CN114149791B - 一种可实现高温制热的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，具体涉及一种可实现高温制热的节能环保型热泵工质及其应用。该工质由以下质量百分比的各组分组成：丙烯9％～12％，丁烷91％～88％。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高2‑3％，具有较好的节能效应，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，可有效解决对臭氧层有破坏且具有高GWP工质的替代问题。
Description
技术领域
本发明属于制冷剂技术领域，具体涉及一种可实现在热泵、制冷领域，尤其是在高温制热的热泵领域用于替代R142b的节能环保型热泵工质及其应用。
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，本发明提供了一种可实现高温制热的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：
一种可实现高温制热的节能环保型热泵工质，由以下质量百分比的各组分组成：丙烯(R1270)9％～12％，正丁烷(R600)91％～88％。或按照摩尔数百分比计：丙烯(R1270)12.01％～15.84％，正丁烷(R600)87.99％～84.16％。
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R1270和R600的相关物理性质与安全参数：
表1：R1270和R600物性参数
| 参数 | R1270 | R600 |
| 分子式 | C3H6 | C4H10 |
| 相对分子质量 | 42.1 | 58.1 |
| 汽化潜热(0.1013MPa)kJ/kg | 439.16 | 385.70 |
| 标准沸点℃ | -47.62 | -0.5 |
| 凝固点℃ | -185.2 | -138 |
| 临界压力kPa | 4554.8 | 3796.0 |
| 临界温度℃ | 91.061 | 151.98 |
| 临界密度kg/m3 | 230.03 | 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，可实现高温制热的节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成：丙烯为9％，丁烷为91％。
具体的，可实现高温制热的节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成：丙烯为10％，丁烷为90％。
具体的，可实现高温制热的节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成：丙烯为11％，丁烷为89％。
具体的，可实现高温制热的节能环保型热泵工质由以下质量百分比的各组分组成：丙烯为12％，丁烷为88％。
本发明还提供了上述节能环保混合工质的应用，用于替代采用R142b作为工质的制冷系统或热泵中的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R1270和R600均为制冷与低温技术领域所常用的制冷剂，其中，R1270的质量百分比浓度占比为9％～12％，R600的质量百分比浓度占比为91％～88％.
实施例一
取制冷剂领域常用的R1270和R600制冷剂，在液相状态下，取质量百分比为9％的R1270和91％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R1270和R600制冷剂，在液相状态下，取质量百分比为10％的R1270和90％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R1270和R600制冷剂，在液相状态下，取质量百分比为11％的R1270和89％的R600进行充分物理混合，获得非共沸混合制冷剂。
实施例四
取制冷剂领域常用的R1270和R600制冷剂，在液相状态下，取质量百分比为12％的R1270和88％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
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R1270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略高，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85％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相比略低或相当，但最小的也接近R142b的93％，基本上无需重新设计压缩机(如果继续减少丙烯的比例、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R1270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10℃左右，表明本发明能够制取高温比R142b还要高；6.本发明的实施例的最大滑移温度为9.3334℃，如果继续增大丙烯的比例、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 (4)
1.一种可实现高温制热的节能环保型热泵工质的应用，其特征在于：作为R142b的替代工质，所述可实现高温制热的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：丙烯11％～12％，丁烷89％～88％。
2.根据权利要求1所述的可实现高温制热的节能环保型热泵工质的应用，其特征在于，由以下质量百分比的各组分组成：丙烯11％，丁烷89％。
3.根据权利要求1所述的可实现高温制热的节能环保型热泵工质的应用，其特征在于，由以下质量百分比的各组分组成：丙烯12％，丁烷88％。
4.根据权利要求1至3任一所述的可实现高温制热的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的替代工质。
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2021
- 2021-11-18 CN CN202111370933.6A patent/CN114149791B/zh active Active
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Also Published As
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|---|---|
| CN114149791A (zh) | 2022-03-08 |
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