Thermophysical properties of environmentally friendly refrigerants and their blends: a theoretical and experimental study

In the last years, the interest in low global warming potential refrigerants and their blends as replacements of conventional refrigerants has been increasing to reduce their environmental impact. To evaluate their potential performance in HVAC&R applications, the thermophysical properties of these alternative working fluids are needed. Thus, this study presents a theoretical and experimental analysis of some of their main thermophysical properties. Some of the most well-known models to estimate different thermodynamic and transport properties have been investigated. The capability of different cubic equations of state to describe the vapor pressure and the vapor-liquid equilibrium of alternative refrigerants and their binary systems was analyzed, obtaining good results. Scaled correlations based on the corresponding states principle were presented for the surface tension of different alternative refrigerants and their binary systems. The results of these correlations agree with those of different reliable semi-empirical correlations designed for pure refrigerants and blends. An empirically simplified Kardos equation specifically oriented to both liquid and vapor thermal conductivity of refrigerants was developed. The modified equation provided very accurate results for the liquid and vapor thermal conductivity of the studied refrigerants. The PvTz properties for different low global warming potential binary systems were measured both in the two-phase and superheated vapor regions with an isochoric apparatus. From the two-phase measurements, an accurate vapor-liquid equilibrium behavior of the measured binary systems was derived. The vapor-phase data were correlated through different equations of state. The solid-liquid equilibrium of the R32 + R1234ze(E) binary pair was measured with an experimental setup in the temperature range from 168.2 K to 132.0 K. The studied binary pair showed an eutectic point estimated at 132.00 K.

Negli ultimi anni è aumentato l’interesse verso i refrigeranti a basso potenziale di riscaldamento globale e le loro miscele come sostituti dei refrigeranti convenzionali in modo da ridurre il loro impatto ambientale. Le proprietà termofisiche dei fluidi alternativi sono necessarie per valutare le loro prestazioni nelle applicazioni HVAC&R. Di conseguenza, il presente lavoro di tesi presenta un’analisi teorica e sperimentale di alcune delle loro principali proprietà termofisiche. Sono stati testati alcuni dei più conosciuti modelli per determinare differenti proprietà termodinamiche e di trasposto. È stata analizzata la capacità di diverse equazioni di stato cubiche nel descrivere la pressione di vapore e l’equilibrio liquido-vapore di refrigeranti alternativi e loro sistemi binari, trovando buoni risultati. Correlazioni scalate basate sul principio degli stati corrispondenti sono state proposte per la tensione superficiale di diversi refrigeranti alternativi e loro sistemi binari. I risultati di queste equazioni sono in accordo con quelli di correlazioni semi-empiriche specifiche per refrigeranti e loro miscele. È stata sviluppata una versione semplificata dell’equazione di Kardos specifica per la conducibilità termica di refrigeranti allo stato liquido e allo stato vapore. La versione modificata ha dato risultati accurati per la conducibilità termica dei refrigeranti studiati. Le proprietà PvTz di diversi sistemi binari a basso potenziale di riscaldamento globale sono state misurate sia nella regione liquido-vapore che in quella di vapore surriscaldato mediante un apparato isocorico. Dalle misure realizzate in bifase, è stata derivata una rappresentazione accurata dell’equilibrio liquido-vapore dei sistemi binari studiati. I dati misurati nella regione del vapore surriscaldato sono stati elaborati mediante diverse equazioni di stato. L’equilibrio solido-liquido del sistema R32 + R1234ze(E) è stato misurato con un apposito apparato sperimentale nel range di temperature da 168.2 K fino a 132.0 K. Questo sistema binario ha mostrato il punto eutettico a 132.0 K.