基于分子动力学模拟的HFO-1132a及其与HFC-134a混合工质饱和蒸气压与相平衡特性研究

为开发新一代环保制冷剂，研究人员采用COMPASS II力场通过分子动力学(MD)模拟，在240-300?K温度范围内研究了纯HFO-1132a及其与HFC-134a三种二元混合工质(Blends1–3)的饱和蒸气压、气液密度及相图特性。结果表明混合工质中HFC-134a比例增加会降低饱和压力并提高液体密度，模拟数据与实验值最大误差仅2.90%，为低GWP制冷系统设计提供了分子层面的理论依据。

　　

随着全球暖化问题日益严峻，制冷行业正面临前所未有的环保压力。传统制冷剂如CFCs和HCFCs因破坏臭氧层已被蒙特利尔协议淘汰，而第三代HFCs制冷剂虽然臭氧消耗潜值(ODP)为零，但其极高的全球变暖潜值(GWP)仍对环境构成威胁。以HFO-1132a为代表的第四代制冷剂凭借0.6的超低GWP和零ODP特性崭露头角，但关于其与现有制冷剂混合体系的微观作用机制仍缺乏系统研究。

独立大学物理科学系的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表论文，采用COMPASS II力场进行分子动力学(MD)模拟，首次全面揭示了HFO-1132a及其与HFC-134a混合工质的热力学行为。研究通过构建三维分子模型，在240-300?K温度范围内（涵盖制冷系统常见工况）模拟了纯物质及三种不同配比混合工质的气液相平衡过程，计算了饱和蒸气压、气液密度等关键参数，并绘制了包含临界点的相图。

关键技术包括：1) 采用COMPASS II力场精确描述分子间Lennard-Jones势能和静电相互作用；2) 通过气液共存体系模拟获取相平衡数据；3) 利用径向分布函数(RDF)分析分子相互作用机制；4) 对比总势能与范德华能验证模拟可靠性。

饱和蒸气压特性
模拟显示纯HFO-1132a饱和压力与实验数据吻合良好（最大误差2.90%），验证了方法的准确性。当HFC-134a占比增加时，混合工质饱和压力呈规律性下降，这与其分子间作用力增强相关。

密度变化规律
液相密度随HFC-134a含量增加而单调上升，而气相密度未呈现一致性趋势。这种非线性变化揭示了混合体系中复杂的分子堆积效应。

相图与临界点
首次通过MD模拟获得了HFO-1132a及其混合物的完整气液共存曲线，临界温度约302?K与实验值一致。混合工质临界参数的变化规律为制冷系统工况设计提供了重要参考。

能量学分析
298?K下纯物质与混合物的势能剖面显示，HFO-1132a在气相时分子间距较大导致势能较高，而液相中密集排列使范德华力成为主导相互作用。混合体系中HFC-134a的引入显著增强了分子间作用能。

该研究通过原子尺度模拟填补了环保制冷剂基础数据的空白，证明MD模拟能有效预测制冷工质热力学性质。特别是发现通过调节HFC-134a混合比例可精确调控工质饱和压力，这为开发"即插即用"型环保替代制冷剂提供了理论指导。虽然HFO-1132a具有轻微可燃性(A2L级)，但研究证实其与HFC-134a的混合可改善安全性能，这对平衡环保要求与系统改造成本具有重要意义。随着美国环保署(EPA)逐步限制高GWP制冷剂使用，该成果为制冷行业应对法规变化提供了关键技术支撑。