Введение к работе
Актуальность темы
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.
Рабочие вещества фторуглеродного класса инертны, не горючи, широко используются в качестве низко- и среднетемпературных 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.
Весьма эффективным может быть применение фторуглеродных соединений в качестве рабочих тел атомных энергоустановок на быстрых нейтронах при использовании в первом контуре жидкометаллического теплоносителя.
В отличие от газовых рабочих тел фторуглероды возможно конденсировать при нормальных температурах. 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.
Свойства некоторых фторуглеродов хорошо изучены и представлены для низкотемпературного диапазона, а при повышенных температурах в известной литературе такие данные отсутствуют. Проведение теплофизических исследований веществ этого ряда является весьма актуальным, обоснованным и необходимым при разработке новых энергоустановок с рабочим телом отличным от воды.
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 данные, необходимые для расчетов циклов, уже существуют. Например, для тетрафторэтана (CF4), циклофторбутана (C4F8) были выполнены оценочные расчеты термодинамических циклов. При температуре на входе в турбину 530 С в сверхкритическом цикле с регенерацией теплоты от температуры выхода из питающего насоса с использованием циклофторбутана (C4F8) термический КПД составил 46%. Высокая термодинамическая эффективность применения в качестве рабочих тел фторуглеродного состава (октафторпро-пана C3F8, циклофторбутана C4F8, декафторбутана C4F|0) для энергетических установок с бинарными циклами впервые была отмечена в работах Гохштейна Д.П. и соавторов ещё в 60-ые годы прошлого века. Однако расчеты циклов с приемлемой точностью могут быть выполнены только по результатам настоящей работы.
Цель работы
Модернизация экспериментальной установки для измерения плотности фторуглеродов в широком диапазоне параметров состояния, охватывающем все расчетные точки проектируемых циклов энергетических установок. Экспериментальное исследование плотности октафторпропана (C3F8) и декафторбутана (C4Fio), как наиболее перспективных рабочих тел в широком диапазоне температур и давлений. Получение термического уравнения состояния каждого из исследуемых веществ на основе полученных экспериментальных данных и экспериментальных данных других авторов из ранее опубликованных источников. Расчет термодинамических свойств исследуемых веществ по полученным уравнениям состояния.
Основные результаты работы:
Проведена модернизация экспериментальной установки для измерения плотности чистых газообразных и жидких веществ в интервале температур 300...800 К и давлений 1 ...10 МПа.
Разработана методика исследований с электронным протоколированием результатов измерений в процессе опытов.
Получены новые экспериментальные данные по плотности C3F8 и C4Fio, в диапазоне давлений 1...10 МПа и температур 393,15 К. ..773,15 К объемом в 158 экспериментальных точек.
Построены уравнения состояния октафторпропана (C3F8) и декафторбутана (C4F|0) на основе собственных экспериментальных данных и данных других авторов, доступных на момент проведения
работштаны таблицы термодинамических свойств октафторпропана (C3F8) и декафторбутана (C4F10), охватывающие интервал давлений 0,1...10 МПа и температур 293,15...823,15 К в газовой области.
Проведен анализ полученных результатов и сравнение их с имеющимися данными других авторов, в том числе и по теплоемкости C3F8.
Научная новизна
Расширен диапазон экспериментальных данных по термическим свойствам C3F8 и C4F10 при повышенных температурах в газовой фазе, так и при средних температурах в области жидкости.
Данные о термодинамических свойствах декафторбутана (C4Fi0) в газовой фазе и в области сверхкритических состояний получены впервые.
Разработаны экспериментально обоснованные многоконстантные уравнения состояния вириального типа для расчета термодинамических свойств (C3F8) и (C4F10) в диапазоне, необходимом для проектирования энергетических циклов на рабочих телах фторуглеродного состава.
Практическая ценность работы.
Диссертационная работа выполнена в соответствие с хозяйственным договором № 280-07/2216070-МЭИ от 02.06.07 между ГОУВПО МЭИ (ТУ) и НИКИЭТ им Н.А. Доллежаля «Расчетно-экспериментальное исследование теплофизических и теплотехнических свойств фторуглеродов с целью оценки их использования качестве рабочего тела 2-го контура реакторной установки на быстрых нейтронах».
Работа поддержана грантом РФФИ № 09-08-00741-а «Исследование термодинамических свойств рабочих тел фторуглеродного состава для теплосиловых циклов».
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований плотности октафторпропа-на (C3F8; Тс = 345,02 К, рс = 2,670 МПа) и декафторбутана (C4F10; Тс = 386,35 К, рс = 2,324 МПа).
Таблицы термодинамических свойствах октафторпропана (C3F8) и декафторбутана (C4F10) в широкой области параметров состояния.
Публикации
Основные положения диссертационной работы представлены в публикациях [1 - 4].
Структура и объем работы
