Модификация уравнения состояния Редлиха-Квонга-Ангье для определения степени сухости в двухфазной области СО2

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.04.017
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 4, 2021 (декабрь)
Страницы 17–27

 

Автор

А. С. Воробьёва, Национальный аэрокосмический университет «Харьковский  авиационный институт» им. Н. Е. Жуковского (61070, Украина, г. Харьков, ул. Чкалова, 17), e-mail: vorobyovaanna1610@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4181-8269

 

Аннотация

Степень сухости является важнейшим параметром, определяющим состояние реального газа и термодинамические свойства рабочего тела в двухфазной области. В данной статье приведено модифицированное уравнение состояния Редлиха-Квонга-Ангье для определения степени сухости в двухфазной области реального газа. В качестве исследуемого рабочего тела выбран СО2. Результаты провалидированы с помощью уравнения Спана-Вангера, представленного в программе mini-REFPROP и наиболее приближенного к экспериментальным данным в двухфазной области СО2. Для предложенного метода исходными данными являются температура и плотность, критические свойства рабочего тела, его коэффициент ацентричности, а также молярная масса. В процессе его решения находятся давление, которое для двухфазной области становится давлением насыщенных паров, объемы газовой и жидкой фаз двухфазной области, плотности газовой и жидкой фаз, а также степень сухости. Давление насыщенных паров найдено методом Ли-Кеслера и Питцера, результаты имеют хорошее совпадение с экспериментальными данными. Объем газовой фазы двухфазной области определен по модифицированному уравнению состояния Редлиха-Квонга-Ангье. В статье предложено корреляционное уравнение для масштабной поправки, использующейся в уравнении состояния Редлиха-Квонгда-Ангье для газовой фазы двухфазной области.  Объем жидкой фазы найден методом Ямады-Ганна. Объемы обеих фаз были провалидированы с базовыми данными и имеют хорошее совпадение. Полученные результаты для степени сухости также показали хорошее совпадение с базовыми значениями, что обеспечивает применимость предложенной методики во всей двухфазной области, ограниченной температурным диапазоном от 220 до 300 К. Результаты также открывают возможность для развития методики в области тройной точки (216,59–220 К) и в околокритической области (300–304,13 К), а также для определения с большей точностью основных термодинамических параметров СО2 в двухфазной области, таких, как энтальпия, энтропия, вязкость, коэффициент сжимаемости, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности для газовой и жидкой фаз. Благодаря простоте формы уравнения состояния и небольшого количества эмпирических коэффициентов полученную методику можно использовать для практических задач вычислительной гидродинамики без большой затраты времени на вычисление.

 

Ключевые слова: двухфазная область СО2, давление насыщенных паров, модифицированное Ангье уравнение состояния Редлиха-Квонга, метод Ли-Кеслера и Питцера, метод Ямады-Ганна, степень сухости.

 

Полный текст: загрузить PDF

 

Литература

  1. Redlich O., Kwong J. N. S. On the thermodynamics of solutions. V. An equation of state. Fugacities of gaseous solutions. Chem. reviews. 1949. Vol. 44. Iss. 1. P. 233–244. https://doi.org/10.1021/cr60137a013.
  2. Soave G. Equilibrium constants from a modified Redlich-Kwong equation of state. Chem. eng. sci. 1972. Vol. 27. Iss. 6. P. 1197–1203. https://doi.org/10.1016/0009-2509(72)80096-4.
  3. Peng D. Y., Robinson D. B. A new two-constant equation of state. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals. 1976. Vol. 15. Iss. 1. P. 59–64. https://doi.org/10.1021/i160057a011.
  4. Haghtalab A., Mahmoodi P., Mazloumi S. H. A modified Peng–Robinson equation of state for phase equilibrium calculation of liquefied, synthetic natural gas, and gas condensate mixtures. The Canadian J. Chem. Eng. 2011. Vol. 89. Iss. 6. P. 1376–1387. https://doi.org/10.1002/cjce.20519.
  5. Thamanavat K., Sun T., Teja A. S. High-pressure phase equilibria in the carbon dioxide+ pyrrole system. Fluid Phase Equilibria. 2009. Vol. 275. Iss. 1. P. 60–63. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2008.09.019.
  6. Chapoy A., Ahmadi P., de Oliveira Cavalcanti Filho V., Jadhawar P. Vapour-liquid equilibrium data for the carbon dioxide (CO2)+ carbon monoxide (CO) system. The J. Chem. Thermodynamics. 2020. Vol. 150. Paper 106180. https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106180.
  7. Renon H., Prausnitz J. M. Local compositions in thermodynamic excess functions for liquid mixtures. AIChE J. 1968. Vol. 14. Iss. 1. P. 135–144. https://doi.org/10.1002/aic.690140124.
  8. Abudour A. M., Mohammad S. A., Robinson Jr R. L., Gasem A. M. Volume-translated Peng-Robinson equation of state for liquid densities of diverse binary mixtures. Fluid Phase Equilibria. 2013. Vol. 349. P. 37–41. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2013.04.002.
  9. Aungier R. H. A fast, accurate real gas equation of state for fluid dynamic analysis applications. J. Fluids Eng. 1995. Vol. 117. Iss. 2. P. 277–281. https://doi.org/10.1115/1.2817141.
  10. Wilson G. M. Calculation of enthalpy data from a modified Redlich-Kwong equation of state. Advances in Cryogenic Eng. 1966. Vol. 11. P. 392–400. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-0522-5_43.
  11. King C. J., Foss A. S., Grens E. A., Lynn S., Rudd, D. F. Chemical Process Design and Engineering. Chem.  Eng. Education. 1973. Vol. 7. Iss. 2. P. 72–74.
  12. ANSYS FLUENT 12.0 User’s Guide https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/main_pre.htm.
  13. Безверхий П. П., Мартынец В. Г., Матизен Э. В. Уравнение состояния 4He, включающее регулярную и скейлинговскую части. Физика низких температур. 2009. Т. 35. № 10. С. 947–955.
  14. Рыков С. В., БагаутдиноваА. Ш. Численный анализ кроссоверного уравнения состояния. Науч. журн. НИУ ИТМО. Сер. Холодильная техника и кондиционирование. 2009. Т. 1. С. 1–24.
  15. Lee B. I., Kesler M. G. A generalized thermodynamic correlation based on three-parameter corresponding states. AIChE J. 1975. Vol. 21. Iss. 3. P. 510–527. https://doi.org/10.1002/aic.690210313.
  16. Span R., WagnerW. A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple-point temperature to 1100 K at pressures up to 800 MPa. J. Phys. and Chem. Reference. 1996. Vol. 25. Iss. 6. P. 1509–1596. https://doi.org/10.1063/1.555991.
  17. Zhu Y., Jiang Y., Liang S., Guo C., Guo Y., Cai H. One-dimensional computation method of supercritical CO2 labyrinth seal. Appl. Sci. 2020. Vol. 10. Iss. 17. Paper 5771. https://doi.org/10.3390/app10175771.
  18. Gilgen R., Kleinrahm R., Wagner W. Supplementary measurements of the (pressure, density, temperature) relation of carbon dioxide in the homogeneous region at temperatures from 220 K to 360 K and pressures up to 13 MPa. The J. Chem. Thermodynamics. 1992. Vol. 24. Iss. 12. P. 1243–1250. https://doi.org/10.1016/S0021-9614(05)80264-2.
  19. Anwar S., Carroll J. J. Carbon Dioxide Thermodynamic Properties Handbook: Covering Temperatures from-20° to 250° C and Pressures Up to 1000 Bar. John Wiley Sons. 2016. 608 p. https://doi.org/10.1002/9781119083948.
  20. Yamada T., Gunn R. D. Saturated liquid molar volumes. Rackett equation. J. Chem. and Eng. 1973. Vol. 18. Iss. 2. P. 234–236. https://doi.org/10.1021/je60057a006.

 

Поступила в редакцию 07.09.2021