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CN1119023A - 致冷循环用流体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于致冷循环作为氟氯烃(CFC)代用品的新致冷剂介质，以减少环境污染的危险，特别是减少对同温层中臭氧层的损耗。该致冷介质含有50～95％(重)氟化烃类和5～50％(重)异丁烷(R600a)。

Description

致冷循环用流体
本发明涉及用于致冷循环作为氟氯烃(CFC)代用品的亲致冷剂介质，以减少环境污染的危险，特别是减少对同温层中臭氧层的损耗。臭氧层在保护地球免受太阳紫外线辐射中起极其重要的作用。
大家都知道，这一点是目前在整个环保问题中辩论最多的问题之一，科学和工业组织和管理机构都在做巨大努力，来寻找和实验可能有助于解决这一问题的新介质。
在这方面，最经常采用的方法之一看来是确定适合的共沸混合物。但是，共沸是一不能预料的现象，并且寻找实际上具有能有效用作致冷剂介质所需的所有性质的新共沸混合物是不容易的。
专利说明书US-A-4155865公开一种主要由约69.1～99.5％(重)1，1，2，2—四氟乙烷和约0.5～30.9％(重)1，1，1，2-四氟氯乙烷组成的共沸混合物。但是，这样的混合物仍含有一种包括在1991年3月4日开始执行的EEC条约594/91号中的流体，也就是四氟氯乙烷，该法令涉及可能损耗臭氧层的那些物质。它的生产和使用将因此而逐步停止。
所以，本发明的主要目的是确定不含有任何可能被禁止的对环境有害的流体的共沸混合物，考虑到它们在致冷循环和类似的应用中用作致冷剂介质。
根据附后的权利要求1所示的特征，在这方而确定的共沸混合物含有异丁烷(在贸易中也称为R600a)作为一共同的组分和氟化的烃类作为另一组分，所述的组分都不在根据国际条约必须禁止的物质清单之列。
通常已知这些共沸混合物的主要优点有在于，在相转变过程中，也就是在汽化和冷凝过程中，压力和温度参数的始终如一。这样的特殊性质消除了在热交换器和节流部件内出现的不稳定现象，因此使设备设计容易得多。
从以下的描述将更清楚地理解本发明这些优点和特点以及另外的优点和特点，根据在这里详细描述的实施例以及附表1～6，通过非限制的实施例给出这些描述。
正如所提到的，本发明涉及的共沸混合物基于异丁烷(R600a)的使用。这些混合物是纯共沸流体，也就是恒定在20℃下汽化的流体。当然所有那些混合物都在本发明的范围内，虽然在每一情况下它们的组分保持不变，但是在混合物中相同组分的百分含量彼此不同。这些混合物象纯的共沸流体一样，甚至在与在本文具体表明的温度和压力不同的另一温度和压力条件下；但是，在致冷以及其他应用中，就它们的热力学性质和在沸腾阶段中不分凝或分镏的特性来说，它们基本上为共沸流体。
第一类共沸混合物
混合物的基本组成在20℃下是纯共沸物，它由80％四氟乙烷[C2H2F4]和20％异丁烷[(CH3)2CHCH3]组成。
该混合物在0.1013兆帕下的沸点为-33.35℃。组成范围定义如下：在该组成范围内的混合物的共沸性能与通常的共沸性能没有明显的差别：50～95％(重)四氟乙烷和5～50％(重)异丁烷。在一优选的实施方案中，混合物的重量百分组成为78～82％(重)四氟乙烷和18～22％(重)异丁烷。
这样的混合物可用于按压缩和膨胀循环操作的致冷设备，与传统的致冷剂流体相比，装在循环中的流体数量更少，而且设备的能量消耗减少。此外，这种混合物较使用传统的致冷剂介质，在提高密封式压缩机的性能方面是有效的。最后，这种混合物可用于矿物油作润滑剂的压缩机中。
为测试这一革新混合物的性能并与传统的致冷剂比较，在压缩机中和在完整的致冷设备中进行了各种实验。这些实验大部分重要的结果都汇于下表1的2。
具体地说，表1汇集了整套量热试验的结果，试验在活塞排气体积为5.7毫升的马达驱动的压缩机上进行。从该表可以得出，与用相同的压缩机，使用四氟乙烷(R134a)作为致冷剂介质，也就是迄今使用的物质(它作为本说明书的参考)得到的对应数值相比，在致冷能力和性能系数两方面都有提高。
具体地说，可以指出在参考温度为-23.3℃下性能系数(COP)提高大约10％。
表2汇集了在总容量为222升的深冷冷冻箱上进行试验的结果。从所述表中的数据可以看出，本发明的混合物的使用如何使装有致冷循环中的致冷剂量减少，与使用四氟乙烷(R124a)时的通常用量相比，减少量大约为30％，而与使用二氯二氟甲烷(R12)的通常用量相比，减少量大约为80％。
同样，当在冷冻箱的贮藏室的平均温温度保持实际上不变时，与四氟乙烷(R134a)相比减少约4％，与二氯二氟甲烷(R12)相比减少约11％。
从上述表中可以看出，本发明混合物的致冷能力看来明显大于使用R134a或R12达到的致冷能力。
在以下工艺条件下在装有东欧国家制造的XKB-6型密封式压缩机的致冷机上进行了进一步试验，使用不同重量百分组成的R134a的R600a，并与仅使用R134a比较：沸点253°K(-20℃)、冷凝温度313°K(40℃)、压缩机吸入口温度305°K(32℃)。在分析表3中的数据的基础上，可以得出本发明的致冷剂混合物使热力学性能提高，因此使热力学效率提高。
具体地说，与参考的致冷剂相比，致冷能力看来提高3～19％。此外，本发明的混合物对同温层中的臭氧层无害，因为它基本上用R600a代替了R12。
第二类共沸混合物
在20℃下混合物的基本组成是由75％二氟乙烷[C2H4F2]和25％导丁烷[(CH3)2CHCH3]组成的纯共沸物。
在0.1013兆帕压力下这一混合物的沸点为-29.42℃。
组成范围定义如下，在该组成范围内的混合物的共沸性能与通常的共沸性能没有明显的差别：55～92％(重)二氟乙烷和8～45％(重)异丁烷。在一优选的实施方案中，混合物的重量百分组成为73～77％(重)二氟乙烷和23～27％异丁烷。
这样的混合物可用于按压缩和膨胀循环操作的致冷设备，与传统的致冷剂流体相比，装在循环中的流体数量更少，而且设备的能量消耗减少。此外，这种混合物较使用传统的致冷剂介质，在提高密封式压缩机的性能水平方面是有效的。
为了测试这种混合物的性能水平，在家用致冷设备的马达驱动压缩机上进行了各种实验。这些实验的大部分重要结果都汇于表4。
具本地说，表4汇集了整套量热试验的结果，试验在活塞排气体积为5.7毫升的马达驱动的压缩机上进行。从该表可以得出，与用相同压缩机，使用四氟乙烷(R134a)作为致冷剂介质，也就是迄今使用的物质(它作为本说明书的友参考)得到的相应数值相比，在致冷能力和性能系数两方面都提高。
具体地说，可以指出在参考温度为-25℃下性能系数提高大约8％。甚至致冷能力比使用R134a，在相同的汽化温度下得到的提高13.6％。
在以下工艺条件下，在装有东欧国家制造的XKB-6型密封式压缩机的致冷机上进行进一步试验，使用不同重量百分组成的R152a和R600a，并与使用R152a和R12R的混合物(在贸易中也称为R500)比较，基中R12的重量百分数为74％：沸点253°K(-20℃)、冷凝温度313°K(40℃)、压缩机吸入口温度305°K(32℃)。在分析表5中的数据的基础上，可以得出本发明的致冷剂混合物使热力学性能提高。因此使热力学效率提高。具体地说，与参考的致冷剂相比，致冷能力看来提高2～5％。此外，本发明的混合物对同温层中的臭氧层无害，因为它基本上用R600a代替了R12。
第三类共沸混合物
根据本发明该混合物的组成如下：95～98％(重)共沸混合物R507和2～5％(重)异丁烷(R600a)，其中所述的共沸混合物R507由16.5％(摩尔)二氟乙烷和83.5％(摩尔)八氟丙烷(R218)组成。
第三类混合物不含任何可能对同温层中臭氧层有害的流体，可用于按压缩和膨胀循环操作的致冷设备。
在以下工艺条件下，在装有东欧国家制造的XKB-6型密封式压缩机的致冷机上进行了各种实验，使用不同摩尔百分组成的混合物，并与仅使用R507混合物比较：沸点253°K(-20℃)、冷凝温度313°K(40℃)、压缩机吸入口温度305°K(32℃)。在分析表6中数据的基础上，可以得出本发明的致冷剂混合物使热力能性能提高，因此使热力学效率提高。具本地说，与参考的致冷剂相比，致冷能力看来提高2～6％，而性能系数提高1～4％。
确实应当理解到，根据本发明用作致冷剂介质的共沸混合物是对臭氧层无害的，同时又能达到明显优于使用传统的致冷剂介质可得到的性能水平的物质。还应理解到，在不违背附后的权利要求所规定的本发明的范围的情况下，与上述组成相比，按任何不同的组成组合的混合物组分都包括在上面说明的混合物中。
                    表1
                       性能比较致冷剂(重量百分组成)    R134a    100％      80％R600a      -        20％汽化温度致冷能力              千卡/小时    41       70性能系数                重/重      0.63     0.83汽化温度    -23.3℃致冷能力              千卡/小时    11.2     151性能系数                重/重      1.1      1.21汽化温度     -10℃致冷能力              千卡/小时     238     291性能系数                重/重       1.55    1.61冷凝温度：                          +55℃过冷温度                            +32℃室温：                              +32℃吸入口温度：                        +32℃压缩机排气体积：                      5.7毫升
                表2
    对222升冷冻机的性能分析致冷剂(重量百分组成)R12                 100％R134a                        100％       80％R600a                                    20％冷冻机内平均温度℃      -32.2    -33.8       -34.6致冷剂用量，克          180      130         100能耗，瓩小时/24小时     1.16     1.08        1.04压缩机排气量，    毫升  8        8.1         6.1
                   表3
    参数     范例                                  混合物组分的重量百分组成
  134a/R1246/54  R134a/R600a48/52  R134a/R600a50/50  R134a/R600a80/20  R134a/R600a95/5  R134a/R600a97/3
1.冷凝压力PK，兆帕                                        1.186             1.04                  1.06                 1.151               1.39                1.0752.汽化压力Po，兆帕                                        0.175             0.140                 0.148                0.177               0.156               0.1453.压缩比PK/Po                                           6.78              7.42                  7.16                 6.50                6.98                7.414.压缩机致冷能力Qo，瓦                                          176               168                   174                  194                 175                 1685.压缩机功率额足值P，瓦                                           153               147                   149                  155                 152                 1506.性能系数                                            1.15              1.14                  1.17                 1.25                1.15                112
                    表4
    性能比较致冷剂(重量百分组成)  R134a   100％R152a    -       75％R600a    -       25％汽化温度    -30℃致冷能力           千卡/小时   70.5    77.4性能系数           重/重       0.86    0.87汽化温度    -25℃致冷能力           千卡/小时   94.6    105性能系数           重/重       0.98    1.06汽化温度：   -15℃致冷能力          千卡/小时    187.5   189.2性能系数          重/重        1.45    1.42冷凝温度：                   +55℃过冷温度：                   +32℃室温：                       +32℃吸入口温度：                 +32℃压缩机排气体积：               5.7毫升
                       表5
    参数     范例                                      混合物组分的重量百分组成
    R500(R12/R152a) R134a/R600a53/47  R134a/R600a60/40  R134a/R600a75/25  R134a/R600a92/8     R134a/R600a94/6
1.冷凝压力PK，兆帕                                       1.134               0.98                0.99                 1.01                 0.99                  0.982.汽化压力Po，兆帕                                       0.177               0.148               0.149                0.14.9               0.144                 0.1413.压缩比PK/Po                                          6.4                 6.62                6.64                 6.78                 6.87                  6.944.压缩机致冷能力   Qo，瓦                                         178                 165                 181                  188                  172                   1635.压缩机功率额定值P，瓦                                         147                 144                 148                  150                  143                   1396.性能系数                                            1.21                1.14                1.22                 1.25                 1.2                   1.17
                           表6
    参数                       重量百分数
    R507     100     95     97     98
    R600a     5     3     2
冷凝压力pk汽化压力pO压缩比pk/pO压缩机致冷能力    瓦压缩机功率输入    瓦压缩机性能系数    重/重 1.5890.2745.792161801.20 1.5920.2755.792251831.22 1.6010.2795.732301841.25 1.590.2765.762201821.21

Claims (9)

1.一种由共沸混合物组成的致冷剂介质，其特征在于，它含有50～95％(重)氟化烃类和5～50％(重)异丁烷(CH3)2CHCH3(R600a)。
2.根据权利要求1的致冷剂介质，其特征在于，所述的氟化烃类是四氟乙烷C2H2F4。
3.根据权利要求2的致冷剂介质，其特征在于，它含有50～95％(重)四氟乙烷和5～50％(重)异丁烷。
4.根据权利要求3的致冷剂介质，其特征在于，它含有78～82％(重)四氟乙烷和18～22％(重)异丁烷。
5.根据权利要求1的致冷剂介质，其特征在于，所述的氟化烃类是二氟乙烷C2H4F2。
6.根据权利要求5的致冷剂介质，其特征在于，它含有55～92％(重)二氟乙烷和8～45％(重)异丁烷。
7.根据权利要求6的致冷剂介质，其特征在于，它含有73～77％(重)二氟乙烷和23～27％(重)异丁烷。
8.根据权利要求1的致冷剂介质，其特征在于，所述的氟化烃类是由二氟乙烷和八氟丙烷(R218)组成的共沸混合物(R507)。
9.根据权利要求8的致冷剂介质，其特征在于，它含有95～98％(重)R507和2～5％(重)异丁烷。
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