DE10141447A1

DE10141447A1 - Verwendung von 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan

Info

Publication number: DE10141447A1
Application number: DE10141447A
Authority: DE
Inventors: Peter Jannick; Christoph Meurer
Original assignee: Solvay Fluor und Derivate GmbH
Current assignee: Solvay Fluor GmbH
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-03-13
Also published as: CN1514866A; CN1221627C; US20040226303A1; JP2005501215A; HK1066022A1; US7210301B2; EP1421151A1; WO2003018707A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan (R365mfc) als Kältemittel in Turbokompressoren. DOLLAR A Aufgrund ihrer Bauart können mit Turbokompressoren große Leistungen bei kleinem Raum- und Materialberdarf erreicht werden. DOLLAR A Sie werden in gewerblichen und industriellen Kühlanlagen mit großen Leistungen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Kältemittels in Turbokompressoren.
Mit dem Nachweis der ozonschädigenden Wirkung der FCKW, wie z. B. R11, R12, R114 und HFCKW, wie z. B. R22, R123 in den siebziger Jahren, wurde mit der Unterzeichnung des Montreal Protokolls 1987 beschlossen, diese Stoffe durch andere zu ersetzen. Weitere internationale und nationale Verordnungen verkürzten die beschlossenen Ausstiegszenarien dieser Stoffe. Aus diesem Grund ist die Notwendigkeit der Suche von geeigneten Ersatzstoffen gegeben, die FCKW bzw. HFCKW in bisherigen Anwendungen ersetzen können.
Die Verwendung von R365mfc als Treibmittel oder Kältemittel ist bekannt, aber seine Anwendung als Kältemittel in Turbokompressoren wurde bisher nicht beschrieben.
Turbokompressoren im Bereich der Kältetechnik sind ausschließlich radialer Bauart. Sie zeichnen sich z. B. durch ein geringes Leistungsgewicht, einen geringen Platzbedarf und eine geringe Störanfälligkeit aus.
Es ist ebenfalls bekannt, daß Stoffe mit hoher relativer Molmasse als Kältemittel für Turbokompressoren geeignet sind, da zum Erreichen eines bestimmten Druckverhältnisses eine geringere Förderhöhe und damit häufig eine geringere Stufenzahl als bei einem Stoff mit niedrigerer relativer Molmasse notwendig ist.
Typische Kältemittel für Turbokompressoren sind z. B. Trichlorfluormethan (R11), Dichlordifluormethan (R12), Chlordifluormethan (R22), 1,2-Dichlortetrafluorethan (R114) oder Dichlortrifluorethan (R123). Die Verwendung von 1,2,2,3,3- Pentafluorpropan bzw. 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan als Kältemittel in Turbokompressoren ist in EP 0 595 937 bzw. in US 5,662,825 beschrieben worden.
Die Hauptabmessungen der Turbokompressoren werden u. a. von der Art des Kältemittels bestimmt.
Üblicherweise geht man bei der Konstruktion der Turbokompressoren so vor, daß anhand der notwendigen, bekannten oder noch zu bestimmenden Eigenschaften des ausgewählten Kältemittels die Turbokompressoren konstruiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neues Kältemittel für Turbokompressoren bereitzustellen, welches auch als Ersatzkältemittel für R11 oder R123 einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung von R365mfc in Turbokompressoren.
Eine Gegenüberstellung der charakteristischen Stoffdaten verschiedener Kältemittel ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Die molare Masse von R365mfc ist vergleichbar mit der von R11 und R123.
Aufgrund der vergleichbaren Stoffdaten kann R365mfc anstatt R11 oder R123 in Turbokompressoren eingesetzt werden.
Die nachfolgende vereinfachte Bewertung der Kältemittel durch die Betrachtung der Geschwindigkeiten zur Druckentwicklung für einen adiabaten Turbokompressor soll die Erfindung erläutern jedoch nicht einschränken.
Das von den Schaufeln auf das Fluid verlustlos wirkende Drehmoment M ist:

M = ≙.c_2u.r₂ - ≤.c_1u.r₁

M = ≙(c_2u.r₂ - c_1u.r₁) (1)
Darin bedeuten:
≙ - Massenstrom des Kältemittels in kg/s
c_2u - Tangentialgeschwindigkeit des Kältemittels am Ausgang in m/s
r₂ - Radius der Schaufeln am Ausgang in m
c_1u - Tangentialgeschwindigkeit des Kältemittels am Eingang in m/s
r₁ - Radius der Schaufeln am Eingang in m.
Bei drallfreiem Eintritt (α = 90°) des Kältemittels in den Turbokompressor ergibt sich:
c_1u = c₁.cos α = c₁.cos 90° = 0.
Man erhält:

M = ≙.c_2u.r₂ (2)
Die Wellenleistung des Turbokompressors berechnet sich nach:

P = M.ω (3)

mit:
ω - Winkelgeschwindigkeit
M - Drehmoment des Turbokompressors.
Es ergibt sich aus (2):

P = ≙.c_2u.r₂.ω (4)
Mit der Annahme, daß die Laufradgeschwindigkeit und die Tangentialgeschwindigkeit des Kältemittels bei niedrigem Kältemitteldurchfluß nahezu gleich sind, erhält man also:

c_2u = r₂.ω (5)

und es ergibt sich mit (4):

P = ≙.c_2u.c_2u (6)
Die Verdichterleistung für eine ideale Verdichtung (η_is = 1,0) kann mit der folgenden Gleichung ausgedrückt werden:

P = ≙(h₂ - h₁) (7)

mit:
≙ - Massenstrom des Kältemittels in kg/s
h₂ - Enthalpie des Dampfes am Austritt in kJ/kg
h₁ - Enthalpie des Dampfes am Eintritt in kJ/kg.
Aus (6) und (7) erhält man dann den folgenden Zusammenhang für die Laufradgeschwindigkeit:
≙(h₂ - h₁) = ≙.c² _2u
Für den Radius des Laufrades ergibt sich aus:

c₂ = ω.r ω = 2Π.n (9)

die folgende Gleichung:

mit:
n Drehzahl des Laufrades in s^-1
c₂ Laufradgeschwindigkeit in m/s.
In Tabelle 2 sind für verschiedene Turbokompressorenkältemittel die Enthalpiedifferenz, die Laufradgeschwindigkeit und die Durchmesser bei einer konstanten Drehzahl von 60 sec^-1 angegeben.
Die Enthalpiewerte des Dampfes beim Ein- und Austritt in den Verdichter wurden bei einer Verdampfungstemperatur von 10°C, einer Verflüssigungstemperatur von 30°C, einer Überhitzung von 7K und einer Unterkühlung von 5K für isentrope Verdichtung (η_is = 1,0) berechnet. Tabelle 2 Enthalpiedifferenz, Laufradgeschwindigkeit und Durchmesser für verschiedene Kältemittel bei 60 sec^-1
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, weichen die berechneten Laufraddurchmesser nur geringfügig voneinander ab.
R365mfc kann also in Abhängigkeit von der Systemauslegung und den Leistungsanforderungen R11 und R123 in bestehenden Turbokompressor-Anlagen ersetzen. Um die Leistungsanforderung zu erfüllen, ist z. B. die Drehzahl des Systems nur geringfügig zu ändern, wenn R11 oder R123 durch R365mfc ersetzt wird.
Die Auslegung eines Turbokompressors ist sehr komplex. Die Baugröße und die Ausführungsform, d. h. Stufenzahl und -design, richtet sich nach der jeweiligen Anwendung und dem verwendeten Kältemittel. Im folgenden wird die Auslegung eines Turbokompressors anhand der wichtigsten Kenndaten überschlägig durchgeführt.

Beispiel

Mit der Annahme, daß nur eine Stufe mit gleicher Schaufelzahl verwendet wird, gilt vereinfacht für die adiabatische Förderhöhe H_ad, also für die aufzuwendende Arbeit zum Erreichen eines bestimmtem Druckverhältnisses:

H_ad ~ (u₂)² (10)

mit u₂ - Umfangsgeschwindigkeit in m/s.
Für ein selbstgewähltes Anwendungsbeispiel soll eine Verdampfungstemperatur von 10°C bei einer Überhitzung von 7K und eine Verflüssigungstemperatur von 30°C bei einer Unterkühlung von 5K und einem isentropen Wirkungsgrad η_is des Prozesses von 0,75 erreicht werden. Die adiabatische Förderhöhe berechnet sich für R11 zu 17,2 kJ/kg und für R365mfc zu 19,6 kJ/kg. Setzt man diese Werte in Gleichung 10 ein, so erhält man für die Umfangsgeschwindigkeiten u₂ die folgenden Werte:
u_{2 R11} = 131 m/s
u_{2 R365mfc} = 136 m/s.
Die Lieferzahl φ eines Turbokompressors soll je nach Konstruktion zwischen 0,075 und 0,04 liegen. Den Laufraddurchmesser des Kompressors kann man mit der folgenden Gleichung ermitteln:
Mit einer mittleren Lieferzahl von 0,06 ergeben sich für den Laufraddurchmesser d₂ bei verschieden Eintrittsvolumen V_i für das beschriebene Anwendungsbeispiel für die Kältemittel R11 und R365mfc die folgenden Laufraddurchmesser d₂:
d_{2 R11} = 0,51 m
d_{2 R365mfc} = 0,68 m.
Zur Überprüfung der Festigkeit eines Laufrades dient die Kontrolle der Machzahl am Laufradeintritt M_A1. M_A1 sollte nicht größer als 0,9 sein. Die Machzahl am Laufradeintritt berechnet sich aus dem Druckverhältnis p₂/p₁ und dem Isentropenexponent χ zu:
Man erhält für die verschiedenen Kältemittel mit Gleichung 12 bei einem Durchmesserverhältnis d₁/d₂ von 0,5 und einem Eintrittswinkel β₁ von 30° die folgenden Machzahlen:
M_{A1 R11} = 0,67
M_{A1 R365mfc} = 0,76.
Die Festigkeit des Laufrades ist also für das aufgeführte Beispiel und die verschiedenen Kältemittel gewährleistet. Die Drehzahl des Kompressors berechnet sich mit Gleichung 13 zu:
Für die Kältemittel R11 und R365mfc erhält man mit Gleichung 13 die folgenden Drehzahlen:
n_R11 = 4908 U/min
n_R365mfc = 3822 U/min.
R365mfc kann in bestehenden R11-Systemen unter folgenden vereinfachten Voraussetzungen eingesetzt werden:

- Erhöhung der Drehzahl
- oder Erhöhung der Stufenzahl
- oder Einbau eines größeren Laufrades.

Da die letzten beiden Punkte aufgrund der vorgegeben Konstruktion in diesem Fall nicht in Frage kommen, kann nur durch eine Drehzahlerhöhung bei gleichbleibendem Laufraddurchmesser von 0,51 m die Leistung des Verdichters erhöht werden. Nach Gleichung 13 wird die Drehzahl des auf R365mfc umgestellten R11 Turbokompressors ermittelt. In diesem Fall muß die Drehzahl auf 5096 min^-1 erhöht werden. Das entspricht einer 4%igen Drehzahlerhöhung im Vergleich zum bisherigen R11-System.

Claims

1. Verwendung von 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan als Kältemittel in einem Turbokompressor.

2. Verwendung von 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan als Ersatz für R11 oder R123 als Kältemittel in einem Turbokompressor.

3. Kühlanlage mit einem Turbokompressor, dadurch gekennzeichnet, daß das im Turbokompressor verwendete Kältemittel 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan ist.

4. Kühlanlage mit einem Turbokompressor, der mit R11 oder R123 als Kältemittel arbeiten kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel im Turbokompressor 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan ist.