HFC二元混合物表面张力关联式

    制冷剂的表面张力是重要的热物性参数,特别是对于制冷空调设备中有沸腾和凝结换热的情况。由于表面张力不能从其它热力学物性导出,一般采用实验测量的方法得到。目前国际上已商业化使用或已提出的环保替代工质多数为混合物,尤其是21世纪初要面临的R22和R502的替代问题,研究发现其可行的替代物几乎均为混合物。由于其自身特点,不可能对所有组成和配比的混合物均进行完备的实验研究。实验得到的一般只是少数几种配比下一些离散点的数据,因此研究混合工质的表面张力关联式是十分必要的。与纯工质不同的是,混合工质的表面张力关联式不仅需要能正确地反映表面张力随温度的变化关系,还要能同时关联各种不同配比时的实验数据,并能精确计算无实验数据的配比的表面张力。

    本文对混合工质表面张力的关联方法进行了探讨,并得到了7种氢氟烃(HFC)二元混合物的表面张力关联式。

    1　混合物表面张力的关联方法

    混合物的表面张力关联和估算主要有两种思路:一是分别计算得到相关纯组元的表面张力,然后建立合适的混合规则得到混合物的表面张力;二是将每一种固定组成和配比的混合工质当成一种新的纯物质来计算,本文采用的是后一种思路。

    纯物质的表面张力与温度的关系经常被关联成如下的van der Waals型关联式:

    式中:σ为表面张力,T为温度,Tc为临界温度,σ0和n为用实验数据拟合的常数和指数。对于所有流体,指数n几乎均在1.2和1.3之间。

    也有学者建议采用由重正化群理论导出的关联式[1]:

    式中,t=1-T/Tc,指数1.26是由重正化群理论导出的临界区的精确值,σ01和σ02为拟合因数。

    结合式(1)和式(2),本文提出的二元混合物表面张力关联式为

　　对于混合物,临界温度Tc的确定是非常重要的,无实验数据时,一般使用混合规则计算出一个虚拟临界温度用于关联计算,最常用的临界温度混合规则为使用混合物摩尔分数加权平均。但表面张力是气液交界面处的热物理性质,与混合物的表面组成的关系更密切,而一般表面组成与内部组成是不同的[2],因此本文建议采用分子表面浓度建立临界温度的混合规则:

    式中:θ为分子表面浓度,xi为混合物中组元i的摩尔分数,Vci为组元i的临界摩尔体积。

    式(3)中的系数项R0,最简单的确定方法是使用相应纯工质参数按摩尔分数加权平均,但研究表明大多数混合物均对此有负偏差,因此作者又引入了一项修正项,最终形式为

    式中:x是摩尔分数,R1,R2为相应的纯工质参数,C为修正系数。需要指出的是,混合规则不仅可以根据摩尔分数,也可以依据质量分数或分子表面浓度建立。