CN101735774A - 一种替代r410a的环保制冷剂 - Google Patents

一种替代r410a的环保制冷剂 Download PDF

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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R410A的制冷剂组合物。该制冷剂由二氟甲烷(R32)和氟乙烷(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。本发明不破坏大气臭氧层，GWP值较低，可减少69％以上的温室气体排放，热工参数与R410A非常接近，与现有R410A系统的管路、部件、润滑油兼容，可实现直接充灌，热工性能优于R410A，替代后具有更高的制冷效率和更好的节能效果。

Description

一种替代R410A的环保制冷剂
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R410A的制冷剂组合物。
背景技术
在2007年9月召开的《蒙特利尔议定书》缔约方大会上，对于HCFCs的淘汰和禁用问题达成了新决议，其中规定，发达国家将于2020年完全停止非原料性质的HCFCs生产和消费，而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年全面淘汰。由此可见，国际社会对R22的替代迫在眉睫，并且，欧盟等一些发达国家已经提前禁用了R22，制冷空调设备开始使用R410A，而美国从2010年1月1日起也将禁止使用R22的新设备进口，转而使用R410A，目前国内也有一部分制冷空调设备开始使用R410A。
但是，R410A的温室效应潜能值(GWP)比较高，为2100，甚至高于R22(其为1810)，随着全球变暖趋势的日益加剧，国际社会开始关注并控制温室气体的排放。也就是说，使用R410A替代R22，解决了臭氧破坏的问题，但是，并没有解决温室效应的问题，甚至GWP值还高于R22。因此，必须协调《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》的发展，研究开发R410A的替代品，既要不破坏臭氧层，而且还要有比较低的GWP值，根据美国环保局SNAP计划对温室气体的减排态度，替代品CO2排放当量的减排比例应在50％以上。
现有技术中，专利申请CN1087107A(92113141.0)公开了二氟甲烷和丙烷组成的混合物，该混合物虽然具有较低的GWP值，但二氟甲烷与丙烷的组合，制冷量相对较小，制冷效率相对较低，且某些配比组合的滑移温度较大；专利申请JP 11230626公开了以二氟甲烷和异丁烷、丁烷或丙烷组成的混合物，同样，该组合物的制冷量相对较小，制冷效率也相对较低，且某些配比组合的滑移温度较大；专利申请CN1789367A(200510124516.8)公开了可含有R32与氟乙烷或丙烯的混合物，该混合物虽然也具有较低的GWP值，但其以氟乙烷或丙烷为主导，具有较强的可燃性，并且冷量较小，压力达不到R410A的要求，不适于直接充灌应用；专利申请CN101157849A(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，同样，其以氟乙烷为主导，具有较强的可燃性，并且冷量较小，压力达不到R410A的要求，也不适于直接充灌应用。
另外，专利申请CN 101058717A(200710068823.8)公开了以二氟甲烷、五氟乙烷和三氟甲烷组成的混合物；专利申请CN1478849A(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CN1280165A(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CN1063300A(91112767.4)、US 649356和WO 9211339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CN1063301A(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US 6783691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CN1136065A(96101957.3)公开了以二氟甲烷、五氟乙烷和其它氟化物组成的混合物。这些申请中的混合物不仅具有较高的GWP值，而且存在或制冷效率低下，或与R410A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。
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可直接充灌替代R410A的制冷剂。新开发的制冷剂替代物的目标是既不破坏大气臭氧层，又有较低的温室效应潜能值，与R410A相比可减少50％以上的CO2排放当量，而且与R410A物性相当，与现有R410A系统的管路和部件兼容，可直接充灌，还要有较高的制冷效率，较小的滑移温度。
本发明的制冷剂组合物，由二氟甲烷(R32)和氟乙烷(R161)组成，其中各组分质量百分比如下：
            二氟甲烷：65～95％
            氟乙烷：  5～35％
优选的，本发明的制冷剂组合物，各组分质量百分比如下：
二氟甲烷75～90％，氟乙烷10～25％。
上述组分中的二氟甲烷(R32)，其分子式为CH2F2，摩尔质量为52.02，正常沸点为-51.7℃，临界温度为78.1℃，临界压力为5.78MPa。
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，是将二氟甲烷(R32)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R410A的环境性能比较，可以看出，本发明的臭氧破坏潜能值(ODP)与R410A一样，均为零，不会破坏大气臭氧层，温室效应潜能值(GWP)较低，替代R410A可减少69％以上的单位CO2排放，完全符合制冷剂替代的长远发展环保要求。
表1环境性能比较
  制冷剂   R410A   本发明
  ODP   0   0
  GWP(100年)   2100   443～642
  单位质量CO2减排比例   -   69％～79％
b.热工参数
表2列出了本发明与R410A的热工参数比较，在ARI Standard 520国际标准的空调工况下，蒸发器和冷凝器内制冷剂的压力值与R410A非常接近，压缩比相当。本发明的排气温度虽然较R410A略高，但试验证明对压缩机及系统几乎没有影响，且本发明的滑移温度非常小，有的配比下滑移温度为零，是一种共沸混合物。这些都符合对R410A直接充灌以及替代物选择的要求。
表2热工参数比较
  制冷剂   R410A   本发明
  蒸发压力(bar)   10.39   9.36～10.26
  冷凝压力(bar)   34.80   31.63～34.93
  压缩比   3.35   3.37～3.41
  排气温度(℃)   97.56   109.04～119.82
  滑移温度(℃)   0.1   0～0.9
c.热工性能
表3列出了本发明与R410A的热工性能比较，本发明的COP值可比R410A提高5％～6％，应用后具有较好的节能效果；质量制冷量较R410A大60％～62％，可相应减少系统的制冷剂充装量，降低了成本，并可间接减少温室气体排放量；容积制冷量也可比R410A提高1％～11％，各项热工性能指标均优于R410A。
表3热工性能比较
  制冷剂   R410A   本发明
  COP   1   1.05～1.06
  质量制冷量   1   1.60～1.62
  容积制冷量   1   1.01～1.11
d.直接充灌性能
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R410A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R410A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R410A系统使用的醚类油(PVE)或酯类油(POE)相溶。因此，本发明与现有R410A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R410A替代过程中的转轨费用。
综上所述，本发明不破坏大气臭氧层，GWP值较低，替代R410A后可减少69％以上的单位CO2排放，与R410A的物性参数非常接近，与现有R410A系统的管路、部件和润滑油兼容，可大大降低替代过程中的转轨费用，而且，替代后各项热工性能指标均优于R410A，是一种理想的R410A长期替代品。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明所述的制冷剂及其优点进一步说明，但并不限于此。其中各组分的含量均为质量百分比。实施例中二氟甲烷(R32)，其分子式为CH2F2，摩尔质量为52.02，正常沸点为-51.7℃，临界温度为78.1℃，临界压力为5.78MPa；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。
实施例1：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷65％，氟乙烷35％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例2：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷70％，氟乙烷30％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例3：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷75％，氟乙烷25％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例4：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷80％，氟乙烷20％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例5：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷85％，氟乙烷15％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例6：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷90％，氟乙烷10％。将以上二种组分在液相下进行物理混合后作为制冷剂。
实施例7：制冷剂组合物，组分质量百分比如下：二氟甲烷95％，氟乙烷5％。将以上二种组分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75％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等列于表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 R410A
  ODP   0   0   0   0   0   0   0   0
  GWP   443   476   509   542   576   609   642   2100
  单位质量CO2减排比例 79％ 77％ 76％ 74％ 73％ 71％ 69％
  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 R410A
  摩尔质量g/mol 50.56 50.77 50.97 51.18 51.38 51.59 51.81 72.58
  蒸发压力bar   9.36   9.61   9.84   10.02   10.15   10.23   10.26   10.39
  冷凝压力bar   31.63   32.41   33.11   33.73   34.25   34.65   34.93   34.80
  压缩比   3.38   3.37   3.37   3.37   3.37   3.39   3.41   3.35
  排气温度℃   109.04   110.40   111.90   113.57   115.44   117.53   119.82   97.56
  滑移温度℃   0.9   0.7   0.5   0.3   0.1   0   0   0.1
 COP*   1.06   1.06   1.06   1.06   1.06   1.05   1.05   1
 质量制冷量*   1.62   1.61   1.60   1.60   1.60   1.60   1.61   1
 容积制冷量*   1.01   1.02   1.04   1.07   1.09   1.10   1.11   1
 系统兼容性   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容   兼容
 成本*   较低   较低   较低   较低   较低   较低   较低
备注：*表示与R410A的相应比值，其中COP为性能系数。
从表4可以看出本发明与R410A的各项参数和性能比较，本发明不破坏大气臭氧层，GWP值较低，替代R410A可减少69％以上的温室气体排放，符合制冷剂替代的长远发展环保要求。
本发明的蒸发器和冷凝器内制冷剂压力值与R410A非常接近，压缩比相当，排气温度虽然较R410A略高，但试验证明对压缩机及系统几乎没有影响，且本发明的滑移温度非常小，有的配比下滑移温度为零，是一种共沸混合物，符合对R410A直接充灌以及替代物选择的要求。
本发明的COP值可比R410A提高5％～6％，应用后具有较好的节能效果；质量制冷量较R410A大60％～62％，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；容积制冷量也可比R410A提高1％～11％。
本发明与原R410A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R410A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R410A系统使用的醚类油(PVE)或酯类油(POE)相溶。因此，本发明与现有R410A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R410A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，由二氟甲烷和氟乙烷组成，各组分的质量百分比如下：
二氟甲烷：   65～95％
氟乙烷：     5～35％。
2.如权利要求1所述的制冷剂组合物，其特征在于，各组分的质量百分比如下：二氟甲烷75～90％，氟乙烷10～25％。
3.一种权利要求1所述的制冷剂组合物的制备方法，是将二氟甲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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