coolprop-db

CoolProp 数据库技能

使用 CoolProp 开源热物理性质库，查询 100 多种纯流体和类纯流体的热力学与传输性质。

概述

CoolProp 是一个全面的热物理性质数据库，提供：

• 纯流体：水、空气、氨、二氧化碳及其他 100 多种流体
• 制冷剂：R134a、R410A、R32、R404A、R407C、R507A 等
• 工业流体：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氮气、氧气、氩气
• 传输性质：黏度、热导率、表面张力
• 热力学性质：焓、熵、密度、比热
• 相态信息：饱和性质、两相行为、临界点

CoolProp 使用高精度状态方程（Helmholtz 能量公式），并通过 NIST REFPROP 数据验证。

安装

Python

pip install CoolProp

验证安装

import CoolProp
print(CoolProp.__version__)
print(CoolProp.get_global_param_string("version"))

核心 API 函数

PropsSI - 主要性质查询函数

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

# Syntax: PropsSI(output, input1_name, input1_value, input2_name, input2_value, fluid)
value = PropsSI('D', 'T', 298.15, 'P', 101325, 'Water')

Props1SI - 单输入性质

from CoolProp.CoolProp import Props1SI

# For properties requiring only fluid name
T_crit = Props1SI('Tcrit', 'Water')  # Critical temperature
P_crit = Props1SI('Pcrit', 'Water')  # Critical pressure

性质代码（输入/输出参数）

热力学性质

代码	性质	SI 单位	描述
T	温度	K	绝对温度
P	压力	Pa	绝对压力
D	密度	kg/m³	质量密度
H	焓	J/kg	比焓
S	熵	J/kg/K	比熵
U	内能	J/kg	比内能
Q	干度	-	蒸汽质量分数（0-1）
Dmolar	摩尔密度	mol/m³	摩尔密度
Hmolar	摩尔焓	J/mol	摩尔焓
Smolar	摩尔熵	J/mol/K	摩尔熵

传输性质

代码	性质	SI 单位	描述
V	黏度	Pa·s	动力黏度
L	热导率	W/m/K	热导率
C	比热（定压）	J/kg/K	定压比热 Cp
O	比热（定容）	J/kg/K	定容比热 Cv
PRANDTL	普朗特数	-	Pr = μ·Cp/k
I	表面张力	N/m	液-汽界面

相态性质

代码	性质	SI 单位	描述
Phase	相态索引	-	0=液体，3=超临界，5=气体，6=两相
Q	干度	-	0=饱和液体，1=饱和蒸汽

临界点/三相点性质（与 Props1SI 搭配使用）

代码	性质	SI 单位	描述
Tcrit	临界温度	K	临界点温度
Pcrit	临界压力	Pa	临界点压力
Ttriple	三相点温度	K	三相点温度
Ptriple	三相点压力	Pa	三相点压力
M	摩尔质量	kg/mol	分子量
ACENTRIC	偏心因子	-	Pitzer 偏心因子

常见流体

水和空气

• Water - 纯水（H₂O）
• Air - 干燥空气（类纯混合物）

常见制冷剂

• R134a - HFC，常用于汽车空调
• R410A - HFC 混合物，用于住宅空调/热泵
• R32 - HFC，较低 GWP 的替代品
• R404A - HFC 混合物，用于商用制冷
• R407C - HFC 混合物，用于空调系统
• R507A - HFC 混合物，用于低温制冷
• R22 - HCFC（正在逐步淘汰）
• R717 - 氨（NH₃）
• R744 - 二氧化碳（CO₂）

碳氢化合物

• Methane、Ethane、Propane、n-Butane、IsoButane
• n-Pentane、Isopentane、n-Hexane、n-Heptane、n-Octane
• n-Nonane、n-Decane

低温气体

• Nitrogen、Oxygen、Argon、Helium、Neon、Hydrogen

工业气体

• CO2 - 二氧化碳
• CO - 一氧化碳
• H2S - 硫化氢
• SO2 - 二氧化硫
• Ammonia - NH₃

查询示例

示例 1：标准条件下的水性质

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

# Water at 25°C (298.15 K) and 1 atm (101325 Pa)
T = 298.15  # K
P = 101325  # Pa

density = PropsSI('D', 'T', T, 'P', P, 'Water')  # kg/m³
enthalpy = PropsSI('H', 'T', T, 'P', P, 'Water')  # J/kg
entropy = PropsSI('S', 'T', T, 'P', P, 'Water')  # J/kg/K
viscosity = PropsSI('V', 'T', T, 'P', P, 'Water')  # Pa·s
cp = PropsSI('C', 'T', T, 'P', P, 'Water')  # J/kg/K

print(f"Water at {T-273.15}°C and {P/1000:.1f} kPa:")
print(f"  Density: {density:.2f} kg/m³")
print(f"  Enthalpy: {enthalpy/1000:.2f} kJ/kg")
print(f"  Entropy: {entropy/1000:.4f} kJ/kg·K")
print(f"  Viscosity: {viscosity*1000:.4f} mPa·s")
print(f"  Cp: {cp/1000:.4f} kJ/kg·K")

示例 2：制冷剂饱和性质

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

# R134a saturation properties at 25°C
T_sat = 298.15  # K
fluid = 'R134a'

# Get saturation pressure at this temperature
P_sat = PropsSI('P', 'T', T_sat, 'Q', 0, fluid)  # Pa

# Saturated liquid properties (Q=0)
rho_liquid = PropsSI('D', 'T', T_sat, 'Q', 0, fluid)
h_liquid = PropsSI('H', 'T', T_sat, 'Q', 0, fluid)
s_liquid = PropsSI('S', 'T', T_sat, 'Q', 0, fluid)

# Saturated vapor properties (Q=1)
rho_vapor = PropsSI('D', 'T', T_sat, 'Q', 1, fluid)
h_vapor = PropsSI('H', 'T', T_sat, 'Q', 1, fluid)
s_vapor = PropsSI('S', 'T', T_sat, 'Q', 1, fluid)

# Latent heat
h_fg = h_vapor - h_liquid

print(f"{fluid} at {T_sat-273.15}°C:")
print(f"  Saturation pressure: {P_sat/1000:.2f} kPa")
print(f"  Liquid density: {rho_liquid:.2f} kg/m³")
print(f"  Vapor density: {rho_vapor:.2f} kg/m³")
print(f"  Latent heat: {h_fg/1000:.2f} kJ/kg")

示例 3：压力-焓（P-H）状态点

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

# Find temperature at known pressure and enthalpy
P = 500000  # 5 bar = 500 kPa
h = 250000  # 250 kJ/kg

T = PropsSI('T', 'P', P, 'H', h, 'R134a')
Q = PropsSI('Q', 'P', P, 'H', h, 'R134a')

print(f"R134a at {P/1000:.0f} kPa and {h/1000:.0f} kJ/kg:")
print(f"  Temperature: {T-273.15:.2f}°C")
print(f"  Quality: {Q:.4f} (0=liquid, 1=vapor)")

示例 4：临界点和三相点数据

from CoolProp.CoolProp import Props1SI

fluids = ['Water', 'CO2', 'Nitrogen', 'R134a']

for fluid in fluids:
    T_crit = Props1SI('Tcrit', fluid)
    P_crit = Props1SI('Pcrit', fluid)
    T_triple = Props1SI('Ttriple', fluid)
    M = Props1SI('M', fluid)

    print(f"\n{fluid}:")
    print(f"  Critical point: {T_crit-273.15:.2f}°C, {P_crit/1e6:.2f} MPa")
    print(f"  Triple point: {T_triple-273.15:.2f}°C")
    print(f"  Molar mass: {M*1000:.2f} g/mol")

示例 5：黏度随温度的变化

from CoolProp.CoolProp import PropsSI
import numpy as np

# Calculate water viscosity from 0°C to 100°C at atmospheric pressure
P = 101325  # Pa
temperatures = np.linspace(273.15, 373.15, 11)  # 0 to 100°C

print("Water viscosity vs temperature:")
print("T(°C)    μ(mPa·s)")
for T in temperatures:
    mu = PropsSI('V', 'T', T, 'P', P, 'Water') * 1000  # Convert to mPa·s
    print(f"{T-273.15:5.0f}    {mu:.4f}")

示例 6：两相性质

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

# R134a at 10 bar with 50% quality
P = 1000000  # 10 bar = 1 MPa
Q = 0.5  # 50% vapor

T = PropsSI('T', 'P', P, 'Q', Q, 'R134a')
h = PropsSI('H', 'P', P, 'Q', Q, 'R134a')
s = PropsSI('S', 'P', P, 'Q', Q, 'R134a')
rho = PropsSI('D', 'P', P, 'Q', Q, 'R134a')

print(f"R134a two-phase at {P/1e6:.1f} MPa, quality = {Q}:")
print(f"  Temperature: {T-273.15:.2f}°C")
print(f"  Enthalpy: {h/1000:.2f} kJ/kg")
print(f"  Entropy: {s/1000:.4f} kJ/kg·K")
print(f"  Density: {rho:.2f} kg/m³")

温度和压力的影响

温度范围

• 每种流体都有有效温度范围，介于三相点和最高温度之间
• 典型范围：三相点温度 < T < 2000 K（因流体而异）
• 使用 Props1SI('Tmin', fluid) 和 Props1SI('Tmax', fluid) 检查限值

压力范围

• 每种流体都有有效压力范围
• 典型范围：三相点压力 < P < 1000 MPa（因流体而异）
• 使用 Props1SI('pmin', fluid) 和 Props1SI('pmax', fluid) 检查限值

相区

1. 过冷液体：在给定 P 下，T < T_sat；或在给定 T 下，P > P_sat
2. 两相区：T = T_sat 且 0 < Q < 1
3. 过热蒸气：在给定 P 下，T > T_sat；或在给定 T 下，P < P_sat
4. 超临界区：T > T_crit 且 P > P_crit

输入对限制

并非所有输入对在所有区域都有效：

• (T, P)：仅在单相区域有效（两相区除外）
• (P, Q)：适用于两相区和饱和状态（0 ≤ Q ≤ 1）
• (T, Q)：适用于两相区和饱和状态（0 ≤ Q ≤ 1）
• (P, H)：适用于所有区域
• (P, S)：适用于所有区域
• (H, S)：适用于所有区域（适用于等熵过程）

错误处理

常见错误和解决方案

错误：“CoolProp error: [PropsSI] Two saturation inputs are not valid”

• 问题：尝试在两相区使用 (T, P)
• 解决方案：两相状态请使用 (T, Q) 或 (P, Q)

错误：“CoolProp error: Value is outside range”

• 问题：温度或压力超出有效范围
• 解决方案：使用 Props1SI('Tmin', fluid) 等检查流体限值

错误：“CoolProp error: Fluid not found”

• 问题：流体名称或拼写错误
• 解决方案：使用准确的流体名称（区分大小写），并查阅文档

错误：“Unable to match the inputs”

• 问题：输入组合无效或迭代失败
• 解决方案：检查输入值在物理上是否合理

安全查询模式

from CoolProp.CoolProp import PropsSI

def safe_props(output, input1, value1, input2, value2, fluid):
    """Query CoolProp with error handling"""
    try:
        result = PropsSI(output, input1, value1, input2, value2, fluid)
        return result
    except ValueError as e:
        print(f"Error querying {fluid}: {e}")
        return None
    except Exception as e:
        print(f"Unexpected error: {e}")
        return None

# Usage
density = safe_props('D', 'T', 300, 'P', 101325, 'Water')
if density is not None:
    print(f"Density: {density:.2f} kg/m³")

工程应用

HVAC 系统设计

• 制冷剂循环分析（蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀装置）
• 换热器计算
• 性能系数（COP）计算

动力循环

• Rankine 循环（蒸汽轮机）
• Brayton 循环（燃气轮机）
• 有机 Rankine 循环（ORC）

过程工程

• 传热计算
• 管道流动和压降
• 相平衡
• 储罐设计

低温系统

• 液化过程
• 储存和处理
• 热漏计算

参考资料

官方文档

• CoolProp 网站：http://www.coolprop.org/
• Python 文档：http://www.coolprop.org/coolprop/HighLevelAPI.html
• 流体性质：http://www.coolprop.org/fluid_properties/PurePseudoPure.html
• 验证数据：http://www.coolprop.org/validation/index.html

重要论文

• Bell, I. H., Wronski, J., Quoilin, S., & Lemort, V. (2014). “纯流体和拟纯流体热物理性质评估及开源热物理性质库 CoolProp。” Industrial & Engineering Chemistry Research, 53(6), 2498-2508.

状态方程参考资料

• Lemmon, E. W., Huber, M. L., & McLinden, M. O. (2013). NIST 标准参考数据库 23：参考流体热力学和输运性质（REFPROP），版本 9.1。美国国家标准与技术研究院。

源代码

• GitHub：https://github.com/CoolProp/CoolProp
• 问题跟踪器：https://github.com/CoolProp/CoolProp/issues

最佳实践

1. 输入和输出始终使用 SI 单位（K、Pa、J/kg 等）
2. 选择输入参数对之前，先检查相区
3. 使用 try-except 块妥善处理错误
4. 查询前验证取值范围（尤其是温度和压力）
5. 两相计算使用干度（Q）
6. 多次查询时缓存关键属性
7. 流体自身属性（临界点、摩尔质量）使用 Props1SI
8. 对于跨所有相区的稳健查询，优先使用 (P, H) 或 (P, S)

快速参考表

任务	函数	示例
两个输入参数的属性	PropsSI(output, in1, val1, in2, val2, fluid)	PropsSI('D', 'T', 300, 'P', 101325, 'Water')
单个输入参数的属性	Props1SI(param, fluid)	Props1SI('Tcrit', 'Water')
饱和液体	使用 Q=0	PropsSI('H', 'T', 300, 'Q', 0, 'R134a')
饱和蒸气	使用 Q=1	PropsSI('H', 'T', 300, 'Q', 1, 'R134a')
两相	使用 0<Q<1	PropsSI('D', 'P', 500000, 'Q', 0.5, 'R134a')
列出所有流体	CoolProp.__fluids__	import CoolProp; print(CoolProp.__fluids__)

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