КОМПОЗИЦИЯ ХЛАДАГЕНТА ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ХОЛОДИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C09K5/04 

Изобретение относится к композиции хладагента, используемого в железнодорожном холодильном оборудовании.

В настоящее время в холодильной технике и, в первую очередь в железнодорожной, широко используется дифтордихлорметан (хладон 12, R12). Однако в соответствии с Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой, производство этого хладона должно быть прекращено, поэтому во вновь изготовленном оборудовании следует применять озонобезопасные хладагенты, в частности, хладон 134a (1,1,1,2-тетрафторметан), который должен заменить хладон 12. Применение озоно-безопасного хладона 134a требует замены и минерального масла на полиэфирное синтетическое вследствие несовместимости этого хладагента с минеральными маслами, совместимыми хладоном 12. По этой причине хладон 134a не может использоваться взамен хладона 12 в эксплуатируемом оборудовании без полной очистки его от минерального масла, что в большинстве случаев является сложной и трудоемкой операцией и без существенной модернизации и доработки этого оборудования не удается обеспечить его дальнейшую работу путем замены хладагента.

Кроме того, одной из важнейших проблем для холодильных агрегатов железнодорожного транспорта является уменьшение потребления энергии и соответственно экономия топлива и электроэнергии, а также уменьшение вредных выбросов от продуктов сгорания двигателей, тепловых электростанций и т.д.

В связи с этим стоит задача уменьшения потребления энергии холодильными агрегатами железнодорожного транспорта как уже находящимися в эксплуатации, так и серийно выпускаемыми и разрабатываемыми за счет повышения холодопроизводительности хладонов при сохранении остальных характеристик, близких к R12.

Большинство зарубежных фирм предлагают составы - заменители хладона 12, не требующие модернизации холодильного оборудования при частичной замене минерального масла на алкилбензольное. Однако процедура замены масла является чрезвычайно трудоемкой.

Известен ряд композиционных хладагентов на основе дифторхлорметана (хладон 22), предназначенных для замены хладона 12.

Например, композиция, описанная в международной заявке WO 92-12216 и состоящая из хладона 22 (дифторхлорметан) 41-71 вес.%, хладона 600 (изобутан) 2-20 вес. % и хладона 142b (1,1-дифтор-1-хлорэтан) 21-51 вес.%, имеет ограничения по пожаробезопасности из-за содержания в ней горючих компонентов - изобутана и хладона 142b.

Композиция, раскрытая в международной заявке WO 92-16596 и содержащая хладон-22 65-75 вес.%, хладон-125 (пентафторэтан) 15-25 вес.% и пропан 5-15 вес.%, требует замены минерального масла на полиэфирное или алкилбензольное, что затрудняет, а в некоторых случаях делает невозможным его использование в качестве ретрофита для оборудования, эксплуатировавшегося ранее на хладоне 12.

Совместимость указанных хладагентов с минеральными маслами ограничена. Для сервисного обслуживания существующего холодильного оборудования совместимость хладагента с указанными маслами имеет большое значение, т.к. технология замены минерального масла трудоемка, неэкономична, длительна (от 7 до 500 ч) и дорога.

Известна композиция, раскрытая в патенте RU N 2013431 (МКИ C 09 K 5/00) и содержащая смесь галоидированных углеводородов, в состав которой входят: 2-12 мас.% фтордихлорметана (R21, дихлормонофторметан), 50-93 мас.% хлордифторметана (R22, монохлордифторметан) и 5-48 мас.% 1,1-дифтор-1-хлорэтана (R142b, 1-хлор-1,1-дифторэтан).

Однако эта композиция предназначена для промышленных рефрижераторов с глубоким охлаждением от -40 до -80^oC, компрессор которых приспособлен к использованию нафтенового, алкилбензольного или парафинового масел, и не пригодна для сервисного обслуживания железнодорожных холодильников, которые сконструированы для хладона 12 в сочетании с минеральным маслом и обеспечивают глубину охлаждения от +4 до -27^oC.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является взятая нами за прототип известная композиция, описанная в патенте RU N 2117025 (МКИ C 09 K 5/04) и содержащая смесь галоидированных углеводородов, в состав которой входят: дихлормонофторметан (R21) - 13 - 18 вес.%; монохлордифторметан (R22) - 65 - 70 вес.%; 1-хлор-1,1-дифторэтан (R142b) - 12 - 22 вес.%.

Эта композиция имеет хорошую совместимость с минеральным маслом, но из-за большого содержания хладона 21, у которого температура кипения при нормальном давлении составляет +8,7^oC, она обладает пониженной холодопроизводительностью и соответственно холодильные агрегаты с этой смесью обладают повышенным энергопотреблением.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в достижении наиболее близких к R12 характеристик смесевого хладагента, в первую очередь холодопроизводительности, уменьшении энергопотребления холодильных агрегатов, заправленных смесевым хладагентом, а также совместимости с минеральным маслом преимущественно марки ХФ12-16 и пригодности вследствие этого для сервисного обслуживания без какой-либо модификации холодильных агрегатов железнодорожного подвижного состава, обеспечивающих температуру охлаждения: 0 - +4^oC - для железнодорожных кондиционеров типа МАБ-II, -20^oC - для железнодорожного холодильного оборудования типа ФАЛ-056/1-6, ВР-1М, -27^oC - для железнодорожного холодильного оборудования типа ФАЛ-056/7.

Для решения указанной задачи предложена композиция хладагента, содержащая дихлормонофторметан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан, которая согласно изобретению содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:
Дихлормонофторметан - 0,1 - 13,0
Монохлордифторметан - 60 - 75
1-Хлор-1,1-дифторэтан - 27,0 - 39,9
При этом наиболее оптимальная композиция содержит, мас.%:
Дихлормонофторметан (R21) - 5 - 8
Монохлордифторметан (R22) - 60 - 75
1-Хлор-1,1-дифторэтан (R142b) - 27-35
Сущность изобретения заключается в том, что экспериментальным путем было подобрано такое количественное соотношение известных компонентов, которое обеспечило получение нового технического результата, а именно минимальное энергопотребление холодильными агрегатами разного типа железнодорожного подвижного состава, заправленными смесевым хладагентом, и максимально возможное приближение хладагента по термодинамическим характеристикам к хладону 12, а также обеспечению достаточной растворимости масла в этом хладагенте.

На фиг. 1 показана относительная объемная холодопроизводительность хладонов (Q_v/Q_v R12), используемых в циклах холодильных машин в зависимости от массовой доли хладона R22;
на фиг. 2 - относительный холодильный коэффициент цикла холодильных машин ВР-1М и ФАЛ-056/3 (E_x/E_x R12) в зависимости от массовой доли R22;
на фиг. 3 - мощность, потребляемая установкой ВР-1М при температуре конденсации T_к = 25^oC, при ее заправке хладонами 12 и смесевыми хладонами R22/R142b/R21 следующих составов 65/20/15, 65/25/10 и 65/30/5 масс.%;
на фиг. 4 - зависимость растворимости масла в смесевом хладоне от концентрации хладона 21;
на фиг. 5 - принципиальная схема терморегулирующего вентиля (ТРВ) холодильных железнодорожных установок;
на фиг. 6 - графическая схема влияния "глайда" смеси на работу (ТРВ) холодильных железнодорожных установок.

Из графиков, представленных на фиг. 1 и 2, видно, что уменьшение количества хладона 21 приводит к увеличению объемной холодопроизводительности смеси и холодильного коэффициента цикла. Кроме того, кривые объемной холодопроизводительности и холодильного коэффициента цикла имеют градиенты изменения с разным знаком и оптимальное количество хладона 22, как видно из графиков, лежит в пределах 60 - 75 мас.%. Это же подтвердили и эксперименты, проведенные на железнодорожных холодильных машинах типа ВР-1М, ФАЛ-056/1 - 7 и МАБ-11.

Из фиг. 3 видно, что уменьшение содержания хладона 21 в смесевом хладагенте приводит к уменьшению потребляемой мощности холодильного агрегата ВР-1М и при сохранении температурных характеристик и приближается к величине потребляемой мощности этого же холодильного агрегата при использовании хладона 12. Верхний допустимый предел хладона 21 определен экспериментально и равен 13 мас. %. Большее содержание хладона 21 приводит к превышению предельно допустимого уровня потребляемой мощности холодильным агрегатом ВР-1М. Аналогичные результаты были получены и для остальных железнодорожных холодильных агрегатов.

Нижний предел концентрации хладона 21 ограничивается растворимостью масла ХФ12-16 в смеси. Из фиг. 4 видно, что требуемому температурному диапазону холодильных установок железнодорожных кондиционеров (0 - +4^oC) соответствует кривая растворимости масла в смеси R22/R142b/R21 65/34,9/0,1 мас. %, для холодильных установок типа ФАЛ-056/1-6, ВР-1М (до -20^oC) - 65/32/3 мас. %, для машин типа ФАЛ-056/7 (до -27^oC) - 65/29/6 мас.%. Т.е. последний состав является универсальным для всех типов холодильных установок железнодорожного транспорта, что подтверждено также и экспериментально. Также экспериментально показано, что в этом случае оптимальным составом R22/R142b/R21 является:
Дихлормонофторметан (R21) - 5 - 8
Монохлордифторметан (R22) - 60 - 75
1-Хлор-1,1-дифторэтан (R142b) - 27 - 35
Верхний предел концентрации R21 также определяет работа терморегулирующих вентилей (ТРВ) железнодорожных холодильных установок. В термобаллоне (Т-Б) ТРВ железнодорожных холодильных установок (см. фиг. 5) заправлен хладон 12. Термобаллон прикреплен к трубопроводу, выходящему из испарителя и соединенному с всасывающим патрубком компрессора. При прохождении смеси через ТРВ и испаритель (И) температура наполнителя (R12) в термобаллоне и смеси одинакова. Однако среднее давление паров смеси (фиг. 6), которое действует на мембрану ТРВ (полость 2), и паров хладона R12 (полость 1) отличаются. Как видно из графика, представленного на фиг. 6, зависимость для смеси давления насыщенных паров от температуры P_s = f(T) имеет температурный "глайд", т.е. смещение по температуре между кривой P_s = f(T), когда смесь начинает кипеть, и кривой P_s = f(T), когда смесь полностью переходит в газ. Между этими кривыми находится влажный пар. Причем, чем больше мы будем добавлять хладона R21 в тройную смесь, оставляя концентрацию R22 постоянной (количество R22 в смеси определяет необходимую холодопроизводительность), тем больше будет "глайд", а также и отличие среднего давления паров смеси от давления паров R12, а следовательно, будет возрастать перепад давлений на мембране ТРВ. Максимально допустимое количество хладона 21, определенное в экспериментах для железнодорожных холодильных установок соответствует 13 мас.%.

При больших количествах R21 отрегулировать ТРВ для железнодорожных холодильных машин практически не удается, вследствие чего возникает влажный ход компрессора, т.е. в компрессор попадает влажный пар хладона или частично жидкость, что может привести к гидравличекому удару. Варьируя концентрацией компонентов смеси, было найдено оптимальное соотношение R22 - 60 - 75%, R142b - 27 - 35%, R21 - 5 - 8% по массе, при котором за счет регулирования ТРВ достигаются близкие к хладону 12 термодинамические характеристики и стабильная работа регулирующей аппаратуры холодильной установки.

Смесевой хладагент может также использоваться для бытового и торгового холодильного оборудования, но режим работы этого оборудования не будет оптимальным.

Изобретение относится к композиционным хладагентам, применяемым для замены хладона 12 в железнодорожном холодильном оборудовании. Предлагаемая композиция содержит, мас.%: дихлормонофторметан (R 21)-0,1-13,0; монохлордифторметан (R 22)-60-75 и 1 хлор-1,1-дифторэтан (R 142b)-27,0-39,9. Технический результат - достижение характеристик, наиболее близких к R21, в первую очередь, холодопроизводительности, уменьшение энергопотребления холодильных агрегатов, совместимость композиции с минеральным маслом марки ХФ 12-16 при обеспечении температуры охлаждения от +4^oС до - 27^oС. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Композиция хладагента для железнодорожного холодильного оборудования, содержащая дихлормонофторметан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан, отличающаяся тем, что она содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:
Дихлормонофторметан (R 21) - 0,1 - 13
Монохлордифторметан (R 22) - 60 - 75
1-Хлор-1,1-дифторэтан (R142b) - 27 - 39,9
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, мас.%:
Дихлормонофторметан (R 21) - 5 - 8
Монохлордифторметан (R 22) - 60 - 75
1-Хлор-1,1-дифторэтан (R 142b) - 27 - 351