丙酮-乙醇二元混合液相热力学性质分析

摘要

低沸点工质在低温余热回收和小空间内易发生流动沸腾现象而被广泛应用，而由低沸点工质组成的非共沸混合工质在相变时存在温度滑移，可以实现较大温度变化，提高循环和换热效率。不失一般性，以丙酮和乙醇混合工质为研究对象，以实验研究为主要方法，测得不同温度、压力下的混合液密度;然后结合理论分析，得到适合描述本装置所测的丙酮-乙醇混合工质状态方程:
　　其一，发展了一种适用于不同温度和压力下的高压物性液体相变观测实验方法;并据此，通过对关键结构的设计，并选用合适的温控和压力测试装置，搭建了一套热力学试验装置，对单组份液体（纯丙酮和纯乙醇）测试，结果与NIST标准数值相比较，最大误差不超过1.88％，表明实验方法可行，实验装置可靠。
　　其次，开展了丙酮-乙醇二元混合液相热力学性质研究，得出混合液体热力学参数:对丙酮的摩尔分数为0、0.2094、0.4037、0.6067、0.8067和1的混合液体，压力在1MPa到12MPa区间进行实验，总结P-V-T的关系，拟合出混合液体Tait公式的热力学参数。使用该参数的Tait公式，预测纯液体（纯丙酮和纯乙醇）P-V-T的关系，与试验数据相比较，最大误差不超过2.5％;预测混合液体（不同丙酮含量液体），最大误差不超过2.87％，表明实验所测得热力学参数是有效的;使用该热力学参数，利用混合法则，进而得出混合液体其他热力学参数与温度的关系式。
　　其三，使用所得到的热力学参数，使用数值模拟方法研究了热金属板上的乙醇-丙酮液体流动冷却问题:使用FLUENT软件，利用用户自定义函数(UDF)对低沸点液体进行相变模拟，观测到相变和温度分布规律，与物理事实相符合;对比三种不同液体的流固耦合换热效果，显示丙酮-乙醇混合液体在换热冷却效果上优于相应纯液体，并且说明了相变是强化流动传热的主要手段之一。说明低沸点混合工质在冷却应用方面具有一定实用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 热力学性质

1．2 丙酮-乙醇二元混合系统研究背景及意义

1．3 文章结构安排

2 热力学性质测试方法及装置设计

2．1 流体热力学参数状态方程

2．1．1 立方型状态方程

2．1．2 多常数状态方程

2．1．3 液体P-V-T关系

2．1．4 混合法则在多元流体热力学状态方程中的应用

2．2 混合液体物性实验研究

2．3 实验装置总体设计

2．3．1 设计目的

2．3．2 总体设计原则

2．3．3 实验装置基本组成

2．4 釜体结构设计

2．4．1 釜体壁厚设计

2．4．2 釜体强度校核

2．4．3 螺纹强度校核

2．5 测控装置选取

2．5．1 温度压力传感器选取

2．5．2 加热装置选取

2．5．3 显示仪的选取

2．6 热电阻-测控仪测温系统标定

2．7 实验步骤

2．7．1 实验装置准备

2．7．2 实验过程

2．8 总结

3 实验装置验证与单组份流体状态方程参数分析

3．1 实验装置的系统验证

3．2 纯丙酮、纯乙醇单组份流体热力学状态方程参数拟合

3．2．1 Tait方程拟合

3．2．2 修正Tait方程

3．3 小结

4 二元系统混合热力学参数实验研究

4．1 混合液体实验分析

4．1．1 混合液体配置

4．1．2 二元混合液体密度的计算

4．1．3 混合液体热力学试验数据

4．2 计算数据分析

4．2．1 摩尔体积的计算

4．2．2 混合液体各状态摩尔体积数据

4．2．3 过量体积计算

4．2．4 混合液体各状态过量体积数据

4．3 二元混合液体数据分析

4．3．1 混合参数的计算

4．3．2 恒温下p-V曲线

4．3．3 丙酮-乙醇系统二元系统临界图

4．3．4 混合液体Tait方程拟合

4．4 二元混合液体系统相平衡研究

4．4．1 混合物泡点计算

4．4．2 混合物液体平衡实验

4．5 其他热力学参数的计算

4．5．1 混合液体表面张力

4．5．2 混合液的导热率

4．5．3 混合液体比热容

4．6 小结

5 二元混合工质换热模拟

5．1 沸腾传热基本理论

5．1．1 物理模型及网格’

5．1．2 两相流动与传热基本方程

5．1．3 多相流模型

5．1．4 沸腾及核化机理

5．1．5 流体变物性处理

5．2 二元混合工质仿真结果分析

5．2．1 温度分析

5．2．2 热流密度

5．2．3 相变分析

5．3 小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献