Экспериментально-расчетное исследование термодинамических свойств октафторпропана и декафторбутана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Кузнецов, Кирилл Игоревич

• Кузнецов, Кирилл Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецов, Кирилл Игоревич

1. Введение.

2. Обзор литературных данных по теплофизическим свойствам октафторпропана и декафторбтана.

3. Обзор методов измерения плотности.

3.1 Метод гидростатического взвешивания.

3.2 Метод пикнометра.

3.3 Метод пьезометра постоянного объема.

3.4 Метод последовательных расширений (Барнетта).

3.5 Методы косвенных измерений плотности.

3.6 Обоснование выбранного метода измерений плотности.

4. Конструкция экспериментальной установки.

4.1 Устройство жидкостного термостата.

4.2 Конструкция мембранного дифманометра.

4.3 Узлы системы измерения и регулирования температуры.

4.4 Схема измерения температуры.

4.5 Конструкция заправочного узла экспериментальной установки.

4.6 Пьезометр постоянного объема.

5. Проведение экспериментальных исследований.

5.1 Определение объема пьезометра.

5.2 Проведение аттестационных опытов.

5.3 Методика проведения опытов.

5.4 Порядок проведения измерений.

5.5 Обработка экспериментальных данных.

5.6 Пример обработки измерений плотности.

5.7 Погрешности измерений.

5.8 Чистота исследуемых веществ.

5.9 Результаты экспериментальных исследований.

6. Расчет термодинамических свойств рабочих тел фторуглеродного состава.

6.1 Построение полиномиальной зависимости.

6.2 Построение уравнения состояния для расчета термодинамических свойств декафторбутана.

6.3 Расчет термодинамических свойств октафторпропана и сравнение полученных результатов с данными литературных источников.

7. Выводы о результатах экспериментальных и расчетно-теоретических иссдований термодинамических свойств рабочих тел фторуглеродного состава.

8. Таблицы термодинамических свойств рабочих тел фторуглеродного состава.

8.1 Таблица термодинамических свойств декафторбутана.

8.2 Таблица термодинамических свойств октафторпропана.

9. Литературные источники.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-расчетное исследование термодинамических свойств октафторпропана и декафторбутана»

Выбор в качестве объекта исследований веществ фторуглеродного класса обусловлен необходимостью решения ряда теплофизических проблем при внедрении рабочих тел в теплосиловых установках специального назначения. Использование фторуглеродов в таких установках дает возможность повышения уровня термодинамической эффективности, экологической и технологической безопасности.

В настоящей работе поиск заменителей водяных и газовых рабочих тел проводился в классе веществ, относящихся к фторуглеродам (CF4, C3F8, C4F8, C4F10.). В ряде случаев использование фторуглеродов может быть более выгодно, чем водяной пар и газовые рабочие тела. Например, для покрытия пиковых нагрузок энерго и теплоснабжения в условиях сезонных и суточных колебаний энерго и теплопотребления весьма эффективными могут быть теплосиловые установки малой и средней мощности, работающие на неводном рабочем веществе. Специфической областью применения подобных энергоустановок может быть их внедрение в комплексы утилизации попутных газов в нефтяной и газовой отраслях с целью решения вопросов энергосбережения и обеспечения технологических процессов добычи собственными энергоресурсами. В условиях зимней эксплуатации, сезонного и периодического действия установки на фреоновом рабочем теле по выработке электроэнергии малой и средней мощности имеют по сравнению с пароводяными аналогами ряд преимуществ. Например, возможность останова без замерзания рабочего тела, быстрые пусковые характеристики, более компактное теплосиловое и тепломассобменное оборудование и др. Они могут быть использованы и в качестве аварийных автономных источников тепло и электроснабжения.

Возможным становится применение фторуглеродных соединений в качестве рабочих тел второго контура атомных энергоустановках на быстрых нейтронах при использовании в первом контуре жидкометаллического теплоносителя. В настоящее время в атомной энергетике США и Франции разрабатываются и строятся двухконтурные ядерные энергетические установки, в которых преобразование энергии во втором контуре основано на цикле Брайтона. В качестве рабочих тел используются гелий и диоксид углерода. В России разрабатывается реакторная установка (РУ) «БРЕСТ-ОД-ЗОО» на быстрых нейтронах, в которой в качестве рабочего вещества (РВ) второго контура рассматривается также газ.

Применение в указанных выше энергоустановках газовых рабочих тел обусловлено тем, что водяной теплоноситель не может применяться в качестве рабочего тела 2-го контура РУ класса «БРЕСТ» и аналогичных по соображениям безопасности. «Газовые» теплосиловые циклы имеют низкую термодинамическую эффективность, использование газового теплоносителя требует многоступенчатого компрессорного сжатия рабочего тела и существенно усложняет схему энергоустановки 2-го контура. Поэтому в настоящее время актуальной является задача поиска альтернативного воде, более эффективного теплоносителя 2-го контура с оптимизацией схемных решений энергоустановки.

Термодинамические расчеты теплосиловых циклов показывают возможность достижения более высоких кпд по сравнению с водопаровыми циклами (Ренки-на) на рабочих телах фторуглеродного состава. Высокая молекулярная масса фторуглеродов позволяет повысить энергонапряженность оборудования и, следовательно, сделать его более компактным по сравнению с водопаровым и, тем более, газовым аналогами. Рабочие вещества (РВ) фторуглеродного класса инертны, не горючи, широко используются в качестве низко- и среднетемпера-турных теплоносителей в атомных, химических и космических технологиях. Например, смесь перфторпропана (C3F8) с элегазом (SF6) применяется в качестве хладагента (R510a) в холодильных и теплонасосных установках. Другим примером является использование фторуглеродов в климатической системе космической станции «Мир» и т.д.

Исследования последних лет показали, что рабочие вещества фторуглеродного класса имеют термическую стойкость, достаточную для реализации и высокотемпературного термодинамического цикла. Предварительный анализ показал, что применение фторуглеродов позволяет реализовать прямой сверхкритический цикл с изобарами нагрева не более 10 МПа и температурой острого пара до 600 °С, и конденсацией со сбросом теплоты в окружающую среду. Известно, что сверхкритические (треугольные циклы) имеют более высокий эксер-гетический кпд по сравнению с циклом Ренкина. Сжатие рабочего тела может осуществляться с помощью насосов (как и в водо-паровых циклах), вместо многоступенчатых компрессоров (в случае гелия, оксида углерода и смеси аргона с воздухом). Предварительный термодинамический анализ энергетических характеристик цикла на вышеперечисленных рабочих веществах (РВ) и на предлагаемых фторуглеродных РВ показывает преимущество последних. Применение в энергоустановках в качестве РВ фторуглеродов является новаторским и требует выполнения комплекса научных исследований, опытных и расчетных проработок, которые невозможно сделать без решения основных теплофизических проблем.

Свойства некоторых фторуглеродов хорошо изучены и представлены для низкотемпературного диапазона, а при повышенных температурах в известной литературе такие данные отсутствуют. Проведение теплофизических исследований данных веществ является весьма актуальным, обоснованным и необходимым при разработке новых энергоустановок с рабочим телом отличным от воды.

В отличие от газовых рабочих тел фторуглероды возможно конденсировать при нормальных температурах конденсации. При этом давление насыщения ps в конденсаторе несколько выше атмосферного, что обеспечивает отсутствие подсосов и тем самым повышает надежность энергоустановки. В такой схеме энергоустановки, работающей по гибридному циклу, объединяющему достоинства циклов Ренкина и Брайтона, не требуется системы компрессоров, потребляющих значительную долю выработанной энергии, имеющих большую стоимость и понижающих межремонтный ресурс, что важно для атомных электростанций.

Для ряда рабочих тел фторуглеродного состава, отвечающих требованиям, предъявляемым к современным энергоустановкам, таким как энергетическая эффективность, низкая либо нулевая токсичность, совместимость с конструкционными материалами и отвечающими экологическим требованиям Киотского и Монреальского протоколов к настоящему времени уже существуют данные, необходимые для расчетов энергетических циклов. Например, для тетрафторэтана (CF4), циклофторбутана (C4F8) были выполнены оценочные расчеты термодинамических циклов. Основные константы фторуглеродов даны в таблице 1. Вариант такого цикла представлен на рисунке 1. Например, при 773,15 температуре на входе в турбину 530 °С в сверхкритическом цикле <5"з,15 с регенерацией теплоты от ^ температуры выхода из н питающего насоса с ис-*'3'15 пользованием циклофторбутана (C4F8) термический КПД составил 46%.!

373,15

273,15

Рис. 1.1 - Сверхкритический теплосиловой цикл на циклофторбутане (C4F8)

Таблица 1.1— Основные константы фторуглеродов

Вещество Обознач. Мол. масса, кг/кмоль Критические параметры тнк> к Тпл, к

Тс, к Рс, МПа Р с, кг/м3 cf4 r14 88,005 227,5 3,745 630,0 145,12 89,53 c2f6 r116 138,01 293,03 3,040 620,0 195,00 173,10 c3f8 r218 188,02 345,05 2,670 615,0 236,5 125,0 c4f8 rc318 200,04 388,47 2,780 547,9 267,18 232,95 c4f10 r31(10) 238,02 386,35 2,324 600,0 271,15 145,0 c5f12 r41(12) 288,03 421,85 2,048 619,4 302,45 148,2

Высокая термодинамическая эффективность применения в качестве рабочих тел фторуглеродного состава (октафторпропана СзГ8, циклофторбутана c4f8, декафторбутана c4f10) для энергетических установок с бинарными циклами впервые была отмечена в работах Гохштейна д.П. и соавторов [2] ещё в 60-ые годы прошлого века. Однако, расчеты циклов с приемлемой точностью могут быть выполнены только по результатам настоящей работы.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Кузнецов, Кирилл Игоревич

7. ВЫВОДЫ О РЕЗУЛЬТАТАХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССДОВАНИЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧИХ ТЕЛ ФТОРУГЛЕРОДНОГО СОСТАВА

1. Модернизирована экспериментальная установка для исследования плотности веществ в жидком и газообразном агрегатном состоянии в диапазоне температур 25.500 °С и давлений от атмосферного до 10 МПа.

2. Проведено экспериментальное измерение плотности декафторбутана (C4F10) в широком диапазоне параметров состояния с погрешностью измерений без вероятных ошибок отнесения не хуже 0,24% во всей области исследований. Погрешности измерений с учетом вероятных ошибок отнесения при давлениях ниже 2 МПа не превышают 0,35%, в надкритической области (Т=293,15.413,15К, р=2.3,5 МПа) не превышают 0,45%. В остальной, рабочей области параметров состояния, используемых при расчетах энергетических установок, полная погрешность измерений не превышает 0,3%. Полная погрешность измерения плотности в жидкой фазе не превышает 0,25%.

3. Проведено экспериментальное измерение плотности октафторпропана (СзР8) в широком диапазоне параметров состояния с погрешностью измерений без вероятных ошибок отнесения не хуже 0,24% во всей области исследований. Погрешности измерений с учетом вероятных ошибок отнесения при давлениях ниже 2 МПа не превышают 0,35%, в надкритической области (Т=248,15.353,15К, р=2,8.3,8 МПа) не превышают 0,45%. В остальной, рабочей области параметров состояния, используемых при расчетах энергетических установок, полная погрешность измерений не превышает 0,3%.

4. Разработаны уравнения для расчета термодинамических свойств октафr S;

7 = 1 + W Ъ юЧ"-1 торпропана и декафторбутана вида ** Zj Zj и ' работающие в

5=1 j=o диапазоне перегретого пара и сверхкритического состояния.

5. Построено устойчивое уравнение для описания термодинамических свойств декафторбутана с использованием методики эквивалентных урав нений состояния (15 эквивалентных уравнений).

6. Проведено расчетно-теоретическое исследование основных термодинамических свойств декафторбутана (C4F10) и октафторпропана (C3F8) с использованием экспериментальных данных настоящей работы и экспериментальных данных других авторов. Что позволило создать уравнения, хорошо описывающие свойства исследуемых веществ в широком диапазоне параметров состояния.

7. ТАБЛИЦЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧИХ ТЕЛ

ФТОРУГЛЕРОДНОГО СОСТАВА Обозначения табличных величин: Р - давление; р — плотность; Z - сжимаемость; h - энтальпия, S — энтропия; Ср — изобарная теплоемкость; Cv - изо-хорная теплоемкость; W - скорость звука; Т - температура.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецов, Кирилл Игоревич, 2009 год

1. Некоторые особенности парогазовых схем с неводяными парами / Гох-штейн Д.П., Смирнов Г.Ф., Киров B.C.// Теплоэнергетика. 1966, №1, С. 20-24.

2. Расчетно-экспериметальные данные о теплофизических свойствах пер-фторпропана и смесей пяти низкокипящих фторсоединений: / Отчет МЭИ; Руководитель работы Алтунин В.В. № ГР 0191.0016142; №0293.0001614. - Москва, 1992. -70с.

3. Промышленные фторорганические продукты: Справочник / Б.Н. Максимов, В.Г. Баранов, И.Л. Серушкин и др. Л.: Химия, 1990

4. Барышев В.П. Комплексное исследование теплофизических свойств фреона-218: автореф. дис. канд.техн. наук.ОТИХП- Одесса, 1982.-20с.

5. Единое неаналитическое уравнение состояния хладона R218 / Козлов А.Д., Лысенков В.Ф., Рыков В.А. // ИФЖ 1992.Т.62,№6, с.840-847.

6. Перельштейн И.И., Парушин Е.Б. Термодинамические и теплофизиче-ские свойства рабочих веществ холодильных машин и тепловых насосов. М: Легкая и пищевая промышленность. 1984. - 232 с.

7. Комплексные исследования теплофизических свойств озонобезопасных хладагентов / Кессельман П.М., Железный В.П. // Холод, техника. 1992.№ 11/12. с.16-18.

8. Physical and chemical properties of pure fluorocarbons / R.D. Fowler, J.M. Hamilton, J.S. Kasper et al // Ind. Eng. Chem. 1947. Vol. 39, N 3, P. 375378.

9. The properties of n-butforane and its mixtures with n-butane / Simons J.H., Mausteller J.W. // J.Chem. Phus. 1952. Vol. 20, N 10. p.l 516-1519.

10. Physical properties of n-perfluorobutane / Brown J.A., Mears W.H. // J. Phys. 1958. Vol. 62, N 10. P.960-962.

11. Second viral coefficients for the system n-butane + perfluoro-n-butane / Tripp T.B., Dunlap R.D. // J. Phus. Chem. 1962. Vol. 66, N 4. P.635-639.

12. Вторые вириальные коэффициенты органических соединений и их смесей / Маркузин Н.П. // Химия и термодинамика растворов 1968. Вып. 2. с. 212-238.

13. Vapor pressures of pure substances. Amsterdam / Boublik Т., Fried V., Ha-la E. // Elsevier sci.publ.corp. 1973. P.146-147.

14. Surface tension of perfluoropropane, perfluorobutane, . / McClure I.A., Soares V.A., Edmonds B. // J. Phus. Chem., 1960. Vol. 51, N 1. P.535-639

15. Таблицы стандартных справочных данных. Хладон R218. Плотность, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости / Рыков В.А,

16. Устюжанин Е.Е., Попов П.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.В. ГСССД 211-05 // ГССД, М., 2005

17. TRC Thermodynamic Tables, Non-Hydrocarbons. JANAF Thermochemical Tables 4th floor stacks College Station,TX: Thermodynamics Research Center, Texas A&M University System, QD511 N57 1998, 2985- (QD305 H5 T45) 9 volumes, loose leaf Page s-6520

18. Тепло и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник. Е.В.Аметистов, В.А.Григорьев, Б.Т.Емцев и др.; под общей редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина. - М.: энергоиздат, 1982г 512с.

19. Гидростатический метод определения плотности жидкостей при давлениях до 5000 кгс/см" / В.Н.Разумихин // Труды институтов Комитета стандартов, мер и измерительных приборов, М., 1960, т. 46 (106), с. 96 -106.

20. Установка для измерения плотности жидкостей гидростатическим методом при давлениях до 10000 кгс/см" / В.А.Борзунов, В.Н.Разумихин // Труды институтов Комитета стандартов, мер и измерительных приборов, М., 1964, т. 75 (135), с.143 142.

21. Исследование термодинамических свойств веществ / В.А.Кирилин, А.Е.Шейндлин М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963, 559 с.

22. Теплофизические свойства органических теплоносителей, / М.П.Вукалович, Ю.М.Бабиков, Д.С.Рассказов, М.: Атомиздат, 1970, 236 с.

23. С.Л.Ривкин, Е.А.Кременевская. Исследование плотности фреона 11. -Теплофизические свойства веществ и материалов // ГСССД, 1971, вып.4, с. 5 —17.

24. Экспериментальное исследование P-V-T зависимости бутил- бутилового эфира в широком интервале параметров состояния / К.Д.Гусейнов, Н.М.Байрамов // Журнал физической химии, вып. «Химическая термодинамика и термохимия»М., 1979, с. 64-65.

25. Экспериментальное определение удельных объемов тяжелой воды в интервале температур от 200 до 425°С при давлениях до ЮООбар / Н.В.Цедерберг, А.А.Александров, Т.С.Хасаншин, Д.К.Ларкин. // Теплоэнергетика, М., 1973, №8, с. 13-15.

26. Экспериментальное исследование удельных объемов тяжелой воды в интервале температур от 20 до 200°С и при давлениях до 1000 бар / Н.В.Цедерберг, А.А.Александров, Т.С.Хасаншин // Теплоэнергетика, М., 1972, №10, с.65-69.

27. Утенков В.Ф., Филатов Н.Я. Экспериментальное и расчетно-теоретическое исследование удельных объемов хладона R151A.: Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения 2002. Приложение к спецвыпуску №10.

28. Техническая термодинамика: учебник для вузов. В.А.Кирилин,

29. B.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. 4-е изд., - М.: Энергоатомиздат, 1983г. 416с.

30. Исследование скорости распространения звука в тяжелой воде при высоких давлениях / А.А.Александров, А.И.Кочетков. — Теплофизические свойства веществ и материалов // ГСССД, 1979, вып. 14, с. 60 — 62.

31. К оценке погрешности измерения скорости звука в зависимости от точности регистрации сложения сигналов / Кочетков А.И., Кузнецов К.И., Кузнецов Г.Г. //Термодинамика и теплофизические свойства веществ: Сб. науч. Трудов № 131. М.: Моск.энерг.ин-т. 1987.

32. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Под ред. Неймарк Б.Е. М.: Изд-во «Энергия», М.: 1967,120 стр.

33. Теплофизические свойства материалов ядерной техники Чиркин B.C. -М.: Изд-во «Атомиздат», 1968, 484 стр.

34. Исследование термодинамических свойств веществ / В.А.Кирилин, А.Е.Шейндлин. М. Л., Госэнергоиздат, 1963, 559 с

35. Мембранный дифференциальный манометр для работы при высоких давлениях / Александров А.А., Хасаншин Т.С., Кузнецов К.И. // Известия ВУЗов. Энергетика. Минск 1976, №5, с. 146 149.

36. Зарубежные интегральные микросхемы для промышленной электронной аппаратуры / Нефедов А.В. М.,Издательство: Энергоатомиздат, 1989, 288 стр.

37. Лурье А.И. Теория упругости. Изд-во «Наука», М., 1970, 675 стр.

38. Экспериментальное исследование PVT поверхности рабочих тел фто-руглеродного состава / Кузнецов К.И., Скородумов С.В., Сухих // А.А. Энергосбережение и водоподготовка. М., 2009, №2, с. 28 31.

39. В.В. Алтунин. Теплофизические свойства двуокиси углерода. М., Издательство стандартов, 1975, с. 546.

40. Термическое уравненме состояния шестифтористой серы в широкой области параметров состояния / Присяжный А.П., Тоцкий Е.Е., Устюжанин Е.Е. // Теплофизика высоких температур. 1989. - Т. 27, №21. C.400 403.

41. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара / Александров А.А., Григорьев Б.А.: Справочник. Рек. Гос. Службой стандартных справочных данных. ГСССД Р-776-98. — 2-е изд., стереот. М.: Издательский дом МЭИ, 2006.

42. Теплофизические свойства ртути: Рек. Гос. Службой стандартных справочных данных. ГСССД / Вукалович М.П., Иванов А.И., Фокин Л.Р. и др. М., Издательство стандартов, 1971.

43. Исследование плотности декафторбутана в широком диапазоне температур и давлений / Сухих А.А., Кузнецов К.И., Закопырин М.А., Утенков В.Ф., Скородумов С.В. // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2009, №7,8, стр. 27-36.

44. Brown I.A Physical properties of perfluoropropane//J. Chem. Eng. Dta.-1963. Vol.8, №11. P.106-108.

45. Термодинамические свойства азота. / B.B. Сычев, А.А. Вассерман, А.Д. Козлов, Г.А. Спиридонов В.А. Цымарный М., Издательство стандартов, 1977, с. 352.

46. Heat Capacity of Gaseous Perfluoropropane / Masi J.F., Flieger H.W., Wick-lund J.S. Journal of Research of the National Bureau of Standards. Vol.52, No.5, 1954.

47. Lemmon E.W. and Span R., «Short Fundamental Equations of State for 20 Industrial Fluids» E.W. Lemmon, R., J. Span Chemical Engineering. Data, 51: p. 785-850, 2006.

48. Плотность и уравнение состояния фреона- 218 / Геллер В.З., Поричан-ский Е.Г., Барышев В.П. // Известия ВУЗов. Серия «Энергетика».-1980. №6.-с.119-123.