Thermal conductivity of R401B refrigerant. Experiment and generalization
- Authors: Laptev Y.A.1, Tsvetkov O.B.1
-
Affiliations:
- St. Petersburg State University of Low Temperature and Food Technologies
- Issue: Vol 92, No 1 (2003)
- Pages: 16-18
- Section: Articles
- URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/106118
- DOI: https://doi.org/10.17816/RF106118
- ID: 106118
Cite item
Full Text
Abstract
Heat conductivity of R401B - a transition working substance which can be used instead of R12 in the existing refrigerating installations - has been experimentally investigated. The results of the experiments have been generalized and presented in analytical form. The error of measurement has been assessed.
Keywords
Full Text
Хладагент R40IB - зеотропная смесь хладагентов R22 (массовая доля 61%), R152a (11%) и R124 (28%). Это переходное рабочее вещество холодильной техники можно использовать для замены R12 в эксплуатируемых холодильных установках умеренного холода. Хладагент R401B в промышленных масштабах под торговой маркой SUVA МР 66 производит фирма «Дюпон» [2, 10].
Теплопроводность R401В экспериментально исследована в интервале температур 291,77...366,81 К и давлений 0,23...9,4 МПа. Реализован метод коаксиальных цилиндров в стационарном режиме. Аттестацию установки во всем температурном интервале проводили по толуолу, аргону и хладагенту R22. Рабочий зазор измерительной ячейки составил 0,22 мм. Подробное описание установки и методики проведения эксперимента содержится в [3]. Опытные значения коэффициентов теплопроводности учитывают все присущие методу коаксиальных цилиндров поправки. Погрешность опытных данных по теплопроводности газовой фазы оценена величиной 1,5 %; по теплопроводности жидкости — до 3 %.
Для исследований использован промышленный образец хладагента R401B фирмы «Дюпон». Неабсорбированные газы (объемная доля 1,5%) были удалены из образца после его многократного замораживания в жидком азоте.
По теплопроводности газообразного хладагента R401B получено 24 экспериментальных значения (табл. 1), по теплопроводности насыщенной жидкости — 34 значения (табл. 2), а по теплопроводности жидкости под давлением и плотного пара в интервале температур 296,79...358,87 К и давлений до 9,4 МПа — 38 значений (табл. 3).
Таблица 1. Экспериментальные значения теплопроводности газообразного хладагента R401B
T, к | p, МПа | λ, Вт/(м•К) |
291,77 | 0,23 | 0,0116 |
291,96 | 0,23 | 0,0117 |
292,25 | 0,23 | 0,0116 |
292,83 | 0,23 | 0,0118 |
298,39 | 0,25 | 0,0127 |
298,46 | 0,25 | 0,0127 |
298,56 | 0,25 | 0,0127 |
298,66 | 0,25 | 0,0127 |
303,55 | 0,25 | 0,0133 |
303,77 | 0,25 | 0,0133 |
304,05 | 0,25 | 0,0131 |
304,17 | 0,25 | 0,0134 |
316,36 | 0,25 | 0,0144 |
316,43 | 0,25 | 0,0144 |
316,35 | 0,25 | 0,0144 |
316,35 | 0,25 | 0,0144 |
340,16 | 0,29 | 0,0169 |
340,17 | 0,29 | 0,0168 |
340,19 | 0,29 | 0,0168 |
340,16 | 0,29 | 0,0169 |
360,37 | 0,30 | 0,0189 |
360,36 | 0,30 | 0,0190 |
360,39 | 0,30 | 0,0190 |
360,43 | 0,30 | 0,0190 |
Таблица 2. Экспериментальные значения теплопроводности насыщенной жидкости R401В
T, К | p, МПа | X, Вт/(м·К) | T, К | р, МПа | λ, Вт/(м·К) |
294,96 | 0,98 | 0,0918 | 320,19 | 1,99 | 0,0805 |
295,15 | 0,98 | 0,0914 | 320,20 | 2,0 | 0,0805 |
295,29 | 0,98 | 0,0914 | 324,99 | 2,02 | 0,0785 |
295,40 | 0,98 | 0,0911 | 325,01 | 2,02 | 0,0782 |
295,91 | 1,15 | 0,0912 | 343,71 | 2,85 | 0,0708 |
296,17 | 1,30 | 0,0910 | 343,73 | 2,87 | 0,0707 |
297,45 | 1,24 | 0,0899 | 359,61 | 3,67 | 0,0654 |
297,95 | 1,25 | 0,0895 | 359,61 | 3,67 | 0,0653 |
298,05 | 1,25 | 0,0895 | 359,61 | 3,69 | 0,0647 |
299,38 | 1,37 | 0,0895 | 359,62 | 3,7 | 0,0648 |
299,53 | 1,395 | 0,0895 | 366,74 | 4,0 | 0,0637 |
299,68 | 1,40 | 0,0893 | 366,77 | 4,24 | 0,0638 |
299,75 | 1,43 | 0,0893 | 366,79 | 4,0 | 0,0638 |
311.36 | 1,45 | 0,0842 | 366,80 | 4,0 | 0,0632 |
311,36 | 1,46 | 0,0842 | 366,80 | 4,0 | 0,0629 |
311,36 | 1,47 | 0,0840 | 366,81 | 4,0 | 0,0631 |
311,38 | 1,48 | 0,0842 | 366,81 | 4,0 | 0,0629 |
Таблица 3. Экспериментальные значения теплопроводности R40IB в однофазной области
Т, К | р, МПа | λ, Вт/(м·К) |
296,79 | 1,70 | 0,0914 |
296,85 | 1,57 | 0,0914 |
297,10 | 1,75 | 0,0904 |
299,38 | 1,37 | 0,0895 |
299,53 | 1,395 | 0.0895 |
299,68 | 1,40 | 0,0893 |
299,75 | 1,43 | 0,0893 |
300,45 | 7,83 | 0,0930 |
300,46 | 4,43 | 0,0908 |
300,46 | 4,52 | 0,0906 |
300,47 | 7,75 | 0,0930 |
300,47 | 4,50 | 0,0916 |
300.50 | 7,89 | 0,0931 |
320,19 | 3,55 | 0,0817 |
320,19 | 3,60 | 0,0817 |
320,20 | 3,85 | 0,0819 |
320,21 | 3,95 | 0,0822 |
322,66 | 1,365 | 0,0156 |
322,67 | 1,40 | 0,0156 |
322,67 | 1,64 | 0,0159 |
322,67 | 1,64 | 0,0159 |
338,94 | 1,20 | 0,0165 |
338,94 | 1,20 | 0,0165 |
338,94 | 1,50 | 0,0168 |
338,95 | 1,575 | 0,0169 |
338,95 | 1,60 | 0,0170 |
339.42 | 5,95 | 0,0765 |
339,43 | 9,40 | 0,0791 |
339,44 | 6,00 | 0,0765 |
339,44 | 6,05 | 0,0762 |
339,44 | 6,12 | 0,0764 |
339,44 | 9,23 | 0,0791 |
339,45 | 6,10 | 0,0762 |
358,57 | 1,19 | 0,0177 |
358,60 | 1,19 | 0,0177 |
358,86 | 8,75 | 0,0719 |
358,87 | 8,80 | 0,0719 |
358,87 | 8,85 | 0,0716 |
Теплопроводность хладагента R401В в газообразном состоянии линейно возрастает с температурой:
λ1=a0+a1T. (1)
где теплопроводность, Вт/(м·К); λ1 — коэффициенты уравнения; Т — температура, К.
На основе измерений, выполненных в настоящей работе, получены коэффициенты уравнения (1) а0= 0,0184; а1=1,037·10-4. Погрешность аппроксимации не более ±0,8%.
Рекомендуемые значения теплопроводности в состоянии разреженного газа, рассчитанные по уравнению (1), приведены в табл. 4. Погрешность рекомендуемых данных оценивается нами как 2%. Измерения теплопроводности газообразного хладагента R401В не подтвердили данных [2], полученных расчетом. Расхождение до 15,8% наблюдается при температуре 363 К.
Таблица 4. Рекомендуемые значения теплопроводности хладагента R401B в состоянии разреженного газа
Т, К | λr, Вт/(м • К) |
273,15 | 0,0099 |
283,15 | 0,0110 |
293,15 | 0,0120 |
303,15 | 0,0130 |
313,15 | 0,0141 |
323,15 | 0,0151 |
333,15 | 0,0161 |
343,15 | 0,0172 |
353,15 | 0,0182 |
363,15 | 0,0192 |
373,15 | 0,0203 |
Полином второй степени позволил описать теплопроводность насыщенной жидкости R401В:
λн=c0+c1T+c2T2. (2)
Значения коэффициентов полинома равны: с0=0,31126; с1=-1,02837·10-3; с2=9,59159·10-7. Отклонение опытных значений теплопроводности от расчетных не более 0,7%.
При обобщении данных по теплопроводности тройных растворов на линии насыщения в работах [1, 9] использована зависимость, полученная
О.Б. Цветковым для бинарных жидких смесей хладагентов [6]:
λж.см=λад{1-βx1x2[1-(x1+x2)]}, (3)
где λад - теплопроводность раствора, рассчитанная по правилу аддитивности; β — коэффициент; х1, х2 — массовые доли компонентов.
Коэффициент β для теплопроводности тройной смеси R401В оказался близким к единице и слабо зависящим от температуры:
β=-1,0602-7,0846 10-3T, (4)
где Т — температура, К.
При расчете аддитивной теплопроводности λад использовали апробированные опубликованные данные по теплопроводности жидких хладагентов R22 [6], R152a [3, 7] и R124 [3, 8]. Максимальное расхождение опытных и рассчитанных по уравнениям (3) и (4) для R40IВ данных не превысило 3%.
Теплопроводность бинарных и тройных растворов в состоянии насыщения по рекомендациям [11] можно описать соотношением
(λж.см)n=Σxi(λжi)n, (5)
где λжi - теплопроводность i-го компонента раствора; п — показатель степени; п = -0,65.
Приведенные в табл. 5 значения теплопроводности рекомендуются нами для R401B в состоянии насыщенной жидкости для температур 233,15...373,15 К. Рекомендуемые значения согласуются с расчетом [2] только до 323 К. С ростом температуры расхождение увеличивается и достигает 9,8% при 363 К. Расчеты по правилу аддитивности и по уравнению (5) практически не различаются (в пределах ±1,5%). Однако эти данные неприемлемы, поскольку расположены ниже экспериментальных данных настоящей работы, причем расхождение достигает 19%.
Таблица 5. Рекомендуемые значения теплопроводности R401B в состоянии насыщенной жидкости
T, К | λ, Вт/(м • К) | Т, К | λ, Вт/(м • К) |
233,15 | 0,1236 | 313,15 | 0,0833 |
243,15 | 0,1179 | 323,15 | 0,0790 |
253,15 | 0,1124 | 333,15 | 0,0751 |
263,15 | 0,1071 | 343,15 | 0,0711 |
273,15 | 0,1019 | 353,15 | 0,0677 |
2X3,15 | 0,0970 | 363,15 | 0,0640 |
293,15 | 0,0922 | 373,15 | 0,0611 |
303,15 | 0,0876 | 373,15 | 0,0611 |
Для расчета теплопроводности насыщенного пара R401В λп.см использовано уравнение, основанное на правиле аддитивности [11]:
λп.см=(6)Σyiλпi, (6)
где yi, — мольная концентрация i-го компонента; λпi — теплопроводность насыщенного пара компонентов смеси.
Рассчитанные по уравнению (6) значения теплопроводности насыщенных паров сведены в табл. 6 и могут быть оценены как предварительные. Значения теплопроводности λпi компонентов R401В приняты по данным справочных изданий [2, 3, 4, 6].
Таблица 6. Теплопроводность насыщенного пара R401В
Т, К | λ, Вт/(м•К) | Т, К | λ, Вт/(м•К) | T, К | λ, Вт/(м•К) |
203,15 | 0,0052 | 263,15 | 0,0093 | 323,15 | 0,0149 |
213,15 | 0,0059 | 273,15 | 0,0100 | 333,15 | 0,0163 |
223,15 | 0,0065 | 283,15 | 0,0108 | 343,15 | 0,0179 |
233,15 | 0,0072 | 293,15 | 0,0117 | 353,15 | 0,0201 |
243,15 | 0,0079 | 303,15 | 0,0127 | 263,15 | 0,0234 |
253,15 | 0,0085 | 313,15 | 0,0137 |
|
|
Результаты измерений теплопроводности R401B в однофазной области представлены уравнением, где использованы параметры, измеряемые непосредственно в эксперименте, — давление и температура:
λp,T=d0+ d1p+d2T +d3pT, (7)
где d0, d1, d2, d3 — коэффициенты; p — давление, МПа; T - температура, К.
Параметры уравнения (7) оказались равными:
d0=0,22548; d1=-0,00145; d2=-0,00045; d3=6,59961-10-6. Расхождения не превышают 3% для всей выборки.
Рассчитанные нами по уравнению (7) значения теплопроводности R401В приведены в табл. 7. Отклонения рекомендуемых данных от исходных опытных значений в целом не превышают уровня оцененной нами погрешности эксперимента.
Таблица 7. Теплопроводность хладагента R401B в однофазной области
T, К | λ, Вт/(м·К), при p, МПа | |||||||||
1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | |
273,15 | 0,1023 | 0,1026 | 0,1029 | 0,1032 | 0,1035 | 0,1038 | 0,1041 | 0,1044 | 0,1047 | 0,1050 |
283,15 | 0,0973 | 0,0977 | 0,0981 | 0,0986 | 0,0990 | 0,0994 | 0,0998 | 0,1002 | 0,1006 | 0,10111 |
293,15 | 0,0925 | 0,0930 | 0,0935 | 0,0940 | 0,0946 | 0,0951 | 0,0956 | 0,0961 | 0,0966 | 0,0972 |
303,15 | 0,0878 | 0,0884 | 0,0890 | 0.0896 | 0,0902 | 0,0908 | 0,0914 | 0,0920 | 0,0926 | 0,0932 |
313.15 | - | 0,0837 | 0,0844 | 0,0851 | 0,0858 | 0,0865 | 0,0872 | 0,0879 | 0,0886 | 0,0893 |
323,15 | - | 0,0794 | 0,0802 | 0,0809 | 0,0817 | 0,0824 | 0,0832 | 0,0839 | 0,0847 | 0.0854 |
333,15 | - | 0,0753 | 0,0761 | 0,0768 | 0,0776 | 0,0784 | 0.0792 | 0,0800 | 0,0808 | 0,0815 |
343,15 | - | - | 0,0719 | 0,0727 | 0,0735 | 0,0743 | 0,0752 | 0,0760 | 0,0768 | 0,0776 |
353,15 | - | - | 0,0678 | 0,0687 | 0,0695 | 0,0704 | 0,0712 | 0,0720 | 0,0729 | 0,0737 |
363,15 | - | - | - | 0,0646 | 0,0655 | 0,0663 | 0,0672 | 0,0681 | 0,0689 | 0,0698 |
373,15 | - | - | - | - | 0,0614 | 0,0623 | 0,0623 | 0,0641 | 0,0650 | 0,0659 |
Уравнение в форме изотерм Тейта, связывающее избыточную теплопроводность (относительно теплопроводности жидкости на линии насыщения) и давление, оказалось возможным использовать для обобщения данных по теплопроводности R401В в состоянии жидкости под давлением:
λp,T -λн=Aln[(B+p)/(B+ps)]. (8)
где ps — давление насыщения.
Параметры А и B зависят для R401В от температуры и с достаточной точностью аппроксимируются уравнениями вида
A=-0,05116+0,0002081Т; (9)
В=-17,541+0,106044T. (10)
Качество описания исходных данных уравнениями (8)-(10) в интервале температур 273,15...373,15 К оказалось несколько хуже, чем с помощью уравнения (7).
About the authors
Yu. A. Laptev
St. Petersburg State University of Low Temperature and Food Technologies
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, St. Petersburg
O. B. Tsvetkov
St. Petersburg State University of Low Temperature and Food Technologies
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, St. Petersburg