CN106032461B - 一种重力热管混合工质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种重力热管混合工质。该混合工质含有R1234ze、R245ca，还可以含有HFC32、HFC152a、HFC245fa、HFC236fa。该工质的热稳定性好，安全无毒，符合环保要求：ODP为0、GWP较低。该混合工质在0℃‑100℃工作温度下，饱和蒸汽压适中，热传输性能适宜，反映热物理和传热综合性能的准则数M'较高，具有良好的换热特性及输运性质。
Description
技术领域
本发明涉及一种热管工质，更具体地说，涉及一种含有R1234ze、R245ca，的常温重力热管工质。
背景技术
重力热管是一种利用相变进行高效换热的换热器。由蒸发段、绝热段和冷凝段三部分组成，工作时需热源在下端、冷源在上端。不需要外加动力就可实现自行循环工作，为静设备。工作在0-100℃范围内的重力热管换热器具有广阔的发展空间。该常温重力热管可用于有效冷却基站及电子设备、高品质实现室内外冷热空气热交换以降低空调能耗、有效利用工业中低温余热、环保开发地热资源。
重力热管换热器要实现高效工作，一个关键因素在于要有适合的热管工质。目前，从热物性角度看适合工作在0-100℃的常温重力热管工质主要有水、氨、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯和氟利昂类物质R22等，这些工质存在各自难以克服的缺点：水的启动温度高，更适宜应用在50-200℃的工作环境，而且与碳钢不兼容使热管造价升高；氨、甲醇、乙醇、丙酮和甲苯等则多为既有毒又可燃物质，难以大规模推广应用；R22曾广泛用于制冷、空调和热泵系统中，与上述物质相比，在安全性、稳定性及与换热器材料的兼容性方面有较为显著的优势，但由于其破坏大气臭氧层、加剧温室效应等原因，在发达国家已被禁用，发展中国家也面临逐步禁用的问题；并且，R22更适用于0-60℃范围内，因蒸发温度在60℃以上时，其对应的饱和压力将高于2.5MPa，如70℃时已为2.99MPa。
综上，为高效利用0-100℃的常温热源，需要开发新型环保节能、安全可靠的常温重力热管工质。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种适用于常温重力热管的混合工质，环境友好，并且在0-100℃的常温重力热管工作温度范围内具有良好的换热特性及输运性质。
本发明的一种重力热管混合工质是这样实现的：
一种重力热管混合工质，所述混合工质含有HFO1234ze和HFC245ca；所述混合工质还可以含有HFC32、HFC152a、HFC245fa或HFC236fa中的一种；或者还可以含有HFC32或HFC152a中的一种，以及HFC245fa或HFC236fa中的一种。
在具体实施时，所述工质可以由HFO1234ze和HFC245ca组成，也可以包含其他物质：
(1)所述混合工质由HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFO1234ze的质量百分比为5％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为40％-95％。
(2)所述混合工质由HFC32、HFO1234ze和HFC245ca组成；
工作温度在0-60℃时，所述混合工质中，所述HFC32的质量百分比为40％-80％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-50％，所述HFC245ca的质量百分比为10％-68％；
工作温度在60-80℃时，所述混合工质中，所述HFC32的质量百分比为20％-40％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-40％，所述HFC245ca的质量百分比为20％-78％；
工作温度在80-100℃时，所述混合工质中，所述HFC32的质量百分比为3％-20％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-20％，所述HFC245ca的质量百分比为60％-95％。
(3)所述混合工质由HFC152a、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC152a的质量百分比为3％-80％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-95％。
(4)所述混合工质由HFC245fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC245fa的质量百分比为3％-90％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-95％。
(5)所述混合工质由HFC236fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC236fa的质量百分比为3％-80％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-95％。
(6)所述混合工质由HFC32、HFC245fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC32的质量百分比为3％-80％，所述HFC245fa的质量百分比为5％-90％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为5％-90％。
(7)所述混合工质由HFC152a、HFC245fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC152a的质量百分比为3％-80％，所述HFC245fa的质量百分比为2％-93％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-93％。
(8)所述混合工质由HFC32、HFC236fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC32的质量百分比为3％-80％，所述HFC236fa的质量百分比为5％-90％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为5％-90％。
(9)所述混合工质由HFC152a、HFC236fa、HFO1234ze和HFC245ca组成；在所述混合工质中，所述HFC152a的质量百分比为3％-80％，所述HFC236fa的质量百分比为2％-93％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-93％。
本发明混合工质各组分的纯质基本热物性数据见表1；制备所述混合工质时，将各组分按一定的质量配比在常温下进行物理混合即可。
表1
重力热管工质需要在封闭空间内、在热源与冷源之间的温差驱动下，自发循环完成吸热汽化蒸发、绝热传输、液化冷凝放热的传热过程。其不像制冷、空调及热泵等蒸汽压缩式循环有压缩机为工质循环提供动力，因此要实现重力热管的正常运行需要考虑诸多限制因素及极限，如携带极限、沸腾极限、粘性极限、声速极限等。而不同极限的范围又与热管工质的热物性紧密相关。综上，因重力热管特定的工作原理、运行特性及适用场合，使得工质的选择标准有别于常规制冷、空调及热泵工质的选择。
在筛选重力热管工质时，一般要遵循以下原则：
(1)工质应适应重力热管的工作温度区间，并具有适宜的沸点、临界点和饱和蒸汽压。避免因饱和蒸汽压过小，导致启动温差过大，使得重力热管在工作温度区间内不能正常启动工作；过大则需加大热管换热器壁厚使经济性降低。
(2)工质应具有良好的综合热物理性质和传热性能。工质准则数M'(MeritNumber)是衡量上述性能的一个重要指标。
(3)工质满足经济性、毒性、环境污染等方面的要求。要求工质的臭氧破坏势(ODP值)为零，全球变暖效应势(GWP值)尽可能小，同时容易获得，价格低廉，安全可靠。
适宜的饱和蒸汽压和较高的工质准则数是筛选重力热管的重要热物性参数，组成混合工质的纯质饱和蒸汽压及准则数随温度的变化情况详见附图1和附图2。
组成本发明混合工质的6种纯质中，R245ca的综合性能最好。在-10℃-100℃范围内，除低温端压力稍低外，准则数在4种低压工质中是最高的。R32的平均准则数在6种工质中是最高的，但饱和蒸汽压在温度40℃时已达到2.47MPa，在70℃时则为4.87MPa，压力过高，只适合用在-10-40℃范围内。R152a也存在同样问题。
本申请综合考虑各纯质的饱和蒸汽压、准则数、抑制可燃性等因素，筛选、配比混合工质。使得混合工质能够通过调整组成配比，保证在-10℃-100℃范围内的不同运行温度下重力热管有优良的综合运行性能。
本发明的热管工质具有以下有益效果：
(1)在给定的工作温度下，通过调整混合工质中各组分的比例可以保证工质饱和蒸汽压适中。
(2)符合环保要求：ODP为0，GWP较低，同时热稳定性好，安全无毒。
(3)热传输性能适宜，在常温热管工作工况下，反映热物理和传热综合性能的准则数M'较高。
重力热管工质准则数M'的具体表达式如下：
式中准则数M'的量纲为其中L为汽化潜热，单位(kJ/kg)；ρl为饱和液体密度，单位kg/m3；kl为饱和液体热导率，单位W/(m·K)；μl为液体动力黏度，单位Pa·s。
(4)在工作温度范围内，通过改变混合工质各组分比例使混合工质准则数与R22相当或更好。
附图说明
图1是组成本发明混合工质的纯质的饱和蒸汽压随温度变化情况。
图2是组成本发明混合工质的纯质的工质准则数M'随温度变化情况
具体实施方式
下面结合实施例进一步详述本发明的技术方案，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。
本发明中的混合工质均为非共沸混合物，在以下实施例中与饱和蒸汽压对应的饱和温度为泡点温度，各组分的含量为质量百分比。
实施例1：
取40％HFC32、10％HFO1234ze、50％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例2：
取36％HFC32、25％HFC245fa、12％HFO1234ze、27％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例3：
取42％HFC32、15％HFC236fa、8％HFO1234ze、35％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
在0-60℃范围内，每隔5℃，计算实施例1-3混合工质和R22的饱和蒸汽压及准则数M'，结果见表2。
表2
由表2可知，在0-60℃范围内，实施例1-3中混合工质的饱和蒸汽压与R22相近，而M'则优于R22。
实施例4：
取20％HFC32、7％HFO1234ze、73％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例5：
取18％HFC32、50％HFC245fa、12％HFO1234ze、20％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例6：
取15％HFC32、15％HFC236fa、10％HFO1234ze、60％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
在0-80℃范围内，每隔5℃，计算实施例4-6混合工质和R22的饱和蒸汽压及准则数M'，结果见表3。
表3
由表3可知，在0-80℃范围内，实施例4-6中混合工质优势在于R22在80℃时，饱和蒸汽压较高，热管安全性及换热特性显著下降，而混合工质在该温度下的饱和蒸汽压与R22在60℃时相近，既满足工程要求，且M'优于R22。
实施例7：
取10％HFC32、5％HFO1234ze、85％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例8：
取8％HFC32、45％HFC245fa、15％HFO1234ze、32％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例9：
取5％HFC32、25％HFC236fa、20％HFO1234ze、50％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
在0-100℃范围内，每隔5℃，计算实施例7-9混合工质和R22的饱和蒸汽压及准则数M'，结果见表4。
表4
由表4可知，在0-100℃范围内，实施例7-9中混合工质优势在于R22在100℃时，饱和蒸汽压较高，热管安全性及换热特性显著下降，而混合工质在该温度下的饱和蒸汽压与R22在60℃时相近，既满足工程要求，且M'优于R22。
不同工作温度及不同蒸汽压力要求下，热管换热器对应的较优混合工质配比是不同的。以下10-18实施例以工作温度为100℃、工作压力低于2.8MPa为限定，给出多种性能较优实施例。
实施例10：
取55％HFO1234ze、45％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例11：
取10％HFO1234ze、90％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例12：
取45％HFC152a、10％HFO1234ze、45％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例13：
取36％HFC245fa、60％HFO1234ze、4％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例14：
取20％HFC236fa、50％HFO1234ze、30％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例15：
取10％HFC236fa、10％HFO1234ze、80％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例16：
取35％HFC152a、25％HFC245fa，20％HFO1234ze、20％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例17：
取40％HFC152a、15％HFC236fa，10％HFO1234ze、35％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
实施例18
取10％HFC152a、60％HFC236fa，15％HFO1234ze、15％HFC245ca，在常温下进行物理混合后作为重力热管工质。
在0-100℃范围内，每隔5℃，计算实施例10-18中混合工质饱和蒸汽压及准则数M'，结果见表5。
表5
表5(续1)
表5(续2)
由表5可知，在0-100℃范围内，实施例10-18中混合工质的饱和蒸汽压适中，均低于工程上换热器要求的2.8MPa。工质的M'在此温度区间，随着温度的升高降低，但仍在适宜范围。
Claims (1)
1.一种重力热管混合工质，其特征在于，
该重力热管混合工质由HFC152a、HFC245fa、HFO1234ze和HFC245ca组成，
其中，所述HFC152a的质量百分比为3％-80％，所述HFC245fa的质量百分比为2％-93％，所述HFO1234ze的质量百分比为2％-60％，所述HFC245ca的质量百分比为2％-93％。
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| CN103764737A (zh) * | 2011-08-29 | 2014-04-30 | 纳幕尔杜邦公司 | 包含1,1,1,2,2-五氟丙烷和氟烯烃的组合物以及它们的用途 |
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