Композиция хладагента

Изобретение относится к композициям хладагентов, предназначенным для использования в бытовом и промышленном холодильном оборудовании, в частности к композициям, не содержащим в своем составе хлорсодержащих соединений. Композиция хладагента содержит 20-85% дифторметана, 8-78% дифторэтана (R152a) и остальное один из предельных углеводородов, выбранных из группы C₃-C₄. Композиция имеет давление паров, близкое к давлению паров хлордифторметана в пределах фазового равновесия при температурах от минус 50 до 50°C, и является озонобезопасной, в результате чего может быть заменителем хладона 22 в холодильном оборудовании и кондиционерах. Для дополнительного снижения потенциала глобального потепления в составы, содержащие R32 и R152a, введены углеводороды, как вещества с нулевым показателем GWP. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к композициям хладагентов, предназначенным для использования в бытовом и промышленном холодильном оборудовании, в частности к композициям, не содержащим в своем составе хлорсодержащих соединений.

Возрастающий интерес к хладагентам, не содержащим в молекуле хлора, обусловлен тем, что в соответствии с Монреальским Протоколом, в промышленно-развитых странах, особенно в странах Евросоюза, к 2005 г. будет прекращено производство гидрохлорфторуглеродов, в частности, хладона 22(R22) или дифторхлорметана, широко применяемого в холодильной технике. До настоящего времени ни в нашей стране, ни в других промышленно-развитых странах не удалось найти аналога этому хладону среди озонобезопасных фторуглеродов и гидрофторуглеродов, обладающих комплексом теплофизических и эксплуатационных свойств, характерных для R22. Поэтому в большинстве стран ведутся работы по созданию смесевых композиций на основе озонобезопасных хладагентов, пригодных для использования в кондиционерах и холодильном оборудовании, рассчитанном на использование R22.

Известен ряд технических решений по использованию смесевых композиций в качестве хладагентов (рефрижерантов, R) в холодильном оборудовании различного назначения.

В качестве основных составляющих смесей обычно предлагаются фторуглероды ряда метана и этана, имеющие температуру кипения ниже, чем заменяемый хладагент, а именно дифторметан (R32, Т_кип=-51,7°C), трифторметан (R23, Т_кип=-82,2°C), пентафторэтан (R125, Т_кип=-48,5°C) и трифторэтан (R143a, Т_кип=-47,2°C). Путем добавки компонентов с температурой кипения, близкой к R22 или более высокой получали трех- или четырехкомпонентные композиции по термодинамическим и эксплуатационным свойствам перспективные для использования в качестве заменителей R22.

Кроме того, в связи с ратификацией в 2004 году большинством промышленно-развитых стран мира (кроме США) Киотского протокола, обязывающего страны мира проводить технико-экономическую политику при производстве новых хладагентов минимизировать опасность глобального потепления климата, т.е. разрабатывать новые хладагенты с учетом показателя ««потенциал глобального потепления климата» (GWP - global warming potential), возникла необходимость при разработке новых смесевых составов хладагентов учитывать и это требование.

Известна [ЕР 1028152, кл. C 09 К 5/04, 16.08.2000 г.] композиция, в которой в качестве альтернативы R22 предлагается смесь из R32 и R125, а в качестве третьего компонента - один из углеводородов C₃-C₉ в количестве до 10 мас.%. В этом патенте в качестве оптимального состава предлагается тройная смесь, включающая 28 мас.% R32, 70 мас.% R125 и 2 мас.% R600a. Однако из-за наличия в составе смеси R125 не удается достигнуть холодопроизводительности, равной или превышающей ее же для R22, поэтому технически и экономически целесообразно взамен R125 вводить в смесь R134a или R152a в соответствующих количествах. Из двух последних хладонов более перспективно использование R152a, который имеет в несколько раз меньший GWP, чем R134a.

Для замены R22 предлагается [патент США 6,508,950, кл. C 09 К 005/04, оп. 21.01.2003] композиция, содержащая смесь R32, R125 и R134а, в которую вводится 4-й компонент из группы фторуглеродов или углеводородов R152a, RC318, R227ea, R290, R601 и др. Однако известно, что с увеличением числа компонентов в составе композиции более 3-х трудно обеспечить воспроизводимость рабочих характеристик и оценить эксплуатационные свойства, например, эффективность работы основных аппаратов холодильного цикла (испарителя, конденсатора, систем автоматики, и др.). Известна [США 6,592,774, кл. C 09 К 005/04, оп. 15.07.2003], разработанная для замены R22 четырехкомпонентная охлаждающая композиция, включающая 25-70 мас.% R32, до 60 мас.% R125, до 40 мас.% R143a и до 20% мас. бутана. Можно полагать, что из-за большого количества в составе R125 смесь будет недостаточно эффективна в качестве заменителя R22. Наиболее близкой [патент США 6783691, кл. C 09 К 005/04, оп. 31.08.2004] по технической сущности является композиция, состоящая из двух фторуглеродов R32 и R134a и до 5 мас.% одного углеводородов с длиной углеродной цепи С4-5. Данная композиция интересна с точки зрения достаточно низкого значения GWP.

Задачей предлагаемого технического решения является создание композиции хладагента, способной по своим эксплуатационным свойствам заменить дифторхлорметан (R22). Конкретно, задачей изобретения явилось создание композиции, имеющей такое соотношение основных компонентов, которое обеспечило получение физико-химических и эксплуатационных свойств, сходных с R22.

Сущность изобретения состоит в том, что разработана композиция хладагента, содержащая дифторметан (R32) и один из углеводородов C₃-C₄, отличающаяся тем, что содержит дифторэтан (R152a), при следующем содержании компонентов, мас.%:

дифторметан (R32)	20-85
дифторэтан (R152a)	8-78
предельный углеводород, выбранный из группы C3-C4	остальное.

Предлагаемая композиция имеет давление паров, близкое к давлению паров хлордифторметана в пределах фазового равновесия при температурах от минус 40 до плюс 50°C, и является озонобезопасной, в результате чего может быть заменителем хладона 22 в холодильном оборудовании и кондиционерах.

Проведены исследования по определению холодопроизводительности состава хладагента на основе R32 и R152a с добавкой углеводородов с низким (нулевым) значением GWP. С этой целью были изготовлены серии смесевых хладагентов на основе R32:R152а с добавкой предельных углеводородов, и проведена оценка холодопроизводительности серийно выпускаемой холодильной машины при заправке ее R22 и разрабатываемыми смесевыми составами. В таблице 1 приведены результаты оценки холодопроизводительности машины ВС 600-1 с компрессором RP 10TN при работе на R22 и на бинарной и тройной смеси.

При рабочей температуре камеры -20÷-25°C, соответствующей работе агрегата на R22 в среднетемпературном режиме, в зависимости от состава композиции, изменяется холодопроизводительность, снижаясь по мере уменьшения с 70 до 50 мас.% в составе смеси R32.

В таблице 1 приведены экспериментальные результаты определения холодопроизводительности холодильного агрегата при работе на R22 и разрабатываемых смесевых композициях на основе R32 и R152a, а на чертеже эти результаты представлены в графической форме.

Из данных таблицы 1 и чертежа видно, что при замене R22 на предлагаемую смесевую композицию холодопроизводительность возрастает на 10-12% при соответствующих температурах в холодильной камере.

При этом очень близка зависимость холодопроизводительности холодильного агрегата от температуры в камере при работе на хладоне 22 и на разрабатываемых смесевых композициях на основе R32/152a. Установлено, что при повышении температуры окружающей среды до 35-40°C при работе на смеси давление на линии нагнетания компрессора превышает давление при работе на R22 на 0,2-0,3 МПа. Поэтому при использовании разрабатываемых смесевых композиций взамен R22 возможна корректировка системы автоматического регулирования, что можно делать в процессе обслуживания эксплуатируемой холодильной машины или при производстве нового оборудования на заводе-изготовителе.

Аналогичные экспериментальные исследования проводились на смесевых хладагентах этой системы при различных соотношениях основных компонентов, в результате был разработан состав, представленный формулой настоящего изобретения.

Таким образом, решена задача, поставленная перед разработчиками данного изобретения: разработана композиция хладоагента, которая является озонобезопасной, и может заменить хладон 22 в холодильном оборудовании и кондиционерах.

Таблица 1 Примеры заявляемых композиций хладагента и их свойства
№ п/п	Состав композиций, мас.%	Температура, °C	Холодопроизводительность относительно R22
R32	R152	Углеводород	Кипения при Pmin	Конденсации при Рmax
			пропан примеры 1-5
1	20	78	2	-28	56	1,01
2	20	75	5	-29	56	0,99
3	50	43	7	-36	43	1,10
4	70	23	7	-42	36	1,15
5	85	8	7	-46	33	1,18
			Циклопропан примеры 6-12
6	20	78	2	-28	56	1,02
7	20	75	5	-29	56	1,03
8	20	73	7	-29	57	1,03
9	50	43	7	-36	43	1,15
10	60	33	7	-38	40	1,18
11	70	23	7	-41	37	1,20
12	85	8	7	45	33	1,23
			изобутан примеры 13-16
13	20	78	2	-28	57	1,02
14	20	75	5	-27	57	1,01
15	50	43	7	-33	48	1,13
16	70	23	7	-41	37	1,20
17	85	8	7	-42	33	1,22
			Н-бутан, примеры 18-22
18	20	78	2	-27	57	1,02
19	20	75	5	-26	57	1,02
20	50	43	7	-31	50	1,14
21	70	23	7	-41	37	11,20
22	85	8	7	-39	33	1,22

Таблица 2 Экспериментальные данные оценки эффективности работы холодильной машины с агрегатом ВС 600-1 на хладоне 22 и на смесевых составах на основе R32/152а/СnНn+2* при температуре окружающей среды 20-25°C
R22	Смесь R32: R152a: R290	Смесь R32: R152a: R600a
Температура в камере, °C	Холодопроизводительность Q0 ', Вт	Температура в камере, °C	Холодопроизводительность, Q0 ', Вт	Температура в камере, °C	Холодопроизводительность Q0 ', Вт
-32	113,9	-28	135,2	-31	119,2
-25	144,3	-24	175,2	-25	168,4
-20	180,5	-21	217,6	-20	211,2
-16,4	222,3	-16	231,8	-16,1	310,0
-13,6	263,5	-15,4	252,9	-14,2	260,3
-10,8	306,9	-14,6	279,4	-11	291,2
-6,4	347,1	-11,4	330,2	-8,1	341,2
-	-	-8,4	339,4	-4,2	356,4
-	-	-4	379,9	-	-
* n=3-4
R290 - пропан
R600а - изобутан

Композиция хладагента, содержащая дифторметан и один из углеводородов C₃-C₄, отличающаяся тем, что содержит дифторэтан при следующем содержании компонентов, мас.%:

Дифторметан (R32)	20-85
Дифторэтан (R152a)	8-78
Предельный углеводород, выбранный из группы C3-C4	Остальное