Estudi d’aplicabilitat de l'equació d'estat de SOAVE-BWR per a determinar propietats termodinàmiques de fluids refrigerants purs

Abstract

[CATALÀ] Donada la importància dels refrigerants en la indústria és essencial a l’hora de la utilització dels mateixos en qualsevol sistema o equipament, el poder disposar de mètodes de predicció del seu comportament en qualsevol estat que es trobi. Obtenint una predicció més acurada, aquesta aporta seleccionar el fluid de la forma més precisa per a la seva utilització. En els anys 1995 i 1999 Giorgio Soave va publicar respectivament dues equacions d’estat, modificacions de l’equació d’estat de Benedict-Webb-Rubin (BWR, 1940) que són aplicables a hidrocarburs, fraccions de petroli i substàncies lleugeres (N2, O2, H2O, CO, CO2, etc.). En aquest TFG es tracta d’estudiar l’aplicabilitat de la versió de l’equació d’estat Soave-BWR de l’any 1999 per a determinar propietats termodinàmiques de fluids refrigerants purs (23 refrigerants purs). Per a l’estudi de l’aplicabilitat de l’equació d’estat Soave-BWR (1999) a refrigerants purs s´ha elaborat un full de càlcul MS-Excel per a cercar la pressió de saturació, el volum de vapor saturat, el volum de líquid saturat, l’entalpia de vaporització i l’entropia de vaporització en base al càlculs fets amb l’equació d’estat. S’han comparat els resultats de les propietats termodinàmiques predites per cada refrigerant (emprant l’equació d’estat Soave-BWR, 1999) respecte als valors experimentals donats en el web del NIST i en la base de dades REFPROP 9.1 i s’han presentat els resultats en forma de taules i gràfics. A la vegada, per l’equació d’estat de Soave-BWR (1999), també s’ha fet un full de càlcul MS-Excel per a cercar la densitat i el volum específic (i el factor de compressibilitat) d'un fluid refrigerant pur en fase líquida, fase vapor, fase gas i fluid supercrític. S’han comparat els resultats de les prediccions amb l’equació d’estat respecte als valors experimentals donats en el web del NIST i en la base de dades REFPROP 9.1 i s’han presentat els resultats en forma de taules. Originàriament s’havia plantejat el TFG fent únicament l’estudi amb la forma generalitzada de l’equació d’estat de Soave-BWR (1999), però cal destacar que durant el procés de realització del TFG s’han inclòs objectius que inicialment no s’havien contemplat, com són:  L’optimització de cadascun dels paràmetres de l’equació estudiada (Soave-BWR, 1999) per cadascun dels fluids seleccionats. Per a dur a terme aquest objectiu s’ha desenvolupat un full de càlcul MS-Excel que pren com a base el full MS-Excel de les propietats de saturació desenvolupat per l’equació d’estat Soave-BWR, 1999.  L’estudi del comportament de l’equació d’estat cúbica Peng-Robinson (1976) i l’optimització de la mateixa en quan el seu paràmetre “F o ” per als fluids refrigerants purs seleccionats. Determinació de les propietats de saturació (pressió de saturació, volum específic del líquid i vapor saturat, entalpia de vaporització i entropia de saturació) amb l’equació de Peng-Robinson (1976), emprant un full de càlcul MS-Excel desenvolupat anteriorment en el departament [33].  L’estudi de les equacions d’estat considerades en aquest TFG: Peng-Robinson (1976) i Soave-BWR (1999) originals i les equacions d’estat optimitzades en les zones del líquid subrefredat, vapor sobreescalfat, fase líquida i fluid supercrític per a cadascun dels 23 refrigerants purs escollits.  La comparativa del comportament, en els 23 refrigerants purs seleccionats, de les equacions d’estat originals estudiades (Peng-Robinson, 1976 i Soave-BWR, 1999), amb les seves versions optimitzades. Les conclusions principals de l’estudi han estat:  En l’estudi comparatiu de les equacions d’estat originals, en quan a la capacitat de predicció de les propietats de saturació ha mostrat que l’equació d’estat cúbica Peng- Robinson dóna una millor predicció general respecte a l’equació d’estat Soave-BWR (1999).  La diferència més significativa en la predicció de les propietats de saturació entre l’equació d’estat cúbica Peng-Robinson (1976) i l’equació d’estat de Soave-BWR (1999) originals ve donada en el resultat obtingut en la propietat del volum de líquid saturat, ja que és la propietat amb menys error respecte a les dades experimentals en l’equació Soave-BWR (1999) i l’error més elevat en l’equació d’estat Peng-Robinson (1976).  A partir de l’optimització del paràmetre “F” s’ha extret que en l’equació d’estat Peng- Robinson (1976) no té cap efecte de millora en la predicció tant de les propietats de saturació com del volum específic en les diferents fases (líquida, vapor, gas i fluid supercrític). En canvi, en el cas de l’optimització de paràmetres (7 o 8 paràmetres) en l’equació d’estat Soave-BWR (1999) hi ha una millora en la capacitat de predicció de les propietats de saturació, no obstant l’efecte de l’optimització de paràmetres en la predicció del volum específic en les diferents fases no aporta cap canvi significatiu.  L’equació d’estat amb major capacitat de predicció de les propietats termodinàmiques de saturació (pressió de saturació, volum de vapor saturat, volum de líquid saturat, entalpia de vaporització i entropia de vaporització) ha estat l’equació Soave-BWR (1999) amb l’optimització de paràmetres.  En l’estudi de les equacions en les zones de líquid, vapor, gas i fluid supercrític s’ha donat que l’equació Soave-BWR (1999) dóna una millor capacitat de predicció en la fase líquida i fluid supercrític respecte els resultats obtinguts per l’equació d’estat Peng-Robinson (1976) que són les zones on s’obtenen els errors més elevats respecte a les dades experimentals.  Equació amb més capacitat de predicció de la densitat i el volum específic per les fases líquida, vapor, gas i fluid supercrític és l’equació d’estat Soave-BWR (1999) amb 8 paràmetres optimitzats.

[ANGLÈS] Given the importance of refrigerants in the industry is essential when it is used in any system or equipment, be able to have methods of predicting their behavior in any state that is found. Obtaining a more accurate prediction, it provides the fluid in the most accurate way to be used. In the years 1995 and 1999 Giorgio Soave published two equations of state respectively, modifications of the state equation of Benedict-Webb-Rubin (BWR, 1940) that are applicable to hydrocarbons, fractions of petroleum and light substances (N2, O2, H2O, CO, CO2, etc.). In this Final Project is to study the applicability of the version of the BWR-Soave equation of state 1999 to determine thermodynamic properties of pure refrigerant fluids (23 pure refrigerants). For the study of the applicability of the Soave-BWR state equation (1999) to pure refrigerants, a MS-Excel spreadsheet has been compiled to find the saturation pressure, the volume of saturated vapor, the volume of saturated liquid, the enthalpy of vaporization and the entropy of vaporization based on the calculations made with the state equation. The results of the thermodynamic properties predicted for each refrigerant (using the Soave-BWR state equation, 1999) have been compared with respect to the experimental values given in the NIST web site and in the REFPROP 9.1 database and have been presented the results in the form of tables and graphs. At the same time, for the Soave-BWR state equation (1999), an MS-Excel spreadsheet has also been done to find the density and the specific volume (and the compressibility factor) of a pure coolant fluid, vapor phase, gas phase and supercritical fluid. The results of the predictions with the state equation have been compared with respect to the experimental values given in the NIST website and in the REFPROP 9.1 database and the results have been presented in the form of tables. Originally, the TFG had been considered by only doing the study with the widespread form of the Soave-BWR state equation (1999), but it should be noted that during the TFG process objectives have been included that were initially not They had contemplated, since they are:  The optimization of each of the parameters of the studied equation (Soave-BWR, 1999) for each of the selected fluids. To accomplish this goal, an MS-Excel spreadsheet has been developed, based on the MS-Excel sheet of the saturation properties developed by the Soave-BWR state equation, 1999.  The study of the behavior of the Peng-Robinson (1976) cubic state equation and the optimization of the same its parameter "“F o ” for selected refigerant fluids. Determination of the properties of saturation (saturation pressure, specific volume of the liquid and saturated vapor, enthalpy of vaporization and entropy of saturation) with the equation of Peng-Robinson (1976), using an MS-Excel spreadsheet developed previously in the department [35].  The study of the state equations considered in this TFG: Peng-Robinson (1976) and Soave- BWR (1999) original and optimized state equations in the areas of the sub-cooled liquid, overheated vapor, liquid phase and supercritical fluid for each of the 23 selected pure refrigerants.  A comparison of the behavior in the 23 pure refrigerants selected, the equations studied original state (Peng-Robinson and Soave-BWR 1976, 1999), with its optimized versions. The main conclusions of the study were:  In the comparative study of the original state equations, when the ability to predict saturation properties has shown that the Peng-Robinson cubic equation gives a better overall prediction relative to the state equation of Soave-BWR (1999).  The most significant difference in the prediction of the saturation properties between the Peng-Robinson (1976) cubic state equation and the original Soave-BWR (1999) state equation is given in the result obtained on the property of the volume of saturated fluid, since it is the property with less error compared to the experimental data in the Soave-BWR equation (1999) and the highest error in the Peng-Robinson state equation (1976).  From the optimization of the parameter "F" it has been learned that in the Peng-Robinson (1976) state equation it has no effect on the prediction of both the saturation properties and the specific volume in the Different phases (liquid, vapor, gas and supercritical fluid). On the other hand, in the case of parameter optimization (7 or 8 parameters) in the Soave-BWR state equation (1999) there is an improvement in the prediction capacity of the saturation properties, the effect of optimizing parameters in the prediction of the specific volume in the different phases does not bring any significant change.  The state equation with the highest prediction capacity of the thermodynamic properties of saturation (saturation pressure, saturated vapor volume, saturated liquid volume, vaporization enthalpy and vaporization entropy) has been the Soave-BWR equation (1999) with the optimization of parameters.  In the study of equations in the areas of liquid, vapor, gas and supercritical fluid, the soave Soave-BWR (1999) has been given a better prediction capacity in the liquid phase and supercritical fluid compared to the results obtained for the Peng-Robinson state equation (1976) which are the areas where the highest errors are obtained from experimental data.  The equation with the highest prediction capacity of the density and the specific volume for the liquid, vapor, gas and supercritical fluid phases is the Soave-BWR state equation (1999) with 8 optimized parameters.