1 绪论
1.1 课题背景
社会的进步和人们生活水平的提高出现了能源紧缺、能源浪费、环境污染日益严重等问题，因此制冷消耗的能源不容忽视，众所周知，能源与环境是人类生存和发展的重要基础与保障。因此在制冷方面如何利用科学的方法有效的利用有限的能源引起了全球能源工作者的广泛关注[1,2],节约能源的实质是利用在技术上可行、经济上合理及被环境和社会公认的方法达到不浪费能源、提高能源利用率及经济效益，研究发现节能减排、提高能源利用率、利用低品位能源是缓解能源紧缺与环境污染等问题方法[3]。在我国，存在大量的低品位热源即电厂废热、工业余热、地热、生物质以及太阳能，所以能实现节约减排、缓解能源紧张的技术即回收利用这些低品位能来替代一部分高品位能受到广泛关注，而吸收式制冷技术就是该技术上最具代表性的技术[3,4]。
吸收式制冷技术是将自然界和生活生产中被废弃的余热、余热等低品位能转化为冷量的一项技术，即它的驱动热源是低品位热源，耗电量较低，而且它的热转化效率较高，从而可以得到良好的经济性能，除此之外，它的结构简单、可靠安全，因此在如今能源紧缺和环境污染严重的形势下吸收式制冷系统备受学者们的青睐[5]。有研究表明[6-8]制冷循环构型、多能源互补、制冷工质对这三个方面对吸收式制冷循环系统的性能有影响，故可以从这三个方面研究提高其性能的方法，在不断对吸收式制冷技术的探索中，学者们对吸收式制冷工质对的研究相对较少，也有研究表明[9～12]合适的吸收式制冷工质对对吸收式制冷循环的影响较大，工质对的不同会影响整个吸收式制冷系统所采用的循环方式、驱动热源和设备材料，从而直接影响制冷机组的性能和系统效率，因此为了供制冷工质对对吸收式制冷循环影响的深入研究提供参考数据，本文研究吸收剂的基础物性及制冷剂的溶解特性。
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1.2 吸收式制冷及吸收式制冷工质对的研究进展
1.2.1 吸收式制冷研究进展
由于大量工业废热、余热被浪费以及环境污染严重，对环境友好的热驱动制冷系统被广泛关注，它分为吸收式制冷、吸附式制冷和喷射式制冷，由于吸收式制冷热转化率较高、能源利用率较高、机组负荷可调节范围较大、所用的制冷工质对对环境友好、而且没有做功部件、机组的结构简单、制造方便、操作方便、维护管理容易、安全可靠，因此吸收式制冷技术在现阶段被广泛研究及应用；是技术最成熟的制冷技术[18,19]；也是制冷技术发展的主要方向之一，具有广阔的发展前景而且在节约能源方面具有较大的潜力。它是通过两种物质的相变作用即在两种物质进行吸收及释放的过程中得到能量从而来制冷的[20]。
吸收式制冷技术最早被发现于 18 世纪早期 Edward Naime[21,22]利用浓硫酸来吸收水蒸气，使未蒸发的水蒸气冷却来取冰的现象[21,22]，1850 年 Eerdinand Carre[23]制造了利用氨水吸收氨的制冷装置用于制冷，1859 年 Srikhirin[24]获得了氨水溶液作为制冷工质的吸收式制冷剂的专利,第一次世界大战之后，由于能源价格的上涨，考虑到吸收式制冷技术可以达到良好的经济效益，因此吸收式制冷技术得到了全面的研究，1945 年美国 Carrier 公司[25]生产了史上第一台工质对为溴化锂-水的单效吸收式制冷机，随后随着吸收式制冷技术的发展，相继出现了[26]乙醚制冰、双极氨水功能化的吸收式制冷机组以及单、双效溴化锂型吸收式制冷机等多种吸收式制冷方式，因应用于吸收式制冷系统的传统的工质对存在不可避免的缺陷，比如：容易结晶、腐蚀性强、精馏问题、污染环境等，为了吸收式制冷技术被广泛应用，新型吸收式制冷工质对引来了制冷界学者们的目光。
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2 CO2 溶解特性基础
2.1 相平衡的理论基础
2.1.1 相平衡的概念
相平衡一般指在多相系统中每一个相的相关性质以及所含有物质的数量等均保持不变即不受时间变化的影响时，可以将这个系统称作为一个相平衡系统[55]。在热力学上角度来讲，它表示的是整个体系的自由能呈处于极小值时状态；从速度传递的角度来说，其是速度为零的状态即体系中各相均处于静止的状态[56]。相平衡指的是体系中的各相处于物理平衡状态，即在一定条件下，当一个体系中各相的性质和数量均不再随时间变化时，此时为相平衡状态[57]。在达到相平衡条件时，系统总的熵、体积、热力学能以及各组分的总物质的量都均不变。从热力学角度分析，相平衡是整个体系中的自由能处于极小情况下；从传递速度角度分析，相平衡是系统的速度为零时的状态[58]。
2.1.2 相平衡的分类
根据体系中各相种类的不同，可以根据体系中相的状态分为汽液相平衡（VLE）、液液相平衡（LLE）、汽液液相平衡（VLLE）、气（难溶性气体）液相平衡（GLE）、固液相平衡（SLE）和固固相平衡（SSE）这七种主要类型[59]。
相平衡过程一般可以根据混合物或者溶液体系中所含有相的性质不同进行分类，主要的依据是体系中相的状态，即固态、液态、气态以及汽态等分为气液相平衡（GLE）（其中气指的是难溶性气体）、汽液相平衡（VLE）、液液相平衡（LLE）、固液相平衡（SLE）、固固相平衡（SSE）和汽液液相平衡（VLLE）等。
2.1.3 相平衡的判别
相平衡有三种状态，分别是热平衡、扩散平衡和流体静力平衡，三个平衡状态的依据分别是温度、化学势和压力。一个相指的是在热力学中物质表现出物理化学性质完全均匀相同的部分。当系统各相的形态和数量均不变状态称为系统处于稳定的状态。以处于平衡状态时系统的热力学参数吉布斯（Gibbs）自由能为最小的原则导出相平衡的条件是体系中所有的相的温度和压力分别相等，每一组分的化学势在各相中也相等。
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2.2 汽液相平衡测定
为了保护环境，制冷界学者提出了可以替代传统制冷工质对的新型制冷工质对，本论文研究的是自然系制冷工质对 CO2-离子液体，制冷工质在制冷系统中发生的蒸发和冷凝过程是相变过程，即换热过程是近似汽液相平衡过程，对换热过程来说制冷剂的热力学参数对实际制冷系统过程设计具有十分重要的参考意义，而热力学参数的计算是需要依靠制冷工质溶解特性数据，溶解特性数据可以为制冷系统动力循环分析提供不可或缺的数据基础，所以制冷工质对溶解特性数据对吸收式制冷系统至关重要。而且溶解特性数据可以解决离子液体在分离方面应用存在的问题，因此汽液相平衡测定具有实际应用价值。
制冷工质对相平衡的测定法分为直接测定法和间接测定法，直接测定法是通过实验的方法直接进行测定得到溶解特性数据；间接测定法为模型法是间接的利用已知的参数来计算出汽相未知的参数数值的方法；本论文采用直接测定法对 CO2 溶解特性进行实验研究，从而为制冷工质对 CO2-[BMP][Tf2N]在吸收式制冷工系统中的应用提供基础数据，直接测定法主要包括蒸馏法、循环法、流动法、泡露点法和静态法，
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3 离子液体[BMP][Tf2N]的选择及基础物性研究............................. 15
3.1 离子液体[BMP][Tf2N]的选择依据........................................ 15
3.2 离子液体[BMP][Tf2N]基础物性实验研究............................. 16
4 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性实验研究...........................30
4.1 实验原理.........................................30
4.2 实验装置....................................31
5 结论与展望..................................42
4 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性实验研究
4.1 实验原理
本课题通过了解汽液相平衡的 5 种直接测定实验法，通过自行改造的实验台采用静态法进行对 CO2 溶解特性测定，从而得到 CO2 溶解特性实验数据以及 CO2 溶解度受温度和压力的影响。影响离子液体可否作为 CO2 的吸收剂的因素之一是 CO2 溶解特性，而且 CO2 溶解特性数据是计算吸收式制冷系统性能参数的基础，所以 CO2 溶解特性在推动吸收式制冷系统的发展过程中至关重要。图 4.1 是 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性实验流程图，整个实验系统包括的实验装置有：平衡釜、缓冲罐、HH-601A 型恒温水浴箱、K 型热电偶、SY-PG3300 型压力传感器、安捷伦采集器和计算机。图 4.2 是 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性实验台实物图。
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5 结论与展望
一、主要结论
本论文主要对离子液体[BMP][Tf2N]基础物性及一定工况下 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性进行了实验研究，并分别根据实验数据总结了离子液体[BMP][Tf2N]基础物性随温度的变化规律及 CO2 在离子液体[BMP][Tf2N]中溶解特性随温度和压力的变化规律，为研究工质对 CO2-[BMP][Tf2N]热力学性质对制冷系统性能的影响提供基础数据；还可以解决离子液体在分离应用中相平衡数据缺乏的问题；为工质对 CO2-[BMP][Tf2N]在吸收式制冷技术中的应用提供基础数据，从而推动工质对 CO2-离子液体及吸收式制冷技术的发展。
1. 在压力为 101.325KPa，温度为 298.15～338.15K 工况下实验测定的离子液体[BMP][Tf2N]黏度、密度、电导率和表面张力的实验数据分别为 0.0216～0.0818pa.s、1356.008～1389.232Kg/m3、0.273～0.893S/m 和 0.036～0.0211N/m；
2. 通过实验数据总结了离子液体[BMP][Tf2N]基础物性随温度的变化规律，其黏度、密度和表面张力随温度升高呈现减小的趋势；电导率随温度的升高呈现增大的趋势；
3. 利用方程关联离子液体[BMP][Tf2N]基础物性实验数据的预测结果显示：Arrhenius 方程、自然对数方程、VFT 方程和线性方程预测的离子液体[BMP][Tf2N]黏度、密度、电导率和表面张力的平均相对误差分别为 0.94%、5.39%、4.245%、4.633%，相关系数分别为 0.995 5、0.995 97、0.994 99、0.9850。
参考文献（略）