CN114106777A - 一种高温节能环保型热泵工质及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制冷剂技术领域,具体涉及一种高温节能环保型热泵工质及其应用。该节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成:丙烷11%~15%,丁烷89%~85%。本发明的节能环保热泵工质相比于高温热泵常用的R142b,相同工况条件下,单位容积制热量相当,无需重新设计压缩机,理论制热系数COP略高,具有一定的节能效应,压缩机排气温度低,提高了压缩机的可靠性和使用寿命,压缩比小,提高输气系数,减少压缩过程的不可逆损耗,进一步提高热泵系统的能效。本发明所提供的节能环保混合工质与R142b常用的润滑油以及矿物油均有良好的溶解性,可直接用于替代R142b,尤其是在高温热泵领域直接替代R142b,从而有效解决对臭氧层有破坏且具有高GWP工质的替代问题。

Description

一种高温节能环保型热泵工质及其应用
技术领域
本发明属于制冷剂技术领域,具体涉及一种在热泵、制冷领域、尤其是在高温热泵领域用于替代R142b的高温节能环保型碳氢混合热泵工质及其应用。
背景技术
热泵干燥相比于一次能源利用(燃煤、燃油、燃气等)干燥和直接电加热干燥具有十分显著的节能效益和环保效应,而且成本低廉。热泵干燥还具有干燥效果好、应用范围广和易于实现全自动化等优势,其中尤以空气源热泵是当前节能技术中发展最快、应用扩展最快的节能技术。在热泵干燥中,干燥温度的高低不仅影响干燥时间,还会影响干燥品质,尤其是一些物料需要在高温下进行干燥。因此,能够获得接近100℃甚至更高干燥温度的节能环保型热泵是热泵干燥的重要发展方向。
R134a因其无毒性、不可燃、对臭氧层无破坏、热物性优异等特点广泛应用于各种制冷系统和热泵。但是R134a在热泵中一般只能制取70℃左右的温度。要制取70℃以上甚至100℃左右的温度,目前一般采用R142b。但是,R142b的ODP=0.057,具有破坏臭氧层的能力,已经被列入《蒙特利尔议定书》及其修正案需要在2030年淘汰的物质,而且GWP=1980,具有很强的全球变暖潜力,在安全性上也有一定的可燃性,属于A2类物质。随着对环境问题越来越重视,R142b的使用会因此而受到越来越严格的限制。寻找能够R142b的替代物以便能够制取70℃以上甚至100℃左右的温度的热泵工质,是当前需要解决的问题。碳氢化合物的混合物使其中的一个重要思路。
申请公布号为CN102775964A提出了一种由63~100%丙烷和0~37%异丁烷组成的碳氢混合制冷剂、CN105441030A提出了一种由60~100%丙烷和0~40%异丁烷组成的碳氢混合制冷剂、CN 101270274A提出了一种由54~65%丙烷和30~40%异丁烷再加上3~8%润滑油组成的碳氢混合制冷剂、CN1740262A提出了两种分别由54%丙烷和45.5%异丁烷再加上0.5%四氢噻吩组成的碳氢混合制冷剂以及61%丙烷和38.5%异丁烷再加上0.5%四氢噻吩组成的碳氢混合制冷剂、CN 101402847A提出了一种由80~89%丙烷和11~20%异丁烷组成的碳氢混合制冷剂和CN 107603566 A提出了一种由66~100%丙烷和0~34%异丁烷组成的碳氢混合制冷剂,这些混合制冷剂的共同特点是丙烷的比例都比异丁烷的比例大,具有更大的单位容积制冷量和更高的排气温度,而且丙烷的比例越大,单位容积制冷量越大(比R134a的单位容积制冷量大得多),标准大气压下的泡点温度也越低(比R134a的沸点温度低得多),实际上也更接近于R290替代R22的情况,而且排气温度也越高。专利申请号CN 103604040 A则提出了一种由30%丙烷和70%异丁烷组成的碳氢混合制冷剂及其罐装步骤和排出步骤,没有对碳氢混合制冷剂的特点、关键参数和性能等进行任何具体说明。专利申请号CN113004870A也提出了丙烷(R290)和异丁烷(R600a)或丁烷(R600)构成的混合制冷剂,但从其发明实施例来看,这个发明的目标是混乱的,或者说是不明确的。在发明说明书的表3的实施例4-9(R290与R600a混合)中,其理论COP与R134a制冷剂理论COP的比值均在108%以下,最低的仅为103%,能效提升率有限,节能效果不是很明显,特别是单位容积制冷量变化很大,从只有R134a单位容积制冷量的72%到130%,单位容积制冷量相差较大时(超过7%即国家标准允许的测量误差),是不能直接替代R134a的(小了,制冷量不足,满足不了设计要求;多了,浪费制冷量,浪费能源),需要重新设计压缩机。以上也均未提到可以制取70℃以上甚至100℃左右的高温。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供了一种高温节能环保型热泵工质及其应用,可在高温热泵领域直接替代R142b。
本发明所提供的技术方案如下:
一种高温节能环保型热泵工质,由以下质量百分比(或摩尔数百分比)的各组分:丙烷(R290)11%~15%(或摩尔数百分比为14.03%~18.90%),正丁烷(R600)89%~85%(或摩尔数百分比为81.10~85.97%)。
下表1给出了ASHRAE(美国采暖、制冷与空调工程师协会)手册中关于R290和R600的相关物理性质与安全参数:
表1:R290和R600物性参数
参数 R290 R600
分子式 C<sub>3</sub>H<sub>8</sub> C<sub>4</sub>H<sub>10</sub>
相对分子质量 44.10 58.1
汽化潜热(0.1013MPa)kJ/kg 425.6 385.70
标准沸点℃ -42.07 -0.5
凝固点℃ -187.7 -138
临界压力kPa 4254.0 3796.0
临界温度℃ 96.8 151.98
临界密度kg/m<sup>3</sup> 220.02 228.0
安全级别 A3 A3
ODP 0 0
GWP ~20 ~20
所述混合制冷剂为非共沸混合制冷剂。
具体的,高温节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成:丙烷为11%,丁烷为89%。
具体的,高温节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成:丙烷为13%,丁烷为87%。
具体的,高温节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成:丙烷为15%,丁烷为85%。
本发明还提供了上述高温节能环保型热泵工质的应用,用于替代采用R142b作为工质的制冷系统和热泵中的R142b工质。
优选的,用于高温热泵中的R142b工质。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述,所举实施例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
本发明在具体实施时,所用的制冷剂R290和R600均为制冷与低温技术领域所常用的制冷剂,其中,R290的质量百分比浓度占比为11%~15%,R600的质量百分比浓度占比为89%~85%。
实施例一
取制冷剂领域常用的R290和R600制冷剂,在液相状态下,取质量百分比为11%的R290和89%的R600进行充分物理混合,获得非共沸混合制冷剂。
实施例二
取制冷剂领域常用的R290和R600制冷剂,在液相状态下,取质量百分比为13%的R290和87%的R600进行充分物理混合,获得非共沸混合制冷剂。
实施例三
取制冷剂领域常用的R290和R600制冷剂,在液相状态下,取质量百分比为15%的R290和85%的R600进行充分物理混合,获得非共沸混合制冷剂。
为比较性能,将上述实施例与R142b进行高温工况的理论循环计算。按照高温工况如下:蒸发温度为10℃,冷凝温度为103℃,过冷温度为93℃,过热温度20℃。理论循环计算过程中压缩过程为等熵压缩。
理论循环计算主要针对压力、压比、理论压缩的压缩机出口温度、单位容积制冷量、制热系数和沸点(泡点)温度、滑移温度以及临界温度等关键参数进行相关比较,其对比参数结果如表2所示:
表2:高温热泵工况理论循环计算参数
Figure BDA0003361622820000051
在进行制冷剂替代时,除了必须满足环境友好这个替代的根本性原因外,还必须满足性能系数相当或更大(这个因素同样涉及到环境(节能能够减少二氧化碳排放))。从压缩机工作条件的角度,排气温度越低越有利于压缩机的运行和可靠性;从压缩机效率的角度,压缩比越小越好;从能够直接替代的角度,单位容积制冷量应该相当或略大一些。本发明的实施例的GWP值小于20(实际上R290和R600均为天然物质,可忽略),也无臭氧层破坏的危害,是符合未来长期环保节能要求的混合制冷剂。根据表2中R142b与本发明的实施例在制冷循环中各参数的对比可以看出,1.与被替代物R142b相比,在热泵高温工况条件下,本发明的实施例的性能系数(COP值)均比R142b高1.4%~1.8%左右,均具有一定的节能效应;2.本发明的实施例的冷凝压力均较低,而蒸发压力均略高,压缩比仅为R142b的83%~86%左右,可有效减少压缩机内的泄漏,提高压缩机的效率,延长压缩机的使用寿命;3.本发明的实施例的压缩机理论排气(出口)温度相较于R142b均低了6℃左右,有利于压缩机的运行,可有效避免了压缩机润滑油的碳化(烧焦),提高了压缩机运行的可靠性,也为本发明应用于更高温环境提供了可能;4.本发明的实施例的单位容积制热量与R142b略低或相当,最小的也有R142b的93%,基本上无需重新设计压缩机(如果继续减少丙烷的比例、提高丁烷的比例,将导致单位容积制热量继续减少,满足不了制热量的需求,需要扩大压缩机的排量,重新设计压缩机),而且R290和R600均能够与R142b常用的润滑油有良好的相容性,可直接用于R142b的替代;5.本发明的实施例的临界温度比R142b高8℃左右,表明本发明能够制取高温比R142b还可以高些;6.本发明的实施例的最大滑移温度为9.5661℃,如果继续增大丙烷的比例、减少丁烷的比例,将会是滑移温度继续增大,超过10℃甚至更大,使得蒸发器内进出口温差很大,甚至超过允许的过热度要求。另外,本发明的分子量也远小于R142b,流动性好,对系统的沿程损耗更小;液体的导热系数大大,有利于换热器的传热,传热效率高,这些都有助于本发明进一步提高制热系数(COP值),更加有利于节能减排。综上所述,本发明满足现今各种国际协议的使用要求,可应用于采用R142b作为工质的热泵和制冷系统以替代R142b,尤其是在高温热泵领域直接替代R142b。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高温节能环保型热泵工质,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成:丙烷11%~15%,丁烷89%~85%。
2.根据权利要求1所述的高温节能环保型热泵工质,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成:丙烷11%,丁烷89%。
3.根据权利要求1所述的高温节能环保型热泵工质,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成:丙烷13%,丁烷87%。
4.根据权利要求1所述的高温节能环保型热泵工质,其特征在于,由以下质量百分比的各组分组成:丙烷15%,丁烷85%。
5.一种根据权利要求1-4所述的高温节能环保型热泵工质的应用,其特征在于:作为R142b的替代制冷剂。
6.根据权利要求5所述的高温节能环保型热泵工质的应用,其特征在于:作为高温热泵中的R142b替代工质。
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