ХЛАДАГЕНТ Российский патент 2018 года по МПК C09K5/04 F25B9/00 

Настоящее изобретение относится к смеси фторуглеводородных (HFC) хладагентов для применения в тепловом насосе.

Настоящее изобретение также относится к тепловым насосам, содержащим многокомпонентные жидкие хладагенты, в частности, но не исключительно, для систем кондиционирования воздуха и других систем тепловой накачки.

В данном описании термин "тепловой насос" используется в общем для описания любого питаемого устройства, перемещающего тепло от источника к теплоотводу против температурного градиента в результате механической работы и предусматривающего цикл конденсации и испарения летучего хладагента. Кондиционер воздуха или рефрижератор представляет собой конкретный тип теплового насоса, где для предполагаемого применения, то есть охлаждения замкнутого пространства, требуется более низкая температура. В свою очередь, охладитель представляет собой конкретный тип теплового насоса, где для предполагаемого применения, то есть нагревания замкнутого пространства, требуется более высокая температура. Различие между установкой для кондиционирования воздуха или рефрижератором и охладителем заключается лишь в предназначении, а не в принципе действия. В действительности многие так называемые системы для "кондиционирования воздуха" предназначены для подачи тепла или холода в зависимости от потребности пользователя в конкретный момент времени. В данном описании термин "кондиционирование воздуха" будет применяться к системам, предназначенным только для охлаждения. Тепловой насос, который может подавать тепло или холод в зависимости от выбранного режима эксплуатации, называют в данном описании "реверсивным тепловым насосом". Тепловой насос обычно имеет замкнутый контур, содержащий испаритель, конденсатор и насос.

Все тепловые насосные устройства могут функционировать за счет внешнего источника энергии, который может потенциально способствовать глобальному потеплению в результате высвобождения CO₂ в атмосферу при сжигании ископаемого топлива. Его иногда называют "косвенным" глобальным потеплением, чтобы отличить его от "прямого" глобального потепления, вызываемого высвобождением хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления, таких как фторуглеводороды (HFC). Сумма прямых и косвенных вкладов в глобальное потепление в результате функционирования теплового насоса известна как его "общий коэффициент эквивалентного потепления" или "TEWI". Для большинства тепловых насосов косвенный вклад значительно превышает прямой эффект, например, по меньшей мере в пять раз. Темпы общего глобального потепления, вызываемого тепловым насосом, можно снизить, сделав устройство более энергоэффективным или заменив HFC хладагентами, имеющими более низкий потенциал глобального потепления. Предпочтительно можно применять комбинацию обоих подходов.

Хорошо известно, что хлорфторуглероды (CFC), такие как R12 (CF₂Cl₂) и R502, и гидрохлорфторуглероды (HCFC), такие как R22, мигрируют в стратосферу, где они распадаются под действием ультрафиолетового света и разрушают озоновый слой. Эти озоноразрушающие вещества (ODS) находятся в процессе замещения альтернативными веществами, не разрушающими озон, такими как HFC, HFO и углеводороды.

Основными заменителями R502, не разрушающими озон, являются композиции на основе HFC с хладагентами под номерами R404A и R507, которые, хоть и являются превосходными хладагентами с точки зрения энергоэффективности, невоспламеняемости, низкой токсичности и термодинамических свойств, тем не менее имеют GWP, находящийся на верхней границе диапазона для обычно применяемых HFC. R404A и R507 имеют GWP, составляющие соответственно 3922 и 3985, согласно Четвертому оценочному докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата.

Проблемой применения HFC в качестве хладагентов была их низкая совместимость со смазывающими веществами, применяемыми для обеспечения плавного хода насоса, применяемого для прогона HFC по системе. Многие существующие системы были разработаны для применения с CFC и HCFC, такими как R12 или R22, или более ранними смесями CFC/HCFC, такими как R502. Эти хладагенты совместимы со смазывающими веществами на основе минерального масла или алкилбензола. Однако смеси HFC, применяемые для замещения CFC, в меньшей степени смешиваются с минеральным маслом или другими углеводородными смазывающими веществами, так что необходимым было применение углеводородного компонента. Углеводороды являются проблематичными ввиду присущей им воспламеняемости и их склонности к образованию воспламеняемых смесей. Требования для аттестации по категории 1 ASHRAE включают требование невоспламеняемости при наихудших условиях составления/фракционирования. Углеводороды с более низкой температурой кипения, такие как пропан или изобутан, испаряются в ходе начальных стадий утечки, тогда как углеводороды с более высокой температурой кипения, такие как пентан, обычно остаются в контейнере с образованием воспламеняемого остатка. Могут образовываться азеотропные смеси, и углеводороды и HFA со сходными температурами кипения обычно перегоняются совместно. Кроме того, требования, предъявляемые к углеводородному компоненту, варьируют в зависимости от рабочей температуры смеси хладагентов, необходимой для различных путей применения. Морозильные камеры в супермаркетах могут функционировать при -35°C, домашние морозильные камеры при от -18°C до -25°C, домашние рефрижераторы при от -3°C до 6°C, а системы кондиционирования воздуха при от 0°C до 20°C. Поэтому большое внимание было сосредоточено на максимальном увеличении количества углеводорода без создания опасности воспламенения.

Особенная проблема возникает при замене смеси хладагентов в существующем оборудовании, в отличие от применения хладагента в новом оборудовании, поскольку полная замена смазывающего вещества является непрактичной. Поэтому новый сменный хладагент должен быть совместимым с существующим смазывающим веществом, в частности, минеральным маслом или алкилбензолом. Тем не менее, хладагент должен иметь способность к применению с оборудованием, содержащим сложные полиэфиры или другие обычно используемые смазывающие вещества.

Согласно настоящему изобретению представлена композиция хладагента, состоящая главным образом из:

R227ea - 3-6%,

R134a - 42,5-65%,

R125 - 15-30%,

R32 - 10-20%

вместе с необязательным углеводородным компонентом,

где количества приведены по весу и выбраны таким образом, чтобы в общей сложности составлять 100%.

Хладагенты по настоящему изобретению можно применять в качестве заменителей R22 в существующем оборудовании. Предпочтительные композиции обладают особенно преимущественными свойствами. Давление незначительно превышает давление для R22 и преимущественно является более низким, чем давление для R407C, который обычно применяют в качестве заменителя R22. Хладагенты являются невоспламеняемыми и имеют потенциал глобального потепления менее 2200.

Температуры на выходе из компрессора являются более низкими, чем для R22. Тем не менее, температуры на выходе являются преимущественными, поскольку разложение смазочного масла снижается, что приводит к уменьшению образования продуктов разложения у выходного отверстия при длительном использовании.

Хладагенты можно применять для кондиционирования воздуха, охлаждения и путей общего применения в охладителях. Значение температурного скольжения может быть относительно высоким, например, в пределах диапазона от 3,9 до 4,7°C. Относительно высокое значение температурного скольжения дает более высокие показатели энергоэффективности и энергоемкости. Значения расхода на киловатт сравнимы с таковыми для R22. Это позволяет применять хладагенты в качестве усовершенствования для существующего оборудования для R22. Хладагенты по настоящему изобретению имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они могут быть составлены с использованием ингредиентов, имеющихся в продаже. Коэффициент эффективности сравним с таковым у R22. Важно, что GWP является низким при сохранении невоспламеняемости, особенно в конце утечки, когда более летучие соединения были утрачены из смеси. Важно, что воспламеняемые компоненты утрачиваются из смеси постепенно в ходе утечки, так что ни уходящий пар, ни остаточная жидкость не являются воспламеняемыми.

Если применяют углеводородный компонент, то он совместим с углеводородными смазывающими веществами, например минеральным маслом, алкилбензолами или полиолефиновыми смазывающими веществами, а также с кислородсодержащими смазывающими веществами, в частности, сложными эфирами полиолов и полиэфирами.

В данном описании в тех случаях, когда смеси определены процентным содержанием HFC компонентов, смеси также могут содержать необязательный углеводородный компонент, где количества приведены по весу и представляют собой количества HFC и НС, совместно выбранные таким образом, чтобы в общей сложности составлять 100%.

Углеводородный компонент может включать от 0,6 до 5%, предпочтительно от 1 до 5%, по весу углеводорода, выбранного из группы, включающей пропан, 2-метилпропан, бутан, пентан, 2-метилбутан и их смеси.

Предпочтительные углеводороды выбраны из бутана, 2-метилпропана, 2-метилбутана и их смесей.

Особенно предпочтительными являются смеси бутана и 2-метилбутана. Для достижения удовлетворительного возврата масла используют количество 0,6% бутана и 0,6% 2-метилбутана, так что общее содержание углеводорода составляет 1,2%.

Углеводородный компонент предпочтительно может включать от 1 до 6% углеводородов, выбранных из группы, включающей пропен, пропан, 2-метилпропан, н-бутан, бут-1-ен, бут-2-ен, 2-метилпропен, н-пентан и 2-метилбутан или их смеси, для способствования возврату масла. Смеси, содержащие два или более углеводорода, являются предпочтительными, если компрессоры смазывают углеводородными маслами.

Особенно предпочтительный углеводородный компонент включает смесь бутана и 2-метилбутана, где каждый из них присутствует в количестве, равном или превышающем 0,6% по весу.

Определенные предпочтительные композиции содержат 0,6-1,9%, предпочтительно 0,6%, н-бутана и 0,3-0,6%, предпочтительно 0,6%, 2-метилбутана.

Особенно предпочтительная композиция содержит:

Особенно предпочтительная композиция содержит:

Другая предпочтительная композиция содержит:

Конкретные предпочтительные композиции содержат следующие смеси:

В предпочтительных вариантах осуществления композиции хладагентов по настоящему изобретению могут содержать указанные ингредиенты в том смысле, что никакие дополнительные соединения, за исключением возможных следов примесей, в функциональных количествах не присутствуют.

Смеси по настоящему изобретению предпочтительно имеют категорию А2 по воспламеняемости согласно классификации Комитета 34 ASHRAE, т.е. обладают низкой токсичностью и слабой воспламеняемостью. Более предпочтительно смеси имеют категорию А1, т.е. обладают низкой токсичностью и являются невоспламеняемыми.

В данном описании энергоэффективность теплового насоса выражена в виде его "холодильного коэффициента" (СОР), который определяется как соотношение производимого холода, деленного на энергию, потребляемую электродвигателем, управляющим компрессором.

Процентные содержания и другие количества, упоминаемые в данном описании, приведены по весу, если не указано иное, и выбраны из любых указанных диапазонов, в общей сложности охватывающих 100%.

Настоящее изобретение дополнительно описано с помощью примера, но не в каком-либо ограничительном смысле.

Получали смеси, содержащие следующие ингредиенты.

Пример 1

В таблице 3 представлены сравнительные данные цикла для имеющихся в продаже хладагентов, применяемых в типичной системе кондиционирования воздуха. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из комнаты; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать необходимый уровень в комнате.

Условия эксплуатации для системы переменного тока являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (С) = 7,0,

перегрев всасываемого газа (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (С) = 45,0,

переохлаждение жидкости (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4.

Пример 2

В таблице 4 представлены сравнительные данные цикла для имеющихся в продаже хладагентов, применяемых в типичной холодильной системе. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из холодильной емкости; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать рефрижератор на необходимом уровне.

Условия эксплуатации для холодильной системы являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (°C) = -35,0,

перегрев (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (°C) = 35,0,

переохлаждение (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно TAR.

Пример 3

Модель типичной холодильной системы была создана с использованием смесей хладагентов, получаемых в соответствии с данным описанием в тех же условиях эксплуатации, что и для хладагентов в примере 3. Полученные эксплуатационные данные показаны в таблице 5.

Пример 4

В таблице 6 представлены сравнительные данные цикла для двух имеющихся в продаже хладагентов, R407C и R22, применяемых в типичной системе кондиционирования воздуха, а также данные цикла для смесей 24-30, составленных в соответствии с данным описанием. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из комнаты; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать необходимый уровень в комнате.

Условия эксплуатации для системы переменного тока являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (С) = 7,0,

перегрев всасываемого газа (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (С) = 45,0,

переохлаждение жидкости (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4.

Пример 5

В таблице 7 представлены сравнительные данные цикла для имеющихся в продаже хладагентов, применяемых в типичной холодильной системе, а также для смесей 24-30, составленных в соответствии с данным описанием. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из холодильной емкости; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать рефрижератор на необходимом уровне.

Условия эксплуатации для холодильной системы являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (°C) = -35,0,

перегрев (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (°C) = 35,0,

переохлаждение (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4

Пример 6

В таблице 8 представлены сравнительные данные цикла для двух имеющихся в продаже хладагентов, R407C и R22, применяемых в типичной системе кондиционирования воздуха, а также данные цикла для смесей 31-32, составленных в соответствии с данным описанием. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из комнаты; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать необходимый уровень в комнате.

Условия эксплуатации для системы переменного тока являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (С) = 7,0,

перегрев всасываемого газа (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (С) = 45,0,

переохлаждение жидкости (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4.

Пример 7

В таблице 9 представлены сравнительные данные цикла для имеющихся в продаже хладагентов, применяемых в типичной холодильной системе, а также для смесей 24-30, составленных в соответствии с данным описанием. Такая система содержит газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из холодильной емкости; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать рефрижератор на необходимом уровне.

Условия эксплуатации для холодильной системы являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (°C) = -35,0,

перегрев (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (°C) = 35,0,

переохлаждение (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4.

Пример 8

Смесь хладагентов 36, имеющая следующий массовый состав: R32 - 20%, R125 - 20%, R134a - 53,8%, R227ea - 5%, н-бутан - 0,6% и изопентан - 0,6%, применяется в системе кондиционирования воздуха, содержащей газовый компрессор или насос, который всасывает парообразный хладагент с более низким давлением и более низкой температурой и сжимает его в газ с более высоким давлением и более высокой температурой; конденсатор, который охлаждает горячий газ путем отведения тепла в наружный воздух, позволяя, таким образом, хладагенту конденсироваться в жидкость; дроссельное устройство, которое понижает давление жидкого хладагента; испаритель, где газ с низкой температурой испаряется, поглощая тепло из комнаты; полученный в результате хладагент с более низким давлением и более низкой температурой затем возвращается в компрессор, завершая цикл. Компоненты соединены соответствующим напорным трубопроводом и регулируются электрической схемой, содержащей датчик температуры, позволяющий системе переменного тока поддерживать необходимый уровень в комнате.

Условия эксплуатации для системы переменного тока являются следующими:

холодопроизводительность системы (кВт) = 1,00,

изоэнтропический КПД компрессора = 0,800,

объемный КПД компрессора = 0,900,

КПД электродвигателя = 0,900,

испаритель: средняя температура насыщения (С) = 7,0,

перегрев всасываемого газа (К) = 5,0,

конденсатор: средняя температура насыщения (С) = 45,0,

переохлаждение жидкости (К) = 5,0.

Также включены потенциалы глобального потепления (GWP), полученные из значений их компонентов-хладагентов согласно AR4. Полученные эксплуатационные данные показаны в таблице 10.

Изобретение относится к смеси фторуглеводородных (HFC) хладагентов для применения в тепловом насосе, а также для систем кондиционирования воздуха и других систем тепловой накачки. Композиция хладагента состоит главным образом из: 227ea - 3-6%, R134a - 42,5-65,0%, R125 - 15-30%, R32 - 10-20% вместе с необязательным углеводородным компонентом, например н-бутан, 2-метилпропан, 2-метилбутан, пропан, пропен, 2-метилпропен, н-пентан и их смеси, и где количества приведены по весу и выбраны таким образом, чтобы в общей сложности составлять 100%. Многокомпонентные жидкие хладагенты имеют более низкий потенциал глобального потепления без создания опасности воспламенения, совместимы с существующими смазывающими веществами. 6 з.п. ф-лы, 10 табл., 8 пр.

1. Композиция хладагента, состоящая главным образом из:

R227ea 3-6%, R134a 42,5-65%, R125 15-30%, R32 10-20%

вместе с необязательным углеводородным компонентом,

где количества приведены по весу и выбраны таким образом, чтобы в общей сложности составлять 100%.

2. Композиция хладагента по п. 1, где количество R134a находится в диапазоне от 53,5 до 63,5%.

3. Композиция хладагента по п. 1, состоящая из, %:

R227ea 4-6, R134a 50-55, R125 17-22, R32 17-20, н-бутан 0,6-2, 2-метилпропан 0,6-2.

4. Композиция хладагента по п. 1, состоящая из, %:

R227ea 5,0, R134a 53,8, R125 20, R32 20, н-бутан 0,6, 2-метилбутан 0,6.

5. Композиция хладагента по п. 1, состоящая из одной из следующих композиций:

1) R134a 58,5%, R32 16%, R125 19%, R227ea 5%, н-бутан 1,5%; 2) R134a 60%, R32 16%, R125 19%, R227ea 5%; 3) R134a 53,5%, R32 20%, R125 20%, R227ea 5%, н-бутан 1,5%; 4) R134a 55%, R32 20%, R125 20%, R227ea 5%; 5) R134a 53,5%, R32 20%, R125 20%, R227ea 5%, н-бутан 1,5%; 6) R134a 63,5%, R32 15%, R125 15%, R227ea 5%, н-бутан 1,5%; 7) R134a 58,5%, R32 15%, R125 25%, R227ea 5%, н-бутан 0,9%, 2-метилпропан 0,6%; 8) R134a 65%, R32 15%, R125 15%; R227ea 5%; 9) R134a 55%, R32 20%, R125 20%, R227ea 5%; 10) R134a 53,5%, R32 25%, R125 15%, R227ea 0,9%, н-бутан 0,6%; 11) R134a 54,4%, R32 20%, R125 20%, R227ea 5%, 2-метилпропан 0,6%.

6. Композиция хладагента по любому из пп. 1, 2, где углеводородный компонент выбран из группы, включающей пропен, пропан, 2-метилпропан, н-бутан, бут-1-ен, бут-2-ен, 2-метилпропен, н-пентан, 2-метилбутан и их смеси.

7. Композиция хладагента по п. 6, где углеводородный компонент включает смесь бутана и 2-метилпропана, количество каждого из которых равно или превышает 0,6%.