氨+烃/氢氟烃混合制冷剂的相平衡及溶油特性研究

Ammonia (NH3) is environment friendly natural refrigerant with high efficiency, while it behaves flammable and poor solubility in lubricants. The mixed refrigerants of NH3 and HCs, HFCs are expected to overcome its shortcomings, but it needs more basis data of the phase equilibrium and solubility in lubricants. For the mixed refrigerants of NH3 and HCs, HFCs, this work will study their phase equilibrium and the solubility in lubricants. The prediction model will be found, and their special phase equilibrium behavior will be predicted to guide the experiments. The existing phase equilibrium experiment apparatus will be improved, and the experiment platform for the research of solubility in lubricants will be established. From the experiments, high precision data of phase equilibrium and solubility in lubricants will be obtained, database can be found. Comparing the experimental data with the predicted data, the prediction model can be improved. From the theoretical and experimental research, the formation mechanism of the special phase equilibrium behavior and their solubility change rule in lubricants will be explored, and the further research of the system performance can proceed. This work not only has important academic value for the phase equilibrium and solubility in lubricants for NH3 and HCs, HFCs mixed refrigerants, but also has important practical value for the alternative research of working medium in the refrigeration, heat pump, and organic Rankine cycle (ORC) systems.

氨(NH3)是一种对环境友好的的天然制冷剂，能效较高，但与润滑油互溶性较差且可燃。NH3与HCs、HFCs组成的混合制冷剂有望克服其缺点，但此类混合制冷剂的相平衡及溶油特性基础数据匮乏。针对NH3与HCs、HFCs混合制冷剂，本项目将开展相平衡及溶油特性研究，从理论上预测其特殊相平衡行为，使实验更具有针对性；改进现有的相平衡实验装置，并建立制冷剂溶油特性实验平台，通过实验获取可信的高精度相平衡和溶油特性数据，建立相应数据库；对比实验和预测数据，查找并修正理论预测模型的不足；通过理论和实验研究，探索其特殊相平衡行为的形成机理及其与润滑油的互溶性变化规律，为进一步的系统循环性能研究提供最基础的数据支持。本项目不仅对NH3与HCs、HFCs混合制冷剂的基础相平衡和溶油特性研究具有重要的学术价值，而且对其在制冷、热泵以及有机朗肯循环（ORC）等系统中的工质替代研究具有重要的实用价值。

针对NH3与HCs、HFCs混合制冷剂，本项目：.(1) 搭建了一套适用于氨及其混合工质的高精度、宽温区、可视化、耐腐蚀相平衡实验装置，控温精度达到1 mK，系统的温度、压力、组分测量不确定度分别达到4 mK、0.0006 MPa和0.002，实验区间-100℃~15℃，0~6MPa；搭建了一套适用于氨及其混合工质的高精度、宽温区、可视化溶油特性实验装置，采用空气作为恒温浴，可在温度范围为-120 - 150 ℃、压力范围0 - 6 MPa实现温度、压力、组分不确定度分别达到12 mK、0.0006 MPa和0.001；.(2) 获得了高精度NH3和R600、1-butene、R152a、R134a以及R1234yf的二元体系的相平衡实验数据，发现氨和R600、1-butene、R1234yf的二元混合物在高温下显示均相共沸，在低温下显示非均相共沸；实验发现添加异戊烷可解决氨的溶油性问题；.(3) 研究了不同热力学模型对含氨体系相平衡的复现情况，通过PR方程结合不同的混合规则，发现MHV1在含氨体系中表现最好，其余混合规则易出现交叉现象或拟合偏差较大；通过重新回归氨的基团参数，具有预测功能的UNIFAC方法可以达到拟合模型的最高精度；PCSAFT方程能够成功复现含氨+烷烃/烯烃体系的VLE，且使用同一相互作用参数可以同时描述VLLE；发现PR方程和PCSAFT方程二元相互作用参数以及纯质特征参数的内在联系，由此建立简单的预测模型，并对R290 + R1234ze(Z)体系进行VLE实验，验证了简单预测模型的可靠性；.(4) 开展三元共沸预测研究，利用压力极值特征，建立三元共沸预测模型，在171组三元体系中发现6组鞍型共沸，2组正共沸，并开展了R600 + R152a + R134三元体系的相平衡实验，验证了模型的准确性；首次发现了3种含氨三元共沸物，且其中两种为氨+烷烃+氢氟烃的组合形式，可结合氨的高效、烷烃的优良溶油特性以及氢氟烃的不易燃，形成更高容积制冷能力的共沸制冷剂。.共发表学术论文26篇，其中SCI源刊论文20篇，1篇论文被国际化工领域三大顶级期刊之一的Industrial & Engineering Chemistry Research选为封面图片并作为亮点介绍；授权和申请国家发明专利15件。