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Die Erfindung betrifft ein Fluid für Wärmepumpe, welches mindestens zwei kein azeotropes
Gemisch bildende Bestandteile aus halogenierten Kohlenwasserstoffen umfasst.
Der Gebrauch von Mischungen in Wärmepumpen mit verbesserten Leistungen, indem die Mi- schung verdampft und kondensiert, wobei sie Wärmeprofilen folgt, die jenen der äusseren Fluide parallel sind, mit denen der Wärmeaustausch durchgeführt wird, wobei dieser Austausch gemäss dem Gegenstrom-Prinzip erfolgt, ist Gegenstand der US-PS Nr. 4, 089, 186.
Die benutzten Mischungen sind in der US-PS Nr. 4, 089, 186 angegeben als Mischungen von min- destens 2 Bestandteilen, die in einer Zusammensetzung benutzt werden, weshalb die resultierende
Mischung nicht azeotrop ist.
Die Anwendungen, die in dieser US-PS beschrieben sind, betreffen Fälle, bei denen die Wärme über ein grosses Temperaturintervall wiedergewonnen wird. Aus diesem Grund ist in der genannten
Patentschrift ein Funktionsschema beschrieben, das bevorzugt die in der Wärmepumpe zirkulierende
Mischung in zwei Stufen kondensiert, u. zw. dergestalt, dass die Wärme innerhalb eines eingeschränk- teren Temperaturintervalls geliefert wird, als das folgende Temperaturintervall, bei dem die Wärme wiedergewonnen wird.
Anderseits wird in den so beschriebenen Anwendungsfällen die Mischung innerhalb eines
Temperaturintervalls kondensiert, welches mindestens zum Teil oberhalb von 40 C liegt.
In dem Fall, wo die Wärme innerhalb eines weiten Temperaturintervalls wiedergewonnen wird, wenn die benutzte Mischung eine zweigliedrige Mischung ist, müssen die Proportionen der beiden die Mischung bildenden Bestandteile benachbart sein. Deshalb wird in den beiden in der genann- ten US-PS Nr. 4, 089, 186 angegebenen Beispielen in einem Fall die Mischung aus 40% Chlordifluor- methan (R-22) und. 60% Trichlor-l, 1, 2-trifluor-l, 1, 2-äthan (R-113) gebildet und im andern Fall besteht die Mischung aus 38% Propan und 62% Normal-Pentan.
Zahlreiche Wärmepumpen, insbesondere zur Heizung von Räumlichkeiten, benötigen verschiede- ne Funktionsbedingungen. In der Tat wird in vielen Fällen die Wärme innerhalb eines relativ engen Temperaturintervalls zurückgewonnen, welches z. B. zwischen 5 und 150C sein kann.
Derartige Wärmepumpen arbeiten oft mit Rückgewinnung der Wärme mittels eines Fluids, welches beispielsweise Wasser oder Luft sein kann, dessen Temperatur relativ niedrig ist, beispielsweise zwischen 0 und 20 C beträgt, und liefern die Wärme an ein Fluid, welches ebenfalls Wasser oder Luft sein kann, dessen Temperatur gleichermassen relativ niedrig ist, beispielsweise zwischen 20 und 40 C beträgt.
Im Falle derartiger Wärmepumpen kann das allgemein verwendete Arbeitsfluid Monochlordifluormethan (R-22) oder Dichlordifluormethan (R-12) sein ; die kritische Temperatur, die im folgenden durch die Benennung tc bezeichnet wird, beträgt 960C für R-22 und 1120C für R-12.
Im allgemeinen sind eine erhöhte Siedetemperatur und kritische Temperatur vorteilhaft betreffend den Leistungskoeffizienten, aber sie führen zu einer erhöhten Ansaugleistung, folglich zu einer reduzierten thermischen Kapazität für einen gegebenen Kompressor. Die Wahl von R-22 und R-12 ergibt sich aus einem Kompromiss zwischen diesen beiden Zwangsläufigkeiten für die Verwendungstemperaturen der Heizung der Räumlichkeiten ; der Gebrauch von R-12 ist insbesondere bestimmt für relativ hohe Temperaturniveaus, beispielsweise oberhalb von 500C.
Derartige Wärmepumpen fordern im allgemeinen aus Sicherheitsgründen die Benutzung von Halogen-Fluiden vom Typ Freon, um brennbare Produkte wie Kohlenwasserstoffe oder giftige Produkte wie Ammoniak zu vermeiden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Fluid der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit dem die vorgenannten Schwierigkeiten vermieden werden und mit dem insbesondere eine erhöhte Leistung erzielt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass das Fluid einen Hauptbestandteil, beispielsweise Monochlordifluormethan (R-22), Dichlordifluormethan (R-12), Bromtrifluormethan (R-13 BI), Difluoräthan (R-152 a), Chlorpentafluoräthan (R-115), Azeotrop R-502, Azeotrop R-500 und einen Nebenbestandteil, beispielsweise Trichlorfluormethan (R-ll), Dichlortetrafluoräthan (R-114), Dichlorhexafluorpropan (R-216), Dichlorfluormethan (R-21), Octafluorcyclobutan (C-318), Azeotrop R-506 aufweist, dessen kritische Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur des Hauptbestandteiles liegt und der Unterschied zwischen den kritischen Temperaturen der
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beiden Bestandteile mindestens 200C und die molare Konzentration des Nebenbestandteiles im Gemisch zwischen 0,5 und 20% beträgt,
wobei das Fluid einen Siedebereich oberhalb des atmosphärischen
Druckes zwischen 0 und 200C aufweist und dass das Gemisch gegebenenfalls mindestens einen drit- ten Bestandteil umfasst, dessen kritische Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Haupt- bestandteiles liegt, wobei der Abstand zwischen den kritischen Temperaturen des dritten Bestand- teiles und des Hauptbestandteiles zwischen 20 und 100 C und die molare Konzentration des dritten
Bestandteiles im Gemisch zwischen 5 und 20% beträgt.
Erfindungsgemäss umfasst das Gemisch als Hauptbestandteil Monochlortrifluormethan (R-22) und als Nebenbestandteil Trichlorfluormethan (R-ll).
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung enthält das Gemisch als Hauptbestandteil Monochlortrifluormethan (R-22), als Nebenbestandteil Trichlorfluormethan (R-ll) und als dritten Bestandteil Chlortrifluormethan (R-13).
Um die Anpassungsprobleme zu reduzieren und den gleichen Stoff innerhalb eines weiten Bereichs einsetzen zu können, wenn die Wärmepumpe mit einem einzigen Körper arbeitet, ist es vorteilhaft, Gemische zu benutzen, bestehend aus einem Hauptbestandteil, Basisbestandteil genannt, der derjenige ist, der benutzt wird, wenn die Wärmepumpe mit einem unvermischten Träger arbeitet, beispielsweise R-22 oder R-12, und einem zweiten Bestandteil in begrenztem Verhältnis, gewöhnlich unterhalb von 20 Gew.-%, beispielsweise zwischen 0,5 und 20 Gew.-% des Gemisches. Damit das genannte Verhältnis dieses zweiten Bestandteiles gering bleibt, ist es notwendig, dass seine kritische Temperatur sehr verschieden von der kritischen Temperatur des Basisbestandteiles ist, der Abstand zwischen den kritischen Temperaturen muss mindestens gleich 20 C sein.
Die Mischung kann deshalb als asymmetrisch qualifiziert werden, die Bestandteile der Mischung sind in sehr verschiedenen Verhältnissen vorhanden.
Der zweite Bestandteil der asymmetrischen Mischung kann ein Bestandteil sein, dessen kritische Temperatur niedriger ist als die kritische Temperatur des Basisbestandteiles und er kann ein Bestandteil sein, dessen kritische Temperatur höher ist als die kritische Temperatur des Basisbestandteiles.
Man hat gefunden, dass im ersten Fall die resultierende Ausbeute bei der Benutzung der Mischung viel geringer ist als die Ausbeute, die man im zweiten Fall erhält, was das folgende Beispiel erläutert :
Beispiel 1 : Im nachfolgenden wird die in der Zeichnung dargestellte schematische Wärmepumpe Wasser-Wasser betrachtet.
Diese Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer --E1--, in welchen die Mischung durch die Lei- tung --1-- eingegeben wird und von wo die Mischung in vollständig verdampftem Zustand durch die Leitung --2-- austritt, einen Kompressor-Kl-, in welchem die dampfförmige Mischung komprimiert wird und von wo die dampfförmige Mischung über die Leitung --3-- austritt, um in den Kondensator --E2-- geleitet zu werden, den die Mischung vollständig kondensiert über die Leitung - verlässt ; danach wird die Mischung im Entspannungsventil --D1-- entspannt und in den Ver- dampfer-El-zurückgespeist. Der Verdampfer und Kondensator werden durch Doppelröhren-Austauscher gebildet, in denen die Fluide, zwischen denen der thermische Austausch stattfindet, im Gegenstrom zirkulieren.
Über die Leitung --5-- kommt Wasser mit einer Durchflussmenge von 1 m3/h in dem Verdampfer
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-6-- mit 40Cmenge ist gleichermassen 1 m 3/h.
Man lässt ganz am Anfang die Wärmepumpe arbeiten, indem eine Mischung verwendet wird, gebildet aus R-22 als Basisbestandteil und Trichlorfluormethan (R-11) als zweiten Bestandteil, dessen kritische Temperatur 1980C ist. Indem man die Konzentration von R-ll, ausgedrückt in !tol-% der Mischung variieren lässt, erhält man die folgenden Resultate, betreffend den Leistungseffizienten (COP), definiert als das Verhältnis der thermischen Leistung geliefert durch die Wärmepumpe zur elektrischen Leistung, verbraucht durch den Antriebsmotor des Kompressors und lie Ansaugleistung des Kompressors (Va) ausgedrückt in m3/h.
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<tb>
<tb>
Mol-%
<tb> R-11 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> 6 <SEP> 8
<tb> COP <SEP> 3, <SEP> 87 <SEP> 3, <SEP> 97 <SEP> 5, <SEP> 01 <SEP> 5, <SEP> 07 <SEP> 4, <SEP> 60 <SEP>
<tb> Va
<tb> (m3/h) <SEP> 9,09 <SEP> 9,16 <SEP> 9,46 <SEP> 9,74 <SEP> 10,68
<tb>
Man bemerkt also, dass die Zusammensetzung der Mischung ein Optimum besitzt für eine Konzentration von 6 Gew.-% R-11, was einer Energieeinsparung von 23 bis 24% entspricht in bezug auf den Basisfall und das ohne Modifikation der Ausrüstung und der Austauschoberflächen.
Danach benutzt man eine Mischung, gebildet aus R-22 als Basisbestandteil und Chlortrifluormethan (R-13), dessen kritische Temperatur bei 290C liegt, als zweiten Bestandteil. Indem man die Konzentration von R-13, ausgedrückt in Mol-% der Mischung, variieren lässt, erhält man die folgenden Resultate betreffend den Leistungskoeffizienten (COP) und die Ansaugleistung des Kompressors (Va), ausgedrückt in m'/h.
EMI3.2
<tb>
<tb>
Mol-%
<tb> R-13 <SEP> 0 <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> 12 <SEP> 22
<tb> COP <SEP> 3, <SEP> 87 <SEP> 3, <SEP> 95 <SEP> 4, <SEP> 00 <SEP> 4, <SEP> 04 <SEP> 4, <SEP> 02 <SEP>
<tb> Va
<tb> (m3/h) <SEP> 9, <SEP> 09 <SEP> 8, <SEP> 57 <SEP> 8, <SEP> 12 <SEP> 7, <SEP> 71 <SEP> 6, <SEP> 92 <SEP>
<tb>
Die Zusammensetzung der Mischung besitzt ein Optimum bei einer Konzentration von 12 Gew.-% von R-13, was eine Verbrauchseinsparung von 4% bezüglich des Basisfalles bedeutet.
EMI3.3
kritische Temperatur von R-22 ist, zu einer viel bedeutenderen Energieeinsparung führt, als eine Mischung mit Basisbestandteil R-22 und zweitem Bestandteil R-13 (tc = 29 C), dessen kritische Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur von R-22 liegt.
Der Abstand zwischen den kritischen Temperaturen, der mindestens 200C beträgt, soll nicht übermässig sein und wird gewöhnlich unterhalb von 1500C liegen.
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tc'\-114 (55, 1/44, 9 Gew.-%).
Spezifische Beispiele sind die folgenden :
R-22 + R-11
R-22 + R-114
R-115+ R-114
R-12 + R-ll
R-12 + R-216
R-502+ R-114.
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Wie aus dem Beispiel zu entnehmen ist, ist in jedem Anwendungsfall der optimale Wert der molaren Konzentration des zweiten Bestandteiles innerhalb der Mischung innerhalb der Bereichsgren- zen 0, 5 und 20 Gew.-% aufzusuchen und soll nicht willkürlich falsch gewählt werden, um voll- ständig die Vorteile der Erfindung zu nutzen, die die Erfindung verschafft.
Eine Mischung des vorhergehenden Typs führt für eine vorgegebene Volumen- oder Molarlei- stung zu dem Nachteil einer gewöhnlich etwas erhöhten Ansaugleistung gegenüber dem Basisfall einer Wärmepumpe, die mit einem unvermischten Träger arbeitet. Jedoch auch wenn das Kompres- sionsverhältnis geringer ist, wird es gewöhnlich möglich sein, den gleichen Kompressor wie im Falle mit unvermischtem Träger zu benutzen und einen Kompressor zu benutzen, der eine geringere Investition benötigt. Als Ergebnis ist die Wärmepumpe, die mit einer Mischung des vorhergehenden Typs arbeitet, viel vorteilhafter als die Wärmepumpe, die mit einem unvermischten Träger arbeitet ; nichtsdestoweniger kann man versuchen, die Grösse des Kompressors und folglich den Volumendurchfluss zu reduzieren, der einem gegebenen Volumendurchfluss entspricht.
Es wurde gleichermassen gefunden, und das ist ein weiterer Vorteil dieser Erfindung, dass es möglich ist, die Vorteile eines erhöhten Gewinns des Leistungskoeffizienten gänzlich beizubehalten, indem das Ansaugvolumen des Kompressors für eine vorgegebene Volumen- oder molare Durchflussmenge vermindert wird, indem ein Gemisch verwendet wird, welches mindestens 3 Bestandteile aufweist, dessen Basisbestandteil beispielsweise R-12 oder R-22 ist, dessen zweiter Bestandteil, dessen kritische Temperatur mindestens um 200C oberhalb der kritischen Temperatur des Basisbestandteiles liegt, beispielsweise R-11, R-113 oder R-114 ist und dessen dritter Bestandteil, dessen kritische Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Basisbestandteiles liegt, beispielsweise Monochlortrifluormethan (R-13) ist.
Das folgende Beispiel erlaubt genau die Art und Weise zu zeigen, nach der die Auswahl der Mischung durchgeführt werden kann.
Beispiel 2 : Es wird die gleiche Wärmepumpe betrachtet, wie sie im Beispiel 1 beschrieben ist und wie sie schematisch in der Fig. 1 dargestellt ist. Man arbeitet mit den gleichen Durchflussmengen an Wasser im Verdampfer und im Kondensator wie im Beispiel 1 ; das Wasser, welches die Wärme an den Verdampfer abgibt, kommt mit 12 C an und verlässt diesen mit 40 C, das Wasser, welches im Kondensator erwärmt wird, kommt mit 200C an.
EMI4.1
hält und man lässt die Konzentration von R-ll variieren. Man erhält dabei die folgenden Resultate, betreffend den Leistungskoeffizienten (COP) und die Ansaugleistung des Kompressors (Va), ausgedrückt in ms/h.
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<tb>
<tb>
Mol-%
<tb> R-11 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5
<tb> COP <SEP> 4, <SEP> 03 <SEP> 4, <SEP> 95 <SEP> 4, <SEP> 12 <SEP> 4, <SEP> 10 <SEP> 4, <SEP> 03 <SEP> 3, <SEP> 93 <SEP>
<tb> Va
<tb> (m'/h) <SEP> 7, <SEP> 91 <SEP> 7, <SEP> 65 <SEP> 8, <SEP> 15 <SEP> 8, <SEP> 36 <SEP> 8, <SEP> 67 <SEP> 9, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
Man bemerkt folglich, dass für ein Gemisch, dessen Zusammensetzung die folgende (in molaren Fraktionen) ist : R-22 : 0, 89
R-ll : 0, 01
R-13 : 0, 10, nan einen Gewinn von 22% erhält im Vergleich zur Funktion mit R-22, welches als unvermischter rräger benutzt wird.
Dieser Gewinn liegt folglich nahe demjenigen, den man im optimalen Fall des ersten Beispiels nit einer Mischung von 94 Gew.-% R-22 und 6 Gew.-% R-ll erhält. Ausserdem realisiert man für hinten gleichen molaren Mischungsdurchsatz einen Gewinn von 21% bei der Ansaugleistung mit der
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Mischung, gebildet aus 89 Gew.-% R-22, 1 Gew.-% R-ll und 10 Gew.-% R-13 in bezug auf die Ansaugleistung, die mit einer Mischung von 94 Gew.-% R-22 und 6 Gew.-% R-ll erhalten wird.
Das vorhergehende Beispiel ist beispielsweise gegeben, zu zeigen wie Mischungen mit verschiedenen Zusammensetzungen und verschiedener Natur realisiert werden können. Um eine Mischung mit drei Bestandteilen zu harmonisieren, muss diese einen Basisbestandteil enthalten, dessen Konzen-
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führung dieses dritten Bestandteiles zu erhalten, weshalb der Abstand zwischen den kritischen Temperaturen des Basisbestandteiles und des dritten Bestandteiles vorzugsweise innerhalb 1000C liegen soll.
Die Operationsbedingungen sind gewöhnlich derart gewählt, dass der Druck des Gemisches innerhalb des Verdampfers oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt und dass der Druck des Gemisches innerhalb des Kondensators keine übermässigen Werte erreicht, beispielsweise oberhalb von 30 bar.
Die Temperatur der Mischung am Ausgang des Kondensators liegt im allgemeinen zwischen 0 und 100 C.
Die Wärmepumpen, in denen man die vorhergehenden Mischungen benutzt, können von beliebigem Typ sein.
Der Kompressor kann beispielsweise ein Kompressor mit geschmiertem oder mit trockenem Kolben sein, ein Kompressor mit Schraube oder ein Kompressor mittels Zentrifugalkraft.
Die Austauscher können beispielsweise Doppelrohr-Austauscher, Röhren- und Kalander-Austauscher oder Plattenaustauscher sein.
Die thermische Leistung kann beispielsweise zwischen einigen Watt für Wärmepumpen, die für individuelle Heizungen benutzt werden, bis zu mehreren Megawatt für Wärmepumpen, die in Kollektivheizungen benutzt werden, liegen.
Das vorliegende Verfahren, das auf der Verwendung spezifischer Gemische basiert, ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn man die Wärme dadurch wegnimmt, dass man die Temperatur
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der Ausgangstemperatur des äusseren Fluids).
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