CN111023635A - 用于提供非共沸制冷剂的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提供非共沸制冷剂的方法和设备，其中所述制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物形成，所述组分以其各自与所述制冷剂的质量分数的比率添加到容器(11)中，并且在所述容器中形成制所述冷剂共混物，其中通过控制设备(21)设置所述容器中的温度和/或压力，使得所述制冷剂仅以气相或仅以液相存在。

Description

用于提供非共沸制冷剂的方法和设备
本发明涉及用于提供非共沸制冷剂的方法和设备，其中所述制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物形成，这些组分以其各自与制冷剂的质量分数的比率添加到容器中，并且在容器中形成制冷剂共混物。
制冷剂通常在制冷机的封闭冷却回路内循环并连续经历各种相变。制冷剂应设计为使其可以在冷却回路中的预定温度差内使用。从现有技术中已知所谓的单组分制冷剂以及至少两种或更多种物质的制冷剂共混物。制冷剂根据DIN 8960第6段命名。
为了满足法律要求，制冷剂不得对大气中的臭氧降解或全球变暖产生实质贡献。此外，制冷剂不应是可燃的，尤其是避免由于必须遵守的任何安全规定而使冷却回路的填充、分配和操作更加困难。在这种情况下，可燃性是指制冷剂与环境氧气反应并释放热量的特性。如果制冷剂符合欧洲标准EN2的火C级或DIN 378 A2、A2L和A3级，则制冷剂尤其可燃。
此外，制冷剂应具有相对较低的CO2当量(CO2 equivalent)，即，相对温室潜能(relative greenhouse potential)或全球变暖潜能(global warming potential，GWP)应尽可能低，以避免制冷剂释放时对环境的间接损害。GWP表明限定质量的温室气体对全球变暖的贡献有多大，以二氧化碳作为比较值。该值描述了一定时期内的平均变暖效果；在这种情况下，定义了20年用于可比性。对于相对二氧化碳当量和GWP的定义，请参考政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的第五次评估报告，附录8.A，表8.A.1。
共沸制冷剂共混物(azeotropic refrigerant blend)的行为类似于纯物质，具有恒定特性，即，共沸制冷剂共混物的露点曲线和泡点曲线至少在一点接触，因此，共沸制冷剂共混物的组成在气相或液相中始终相同。对于非共沸制冷剂共混物(zeotropicrefrigerant blend)，在温度范围内发生相变，其被称为温度滑移(temperature glide)。温度滑移被认为是恒压下沸腾温度和露点温度之间的差。因此，对于非共沸制冷剂共混物，露点曲线和泡点曲线在任何点都不接触，因此在露点曲线和泡点曲线之间存在其中制冷剂共混物不以稳定状态存在的状态空间。该状态空间也称为混溶间隙(miscibility gap)。在此，制冷剂共混物分开(demix)成具有不同组成的至少两个不同相。因此，液相可以包含较高浓度的制冷剂共混物的低沸点物质。如果随后将储存在容器中的制冷剂共混物从容器中去除，那么如果从液相或气相中除去，则总是存在制冷剂共混物浓度的变化。因此，随着容器填充水平的降低，制冷剂共混物的组成在气相和液相中变化。组成的这种变化可能意味着制冷剂共混物的组成不再对应于最初添加的制冷剂共混物的组成。在制冷技术中液化气的存储中经常发生此问题。
WO 02/084168A1描述了一种用于在容器中存储液化气的方法。一旦由于从容器中去除时的分开使得组成变化，则随后添加共混物的组分以恢复期望的组成。因此可以在一定耐受度内提供物质共混物。
因此，本发明解决了提出用于提供非共沸制冷剂的方法和设备的问题，通过该方法和设备，在从容器中去除期间可以实现相对精确的共混物组成。
该问题通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求10的特征的设备和具有权利要求20的特征的制冷机得以解决。
在根据本发明的用于提供非共沸制冷剂的方法中，制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物形成，所述组分以其各自与制冷剂的质量分数的比率添加到容器中，并且在容器中形成制冷剂共混物，其中通过控制设备设置容器中的温度和/或压力，使得制冷剂仅以气相或仅以液相存在。
因此，控制设备确保始终控制容器中的温度和/或压力，以使制冷剂完全以气相或液相形式存在，绕过制冷剂的特定混溶间隙。然后可以以气相或液相从容器中去除制冷剂，而不会在容器内部发生制冷剂共混物的至少两种组分的浓度的变化。然后也不再需要随后添加组分和额外努力，并且在从容器中去除时可以实现制冷剂的更精确的共混物组成。原则上，可以通过将至少两种组分添加到容器中并将它们存储在容器中来在容器中产生制冷剂。
因此，在从容器去除制冷剂的过程中，组成制冷剂共混物的组分的浓度可以保持恒定，而不必向容器供给其它组分。原则上，因此可以将完成的制冷剂存储在容器中，而不是通过供给各组分而将其在容器中混合。因此，如果将完成的制冷剂共混物或制冷剂供给到容器中，则也可以省略将组分供给到容器中的操作。
在该方法的一个实施例中，可以通过控制设备的温度控制装置来控制完全液态或气态制冷剂的温度。然后可以将温度控制装置设计成使得，取决于制冷剂共混物，可以设置容器内部的温度，使得制冷剂总是仅处于液态或气态，并且绕过或避免了制冷剂的混溶间隙。
在该方法的另一个实施例中，单独地或除温度控制之外，可以通过控制设备的压力控制装置来控制完全液态或气态制冷剂的压力。然后，利用压力控制装置，可以始终设置容器内部的压力，使得制冷剂在容器中完全为液态液体或气体形式。通过控制压力，在此还可以确保绕过制冷剂的混溶间隙。
制冷剂可以具有≥10K，优选≥15K，特别优选≥18K的温度滑移。制冷剂的温度滑移不应大于>20K，因为这样的话冷却装置实际上不能操作。
在20年内，制冷剂的相对CO2当量可以<2500，优选<1500，特别优选<500。因此，制冷剂具有低环境影响。
此外，制冷剂可以是不可燃的。如果制冷剂是不可燃的，则可以使冷却回路、尤其是制冷机更具成本效益，因为不必对制冷剂的可燃性采取特别的安全预防措施。然后，制冷剂可以至少不被分配给火等级C和/或制冷剂安全组A1。此外，由于无论运输类型如何，可以在运输之前用制冷剂填充冷却回路，所以冷却回路的分配和运输更加容易。对于可燃制冷剂，仅在安装现场进行调试时才可以填充。此外，可以在存在火源的情况下使用不可燃制冷剂。
制冷剂可被设计为用于-60℃至+180℃、优选-70℃至+180℃、特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度。因此，制冷剂共混物可以被设计为使得其可以在该温度范围内在制冷机、特别是冷却回路中使用。
制冷剂可以由一定质量分数的二氧化碳和一定质量分数的至少一种其它组分形成。该其它组分可以具有低的GWP，并且是不可燃的或仅在有限的程度上可燃。如果要通过冷却回路实现相对较低的温度，则由于制冷剂共混物的凝固点随二氧化碳的质量分数的增加而增加，因此二氧化碳的比例必须尽可能低。二氧化碳的凝固温度或凝固点为-56.6℃，因此在高二氧化碳浓度下几乎无法达到-60℃的温度。
根据本发明的用于提供非共沸制冷剂的设备，所述制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物组成，所述设备包括至少两个计量阀和容器，组分通过计量阀以其各自与制冷剂的质量分数的比率添加至所述容器，以形成制冷剂共混物，其中所述设备具有控制设备，通过控制设备可以设置容器中的温度和/或压力，使得制冷剂仅以气相或仅以液相存在。对于根据本发明的设备的优点，参考对根据本发明的方法的优点的描述。
控制设备可以具有温度控制装置和/或压力控制装置。利用温度控制装置，可以控制容器内部的温度，使得可以排除在制冷剂的混溶间隙内的制冷剂状态。替代地或附加地，还可以使用压力控制装置来相应地控制容器内部的压力。
压力控制装置可以具有柔性膜片，该膜片可以位于容器的内部，其中膜片可以将内部空间划分为用于容纳制冷剂的容纳空间和用于容纳均衡气体的均衡空间。膜片可以由柔性材料制成，或者以活塞等的方式设计，以允许通过膜片的空间位移来连续改变容纳空间和均衡空间的体积。当由于从均衡空间去除制冷剂而导致容器内部的体积发生变化时，膜片可以跟随容纳空间中体积的变化并扩大容纳空间，使得例如设置高于制冷剂的蒸气压的压力，其中制冷剂完全以液态存在。在去除制冷剂的过程中，不会发生制冷剂的分开，并且可以始终确保容器中的制冷剂共混物中的组分的均匀浓度。在这种情况下，容纳空间的体积与均衡空间的体积之比始终由压力决定，并且可以确保在不使制冷剂分开的情况下最完全地清空容器或容纳空间。可以相应地选择均衡气体的类型、量和压力。
特别地，均衡空间可以充满氮气。如已经证明的，就其物理性质而言，氮气或分子氮可以特别有利地用作均衡气体。
压力控制装置可以具有用于测量容器内部压力的压力传感器和连接至容器的压力均衡阀。压力传感器可以直接地或通过控制设备的控制构件附接或连接至压力均衡阀。然后制冷剂可以通过压力均衡阀从容器中排放到环境中，或者例如通过泵供给到容器中，从而始终可以设置期望的容器内部压力。压力传感器也可以集成在压力均衡阀中。此外，压力控制装置也可以设计成使得压力传感器在空间上独立于压力均衡阀而定位，并且借助于控制电子设备进行控制。
温度控制装置可以具有用于测量容器内部温度的温度传感器和连接至容器和/或位于其中的温度调节单元。温度调节单元可以例如贴靠在容器的外壁上或者位于容器内部。温度调节单元可以以热交换器的方式设计。此外，温度调节单元可以设计成冷却和/或加热容器内部。容器内部的冷却可以简单地通过温度调节单元的冷却回路的热交换器来实现，并且加热可以通过电加热装置(例如加热元件)来实现。温度传感器可以连接到温度控制装置的控制电子设备或连接到控制构件，通过其控制温度调节单元，以便设置期望的容器内部温度。
设备可以具有用于在容器中输送组分的泵。然后，泵可以将制冷剂共混物输送到容器中，并在其中形成期望的压力。当由泵输送时，制冷剂共混物可以以气相或液相存在。
设备可以具有用于从容器中去除制冷剂的出口阀。然后可以通过出口阀从容器中定量去除制冷剂。如果要用制冷剂填充制冷机，则出口阀可以例如连接至用于运输制冷剂的另一容器，或者连接至制冷机的冷却回路。
设备可以具有用于每种组分的具有进料管线的存储容器，其中计量阀和质量流量传感器可以连接在用于将组分供给到容器中的进料管线。因此，根据制冷剂共混物中组分的个数，可以将存储容器用于每种组分，以存储相应的组分。可以将组分通过其可以引入到容器中的进料管线连接到每个存储容器。为了以期望的比率添加各组分，在每条进料管线中设置计量阀和质量流量传感器。可以通过质量流量传感器测量和控制通过计量阀引入到容器中的组分的质量分数。进料管线也可以间接地连接到容器，从而在将各组分引入容器之前混合各组分，并且由此形成的制冷剂共混物通过单个进料管线引入容器。
此外，进料管线可以连接到设备的静态混合器或喷射混合器。然后将进料管线在静态混合器或喷射混合器的上游或内部连接在一起；可以将泵设置在静态混合器或喷射混合器的下游，并在连接至容器的进料管线中在容器的上游。泵尤其也可以是压缩机。
在参考方法权利要求1的从属权利要求的特征的描述中可以找到该设备的其它有利实施例。
根据本发明的制冷机具有根据本发明的设备。制冷机可包括与设备连接的冷却回路。因此，例如可以在制冷机或冷却回路中填充制冷剂。
下面参考附图更详细地描述本发明的优选实施例。
在图中：
图1示出了设备的第一实施例的示意图。
图2示出了设备的第二实施例的示意图。
图1示出了用于提供非共沸制冷剂的设备10，该设备10具有用于产生和存储至少两种组分的制冷剂共混物(在此不可见)的容器11。设备10还包括用于每种组分的进料管线12、13、38，具有分别设置在进料管线12、13和38中的计量阀14、15和37以及质量流量传感器16、17和39。进料管线12、13和38分别连接到用于储存各组分的存储容器(未示出)。可以通过计量阀14、15和37将一定质量分数的相关组分添加到容器11中的制冷剂中；并且计量阀14、15和37可各自分别通过质量流量传感器16、17和39控制。
进料管线12、13和38在进料管线18中连接在一起，使得各组分在进料管线18中混合。进料管线18直接连接到容器11，并且在进料管线18中，存在设备10的泵19，借助于该泵，制冷剂共混物可以在压力下引入容器11中。在容器11上还设置有用于从容器11中去除制冷剂的出口阀20。例如，另外的容器或冷却回路可以连接至出口阀20，然后可以向另外的容器或冷却回路中填充制冷剂。
设备10还具有控制设备21，在此仅示出其一部分。控制设备21具有压力控制装置22，该压力控制装置22具有用于测量容器11的容器内部压力的压力传感器23和连接至容器11的压力均衡阀24。制冷剂可以通过压力均衡阀24从容器11中排出以减小容器内部压力。此外，当需要增加容器内部压力或填充容器11时，可以经由压力传感器23来操作泵19。压力控制装置22可以具有控制构件和装置(这里未示出)以操作压力均衡阀24和泵19。
在设备10的该实施例中，压力控制装置22被设计成使得在容器11的内部25中存在柔性膜片26，该柔性膜片26将内部25划分成用于容纳制冷剂的容纳空间27和在这种情况下填充了分子氮的均衡空间28。容纳空间的体积变化或由于从容纳空间27中去除制冷剂而引起的填充水平变化通过膜片26引起均衡空间28的体积的相应变化来均衡，其中在容纳空间27中始终设置高于制冷剂的蒸气压的压力，使得制冷剂完全以液体形式存在，因此，当从容器11中去除制冷剂时，防止了制冷剂的分开。
图2示出了设备29的另一实施例，与图1的设备相比，该设备29具有带有压力控制装置31的容器30。在这种情况下，压力控制装置31同样包括压力传感器23和压力均衡阀24。设备29的控制设备32除压力控制装置31之外还具有温度控制装置33。温度控制装置33包括用于测量容器内部温度或位于容器30的内部35中的制冷剂的温度的温度传感器34和设置在内部35中的温度调节单元36。可以使用温度调节单元36冷却或加热内部35中的制冷剂。根据温度传感器34的测量值来控制温度调节单元36，因此内部的制冷剂的温度总是可以设置成使得制冷剂仅以气相存在于内部中。因此，可以防止当从容器30中去除制冷剂时制冷剂的分开。

Claims (20)

1.一种用于提供非共沸制冷剂的方法，其中所述制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物形成，所述组分以其各自与所述制冷剂的质量分数的比率添加到容器(11、30)中，并且在所述容器中形成所述制冷剂共混物
其特征在于
通过控制设备(21、32)设置所述容器中的温度和/或压力，使得所述制冷剂仅以气相或仅以液相存在。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于
在从所述容器(11、30)中去除制冷剂的过程中，所述组分的浓度保持恒定，而不必将其它组分供给至所述容器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于
通过所述控制设备(21、32)的温度控制装置(33)控制完全液态或气态制冷剂的温度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
通过所述控制设备(21、32)的压力控制装置(22、31)控制完全液态或气态制冷剂的压力。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述制冷剂的温度滑移≥10K，优选≥15K，特别优选≥18K。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述制冷剂在20年内的相对CO2当量<2500，优选<1500，特别优选<500。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述制冷剂是不可燃的。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述制冷剂被设计为用于-60℃至+180℃、优选-70℃至+180℃、特别优选-80℃至+180℃的温度范围内的温度。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，
其特征在于
所述制冷剂由一定质量分数的二氧化碳(CO2)和一定质量分数的至少一种其它组分形成。
10.一种用于提供非共沸制冷剂的设备，所述制冷剂由至少两种组分的制冷剂共混物组成，所述设备包括至少两个计量阀(14、15、37)和容器(11、30)，所述组分可以通过所述计量阀以其各自与所述制冷剂的质量分数的比率添加至所述容器，以形成所述制冷剂共混物，
其特征在于
所述设备具有控制设备(21、32)，通过所述控制设备可以设置所述容器中的温度和/或压力，使得所述制冷剂仅以气相或仅以液相存在。
11.根据权利要求10所述的设备，
其特征在于
所述控制设备(21、32)具有温度控制装置(33)和/或压力控制装置(22、31)。
12.根据权利要求11所述的设备，
其特征在于
所述压力控制装置(22、31)具有柔性膜片(26)，所述膜片位于所述容器(11)的内部(25)，其中所述膜片将所述内部划分成用于容纳所述制冷剂的容纳空间(27)和用于容纳均衡气体的均衡空间(28)。
13.根据权利要求12所述的设备，
其特征在于
所述均衡空间(28)填充有氮气(N2)。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述压力控制装置(22、31)具有用于测量容器内部压力的压力传感器(23)和连接至所述容器(11、30)的压力均衡阀(24)。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述温度控制装置(33)具有用于测量容器内部温度的温度传感器(34)和连接至所述容器(30)和/或位于其中的温度调节单元(36)。
16.根据权利要求10至15中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述设备(10、29)具有用于将组分输送到所述容器(11、30)中的泵(19)。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述设备(10、29)具有用于从所述容器(11、30)中去除所述制冷剂的出口阀(20)。
18.根据权利要求10至17中的任一项所述的设备，
其特征在于
所述设备(10、29)具有用于每种组分的具有进料管线(12、13、38)的存储容器，其中计量阀(14、15、37)和质量流量传感器(16、17、39)连接在用于将所述组分供给到所述容器(11、30)的所述进料管线中。
19.根据权利要求18所述的设备，
其特征在于
所述进料管线(12、13、18、37)连接至所述设备(10、29)的静态混合器或喷射混合器。
20.一种制冷机，具有根据权利要求10至19中的任一项所述的设备(10、29)。
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