Композиция хладагента

 

Применение: в рефрижераторных системах. Сущность изобретения: композиция хладагента содержит дихлормонофторметан и по крайней мере одно фторалкильное соединение из группы: трифторметан, пентафторэтан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. % : дихлормонофторметан 0,1 - 50,0; по крайней мере одно фторалкильное соединение 50,0 - 99,9. В качестве фторалкильного соединения композиция может содержать трифторметан и/или пентафторэтан или монохлордифторметан и/или 1-хлор-1,1-дифторэтан. Оптимальное содержание дихлормонофторметана 30 - 50 мас. % . Композиция содержит компоненты при следующем их соотношении, мас. % : дихлормонофторметан 2 - 12; монохлордифторметан 50 - 93; 1-хлор-1,1-лифторэтан 5 - 48. Уменьшается истощение озона в озоносфере. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к составу хладагента для использования в рефрижераторных системах, имеющему значительно уменьшенный потенциал истощения озона в озоносфере.

Обычно в качестве хладагентов в рефрижераторных системах используются галоидированные углеводородные хладагенты. Среди них используются R-12 (дихлордифторметан) и R-500 (азеотропная смесь R-12 и R-152а (1,1-дифторэтан).

При атмосферном давлении R-12 и R-500 имеют точки кипения - 29,65^оС и -33,45^оС соответственно, что подходит для рефрижераторных систем. Кроме того, даже несмотря на то, что их температура на входе в компрессор сравнительно высока, их температура на выходе из компрессора не поднимается на столько высоко, чтобы вызывать загрязнение компрессора маслом. Далее R-12 обладает высокой степенью совместимости с компрессорным маслом и, следовательно, играет определенную роль в возвращении в компрессор унесенной нефти, имеющейся в цепи циркуляции хладагента.

Однако вышеупомянутые хладагенты имеют высокий потенциал истощения озона и при выпускании в атмосферу и достижении озоносферы они разрушают озон в озоносфере. Это разрушение вызывается хлором, содержащимся в молекулах хладагента.

Для решения этой проблемы в качестве альтернативных хладагентов рассматриваются хладагенты, не содержащие хлор, например R-125 (пентафторэтан, СНR₂СF₃), R-134а (1,1,1,2-тетрафторэтан, СН₂FCF₃) и R-23 (трифторметан, СF₃Н).

При атмосферном давлении R-125, R - 134а и R-23 имеют точки кипения -48^оС, -26^оС и -82,05^оС соответственно.

R-22 (монохлордифторметан, ССlF₂H) и R-142b (1-хлор-1,1-дифторэтан, С₂СlF₂H₃) содержат в своем составе молекулы хлора. Однако они редко разрушают озон в озоносфере, потому что разлагаются до ее достижения с помощью водорода (Н), содержащегося в них. При атмосферном давлении R-22 и R-142b имеют точки кипения -40,75^оС и -9,8^оС соответственно.

Известны некоторые смеси вышеупомянутых хладагентов, не оказывающие отрицательного воздействия на озоносферу, каждая из которых является сочетанием двух или более вышеупомянутых хладагентов (I). Однако такие смеси хладагентов имеют следующие недостатки. Смеси R-125, R-134а или R-23 обладают чрезвычайно плохой совместимостью с компрессорными маслами, используемыми в холодильном цикле, поскольку совместимость с маслами зависит от хлора (Cl), содержащегося в хладагентах. Смеси R-22 или R-142b, хотя и содержат хлор, не обнаруживают удовлетворительной совместимости с нафтеновым или парафиновым маслами.

В тех случаях, когда хладагент имеет плохую совместимость с компрессорным маслом, сепарация на две фазы (масло и хладагент) происходит в испарителе, поэтому масло почти не возвращается в компрессор, что может вызвать заедание узлов компрессора, содержащих подшипники. Кроме того, появляется тенденция к прилипанию масла к рабочим трубкам цепи циркуляции хладагента, что приводит к засорению цепи циркуляции хладагента.

Чем ниже точка кипения хладагента смешанного состава, тем более заметной становится эта тенденция. Особенно серьезная проблема возникает при применении хладагента смешанного состава в рефрижераторной системе, требующей температуры охлаждения ниже -20^оС, например -40^оС или -80^оС.

Цель изобретения - уменьшение истощения озона в озоносфере.

Цель достигается тем, что композиция хладагента, содержащая смесь галоидированных углеводородов, содержит дихлормонофторметан и одно фторалкильное соединение из группы: трифторметан, пентафторэтан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. % : Дихлормонофтор- метан 0,1-50,0 по крайней мере одно фторалкиль- ное соединение 50,0-99,9, а также тем, что в качестве фторалкильного соединения используют трифторметан и/или пентафторэтан или в качестве фторалкильного соединения используют монохлордифторметан и/или 1-хлор-1,1- дифторэтан. Предпочтительно композиция содержит 30-50 мас. % дихлормонофторметана. В частности, композиция содержит дихлормонофторметан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. % : Дихлормонофтор- метан 2-12 Монохлордифтор- метан 50-93 1-Хлор-1,1-дифтор- этан 5-48 Соответствующим образом настоящее изобретение касается разработки состава хладагента, содержащего дихлормонофторметан (R-21) и по крайней мере одно фторалкильное соединение, выбранное из группы, состоящей из трифторметана (R-23), пентафторэтана (R-125), монохлордифторметана (R-22) и 1-хлор-1,1-дифторэтана (R-142b).

Основой этого изобретения является открытие, характеризующееся тем, что при смешивании дихлормонофторметана (R-21) c фторалкиловыми соединениями, выбранными из вышеупомянутой группы соединений, можно получать составы хладагента со значительно уменьшенным потенциалом истощения озона в озоносфере, способные обеспечивать достижение очень низких температур охлаждения, таких как -40^оС или -80^оС, и обладающие высокой степенью совместимости с компрессорными маслами.

На фиг. 1 и 2 изображены цепи циркуляции хладагента; на фиг. 3 - область отсутствия воспламеняемости R-142b в смеси R-142b, R-21 и воздуха.

В тех случаях, когда в качестве хладагента используется только R-22, требуется значительное снижение его температуры на входе в компрессор с тем, чтобы подавить повышение его температуры на выходе из компрессора. Однако смешивание R-142b с R-22 делает возможным снижение температуры на выходе, потому что температура R-142b на выходе не поднимается настолько высоко, даже если его температура на входе сравнительно высока.

Кроме того, в результате смешивания R-142b с R-22 образуется невоспламеняющийся состав, несмотря на воспламеняемость R-142b, повышая безопасность. На фиг. 4 показана воспламеняемость по отношению к содержанию в смеси R-142b, R-22 и воздуха, причем заштрихованная область является областью воспламеняемости, тогда как в остальной области воспламеняемость отсутствует. Из фиг. 3 можно сделать вывод, что при содержании в смеси более 10% по весу R-22 можно обойти область воспламеняемости R-142b.

При низкой температуре окружающей среды, например менее 0^оС, зимой в случае, если происходит утечка хладагента из холодильного цикла, раньше испаряется и рассеивается R-22, имеющий более низкую точку кипения. Следовательно, R-142b остается в единственном числе или растворяется в компрессорном масле.

На фиг. 4 изображена область отсутствия воспламеняемости R-142b в смеси R-142b, R-22 и воздуха; на фиг. 5 - график соотношения между содержанием R-21 в хладагенте смешанного состава, состоящем из R-22, R-142b и R-21, температурой в компрессоре и температурой охлаждения.

Составы хладагента в соответствии с изобретением подразделяются на варианты осуществления 1 и 2. Вариант осуществления I состоит из смесей дихлормонофторметана (R-21) с трифторметаном (R-23) и/или пентафторэтаном (R-125), которые являются фторалкиловыми соединениями, в молекулах которых отсутствует хлор. Вариант осуществления 2 состоит из смесей дихлормонофторметана (R-21) с монохлордифторметаном (R-22) и/или 1-хлор-1,1-ди- фторэтаном (R-142b), которые являются фторалкиловыми соединениями, в молекулах которых содержатся хлор и водород.

В варианте осуществления I приемлемое содержание R-21 в составах составляет 0,1-50% по весу. Особенно в составах, в которых R-21 смешивается с R-23, содержание R-21 в предпочтительном варианте составляет 30-50% по весу, в самом предпочтительном варианте 35-45% по весу.

При вышеупомянутых пределах содержания R-21, составляющих 30-50% по весу, могут быть подготовлены составы хладагента, обладающие высокой степенью совместимости с маслами и способные обеспе- чивать получение температур охлаждения -80^оС или ниже.

В вышеупомянутом варианте осуществления 2 приемлемое содержание R-21 составляет 0,2-30% по весу, что идентично его содержанию в варианте осуществления 1. С точки зрения снижения температуры хладагентов на выходе из компрессора с целью как можно более полного предотвращения заедания последнего в предпочтительном варианте содержание R-21, R-22 и R-142b в более предпочтительном варианте составляет 3-7% по весу, 67-74% по весу и 23-28% по весу соответственно.

R-21 в составе хладагента в соответствии с изобретением содержит хлор, который сосуществует с водородом (Н). Поэтому R-21 разлагается до достижения озоносферы, вследствие чего его потенциал истощения озона может быть значительно уменьшен. Кроме того, R-21 обладает высокой степенью совместимости с компрессорными маслами холодильного цикла, поэтому смешивание его с такими обладающими низкой степенью совместимости хладагентами, как R-125, R-23, R-22 и R-142b, вызывает растворение масел, унесенных в цепь циркуляции хладагента, в R-21 для возвращения масел в компрессор. Поскольку при атмосферном давлении R-21 имеет точку кипения +8,95^оС, он испаряется в компрессоре, охлаждая его.

Далее, смешивание R-21 с R-142b делает возможным образование области отсутствия воспламеняемости у R-142b (незаштрихованная область), показанной на фиг. 3, которая является такой же функцией, как при использовании R-22. Поэтому даже после рассеивания R-22, вызванного утечкой хладагента, R-21 остается вместе с R-142b в цепи циркуляции хладагента, так что оставшийся состав хладагента остается невоспламеняющимся, вследствие чего его взрыв может быть предотвращен.

Этот взрывобезопасный эффект усиливается при увеличении весового отношения R-21 и R-142b. Поскольку R-21 имеет относительно высокую точку кипения, слишком большое весовое содержание R-21 ухудшает хладопроизводительность, так что требуемые температуры охлаждения не могут быть получены. В соответствии с экспериментами, примешивая 5-20% по весу R-21 по отношению к R-142b, можно получить взрывобезопасные хладагенты, не ухудшая их хладопроизводительность.

В результате дальнейших интенсивных исследований открыто наиболее эффективное соотношение значений содержания, т. е. 70% по весу R-22, 25% по весу R-142b и 5% по весу R-21. Хладагент с таким соотношением является наиболее безопасным и может обеспечивать получение требуемой температуры (по крайней мере -40^оС) для рефрижератора.

R-134а в соответствующих пределах совместим с алкилбензойными маслами, следовательно, он выполняет функции возвращения масла подобно R-21. Кроме того, согласно экспериментам R-134a, содержащийся в составе хладагента, имел точку кипения -30^оС или ниже в случае, когда хладагент содержал 70% по весу R-22, 25% по весу R-142b и 5% по весу R - 134а.

На фиг. 1 изображена цепь циркуляции хладагента обычного холодильного цикла. Последовательно соединены компрессор 1, приводимый двигателем, конденсатор 2, капиллярная трубка 3 и испаритель 4. Компрессор 1 приспособлен к использованию нафтенового, алкилбензойного или парафинового масел в качестве гидравлических. В этом примере используется алкилбензойное масло (CF-2; Идемицу Косан Компани, Лимитед). Эта холодильная цепь загружена хладагентом смешанного состава, включающего 90% по весу R-125 и 10% по весу R-21. Другим возможным хладагентом смешанного состава для загружения цепи является смесь, содержащая 60% по весу R-23 и 40% по весу R-21.

Состав хладагента, при высокой температуре и под высоким давлением выпущенный из компрессора 1 в газообразной форме, попадает в конденсатор 2 для рассеивания своего тепла и сжижения (фиг. 1). Затем давление состава хладагента падает в капиллярной трубке и он попадает в испаритель 4, где испаряется, делая возможным охлаждение, а затем возвращается в компрессор 1. Поскольку R-21 имеет сравнительно высокую точку кипения, он возвращается в компрессор 1 в жидкой форме с растворенным в нем компрессорным маслом и наконец испаряется в компрессоре, тем самым охлаждая его. В результате масло, имеющееся в цепи циркуляции хладагента, может вернуться в компрессор 1, в то же время может быть понижена температура хладагента на выходе из компрессора.

Хладагент может быть выбран в зависимости от типа рефрижераторной системы, поскольку температура охлаждения, которая должна быть получена в испарителе 4, зависит от используемого хладагента. Например, хладагент смешанного состава, содержащий R-125 и R-21, подходит для домашнего холодильника, требующего температуру охлаждения примерно от -20 до -40^оС, а хладагент смешанного состава, содержащий R-23 и R-21, подходит для рефрижератора с очень низкой температурой, требующего температуру охлаждения примерно -80^оС.

В этом случае, поскольку R-21 имеет относительно высокую точку кипения, слишком высокое содержание R-21 в смеси препятствует получению требуемых температур охлаждения в испарителе 4, напротив, слишком низкое содержание его в смеси ухудшает способность возвращения масла. Учитывая вышеизложенное, содержание R-21 в смеси следует выбирать в пределах 0,1-50% по весу. Особенно в сочетании R-21 и R-125 приемлемое содержание R-21 составляет 5-15% по весу, в предпочтительном варианте 7-12% по весу. В сочетании R-21 и R-23 приемлемое содержание R-21 составляет 30-50% по весу, в предпочтительном варианте 35-45% по весу.

Другими составами хладагентов, применимыми в цепи циркуляции хладагента, являются сочетание R-22 и R-21 и сочетание R-142b и R-21. В этих сочетаниях приемлемое содержание R-21 составляет 5-25% по весу, в предпочтительном варианте 10-15% по весу. В сочетании R-21 и R-142b, несмотря на воспламеняемость R-142b, примешивание к нему R-21 позволяет удерживать смесь в области отсутствия воспламеняемости. На фиг. 3 показана такая область отсутствия воспламеняемости.

Здесь описывается другой пример в соответствии с изобретением, в котором в цепи циркуляции хладагента, изображенной на фиг. 2, используется состав хладагента, являющийся сочетанием R-22, R-142b и R-21. Эта цепь циркуляции хладагента является холодильным циклом для хладагента смешанного состава, состоящего из R-22, R-142b и R-21. На фиг. 2 одни и те же узлы обозначены теми же ссылочными позициями, что и на фиг. 1. Выходная трубка 5 компрессора 1 соединена с конденсатором 2, который связан с сепаратором 6 для отделения газа от жидкости. Трубка 7 для отвода жидкости, выходящая из сепаратора 6 для отделения газа от жидкости, соединена с капиллярной трубкой 8, которая связана с промежуточным теплообменником 9. С другой стороны, трубка 10 для отвода газа, выходящая из сепаратора 6 для отделения газа от жидкости, проходит через промежуточный теплообменник 9 и соединяется с капиллярной трубкой 11, которая связана с испарителем 4. Трубка 12, выходящая из промежуточного теплообменника 9, и трубка 13, выходящая из испарителя 4, соединяются друг с другом в узле Р и соединяются с входной трубкой 14 компрессора 1.

Цепь циркуляции хладагента на фиг. 2 загружена неазеотропной смесью R-22, R-142b и R-21. Далее описывается функционирование цепи. Хладагент смешанного состава в газообразном состоянии при высокой температуре и под высоким давлением, выпускаемый из компрессора 1, попадает в конденсатор 2 для рассеивания своего тепла, где большая часть R-142b и R-21 сжижается и попадает в сепаратор 6 для отделения газа от жидкости. Сжиженные R-142b и R-21, а также R-22 в газообразной форме подвергаются сепарации, причем первые попадают в трубку 7 для отвода жидкости, в то время как последний попадает в трубку 10 для отвода газа. R-142b и R-21, проходящие по трубке 7 для отвода жидкости, попадают в капиллярную трубку 8, в которой их давление падает, а затем попадают в промежуточный теплообменник 9, в котором R-142b испаряется. С другой стороны R-22, проходящий по трубке 10 для отвода газа, охлаждается и конденсируется, проходя через промежуточный теплообменник 9, с помощью R-142b, который там испаряется. Затем давление R-22 падает в капиллярной трубке 11 и он попадает в испаритель 4, где испаряется, обеспечивая охлаждение. R-142b и R-21, выходящие из промежуточного теплообменника 9, и R-22, выходящий из испарителя 4, проходят по трубкам 12 и 13 соответственно, соединяются друг с другом в узле Р, вновь образуя смесь R-22, R-142b и R-21 и возвращаются в компрессор 1.

Компрессорное масло, унесенное в цепь циркуляции хладагента, растворяется в R-21 и возвращается в компрессор. Вернувшись в компрессор 1, R-21 испаряется в нем, вызывая охлаждение компрессора 1. Следовательно, температуру хладагента на выходе из компрессора можно дополнительно понизить.

При принятии решения о содержании веществ в хладагенте необходимо учитывать, что слишком большое количество R-21 делает R-142b более взрывобезопасным, однако хладопроизводительность в испарителе 4 ухудшается, так что хладагент не может быть использован в рефрижераторе. Кроме того, следует учитывать совместимость хладагента с компрессорными маслами и температуру хладагента на выходе из компрессора. Учитывая вышеизложенные соображения, предпочтительным является смешивание 2-12% по весу R-21, 50 - 93% по весу R-22 и 5 - 48% по весу R-142b. Например, хладагент, состоящий из 57% по весу R-22, 38% по весу R-142b и 5% по весу R-21, обеспечивает получение температуры охлаждения -40^оС и обнаруживает высокие взрывобезопасные свойства. Далее хладагент, состоящий из 70% по весу R-22, 25% по весу R-142b и 5% по весу R-21, позволил получить более низкую температуру охлаждения, чем в вышеупомянутом случае.

Поскольку может быть получена температура охлаждения -40^оС, этот состав хладагента может успешно использоваться в различных рефрижераторных системах как промышленного, так и бытового назначения.

Для лучшего понимания на фиг. 5 показано изменение температуры в компрессоре и температуры охлаждения в испарителе по отношению к составу хладагента с изменяемым содержанием веществ, однако отношение R-22 и R-142b остается постоянным (74: 26).

В соответствии с настоящим изобретением могут быть получены составы хладагента, обладающие значительно уменьшен- ным потенциалом истощения озона в озоносфере. Далее дихлормонофторметан (R-21) в составах хладагента совместим с компрессорными маслами так, что масло, унесенное в цепь циркуляции хладагента, может быть возвращено в компрессор, предотвращая его заедание. Кроме того, R-21 в составах хладагента вызывает охлаждение компрессора, способствуя предотвращению загрязнения маслом.

Помимо этого если составы хладагента подготовлены путем смешивания с 1-хлор-1,1-дифторметаном (R-142b), R-21, в составах хладагента могут удерживаться составы в области отсутствия воспламеняемости, так что случайный взрыв 1-хлор-1,1-дифторэтана можно предотвратить даже несмотря на то, что может произойти утечка хладагента из цепи циркуляции хладагента.

Также в соответствии с изобретением путем определения отношения R-21 к R-142b в пределах 5-20% по весу ухудшение хладопроизводительности, вызванное примешиванием R-21, имеющего высокую точку кипения, можно предотвратить, гарантировав хладопроизводительность и взрывобезопасные свойства составов хладагента.

Неазеотропный состав хладагента, включающий R-22, R-142b и R-134а, может применяться в цепи циркуляции хладагента, изображенной на фиг. 2. R-134а, входящий в состав хладагента, циркулирует в цепи циркуляции хладагента в отношении R-21. В этом случае компрессорное масло растворяется в R-134а и возвращается в компрессор 1. Однако, поскольку R-134а несовместим с нафтеновыми маслами, в качестве компрессорного масла необходимо использовать алкилбензойные масла. Кроме того, поскольку количество R-134а, которое может быть растворено даже в алкилбензойном масле, является ограниченным, содержание R-134а должно опреде- ляться в ограниченных пределах растворимости.

В соответствии с экспериментами было обнаружено, что приемлемое отношение R-134а к общему весу состава хладагента по весу составляет 5% по весу. Соответственно содержание в смеси, образующей состав хладагента, было определено в 70% по весу для R-22, 25% по весу для R-142b и 5% по весу для R-134а. В соответствии с экспериментами с использованием состава хладагента с вышеуказанным содержанием веществ в испарителе 4 при атмосферном давлении была достигнута температура -30^оС, в то же время R-134а растворялся в компрессорном масле, обеспечивая удовлетворительный эффект возвращения масла.

Формула изобретения

1. КОМПОЗИЦИЯ ХЛАДАГЕНТА, содержащая смесь галоидированных углеводородов, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения истощения озона в озоносфере, она содержит дихлормонофторметан и по крайней мере одно фторалкильное соединение из группы: трифторметан, пентафторэтан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. % : Дихлормонофторметан 0,1 - 50,0
По крайней мере одно фторалкильное соединение 50,0 - 99,9
2. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве фторалкильного соединения она содержит трифторметан и/или пентафторэтан.

3. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве фторалкильного соединения она содержит монохлордифторметан и/или 1-хлор-1,1-дифторэтан.

4. Композиция по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит 30 - 50 мас. % дихлормонофторметана.

5. Композиция по п. 3, отличающаяся тем, что она содержит дихлормонофторметан, монохлордифторметан и 1-хлор-1,1-дифторэтан при следующем соотношении компонентов, мас. % :
Дихлормонофторметан 2 - 12
Монохлордифторметан 50 - 93
1-хлор-1,1-дифторэтан 5 - 48

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5