文档介绍：二氧化碳制冷工质热物性的分子动力学计算
祁影霞,张华,陈曦,刘业凤,谢应明
(上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)
摘要:目前制冷剂替代物热物性计算的研究工作集中在提出新的理论公式和经验方程,以提
高计算结果的精确度。在微观尺度或分子级别上的深入探讨和研究还不多。本论文采用分子
动力学方法模拟计算了 CO2 制冷工质的热物性。计算结果与实验数据基本吻合,证明此方法
可以用来预测制冷新工质及其混合物的热物性。
关键词:二氧化碳;热物性;分子动力学模拟
0 前言
科学研究发现 CFCs, HCFCs 类物质会破坏臭氧层, 并加剧温室效应,属环境不友好物
质。鉴于当今社会人们越来越依赖于制冷工业,为了保护臭氧层, 应对全球气候变暖等日益
严重的环境问题,必须积极寻找新型制冷替代工质。自然制冷工质再次引起人们的兴趣,如,
异丁烷、丙烷、二氧化碳等。
制冷工质的热力学性质和热物理学性质数据是制冷系统流动、传热、能效等计算的基础。
随着环保要求的提高,新型制冷剂替代物或混合工质的热物性研究成为了国际热学界的热点
之一。
目前制冷剂替代物热物性计算的研究工作集中在提出新的理论公式和经验方程,以提高
计算结果的精确度。在微观尺度或分子级别上的深入探讨和研究还不多。而本论文就是采用
基于分子动力学方法的 Materials Explorer 软件作分子动力学模拟预测 CO2 制冷工质的热
物性。本文所述的方法对自然制冷工质及其混合物,尤其是正处在研究阶段的新型制冷工质
和混合物的热物性的预测有着重要的应用价值。
2 分子动力学模拟方法
势能函数
二氧化碳的势能模型采用 site-site 势能模型[1] ,分子间的相互作用力包括
Lennard-Jones(6-12)项和库仑作用项,其形式如下:
12 6
σσ q q e 2
u r 4 ab ab a b
ab ()ab = ε ab −+ (1)
rab rab 4πε 0 rab
其中,r 是不同分子中的原子间的距离,σ ab 和ε ab 分别是分子中不同原子间的 L-J
势能的能量和尺度参数。q 是分子中各原子所带的部分电荷,ε 0 是自由介电常数,e 是电荷
的单位。下标 a、b 分别代表不同分子中的原子对。
式(1)中的各参数列于表1中。表1中碳原子与氧原子交叉相互作用参数σ、ε的确
定使用式(2)、(3)所示的洛仑茨-贝赛那(Lorentz-Berthelot)混合方法:
1
(2)
σ ij = ()σ i + σ j
2
ε= εε(3)
ij i j
式中σi、εi、σj、εj 为纯物质参数;σij、εij 为交叉相互作用参数。
表 1 二氧化碳的 L-J 势能参数和部分电荷数[2]
原子ε/ (K) σ(Å) q (e)
C
O -
C-O ∕
其中, 为玻耳兹曼常数 × J/K