Thermodynamic Properties of Environmentally Acceptable Refrigerants

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2 Hans Dieter Baehr. Reiner Tillner-Roth Thermodynamische Eigenschaften umweltvertraglicher Kaltemittel Zustandsgleichungen und Tafeln fur Ammoniak, R 22, R 134a, R 152a und R 123 Thermodynamic Properties of Environmentally Acceptable Refrigerants Equations of State and Tables for Ammonia, R 22, R 134a, R 152a and R 123 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest

3 o. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Hans Dieter Baehr Dr.-Ing. Reiner Tillner-Roth Institut fur Thermodynamik Universitat Hannover Callinstr Hannover ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / CIP-Eintrag beantragt Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begrlindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder VervieWiltigung aufanderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulassig. Sie ist grundsatzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafhestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995 Softcover reprint of the hardcover I st edition 1995 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dlirften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr flir die Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualitat iibernehmen. Es empfiehlt sich, flir die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren SPIN: / Gedruckt aufsaurefreiem Papier

4 Vorwort Nachdem sich die bisher verwendeten Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) als umweltschadigende Kaltemittel erwiesen haben, werden sie jetzt durch Stoffe ersetzt, welche die stratospharische Ozonschicht nicht oder nur in geringem Mafie angreifen. Zum atmospharischen Treibhauseffekt tragen sie wesentlich weniger bei als die FCKW. Fiir diese zum Tell neuen Ersatzkaltemittel werden genaue und zuverlassige Werte ihrer thermodynamischen Eigenschaften benotigt, um Prozesse und Anlagen der Kalte-, Klima- und Warmepumpen-Technik zu berechnen. In diesem Buch bieten wir fiir fiinf umweltvertragliche Kaltemittel erstmals genaue Zustandsgleichungen an sowie umfangreiche Tafeln ihrer ZustandsgroBen. Dabei haben wir fiir die Praxis wichtige Stoffe ausgewahlt, deren thermodynamische Eigenschaften aufgrund umfangreicher Messungen sehr genau bekannt sind. Fiir diese Kaltemittel existieren zuverlassige Fundamentalgleichungen, namlich besondere Zustandsgleichungen, aus denen sich aile thermodynamischen Eigenschaften berechnen lassen. Mit diesen Gleichungen haben wir die Tafeln der ZustandsgroBen im NaBdampfgebiet und im Gebiet des Gases und der Fliissigkeit berechnet. Auch im Computerzeitalter sind derartige Tafeln ein fiir viele Aufgaben geeignetes und volllg ausreichendes Hllfsmittel. Wir haben es fiir jedes der fiinf Kaltemittel durch einen Satz Arbeitsgleichungen erganzt. Unter Verwendung eines PC lassen sich mit ihnen die thermodynamischen Eigenschaften im gesamten kaltetechnisch wichtigen Zustandsbereich sehr genau und relativ einfach berechnen. Diese Arbeitsgleichungen ersetzen die schwierig zu handhabenden Fundamentalgleichungen fiir den praktischen Gebrauch. Die hier angebotenen Tafeln und Arbeitsgleichungen geben die thermodynamischen Eigenschaften der fiinf Kaltemittel so genau wieder, wie es zur Zeit moglich ist. Sie sind damit ein zuverlassiges Arbeitsmittel fiir den planenden und entwerfenden Ingenieur; sie diirften auch fiir Forschung und Lehre an den Universitaten und Fachhochschulen sehr niitzlich sein. AuBer den von uns bearbeiteten Stoffen werden zur Zeit weitere umweltvertragliche Kaltemittel, zum Beispiel die brennbaren Kohlenwasserstoffe Propan und Isobutan, in Erwagung gezogen und in einigen Anwendungsbereichen eingesetzt. Wir beabsichtigen, auch fiir diese Kaltemittel Arbeitsunterlagen in Form von Tabellen und genauen Zustandsgleichungen bei einer Neuaufiage dieses Buches bereitzustellen. Bei der Gestaltung der Tafeln sowie beim Aufstellen der Gleichungen fiir die spezifische Enthalpie der siedenden Kaltemittel hat uns Herr Dipl.-Ing. Torsten Liiddecke wirkungsvoll unterstiitzt, wofiir wir ihm auch an dieser Stelle herzlich danken. Hannover, im Herbst 1994 H.D. Baehr R. Tillner-Roth

5 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen 1 Einleitung. 2 Fundamentalgleichungen. 2.1 Die Helmholtz-Funktion 2.2 Die Fundamentalgleichungen der KaItemittel Ammoniak - NH R 22 - Monochlordifluormethan R 134a - 1,1,1,2-Tetrafluorethan R 152a - 1,I-Difluorethan R 123-1,I-Dichlor-2,2,2-trifluorethan 3 Arbeitsgleichungen Der Gleichungssatz Das Gasgebiet Die Siittigungsgrofien Das Gebiet der Fliissigkeit Die Arbeitsgleichungen fiir die KaItemittel Ammoniak R R 134a R 152a R 123 Literatur. Tafeln... Ammoniak R 22.. R 134a. R 152a. R

6 Preface Chlorofluorocarbons (CFCs) have been extensively used in the past, but have proven to be refrigerants that are harmful to the environment. These compounds are now being substituted by substances that will not or only to a small extent deplete the stratospheric ozone-layer and will contribute to global warming (the green-house effect) much less than the CFCs. For these alternative refrigerants (some of them are new substances), accurate and reliable values of their thermodynamic properties are needed for calculating cycles and for designing equipment in refrigeration, air conditioning and heat pump engineering. In this book, we present accurate equations of state and extensive tables of thermodynamic properties for five environmentally acceptable refrigerants. We selected substances of practical importance whose thermodynamic properties were very accurately known due to extensive experimental investigations. For these refrigerants, reliable fundamental equations of state exist, from which all thermodynamic properties can be calculated. Using these fundamental equations, we generated tables of thermodynamic properties for the two-phase region and for the homogeneous gas and liquid phases. Such tables are a useful tool, even in computer age, for the solution of many practical problems. We supplemented the property tables by sets of working equations established for each ofthe five refrigerants. Using a personal computer, these working equations allow rapid and relatively easy calculation of thermodynamic properties in the whole range of thermodynamic states relevant to refrigeration. For practical applications, the working equations will, therefore, replace the fundamental equations of state which are difficult to handle. The tables and working equations presented here give values of thermodynamic properties of the five refrigerants with the highest accuracy attainable at present. They are, therefore, a reliable tool for the engineer planning and designing refrigeration cycles and equipment. Moreover, these tables and equations should be useful for researchers and for teaching purposes at universities and engineering colleges. In addition to the substances dealt with here, other environmentally acceptable refrigerants, for example the flammable hydrocarbons propane and iso-butane, are under discussion and are used in special fields of application. We intend to provide tables and accurate equations of state also for these refrigerants in a later edition of our book. We would like to thank Dipl.-Ing. Torsten Liiddecke who helped us by working on the layout of the tables and by establishing the equations for the specific enthalpy of the saturated liquid refrigerants. Hannover, Autumn 1994 H.D. Baehr R. Tillner-Roth

7 Contents Nomenclature. 1 Introd uction 2 Fundamental equations of state 2.1 The Helmholtz free energy. 2.2 The fundamental equations of the refrigerants Ammonia - NHa R 22 - Monochlorodifluoromethane R 134a - 1,1,1,2-Tetrafluoroethane R 152a - 1,1-Difluoroethane R 123-1,1-Dichloro-2,2,2-trifluoroethane 3 Working equations The set of working equations The gaseous phase Saturation properties The liquid phase The working equations of the refrigerants Ammonia R R 134a R 152a R 123 References. Tables... Ammonia R 22.. R 134a. R 152a. R

8 Formelzeichen Symbole fiir Koeffizienten in Gleichungen sind hier nicht aufgefiihrt. Nomenclature Symbols for coefficients in equations are not listed here B Cp Cv C D f g h!j.hv p P. R u v w Z zweiter Virialkoeffizient spez. isobare Warmekapazitat spez. isochore Warmekapazitat dritter Virialkoeffizient vierter Virialkoeffizient = u - Ts spez. Helmholtz-Funktion = h - Ts spez. Gibbs-Funktion spez. Enthalpie = h" - h' spez. Verdampfungsenthalpie Druck Dampfdruck spez. Gaskonstante spez. Entropie = s" - s' spez. Verdampfungsentropie Celsius-Temperatur Siedetemperatur thermodynamische Temperatur' spez. innere Energie spez. Volumen Schallgeschwindigkeit = pv/(rt) Realgasfaktor B Cp Cv C D f g h!j.hv p P. R s!j.sv t t. T u v w Z second virial coefficient specific isobaric heat capacity specific isochoric heat capacity third virial coefficient fourth virial coefficient = u - Ts specific Helmholtz free energy = h - Ts specific Gibbs function specific enthalpy = h" - h' specific enthalpy of evaporation pressure vapour pressure specific gas constant specific entropy = s" - s' specific entropy of evaporation Celsius-temperature saturation temperature thermodynamic temperature' specific internal energy specific volume speed of sound = pv/(rt) compressibility factor (j () J.I U T = U/ Uc dimensionslose Dichte = 1 - (T/Tc) dimensionslose Temperaturvariable J oule-thomson-koeffizient Dichte = Tc/T dimensionslose reziproke Temperatur = f /(RT) dimensionslose Helmholtz Funktion (j () J.I U T = U/ Uc dimensionless density = 1- (T/Tc) dimensionless temperature variable J oule-thomson coefficient density = Tc/T dimensionless reciprocal temperature = f /(RT) dimensionless Helmholtz free energy Indices Indices C r tr o " kritischer Zustand Realteil Tripelpunkt (hochgestellt) ideales Gas; Idealteil siedende Fliissigkeit gesattigter Dampf C r tr o " critical state residual part triple point ideal gas state; ideal part saturated liquid saturated vapour *) AIle in diesem Buch angegebenen Temperaturwerte sind Temperaturen nach der Internationalen Temperaturskaia von 1990 (ITS-90) *) All values of temperature given in this volume are temperatures according to the International Temperature Scale 1990 (ITS-90)