Термодинамические свойства 3,3,3-трифторпропена (R1243zf): уравнение состояния и стандартные справочные данные

Обсуждены перспективы использования 3,3,3-трифторпропена (R1243zf) – нового холодильного агента с нулевым озоноразрушающим потенциалом и очень низким (0,29) потенциалом глобального потепления. В последние годы получена надёжная экспериментальная информация о термодинамических свойствах (плотности, давлении, изохорной теплоёмкости и скорости звука) R1243zf как в однофазной области, так и на линии насыщения «жидкость – пар». С применением указанных термодинамических величин в широкой области параметров состояния различными специалистами разработан ряд уравнений состояния хладагента R1243zf. В настоящем исследовании предложено единое фундаментальное уравнение состояния R1243zf, созданное в рамках масштабной теории критических явлений и соотношения подобия. Использование этого уравнения позволяет получить надёжные данные о равновесных свойствах жидкости и газа не только в регулярной части термодинамической поверхности, но и в асимптотической окрестности критической точки. Единое фундаментальное уравнение состояния применено для расчёта стандартных справочных данных, включающих информацию о плотности, давлении, энтальпии, энтропии, скорости звука, изобарной и изохорной теплоёмкости 3,3,3-трифторпропен в области параметров состояния 169–420 К и до 40 МПа. Для оценки неопределённости стандартных справочных данных использованы две методики, основанные на расчёте различных статистических характеристик. Получены расширенные неопределённости следующих равновесных свойств R1243zf: плотности (0,25 %); давления (0,35 %); удельной теплоёмкости (1,2 %); скорости звука (0,37 %); плотности насыщенных пара и жидкости (0,55 и 0,40 % соответственно). Рассчитанные оценки статистических характеристик свидетельствуют о том, что единое фундаментальное уравнение состояния хладагента R1243zf адекватно передаёт его равновесные свойства в указанном выше диапазоне параметров состояния. Результаты исследования полезны при проектировании систем кондиционирования воздуха и холодильной техники.

1. Eyerer S., Dawo F., Wieland C., Spliethoff H. Advanced ORC architecture for geothermal combined heat and power generation. Energy, 205, 117967 (2020). https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117967 ; https://elibrary.ru/emnfje

2. Schiffl echner C., Dawo F., Eyerer S., Wieland C., Spliethoff H. Thermodynamic comparison of direct supercritical CO2 and indirect brine-ORC concepts for geothermal combined heat and power generation. Renewable Energy, 161, 1292–1302 (2020). https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.07.044 ; https://elibrary.ru/jwhldz

3. Talluri L., Dumont O., Manfrida G., Lemort V., Fiaschi D. Geometry definition and performance assessment of Tesla turbines for ORC. Energy, 211, 118570 (2020). https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118570 ; https://elibrary.ru/nqpmtk

4. Liu C., Liu G., Qin Y., Zhuang Y. Analysis of a combined proton exchange membrane fuel cell and organic Rankine cycle system for waste heat recovery. International Journal of Green Energy, 18, 271–281 (2021). https://doi.org/10.1080/15435075.2020.1854268 ; https://elibrary.ru/isybpb

5. Tsvetkov O. B., Laptev Y. A., Mitropov V. V., Prostorova A. O., Sharkov A. V. Halocarbons in low-temperature generating systems. AIP Conference Proceedings, 2285, 030004 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0030130 ; https://elibrary.ru/qxdyhq

6. Zhang N., Dai Y. Thermophysical properties and applications in refrigeration system of the Low-GWP Refrigerant R1243zf and its blends. International Journal of Thermophysics, 42, 152 (2021). https://doi.org/10.1007/s10765-021-02902-0 ; https://elibrary.ru/fclqps

7. Akasaka R ., Lemmon E. W. Fundamental equations of state for cis-1,3,3,3-Tetrafluoropropene [R-1234ze(Z)] and 3,3,3-Trifluoropropene (R-1243zf). Journal of Chemical & Engineering Data, 64, 4679–4691 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00007

8. Di NicolaG., Brown J. S., Fedele L., Securo M., Bobbo S., Zilio C. Subcooled liquid density measurements and PvT measurements in the vapor phase for 3,3,3-trifluoroprop-1-ene (R1243zf). International Journal of Refrigeration, 36, 2209– 2215 (2013). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.08.004

9. Higashi Y ., Sakoda N. Measurements of PvT properties, saturated densities, and critical parameters for 3,3,3-Trifl uoropropene (HFO1243zf). Journal of Chemical & Engineering Data, 63, 3818–3822 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jced.8b00452

10. Raabe G.,Maginn E. J. A Force field for 3,3,3-Fluoro-1-propenes, including HFO-1234yf. Journal of Physical Chemistry B, 114, 10133–10142 (2010). https://doi.org/10.1021/jp102534z ; https://elibrary.ru/obpzoz

11. Yin J., K e J., Zhao G., Ma S. Saturated vapor pressure and gaseous pvT property measurements for 3,3,3-trifluoroprop1-ene (R1243zf). International Journal of Refrigeration, 117, 175–180 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.04.021 ; https://elibrary.ru/qzbbvj

12. Ding L., Sheng B., Hou Y., Dong X., Zhao Y., Xu H., Shen J., Gong M. Measurements of isochoric specific heat capacity for 3,3,3-trifluoroprop-1-ene (R1243zf) at temperatures from (250 to 300) K and pressures up to 10 MPa. Journal of Chemical Thermodynamics, 161, 106494 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jct.2021.106494 ; https://elibrary.ru/eexzye

13. Sheng B.,Li Zh., Liu W., Chen X., Zhao Y., Dong X., Yan H., Shen J., Gong M. The isochoric special heat capacity for 3,3,3-trifluoroprop-1-ene (R1243zf) at temperatures from (299 to 351) K and pressures up to 11 MPa. Journal of Chemical Thermodynamics, 153, 106319 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106319 ; https://elibrary.ru/slxpgl

14. Chen H., Zhang K., Yang Zh., Duan Y. Experimental speed of sound for 3,3,3-Trifluoropropene (R-1243zf) in gaseous phase measured with cylindrical resonator. Journal of Chemical & Engineering Data, 66, 2256–2263 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.jced.1c00098 ; https://elibrary.ru/qttvkr

15. Brown J. S., Di Nicola G., Fedele L., Bobbo S., Zilio C. Saturated pressure measurements of 3,3,3-trifluoroprop-1-ene (R1243zf) for reduced temperatures ranging from 0.62 to 0.98. Fluid Phase Equilibria, 351, 48–52 (2013). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2012.09.036 ; https://elibrary.ru/rrjcdl

16. Ding L., Yao X., Hou Y., Zhao Y., Dong X., Gong M. Isothermal (vapour-liquid) equilibrium for the binary {3,3,3-trifluoropropene (R1243zf) + propane (R290)} system at temperatures from 243.150 K to 288.150 K. Journal of Chemical Thermodynamics, 144, 106091 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106091 ; https://elibrary.ru/luhlka

17. Higashi Y ., Sakoda N., Islam Md. A., Takata Y., Koyama Sh., Akasaka R. Measurements of saturation pressures for Trifluoroethene (R1123) and 3,3,3-Trifluoropropene (R1243zf). Journal of Chemical & Engineering Data, 63, 417–421 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b00818

18. Li Sh., P eng Sh., Yang Zh., Duan Y. Vapor-liquid equilibrium measurements for binary mixtures of carbon dioxide (CO2) + 2,3,3,3-Tetrafl uoroprop-1-ene (R-1234yf) and carbon dioxide (CO2) + 3,3,3-Trifluoropropene (R-1243zf) Fluid Phase Equilibria, 561, 113542 (2022). https://doi.org/10.1016/j.fl uid.2022.113542 ; https://elibrary.ru/zrmvpl

19. Peng Sh.,Li Sh., Yang Zh., Duan Y. Vapor-liquid equilibrium measurements for the binary mixtures of pentafluoroethane (R125) with 2,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-ene (R1234yf) and 3,3,3-Trifluoropropene (R1243zf). International Journal of Refrigeration, 134, 115–125 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.11.023 ; https://elibrary.ru/trmvim

20. Yang Zh.,Tang X., Wu J., Lu J. Experimental measurements of saturated vapor pressure and isothermal vapor-liquid equilibria for 1,1,1,2-Tetrafluoroethane (HFC-134a) + 3,3,3-trifl uoropropene (HFO-1243zf) binary system. Fluid Phase Equilibria, 498, 86–93 (2019). https://doi.org/10.1016/j.fluid.2019.06.020

21. Yang Zh.,Valtz A., Coquelet Ch., Wu J., Lu J. Experimental measurement and modelling of vapor-liquid equilibrium for 3,3,3-Trifluoropropene (R1243zf) and trans-1,3,3,3-Tetrafluoropropene (R1234ze(E)) binary system. International Journal of Refrigeration, 120, 137–149 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.08.016 ; https://elibrary.ru/dtcsuy

22. Yao X., D ing L., Dong X., Zhao Y., Wang X., Shen J., Gong M. Experimental measurement of vapor-liquid equilibrium for 3,3,3-trifl uoropropene (R1243zf) + 1,1,1,2-tetrafl uoroethane (R134a) at temperatures from 243.150 to 293.150 K. International Journal of Refrigeration, 120, 97–103 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.09.008 ; https://elibrary.ru/qfigob

23. Kondou Ch ., Nagata R., Nii N., Koyama Sh., Higashi Y. Surface tension of low GWP refrigerants R1243zf, R1234ze(Z), and R1233zd(E). International Journal of Refrigeration, 53, 80–89 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.01.005 ; https://elibrary.ru/xpipjj

24. Lai N. A. Thermodynamic properties of HFO-1243zf and their application in study on a refrigeration cycle. Applied Thermal Engineering, 70(1), 1–6 (2014). http://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.04.042

25. Akasaka R. Recent trends in the development of Helmholtz energy equations of state and their application to 3,3,3-trifluoroprop-1-ene (R-1243zf). Science and Technology for the Built Environment, 22(8), 1136–1144 (2016). http://doi.org/10.1080/23744731.2016.1208000

26. Widom B. Equation of state in neighborhood of the critical point. Journal of Chemical Physics, 43, 255–262 (1965). https://doi.org/10.1063/1.1696618

27. Рыков С. В. Фундаментальное уравнение состояния, учитывающее асимметрию жидкости. Научно-технический вестник Поволжья, 1, 33–36 (2014). https://www.elibrary.ru/schqpb

28. Рыков В. А., Варфоломеева Г. Б. Методика определения структурных форм свободной энергии, удовлетворяющей требованиям масштабной гипотезы. Инженерно-физический журнал, 48(3), 455–460 (1985).

29. Rykov V. A., Rykov S. V., Kudryavtseva I. V., Sverdlov A. V. Method of constructing a fundamental equation of state based on a scaling hypothesis. Journal of Physics: Conference Series, 891, 012334 (2017). https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012334 ; https://elibrary.ru/rxvfsp

30. Колобаев В. А., Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Устюжанин Е. Е., Попов П. В., Рыков В. А., Свердлов А. В., Козлов А. Д. Методика построения уравнения состояния и термодинамических таблиц для хладагента нового поколения. Измерительная техника, (2), 9–15 (2021). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-2-9-15 ; https://www.elibrary.ru/oexlhl

31. Rykov S. V., Kudryavtseva I. V. Method for constructing the fundamental equation of state that takes into account the peculiarities of the substance behaviour in a wide vicinity of the critical point. Journal of Physics: Conference Series, 2057, 012112 (2021). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012112 ; https://elibrary.ru/kflefb

32. Полторацкий М. И. Метод построения фундаментального уравнения состояния и термодинамические таблицы гексафторпропана (R236ea): автореф. дис. канд. технических наук. Университет ИТМО, Санкт-Петербург (2018). https://elibrary.ru/wfgyaq

33. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А., Полторацкий М. И., Свердлов А. В. Уравнение состояния хладагента R32. Холодильная техника, 11, 34–37 (2016). https://www.elibrary.ru/zqoczr

34. Kudryavtseva I. V., Rykov V. A., Rykov S. V., Ustyuzhanin E. E. A new variant of a scaling hypothesis and a fundamental equation of state based on it. Journal of Physics: Conference Series, 946, 012118 (2018). https://doi.org/10.1088/1742-6596/946/1/012118 ; https://elibrary.ru/xxdzjr

35. Лысенков В. Ф., Рыков В. А. Связь параметров линейной модели решеточного газа и уравнения состояния реальной жидкости. Теплофизика высоких температур, 29(6), 1236–1238 (1991). https://www.mathnet.ru/tvt4586

36. Kudryavtseva I. V., Rykov V. A., Rykov S. V. The method for constructing the fundamental equation of state for SF6. Journal of Physics: Conference Series, 1385, 012009 (2019). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1385/1/012009 ; https://elibrary.ru/ubmjol

37. Benedek G. B. In polarisation matie et payonnement, livre de Jubile en l’honneur du proffesor A. Kastler, p. 71. Presses Universitaires de Paris, Paris (1968). (In French)

38. Кудрявцева И. В., Рыков С. В. Феноменологическая теория критической точки и фундаментальное уравнение состояния в физических переменных. Журнал физической химии, 98, 48–62 (2024). https://doi.org/10.31857/S0044453724110069 ; https://elibrary.ru/ezuycp

39. Agayan V. A., Anisimov M. A., Sengers J. V. Crossover parametric equation of state for Ising-like systems. Physical Review Research E, 64, 026125-1 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.64.026125 ; https://elibrary.ru/ykmtay

40. Ма Ш. Современная теория критических явлений. Мир, Москва (1980).

41. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков С. А. Линия насыщения этана в рамках теории ренормгруппы с использованием уравнения Клапейрона-Клаузиуса. Журнал физической химии, 97, 1561–1572 (2023). https://doi.org/10.31857/S0044453723110286 ; https://elibrary.ru/eknatx

42. Колобаев В. А., Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Устюжанин Е. Е., Попов П. В., Рыков В. А., Козлов А. Д. Единое фундаментальное уравнение состояния аргона: методика построения в рамках теории скейлинга и таблицы стандартных справочных данных. Измерительная техника, (11), 9–16 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-11-9-16 ; https://elibrary.ru/tycglt

43. Рыков С. В., Попов П. В., Кудрявцева И. В., РыковВ. А. Термодинамические свойства хладагента транс-1,3,3,3-тетрафторпропена: методика построения уравнения состояния и табулированные данные. Измерительная техника, (10), 32–40 (2023). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-10-32-40 ; https://elibrary.ru/fcdrtt

44. Рыков С. В., Попов П. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А. Термодинамические свойства перфтороктана на кривой сосуществования системы «жидкость – газ»: методика расчёта и табулированные данные. Измерительная техника, 73(7), 23 –34 (2024). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2024-7-23-34 ; https://elibrary.ru/mzbfrw

45. Рыков С. В., Кудрявцева И. В., Рыков В. А. Метод построения фундаментального уравнения состояния метана с учетом особенностей широкой окрестности критической точки. Теплофизика высоких температур, 62(3), 341–357 (2024). https://doi.org/10.31857/S0040364424030036 ; https://elibrary.ru/bphdwq