CN101880519A - 用于热泵热水器的氢氟烃制冷剂组合物 - Google Patents
用于热泵热水器的氢氟烃制冷剂组合物 Download PDFInfo
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Abstract
氢氟烃制冷剂组合物使得现有压缩机技术以可靠(低的排气温度和压力)和高效(高产能和效率)的方式应用到热泵热水器领域。一方面，本发明的制冷剂包括五氟乙烷(HFC-125)、四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC-143a)的掺混物。另一方面，该制冷剂包括五氟乙烷(HFC-125)、二氟甲烷(HFC-32)、四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC-143a)的掺混物。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用作制冷剂的组合物。更准确地说，本发明涉及用于热泵热水器系统的氢氟烃制冷剂组合物。
背景技术
热水广泛应用于家庭住宅、商业建筑、加热工业、洗浴、工业加工等。燃气锅炉和电加热器主要用于供应热水。热泵热水器(HPWH)是另一种供应热水的设备。由于HPWH使用可再生能源作为热源，对环境影响低，因而在家用和轻工业(light commercial)应用上的使用迅速增长。
如图1所示，热泵热水器机装置(HPWH)主要包括由压缩机1、冷凝器2、膨胀装置(expansion device)3和蒸发器4组成的系统。蒸发器可以是空气源类型或水源类型。工作流体(制冷剂)被引入到HPWH系统，并通过使用真空泵在该系统中循环。在冷凝器中，在水和工作流体之间发生热交换。
在HPWH的循环周期，压缩机1将高压热工作流体蒸气排入到冷凝器2中。在冷凝器2中，热工作流体(2’侧)向水(2”侧)输出热并被冷凝成液体。水吸收工作流体的热量后变成热水。该流体然后流向膨胀装置3，并被节流为低压两相工作流体。上述低压两相工作流体流入蒸发器4，在蒸发器4中，流体吸收热量然后被蒸发为低压蒸汽，其然后进入到压缩机1中。工作流体以方向5流经HPWH系统。水以水流动方向6流经冷凝器2。
由于军团菌污染问题，对HPWH提出新的要求。现在HPWH系统需要提供水温60℃以上(ASHRAE指标12-2000)的水。在某些情况下，由于在连接管路中的温度下降，上述温度需要达到65℃。如下是对于一些HPWH的技术要求的例子：可靠性：最大压缩机排气温度110℃，最大排气压力28巴。性能：减少对环境影响的高效率，满足用户需要的可接受产能(capacity)。
当前热泵热水器使用的工作流体包括HCFC-22，HFC-134a，HFC-410A，HFC-407C和HFC-417A。但是，由于压缩机排气时的过高温度和压力，HCFC-22，HFC-410A和HFC-407C不适合供应60-65℃的热水，只能在现有的压缩机技术中应用。HFC-22已在全球范围淘汰，因为其破坏臭氧层且由于过高的排放温度和压力不能提供60-65℃的热水。HFC-407C由于排气温度和压力都非常高，不能提供60-65℃的热水。HFC-410A由于排气温度和压力都非常高，也不能提供60-65℃的热水。
HFC-134a和HFC-417A由于现有的压缩机技术，可以提供60-65℃的热水，但他们的表现不是很理想。HFC-134a可以在低排气温度和压力下供应60-65℃的热水，但其产能非常小需要使用一个大的压缩机。此外当环境温度低于5℃时，其能力大大降低。HFC-417A由于排气温度和压力对于现有的压缩机(排气压力超过28MPa)非常安全，作为热泵热水器机组的制冷剂，可提供60-65℃热水，因而非常受欢迎，但其能力和效率不是很理想。
发明内容
目前，已经发现新型制冷剂，其具有作为热泵热水器中的工作流体的优良的性能。这些制冷剂使得HPWH以可靠和高效的方式提供60至65℃热水。制冷剂是基于，在有或没有HFC-32的情况下，HFC-125、HFC-134a和HFC-143a的掺混物。
依据本发明的一方面，制冷剂包括五氟乙烷(HFC-125)、四氟乙烷(HFC-134a的)和三氟乙烷(HFC-143a)的掺混物。在一个实施方式中，该掺混物包括约8-34％重量的HFC-125、约48-53％重量的HFC-134a和约20-45％重量的HFC-143a。在进一步的实施方式中，以上的三个组分的总重量百分数为100％。在另一个实施方式中，上述三个组分的总重量百分数小于100％的制冷剂组合物，且在制冷剂组合物中还包括了其他组分。在进一步的实施方式中，除了上述三个组分外，其他的组分没有实质上影响制冷剂的基本和新的特点。
依据本发明的另一方面，制冷剂包括五氟乙烷(HFC-125)、二氟甲烷(HFC-32)，四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC-143a)的掺混物。在一个实施方式中，该掺混物包括大约6-18％重量的HFC-125、约6-18％重量的HFC-32、约66-78％重量的HFC-134a和约1-12％重量的HFC-143a。在另一个实施方式中，以上的四个组分的总重量百分数为100％。在另一个实施方式中，上述四个组分的总重量百分数小于的100％的制冷剂组合物，制冷剂组合物还包括了其他组分。在另一个实施方式中，除了上述四个组分外，其他的组分对制冷剂的基本和新的特点影响不大。
本发明是特别针对作为热泵热水器装置中的工作流体的制冷剂(HFC-125、HFC-134a、HFC-143a的掺混物和HFC-125、HFC-32、HFC-134a和HFC-143的掺混物)的用途，该热泵热水器装置包括至少压缩机、蒸发器和冷凝器，其中，该工作流体流经整个装置。
本发明进一步说明了加热水的方法，包括使作为工作流体的制冷剂流经该包括压缩机、蒸发器和冷凝器的系统，和使水流经冷凝器，其中进入冷凝器的工作流体传输热量给水，将水加热到60℃以上的温度。
附图说明
附图1是一个热泵热水器的流程图。
附图2是实施例1中的不同工作流体的排气压力。
附图3是实施例1中的不同工作流体的排气温度。
附图4是实施例2中对比与R22的不同工作流体的效率。
附图5是实施例2中的HFC-134a具有很低的加热产能。
附图6是实施例4中的不同工作流体的排气压力。
附图7是实施例4中的不同工作流体的排气温度。
附图8是实施例5中与R22对比的不同工作流体的效率。
附图9是实施例5中的具有很低的加热产能的HFC-134a。
发明的详细说明
本发明是针对由HFC-125、HFC-134a和HFC-143a在有或没有HFC-32的情况下的掺混物制备的制冷剂组合物。每种组分都具有很好的热泵热水器材料相容性，由于它们是常用于制冷应用中的HFC-407C和HFC-404A的主要组分。
该掺混物作为系统例如热泵热水器的工作流体可以得到良好的热力学性质。该组分如本领域中的标准在生产设备中被混合，且在工业上理解良好，包括但不限于，对每个组分使用校准过的流量计。这些组合物可通过将各自的组分添加到一个器皿、管或其他容器中，然后通过混合或使用在该容器中的流动(flow)掺混直到得到分布均匀的掺混物而掺混。
发现这些特定的掺混物具有良好的性能和可靠操作。在一个具体的实施方式中，掺混物包括大约8-34％重量的HFC-125、约48-53％重量的HFC-134a、约20-45％重量的HFC-143a。在另一个实施方式中，掺混物包括大约20-30％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
在另一个实施方式中，掺混物包括：大约24％重量的五氟乙烷(HFC-125的)、约52％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约24％重量的三氟乙烷(HFC-143a)；或约24％重量的五氟乙烷(HFC-125)，约50％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和大约26％重量的三氟乙烷(HFC-143a)；或约24％重量的五氟乙烷(HFC-125)，约48％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和大约30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
在另一个实施方式中，该掺混物包括大约6-18％重量的HFC-125、约6-18％重量的HFC-32、约66-78％重量的HFC-134a、约1-12％重量的HFC-143a。在另一个实施方式中，掺混物包括大约8-12％重量的五氟乙烷(HFC-125的)、约12-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约70-75％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和大约3-8％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
在另一个实施方式中，该掺混物包括约12％重量的五氟乙烷(HFC-125的)、约12％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约72％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约4％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
在另一个实施方式中，上述至少三种或四种组分的总重量百分比为100％。也就是说，在目前的制冷剂组合物中没有任何其他组分。
在另一个实施方式中，上述至少三种或四种组分的总重量百分比小于100％重量的制冷剂组合物，该制冷剂组合物中还包括了其他组分。在另一个实施方式中，除了上述四个组分外，其他的组分对制冷剂的基本的和新的特性影响不大。例如，可以添加的其他组分以增强或提供特定的功能给制冷剂组合物，或者在某些情况下，减少制冷剂组合物的成本。
添加到制冷剂组合物中的其他组分包括但不限于润滑剂、相容剂、表面活性剂和溶解剂。
为了提高润滑剂的相容性和溶解度，可添加相容剂如丙烷、丁烷和戊烷。这类相容剂大约占该组合物的约0.5-约5％重量。
为了提高油溶性，如引入本文作为参考的公开物美国专利号6516837中披露，在当前的组合物中还可以添加表面活性剂和增溶剂的组合。常用的制冷润滑油，如在使用氢氟烃(HFC)制冷剂的制冷设备中使用的多元醇酯(POEs)和聚亚烷基二醇(PAGs)，可与本发明制冷剂组合物一起使用。
如图1所示及上面详述，所述制冷剂组合物可作为热泵热水器装置(HPWH)中的工作流体使用，该装置包括压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3和蒸发器4。
压缩机的类型可以是回转式、涡旋式、往复式或螺杆式。冷凝器的类型可以是同心型或钎焊板型(brazed-plate type)。膨胀装置可以是毛细管、热膨胀阀或电动膨胀阀。蒸发器可以是空气源型或水源型。工作流体被装入到HPWH系统内，然后使用真空泵循环通过系统。工作流体和水在冷凝器中发生热交换。
在HPWH的循环周期里，压缩机1将高压热工作流体蒸气排放到冷凝器2内。在冷凝器2中热工作流体(2′侧)输出热量给水(2”侧)并冷凝为液体。水从工作流体中吸收热量变成热水。然后液态工作流体通过膨胀装置3被节流为低压两相工作流体。上述低压两相工作流体进入蒸发器4，并在其中该工作流体吸收热并然后蒸发为低压蒸汽，该低压蒸汽然后被吸入压缩机1内。工作流体以方向5流经HPWH系统。水以水流动方向6流经冷凝器2。
上述水在冷凝器中被加热到60℃以上，优选到至少65℃。
本发明在以下非限制的例子中加以详细说明。其中本发明组分的比例变化和元素的替换对本领域技术人员来说是显而易见的，，并且也在该发明的保护范围内。
实施例
下面各个实施例演示了热泵的运行。过高的排气压力会造成该装置的组件的损伤。过高的排气温度会降解润滑油。对压缩机的技术要求如下：
1)最大压缩机排气温度为110℃
2)最大排气压力为28巴
使用这些设定进行性能评估：1)要提供65℃的热水，需要70℃的冷凝温度；2)膨胀装置进口处的过冷度设为2℃；3)蒸发温度设定为5℃(对应于环境温度10℃)；4)蒸发器出口处的过热度设定为5℃；5)压缩机的效率假设为0.65；6)忽略连接管路(吸气管和液体管路)中的压降和热传递。类似地，忽略通过压缩机外壳产生的热损失。
实施例1
选择组合物R134a/R125/R143a与其他工作流体的比较。
在一个组合物的实施例中，组分的重量百分比如下：HFC-134a约52％，HFC-125约24％，HFC 134a约24％。(这个实施方式命名为HPWH-20。)描述不同的组合物时这里使用的前缀“R”和前缀“HFC”可以相互转换。
在另一个组合物的实施例中，组成的重量百分比如下：HFC-134a约50％，HFC-125约24％，HFC-143a约26％。
在另一个组合物的实施例中，组成的重量百分比如下：HFC-134a约48％，HFC-125约24％，HFC-143a约30％。
以下是上述工作条件下用于对比的各工作流体
| ASHRAE代码 | 组合物 |
| R22 | R22(100％) |
| R407C | R134a/R125/R32(52％/25％/23％) |
| R417A | R134a/R125/R600a/R600(47％/50.5％/1.6％/0.9％) |
| R134a | R134a(100％) |
| ASHRAE代码 | 组合物 |
| HPWH-20 | R134a/R125/R143a(约52％/约24％/约24％) |
所有计算都是由NIST Refprop 7.0软件完成的。
图2显示了上述工作条件下不同的工作流体的排气压力。只有R134a和HPWH-20的排气压力低于28巴。因此，只有这两个能满足对于现有HPWH装置在承压特性上的最重要的需求。HCFC-22和HFC-407C的排气压力大大超过28巴的限制。因此，HCFC-22和HFC-407C绝对不能用于提供65℃热水的现有HPWH装置。R417A的排气压力稍微超过28巴。
图3显示了上述工作条件下不同的工作流体的排气温度。R22和HFC-407C的排气温度已超过110℃。因此，这两个不能满足对于现有HPWH装置在排气温度上的最重要的要求。
只有HPWH-20和R134a能够满足现有HPWH系统对于排气压力和排气温度可靠长期运行的要求。
实施例2
实施例1中进行的评估的进一步分析显示，R134a比HPWH-20具有更好的效率(图4)，但是图5显示HFC-134a的加热产能非常低。为了弥补该产能，制造商将需要新的压缩机和可能地更大的热交换器。整体来看，HPWH-20的性能更加优越。
实施例3
滑移(glide)通常描述掺混物分馏的潜能。部分掺混物如HFC-407C具有较高的分馏潜能，并可滑移大至3.3℃。部分其他的掺混物如HFC-417A具有较低的滑移(如下表所示)，这是一个所需的特性。HPWH-20具有甚至更低的滑移，这意味着对于分馏的更低的潜能。
| 制冷剂 | 组合物 | 蒸发器滑移(℃) | 冷凝器滑移(℃) |
| R22 | R22(100％) | 0 | 0 |
| R407C | R134a/R125/R32(52/25/23) | 3.1 | 3.3 |
| R417A | R134a/R125/R600a/R600(47/50.5/1.6/0.9) | 1.71 | 1.73 |
| R134a | R134a(100％) | 0 | 0 |
| HPWH-20 | R134a/R125/R143a(52/24/24) | 1.5 | 1.5 |
实施例4
选择组合物R125/R32/R134a/R143a与其他工作流体进行对比。各组分的重量百分比如下：HFC-125约12％，HFC-32约12％，HFC-134a约72％，HFC143a约4％。(这个实施方式被命名为HPWH-25。)描述不同的组合物时前缀“R”和前缀“HFC”可以相互转换。
以下是上述工作条件下用于对比的各工作流体
| ASHRA代码 | 组合物 |
| R22 | R22(100％) |
| R407C | R134a/R125/R32(52％/25％/23％) |
| R417A | R134a/R125/R600a/R600(47％/50.5％/1.6％/0.9％) |
| R134a | R134a(100％) |
| HPWH-25 | R125/R32/R134a/R143a(约12％/约12％/约72％/约4％) |
所有计算都是由NIST Refprop 7.0软件完成的。
图6显示了在上述工作条件下不同工作流体的排气压力。只有R134a和HPWH-25的排气压力低于28巴。因此，只有这两个能满足现有HPWH装置对于承压特性的最重要的需求。R22和HFC-407C的排气压力大大超过28巴的限制。因此，R22和HFC-407C绝对不能用于提供65℃热水的现有HPWH装置。HFC-417A的排气压力稍微超过28巴。
图7显示了上述工作条件下不同的工作流体的排气温度。R22和HFC-407C的排气温度已超过110℃。因此，这两个不能满足现有HPWH装置对于排气温度的最重要的要求。
只有HPWH-25和R134a能够满足现有HPWH系统对排气压力和排气温度的可靠长期运行的要求。
实施例5
实施例4中进行的评估的进一步分析显示，HFC-134a比HPWH-25具有更好的效率(图8)，但是图9显示HFC-134a的加热产能非常低。为了弥补这个产能，制造商将需要新的压缩机和可能的更大的热交换器。与在现有提供55-60℃热水的HPWH系统中应用的HFC-417A比较，HPWH-25的效率高出7％、产能力高出5％，这导致CO2的更少释放。HPWH-25的性能要好于HFC-417A和HFC-134a。整体来看，HPWH-25的性能更加优越。
虽然本发明已通过一些典型的实施例进行阐述，其中包括了本发明实施的较优模式，但本领域技术人员很容易想到对上述描述的系统和技术进行很多变换和排列，这些改变仍然属于本发明的权利要求的精神和范围内。
Claims (21)
1.制冷剂组合物，由约8-34％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-45％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
2.如权利要求1所述的制冷剂组合物，由约20-30％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
3.如权利要求1所述的制冷剂组合物，由约24％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约52％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约24％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
4.如权利要求1所述的制冷剂组合物，由约24％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约50％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约26％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
5.如权利要求1所述的制冷剂组合物，由约24％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
6.制冷剂组合物，包括约8-34％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-45％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
7.如权利要求6所述的制冷剂组合物，包括约20-30％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
8.制冷剂组合物，主要由约8-34％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-45％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
9.如权利要求8所述的制冷剂组合物，主要由约20-30％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约48-53％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约20-30％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
10.制冷剂组合物，由约6-18％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约6-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约66-78％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约1-12％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
11.如权利要求10所述的制冷剂组合物，由约8-12％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约12-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约70-75％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约3-8％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
12.如权利要求10所述的制冷剂组合物，特别由约12％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约12％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约72％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约4％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
13.制冷剂组合物，包括约6-18％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约6-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约66-78％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约1-12％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
14.如权利要求13所述的制冷剂组合物，包括约8-12％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约12-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约70-75％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约3-8％重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
15.制冷剂组合物，基本由约6-18％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约6-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约66-78％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约1-12％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
16.如权利要求15所述的制冷剂组合物，基本由约8-12％重量的五氟乙烷(HFC-125)、约12-18％重量的二氟甲烷(HFC-32)、约70-75％重量的四氟乙烷(HFC-134a)和约3-8％重量的三氟乙烷(HFC-143a)组成。
17.热泵热水器系统，包括压缩机、蒸发器、冷凝器，其中制冷剂组合物流经所述系统，该制冷剂组合物包括权利要求1-16中任一项所述的制冷剂组合物。
18.如权利要求17所述的热泵热水器系统，其中制冷剂以第一方向流经冷凝器，水以第二方向流经冷凝器以从制冷剂吸收热量，其中水被加热到60℃以上。
19.如权利要求18所述的热泵热水器系统，其中水被加热到至少65℃。
20.加热水的方法，包括将制冷剂组合物流经权利要求17所述的系统，和将水流经冷凝器，其中进入冷凝器的热的制冷剂传递热量给该水，将水加热到60℃以上。
21.如权利要求14所述的加热水的方法，进一步包括水加热到至少65℃。
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