新型环保混合工质比热特性研究

The mixed medium refrigeration is one of the best way to solve the environmental problems and improve the coefficient of performance of the refrigeranting system. Specific heat is basic thermodynamic data in the engineering design of thermodymanics and process of heat balance. However, the related specific heat data of mixed refrigerants are still very limited. The project will be carried out from the experimental and theoretical studies: the adiabatic calorimeter of constant volume will be designed and developed, and the specific heat data for new green mixed refrigerants will be obtained; empirical correlation of specific heat will be built based on the data of the pure and mixture; Helmholtz energy equation of state will be established to predict the data of p-ρ-T and specific heat. This work not only has important academic value for the thermalphysical properties of mixed refrigerants, but also has important practical value for the alternative research of working medium in the refrigeration, cryogenics，heat pump, and organic Rankine cycle systems.

混合工质技术是目前解决制冷工质带来的环境问题以及提高系统性能的最有效的手段之一。但是作为混合工质系统中热力循环设计和过程热平衡计算的最基础物性之一，混合工质的比热数据还极为缺乏。对此，本项目拟从实验和理论两方面开展混合工质比热物性的研究：设计搭建绝热定容比热实验装置，测量新型环保混合工质的比热数据；利用所得数据发展混合工质比热经验关联式；结合p-ρ-T数据建立Helmholtz型状态方程，实现对混合工质比热和p-ρ-T等物性的精确计算。本项目不仅对混合制冷剂的比热物性研究具有重要的学术价值，而且对其在制冷、低温、热泵以及有机朗肯循环等系统中的工质替代研究具有重要的实用价值。

以HFOs/HCFOs和天然工质为主的新型制冷剂是当今的研究热点，制冷剂的比热特性在循环优化、换热设计、高精度状态方程建立以及微观理论验证上都起到了非常重要的作用。但现有的新型制冷的比热数据非常匮乏，尤其是混合物的比热数据。为了改善这一现状，本项目：. 1）研制了一套用于定容比热测量的绝热量热计，其中温度、压力和比热的测量标准不确定度分别为10 mK、5000 Pa和1.0 %。 该装置的实验区间为150K-350K，压力可达15MPa。针对宽温区绝热的难题，自主设计了双层主动式控温防辐射屏系统，通过LABVIEW程序结合 PID控制器，时时保证了防辐射屏温度与本体温度的一致性，减小了本体与环境之间的辐射漏热。. 2）获得了一系列新型制冷工质（纯质R290，R1234yf，R1234ze(E)，R1234zf以及二元混合R1234yf+R290和R1243zf+R290）的高精度定容比热数据。所得数据与已公布的实验数据和国际权威物性软件REFPROP的计算数据都呈现了非常好的一致性。. 3）基于PR状态方程和热力学关系推导获得了比热的计算关系式，并利用非线性最小二乘优化方法对方程中的6个常数系数进行了优化，获得了一组适用于液态制冷剂的常数系数。优化后的比热方程与现有16种制冷剂的实验数据呈现了非常好的适用性。通过深入分析定容热容随温度和压力的变化关系，发现了压力对于压缩液态定容热容的影响可忽略不计基于对应态原理，打破原有方程形式，构建了一个简单、高精度且使用范围广的压缩液体定容比热预测模型，呈现了残余定容热容随温度的变化规律。该模型对天然物、氟化物以及含氢键的物质都具有较好的适用性。. 4）基于已有R1234yf + R290混合物的相平衡、密度和比热容实验数据，建立了该体系的高精度和多物性计算的Helmholtz型状态方程。并对现有的11种混合规则进行了筛选和再优化。. 共发表学术论文11篇，其中SCI源刊论文9篇，授权和申请国家发明专利14件。