данной области применения в сравнении с аналогами: водопаровыми установками и установками на других РВ органического состава.

                        Высказано также предположение, что внедрение фторуглеродов в качестве рабочих тел теплосилового контура АЭС позволит повысить не только термодинамическую эффективность, но и экологическую и технологическую безопасность энергоблока АЭС.

                        Результаты ресурсных и теплотехнических испытаний аппаратов циркуляционного стенда - маломасштабного прототипа теплосиловой установки - на октафторпропане подтвердили высокую эффективность, термостабильность, безопасность фторуглеродов в качестве РВ. Опытные теплотехнические характеристики были проанализированы с помощью разработанной математической модели процессов термогидродинамики для аппаратов стендовой установки.

                        Были разработаны оригинальные схемы и теплообменные аппараты ТНУ, на основные технические решения которых были получены авторские свидетельства. В результате проведения теплотехнических испытаний ТНУ были получены экспериментально обоснованные соотношения для расчета теплоотдачи при кипении и конденсации исследованных хладагентов на рельефных поверхностях теплообмена в элементах установок. Экспериментально подтверждена возможность повышения коэффициента теплопередачи при использовании таких поверхностей в 3-5 раз. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании нового поколения теплонасосных установок. Проведенный расчетно-теоретический анализ показал перспективу внедрения в качестве рабочего вещества ТНУ неазеотропных смесевых композиций на основе фторуглеродов и гексафторида серы и дальнейшего развития направления по повышению энергоэффективности ТНУ.

                        На кафедре Теоретических основ теплотехники МЭИ за последние 10 лет выполнен ряд хоздоговорных и госбюджетных работ по теме исследования процессов теплообмена для фреоновых рабочих веществ на микроструктурированных и оребренных поверхностях. Результаты исследования теплообмена на новых микроструктурированных поверхностях существенно пополнили имеющуюся базу экспериментальных и расчетных данных и могут быть использованы при разработке интенсифицированных элементов аппаратов ТНУ широкого диапазона мощностей.

                        Похожие диссертации на Исследование термодинамических свойств и теплотехнических характеристик фторорганических рабочих веществ

                        

                        Исследование теплофизических свойств и характеристик систем массивных экрановЛепилов Владимир Ильич

                        

                        Теплопроводность в дробном исчислении: приложения к нестационарным методам определения теплофизических характеристик веществ и к задаче СтефанаШабанова, Муминат Руслановна

                        Расчетно-экспериментальное исследование термодинамической эффективности теплонасосных установок на новых рабочих веществахАнтаненкова, Ирина Сергеевна

                        

                        Методы удаленного исследования свойств плазмы по параметрам радиационного теплообменаШумов Андрей Валерьевич

                        

                        Экспериментальное исследование свойств жидких металлов и углерода при высоких температурахКоробенко Виктор Николаевич

                        

                        Экспериментальное исследование теплофизических свойств переходных металлов и сплавов на основе железа при высоких температурахТалуц Сергей Германович

                        

                        Влияние фактора неоднородности на результаты теоретического и экспериментального исследования теплофизических свойств дисперсных материаловЛещинский Константин Николаевич

                        

                        Экспериментальное исследование излучательных свойств и параметров сильноионизованной плазмы аргона и азота атмосферного давленияМаркин Александр Валерьевич

                        

                        Акустические исследования равновесных свойств и уравнения состояния многоатомных жидкостей при высоких давлениях Мелихов Юрий Филиппович

                        

                        Исследование ориентационных свойств жидких кристаллов в переменных магнитных полях акустическим методом Романов Алексей Анатольевич