BR112012018650B1 - composição refrigerante comprendendo difluormetano (hfc32) e 2,3,3,3- etrafluorpropeno (hfo123yf) - Google Patents
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Abstract
composição refrigerante compreendendo difluormetano (hfc32) e 2,3,3,3-tetraluorpropeno (hfa123yf). a presente invenção refere-se uma composição refrigerante tendo uma quantidade reduzida de carga ambiental compreendível, onde a composição refrigerante tem um gwp (impacto direto sobre o aquecimento global é baixo) baixo e tem boa eficiência de energia (impacto indireto sobre o aquecimento global é baixo) quando usada em um dispositivo. a presente invenção provê uma composição referigerante compreende 30 a 50% em massa difluormetano (hfc32) e 70 a 50% em massa de 2,3,3,3-tetrafluorpropeno (hfo1234yf).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para COMPOSIÇÃO REFRIGERANTE COMPRENDENDO DIFLUORMETANO (HFC32) E 2,3,3,3-TETRAFLUORPROPENO (HFO123YF).
Campo da Técnica [1] A presente invenção refere-se a uma composição refrigerante compreendendo difluormetano (HFC32) e 2,3,3,3tetrafluorpropeno (HFO1234yf), que é usada em unidades de refrigeração (condicionadores de ar, máquinas de refrigeração, etc). Antecedente da Técnica [2] Uma vez que todo o mundo tem discutido aquecimento global como um problema sério, a importância de desenvolver uma unidade de refrigeração que tenha uma carga ambiental baixa tem aumentado. Os refrigerantes em si têm um impacto sobre aquecimento global e também afetam bastante o desempenho de unidades de refrigeração. Desta maneira, a seleção de um refrigerante desempenha um papel importante na redução da geração de dióxido de carbono, que está envolvida em aquecimento global.
[3] Nos últimos anos, vários tipos de propenos fluorados tendo uma ligação dupla na molécula foram propostos. Esses propenos fluorados têm um potencial de aquecimento global (GWP) (Global Warming Potential) menor comparado com os clorofluorcarbonos (CFCs), hidroclorofluorcarbonos (HCFCs) e hidrofluorcarbonos (HFCs) conhecidos até agora.
[4] Um deles é 2,3,3,3-tetrafluorpropeno (HFO1234yf) (Literaturas de Patente 1, 2, etc). No entanto, HFO1234yf tem um inconveniente: o desempenho do dispositivo não pode ser assegurado quando HFO1234yf é usado sozinho em dispositivos convencionais porque o HFO1234yf tem um ponto de ebulição maior e uma pressão menor comparado com HCF22, que tem sido convencionalmente usado em condicionadores de ar do tipo de chão, e os não prejudiciais para a
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2/13 camada de ozônio R407C e R410A, que foram subsequentemente promovidos como alternativas.
[5] Quando selecionando um refrigerante, embora seja obviamente importante que o refrigerante em si tenha um GWP baixo (impacto direto sobre aquecimento global), a eficiência de uso de energia (um impacto indireto sobre aquecimento global) de um dispositivo que usa o refrigerante é igualmente ou mais importante. Nos últimos anos, o fator de desempenho anual (APF) (Annual Performance Factor) tem sido usado como um método para avaliação da eficiência de energia de dispositivos.
[6] O APF é um valor numérico determinado dividindo a capacidade de esfriamento e aquecimento requerida em um ano se um condicionar de ar for usado durante o ano pela quantidade de eletricidade consumida pelo condicionador de ar em um ano (a quantidade de consumo de eletricidade durante um período de tempo especificado). A avaliação reflete de perto o uso real. Um condicionador de ar tendo um APF maior obtém desempenho de economia de energia maior e um refrigerante do mesmo é considerado ter uma carga ambiental menor.
Lista de Citação
Literatura de patente [7] PTL 1: Publicação WO No. 2005/105947 [8] PTL 2: Publicação WO No. 2006/094303
Sumário da Invenção
Problema Técnico [9] Nos últimos anos, refrigerantes com GWPs menores foram propostos. No entanto, quando tal refrigerante é usado em um dispositivo de ciclo refrigerante de compressão por vapor, se o dispositivo tiver uma estrutura convencional, desempenho suficiente não pode ser assegurado devido ao efeito de perda de pressão e similar porque tal
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3/13 refrigerante tem um ponto de ebulição maior e uma pressão de operação menor comparado com refrigerantes convencionalmente usados. Desta maneira, contramedidas tal como aumento do tamanho do dispositivo e similar são requeridas para assegurar desempenho de esfriamento e aquecimento.
[10] Um objetivo da presente invenção é prover uma composição refrigerante tendo uma quantidade reduzida de carga ambiental compreensiva, onde a composição refrigerante tem um GWP baixo (impacto direto sobre aquecimento global é baixo) e obtém boa eficiência de energia (impacto indireto sobre aquecimento global é baixo) quando usada em um dispositivo.
Solução para o Problema [11] Como resultado de extensos estudos em vista do problema descrito acima, os presentes inventores constataram que o problema descrito acima pode ser resolvido empregando uma composição refrigerante compreendendo 30 a 50% em massa de difluormetano (HFC32) e 70 a 50% em massa de 2,3,3,3-tetrafluorpropeno (HFO1234yf).
[12] Especificamente, a presente invenção refere-se à composição refrigerante descrita abaixo.
[13] Item 1. Uma composição refrigerante compreendendo 30 a 50% em massa de difluormetano (HFC32) e 70 a 50% em massa de 2, 3,3,3-tetrafluorpropeno (HFO1234yf).
[14] Item 2. A composição refrigerante de acordo com o item 1 compreendendo 35 a 45% em massa de difluormetano (HFC32) e 65 a 55% em massa de 2,3 3,3-tetrafluorpropeno (HFO1234yf).
[15] Item 3. A composição refrigerante de acordo com o Item 1 ou 2 compreendendo ainda um inibidor de polimerização.
[16] Item 4. A composição refrigerante de acordo com o Item 1 ou 2 compreendendo ainda um estabilizador.
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4/13 [17] Item 5. A composição refrigerante de acordo com o Item 1 ou 2 compreendendo ainda óleo refrigerante.
[18] Item 6. A composição refrigerante de acordo com qualquer um dos Itens 1 a 5, em que a composição refrigerante é usada em uma unidade de refrigeração provida com uma contramedida para prevenir eficiência de troca de calor de diminuir devido à variação em temperatura em um trocador de calor.
[19] Item 7. A composição refrigerante de acordo com o Item 6, em que a composição refrigerante é usada na unidade de refrigeração provida ainda com uma contramedida para reduzir o efeito de perda de pressão.
[20] Item 8. A composição refrigerante de acordo com o Item 6, em que a contramedida para prevenir eficiência de troca de calor de diminuir devido à variação em temperatura em um trocador de calor é pelo menos uma das que seguem: eliminação da diferença de temperatura entre ar e refrigerante pelo fluxo de contracorrente, prevenção de formação de gelo próximo à entrada de um evaporador e aumento do coeficiente de transferência de calor de um trocador de calor.
[21] Item 9. A composição refrigerante de acordo com o Item 7, em que a contramedida para reduzir o efeito de perda de pressão é pelo menos uma das que seguem: aumento do diâmetro do tubo de um trocador de calor e/ou otimização do número de cursos em um trocador de calor, aumento do diâmetro do tubo e/ou diminuição do comprimento de um tubo em um condicionador de ar e um tubo de conexão para um condicionador de ar; usando um ejetor como um mecanismo de expansão; e usando um ciclo econômico.
Efeitos Vantajosos da Invenção [22] A composição refrigerante da presente invenção obtém os efeitos que seguem.
[23] A composição refrigerante tem um GWP menor do que
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5/13 aquele de R407C e R410A, que foram usados até agora.
[24] A composição refrigerante tem potencial de depleção de ozônio (ODP) (Ozone Depletion Potential) zero e não está envolvida na destruição da camada de ozônio mesmo quando a composição refrigerante não é completamente recuperada após uso.
[25] A composição refrigerante tem um APF alto, particularmente quando usada em um condicionador de ar provido com uma contramedida para prevenir que a eficiência de troca de calor de diminua devido à variação em temperatura em um trocador de calor. Especificamente, um condicionador de ar que usa a composição refrigerante da presente invenção exibe eficiência de energia que é igual a uma ou mais daquelas de um condicionador de ar que usa R407C e R410A, que foram usados até agora.
Descrição de Modalidades [26] Os presentes inventores avaliaram, com base no APF, como o desempenho de um refrigerante misto de HFC32 e HFO1234yf muda dependendo da razão de mistura de HFC32. Notar que o APF de um condicionador de ar que usa R140A foi usado como um padrão para avaliação.
[27] Quando HFO1234yf foi usado sozinho, o resultado mostrou um APF que é 80% do padrão. Uma razão então pode ser que era necessário aumentar a frequência de operação porque HFO1234yf tem uma capacidade de esfriamento baixa por taxa de fluxo unitário, e a taxa de fluxo aumentada resultou em um aumento na perda de pressão. Uma razão adicional pode ser que a temperatura de evaporação de HFO1234yf foi reduzida por causa de um efeito maior de perda de pressão causada pela pressão de evaporação reduzida de HFO1234yf, que é um resultado de seu ponto de ebulição alto. Com relação a isso, foi previsto que adição de HFC32, que tem um ponto de ebulição menor e uma pressão maior do que HFO1234yf, a
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HFO1234yf aumentaria a pressão do refrigerante e aumentaria o APF.
[28] No entanto, adição de HFC32 deu resultados surpreendentes: uma adição de 10% em massa de HFC32 realmente resultou em um APF menor, comparado com quando HFO1234yf foi usado sozinho. Então, a proporção de HFC32 foi aumentada mais. Quando 30% em massa de HFC32 foram adicionados, o APF finalmente atingiu um valor igual àquele obtido quando HFO1234yf é usado sozinho. O APF aumentou quando mais HFC32 foi adicionado. Quando 60% em massa de HFC32 foram adicionados, o APF atingiu 93% do padrão.
[29] Embora HFC32 tenha um GWP menor (675) comparado com R410A (2075), o GWP de HFC32 está ainda muito alto. Por outro lado, HFO1234yf tem um GWP baixo (4). Desta maneira, quando um refrigerante misto de HFC32 e HFO1234yf é usado como um refrigerante alternativo para R410A, ao invés de adição de 60% em massa ou mais de HCF32 à mistura, é preferível reduzir o teor de HFC32 o máximo possível.
[30] A qualidade de inflamável de composições refrigerantes é outro aspecto a considerar. Embora HFC32 e HFO1234yf sejam refrigerantes que exibem qualidade de inflamável muito baixa, a qualidade de inflamável de HFC32 é maior. Quando indicada com um número RF, que é um índice de qualidade inflamável, HC32 tem um valor de 4,0 kJ/g e HFO1234yf tem um valor de 3,4 kJ/g. Ainda, quando comparado em termos de velocidade de propagação de chama, HFO1234yf tem um valor de 1,2 cm/s, enquanto HFC32 tem um valor de 6,7 cm/s. HFC32 tem uma qualidade de inflamável maior. Desta maneira, uma proporção menor de HFC32 é vantajosa também em termos de qualidade de inflamável.
[31] Adição de HFC32 a HFO1234yf aumenta a pressão do refrigerante misto. Desta maneira, o fato de HFC32 e HFO1234yf serem zeotrópicos pode ser a razão pela qual adição de HFC32 temporaria
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7/13 mente reduz o APF. Para aliviar o problema onde o APF é reduzido através de comportamento azeotrópico, é necessário prover uma contramedida para uma unidade de refrigeração para prevenir que a eficiência de troca de calor diminua devido à variação na temperatura em um trocador de calor.
[32] Pelo menos uma das que seguem é usada como a contramedida acima: 1 eliminação da diferença de temperatura entre ar e refrigerante através de fluxo de contracorrente; 2 prevenção de formação de gelo próximo da entrada de um evaporador; e 3 aumento do coeficiente de transferência de calor de um trocador de calor. Exemplos de 1 incluem permitir que fluxos de esfriamento e aquecimento sejam contracorrente um com o outro em um trocador de calor. Ainda, exemplos de 2 incluem provisão de dispositivos de descongelamento próximo da entrada de um evaporador. Ainda, exemplos de 3 incluem uso de um tubo de transferência de calor de alto desempenho.
[33] Quando um refrigerante misto de HFC32 e HFO1234yf foi usado em uma unidade de refrigeração provida com pelo menos uma das contramedidas descritas acima, 95% do APF padrão foram atingidos quando 30% em massa de HFC32 foram adicionados à mistura; 100% do APF padrão foram atingidos quando 40% em massa de HFC32 foram adicionados à mistura; e 102% do APF padrão foram atingidos quando 50% em massa de HFC32 foram adicionados à mistura. Especificamente, foi constatado que, com o uso de uma composição refrigerante compreendendo 30 a 50% em massa de HFC32 e 70 a 50% em massa de HFO1234yf, uma unidade de refrigeração provida com pelo menos uma das contramedidas descritas acima pode atingir o mesmo nível de desempenho que aquele obtido quando R410A é usado.
[34] Uma unidade de refrigeração provida com pelo menos uma das contramedidas descritas acima pode ser ainda provida com uma
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8/13 contramedida para reduzir o efeito de perda de pressão. Pelo menos uma das que seguem é usada como a contramedida acima: (A) aumento do diâmetro do tubo de um trocador de calor e/ou otimização do número de cursos em um trocador de calor, (B) aumento do diâmetro do tubo e/ou diminuição do comprimento de um tubo em um condicionador de ar e um tubo de conexão para um condicionador de ar, (C) uso de um ejetor como um mecanismo de expansão e (D) uso de um ciclo econômico. Exemplos de (A) incluem aumento do tamanho de um compressor.
[35] Exemplos específicos dessas contramedidas (modificações) são descritos nas, por exemplo, Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009-222362, Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009-222360 e Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009-222359.
[36] Ao mesmo tempo, mesmo quando HFO1234yf é usado sozinho, o seu APF pode ser aumentado através da modificação de uma unidade de refrigeração da maneira descrita acima. Por exemplo, o APF foi aumentado em cerca de 10% pela contramedida que reduz o efeito de perda de pressão e ainda aumentado em cerca de 5% pela contramedida que ajusta apropriadamente o compressor. Desta maneira, cerca de 95% do APF padrão são atingidos mesmo quando HFO1234yf é usado sozinho; no entanto, o grau dessas modificações não é prático no caso quando HFO1234yf é usado sozinho.
[37] A presente invenção propõe uma composição refrigerante compreendendo 30 a 50% em massa de HFC32 e 70 a 50% em massa de HFO1234yf como um refrigerante para obtenção, em uma faixa de modificações práticas, de um APF equivalente àquele obtido através do uso de R410A. Quando a razão de mistura está dentro das faixas acima, é possível reduzir a capacidade de inflamável e o GWP enquanto mantendo um APF equivalente àquele obtido através do uso de
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R410A. Preferivelmente, a composição refrigerante da presente invenção compreende 35 a 45% em massa de HFC32 e 65 a 55% em massa de HFO1234yf, mais preferivelmente 35 a 40% em massa de HFC32 e 65 a 60% em massa de HFO1234yf.
[38] A composição refrigerante da presente invenção exibe uma alta estabilidade. Quando um nível de estabilidade alto é requerido sob condições severas, um estabilizador pode ser adicionado, se necessário, à composição refrigerante.
[39] Exemplos de estabilizadores incluem (i) composto nitroalifático tal como nitrometano, nitroetano, etc; compostos nitro aromáticos tais como nitrobenzeno, nitroestireno, etc; (ii) éteres tal como 1,4dioxano, etc; aminas tais como 2,2,3,3,3-pentafluorpropilamina, difenilamina, etc; e butil-hidroxixileno, benzotriazol, etc. Os estabilizadores podem ser usados sozinhos ou em combinação de dois ou mais.
[40] Embora a quantidade de estabilizador usada varie dependendo do tipo usado, ela está dentro de uma faixa que não prejudica as propriedades da composição refrigerante. A quantidade de estabilizador usada é geralmente preferivelmente cerca de 0,01 a 5 partes em peso, mais preferivelmente 0,05 a 2 partes em peso, com relação a 100 partes em peso de uma mistura de HFC32 e HFO1234yf.
[41] A composição refrigerante da presente invenção pode compreender ainda um inibidor de polimerização. Exemplos de inibidores de polimerização incluem 4-metoxi-1-naftol, hidroquinona, hidroquinona metil éter, dimetil-t-butilfenol, 2,6-di-terc-butil-p-cresol, benzotriazol, etc.
[42] A quantidade de inibidores de polimerização usada é geralmente preferivelmente 0,01 a 5 partes em peso, mais preferivelmente 0,05 a 2 partes em peso, com relação a 100 partes em peso de uma mistura de HFC32 e HFO1234yf.
[43] A composição refrigerante da presente invenção pode con
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10/13 ter ainda um óleo refrigerante. Exemplos de óleo refrigerante incluem, mas não estão limitados a, polialquileno glicol, poliol éster, polivinil éter, alquil benzeno, óleo mineral, etc.
[44] Exemplos de unidades de refrigeração onde a composição refrigerante da presente invenção é usada incluem, mas não estão limitados a, condicionadores de ar para uso industrial e uso doméstico (que não são apenas limitados a condicionadores de ar do tipo separado onde unidades internas e unidades externas simples ou múltiplas são interconectadas por um tubo de refrigerante, mas também incluem condicionadores de ar do tipo janela e tipo portátil onde um alojamento contém integralmente um circuito refrigerante e condicionadores de ar do tipo para teto e central onde ar frio e ar quente são transportados através de um duto), condicionadores de ar para carro, bombas de calor para máquinas de venda automáticas, refrigeradores, máquinas de refrigeração para esfriamento do interior de recipientes para transporte marinho e similar, unidades resfriadoras, máquinas de turbo refrigeração, etc.
[45] A composição refrigerante da presente invenção pode ser também usada em aparelhos exclusivamente usados para o ciclo de aquecimento tais como dispositivos de aquecimento de água, dispositivos para aquecimento de piso, dispositivos para derretimento de neve e similar. A composição refrigerante é particularmente útil como uma composição refrigerante em dispositivos para os quais redução de tamanho é demandada, tais como condicionadores de ar para uso industrial e uso doméstico, condicionadores de ar para carro, bombas de aquecimento para máquinas de venda automáticas, refrigeradores e unidades de resfriamento.
[46] Conforme acima descrito, essas unidades de refrigeração são preferivelmente providas com uma contramedida para prevenir que a eficiência de troca de calor diminua devido à variação de tempe-
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11/13 ratura em um trocador de calor.
[47] Exemplos específicos de unidades de refrigeração e trocadores de calor incluem dispositivos revelados nas reivindicações 1 e 6 da Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009222362. Exemplos de trocadores de calor incluem um trocador de calor revelado na reivindicação 1 da Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009-222360. Ainda, exemplos de unidades de refrigeração incluem uma unidade de refrigeração revelada na reivindicação 1 da Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No. 2009-222359 e uma unidade de refrigeração revelada na reivindicação 1 da Publicação de Patente Não Examinada Japonesa No 2009222357.
Exemplos [48] Abaixo, a presente invenção é descrita usando exemplos, mas não é limitada a eles.
[49] Um teste de desempenho foi conduzido de acordo com JISC9612 através da instalação de um condicionador de ar em uma câmara de teste de calorímetro aprovada pela JIS. Especificamente, os valores que seguem foram medidos: 1 quantidade de troca de calor arlateral em uma unidade interna, 2 energia de alimentação de um compressor, 3 energia de alimentação de ventiladores em unidades internas e externas, 4 corrente de entrada de uma válvula de comutação de quatro seções, 5 corrente de entrada de uma válvula de expansão elétrica e 6 corrente de alimentação de um compressor. Então, o coeficiente de desempenho (COP) (Coefficiente of Performance) durante cada uma das operações que seguem foi determinado: operação de esfriamento classificada (4 kW), operação de esfriamento de capacidade média (2 kW), operação de aquecimento classificada (5 kW) e operação de aquecimento de capacidade média (2,5 kW). Ainda, o APF foi determinado.
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12/13 [50] A Tabela 1 mostra as composições de refrigeração usadas, as especificações dos condicionadores de ar usados e os valores de APF obtidos. A Tabela 1 também mostra razões obtidas através de comparação de cada APF com o APF do Exemplo Comparativo 1.
Tabela 1
Composição Refrigerante | Especificações do Condicionador de Ar | APF | ||
Exemplo Comparativo 1 | R410A | Unidade padrão para R410A | 5,99 | 100% |
Exemplo Comparativo 2 | HFO1234yf | Unidade padrão para R410A | 4,80 | 80,1% |
Exemplo Comparativo 3 | HFC32/HFO1234yf (10/90 % em massa) | Unidade padrão para R410A | 4,75 | 79,3% |
Examplo 1 | HFC32/HFO1234yf (50/50 % em massa) | Unidade padrão para R410A | 5,36 | 89,5% |
Examplo 2 | HFC32/HFO1234yf (40/60 % em massa) | Unidade padrão para R410A | 5,27 | 88,0% |
Examplo 3 | HFC32/HFO1234yf (50/50 % em massa) | Especificações incluindo uma contramedida para variação em temperatura | 6,10 | 102% |
Examplo 4 | HFC32/HFO1234yf (40/60 % em massa) | Especificações incluindo uma contramedida para variação em temperatura | 6,00 | 100% |
Examplo 5 | HFC32/HFO1234yf (40/60 % em massa) | Especificações incluindo uma contramedida para variação em temperatura + perda de pressão | 6,11 | 102% |
51] *Especificações incluindo uma contramedida para variação de temperatura: especificações modificadas onde uma válvula de comutação é provida para uma unidade padrão para R410A de maneira a permitir que refrigerante e ar fluam totalmente de uma maneira contracorrente em trocadores de calor interno e externo durante um modo de operação de esfriamento e um modo de operação de aquecimento.
[52] *Especificações incluindo uma contramedida para perda de pressão: especificações onde uma válvula seca é removida de um troPetição 870190036685, de 17/04/2019, pág. 20/36
13/13 cador de calor interno de uma unidade padrão para R410A e o tamanho de um tubo de conexão lateral de gás é mudado de 9,5 mm (3/8 pol) para 11,3 mm (4/9 pol).Aplicabilidade Industrial [53] A presente invenção é útil como uma composição refrige- rante para unidades de refrigeração tais como condicionadores de ar, máquinas de refrigeração e similar.
Claims (7)
- REIVINDICAÇÕES1. Composição refrigerante caracterizada pelo fato de que compreende 30 a 35% em massa de difluormetano (HFC32) e 70 a 65% em massa de 2,3,3,3-tetrafluropropeno (HFO1234yf), em que a composição refrigerante é usada em uma unidade de refrigeração provida com uma contramedida para prevenir que eficiência de troca de calor diminua devido à variação de temperatura em um trocador de calor.
- 2. Composição refrigerante de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um inibidor de polimerização.
- 3. Composição refrigerante de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um estabilizador.
- 4. Composição refrigerante de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende ainda um óleo refrigerante.
- 5. Composição refrigerante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a composição refrigerante é usada na unidade de refrigeração provida ainda com uma contramedida para reduzir o efeito de perda de pressão.
- 6. Composição refrigerante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que a contramedida para prevenir que a eficiência de troca de calor diminuía devido à variação de temperatura no trocador de calor é pelo menos uma das que seguem: eliminação da diferença de temperatura entre ar e refrigerante através do fluxo de contracorrente, prevenção de formação de gelo próximo de uma entrada de um evaporador e aumento do coeficiente de transferência de calor de um trocador de calor.
- 7. Composição refrigerante de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a contramedida para reduzir o efeitoPetição 870190036685, de 17/04/2019, pág. 22/362/2 de perda de pressão é pelo menos uma das que seguem: aumento do diâmetro do tubo de um trocador de calor e otimização do número de cursos no trocador de calor, aumento do diâmetro do tubo ou diminuição do comprimento de um tubo em um condicionador de ar e um tubo de conexão para um condicionador de ar, usando um ejetor como um mecanismo de expansão; e uso de um ciclo econômico.
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