ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩИЕ КОМПОЗИЦИИ С НИЗКИМ ПГП Российский патент 2019 года по МПК C09K5/04 

Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США 61/988,363, поданной 5 мая 2014 года, которая ссылкой полностью включена в настоящий документ.

Область техники

Настоящее изобретение относится к композициям, способам и системам, использующимся в связанных с охлаждением практических применениях, и в конкретных аспектах к теплопередающим композициям и/или композициям холодильных агентов, пригодным для использования в системах, в которых обычно используют холодильный агент R-404A для связанных с нагревом и/или охлаждением (заморозкой) практических применений.

Уровень техники

Текучие среды на основе фторуглеродов находят весьма широкое применение во многих областях в торговле и промышленности, например, они могут быть использованы в качестве рабочей среды в таких системах, как системы кондиционирования воздуха, теплонасосные системы и холодильные системы. Кроме того, указанные среды также могут быть использованы в качестве аэрозольных пропеллентов, в качестве вспенивающих веществ и в качестве газообразных диэлектриков.

Коммерчески жизнеспособные теплоносители должны отвечать определенным очень конкретным и, в некоторых случаях, очень жестким сочетаниям требований, касающихся физических, химических и экономических свойств. Более того, существует большое количество различных типов систем теплопередачи и оборудования для теплопередачи, и во многих случая важно, чтобы теплоноситель, используемый в таких системах, обладал конкретным сочетанием свойств в соответствии с потребностями индивидуальной системы. Например, системы на основе парокомпрессионного цикла обычно включают фазовое превращение холодильного агента из жидкости в паровую фазу за счет поглощения тепла при относительно низком давлении, сжатие пара до относительно повышенного давления, конденсацию паров в жидкую фазу за счет отвода тепла при относительно повышенном давлении и температуре, а затем снижение давления для начала повторного цикла.

На протяжении многих лет определенные фтороуглероды были предпочтительным компонентом множества теплоносителей, таких как холодильные агенты, которые находили применение в многочисленных отраслях промышленности. Фторалканы, такие как производные хлорфторметана и хлорфторэтана, нашли широкое применение в качестве холодильных агентов в таких областях, как кондиционирование воздуха и тепловые насосы, благодаря уникальному сочетанию химических и физических свойств, таких как теплопроизводительность, горючесть, стабильность в рабочих условиях и смешиваемость со смазочным маслом (в случае наличия), используемым в системе. Более того, многие холодильные агенты, которые обычно применяют в парокомпрессионных системах, представляют собой либо однокомпонентные текучие среды, либо зеотропные, азеотропные смеси.

В последние годы возросла озабоченность в связи с возможным ухудшением состояния земной атмосферы и климата, при этом были идентифицированы некоторые хлорсодержащие соединения, которые особенно опасны с экологической точки зрения. Применение хлорсодержащих композиций (таких как хлорфторуглероды (CFC), гидрохлорфторуглероды (HCFC) и т.п.) в качестве холодильных агентов в системах кондиционирования воздуха и холодильных системах оказалось неблагоприятным в связи с тем, что многие из используемых соединений вызывают разрушение озоносферы. Таким образом, существует возрастающая потребность в новых фторуглеродных и гидрофторуглеродных соединениях, которые являлись бы альтернативой композициям, находящим применения в холодильных установках и тепловых насосах. Например, согласно определенным аспектам, существует необходимость в модернизации хлорсодержащих холодильных систем путем замены хлорсодержащих холодильных агентов на соединения холодильных агентов без хлора, которые не разрушают озоновый слой, такие как гидрофтороуглероды (HFC).

Еще одна проблема, касающаяся многих существующих холодильных агентов, заключается в том, что такие продукты отрицательно влияют на глобальное потепление. Эту характеристику обычно измеряют в качестве потенциала глобального потепления (ПГП). ПГП соединения является степенью потенциального вклада в парниковый эффект химического соединения по сравнению с известной эталонной молекулой, а именно, СО₂, которая характеризуется ПГП равным 1. Например, следующим известным холодильным агентам присущи следующие значения потенциала глобального потепления:

Хотя каждый из упомянутых выше холодильных агентов доказал свою эффективность во многих отношениях, эти материалы становятся все менее предпочтительными, так как зачастую нежелательно использовать материалы с относительно высоким значением ПГП. Следовательно, существует необходимость в создании заменителей для этих и других существующих холодильных агентов, характеризующихся нежелательными значениями ПГП.

Таким образом, существует растущая потребность в новых соединениях и композициях фтороуглеродов и гидрофтороуглеродов, которые являются эффективными альтернативами известным композициям, которые ранее использовались в этих и других областях. Например, желательно модернизировать некоторые конкретные системы, включая хлорсодержащие и некоторые HFC содержащие холодильные системы, путем замены существующих холодильных агентов композициями холодильных агентов, которые не будут разрушать озоновый слой, не будут вызывать нежелательные уровни глобального потепления и при этом будут удовлетворять всем другим строгим требованиям этих систем касательно материалов, используемых в качестве теплоносителя.

В отношении эксплуатационных свойств заявители пришли к выводу, что любой потенциальный холодильный агент-заменитель должен обладать свойствами, присущими многим из наиболее широко используемых текучих сред, такими как, кроме прочего, отличная способность к теплопередаче, химическая стабильность, низкая токсичность (или нулевая токсичность), низкая горючесть (или негорючесть) и совместимость со смазочными маслами.

В связи с эффективностью использования важно отметить, что ухудшение термодинамических характеристик холодильного агента или эффективности использования энергии может оказать вторичное воздействие на окружающую среду в результате повышенного потребления ископаемых топлив из-за повышенного потребления электроэнергии.

Кроме того, обычно считается желательным, чтобы заменители холодильных агентов являлись эффективными без существенных конструкторских изменений традиционной парокомпрессионной технологии, используемой совместно с существующими холодильными агентами, такими как CFC содержащие холодильные агенты.

Для многих областей применения другим важным свойством является горючесть композиций. Иными словами, считается или важным, или существенным во многих областях применения, в том числе особенно в области теплопередачи, использовать композиции, которые являются негорючими или характеризуются низкой горючестью. В контексте настоящего документа термин «негорючий» относится к соединениям или композициям, которые являются негорючими согласно стандарту ASTM Е-681 от 2002 года, который ссылкой включен в настоящий документ. К сожалению, многие HFC, которые по другим показателям могли бы подойти для применения в композициях холодильных агентов, являются в высокой степени горючими. Например, фторалкан дифторэтан (HFC-152a) является горючим и, следовательно, не подходит для индивидуального применения во многих областях.

Следовательно, заявители пришли к выводу о необходимости создания композиций, в частности теплопередающих композиций, которые потенциально могут использоваться в различных практических применениях, включая системы и способы парокомпрессионного нагрева и охлаждения, устраняя при этом один или несколько описанных выше недостатков.

Сущность изобретения

Согласно определенным аспектам настоящее изобретение относится к композициям, способам, применениям и системам, которые содержат или в которых используется многокомпонентная смесь, содержащая: (а) от приблизительно 17% до приблизительно 40% по массе HFC-32; (b) от приблизительно 51% до приблизительно 83% по массе тетрафторпропена; и (с) от приблизительно или более чем приблизительно 0% до приблизительно или менее чем приблизительно 9% по массе СО₂, при условии, что количество компонента (с) является эффективным для улучшения одного или более из производительности, потребления энергии, эффективности, температуры на выходе и/или давления на выходе, присущих композиции, по сравнению с композициями без этого компонента, в частности, композициями, содержащими только компоненты (а) и (b).

Согласно альтернативным аспектам композиция содержит: (а) от приблизительно 17% до приблизительно 25% по массе HFC-32; (b) от приблизительно 69% до приблизительно 83% по массе тетрафторпропена; и (с) от приблизительно или более чем приблизительно 0% до приблизительно или менее чем приблизительно 6% по массе СО₂, при условии, что количество компонента (с) является эффективным для улучшения одного или более из производительности, потребления энергии, температуры на выходе и/или давления на выходе, присущих композиции, по сравнению с композициями без этого компонента, в частности, композициями, содержащими только компоненты (а) и (b).

Согласно дополнительным альтернативным аспектам композиция содержит: (а) от приблизительно 17% до приблизительно 22% по массе HFC-32; (b) от приблизительно 73% до приблизительно 73% по массе тетрафторпропена; и (с) от приблизительно или более чем приблизительно 0% до приблизительно или менее чем приблизительно 5% по массе CO₂, при условии, что количество компонента (с) является эффективным для улучшения одного или более из производительности, потребления энергии, температуры на выходе и/или давления на выходе, присущих композиции, по сравнению с композициями без этого компонента, в частности, композициями, содержащими только компоненты (а) и (b).

Согласно еще одним альтернативным аспектам композиция содержит: (а) от приблизительно 17% до приблизительно 22% по массе HFC-32; (b) от приблизительно или более чем приблизительно 73% до приблизительно или менее чем приблизительно 82% по массе тетрафторпропена; и (с) от приблизительно или более чем приблизительно 1% до приблизительно или менее чем приблизительно 5% по массе СО₂, при условии, что количество компонента (с) является эффективным для улучшения одного или более из производительности, потребления энергии, температуры на выходе и/или давления на выходе, присущих композиции, по сравнению с композициями без этого компонента, в частности, композициями, содержащими только компоненты (а) и (b).

Согласно еще одним альтернативным аспектам композиция содержит: (а) от приблизительно 18% до приблизительно 22% по массе HFC-32; (b) от приблизительно 74% до приблизительно или менее чем приблизительно 80% по массе тетрафторпропена; и (с) от приблизительно или более чем приблизительно 2% до приблизительно или менее чем приблизительно 4% по массе СО₂, при условии, что количество компонента (с) является эффективным для улучшения теплопроизводительности, эффективности, температуры на выходе и/или давления на выходе, присущих композиции, по сравнению с композициями без этого компонента, в частности, композициями, содержащими только компоненты (а) и (b).

Согласно определенным неограничивающим аспектам тетрафторпропен представляет собой, состоит по существу из или состоит из 2,3,3,3- тетрафторпропена.

Настоящее изобретение также относится к способам и системам, в которых используются композиции согласно настоящему изобретению, включая способы и системы для передачи тепла, к способам и системам для замены существующего теплоносителя в существующих системах теплопередачи и к способам выбора теплоносителя согласно настоящему изобретению для замены одного или нескольких существующих теплоносителей. Хотя согласно определенным вариантам осуществления композиции, способы и системы согласно настоящему изобретению могут быть использованы для замены любого известного теплоносителя, согласно дополнительным и в некоторых случаях предпочтительным вариантам осуществления композиции, раскрытые в настоящей заявке, могут быть использованы в качестве замены холодильного агента R-404A.

К холодильным системам, рассматриваемым согласно настоящему изобретению, относятся, кроме прочего, автомобильные системы кондиционирования воздуха, бытовые системы кондиционирования воздуха, коммерческие системы кондиционирования воздуха, бытовые холодильные системы, бытовые системы заморозки, коммерческие холодильные системы, коммерческие системы заморозки, чиллерные системы кондиционирования воздуха, чиллерные холодильные системы, автомобильные холодильные системы, теплонасосные системы и сочетания двух или трех из перечисленного. Согласно определенным неограничивающим аспектам композиции согласно настоящему изобретению могут быть использованы в качестве заменителя R-404A в низкотемпературных и среднетемпературных холодильных системах. Согласно определенным аспектам подобные системы могут быть использованы для хранения замороженных или охлажденных продуктов. К примерам таких систем относятся автономные или включаемые в стационарную сеть холодильные или морозильные установки, или низкотемпературные торговые шкафы или охлаждаемые витрины. К неограничивающим примерам таких систем относятся системы, обычно используемые внутри или вне помещений в таких местах, как рестораны, магазины товаров повседневного спроса, автозаправочные станции, продовольственные магазины и т.п.

Дополнительные варианты осуществления, применение и преимущества будут понятны специалисту в данной области техники при ознакомлении с приведенным ниже подробным раскрытием.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлено графическое представление ожидаемой и измеренной (экспериментальной) производительности и эффективности (СОР) в системах, характеризующихся увеличивающимися количествами СО₂ от 0% до 9%.

На фиг. 2 представлено графическое представление, характеризующее зависимость результатов экспериментального потребления энергии от количества СО₂ в смеси.

На фиг. 3 представлено графическое представление ожидаемого и измеренного (экспериментального) давления на выходе компрессора в зависимости от количества СО₂ в смеси.

На фиг. 4 представлено графическое представление, характеризующее зависимость температуры на выходе компрессора от количества СО₂ в смеси.

Подробное описание изобретения

R-404A широко используется в холодильных системах, в частности, в низкотемпературных и среднетемпературных холодильных системах, таких как описанные ниже. Указанный холодильный агент характеризуется рассчитанным потенциалом глобального потепления (ПГП), составляющим 3943, что значительно больше, чем желательно или требуется. Заявители обнаружили, что композиции согласно настоящему изобретению могут быть использованы в качестве новых композиций для указанных практических применений, включая, кроме прочего, холодильные системы, которые характеризуются улучшенными характеристиками в отношении экологических последствий, и вместе с этим им присущи другие важные эксплуатационные характеристики, такие как производительность, эффективность, температура на выходе, давление на выходе, потребление энергии, горючесть и/или токсичность. Согласно предпочтительным вариантам осуществления предлагаемые композиции являются альтернативами и/или заменителями холодильных агентов, в настоящее время используемых в указанных практических применениях, в частности и предпочтительно холодильного агента R-404A, которые характеризуют низкими значениями ПГП, а также близки по теплопроизводительности и холодопроизводительности к R-404A в указанных системах.

Теплопередающие композиции

Композиции согласно настоящему изобретению в целом хорошо адаптируемы для связанных с теплопередачей практических применений, то есть в качестве нагревающей и/или охлаждающей среды, а также они очень хорошо подходят для применения, как отмечено выше, в холодильных системах (в частности, кроме прочего, в низкотемпературных и среднетемпературных холодильных системах), в которых ранее применяли R-404A.

Заявители обнаружили, что использование компонентов согласно настоящему изобретению в пределах установленных диапазонов является важным для обеспечения труднодостижимых, но важных сочетаний свойств, демонстрируемых настоящими композициями, в частности в предпочтительных системах и способах, а также, что применение этих же компонентов, но по существу с выходом за пределы установленных диапазонов может иметь отрицательное воздействие на одно или несколько важных свойств композиций согласно настоящему изобретению. В частности, и как продемонстрировано в настоящем документе, заявители выявили диапазоны для настоящих компонентов, в которых композиции присущи улучшенная производительность, эффективность, давление на выходе, температура на выходе и/или потребление энергии по сравнению с R-404A в указанных системах при аналогичных условиях.

Согласно определенным вариантам осуществления HFC-32 присутствует в композициях согласно настоящему изобретению в количестве от приблизительно 17 масс. % до приблизительно 40 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 17 масс. % до приблизительно 25 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 17 масс. % до приблизительно 22 масс. % по массе композиции и согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 18 масс. % до приблизительно 22 масс. % по массе композиции.

Согласно еще одним вариантам осуществления тетрафторпропен присутствует в количестве от приблизительно 51 масс. % до приблизительно 83 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 69 масс. % до приблизительно 83 масс. % по массе, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 73 масс. % до приблизительно 83 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 73 масс. % до приблизительно 82 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно или менее чем приблизительно 70 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 80 масс. % по массе композиции и согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 74 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 80 масс. % по массе композиции. Согласно определенным вариантам осуществления второй компонент представляет собой, состоит по существу из или состоит из 2,3,3,3-тетрафторпропена (HFO-1234yf).

Согласно еще одним дополнительным вариантам осуществления композиции согласно настоящему изобретению включают СО₂ в количестве от приблизительно или более чем приблизительно 0 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 9 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления от приблизительно или более чем приблизительно 0 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 6 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления от приблизительно или более чем приблизительно 0 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 5 масс. % по массе композиции, согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления от приблизительно или более чем приблизительно 1 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 5 масс. % по массе композиции и согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления от приблизительно или более чем приблизительно 2 масс. % до приблизительно или менее чем приблизительно 4 масс. % по массе композиции.

Согласно определенным аспектам настоящего изобретения заявители обнаружили, что включение СО₂ в состав композиций согласно настоящему изобретению приводит к неожиданным положительным результатам при использовании указанных композиций в низкотемпературных и среднетемпературных холодильных системах по сравнению с R-404A и/или композициями без СО₂. Более конкретно, заявители демонстрируют в приведенных ниже примерах, что множество свойств улучшились путем включения СО₂ в количестве менее чем 9%, предпочтительно менее чем 6% и более предпочтительно приблизительно от 2 до 4% исходя из общей массы композиции. В частности, в пределах этих диапазонов данные, представленные в настоящем документе, демонстрирую неожиданное эмпирически определенное улучшение одного или нескольких следующих свойств по сравнению с ожидаемыми значениями, полученными при помощи термодинамических расчетов: производительность, эффективность, давление на выходе, температура на выходе, потребление энергии и их сочетание. Согласно определенным аспектам, и как подробно рассмотрено ниже, измеренные значения, присущие композициям, находятся в пределах 15% значений, продемонстрированных для R-404A, согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления в пределах 10% R-404A и согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления в пределах 5% R-404A.

Заявители также обнаружили, что композиции согласно настоящему изобретению способны обеспечить низкое значение ПГП. В качестве неограничивающего примера в приведенной ниже таблице 1 представлены реальные значения ПГП определенных композиций согласно настоящему изобретению, которые описаны в скобках путем приведения массовой доли каждого компонента. Кроме того, в таблице для сравнении представлено ПГП холодильного агента R-404A, составляющее 3943.

Композиции согласно настоящему изобретению могут включать другие компоненты с целью улучшения или обеспечения определенной функциональности или, в некоторых случаях, снижения стоимости композиции. Например, композиции холодильного агента в соответствии с настоящим изобретением, в частности, используемые в парокомпрессионных системах, содержат смазочное масло, как правило, в количествах от приблизительно 30 до приблизительно 50 процентов по массе композиции, а в некоторых случаях потенциально в количествах более чем приблизительно 50 процентов и в других случаях в количествах до приблизительно 5 процентов.

Распространенные холодильные смазочные масла, такие как полиолэфиры (РОЕ) и полиалкиленгликоли (PAG), масла на основе полиалкиленгликолей, кремнийорганическое масло, минеральное масло, алкилбензолы (АВ) и поли(альфа-олефин) (РАО), которые используют в охладительных установках совместно с холодильными агентами на основе гидрофтороуглерода (HFC), могут быть использованы совместно с композициями холодильных агентов согласно настоящему изобретению. К коммерчески доступным минеральным маслам относятся масло Witco LP 250 (зарегистрированный товарный знак), выпускаемое Witco, масло Zerol 300 (зарегистрированный товарный знак), выпускаемое Shrieve Chemical, масло Sunisco 3GS, выпускаемое Witco, и масло Calumet R015, выпускаемое Calumet. К коммерчески доступным смазочным маслам на основе алкилбензолов относится масло Zerol 150 (зарегистрированный товарный знак). К коммерчески доступный сложным эфирам относится неопентилгликоль дипеларгонат, который доступен под наименованиями Emery 2917 (зарегистрированный товарный знак) и Hatcol 2370 (зарегистрированный товарный знак). К другим пригодным сложным эфирам относятся фосфатные эфиры, эфиры двухосновных кислот и фторзамещенные сложные эфиры. В некоторых случаях масла на основе углеводородов характеризуются достаточной растворимостью в холодильном агенте, в состав которого входит содержащее по меньшей мере одну связь углерод-йод соединение (иодоуглерод), при этом сочетания указанного соединения и масла на основе углеводородов является более стабильным по сравнению с другими типами смазочных масел. Следовательно, такие сочетания являются предпочтительными. К предпочтительным смазочным маслам относятся полиолэфиры (РОЕ). Полиолэфиры являются чрезвычайно предпочтительными согласно определенным вариантам осуществления, так как они в настоящее время используются в конкретных практических применениях, таких как мобильные системы кондиционирования воздуха. Разумеется, могут быть использованы различные смеси различных типов смазочных масел.

Способы и системы теплопередачи

Настоящие способы, системы и композиции являются адаптируемыми для применения совместно с широким спектром систем теплопередачи и, в частности, холодильных систем, таких как системы кондиционирования воздуха, системы охлаждения, теплонасосные системы и т.п.В сущности говоря, к холодильным системам, рассматриваемым согласно настоящему изобретению, относятся, кроме прочего, автомобильные системы кондиционирования воздуха, бытовые системы кондиционирования воздуха, коммерческие системы кондиционирования воздуха, бытовые холодильные системы, бытовые системы заморозки, коммерческие холодильные системы, небольшие холодильные системы, коммерческие системы заморозки, чиллерные системы кондиционирования воздуха, чиллерные холодильные системы, автомобильные холодильные системы, теплонасосные системы и сочетания двух или трех из перечисленного.

Согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления композиции согласно настоящему изобретению используют в холодильных системах, изначально разработанных для эксплуатации с холодильным агентом на основе HFC, таким как, например, R-404A. К таким холодильным системам могут относиться, кроме прочего, низкотемпературные и среднетемпературные холодильные системы, в частности, парокомпрессионные холодильные системы. Согласно определенным аспектам подобные системы могут быть использованы для хранения замороженных или охлажденных продуктов. К примерам таких систем относятся автономные или включаемые в стационарную сеть холодильные или морозильные установки, или низкотемпературные торговые шкафы или охлаждаемые витрины. К неограничивающим примерам таких систем относятся системы, обычно используемые внутри или вне помещений в таких местах, как рестораны, магазины товаров повседневного спроса, автозаправочные станции, продовольственные магазины и т.п.

Согласно определенным предпочтительным вариантам осуществления композиции согласно настоящему изобретению сопоставимы или лучше холодильного агента R-404A по одному или нескольким показателям, выбранным из производительности, эффективности, потребления энергии, температуры на выходе и/или давления на выходе, в частности, при использовании в низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют производительность, составляющую от приблизительно 90% до приблизительно 110% включительно производительности R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным предпочтительным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют производительность, составляющую от приблизительно 95% до приблизительно 105% включительно производительности R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях.

Согласно дополнительным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют эффективность (или СОР), составляющую по меньшей мере 90% значения СОР R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют значение СОР, составляющее по меньшей мере 95% значения СОР R-404А в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют значение СОР, составляющее по меньшей мере 100% значения СОР R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях.

Согласно дополнительным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют давление на выходе со стороны нагнетания, составляющее от приблизительно 85% до приблизительно 115% включительно давления на выходе R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют давление на выходе со стороны нагнетания, составляющее от приблизительно 90% до приблизительно 110% включительно давления на выходе R-404А в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют давление на выходе со стороны нагнетания, составляющее от приблизительно 95% до приблизительно 105% включительно давления на выходе R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях.

Согласно еще одним аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют температуру на выходе со стороны нагнетания, которая не более чем на 15°С превышает температуру на выходе R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют температуру на выходе со стороны нагнетания, которая не более чем на 10°С превышает температуру на выходе R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях. Согласно определенным аспектам композиции согласно настоящему изобретению демонстрируют температуру на выходе со стороны нагнетания, которая не более чем на 5°С превышает температуру на выходе R-404A в аналогичной низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильной системе при аналогичных условиях.

Предпочтительным композициям согласно настоящему изобретению присущи многочисленные положительные характеристики R-404A, но при этом они характеризуются ПГП, значение которого значительно ниже значения ПГП, присущего R-404A. Вместе с этим, показатели их производительности, эффективности, потребления энергии, температуры на выходе и/или давления на выходе по существу аналогичны или по существу совпадают и предпочтительно являются такими же или выше аналогичных показателей R-404A. В частности, заявители обнаружили, что некоторым предпочтительным вариантам осуществления настоящих композиций присущи относительно низкие значения потенциала глобального потепления («ПГП»), составляющие предпочтительно менее чем приблизительно 1000, предпочтительно не более чем 500, более предпочтительно не более чем приблизительно 250 и еще более предпочтительно не более чем приблизительно 150.

Согласно определенным вариантам осуществления низкотемпературную холодильную систему рассматривают в настоящем документе в качестве холодильной системы, в которой используют один или более компрессоров и которая функционирует при следующих параметрах:

a. Температура в конденсаторе составляет от приблизительно 20°С до приблизительно 50°С, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно 25°С до приблизительно 45°С;

b. Температура в испарителе составляет от приблизительно -45°С до приблизительно -10°С включительно, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно -40°С до приблизительно -25°С, и предпочтительно температура в испарителе составляет приблизительно -32°С;

c. Степень перегрева на выходе из испарителя составляет от приблизительно 0°С до приблизительно 10°С, и предпочтительно степень перегрева на выходе из испарителя составляет от приблизительно 1°С до приблизительно 6°С;

d. Степень перегрева системы во всасывающей линии составляет от приблизительно 15°С до приблизительно 40°С, и предпочтительно степень перегрева во всасывающей линии составляет от приблизительно 20°С до приблизительно 30°С. Перегрев по всасывающей линии может также (или альтернативно) создаваться теплообменником, который обычно известен в качестве теплообменника всасывающей линии/жидкостной линии, между жидкостной линией (линией холодильного агента между конденсатором и дроссельным устройством) и всасывающей линией (линией холодильного агента между компрессором и испарителем), чтобы улучшить показатели работы системы. Теплообменник всасывающей линии/жидкостной линии обеспечивает существенную степень переохлаждения на входе дроссельного устройства и степень перегрева на входе в компрессор.

Согласно определенным вариантам осуществления среднетемпературную холодильную систему рассматривают в настоящем документе в качестве холодильной системы, в которой используют один или более компрессоров и которая функционирует при следующих параметрах:

a. Температура в конденсаторе составляет от приблизительно 20°С до приблизительно 60°С, согласно определенным предпочтительным аспектам от 25°С до 45°С;

b. Температура в испарителе составляет от приблизительно -25°С до приблизительно 0°С включительно, согласно определенным предпочтительным аспектам от приблизительно -20°С до приблизительно -5°С, предпочтительно температура в испарителе составляет приблизительно -10°С;

c. Степень перегрева на выходе из испарителя составляет от приблизительно 0°С до приблизительно 10°С, и предпочтительно степень перегрева на выходе из испарителя составляет от приблизительно 1°С до приблизительно 6°С; и

d. Степень перегрева системы во всасывающей линии составляет от приблизительно 5°С до приблизительно 40°С, и предпочтительно степень перегрева во всасывающей линии предпочтительно составляет от приблизительно 15°С до приблизительно 30°С. Перегрев вдоль всасывающей линии может также создаваться теплообменником, как описано в пункте 3).

Примеры таких холодильных систем представлены в приведенных ниже примерах 1-3. В связи с этим, такие системы могут включать связанные с низкотемпературным охлаждением практические применения (примеры 1 и 2), включая коммерческие морозильные установки или системы, которые могут быть использованы для складирования и сохранения замороженных продуктов. Кроме того, они могут включать связанные со среднетемпературным охлаждением коммерческие практические применения (пример 3), такие как коммерческие холодильные установки, включая системы для хранения свежих продуктов. В приведенных ниже примерах представлены условия и параметры, которые используются в этих практических применениях. Эти условия, однако, не следует рассматривать в качестве ограничивающих настоящее изобретение, и специалисту в данной области техники будет понятно, что они могут варьировать на основе одного или более из множества факторов, включая, кроме прочего, условия окружающей среды, предполагаемое применение, время года и т.п.

Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления холодильные композиции согласно настоящему изобретению могут использоваться в холодильных системах, содержащих смазочное масло, обычно применяемое совместно с R-404A, такое как полиэфирные масла и т.п., или могут использоваться с другими смазочными маслами, традиционно применяемыми совместно с холодильными агентами на основе HFC, что более подробно рассмотрено выше. В контексте настоящего документа под термином «холодильная система» в целом подразумевают любую систему или установку или любую часть или секцию такой системы или установки, в которой используется холодильный агент для обеспечения нагревания или охлаждения. К таким воздушным холодильным системам относятся, например, кондиционеры воздуха, электрические холодильники, чиллеры или любая из систем, упомянутая в настоящем документе или иначе известная в области техники.

Примеры

Приведенные ниже примеры представлены в целях иллюстрации настоящего изобретения и не должны рассматриваться в качестве ограничения его объема.

ПРИМЕР 1: Связанное с низкотемпературным охлаждением практическое применение - показатели работы

По причине определенных характеристик холодильных систем, включая, в частности, низкотемпературные холодильные системы, содержащие холодильный агент R404A или сконфигурированные для работы с ним, очень важным согласно определенным вариантам осуществления является то, чтобы такие системы могли демонстрировать адекватные эксплуатационные параметры по сравнению с параметрами при работе с R404A. К таким эксплуатационным параметрам относится следующее:

- Производительность по меньшей мере 90% и предпочтительней более 95% производительности системы, в которой используют R404A. Этот параметр позволяет использовать существующие компрессоры и компоненты, разработанные для R404A.

- Равная или лучшая эффективность по сравнению с R404A, что влечет за собой снижение потребления электроэнергии при использовании новой смеси.

- Равное или меньшее потребление энергии.

Этот пример иллюстрирует показатели СОР и производительности композиций А0 - A3 согласно настоящему изобретению при использовании указанных композиций в качестве замены R404A в низкотемпературной холодильной системе. Коэффициент трансформации (СОР) является общепринятой мерой функционирования холодильного агента, особенно полезной при сопоставлении относительной термодинамической эффективности холодильного агента в конкретном цикле охлаждения, включающего испарение или конденсацию холодильного агента. В холодильной технике этот термин выражает отношение полезного охлаждения к энергии, потребляемой компрессором при сжатии паров, а также вентиляторами (если имеются). Производительность холодильного агента представляет собой степень охлаждения или нагревания, которую он обеспечивает, и дает некоторую меру способности компрессора перекачивать количество тепла при заданной объемном расходе холодильного агента. Другими словами, для конкретного компрессора холодильный агент с большей производительностью будет обеспечивать лучшую холодопроизводительность. Одно средство оценки СОР холодильного агента при конкретных условиях работы основано на термодинамических свойствах холодильного агента с использованием стандартных методик анализа цикла охлаждения (см., например, книгу R.C. Downing «FLUOROCARBON REFRIGERANTS HANDBOOK)) (Справочник фторуглеродных холодильных агентов), глава 3, Prentice-Hall, 1988).

Коммерчески доступная низкотемпературная холодильная система («низкотемпературный торговый шкаф»), используемая для охлаждения замороженной пищи, оценивалась с использованием исходного холодильного агента R404A и смесей A0, A1, А2 и A3. В случае системы, проиллюстрированной в этом примере, температура в конденсаторе во время функционирования поддерживалась около 34°С, что в целом соответствует температуре внутри помещения приблизительно 25°С. Температура испарения составляла приблизительно -35°С, что соответствует температуре продукта приблизительно -18°С. Степень перегрева на выходе из испарителя составляла приблизительно 5°С. Такие низкотемпературные холодильные системы обычно оснащены теплообменником всасывающей линии/жидкостной линии. Показатель степени переохлаждения и перегрева, обеспечиваемой теплообменником всасывающей линии/жидкостной линии, как правило, зависит от термодинамических свойств холодильного агента и добротности теплопередачи теплообменника. Показатель добротности теплопередачи для теплообменника всасывающей линии/жидкостной линии задается его эффективностью, которая варьирует от 0% (минимальная теплопередача) до 100% (максимальная теплопередача). Для этого конкретного примера эффективность теплообменника всасывающей линии/жидкостной линии составляла приблизительно 50%. Дополнительное приращение температуры холодильного агента вдоль линии холодильного агента между теплообменником всасывающей линии/жидкостной линии и входом в компрессор обычно составляло 2°С.

Оценки показателей работы выполнили при помощи стандартизированных испытаний, описанных в стандарте 72-2005 "Method of Testing Commercial Refrigerators and Freezers" (Способ проведения испытаний коммерческих холодильных и морозильных установок) Американской Ассоциации инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), который устанавливает требования и рабочие условия для проведения испытаний таких систем. Во время этих испытаний измеряли значения давления и температуры в циклах холодильной системы, а также потребление энергии компрессором и вентиляторами. Эти испытания характеризуются продолжительностью по меньшей мере 24 часа, на протяжении которых циклически происходит включение и выключение системы. Кроме того, система подвергается циклам размораживания.

На основе этих испытаний были получены два набора результатов:

1) Исходя из данных для одного цикла, были получены средняя производительность и СОР путем интегрирования по продолжительности цикла.

2) Другим средством оценки функционирования является измерение общего потребления энергии за 24-х часовой период, что может включать эффекты включения/отключения, а также циклы размораживания.

В приведенной ниже таблице 2 одновременно представлены расчетные значения, вычисленные на основе термодинамических свойств применительно к холодильному циклу, и «экспериментальные» значения, полученные экспериментально при помощи стандартизированных испытаний, для производительности и СОР. На фиг. 1 представлены результаты, приведенные в таблице 2, в форме графика зависимости от процентного содержания СО₂ в смеси. В таблице 3 и на фиг. 2 представлены результаты изменения показателей работы, выраженных через 24-х часовое потребление энергии системой. Все результаты, относящиеся к R-404A, отмечены как 100% для производительности и СОР.

Как представлено в таблице 2 и на фиг. 1, расчетная производительность должна линейно возрастать с количеством СО₂. Однако заявители неожиданно обнаружили, что фактическая производительность (экспериментальная) увеличивается с первыми 3% СО₂, а затем остается почти неизменной с более высокими количествами СО₂. Кроме того, как представлено в таблице 2 и на фиг. 2, расчетное значение СОР должно слегка уменьшаться с увеличением количества СО₂. Однако заявители неожиданно обнаружили, что фактическое значение СОР (экспериментальное) увеличивается при добавлении СО₂ и достигает пика при приблизительно 3% СО₂. После чего оно резко падает при количествах СО₂ выше 3%.

Как представлено на фиг. 3 и в таблице 2, 24-х часовое потребление энергии неожиданно достигает минимума, когда смесь содержит приблизительно 3% СО₂.

ПРИМЕР 2: Связанное с низкотемпературным охлаждением практическое применение - параметры надежности

По причине определенных характеристик холодильных систем, включая, в частности, низкотемпературные холодильные системы, содержащие холодильный агент R404A или сконфигурированные для работы с ним, очень важным согласно определенным вариантам осуществления является то, чтобы такие системы могли демонстрировать обеспечивающие надежное функционирование эксплутационные параметры по сравнению с параметрами при работе с R404A. К таким эксплуатационным параметрам относится следующее:

- Давление со стороны нагнетания, которое находится в пределах приблизительно 115%, и более предпочтительно в пределах приблизительно 105% давления со стороны нагнетания, присущего системе, в которой используют R404A. Этот параметр позволяет использовать существующие компрессоры и компоненты, разработанные для R404A.

- Температура на выходе компрессора, которая не превышает температуру на выходе для R404A на более чем 15°С и более чем 10°С. Преимущество такой характеристики заключается в том, что она позволяет использовать существующее оборудование без активации аспектов тепловой защиты системы, которое разработано для защиты компонентов компрессора.

Давление и температура на выходе были оценены для R404A (исходная точка) и смесей А0-А3 с использованием таких же способов и при таких же условиях эксплуатации, как описаны в примере 1. Эти параметры также были измерены экспериментально с использованием таких же низкотемпературного торгового шкафа, процедур и стандарта, как описаны в примере 1.

В приведенной ниже таблице 2 одновременно представлены расчетные значения, вычисленные на основе термодинамических свойств применительно к холодильному циклу, и экспериментальные значения, полученные экспериментально, для давления на выходе и температуры на выходе компрессора. На фиг. 3 и 4 представлены результаты, приведенные в таблице 4, в форме графика зависимости от процентного содержания СО₂ в смеси.

Как представлено в таблице 4 и на фиг. 3, расчетное и фактическое (экспериментальное) значения давления на выходе возрастали линейно совместно с количеством СО₂. Однако заявители обнаружили неожиданно, что фактическое давление на выходе было существенно более чувствительно к количеству СО₂, чем ожидалось. Фактическое давление на выходе достигло 105% с количествами СО₂ приблизительно 3-4% и 115% с количествами СО₂ от 5 до 6%.

Как представлено в таблице 4 и на фиг. 4, расчетные и фактические (экспериментальные) значения температуры на выходе увеличивались непрерывно с количеством СО₂. Однако заявители обнаружили неожиданно, что фактическая температура на выходе была на 7-4°С ниже ожидаемых значений. Фактические значения температуры на выходе находились в пределах 10°С R404A с количествами СО₂ ниже приблизительно 4% и в пределах 15°С с количествами СО₂ ниже 7%.

ПРИМЕР 3: Связанное со среднетемпературным охлаждением практическое применение

Этот пример иллюстрирует показатели СОР, производительности, давления и температуры на выходе вариантов осуществления А0-A3 согласно настоящему изобретению при использовании в качестве замены R-404A в среднетемпературной холодильной системе.

Типичное связанное со среднетемпературным охлаждением практическое применение оценивалось с исходным холодильным агентом R-404A и смесями А0, А1, А2, A3 при помощи способов, описанных для оценки характеристик связанного с низкотемпературным охлаждением практического применения в примере 1. В случае среднетемпературной холодильной системы, проиллюстрированной в этом примере, температура в конденсаторе во время функционирования поддерживалась около 35°С, что в целом соответствует температуре внутри помещения приблизительно 25°С. Температура испарения составляла приблизительно -10°С, что соответствует температуре продукта приблизительно 0°С. Степень перегрева на выходе из испарителя составляла приблизительно 5°С. Такие среднетемпературные холодильные системы обычно оснащены теплообменником всасывающей линии/жидкостной линии, как описано в примере 1. Для этого конкретного примера эффективность теплообменника всасывающей линии/жидкостной линии составляет приблизительно 50%. Дополнительное приращение температуры холодильного агента вдоль линии холодильного агента между теплообменником всасывающей линии/жидкостной линии и входом в компрессор обычно составляло 2°С. Эффективность компрессор составляла приблизительно 70%.

В приведенной ниже таблице 5 представлены значения производительности, СОР, давления и температуры на выходе для четырех смесей относительно аналогичных значений R404A, вычисленные на основе термодинамических свойств применительно к холодильному циклу.

Как представлено в таблице 5, расчетные производительность и СОР должны линейно увеличиваться с количеством СО₂. Наиболее близкое совпадение по производительности с немного лучшим СОР должно произойти приблизительно при 3% СО₂. Значения давления и температуры на выходе также демонстрируют постоянное увеличение совместно с количеством СО₂. Давление на выходе приблизительно соответствует R-404A с количествами СО₂ приблизительно 3-6%. Значения температуры на выходе находятся в пределах 10°С R404A с количествами CO₂ ниже 6%.

Изобретение относится к теплопередающей композиции и/или композиции холодильных агентов, использующимся в связанных с охлаждением практических применениях, а именно в качестве нагревающей и/или охлаждающей среды, в автомобильных системах кондиционирования воздуха, бытовых системах кондиционирования воздуха, коммерческих системах кондиционирования воздуха, бытовых холодильных системах, бытовых системах заморозки, коммерческих холодильных системах, небольших холодильных системах, коммерческих системах заморозки, автомобильных холодильных системах, чиллерных системах кондиционирования воздуха, чиллерных холодильных системах или теплонасосных системах, в низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильных системах и в качестве заменителя R-404A в низкотемпературной и среднетемпературной холодильных системах. Композиция содержит: (a) 21,5% по массе HFC-32, (b) 75,5% по массе 2,3,3,3-тетрафторпропена и (c) 3% по массе СО₂. Технический результат заключается в улучшении производительности, потреблении энергии и термодинамических характеристик холодильного агента. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл., 3 пр.

1. Теплопередающая композиция, содержащая:

a) 21,5% по массе HFC-32;

b) 75,5% по массе 2,3,3,3-тетрафторпропена и

c) 3% по массе СО₂.

2. Применение композиции по п.1 в качестве нагревающей и/или охлаждающей среды.

3. Применение композиции по п.1 в автомобильных системах кондиционирования воздуха, бытовых системах кондиционирования воздуха, коммерческих системах кондиционирования воздуха, бытовых холодильных системах, бытовых системах заморозки, коммерческих холодильных системах, небольших холодильных системах, коммерческих системах заморозки, автомобильных холодильных системах, чиллерных системах кондиционирования воздуха, чиллерных холодильных системах или теплонасосных системах.

4. Применение композиции по п.1 в низкотемпературной и/или среднетемпературной холодильных системах.

5. Применение по п.4, где указанная система является низкотемпературной холодильной системой и причем:

a) температура в конденсаторе в системе составляет от 20 до 50°С;

b) температура в испарителе в системе составляет от -45 до -10°С включительно;

c) степень перегрева на выходе из испарителя в системе составляет от 0 до 10°С;

d) степень перегрева системы во всасывающей линии в системе составляет от 15 до 40°С.

6. Применение по п.4, где указанная система является среднетемпературной холодильной системой и причем:

a) температура в конденсаторе в системе составляет от 20 до 60°С;

b) температура в испарителе в системе составляет от -25 до 0°С включительно;

c) степень перегрева на выходе из испарителя в системе составляет от 0 до 10°С;

d) степень перегрева системы во всасывающей линии в системе составляет от 5 до 40°С.

7. Применение композиции по п.1 в качестве заменителя R-404A в низкотемпературной и среднетемпературной холодильных системах.