CN102264860B - 用于冷却器应用的反式-氯-3,3,3-三氟丙烯 - Google Patents

用于冷却器应用的反式-氯-3,3,3-三氟丙烯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可用于冷却器应用的包含反式-氯-3，3，3-三氟丙烯(1233zd(E)的制冷剂组合物和使用1233zd(E)的方法。

Description

用于冷却器应用的反式-氯-3,3,3-三氟丙烯
相关申请的交叉引用
本发明要求2008年12月17日提交的美国临时专利申请序号61/138,245，和2009年1月9日提交的美国申请序号12/351,807的优先权，后者要求了2008年1月10日提交的美国临时专利申请序号61/020,390的优先权。
技术领域
本发明涉及在多种应用中具有用途的组合物，所述应用包括冷却器应用，和利用这些组合物的方法和系统。具体地，本发明涉及在冷却器应用中使用包含反式-氯-3，3，3-三氟丙烯(1233zd(E))的制冷剂组合物的方法。
背景技术
以碳氟化合物为基础的流体广泛应用于制冷、热泵、空调和冷却器应用中。碳氟化合物被用来将热量从不需要的位置传输到需要热量的位置。制冷或空调系统的目的是从冷区域移走能量。热泵的目的是向热的区域增加能量。
制冷剂的物理性质，如密度、蒸汽压和汽化热，帮助确定哪种应用对于制冷剂是最好的。制冷剂的安全性和对环境的影响也应予以考虑。例如，可燃性、臭氧消耗潜势(ODP)和全球变暖潜势(GWP)都应予以考虑。
制冷剂的混合物通常用于与制冷系统或热泵系统期望的物理性质相匹配。然而，离心式冷却器只能适应纯制冷剂或者共沸制冷剂，因为非共沸混合物在池沸腾蒸发器内会分离而降低系统的性能。
对于用于冷却器的新的制冷剂，需要考虑的重要因素是COP(以KW记的冷却量与以KW记的整个冷却器消耗的能量之间的比率)。COP允许对冷却器系统中不同的制冷剂进行有效地比较。COP越高，系统将能量转换成所需要冷却的效率越高。
发明概述
本发明的各方面涉及在冷却器系统中具有用途的组合物，和利用这种组合物的方法和系统。
本发明提供包含至少反式1-氯-3，3，3-三氟丙烯(1233zd(E))的组合物。在诸如冷却器的制冷应用中，从环境角度讲，包含化合物1233zd(E)的组合物是合适的氯氟烃的替代物。
发明详述
已经发现，1233zd(E)(反式1-氯-3，3，3-三氟丙烯)作为冷却器应用中的制冷剂特别有用。由于1233zd(E)在大气中的寿命极短，这些分子的臭氧消耗潜势和全球变暖潜势显著小于目前使用的制冷剂R-123。另外发现，目前已有的低ODP分子中，在蒙特利尔协定中没有被规划为逐渐淘汰的所有化合物中，1233zd(E)的COP最高。
已经发现，在冷却器应用中，制冷剂1233zd(E)的表现优于顺式异构体1233zd(Z)。1233zd(E)具有高得多的容量，因此传递相同的容量可以使用比1233zd(Z)或R123系统更小的系统。1233zd(E)的COP略低于1233zd(Z)的，并且与R123的相当。
可用于本发明的组合物包括反式-1-氯-3，3，3-三氟丙烯(HCFC-1233zd(E))。虽然预期本发明的组合物可以包括宽范围用量的1233zd(E)，但通常本发明的制冷剂组合物所包含的1233zd(E)的量为总组合物的至少约50重量％，并且更特别地为至少约70重量％。在多个实施方案中，本发明的传热组合物包含100％的1233zd(E)。
用于本发明的1233zd(E)应该以足够高的纯度使用，以避免给所述系统的冷却或加热性能带来不利影响。
本发明的组合物可包括其它组分，目的是加强或提供组合物的某种功能，或在某些情况下，降低组合物的成本。例如，根据本发明的制冷剂组合物，特别是用于蒸汽压缩系统中的那些，包括润滑剂，通常占组合物的约30至约50重量％。另外，本发明组合物还可包括兼容剂，如丙烷和戊烷，目的是辅助润滑剂的相容性和/或溶解度。这种兼容剂，包括丙烷、丁烷和戊烷，优选占组合物的约0.5至约5重量％。表面活性剂和增溶剂的组合也可以添加到本发明的组 合物中，以辅助油溶性，如美国专利号6,516,837所披露的，该披露内容被引入作为参考。与氢氟烃(HFC)制冷剂共同用于制冷机械中的常用的制冷润滑剂，如多元醇酯(POEs)和聚亚烷基二醇(PAGs)、硅油、矿物油、烷基苯(ABs)和聚(α-烯烃)(PAO)，可与本发明的制冷剂组合物共同使用。还可以加入作为稳定剂的硝基甲烷。
许多现有制冷系统目前已适应与现有制冷剂共同使用，据信本发明的组合物可以适用于许多这类系统，系统可以进行改造也可以不进行改造。在许多应用中，本发明的组合物可以作为目前基于具有相对高容量的制冷剂的系统的替代物提供其优势。另外，在例如因为成本的原因，希望使用本发明的较低容量的制冷剂组合物代替较高容量的制冷剂的实施方案中，本发明组合物的这些实施方案提供一个潜在的优势。因此，在某些实施方案中优选使用本发明的组合物，特别是包含显著比例的1233zd(E)，并且在一些实施方案中基本上由1233zd(E)组成的组合物作为现有制冷剂如R-11和R-123的替代物。在某些应用中，本发明的制冷剂潜在地允许较大排量压缩机的使用优势，从而导致较其它制冷剂如R-134a具有更好的节能效率。因此，包括1233zd(E)的制冷剂组合物，提供了实现制冷剂替代应用中以能量为基础的竞争优势的可能性。
预期包括1233zd(E)的组合物在通常连同工业空调系统使用的冷却器中也有优势(在原系统中或者当作为制冷剂如R-12和R-500的替代物使用时)。
不需要易燃性抑制剂，因为1233zd(E)是不可燃的。此外，1233zd(E)可以作为易燃性抑制剂添加到使用可燃制冷剂的冷却器中。
本发明的方法、系统和组合物因此适用于连同汽车空调系统和设备、工业制冷系统和设备、冷却器、家用冰箱和冷冻机、一般空调系统、热泵等一起使用。
因此，所述组合物被用在多种方法和系统中，包括在用于传递热量的方法和系统中的传热流体中，如在制冷、空调和热泵系统中使用的制冷剂。
例如，传热方法一般包括提供本发明的组合物，并造成热量被传输到组合物或从组合物传出而使组合物发生相变。例如，本发明方法提供了通过从流体或者制品吸热以进行冷却，优选地通过蒸发位于待冷却物体或流体附近的本发明制冷剂组合物以得到包含本发明组合物的蒸汽。优选的方法包括压缩制冷剂蒸汽的另外步骤，通常使用压缩机或者类似设备以得到相对压力升高的本发明 组合物的蒸汽。一般来说，压缩蒸汽步骤的结果是蒸汽的热量增加，导致相对高压蒸汽的温度升高。优选地，本发明方法包括从这个相对高温、高压蒸汽移除至少一部分通过蒸发和压缩步骤加入的热量。移除热量的步骤优选地包括当蒸汽在相对高压条件下时，冷凝高温高压蒸汽，以得到相对高压的包含本发明组合物的液体。这种相对高压的液体优选地随后经历了名义上的等焓减压的过程以得到相对低温、低压的液体。在这样的实施方案中，正是这种被降温的制冷剂液体，随后又被来自待冷却物体或者流体所传递的热量蒸发。
在本发明的另一个方法实施方案中，本发明的组合物可以被用在产生热量的方法中，包括冷凝位于待加热液体或物体附近的包含所述组合物的制冷剂。这种方法，如上文提到的，经常是上文提到的制冷循环的逆循环。
对于本发明的目的，离心式冷却器表示使用离心式压缩以将制冷剂气体从低压转换到高压的制冷设备。压缩可以以单阶段或多阶段进行。优选地该方法的多阶段操作包括约两阶段到约五阶段，更优选约两阶段到约四阶段，最优选约两阶段到约三阶段压缩。所述阶段的确切数目取决于实际应用，并且不需要过分的实验就能确定。
本发明的1233zd(E)组合物可以用在产生制冷的方法中，包括冷凝制冷剂和其后蒸发位于待冷却物体附近的该制冷剂。可选地，本发明的1233zd(E)组合物可以用在产生加热的方法中，包括冷凝位于待加热物体附近的制冷剂和其后蒸发该制冷剂。
在另一种实施方案中，本发明的1233zd(E)组合物可以用于使用离心式冷却器产生制冷的方法中，包括通过离心压缩压缩本发明的化合物或混合物和蒸发位于待冷却物体附近的制冷剂。
下面的实施例用来举例说明本发明但并不限制其范围。
实施例1
1233zd(E)的蒸汽压借助MKS加热压力传感器测定。
  温度，℃   蒸汽压，psia
  -10.06   4.33
  -0.05   6.9
  9.93   10.55
  19.93   15.45
  29.86   22.06
  39.78   20.47
  49.85   40.92
  59.78   55.5
  69.77   72.85
  79.69   93.02
1233zd(E)的液体密度使用振动管密度计测定。
  温度，℃   密度，kg/m3
  -17.49   1360.3
  -29.45   1383.98
  -29.81   1384.70
  -25.08   1371.38
  -22.03   1367.40
  -19.59   1362.51
  -9.79   1341.34
  -1.99   1323.65
  0.02   1319.65
  10.11   1296.48
  17.01   1280.22
  18.83   1276.01
  20.06   1276.37
[0033]  实施例2
所选择的用于离心式冷却器的流体是2，2-二氯-1，1，1-三氟乙烷(R123)。由于R123的臭氧消耗潜势的原因，目前它被蒙特利尔协定所禁止。当在寻找R123的替代流体时重要的是要保持高的性能指数(COP)。单阶段冷却器包括对低压气体加压并将其送到蒸发器的压缩机。高压流体随后在相对高温被冷凝，在这种情况下，冷凝器维持在40℃。被冷凝的流体随后经过膨胀装置，所述流体的温度和压力都被降低，并被引入到蒸发器中；在这种情况下，蒸发器维持在2℃。通过蒸发蒸发器内的流体，冷的低压气体随后用来从需要冷却的物体将热量带走。制冷剂的热力学性能可以使用热力学教材中概述的标准制冷剂循环分析技术进行计算，如R.C.Downing，氟碳制冷剂手册(Fluorocarbon Refrigerants Handbook)，第3章，Prentice-Hall.1988。单压缩机冷却器的COP是在冷凝器温度为2℃，蒸发器温度为40℃，并且压缩机效率为0.75时确定的。R123、1233zd(Z)和1233zd(E)在单压缩机系统中的COP在下面的表中给出。该实施例证明，当使用1233zd(E)和1233zd(Z)时，R123的COP能够维持。令人惊讶地还显示出，对同样尺寸的系统来说，1233zd(E)比R123具有高得多的容量。
单压缩机
  流体   容量KJ/m3   COP
  R123   346.9   4.75
  1233zd(E)   471.8   4.73
  1233zd(Z)   223.1   4.82
实施例3
为了提高冷却器的效率，普遍做法是使用多个带有内部热交换器的压缩机。这种系统和实施例1中描述的非常类似，不同的是，一部分离开冷凝器的流体被用来在中等压力下冷却离开压缩机的物流。被重组的物流随后被压缩到所需的高压并被引入到冷凝器中。制冷剂的热力学性能可以使用热力学教材中概述的标准制冷剂循环分析技术进行计算，如R.C.Downing，氟碳制冷剂手册，第3章，Prentice-Hall.1988。双压缩机冷却器的COP是在冷凝器温度为2℃，蒸发器温度为40℃，两个压缩机效率都为0.75，并且在热交换器外5℃的接近温度下确定的。R123、1233zd(Z)和1233zd(E)在双压缩机系统中的COP在下面的表 中给出。令人惊讶地还显示出，对同样尺寸的系统来说，1233zd(E)比R123具有高得多的容量。
双压缩机
  流体   容量KJ/m3   COP
  R123   385.1   4.96
  1233zd(E)   525.1   4.94
  1233zd(Z)   245.1   5.00
虽然本发明已经就包括目前优选的实施本发明的方式的具体实施例进行了描述，但是本领域技术人员会理解，存在对上面描述的系统和技术的多种变换和改变，它们均落入本发明所附权利要求所阐述的精神和保护范围之内。

Claims (24)

1.产生制冷的方法，包括在离心式冷却器系统内压缩包含由HFCO-1233zd(E)组成的制冷剂的组合物，并且随后在邻近待冷却物体处蒸发所述制冷剂。
2.权利要求1的方法，其中所述组合物的COP在4.7和4.96之间。
3.在先权利要求任一项的方法，其中所述组合物包含润滑剂。
4.权利要求3的方法，其中润滑剂选自多元醇酯、聚亚烷基二醇、硅油、矿物油、烷基苯和聚(α-烯烃)。
5.权利要求3的方法，其中润滑剂选自矿物油、多元醇酯和烷基苯。
6.权利要求3的方法，其中润滑剂是矿物油。
7.权利要求3的方法，其中润滑剂占组合物的30重量%至50重量%。
8.权利要求4的方法，其中润滑剂占组合物的30重量%至50重量%。
9.权利要求1的方法，其中所述冷却器系统是单阶段冷却器，其包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
10.权利要求3的方法，其中所述冷却器系统是单阶段冷却器，其包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
11.权利要求4的方法，其中所述冷却器系统是单阶段冷却器，其包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
12.权利要求1的方法，其中所述压缩在1、2、3、4、或5阶段内进行。
13.权利要求12的方法，其中所述压缩在1、2或3阶段内进行。
14.离心式冷却器系统，包括：
a：离心式压缩机；和
b：包含由1233zd(E)组成的制冷剂的组合物，其中所述组合物在所述离心式压缩机内被处理。
15.权利要求14的冷却器系统，其中压缩机是单压缩机。
16.权利要求14或15的冷却器系统，其中所述组合物还包含润滑剂。
17.权利要求16的冷却器系统，其中润滑剂选自多元醇酯、聚亚烷基二醇、硅油、矿物油、烷基苯和聚(α-烯烃)。
18.权利要求16的冷却器系统，其中润滑剂选自矿物油、多元醇酯和烷基苯。
19.权利要求16的冷却器系统，其中润滑剂是矿物油。
20.权利要求16的冷却器系统，其中润滑剂占组合物的30重量%至50重量%。
21.权利要求17的冷却器系统，其中润滑剂占组合物的30重量%至50重量%。
22.权利要求14的冷却器系统，其是单阶段冷却器，包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
23.权利要求16的冷却器系统，其是单阶段冷却器，包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
24.权利要求17的冷却器系统，其是单阶段冷却器，包括蒸发器和冷凝器，其中蒸发器在2℃的温度下操作，冷凝器在40℃的温度下操作。
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