ОЗОНОБЕЗОПАСНАЯ РАБОЧАЯ СМЕСЬ Российский патент 1997 года по МПК C09K5/04 

Изобретение относится к составу рабочей смеси для рефрижераторных систем (РС), а также тепловых насосов (ТН), и предназначено для использования в установках малой производительности.

Известен двухкомпонентный хладагент для парокомпрессионных рефрижераторов, включающий озонобезопасные компоненты следующего состава: пентафторэтан (R125) и пропан или пропилен или н-бутан или изобутан или их смесь [1] Предпочтительно R125 составляет 60-80% лучше 65-75% состава смеси.

Недостатками известного хладагента являются повышенные абсолютные значения давления прямого и обратного потоков, что делает невозможным его непосредственное использование в существующих РС. Кроме того, бинарные смеси R125 с н-бутаном или изобутаном являются неазеотропными, что приводит к значительной разности температур в испарителе и конденсаторе РС, а это в свою очередь снижает энергетическую эффективность системы в целом.

Известна бинарная азеотропная смесь, включающая 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134) и бутан со следующим мольным составом: R134 (74%) н-бутан (26%) или R134 (66%) изобутан (34%) [2]
Недостатками известной смеси являются, во-первых, относительно низкая объемная холодопроизводительность, во-вторых, высокая нормальная температура кипения, вследствие чего в испарителе РС при температурах ниже 250 К образуется вакуум.

Наиболее близкой к предлагаемому является рабочая смесь, содержащая 1,1,1,2-тетрафторэтан (R134a) и углеводороды, представленные, например, пропаном и фторпроизводными метана и этана, при содержании тетрафторэтана в различных примерах от 25 до 95 мас. [3]
Однако и этому хладагенту присущи недостатки, связанные с повышенными абсолютными значениями давлений прямого и обратного потоков, что делает невозможным его непосредственное использование в существующих малых РС.

Цель изобретения повышение удельной холодопроизводительности рабочей смеси и понижение нормальной температуры кипения в испарителе РС ниже 250 К.

Цель достигается тем, что в известном хладагенте, содержащем 1,1,1,2-тетрафторэтан (R134a) и углеводород, в качестве углеводорода выбраны либо чистые вещества бутан или пентан, либо бинарные смеси н-бутана и изобутана или н-пентана и изопентана при содержании углеводорода в пределах от 5 до 80 мол.

Содержание тетрафторэтана в составе рабочей смеси предпочтительно составляет 20-95 мол.

Пример 1. Предлагаемую рабочую смесь готовят весовым способом. Каждый компонент смеси хранят в отдельном баллоне. Поочередно каждый из баллонов подсоединяют к стенду и в общий ресивер выпускают такое количество компонента, масса которого соответствует заданному количеству этого компонента в мольных процентах в рабочей смеси.

Вначале в ресивер выпускают высококипящий компонент, у которого давление насыщения при данной температуре наименьшее, а именно углеводород. Затем добавляют компонент с более низкой нормальной температурой кипения (Т_н.к.) и, соответственно, более высоким давлением паров R134a (Т_н.к. 246,7 К).

Минимальное (5% ) и максимальное (80%) содержание углеводорода в смеси определяется из условия максимально возможной удельной объемной холодопроизводительности смеси при включении в ее состав в качестве высококипящего углеводорода, например, н-пентана и низкокипящего углеводорода, например, пропана (фиг.1, 2). Максимум удельной холодопроизводительности в смесях типа R134a-углеводород объясняется наличием азеотропных и квазиазеотропных составов. При работе на таких смесях повышается давление на всасывании и плотность хладагента на входе в компрессор, что в свою очередь приводит к увеличению холодопроизводительности РС при неизменном эксергетическом КПД.

Выбор состава рабочего тела в указанном выше интервале осуществляется таким образом, чтобы на требуемом температурном уровне в испарителе давление в нем не было меньше атмосферного. Для проверки используются p-ξ диаграммы бинарных смесей.

В случае, когда в качестве углеводорода используется бинарная смесь углеводородов, взаимное содержание компонентов в ней может быть любым. Однако общее число молей углеводородных компонентов должно соответствовать мольному составу углеводорода в рабочей смеси.

Использование в рабочей смеси фреона R134a, имеющего нормальную температуру кипения, более низкую, чем R134 (аналог) (табл. 1), позволяет понизить температуру кипения рабочей смеси ниже 250 К и при этом избежать вакуума в испарителе РС.

Вместе с тем существенно увеличивается удельная объемная холодопроизводительность смеси при неизменном эксергетическом КПД РС. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики одноступенчатой РС без регенерации, работающей на традиционном хладагенте R12, фреоне R134a, смеси R134-бутан (аналог) и предлагаемой рабочей смеси, когда в качестве углеводорода используется бутан. Характеристики приведены для условий работы малых рефрижераторов: температура конденсации Т_к 313 К (40^oС), температура кипения Т_и 250 К (-23^oС).

В табл. 3 приведены аналогичные характеристики для теоретического цикла одноступенчатой парожидкостной РС с регенерацией. Степень регенерации принималась равной 20 К.

Из табл. 1, 2 видно, что предлагаемая рабочая смесь обладает большей по сравнению с прототипом объемной холодопроизводительностью при неизменном эксергетическом КПД и перепаде давлений в РС.

Использование: в качестве рабочего тела рефрижераторных систем (РС) и тепловых насосов (ТН). Сущность изобретения: озонобезопасная рабочая смесь содержит 1,1,1,2-тетрафторэтан (R134a) и углеводород, либо чистые вещества бутан или пентан, либо бинарные смеси н-бутана и изобутана, или н-пентана и изопентана при содержании углеводорода в составе рабочей смеси от 5 до 80 мол. %. Применение этой рабочей смеси позволяет увеличить удельную объемную производительность при неизменном эксергетическом КПД и перепаде давлений в РС или ТН. Вместе с тем использование такого рабочего тела позволяет понизить температуру кипения при избыточном давлении, например, в рефрижераторных системах ниже 250 К. 2 ил., 3 табл.

Озонобезопасная рабочая смесь, содержащая 1,1,1,2-тетрафторэтан и углеводород, отличающаяся тем, что в качестве углеводорода выбраны либо чистые вещества бутан или пентан, либо бинарные смеси н-бутана и изобутана, или н-пентана и изопентана при содержании углеводорода в составе рабочей смеси 5-80 мол.