CN115717056A - 三元环保混合制冷剂、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三元环保混合制冷剂、其制备方法及应用。该制冷剂包括第一组分、第二组分和第三组分，第一组分为CO2，第二组分为一氟甲烷，第三组份为三氟碘甲烷或二氟甲烷。本发明将CO2、一氟甲烷和二氟甲烷或三氟碘甲烷混合，通过使用优选的几种混合制冷剂组分，其一，使得该混合制冷剂GWP小于150，具备明显的环保优势；其二，使得混合剂的常压泡点温度低于‑50℃，在低温工况依旧具有较高的工作压力和排气温度，因此具有较好的低温制热性能，而且其相对Qv＞5.2，相对COP＞0.7，制冷/制热效率均较高；其三，使得该混合制冷剂安全等级不低于A2L，可应用于汽车直接制冷/制热的空调系统。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，具体而言，涉及一种三元环保混合制冷剂、其制备方法及应用。
背景技术
由于燃油车尾气排放会带来环境污染，电动汽车得到了广泛的推广应用。电动汽车与燃油车相比，没有发动机的高温排气作为冬季供暖的热源，只能利用PTC加热或热泵供暖，但是PTC加热效率低，会使得电池续航能力大大衰减，而现有汽车空调制冷剂R134a制热效果差，在-5℃以下还是需要利用PTC加热，因此开发制冷/制热效果均优良的制冷剂是电动汽车行业亟需解决的问题之一。
制冷剂不仅具有性能方面的要求，还有环保性和安全性方面的规定。温室效应潜值(GWP)是衡量温室气体引起全球变暖能力的指标，多国均限制GWP高于150的制冷剂的使用。另外，制冷剂按照毒性，可以分为A类(低毒)、B类(高毒)；按照可燃性，可以分为1类(无火焰传播)、2L类(微燃)、2类(可燃)、3类(易燃)，基于安全方面的考虑，现有汽车直接制冷/制热的空调系统一般使用A1或A2L类制冷剂。然而，现有汽车制冷剂尚不能在满足安全性能的同时，具有良好的制冷/制热性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种三元环保混合制冷剂、其制备方法及应用，以解决现有技术中制冷剂无法兼顾低GWP值、高制冷/制热性能和高安全性的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三元环保混合制冷剂，包括第一组分、第二组分和第三组分，第一组分为CO2，第二组分为一氟甲烷，第三组份为三氟碘甲烷或二氟甲烷。
进一步地，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括44～84％的第一组分、4～40％的第二组分和4～16％的第三组份。
进一步地，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括44～72％的CO2、20～40％的一氟甲烷和4～16％的三氟碘甲烷。
进一步地，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括52～72％的CO2、20～36％的一氟甲烷和4～12％的三氟碘甲烷。
进一步地，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括48～84％的CO2、4～36％的一氟甲烷和4～16％的二氟甲烷。
进一步地，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括60～76％的CO2、20～32％的一氟甲烷和4～8％的二氟甲烷。
进一步地，三元环保混合制冷剂的GWP值＜150，安全等级不低于A2L，温度滑移＜5℃，常压泡点温度＜-50℃，相对Qv＞5.2，相对COP＞0.7。
根据本发明的另一方面，提供了上述三元环保混合制冷剂的制备方法，包括以下步骤：将三元环保混合制冷剂的各组分按照其相应的质量百分比在常温液相状态下混合，得到三元环保混合制冷剂。
根据本发明的另一方面，提供了一种空调系统，包括制冷剂，制冷剂包括本发明的三元环保混合制冷剂。
进一步地，空调系统为汽车空调系统；优选地，汽车空调系统为电动汽车空调系统。
应用本发明的技术方案，将CO2、一氟甲烷和二氟甲烷或三氟碘甲烷混合，通过使用优选的几种混合制冷剂组分，其一，使得该混合制冷剂GWP小于150，具备明显的环保优势；其二，使得混合剂的常压泡点温度低于-50℃，在低温工况依旧具有较高的工作压力和排气温度，因此具有较好的低温制热性能，而且其相对Qv＞5.2，相对COP＞0.7，制冷/制热效率均较高；其三，使得该混合制冷剂安全等级不低于A2L，可应用于汽车直接制冷/制热的空调系统。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其单元。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语解释：
R41：一氟甲烷。
R13I1：三氟碘甲烷。
R32：二氟甲烷。
R134a：1,1,1,2-四氟乙烷。
R410A：质量百分含量50％的R32(二氟甲烷)和50％的R125(五氟乙烷)组成的混合物。
蒸发器蒸发温度：蒸发器入口温度和对应压力下露点温度的算术平均值。
冷凝器冷凝温度：冷凝器中露点和泡点温度的算术平均值。
相对Qv：相对单位容积制冷/制热量，是指制冷剂与R134a的单位容积制冷/制热量比值。
相对COP：相对性能系数，是指制冷剂与R134a的性能系数比值。
正如本发明背景技术中所述，现有技术中存在制冷剂无法兼顾低GWP值、高制冷/制热性能和高安全性的问题。为了解决上述问题，在本发明一种典型的实施方式中，提供了一种三元环保混合制冷剂，包括第一组分、第二组分和第三组分，第一组分为CO2，第二组分为一氟甲烷，第三组份为三氟碘甲烷或二氟甲烷。
在车用空调系统中，CO2因压力较高、高温制冷性能较差而较难应用，R32的GWP较高，环保性能较差，R41不常作为制冷剂使用。发明人在研究过程中出乎意料地发现，R41、R13I1和R32与CO2具有相似的沸点和更高的临界温度，具有更优的制冷能效，因此将这几种制冷剂进行特定组合，选择合适的组分，通过优势互补，平衡环保性、安全性、能效和物性的关系，其一，使得该混合制冷剂GWP小于150，具备明显的环保优势；其二，使得混合剂的常压泡点温度低于-50℃，在低温工况依旧具有较高的工作压力和排气温度，因此具有较好的低温制热性能，而且其相对单位容积制冷/制热量Qv＞5.2，相对性能系数COP＞0.7，制冷/制热效率均较高；其三，使得该混合制冷剂安全等级不低于A2L，可应用于汽车直接制冷/制热的空调系统，从而达到兼顾低GWP值、高制冷/制热性能和高安全性的目的。
本发明将上述几种制冷剂进一步进行特定组合，选择合适的组分含量，实现进一步优势互补，具体地，在一种优选的实施方式中，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括44～84％的第一组分、4～40％的第二组分和4～16％的第三组份。其中，第一组份CO2的GWP为1，第二组分R41的GWP为92，第三组分R13I1的GWP为1，R32的GWP为675，通过控制各组分的含量在上述范围，可以使得三元环保混合制冷剂的GWP小于150。CO2的安全等级为A1，R41的安全等级为A2，R13I1的安全等级为A1，R32的安全等级为A2L，通过控制各组分，尤其是R41的含量在上述范围，可以使得三元环保混合制冷剂的安全等级不低于A2L。温度滑移和常压泡点温度与制冷剂的组分及其含量均相关，制冷剂各组分的沸点越相近，温度滑移越小，通过控制各组分的含量在上述范围，可以使得三元环保混合制冷剂的温度滑移小于5℃，常压泡点温度小于-50℃，从而进一步改善制冷剂的热物理性质，排除温度滑移带来的不良影响，提高相对Qv和相对COP，使其具有更高的容积制冷量，能够在低温工况下更高效工作，制冷/制热效率更高。
如上所述，CO2的压力较高、高温制冷性能较差，因此需要添加适量的R41和R13I1/R32。当第三组分为R13I1时，在一种优选的实施方式中，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括44～72％的CO2、20～40％的一氟甲烷和4～16％的三氟碘甲烷。R41的安全等级为A2，若R41比例过高，混合物的安全等级也会降低为A2，不适合用于汽车空调系统，因此需要控制R41的含量在上述范围。由于R13I1的沸点与CO2和R41的差别较大，若R13I1组分的含量过高，温度滑移会过大，混合制冷剂的热物理性能会降低。因此，为了进一步平衡环保性能、安全性能和温度滑移、常压泡点温度等热物理性质，从而进一步提高混合制冷剂的制冷/制热效率，优选将几种组分的含量限定在上述范围。
当第三组分为R13I1时，出于在平衡环保性能、安全性能和温度滑移、常压泡点温度等热物理性质的同时，进一步提高混合制冷剂的相对Qv和相对COP，从而获得综合性能更加优异的混合制冷剂的目的，在一种优选的实施方式中，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括52～72％的CO2、20～36％的一氟甲烷和4～12％的三氟碘甲烷。
当第三组分为R32时，由于R32的GWP较高，沸点较低，而R13I1不可燃，沸点较高，在与CO2和R41混合时，为了同时达到兼顾低GWP、高安全等级、温度滑移和常压泡点温度的要求，需要设置与R13I1不同的质量比例区间，在一种优选的实施方式中，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括48～84％的CO2、4～36％的一氟甲烷和4～16％的二氟甲烷。
当第三组分为R32时，出于在平衡环保性能、安全性能和温度滑移、常压泡点温度等热物理性质的同时，进一步提高混合制冷剂的相对Qv和相对COP，从而获得综合性能更加优异的混合制冷剂的目的，在一种优选的实施方式中，以质量百分比计，三元环保混合制冷剂包括60～76％的CO2、20～32％的一氟甲烷和4～8％的二氟甲烷。
如上所述，本发明的三元环保混合制冷剂通过对各组分及其含量进行优选和控制，可以同时兼顾低GWP值、高制冷/制热性能和高安全性，具体地，在一种优选的实施方式中，三元环保混合制冷剂的GWP值＜150，安全等级不低于A2L，温度滑移＜5℃，常压泡点温度＜-50℃，相对单位容积制冷/制热量Qv＞5.2，相对性能系数COP＞0.7。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了本发明的三元环保混合制冷剂的制备方法，包括以下步骤：将三元环保混合制冷剂的各组分在常温液相状态下混合，得到三元环保混合制冷剂，该制备方法简便，易于应用，其中常温可以是23～27℃。
在本发明又一种典型的实施方式中，还提供了一种空调系统，包括制冷剂，制冷剂包括本发明的三元环保混合制冷剂。在一种优选的实施方式中，空调系统为汽车空调系统；优选地，汽车空调系统为电动汽车空调系统，本发明的三元环保混合制冷剂制冷/制热效果均优良，安全等级高，环保性能好，更适合应用于上述空调系统。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
本发明将制冷剂各组分进行以下组合，其第一组分为二氧化碳(CO2)，第二组分为一氟甲烷(R41)，第三组分为三氟碘甲烷(R13I1)或二氟甲烷(R32)。各组分物质的基本参数见表1。当组合方式确定时，各组分按照表2相应的质量配比在常温液相状态下进行物理混合。其中组分的比例均为质量百分比，每种制冷剂的组分质量百分比之和为100％。
表1
表2
设计工况为：蒸发器蒸发温度为0℃，冷凝器冷凝温度为30℃，蒸发器压降为2kPa，出口的气相为过热状态，过热度为2℃，冷凝器压降为5kPa，出口的液相为过冷状态，过冷度为2℃，压缩机的绝热效率为0.75。分别使用上述实施例和对比例的制冷剂在制冷系统中的循环性能参数进行理论计算，物性数据均取自REFPROP 10.0，比较了其中的GWP(按质量百分比线性加和计算)、相对单位容积制冷/制热量Qv、相对性能系数COP、温度滑移(15℃对应压力下)以及安全等级，结果见表3。
表3
由上表可知，对比例1和对比例3中的R41质量占比过高，它们的安全等级均较低，为A2类；对比例2中的R13I1质量占比过高，温度滑移较大，热物理性质较差，会降低制冷/制热性能；对比例4中的R32质量占比过高，GWP超过150，环保性能差。
而与对比例5和6中单一R134a或R410A相比，本发明的各实施例制冷剂的GWP均小于150，具有较好的环保特性；与对比例7中单一CO2相比，本发明的各实施例制冷剂的相对Qv均大于5.2，相对性能系数COP均大于0.7，具有更高的制冷能效。而且，本发明的各实施例制冷剂的安全等级均为A2L或A1，安全性能优良；温度滑移不高于5℃，常压泡点温度低于-50℃，具有优良的热物理性质，使得本发明的各实施例制冷剂能够在低温工况下也能高效工作，制冷/制热性能均较佳。
综上所述，本发明的三元环保混合制冷剂，不仅具有较低的GWP和较好的安全性能，还有优良的热物理性质和低温制热特性，能够较好的应用于空调系统尤其是电动汽车空调系统当中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种三元环保混合制冷剂，其特征在于，包括第一组分、第二组分和第三组分，所述第一组分为CO2，所述第二组分为一氟甲烷，所述第三组份为三氟碘甲烷或二氟甲烷。
2.根据权利要求1所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，以质量百分比计，所述三元环保混合制冷剂包括44～84％的所述第一组分、4～40％的所述第二组分和4～16％的所述第三组份。
3.根据权利要求1或2所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，以质量百分比计，所述三元环保混合制冷剂包括44～72％的CO2、20～40％的一氟甲烷和4～16％的三氟碘甲烷。
4.根据权利要求3所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，以质量百分比计，所述三元环保混合制冷剂包括52～72％的CO2、20～36％的一氟甲烷和4～12％的三氟碘甲烷。
5.根据权利要求1或2所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，以质量百分比计，所述三元环保混合制冷剂包括48～84％的CO2、4～36％的一氟甲烷和4～16％的二氟甲烷。
6.根据权利要求5所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，以质量百分比计，所述三元环保混合制冷剂包括60～76％的CO2、20～32％的一氟甲烷和4～8％的二氟甲烷。
7.根据权利要求1或2所述的三元环保混合制冷剂，其特征在于，所述三元环保混合制冷剂的GWP值＜150，安全等级不低于A2L，温度滑移＜5℃，常压泡点温度＜-50℃，相对Qv＞5.2，相对COP＞0.7。
8.权利要求1至7中任一项所述的三元环保混合制冷剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述三元环保混合制冷剂的各组分按照其相应的质量百分比在常温液相状态下混合，得到所述三元环保混合制冷剂。
9.一种空调系统，其特征在于，所述空调系统包括制冷剂，所述制冷剂包括权利要求1至7中任一项所述的三元环保混合制冷剂。
10.根据权利要求9所述的空调系统，其特征在于，所述空调系统为汽车空调系统；优选地，所述汽车空调系统为电动汽车空调系统。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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