Thermophysical properties of refrigerants: experiment and simulations

Abstract

This PhD thesis focuses on thermodynamics of pure refrigerants and refrigerants mixtures including mixtures of unlike fluids. The vapour-liquid equilibrium of these mixtures is studied along with speed of sound in both phases. The thesis consists of two parts: the first part is dedicated to design of a high accuracy speed of sound measurement apparatus which is used to obtain unique thermodynamic data. The second part deals with prediction models in form of equations of state. The research is driven by ongoing development of new refrigerant blends for commercial applications and by future needs of the cooling and monitoring systems for particle detectors at CERN. The prediction of thermodynamic properties of fluid mixtures, especially mixtures of unlike fluids (natural refrigerants + fluorocarbons) is a challenging task. Currently only complex contribution methods can provide reasonable accuracy for new blends where no experimental data exists. This work presents newly developed correlations for prediction of binary interaction coefficient for SAFT-BACK model which has never been used for such mixtures. Three SAFT models are scrutinized in terms of prediction of vapour liquid equilibrium and speed of sound using extensive data sets for natural refrigerants, fluorocarbons and their mixtures. The combination of the SAFT-BACK model with developed correlations creates prediction model for new refrigerant blends that uses only few fitting parameters.

Předkládaná doktorská práce je studií termodynamických vlastností čistých chladiv a směsí chladiv včetně směsí nestejnorodých látek. Podrobně je studována rovnováha kapalina-pára a rychlost zvuku v obou fázích těchto směsí. První část práce se zabývá návrhem zařízení pro velmi přesné měření rychlosti zvuku, které je použito pro získání unikátních termodynamických dat. Druhá část je věnována výpočtům rychlosti zvuku a rovnováhy kapalina-pára čistých látek i směsí pomocí stavových rovnic. Hlavní motivací pro tento výzkum je současný vývoj nových směsí chladiv v komerčním sektoru a potřeby chladicích a monitorovacích systémů částicových detektorů v CERN v Ženevě. Výpočty vlastností směsí různorodých látek (přírodní chladiva + fluorovaná chladiva) jsou náročný úkol. Složité kontribuční modely jsou v současné době jedinou volbou pro přesné výpočty směsí, ke kterým neexistují experimentální data. V rámci předkládané práce jsou vyvinuty nové korelace pro odhad binárních interakčních koeficientů pro model SAFT-BACK, který pro podobné směsi ještě nikdy nebyl použit. Tři SAFT modely jsou důkladně testovány na experimentálních datech rovnováhy kapalina-pára a rychlosti zvuku v obou fázích přírodních chladiv, fluorovaných chladiv a jejich směsí. Výsledkem spojení modelu SAFT-BACK s nově vyvinutými korelacemi je predikční model pro výpočty nových směsí chladiv, který vyžaduje jen malý počet parametrů.