Рабочая смесь для рефрижераторных систем и тепловых насосов

 

Изобретение относится к составу рабочей смеси для рефрижераторных систем (РС) и тепловых насосов (ТН), предназначенных для работы на фреоне R12, производство которого запрещается в соответствии с международными соглашениями из-за его озоноразрушающего действия. Сущность изобретения: рабочая смесь содержит 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134), октафторпропан (R218) и низший алкан при следующих соотношениях компонентов, мол.%: 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134) 5-90; низший алкан 5-20; октафторпропан (R218) остальное; в качестве низшего алкана она может содержать индивидуальные вещества - пропан, изобутан, нормальный бутан, пентан либо их бинарные смеси, что обеспечивает пожаробезопасность смеси при достаточной растворимости смеси с минеральными холодильными маслами и сохранении давлений прямого и обратного потоков в установке близкими к соответствующим значениям при работе на R12. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к составу рабочей смеси рефрижераторных систем (РС) и тепловых насосов (ТН), предназначенных для работы на фреоне R12, производство которого запрещается в соответствии с международными соглашениями из-за его озоноразрушающего действия.

Известны азеотропные композиции на основе 1,1,2,2-тетрафторэтана (R134) для использования в качестве хладагентов, включающие нормальный бутан или изобутан, мол.

R134 74 Нормальный бутан 26 или R134 66 Изобутан 34 /1/ Недостатком этих смесей являются, во-первых, ее воспламеняемость в воздухе, во-вторых, относительно низкая обьемная холодопроизводительность, в-третьих, высокая нормальная температура кипения, вследствие чего в испарителе РС при температуре ниже 250 К образуется вакуум, что резко снижает эксплуатационные характеристики холодильных агентов.

Наиболее близкими к предлагаемой являются смеси для использования в качестве хладагентов, включающие 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134а), октафторпропан (R218) и низший алкан (пропан, пропилен или изобутан) в следующих количествах, мас.

Низший алкан 2-10 R218 3-20 R134a Остальное /2/ Как показано ниже, этих хладагентам присущи недостатки, связанные с невозможностью обеспечения пожаробезопасности паровой и жидкой фаз без одновременного недопустимого повышения уровня давлений в установке.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении пожаробезопасности смеси при достаточной растворимости смеси с минеральными холодильными маслами и сохранении давлений прямого и обратного потоков в установке близкими к соответствующим значениям при работе на R12.

Поставленная задача достигается тем, что хладагент, содержит 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134), октафторпропан (R218) и низший алкан в следующем соотношении компонентов, мол.

1,1,2,2-тетрафторэтан (R134) 5-90 Низший алкан 5-20
Октафторпропан (R218) Остальное
в качестве низшего алкана могут быть использованы индивидуальные вещества пропан, изобутан, нормальный бутан, пентан, либо их бинарные смеси.

В табл. 1 представлены основные свойства фреонов, обсуждаемых в данном описании.

Рабочие смеси можно приготовить следующим образом.

Каждый компонент смеси хранят в отдельных баллонах. Поочередно каждый из баллонов подсоединяют к стенду и в общий ресивер выпускают такое количество компонента, масса которого соответствует заданному количеству этого компонента в рабочей смеси, т.е. смесь готовят весовым способом.

Вначале в ресивер выпускают высококипящий компонент, у которого давление насыщения при заданной температуре наименьшее, а именно, низший алкан. Затем добавляют компоненты с более низкой нормальной температурой кипения (Т_н.к.) и соответственно более высоким давлением паров R134 (Т_н.к.253,7 К) и R218 (Т_н.к.=236,5 К).

В случае, когда в качестве низшего алкана используют пропан (Т_н.к.=231,1 К) рабочую смесь готовят весовым способом, указанным выше, однако первым в общий ресивер заправляют R134, затем R218 и последним пропан.

Минимальное содержание низшего алкана определяется из условия растворимости рабочей смеси в компрессорном масле. Содержание низшего алкана в смеси более 5% обеспечивает взаимную растворимость хладагента в масле, что, в свою очередь, способствует беспрепятственной циркуляции масла без его накопления в элементах системы и удовлетворительной смазке компрессора. Это обеспечивает высокий ресурс работы РС в целом. Максимальное содержание низшего алкана (20%) определяется условием пожарной безопасности рабочей смеси. Для обеспечения невоспламеняемости такая смесь должна включать не менее 70% R218 и соответственно не более 10% R134. Компоненты R134 и R218 являются негорючими и препятствуют процессу горения низшего алкана в воздухе. Содержание негорючих компонентов и алкана не может быть выбрано произвольно.

На чертеже приведена диаграмма, определяющая области допустимых концентраций, при которых смесь является негорючей.

В табл. 2 даны примеры негорючих составов предлагаемой рабочей смеси, включая предельно возможные. В случае, когда в качестве низшего алкана используется бинарная смесь углеводородов, взаимное содержание компонентов в ней может быть любым. Однако общее число молей углеводородных компонентов должно соответствовать молярному составу низшего алкана в рабочей смеси.

В установках, работающих на смесевых хладагентах, происходит переход из жидкого состояния в паровое и обратно. В связи с этим при анализе пожаробезопасности смеси необходимо отдельно рассматривать составы паровой и жидкой фазы хладагента, так как известно, что для смесей состав жидкости и равновесного с ней пара не совпадают.

Для смесей тетрафторэтана (R134 или R134a), октафторпропана и низшего алкана содержание горючего компонента алкана в паровой фазе выше, чем его содержание в равновесной с ним жидкости. В табл.3 представлены данные о составе паровой и жидкой фаз для ряда рассматриваемых смесей. Из таблицы следует, что для смесей, рекомендованных в /2/ (смеси 1, 2) паровая фаза содержит повышенное количество алканов и является горючей. При этом в рамках предлагаемых в /2/ компонентов оптимизировать состав не удается, так как уменьшение концентрации алкана нежелательно из-за ухудшения взаимной растворимости с минеральным маслом, а повышение концентрации октафторпропана, обеспечивающее негорючесть обеих фаз, значительно повышает уровень давления в установке, что негативно сказывается на надежности системы. Кроме того, для обеспечения негорючести может потребоваться большое количество R218, чем заявляемые в /2/ 20 массовых процентов (что соответствует 11 мол.).

В настоящем изобретении было обнаружено, что использование 1,1,2,2-тетрафторэтана, который имеет более высокую нормальную температуру кипения (табл. 1), а следовательно, более низкое давление насыщения, позволяет составить смеси с приемлемыми уровнями давлений в установке и с негорючими жидкой и паровой фазами.

В табл. 4 приведены значения давлений в конденсаторе и испарителе в установке, работающей на сравниваемых смесях в условиях, характерных для малых рефрижераторов: температура конденсации 327К (55 ^oC), температура испарения 250 К (-23^oC).

Эти данные подтверждают, что использование 1,1,2,2-тетрафторэтана (смеси 5-8 в табл.4) вместо 1,1,1,2-тетрафторэтана (смесь 4 в табл.4) в смеси с октафторпропаном и алканом позволяет понизить до приемлемого уровня давление в конденсаторе (снижение на 2-4 атм) и давление в испарителе (на 0,4 атм), обеспечивая при этом негорючесть как жидкой, так и паровой фаз, а также совместимость с минеральным маслом.

Формула изобретения

1. Рабочая смесь для рефрижераторных систем и тепловых насосов, содержащая тетрафторэтан, октафторпропан и низший алкан, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующих соотношениях, мол.

1,1,2,2-Тетрафторэтан (R 134) 5 90
Низший алкан 5 20
Октафторпропан (R 218) Остальное
2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низшего алкана она содержит пропан.

3. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низшего алкана она содержит изобутан.

4. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низшего алкана она содержит нормальный бутан.

5. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низшего алкана она содержит пентан.

6. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве низшего алкана она содержит смесь нормальный бутан-изобутан или нормальный пентан-изопентан.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4