Фазовое равновесие жидкость-пар, плотность и вязкость смеси хладона R134а и смазочного масла ISO 68

E-mail: a – lapardin2004@gmail.com

Аннотация
Фазовое равновесие жидкость-пар, плотность и вязкость смеси хладона R134а и
синтетического полиолэфирого смазочного масла ISO 68 были измерены в диапазоне температур от 253 до 373 K, при давлениях до 3,7 MПa, и массовой доли масла от 0,3 до 0,9. Предложены корреляционные уравнения, которые с достаточной точностью описывают давление кипения, плотность и вязкость в указанном диапазоне температур и состава смеси.

Хладон R134a, разработанный как заменитель озоноразрушающего хладона R12, обладает химической стабильностью в холодильной системе, нетоксичен, не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации. R134a представляет собой гидрофторуглерод CF3CFH21,1,1,2- тетрафторэтан с потенциалом разрушения озона ODP=0 и потенциалом глобального потепления GWP=1300. Использовать его рекомендуется в крупном торговом и промышленном холодильном оборудовании, среднетемпературном торговом холодильном оборудовании, водоохладительных установках, бытовых холодильниках, системах кондиционирования воздуха в зданиях и промышленных помещениях, на холодильном транспорте, а также в качестве пропеллента в аэрозольных смесях. Использование в современных компрессорах новых синтетических смазочных масел на
полиалкиленгликольной или полиолэфирной основе тесно связано с применением новых экологически безопасных хладонов в системах охлаждения с высокими энергетическими показателями. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к холодильным компрессорам и системам, они должны смешиваться и растворяться в альтернативных хладонах и обладать в смесях с ними достаточной величиной вязкости даже при значительном повышении температуры. Синтетические смазочные масла, в первую очередь полиолэфирные, отвечают этим требованиям и могут быть использованы в различных типах выпускаемых промышленностью компрессоров, а сведения о
свойствах смесей смазка-хладагент становятся весьма важными и крайне необходимыми. Таким образом проведение исследований теплофизических свойств как раздельно масла и хладона, так и смеси масло-хладон становится актуальной задачей. В настоящей работе продолжено проведение исследований теплофизических свойств смесей хладонов с синтетическими смазочными маслами [1–6], а именно измерений фазового равновесия жидкость-пар, плотности и вязкости смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68. Особое место в работе составила разработка корреляционных уравнений, передающих термическую и концентрационную зависимость давления кипения, плотности и вязкости масло-хладоновой смеси, основанных на полученных экспериментальных данных. P-T-x данные о фазовом равновесии жидкость-пар были получены с помощью ячейки постоянного объема. Она размещалась в термостате и была заправлена хладоном и маслом в таком количестве, чтобы паровое пространство верхней части ячейки было минимально. По уравнению состояния [7] рассчитывалась плотность и масса пара хладона в этом пространстве. Валовая концентрация смесинаходилась по массе заправленных компонентов. Температура измерялась образцовым платиновым
термометром сопротивления. Давление определялось при помощи цифрового преобразователя давления. Плотность смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68 измерена с помощью ячейки
постоянного объема, изготовленной из сапфира и выдерживающей высокое давление. Объем ячейки был предварительно откалиброван по дистиллированной воде. В ячейку заправлялась заданная масса масла и хладона. Плотность определялась по прямым измерениям уровня жидкости, находящейся внутри ячейки, с помощью катетометра. Концентрация жидкой фазы отличалась от начального валового состава смеси в предположении, что в паровой фазе находился только чистый хладон, масса
которого менялась с температурой, давлением и уровнем жидкости. Для расчета термодинамических свойств хладона R134a нами использовалось уравнение состояния, представленное в базе данных REFPROP [7]. Учет массы хладона в паровой фазе показал, что для экспериментальных условий влияние указанных факторов на изменение концентрации жидкой фазы пренебрежимо мало. Вязкость измерялась методом капилляра. Истечение потока жидкости через капилляр
происходило под действием небольшого перепада давления. В опытах измерялось время истечения определенного количества вещества, а также температура и давление. Погрешность измерений вязкости не превышала ±1.8%. В более ранних работах [8–10] представлено подробное описание схем установок для
измерения равновесия жидкость-пар, плотности и вязкости, а также методик проведения опытов. При измерениях фазового равновесия жидкость-пар исследуемой смеси массив Р-Т-х данных получен в диапазоне температур 253 … 373 К при давлениях от 0,047 до 3,744 MПa и массовой доли масла от 30% до 90%. Экспериментальные измерения плотности и вязкости проведены в области температур от 253 до 373 К и массовой доли масла 0,7 …0,9.

Графическая иллюстрация полученных данных показана на рис. 1 – рис. 3, где приведены
диаграммы давление кипения–состав, плотность–температура и вязкость–температура. Как видно, вязкость исследуемой смеси является сложной функцией трех переменных и зависит от температуры, давления и массового состава смеси. Отметим, что для отображения изобар на диаграмме вязкость– температура, приведенной на рис. 1, использованы результаты исследования давления кипения смеси. Приведенные ниже корреляционные уравнения получены аппроксимацией наших экспериментальных данных. Они позволяют рассчитать давление кипения, плотность и вязкость смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68 в указанных выше пределах диапазона температур и интервала массовой концентрации масла.

где P – давление кипения в MПa; t – температура в °C, x – массовая доля масла, ρ – плотность в кг/м3, p – коэффициент кинематической вязкости, 10^-6 м²/с; aij, bij, cij – коэффициенты полиномов, значения которых приведены в табл. 4.

Таблица 4 – Коэффициенты уравнений (1) – (3) для смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68

Расхождения между полученными экспериментальными данными о давления кипения,
плотности, а также вязкости смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68, и рассчитанными по уравнениям (1) – (3) величинами показаны на рис. 4 – рис. 6.

Проведены экспериментальные измерения: давления кипения смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68 в области температур 253 … 373 К и массовой концентрации масла от 30 до 90%; плотности и вязкости в том же диапазоне температур и массовой доли масла 0,7 …0,9. Аппроксимация экспериментальных данных по давлению кипения смеси, как функции температуры и ее массового состава, уравнением (1) проведена со среднеквадратичной погрешностью 3,8% и максимальном отклонении +8,8% при минимальной температуре и максимальной концентрации масла. Зависимость плотности указанной смеси от температуры и массовой доли масла описана уравнением (2) со среднеквадратичным отклонением 0,076% и максимальном отклонении -0,149%. Температурная и концентрационная зависимость коэффициента кинематической вязкости
смеси хладона R134a и смазочного масла ISO 68 описана уравнением (3) со среднеквадратичным отклонением 2,4%, а максимальная погрешность составила 6,3%. Приведенные выше корреляционные зависимости позволяют проводить расчеты давления кипения, плотности и вязкости исследуемой смеси с точностью, удовлетворяющую инженерную практику. Следует отметить, что по полученным экспериментальным данным невозможно сделать определенные заключения о существовании и возможных границах области несмесимости или ограниченной растворимости для рассматриваемой смеси, так как это связано с изменением метода и диапазона измерений, и, соответственно, проведением дополнительных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лапардин, Н.И. Давление кипения и вязкость смеси хладагента R407C со смазочным маслом ISO 46 [Текст] // Пищевая наука и технология. – Одесса, 2010. – №4 (13), – С. 66-68.
2. Геллер, В.З. Исследование растворимости и вязкости смеси компрессорного масла ISO 46 с хладоном R404A [Электронный ресурс] / В.З. Геллер, Н.И. Лапардин // Інновації в суднобудуванні та океанотехніці: матеріали IІI Міжнародної науково-технічної конф., Миколаїв, 4-6 жовтня 2012 р. / Національний ун-т кораблебудування. – Миколаїв, 2012. – С. 201-204. – Режим доступа: http://conference.nuos.edu.ua/catalog.
3. Лапардин, Н.И. Равновесие жидкость-пар и вязкость смеси смазочного масла ISO 170 с хладоном R407C [Электронный ресурс] / Н.И. Лапардин, В.З. Геллер // Вестн. Новгород. гос. ун-та. – Новгород, 2013. – №73, т. 2. – С. 24-27 – Режим доступа: http://www.novsu.ru/file/1082810.
4. Geller, V. Z. Solubility and miscibility of refrigerants R407C and R410A with synthetic compressor oils [Text] / V. Z. Geller, N. I. Lapardin // Refrigeration Engineering and Technology. – 2016. – No. 52 (3). – P. 36 — 41. 132
5. Геллер, В.З. Вязкость и давление кипения смеси смазочного масла ISO 15 и хладагента R410A [Электронный ресурс] / В.З. Геллер, 241 Н.И. Лапардин // Инновации в судостроении и океанотехнике: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф., Николаев, 12-14 окт. 2016 г. / Нац. ун-т кораблестроения им. адм. Макарова. – Николаев, 2016. – [5 с.]: табл. – Библиогр.: 8 назв. – Режим доступа: http://docs.google.com/viewerng/viewer?url=http://conference.nuos.edu.ua/catalog /files/lectures/38010.pdf .
6. Лапардин, Н.И. Равновесие жидкость-пар и вязкость смеси смазочного масла ISO 46 и хладона R410А // Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ: сб. докл. IV Междунар. научн. конф., СПб. / ИХиБТ НИУ ИТМО. – СПб., 2017. – С. 219-226.
7. Lemmon, E. W. NIST Standard Reference Database 23, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties—REFPROP, version 8.0. [Тext] / E. W. Lemmon, M. L. Huber, M. O. McLinden // Standard Reference Data Program, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. – 2007.
8. Bivens, D. B. Thermodynamic properties of R32/R125 mixture / D. B. Bivens, A. Yokozeki, V. Z Geller // In Proceedings of the 4th Asian Thermophysical Conference, Japan, 1993 – P. 3295-3304.
9. Transport properties and heat transfer of alternatives for R502 and R22 [Тext] / D. B. Bivens, A. Yokozeki, V. Z. Geller, M. E. Paulaitis // In Proceedings of the ASHRAE/NIST Refrigerants Conference , Gaithersburg, MD, 1994 – P. 73-84.
10. Viscosity of HFC32 and HFC32 /lubricant mixtures / V. Z. Geller, M. E. Paulaitis, B. Bivens, A. Yokozeki // In Proceedings of the 12th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, CO, June 1994, Р. 477-486.