CN111849420A - 一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质 - Google Patents

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Abstract

一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，属于动力工程及工程热物理领域。其包括第一组分三氟乙烯、第二组分一氟乙烷，且必须再混入其他一种或两种化合物。形成三元混合物时，需添加五氟乙烷、二氟甲烷、三氟碘甲烷、六氟丙烯中的任意一种；形成四元混合物时，需添加五氟乙烷、二氟甲烷、三氟碘甲烷、六氟丙烯、丙烷、二甲醚中的两种，但不能同时为丙烷、二甲醚和二氟甲烷中的任何两种。本发明提出的多元混合工作介质，其温室效应潜能相比于R‑404A有大幅度的削减。其冷凝压力与R‑404A相当，具有继续延用当前R‑404A主要相关系统或部件的技术优势。相比于R‑404A，具有更强导热能力、更小流动阻力，利于换热器的进一步优化改进。其制冷循环性能系数高于R‑404A，具有节能意义。

Description

一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质
技术领域
本发明属于动力工程及工程热物理领域，涉及到包含一氟乙烷和三氟乙烯的多元混合型工作介质，特别是用作制冷剂。
背景技术
全球变暖问题日益严峻，国际社会普遍认为这与人类活动，特别是温室气体排放密切相关。从早期签署的《京都议定书》，提出限制二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、氢氟烃和全氟化碳的排放；到2015年12月签订的《巴黎协定》，确立2020年后以“国家自主贡献”目标为主体的国际应对气候变化机制安排，各方承诺将全球平均气温增幅控制在低于2℃的水平，并向1.5℃温控目标努力；再到2016年10月，全球达成了具有里程碑意义的《蒙特利尔议定书》“基加利修正案”，具体规定了高温室效应的氢氟烃(HFCs)类物质的逐步淘汰计划时间表。《蒙特利尔议定书》“基加利修正案”于2019年1月1日正式生效，大部分发达国家已经开始削减HFCs的生产量和消费量，预计到2036年会削减掉85％；而中国等发展中国家的HFCs的生产量和消费量的削减计划也被提上日程，将在2024年被冻结，并逐步削减，预计到2045年，保留量不超过20％。
然而很多HFCs类物质，因热物性优良、输运性质较好、对臭氧层没有破坏，来源广泛，价格相对适中，安全性较好，行业熟悉度高等原因被广泛应用在动力工程及工程热物理领域，特别是在制冷热泵及冷冻冷藏系统中。此外，也常常被用作发泡剂、清洗剂。例如，在冷冻冷藏领域常用的R404-A制冷剂，是一种由三种HFCs(CHF2CF3/CF3CH2F/CF3CH3，质量比44/4/52)混合而成的制冷剂，其相对分子量97.6g/mol，全球变暖潜能值(GWP)约为CO2的4200倍(以一百年计)。显然地，R-404A制冷剂是要被逐步淘汰的。但当前该领域正在被使用的制冷剂除了R-404A就是氨和一氯二氟甲烷。然而氨有毒且易燃易爆，惨痛的事故使得人们一度“谈氨色变”；而一氯二氟甲烷对臭氧层具有破坏性，正在按照《蒙特利尔议定书》被逐步淘汰。
综上可知，亟需发展新的性能优良且温室效应较小的工作介质。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了包含一氟乙烷和三氟乙烯，且还需进一步混入其他适宜的化合物，从而形成综合性能优良的多元混合型工作介质，以替代现有的高温室效应的R-404A物质。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，包括一氟乙烷和三氟乙烯，其中，三氟乙烯为第一组分，一氟乙烷为第二组分，而且必须再混入其他一种或两种适宜的化合物，形成三元混合物或四元混合物，所述适宜化合物包括：
形成三元混合物时，需要添加五氟乙烷，二氟甲烷，三氟碘甲烷，六氟丙烯中的任意一种物质；
形成四元混合物时，需要添加五氟乙烷，二氟甲烷，三氟碘甲烷，六氟丙烯，丙烷，二甲醚中的两种，但不能同时为丙烷、二甲醚和二氟甲烷中的任何两种。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的三元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的，其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-90.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～80.0％，第三组分占混合物总质量的1.0％～85.0％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为五氟乙烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～40.0％，第四组分为二氟甲烷，三氟碘甲烷，六氟丙烯，丙烷，二甲醚中的任一种，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为二氟甲烷，则第三组分占混合物总质量的5.0％～55.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为三氟碘甲烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～60.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为六氟丙烯，则第三组分占混合物总质量的2.0％～60.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为丙烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～30.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的含一氟乙烷和三氟乙烯的四元混合物，是利用常规的物理混合方法，按照组分质量比进行混配而得到的。其中第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的9.0％～75.0％。如果第三组分为二甲醚，则第三组分占混合物总质量的2.0％～30.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
所述的一氟乙烷和三氟乙烯以及五氟乙烷，二氟甲烷，三氟碘甲烷，六氟丙烯，丙烷，二甲醚的关键物理化学性质如表1所示：
表1几种纯工作介质的关键物理化学性质
Figure BDA0002591922710000031
本发明有益效果为：1)本发明提出的新型多元混合工作介质，其温室效应潜能相比于R-404A有非常大幅度的削减，环保性能优异。2)本发明提出的新型多元混合工作介质，其冷凝压力与R-404A相当，存在可以直接灌注式(drop-in)替代R-404A的可能性，具有继续延用当前R-404A主要相关系统或部件的技术优势。3)本发明提出的新型多元混合工作介质，相比于R-404A，具有更强的导热能力、更小的流动阻力，有利于换热器的进一步优化改进。4)本发明提出的新型多元混合工作介质，其制冷循环性能系数高于R-404A，具有节能意义。5)本发明提出的新型多元混合工作介质，是冷冻冷藏领域以及热量传导领域的多用途混合物。
具体实施方式
为进一步细化阐述本发明的内容、特点，方便本领域技术人员能够更好地理解本发明专利，以下给出本发明专利的部分具体的实施例。
具体实施例1：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的25.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的47.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的28.0％。该混合物的相对分子质量约66.9g/mol。
具体实施例2：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的5.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的57.0％，第三组分(二氟甲烷)占混合物总质量的38.0％。该混合物相对分子质量约50.6g/mol。
具体实施例3：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的23.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的65.0％，第三组分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的12.0％。该混合物相对分子质量约59.0g/mol。
具体实施例4：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的20.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的42.0％，第三组分(六氟丙烯)占混合物总质量的38.0％。该混合物相对分子质量约72.9g/mol。
具体实施例5：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的9.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的44.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的27.0％，第四祖分(二氟甲烷)占混合物总质量的20.0％。该混合物相对分子质量约61.2g/mol。
具体实施例6：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的25.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的45.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的28.0％，第四祖分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的2.0％。该混合物相对分子质量约67.4g/mol。
具体实施例7：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的26.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的45.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的26.0％，第四祖分(六氟丙烯)占混合物总质量的3.0％。该混合物相对分子质量约67.1g/mol。
具体实施例8：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的9.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的34.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的28.0％，第四祖分(丙烷)占混合物总质量的29.0％。该混合物相对分子质量约58.5g/mol。
具体实施例9：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的25.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的42.0％，第三组分(五氟乙烷)占混合物总质量的30.0％，第四祖分(二甲醚)占混合物总质量的3.0％。该混合物相对分子质量约66.9g/mol。
具体实施例10：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的6.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的59.0％，第三组分(二氟甲烷)占混合物总质量的18.0％，第四祖分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的17.0％。该混合物相对分子质量约57.7g/mol。
具体实施例11：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的8.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的67.0％，第三组分(二氟甲烷)占混合物总质量的17.0％，第四祖分(六氟丙烯)占混合物总质量的8.0％。该混合物相对分子质量约53.4g/mol。
具体实施例12：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的31.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的42.0％，第三组分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的18.0％，第四祖分(六氟丙烯)占混合物总质量的9.0％。该混合物相对分子质量约71.2g/mol。
具体实施例13：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的15.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的36.0％，第三组分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的12.0％，第四祖分(丙烷)占混合物总质量的37.0％。该混合物相对分子质量约54.6g/mol。
具体实施例14：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的29.5％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的47.0％，第三组分(三氟碘甲烷)占混合物总质量的20.0％，第四祖分(二甲醚)占混合物总质量的3.5％。该混合物相对分子质量约66.0g/mol。
具体实施例15：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的20.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的29.5％，第三组分(六氟丙烯)占混合物总质量的26.0％，第四祖分(丙烷)占混合物总质量的24.5％。该混合物相对分子质量约63.0g/mol。
具体实施例16：
第一组分(三氟乙烯)占混合物总质量的32.0％，第二组分(一氟乙烷)占混合物总质量的55.0％，第三组分(六氟丙烯)占混合物总质量的10.0％，第四祖分(二甲醚)占混合物总质量的3.0％。该混合物相对分子质量约60.0g/mol。
将上述具体实施例与常规R-404A作对比，得到具体实施例1～具体实施例16相比于R-404A在温室效应方面的优势，列入表2。本发明具体实施例，相较于R404A，最高可以削减温室效应潜能值(GWP)达99.9％，其对应百年温室效应当量值小于5，环保效果相当显著。
表2本发明具体实施例相比R-404A的GWP值削减量
Figure BDA0002591922710000061
分析具体实施例1～具体实施例16相比于R-404A在传热和流动方面的优势，列入表3。本发明具体实施，相较于R404A，都具有较小的粘度(0℃时饱和液相粘度低7.8％～26.4％)和较大的导热系数(0℃时饱和液相导热系数高35.0％～77.4％)，因而本发明的具体实施具有更小的流阻损失和更强的导热能力。有利于换热器的优化改进。
表3本发明具体实施例相比R-404A在粘度和导热系数方面的优势
Figure BDA0002591922710000062
分析具体实施例1～具体实施例16相比于R-404A在制冷循环性能方面的技术差异。建立单级蒸气压缩式基础理论循环模型，在蒸发温度-25℃，冷凝温度40℃，蒸发器出口过热温度15℃，冷凝器出口过冷温度8℃的工况下，分析制冷循环性能系数、冷凝压力、排气温度三个关键参数，列入表4。
本发明具体实施例1～具体实施例16，其冷凝压力与R-404A相当，而且大多数情况下更低，存在可以直接灌注式(drop-in)替代R-404A的可能性，也避免了因超压所带来的隐患。本发明具体实施例1～具体实施例16，其制冷循环性能系数都高于R-404A，意味着在产生相同冷量情况下，耗功更少，具有节能意义。需要注意的是本发明具体实施例1～具体实施例16，在所述工况下，具有更高的排气温度，需要选用高标号的冷冻机油以及做好散热处理。
表4本发明具体实施例相比R-404A在制冷循环性能方面的差异
Figure BDA0002591922710000071
以上具体实施例是为了进一步细化阐述本发明的内容、特点，其目的在于方便本领域技术人员能够更好地理解本发明专利。基于本发明核心思想所作出的相当修改，仍属于本发明专利所保护的范畴。

Claims (9)

1.一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述混合型工作介质为三元混合物，包括第一组分三氟乙烯、第二组分一氟乙烷和第三组分，所述第三组分为五氟乙烷、二氟甲烷、三氟碘甲烷、六氟丙烯中的任意一种物质。
2.根据权利要求1所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述第一组分占混合物总质量的5.0％-90.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～80.0％，第三组分占混合物总质量的1.0％～85.0％。
3.一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述混合型工作介质为四元混合物，包括第一组分三氟乙烯、第二组分一氟乙烷和第三组分、第四组分；所述第三组分、第四组分为五氟乙烷、二氟甲烷、三氟碘甲烷、六氟丙烯、丙烷、二甲醚中的两种，但不能同时为丙烷、二甲醚和二氟甲烷中的任何两种。
4.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为五氟乙烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～40.0％；第四组分为二氟甲烷、三氟碘甲烷、六氟丙烯、丙烷、二甲醚中的任一种，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
5.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为二氟甲烷，则第三组分占混合物总质量的5.0％～55.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
6.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为三氟碘甲烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～60.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
7.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为六氟丙烯，则第三组分占混合物总质量的2.0％～60.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
8.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为丙烷，则第三组分占混合物总质量的2.0％～30.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
9.根据权利要求3所述的一种含有一氟乙烷和三氟乙烯的混合型工作介质，其特征在于，所述的第一组分占混合物总质量的5.0％-80.0％，第二组分占混合物总质量的9.0％～75.0％；如果第三组分为二甲醚，则第三组分占混合物总质量的2.0％～30.0％，第四组分占混合物总质量的2.0％～60％。
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