Källor för köldmediers termodynamiska egenskaper

skriven av Pavel Makhnatch (under handledning av Rahmatollah Khodabandeh och Björn Palm)

Publicerad 2016-03-23

Traditionellt har köldmediedata funnits tillgängliga i form av tabeller och diagram i läroböcker i kylteknik eller i speciella tabellsamlingar, t.ex. de som gavs ut av Kyltekniska föreningen. Detta fungerade väl i en tid då antalet köldmedier var begränsat och då de använda köldmedierna inte ändrades särskilt mycket över tid. Nu är antalet köldmedier mycket större än tidigare, och det sker en snabb förändring av floran av tillgängliga köldmedier. I detta läge är det en fördel att ha tillgång till elektroniska databaser där ämnesdata kan hämtas även för de nyaste köldmedierna. I denna artikel ska vi beskriva några sådana databaser.

Termodynamiska egenskaper

Vissa egenskaper för ett köldmedium kan bestämmas enkelt genom mätning. Ett exempel är ångtryckskurvan, dvs hur trycket varierar med temperaturen. Andra egenskaper, t.ex. entalpin, kan inte lika enkelt bestämmas. Mediers egenskaper kan dock beräknas med hjälp av tillståndsekvationen som beskriver relationen mellan tillståndsstorheter, såsom temperatur, tryck och volym. Ideala gaslagen (pv=RT) är ett exempel på en tillståndsekvation, men verkliga medier, som även förekommer i fast fas och vätskefas, kan inte approximeras som ideala gaser och därför behöver mera komplexa tillståndsekvationer användas. Man kan illustrera en typ av tillståndsekvationer med en tillståndsyta, ett tredimensionellt diagram med tryck, temperatur och volymitet på axlarna. Ytan, eller tillståndsekvationen, kan också beskrivas med ekvationer. Eftersom formen på ytorna är likartad för olika ämnen så räcker det med en begränsad mängd uppmätta värden för att bestämma parametrarna i tillståndsekvationen. Vilken tillståndsekvation som använts vid bestämning av ämnesdata bör framgå av källan. Av texten i Fig. 1 framgår att Helmholtz ekvation i detta fall använts för bestämning av ämnesdata (för R1234yf).

För att tillståndsekvationerna ska ge rätt data krävs alltså en viss mängd mätdata, av hög kvalitet. Utmaningen med nya köldmedier är att mängden data är begränsad, och ofta med lägre noggrannhet vilket leder till mindre noggrannhet i beräknade utdata. Även med minimal mängd mätdata finns möjligheten att ta fram ungefärliga ämnesdata för nya medier baserat på den strukturella formen av molekylen och dess kokpunkt vid normalt lufttryck [1]. I sådana fall är det viktigt att vara medveten om den begränsade noggrannheten för de beräknade värdena. 

Figur 1 –Gränssnitt, Refprop 9.1

REFPROP

REFPROP [2] är sannolikt det mest kända och mest använda verktyget för beräkning av ämnesdata för köldmedier. Verktyget utvecklades av NIST, National Institute of Standards and Technology, USA.

Ämnesdata för olika köldmedier kan tas fram direkt i programmet som tabeller eller diagram, eller importeras till andra program såsom Excel, Matlab och Python genom anrop till databasen. För ytterligare information angående funktionaliteter hänvisas läsarna till REFPROP handboken [3]. En fullfungerande gratisversion av REFPROP med begränsat antal köldmedier är också tillgänglig på webben [4].

Antalet köldmedier som stöds av den senaste versionen av REFPROP (9.1), är över hundra och omfattar nya HFO köldmedier såsom R1234yf och R1234ze(E). Eftersom programmet inte kan uppdateras automatiskt, finns data för nya medier ofta tillgängliga online för nerladdning. Som exempel går det nu att ladda ner data för R1234ze(Z) och R1233zd(E). Om data för ett ämne inte finns med i databasen går det att definiera ett ”eget” ämne om man vet vissa data för ämnet. Med denna metod blir dock osäkerheten i ämnesdata större.

Många nya köldmedier är blandningar av några kända köldmedier. REFPROP erbjuder möjligheten att få data för en blandning genom att välja från en lista med fördefinierade blandningar eller genom att definiera en ny baserad på blandningens sammansättning från tillgängliga köldmedier i programmet. Ett antal blandningar som inte är fördefinierat i REFPROP 9.1 är tillgängliga för nedladdning från NISTs hemsida [5]. Köldmedieblandningar såsom R449A, R448A, R452A, R513A och inte minst de senaste köldmedierna, R449B och R454A är tillgängliga på hemsidan som uppdateras kontinuerligt.

För beräkning av ämnesdata för blandningar behövs blandningsparametrar som finns i en särskild textfil (HMX.BNC). Fram tills nyligen saknades blandningsparametrar för blandningar med HFO-medier. Nu finns en ny fil tillgänglig för HFO blandningar med tillhörande blandningsparametrar, vilket ger möjlighet att korrekt bestämma data för t.ex. R448A som består av R32, R125, R134a, R1234yf, och R1234ze(E). Det bör påpekas att den ursprungliga HMX.BNC-filen måste ersättas med den nya filen för att REFPROP ska kunna ge korrekta data för sådana blandningar.  

Coolprop

Närmaste alternativet till REFPROP är Coolprop[6]. I själva verket var Eric Lemmon [6] som låg bakom utveckling av REFPROP, delvis delaktig vid utveckling av Coolprop. Till skillnad från REFPROP, är Coolprop inte ett fristående program, utan snarare ett bibliotek och databas för ämnesdata för olika medier som kan nås från andra beräkningsprogram. Listan över mjukvaror som kan använda Coolprop växer ständigt och nu omfattas de flesta programmeringsspråk och plattformar som används för tekniska beräkningar, såsom EES, Excel, Matlab, Pyton, etc. Ett webbgränssnitt lär också vara under utveckling. 

Antalet medier som ingår i Coolprop är ungefär samma som i REFPROP. Den stora skillnaden är att det finns begränsningar när det gäller köldmedieblandningar. Några fördefinierade köldmedieblandningar finns i deras lista och det finns begränsade möjligheter att definiera egna blandningar. Men att definiera blandningar med flera medier är omständligt. Den stora fördelen med Coolprop är att det har öppen källkod som är gratis för nedladdning och användning.  

Andra källor

En annan källa för köldmediedata är köldmedietillverkarna själva. Både Honeywell och Chemours erbjuder beräkningsverktyg för köldmedieegenskaper. DUPREX [7] är ett verktyg som tillhandhålls av Chemours. Utöver data för vanliga köldmedier såsom R134a och R404A erbjuder programmet ämnesdata för nya köldmedier, som till exempel R449A, DR-7, DR-5 etc.

Genetron Properties [8] är ett liknande program från Honeywell som har liknande funktionalitet. Utöver köldmediedata erbjuder båda programmen prestandaberäkningar av olika fördefinierade kylcykler. Genetron Properties har flera funktioner med fler fördefinierade cykler och fler funktoner när man arbetar med köldmedier jämfört med DUPREX. I båda programmen är valet av nya köldmedier begränsat till företagets egna produkter.

  Användargränssnitten för DUPREX och Genetron Properties presenteras i Figur 2 respektive 3.

Figur 2 – DUPREX gränssnitt
Figur 3 – Genetrons gränssnitt

Även om det finns ett antal mindre programvaror som ger tillgång till kölmedieegenskaper, tar vi här bara upp ett ytterligare: EES, Engineering Equation Solver. EES är ett programmeringsspråk som blev populärt delvis på grund av att köldmediedata kunde anropas direkt i koden. I menyn hittar man de flesta köldmedierna inklusive nya köldmedier såsom R1243zf (som inte finns i något av de andra programmen), men listan över köldmedieblandningar är begränsad till ett fåtal köldmedier.

Sammanfattningsvis är REFPROP överlägset jämfört med andra verktyg. Den största fördelen med REFPROP är att programmet erbjuder många funktioner och möjligheten till beräkning av data för många nya köldmedieblandningar. Coolprop är det enda program som kan betraktas som ett alternativ till REFPROP. Det saknar grafiskt gränssnitt men har fördelen att programvaran har öppet källkod och därmed finns potentialen och förutsättningarna att vidareutveckla programmet. Programvaror från köldmedietillverkarna kan användas som referens för nya köldmedier, i synnerhet när det gäller nya blandningar. Funktionen för cykelberäkningar i dessa program är en bonus som kan användas för snabba uppskattningar.

Följ gärna våra publikationer och få vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig genom att följa länken bit.ly/kth_ett.

Referenser

[1] J.S. Brown, C. Zilio, A. Cavallini, Thermodynamic properties of eight fluorinated olefins, Int. J. Refrig. 33 (2010) 235–241. doi:10.1016/j.ijrefrig.2009.04.005.

[2] NIST, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP): Version 9.1, (2015).

[3] E.W. Lemmon, M.L. Huber, M.O. Mclinden, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties — REFPROP 9.0 user’s guide, (2010).

[4] NIST, mini-REFPROP, (2014). http://www.boulder.nist.gov/div838/theory/refprop/MINIREF/MINIREF.HTM (accessed March 2, 2016).

[5] NIST, Answers to Frequently Asked Questions, (2016). http://www.boulder.nist.gov/div838/theory/refprop/Frequently_asked_questions.htm (accessed March 2, 2016).

[6] I.H. Bell, J. Wronski, S. Quoilin, V. Lemort, Pure and Pseudo-pure Fluid Thermophysical Property Evaluation and the Open-Source Thermophysical Property Library CoolProp, Ind. Eng. Chem. Res. 53 (2014) 2498–2508. doi:10.1021/ie4033999.

[7] Chemours, Chemours Refrigerant ExpertTM (DUPREX) Software, (2015). https://www.chemours.com/Refrigerants/en_US/products/DUPREX/DUPREX.html (accessed March 2, 2016).

[8] Honeywell, Genetron Properties Suite | European Refrigerants, (2016). https://www.honeywell-refrigerants.com/europe/genetron-properties-suite/ (accessed March 2, 2016).