РАБОЧАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН Российский патент 1997 года по МПК C09K5/04 

Изобретение относится к холодильной технике, предпочтительно к бытовым холодильным агрегатам, и может быть использовано в среднетемпературном холодильном оборудовании, кондиционерах, в том числе автомобильных, тепловых насосах и в исследовательских целях.

Известно несколько направлений разработок в области создания хладагентов, альтернативных фреону R 12, неразрушающих озоновый слой земной атмосферы. Одно из таких направлений связано с применением в составе хладагентов углеводородов.

Известна, например, рабочая смесь для холодильных машин, содержащая смесь хлордифторметана (CHF₂Cl, R 22) с изобутаном (С₄Н₁₀, R 600а), при содержании компонентов в следующем диапазоне, мас. хлордифторметан 65-80; изобутан 20-35 (заявка Великобритании, 2228739 А, С 09 К 5/00, 1990).

Известная рабочая смесь обладает сравнимыми с дихлордифторметаном (СF₂Cl₂, R 12) показателями хладопроизводительности и энергетической эффективности, и отличается от него более слабым воздействием на озоновый слой Земли.

Вместе с тем известная рабочая смесь не является азеотропной, что приводит к снижению производительности операций по заправке хладагента в агрегат в условиях массового производства, а также усложняет эксплуатацию холодильного оборудования при необходимости перезаправки агрегата. Кроме того, хладагент R 22 относится к группе так называемых переходных хладагентов и в соответствии с международными соглашениями по охране озонового слоя земной атмосферы к 2020 году должен быть полностью выведен из обращения.

Известны рабочие смеси для холодильных машин на основе экологически более безопасных, чем R 22 хладонов.

В частности, известна рабочая смесь для холодильных машин на основе пентафторэтана (С₂НF₅, R 125), содержащая изобутан R 600a. Содержание R 125 в смеси составляет 60-80 мас. (заявка Великобритании, 2247462А, С 09 К 5/00, 1991).

Использование данной смеси в холодильной технике затруднено вследствие неотработанности технологии производства хладона R 125 в промышленных масштабах. Кроме того, относительно высокое содержание фтора в молекуле R 125 (5 атомов) обуславливает увеличенный расход фтора при производстве хладона и, как вследствие, увеличивает его стоимость.

Следует отметить, что при характерных температурах в испарителях холодильных установок (-20)-(-25)^oС данная смесь будет иметь более высокое давление, чем R 12, что вызывает проблемы с ее возможным использованием вместо R 12.

Известна также рабочая смесь для холодильных машин на основе 1,1,2,2-тетрафторэтана (СНF₂CHF₂, R 134) и изобутана R 600a при следующем соотношении компонентов, мас. 1,1,2,2- тетрафторэтан 70-99; изобутан 1-30. (Заявка РСТ/US 92/02136, 1992).

Преимуществом данной рабочей смеси является ее азеотропный характер. Однако составляющий основу известной рабочей смеси хладон R 134 имеет весьма высокий показатель коэффициента глобального потепления, равный 0,3, что не в полной мере отвечает требованиям экологической безопасности.

Известны рабочие смеси для холодильных машин на основе дифторэтана (CHF₂CH₃, R 152a).

Этот фреон, также как R 134, имеет нулевой озоноповреждающий потенциал, по сравнению с R 134 обладает в 10 раз меньшим коэффициентом глобального потепления (0,03) и имеет лучшую растворимость в маслах.

Дифторэтан при нормальном атмосферном давлении кипит при -25^oС и по своим термодинамическим свойствам близок к R 12.

Известна рабочая смесь для холодильных машин на основе дифторэтана (R 152a), содержащая дополнительно хлордифторметан (R 22) при следующем соотношении компонентов, мас. дифторэтан 50-65; хлордифторметан 35-50 (Заявка ГДР, 271122А1, С 09 К 5/04, 1989).

При соотношении указанных компонентов R 22/R 152a, близком к 40:60, данная рабочая смесь имеет азеотропный характер, а ее энергетические характеристики при использовании в качестве холодильного агента совпадают с R 12.

Вместе с тем известная рабочая смесь для холодильных машин на основе дифторэтана имеет определенные недостатки. Хладон R 22 является переходным и должен постепенно выводиться из обращения. Из-за его присутствия в составе рабочей смеси она обладает отличным от нуля озоноповреждающим потенциалом. Кроме того, R 22 относительно плохо смешивается с минеральными маслами, используемыми для смазки компрессоров, что ухудшает эксплуатационные характеристики оборудования.

Не способствует повышению энергетической эффективности устройств, заправленных известной рабочей смесью, существенное различие молекулярных масс входящих в нее компонентов. Так, молекулярная масса R 22 составляет 86,5, а R 152а 66,1. Смесь таких газов, движущаяся через сужение или капилляр в соответствии со вторым законом Фика, разделяется по компонентам с коэффициентом пропорциональным , где М₁ и М₂ молекулярные массы компонентов. Причем более легкий компонент после прохода сужения обогощается, а более тяжелый обедняется. Следствием этого является возникновение в замкнутом газовом цикле зон различных концентраций, отличных от исходной.

В результате устройство, использующее такую смесь, теряет свойство устойчивости рабочих параметров из-за периодического изменения состава компонентов рабочей смеси, что обуславливает нарушение работы конденсатора, неустойчивую работу испарителя и в конечном итоге приводит к увеличению энергопотребления.

Наиболее близким по максимальному количеству существенных признаков к предложенному техническому решению является рабочая смесь для холодильных машин, содержащая дифторэтан и изобутан (заявка РСТ N 93/15161, С 09 К 5/04, 1993).

Известная рабочая смесь включает также хлордифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. дифторэтан 2-20; изобутан 2-20; хлордифторметан 50-70.

Известная рабочая смесь обладает достаточно высокими энергетическими характеристиками. Вместе с тем известная рабочая смесь, также как и смесь, известная из заявки Великобритании N 2228739, не является азеотропной, что отрицательно сказывается на производительности операций по заправке хладагентов в агрегат в условиях массового производства, а также усложняет эксплуатацию холодильного оборудования. Кроме того, хлордифторметан обладает значительным озоноповреждающим потенциалом.

В основу изобретения положено решение задачи по разработке рабочей смеси для холодильных машин, включающей дифторэтан и изобутан, обеспечивающей лучшую озонобезопасность, повышение энергетической эффективности и эксплуатационной надежности холодильных машин.

Техническим результатом изобретения является снижение озоноповреждающего потенциала рабочей смеси для холодильных машин, содержащей дифторэтан и изобутан, и повышение холодильного коэффициента.

Поставленная задача решается тем, что рабочая смесь для холодильных машин, включающая дифторэтан и изобутан, содержит компоненты в следующих соотношениях, мас. дифторэтан 60-72; изобутан 28-40.

Исключение из компонентов рабочей смеси хлордифторметана обеспечивает для смеси нулевое значение озоноповреждающего потенциала.

Кроме того, как показали расчетно-экспериментальные исследования, величина холодильного коэффициента цикла для заявленного диапазона содержания компонентов превышает значение холодильного коэффициента такого эффективного хладагента, как R 12.

На фиг. 1 изображен график изменения давления рабочей смеси в зависимости от концентрации R 152а при температуре 313,5 К; на фиг. 2 график изменения давления рабочей смеси в зависимости от концентрации R 152a при температуре 253,15 К.

В результате исследований установлено, что в предложенном изобретении диапазоне количественного содержания компонентов рабочая смесь имеет характер азеотропной равнокипящей смеси. Об этом свидетельствуют, в частности, графики, демонстрирующие изменение давления рабочей смеси в зависимости от содержания R 152а. Как следует из графиков, в диапазоне содержания дифторэтана от 60 до 75 мас. при температурах, отличающихся на 50 К, давление рабочей смеси остается практически неизменным, что свидетельствует об отсутствии границы между жидкой и газообразной фазой и подтверждает азеотропный характер смеси.

Пример. Перед заправкой в холодильную машину смесь выбранного количественного состава приготавливают в отдельной емкости весовым способом.

При приготовлении 1 кг смеси в баллон с 300 г изобутана R 600а, переливают из другого баллона, который предварительно был подсоединен к 1 баллону, 700 г фреона (R 152а).

Доза заправки холодильника определяется по изменению веса баллона со смесью R 152a/R 600а, подсоединенного к всасывающей магистрали компрессора холодильного агрегата холодильника.

Для холодильника "Бирюса-22" доза заправки смеси R 152a/R 600a составляет 80 г. Заправочный патрубок холодильного агрегата через тройник подсоединяется к баллону со смесью и к вакуумному насосу. Для удаления посторонних газов холодильный агрегат предварительно вакуумируют, баллон со смесью при этом закрыт.

После откачки посторонних газов производят заправку холодильника смесью при включенном компрессоре. Смесь в газообразном виде закачивают в холодильный агрегат. Баллон находится на весах. После изменения веса баллона на 80 г заправка прекращается.

Оптимальная доза заправки каждого типа холодильного агрегата выбирается с учетом минимального суточного энергопотребления.

В табл. 1 приведены данные, характеризующие суточное энергопотребление холодильника "Бирюса-22" при работе на предложенной рабочей смеси при соотношении концентраций R 152a/R 600a 70-30, а также при использовании в качестве хладагентов R 134a и R 12.

Как следует из табл.1, суточное энергопотребление холодильника при использовании в качестве хладагента R 12 и R 134а выше, чем у предложенной рабочей смеси на основе дифторэтана.

В табл.2 представлены расчетно-исследовательские данные по величине холодильного коэффициента цикла для предложенной смеси R 152a/R 600a в сравнении с холодильным коэффициентом R 12.

Значения холодильного коэффициента ε даны при t_кип -20^oС, t_конд 55^oС и температуры перед компрессором t_комп 32^oС.

В табл. 3 приведены данные калориметрических испытаний компрессора ХКВ-6 для трех конкретных составов предложенной рабочей смеси в сравнении с хладагентами R 12, R 152a и R 600a.

Испытания проводились при условиях, идентичных условиям, при которых исследовалось поведение холодильного коэффициента. Как следует из табл. 2 и 3, в диапазоне концентраций R 152a от 60 до 75 мас. и R 600a от 25 до 40 мас. наблюдается увеличение холодильного коэффициента.

Таким образом, при прибавлении к дифторэтану изобутана образуется смесь двух взаиморастворимых компонентов с близкими молекулярными весами, имеющая озоноповреждающий потенциал, равный нулю и по энергетической эффективности в широком диапазоне концентраций компонентов практически равная R 12.

В заявленном диапазоне концентраций предложенная рабочая смесь имеет азеотропный характер и обеспечивает достижение величины холодильного коэффициента, превышающего холодильный коэффициент R 12 и, соответственно, прототипа.

Предложенная рабочая смесь может найти применение в среднетемпературных холодильных агрегатах и кондиционерах, в том числе автомобильных и тепловых насосах. При этом смесь можно использовать в существующих холодильных агрегатах без их существенных конструктивных изменений.

Использование: в среднетемпературном холодильном оборудовании, кондиционерах и в исследовательских целях. Сущность изобретения: рабочая смесь для холодильных машин включает дифторэтан (R-152a) и изобутан (R-600а) при следующем соотношении компонентов, мас.%: дифторэтан 60-72, изобутан 28-40. Смесь имеет нулевой озоноповреждающий потенциал, а составляющие ее компоненты обладают близкими молекулярными массами. 3 табл.

Рабочая смесь для холодильных машин, включающая дифторэтан и изобутан, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующих соотношениях, мас.

Дифторэтан 60 72
Изобутан 28 40