CN101671543A - 一种环保制冷剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种应用于家用空调/热泵等系统中替代R22的制冷剂组合物。该制冷剂由10~90%丙烷(R290)和90~10%氟乙烷(R161)组成;其制备方法是将上述各组分按其相应的配比在液相下进行物理混合。本发明与R22的物性参数非常接近,滑移温度很小,与现有R22系统的管路和部件材料兼容,替代后有较高的制冷效率和较好的节能效果,而且不破坏大气臭氧层,温室效应潜能非常低。

Description

一种环保制冷剂
技术领域
本发明属于制冷剂领域,涉及一种制冷剂组合物,尤其涉及一种应用于家用空调/热泵等制冷空调系统中替代R22的制冷剂组合物。
背景技术
根据《蒙特利尔议定书》的原本规定,发达国家将于2030年完全停止非原料性质的R22生产和消费,发展中国家(包括我国)将于2040年停止非原料性质的R22生产和消费。但2007年9月在加拿大蒙特利尔召开的《蒙特利尔议定书》缔约方大会达成的最新决议中规定,发达国家将于2020年完全停止非原料性质的R22生产和消费,包括中国在内的发展中国家,要在2013年将非原料性质HCFCs(其中约70%是R22)的生产和消费量冻结在2009年和2010年的平均水平上,2030年完成全面淘汰。相比原来的淘汰时间表,整个淘汰进程大大提前,而目前国内生产和应用的约80%的家用空调/热泵等系统采用R22作制冷剂,由此可见,R22的替代形势非常严峻且替代品的研究开发迫在眉睫。
当前,国内外市场上R22的主要替代品为R410A(R32/125)、R407C(R32/125/134a)、R417A(R125/134a/600)和R422D(R125/134a/600a)等,但这些替代品并不理想,例如,R410A与R22系统不兼容,压力高,替代R22时必须更换新的压缩机和两器,增加了替代成本;R407C的能效较低,滑移温度较大,在替代过程中需要对系统部件和润滑油等作改动或更换;R417A(R125/134a/600)或R422D(R125/134a/600a)在直接充灌替代R22时制冷效率降低、制冷量下降、压力升高等。而且,这些替代品的温室效应潜能值(GWP)还很高,例如,R410A为2100,R407C为1800,R417A为2300,R422D为2700,随着全球变暖趋势的日益加剧,当前整个国际社会都在关注和控制温室气体的排放。根据欧盟已通过的含氟温室气体(F-gas)控制法规的要求:自2011年1月1日起,欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂;在2011年1月1日至2017年1月1日的六年间,在用汽车空调将按比例逐步淘汰GWP值大于150的制冷剂;自2017年1月1日起,将禁止所有汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。由此可以看出,国际社会已经开始制定相关法规控制温室气体的排放,虽然目前只针对汽车空调领域,而未涉及家用空调/热泵领域,但整个制冷空调行业抑制温室气体排放,出台相应法规,禁止使用高GWP值的制冷剂将是大势所趋。
现有技术中,专利申请CN 200810082668.X公开了以氟乙烷、二氟甲烷、五氟乙烷和碳氢化合物等物质组成的混合物;专利申请US 2008029733公开了以五氟乙烷、四氟乙烷和碳氢化合物等物质组成的混合物;专利申请CN 200710156803.6公开了以氟乙烷、二氟甲烷和碳氢化合物等物质组成的混合物;专利申请WO 2007102815公开了以五氟乙烷和四氟乙烷组成的混合物;专利申请CN 03116856.6公开了以氟乙烷、五氟乙烷和二氟甲烷组成的三元混合物;专利申请CN 00121158.7公开了以丙烷、五氟乙烷和二氟甲烷组成的三元混合物;专利申请US 7276176和US 7258813公开了以五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷和异丁烷组成的混合物;专利申请CN 93102698.9公开了以二氟甲烷、1,1,1,2-四氟乙烷和选自1,1-二氟乙烷、1,1,1-三氟乙烷、丙烷等组成的混合物;专利申请CN 91112767.4、US 649356和WO9211339公开了以五氟乙烷、二氟甲烷和四氟乙烷组成的混合物;专利申请CN 91112768.2、US 412974和WO 9105027公开了以五氟乙烷和二氟甲烷组成的二元混合物;专利申请US6783691公开了以二氟甲烷、五氟乙烷、1,1,1,2-四氟乙烷和碳氢化合物组成的混合物;专利申请US 5624596公开了以二氟甲烷、五氟乙烷和碳氢化合物组成的混合物。这些申请中的混合物基本都是为了替代R22而研究开发,但这些混合物存在或制冷效率低下,或与R22系统不兼容,或具有较大的滑移温度,或价格昂贵及替代费用高等问题,而且,这些混合物都含有GWP值较高的组分,所组成的混合物具有较高的GWP值,从长远来看,并不符合抑制温室气体排放的要求,一旦新的控制温室气体排放法规出台,这些混合物的应用将会受到极大限制。
发明内容
本发明旨在研究开发一种用于家用空调/热泵等制冷空调系统中替代R22的制冷剂,新开发的制冷剂替代物既要与R22物性相当、与现有R22系统的管路和部件兼容,又要有高的制冷效率,很小的滑移温度,而且还要不破坏大气臭氧层,GWP值尽量低。
本发明的制冷剂组合物,由丙烷(R290)和氟乙烷(R161)组成,其中各组分如下,均为质量百分比:
丙烷:  10~90%
氟乙烷:90~10%。
优选的,本发明的制冷剂组合物,组分如下:
丙烷30~70%,氟乙烷70~30%,均为质量百分比。
上述组分中的丙烷(R290),其分子式为CH3CH2CH3,摩尔质量为44.10,正常沸点为-42.1℃,临界温度为96.7℃,临界压力为4.25MPa。
氟乙烷(R161),其分子式为CH3CH2F,摩尔质量为48.06,正常沸点为-37.6℃,临界温度为102.2℃,临界压力为5.09MPa。
本发明提供的制冷剂组合物的制备方法,是将丙烷(R290)和氟乙烷(R161)按其相应的配比在液相状态下进行物理混合即可。
本发明具有以下优点和有益效果:
a.环境性能
表1列出了本发明与R22的环境性能比较,可以看出,本发明的臭氧破坏潜能值(ODP)为零,不会破坏大气臭氧层,温室效应潜能值(GWP)非常低,小于20,仅约为R22的1%,完全符合R22替代的长远发展环保要求。
表1环境性能比较
  制冷剂   R22   本发明
  ODP   0.055   0
  GWP(100年)   1810   13~19
b.热工参数:
表2列出了本发明与R22的热工参数比较,在ARI Standard 520国际标准的空调工况下,蒸发器内制冷剂的压力值与R22非常接近,冷凝器内制冷剂的压力值及排气温度均较R22低,如此则具有较小的压缩比,可减少压缩机耗功并对压缩机长期运行有益。并且,本发明的滑移温度非常小,是一种近共沸混合物,可增强两器换热并有益于成分漂移。
表2热工参数比较
  制冷剂   R22   本发明
  蒸发压力(kPa)   626   591~669
  冷凝压力(kPa)   2176   1974~2172
  压缩比   3.48   3.22~3.43
  排气温度(℃)   98.37   77.45~89.79
  滑移温度(℃)   0   0.03~0.5
c.热工性能
表3列出了本发明与R22的热工性能比较,本发明的COP值较R22高,应用后具有较好的节能效果;质量制冷量较R22大,可相应减少系统的制冷剂充装量,降低了成本,并间接减少温室气体排放量;容积制冷量较R22略低,但降低幅度很小,完全可以满足替代R22后制冷空调的负荷需求。
表3热工性能比较
  制冷剂   R22   本发明
  COP   1   1.06~1.11
  质量制冷量   1   1.62~1.78
  容积制冷量   1   0.92~0.97
d.直接充灌性能
并且,经过符合国际标准规定的材料相容性试验验证,本发明与原R22系统中的金属材料、塑性材料和弹性材料等均是相容的,在替代R22的转轨过程中无需更换系统的部件和管路;另外,经润滑油相溶性试验验证,本发明与R22系统使用的矿物油(MO)相溶。因此,本发明与现有R22系统的管路和部件兼容,无需更换管路部件和润滑油,可大大降低R22替代过程中的转轨费用。
综上所述,本发明与R22的物性参数非常接近,滑移温度很小,与现有R22系统的管路和部件材料兼容,可大大降低替代过程中的转轨费用,替代后有较高的制冷效率和较好的节能效果,而且不破坏大气臭氧层,GWP值非常低,是R22的一种理想长期替代品。
具体实施方式
为了有助于对本发明所述的制冷剂及其优点的理解,下面举出几个具体实施例,其中各组分的比例均为质量百分比。
实施例1:将质量百分比10%的丙烷和90%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例2:将质量百分比20%的丙烷和80%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例3:将质量百分比30%的丙烷和70%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例4:将质量百分比40%的丙烷和60%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例5:将质量百分比50%的丙烷和50%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例6:将质量百分比60%的丙烷和40%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例7:将质量百分比70%的丙烷和30%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例8:将质量百分比80%的丙烷和20%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例9:将质量百分比90%的丙烷和10%的氟乙烷二种物质在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
在ARI Standard 520国际标准的空调工况下,即蒸发温度为7.2℃、冷凝温度为54.4℃、过热温度为11.1℃、过冷温度为8.3℃及压缩机效率为78%的工况下,上述实施例制冷剂的环境参数、物性参数及热工性能列于表4中。
表4制冷剂的环境参数、物性参数及热工性能
 制冷剂性能   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6   实施例7   实施例8   实施例9 R22
 ODP   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0.055
 GWP   13   14   14   15   16   17   18   18   19   1810
 摩尔质量g/mol 47.69 47.32 46.94 46.56 46.17 45.77 45.36 44.95 44.53 86.47
 蒸发压力kPa   591   623   647   663   669   665   653   635   613   626
 冷凝压力kPa   2028   2102   2150   2172   2170   2147   2104   2046   1974   2176
  压缩比   3.43   3.38   3.32   3.28   3.24   3.23   3.22   3.22   3.22   3.48
  排气温度℃   89.79   87.71   85.74   83.93   82.34   80.96   79.73   78.58   77.45   98.37
  滑移温度℃   0.5   0.4   0.2   0.1   0.03   0.1   0.2   0.4   0.4   0
  COP*   1.11   1.09   1.08   1.07   1.07   1.07   1.06   1.07   1.07   1
  质量制冷量*   1.78   1.72   1.68   1.65   1.63   1.62   1.63   1.64   1.66   1
  容积制冷量*   0.94   0.96   0.97   0.97   0.97   0.95   0.94   0.93   0.92   1
  系统兼容性   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容
  成本   低   低   低   低   低   低   低   低   低   低
备注:*表示与R22的相应比值,其中COP为性能系数。
从表4可以看出本发明与R22的各项参数和性能比较,本发明在蒸发器内制冷剂的压力值与R22非常接近,冷凝器内制冷剂的压力值及排气温度均较R22低,如此则具有较小的压缩比,可减少压缩机耗功并对压缩机长期运行有益。并且,本发明的滑移温度非常小,是一种近共沸混合物,可增强两器换热并有益于成分漂移。
本发明的COP值较R22高,应用后具有较好的节能效果;质量制冷量较R22大,可相应减少系统的制冷剂充装量,降低了成本,并间接减少温室气体排放量。
本发明与原R22系统中的金属材料、塑性材料和弹性材料等均是相容的,在替代R22的转轨过程中无需更换系统的部件和管路;另外,经润滑油相溶性试验验证,本发明与R22系统使用的矿物油(MO)相溶。因此,本发明与现有R22系统的管路和部件兼容,无需更换管路部件和润滑油,可大大降低R22替代过程中的转轨费用。

Claims (3)

1.一种制冷剂组合物,其特征在于,由丙烷和氟乙烷组成,各组分的质量百分比如下:
  丙烷:10~90%
氟乙烷:90~10%。
2.如权利要求1所述的制冷剂组合物,其特征在于,组分如下,均为质量百分比:丙烷30~70%,氟乙烷70~30%。
3.一种权利要求1所述的制冷剂组合物的制备方法,是将丙烷和氟乙烷按其相应的配比在液相状态下进行物理混合。
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