DE102014112294A1

DE102014112294A1 - Arbeitsstoffgemisch für Vorrichtungen zum Wärmetransport

Info

Publication number: DE102014112294A1
Application number: DE102014112294.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Göpfert; Ullrich Hesse
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsstoffgemisch für Vorrichtungen zum Wärmetransport, aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft. Das Arbeitsstoffgemisch besteht entweder aus einem Anteil 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Perfluorbutan, Fluorethan (R161) und Hexafluorpropen (R1216) oder aus einem Anteil 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Propin, Buten, trans-2-Buten, Isobuten und Trithylamin oder aus einem Anteil 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten trans-2-Buten, Butan, Iso-Butan, Isobuten, Buten und cis-2-Buten. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines erfindungsgemäßen Arbeitsstoffgemisches in einem Kältemittelkreislauf einer Vorrichtung zum Wärmetransport, wobei der Kältemittelkreislauf mindestens einen Wärmeübertrager aufweist, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsstoffgemisch auf Basis von 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) oder 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) oder 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) für Vorrichtungen zum Wärmetransport, aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft.
Kältemittel zirkulieren im Allgemeinen innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes und erfahren nacheinander verschiedene Änderungen des Aggregatszustandes. Gasförmiges Kältemittel wird von einem Verdichter angesaugt und komprimiert und anschließend beim Durchströmen eines Wärmeübertragers unter Abgabe von Wärme enthitzt und im Allgemeinen kondensiert. Das am Austritt des Wärmeübertragers flüssig und gegebenenfalls unterkühlt vorliegende Kältemittel wird mit Hilfe eines Expansionsorgans oder einer Expansionsmaschine auf ein geringeres Druckniveau und Temperaturniveau entspannt. Beim Durchströmen eines nachgeschalteten zweiten Wärmeübertragers verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei geringer Temperatur. Als Kältemittel wird folglich ein Fluid verstanden, welches zur Wärmeübertragung grundlegend in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage oder Klimaanlage verwendet wird und bei geringer Temperatur und geringem Druck Wärme aufnimmt sowie bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.
Der in der Vergangenheit in Kälteanlagen und Klimaanlagen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, hauptsächlich verwendete Arbeitsstoff 1,1,1,2-Tetrafluorethan in ungemischter Form, im Weiteren auch als R134a bezeichnet, muss in neu auf den Markt gelangenden Anlagen ersetzt werden, da R134a ein höheres Treibhauspotential aufweist, als es nach der entsprechenden EU-Verordnung zulässig ist. Die EU-Verordnung schreibt ein Verbot des Einsatzes von Kältemitteln, in Anwendungen der Klimatisierung von Kraftfahrzeugen, mit einem Treibhauspotential, auch als „global warming potential“ (GWP) bekannt, von weniger als 150 vor. Da das bisher als Standard-Kältemittel eingesetzte R134a ein GWP von etwa 1430 aufweist, kommt es für zukünftige Entwicklungen zumindest in ungemischter beziehungsweise reiner Form, insbesondere im Automobilbereich, nicht mehr in Betracht. Die Produzenten sowohl mobiler als auch stationärer Anlagen stehen vor der Herausforderung, einen passenden Ersatz zu finden und die Kälteanlagen und Klimaanlagen auf diesen Ersatz anzupassen.
Als Ersatzkältemittel für R134a kommen beispielsweise Kohlenwasserstoffe, wie Propan, Butan oder deren Gemische, in Frage. Allerdings birgt der Einsatz von Kohlenwasserstoffen als Arbeitsstoff aufgrund der Brennbarkeit ein Problem der Sicherheit. Propan und Butan sind entzündliche Gase, bei deren Einsatz der Explosionsschutz zu beachten ist. Neben den Kohlenwasserstoffen wurden in der Vergangenheit weitere Ersatzkältemittel, wie Kohlenstoffdioxid CO₂ oder Dimethylether DME, in Betracht gezogen. Das GWP der aufgeführten Ersatzstoffe ist kleiner als 20. Dennoch sind nicht alle Stoffe gleichermaßen einsetzbar. So ist beispielsweise Dimethylether hochentzündlich, was die Verwendungsmöglichkeiten stark einschränkt. Das im Fokus der Forschung stehende Kohlenstoffdioxid verlangt den Betrieb bei deutlich höheren Druckniveaus als R134a und ist folglich mit großen finanziellen Aufwendungen bezüglich des Betriebes und der Herstellung der Anlagen verbunden. Als weitere Ersatzkältemittel für reines R134a werden hochfluorierte Kohlenwasserstoffe, wie R1234yf mit einem GWP von 4, eingesetzt, welches im Gegensatz zu Kohlenstoffdioxid auch in bestehenden Klimaanlagen und Kälteanlagen verwendbar ist. Doch auch R1234yf ist nach aktuellem Wissensstand, wie die Kohlenwasserstoffe, entzündlich und brennbar. Zudem setzt es bei einer möglichen Verbrennung hochgiftige Flusssäure frei. Die hochfluorierten Kohlenwasserstoffe sind des Weiteren mit hohen Anschaffungskosten verbunden, welche um den Faktor 10 bis 100 höher liegen als die Anschaffungskosten konventioneller Kältemittel.
Obwohl die angesprochenen Kälteanlagen und Klimaanlagen als geschlossene Systeme ausgebildet sind, kann es zu einem Verlust an Arbeitsstoff und einem Austreten in die Atmosphäre aufgrund von Leckagen während des Betriebs der Anlage oder während Wartungsarbeiten kommen. Aus diesem Grund sollte zudem das Ozonzerstörungspotential des Arbeitsstoffes, auch als „ozone depletion potential“ (ODP) bekannt, Null sein.
Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, neben den aufgeführten sogenannten Einstoff-Kältemitteln Kältemittel-Gemische zu verwenden. Dabei wird zwischen azeotropen und zeotropen Gemischen unterschieden. Ein Azeotrop oder ein azeotropes Gemisch ist ein aus zwei oder mehr Stoffen bestehendes Fluid, dessen Dampfphase dieselbe Zusammensetzung aufweist wie die flüssige Phase. Das Gemisch hat einen eindeutigen Siedepunkt, welcher druckabhängig ist, und verhält sich wie ein Reinstoff. Ein Zeotrop oder ein zeotropes Gemisch ist dagegen ein aus zwei oder mehr Stoffen bestehendes Fluid, dessen Zusammensetzung von Dampfphase und flüssiger Phase sich im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht stets unterscheidet. Taulinie und Siedelinie berühren sich nicht. Bei konstantem Druck erfolgt der Phasenübergang zeotroper Gemische über einen Temperaturbereich, den sogenannten Temperaturgleit. Als Temperaturgleit wird dabei die Differenz zwischen der Siedetemperatur und der Taupunkttemperatur bei konstantem Druck angesehen. Bei azeotropen Gemischen berühren sich Taulinie und Siedelinie mindestens in einem Punkt, das heißt an diesem Punkt ist die Zusammensetzung in der Dampfphase und der flüssigen Phase gleich. Dampfdruck und Siedetemperatur eines zeotropen Gemisches liegen stets zwischen den Reinstoffdampfdrücken und Reinstoffsiedetemperaturen, während bei azeotropen Gemischen ein Druckmaximum beziehungsweise Temperaturminimum oder ein Druckminimum beziehungsweise Temperaturmaximum auftritt, welches außerhalb des durch die Reinstoffwerte begrenzten Bereichs liegen kann.
Derzeit werden in Kältemittelkreisläufen von Kälteanlagen oder Klimaanlagen primär zeotrope Gemische als Kältemittel eingesetzt, welche zwar einen hohen Anteil an einem nicht brennbaren Stoff aufweisen, welcher sich jedoch durch ein hohes GWP auszeichnet. Durch das hohe GWP stellen die bekannten Stoffe oder Stoffgemische eine erhebliche Umweltbelastung dar und werden zukünftig durch steigende Anforderungen an den Umweltschutz nicht mehr eingesetzt. Erheblich höhere Anschaffungskosten der Ersatzkältemittel verringern die Wirtschaftlichkeit und Rentabilität von gewerblichen Kälteanlagen und Klimaanlagen.
Aus dem Stand der Technik sind auch klimaverträglichere Kältemittelgemische bekannt.
In der DE 10 2004 032 792 A1 werden Kältemittelgemische offenbart, welche als Ersatz für das Kältemittel R134a Verwendung finden können. Die Kältemittelmischungen enthalten oder bestehen aus halogenierten Kohlenwasserstoffen mit einem GWP₁₀₀ kleiner 150 und Kohlenstoffdioxid. Als halogenierte Kohlenwasserstoffe sind 1.1-Difluorethan, Fluorethan und/oder Trifluorjodmethan enthalten.
Aus der DE 10 2010 053 785 A1 gehen Kältemittelgemische hervor, welche trans-1,3,3,3-Tetrafluorpropen (R1234ze(E)), Kohlenstoffdioxid (R744) und eine dritte Komponente umfassen. Die dritte Komponente ist aus der aus Difluormethan (R32), 1,1-Difluorethan (R152a), Fluorethan (R161), 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a), Propylen, Propan und Mischungen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählt.
Bei der Auswahl des Kältemittels ist neben der Klimaverträglichkeit und der Umweltschonung, der Entflammbarkeit oder der Brandhemmung und den thermodynamischen Stofffeigenschaften zudem auf die Löslichkeit in Ölen zu achten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Stoffgemische, insbesondere Kältemittelgemische für Kältemittelkreisläufe für Kälteprozesse, Klimaprozesse und Arbeitsprozesse, bereitzustellen, welche umweltschonend und klimaverträglich sowie mit typischen Kältemaschinenölen verträglich sind, keine Mischungslücken aufweisen und nicht oder nur sehr schwer brennbar beziehungsweise entzündbar sind. Die Stoffgemische sollen ohne Temperaturgleit oder mit einem minimalen Temperaturgleit anwendbar und zudem ungiftig und kostengünstiger, beispielsweise als neuartige hochfluorierte Kohlenwasserstoffe, sein sowie gute thermodynamische Eigenschaften, wie eine hohe volumenstrombezogene Kälteleistung und einen günstigen Wärmeübergang, aufweisen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird insbesondere durch erfindungsgemäße Arbeitsstoffgemische auf Basis von 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) oder 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) oder 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) für Vorrichtungen zum Wärmetransport gelöst. Die Vorrichtungen weisen einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager auf, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft. Bei einer Ausbildung des Kältemittelkreislaufes mit mehr als einem Wärmeübertrager, durchläuft das Arbeitsstoffgemisch in mindestens einem der Wärmeübertrager eine Phasenänderung.
Nach einer Konzeption der Erfindung besteht das Arbeitsstoffgemisch aus einem Anteil 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Perfluorbutan, Fluorethan (R161) und Hexafluorpropen (R1216). Damit weist der mindestens eine Anteil neben 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) einen nichtfluorierten oder einen teilfluorierten Kohlenwasserstoff auf.
Als Basis des Arbeitsstoffgemisches wird 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) mit einer und/oder mehreren der Komponenten Perfluorbutan, Fluorethan (R161) und Hexafluorpropen (R1216) gemischt, das heißt die Gemische weisen 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) zuzüglich mindestens eine der Komponenten, vorzugsweise eine oder zwei der Komponenten, auf.
Nach einer weiteren Konzeption der Erfindung besteht das Arbeitsstoffgemisch aus einem Anteil 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Propin, Buten, trans-2-Buten, Isobuten, Trithylamin, Cyclopropan, Butan, Isobutan und Dimethylether.
Als Basis des Arbeitsstoffgemisches wird 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) mit einer und/oder mehreren der Komponenten Propin, Buten, trans-2-Buten, Isobuten und Trithylamin gemischt, das heißt die Gemische weisen 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) zuzüglich mindestens eine der Komponenten, vorzugsweise eine oder zwei der Komponenten, auf.
Nach einer weiteren Konzeption der Erfindung besteht das Arbeitsstoffgemisch aus einem Anteil 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten trans-2-Buten, Butan, Iso-Butan, Isobuten, Buten oder cis-2-Buten.
Als Basis des Arbeitsstoffgemisches wird 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) mit einer und/oder mehreren der Komponenten trans-2-Buten, Butan, Iso-Butan, Isobuten, Buten oder cis-2-Buten gemischt, das heißt die Gemische weisen 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) zuzüglich mindestens eine der Komponenten, vorzugsweise eine oder zwei der Komponenten, auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gemisch jeweils als binäres Gemisch ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Arbeitsstoffgemisch besteht vorteilhaft aus den Komponenten

– 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und Perfluorbutan mit x_R134a ≤ 0,83 oder
– 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und Fluorethan (R161) mit x_R134a ≤ 0,48 oder
– 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und Hexafluorpropen mit x_R134a ≤ 0,16.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Arbeitsstoffgemisch weist die Komponenten

– 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und Propin mit x_R236ea ≤ 0,25 oder
– 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und Buten mit x_R236ea ≤ 0,59 oder
– 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und trans-2-Buten mit x_R236ea ≤ 0,82 oder
– 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und Isobuten mit x_R236ea ≤ 0,57 oder
– 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und Trithylamin mit 0,75 ≤ x_R236ea ≤ 0,87

Ein zusätzliches erfindungsgemäßes Arbeitsstoffgemisch besteht aus den Komponenten

– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und trans-2-Buten mit x_R245fa ≤ 0,50 oder
– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und Butan mit x_R245fa ≤ 0,47 oder
– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und Iso-Butan mit x_R245fa ≤ 0,12 oder
– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und Isobuten mit x_R245fa ≤ 0,34 oder
– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und Buten mit x_R245fa ≤ 0,36 oder
– 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und cis-2-Buten mit x_R245fa ≤ 0,62.

Die Angaben der Bereiche der Anteile der Zusammensetzungen der Arbeitsstoffgemische beziehen sich auf Stoffmengen, sodass als Einheit der Anteile mol/mol anzunehmen ist. Die Zusammensetzung der Arbeitsstoffgemische kann jeweils in Abhängigkeit vom Druck im System, insbesondere im Kältemittelkreislauf, variiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Anteile der Komponenten des Arbeitsstoffgemisches derart eingestellt, dass das Gemisch bei einer Phasenänderung unter einer vorgegebenen Sättigungstemperatur einen Temperaturgleit von maximal 2 K aufweist. Die Gemische werden damit als azeotropes Gemisch ohne Temperaturgleit oder als nahezu-azeotropes Gemisch mit einem minimalen Temperaturgleit von kleiner oder gleich 2 K verwendet.
Die Arbeitsstoffgemische werden bevorzugt unterhalb der beziehungsweise mit den angegeben Anteilen, das heißt innerhalb des angegebenen Bereiches, und den daraus resultierenden Konzentrationen verwendet. Bei diesen Konzentrationen weisen die Arbeitsstoffgemische nahe des kritischen Punktes ein azeotropes oder nahezu-azeotropes Verhalten auf. Bei Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur des Arbeitsstoffgemisches verschiebt sich mit reduzierender Konzentration das Azeotrop, wie unten in der Figur dargestellt. Je nach Gefrierpunkt des Arbeitsstoffgemisches und/oder der angestrebten Verdampfungstemperatur des Arbeitsstoffgemisches weicht die reale azeotrope Konzentration von der angegeben Konzentration ab. Da aus praktischen Anwendungen von Kältemittelgemischen bekannt ist, dass das Vormischen, insbesondere mit Stoffgemischen aus mehreren Komponenten, in den jeweiligen Konzentrationen einen deutlichen finanziellen Zusatzaufwand darstellt und nicht in allen Ländern oder Regionen schnell verfügbar ist, sind die Anteile der binären Gemische angegeben.
Die erfindungsgemäßen Arbeitsstoffgemische werden vorteilhaft in einem Kältemittelkreislauf einer Vorrichtung zum Wärmetransport verwendet. Der Kältemittelkreislauf weist dabei mindestens einen Wärmeübertrager auf, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft. Zudem ist der Kältemittelkreislauf bevorzugt mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem Expansionsorgan ausgebildet.
Die erfindungsgemäßen azeotropen oder nahezu-azeotropen Arbeitsstoffgemische auf Basis eines nicht brennbaren Kältemittels R134a, R245fa oder R236ea in Kombination mit mindestens einem weiteren Fluid und mit einem Temperaturgleit von kleiner oder gleich 2 K werden vordergründig als Ersatzstoffe für technische, insbesondere kältetechnische Anwendungen, gesehen. Sie zeichnen sich insbesondere durch eine Kostenreduktion durch die Verwendung von klassischen kostengünstigen Fluiden sowie die Verbesserung der Eigenschaften Umweltverträglichkeit und Brennbarkeit der sekundären Gemischkomponente aus. Die sekundäre Gemischkomponente des Arbeitsstoffgemisches ist zumeist ein flourierter oder unflourierter Kohlenwasserstoff, welcher brennbar ist. Durch das Mischen mit einer nicht brennbaren Komponente werden die Brennbarkeitsgrenzen des Bereiches, innerhalb dessen ein Gemisch der brennbaren Komponente mit Luft brennen kann, verringert. Die Brandgefahr beziehungsweise die Explosionsgefahr des Gemisches ist, im Vergleich zum reinen brennbaren Fluid, reduziert.
Die erfindungsgemäßen Arbeitsstoffgemische auf Basis von R134a, R236ea oder R245fa weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– kein oder vernachlässigbar geringer Temperaturgleit beim Phasenwechsel flüssig/gasförmig und gasförmig/flüssig beziehungsweise beim Vorgang der Verdampfung oder der Kondensation,
– keine oder lediglich geringe Brennbarkeit beziehungsweise hohe Brandhemmung,
– geringe Umweltbelastung und damit umweltschonend infolge geringer GWP-Werte und ODP-Werte,
– je nach Arbeitsstoff Tieftemperaturanwendbarkeit aufgrund der reduzierten Gefriertemperatur der Gemische im Vergleich zum reinen Arbeitsstoff,
– je nach Arbeitsstoff bessere thermische Eigenschaften und damit höhere Effizienz beim Betrieb der kältetechnischen Anlagen im Vergleich zu herkömmlichen Arbeitsstoffen und
– gutes Mischungsverhalten und gute Verträglichkeit mit typischen Kältemaschinenölen,
– keine bedeutsamen Mischungslücken zwischen den Gemischkomponenten und
– minimale Kosten und damit kostengünstig durch den Einsatz von konventionellen Stoffen im Gemisch, dabei erheblich kostengünstiger als neuartige hochfluorierte Kohlenwasserstoffe.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
In der Figur ist beispielhaft ein T-x-Diagramm eines azeotropen Gemisches bei verschiedenen Drücken p₁, p₂ und p₃ dargestellt, wobei die Drücke in der angegebenen Reihenfolge ansteigen. Das azeotrope Gemisch ist ein Fluid, welches aus zwei Stoffen besteht. Im azeotropen Punkt AP weisen die Dampfphase und die flüssige Phase dieselbe Zusammensetzung auf. Im azeotropen Punkt AP hat das Gemisch einen konstanten Siedepunkt und verhält sich wie ein Reinstoff. In den Bereichen außerhalb des azeotropen Punktes AP, welcher jeweils von den Massenanteilen x beziehungsweise der Konzentration der Bestandteile des Gemisches und der Temperatur T beziehungsweise dem Druck p abhängt, verhält sich das Gemisch zeotrop, wobei sich die Zusammensetzung der Dampfphase und der flüssigen Phase des Gemisches im Dampf-Flüssigkeit-Gleichgewicht stets unterscheiden. Die Taulinie und die Siedelinie berühren sich nicht. Bei konstantem Druck erfolgt der Phasenübergang über einen Temperaturbereich, den Temperaturgleit. Im azeotropen Punkt AP berühren sich die Taulinie und die Siedelinie, der Temperaturgleit, als Temperaturdifferenz zwischen der Taulinie und der Siedelinie bei konstantem x, ist Null. Bei dem in der Figur dargestellten azeotropen Gemisch weist der Siedepunkt ein Minimum auf, welches unterhalb der Siedepunkte der Komponenten des Gemisches als Reinstoffe liegt.
Der von den Massenanteilen x beziehungsweise der Konzentration und von der Temperatur T beziehungsweise dem Druck p abhängige azeotrope Punkt AP kann als Funktion des Massenanteils x einer Komponente des Gemisches abhängig von der Temperatur T als Funktion dargestellt werden. Nach der Figur verschiebt sich der azeotrope Punkt AP mit größer werdender Temperatur T beziehungsweise größer werdendem Druck p zu höheren Massenanteilen x. Die azeotropen Punkte AP bei verschiedenen Drücken können als Funktionen von den Temperaturen T_az und den Massenanteilen x_az über eine Linie miteinander verbunden werden. Der Index az steht dabei als Abkürzung für azeotrope Zusammensetzung des Gemisches.
Die in der Figur strichpunktförmig dargestellte Linie beschreibt die Verbindung der azeotropen Punkte AP und wird als Azeotropen-Linie AL bezeichnet. Bei einer Zusammensetzung des jeweiligen Gemisches mit dem Massenanteil x_az weist das Gemisch bei der dazugehörigen Temperatur T_az keinen Temperaturgleit beim Phasenübergang auf. Damit lässt sich bei einer gewünschten Temperatur für den Phasenübergang, das heißt beispielsweise in einer Kälteanlage für die Verdampfungstemperatur oder in einer Wärmepumpe für die Kondensationstemperatur, zum Befüllen der Anlage eine entsprechende Mischung der Komponenten auswählen, um die Anlage bei der Verdampfung oder bei der Kondensation mit einem azeotropen Gemisch, das heißt einem Gemisch im azeotropen Zustand, zu betreiben. Die neben der Azeotropen-Linie AL ebenfalls dargestellten Linien kennzeichnen den Bereich des Massenanteils x, in welchem der Temperaturgleit des Gemisches im jeweiligen Betriebspunkt maximal etwa 2 K beträgt. Wenn der Massenanteil x innerhalb dieses Bereichs von der Azeotropen-Linie AL abweicht, verläuft der Phasenübergang bei der vorgegebenen Temperatur nahezu-azeotrop, das heißt mit einem maximalen Temperaturgleit von etwa 2 K.
Der Azeotropismus beeinflusst dabei zum einen wesentliche kältetechnische Parameter günstig. Zum anderen sind die Mischungen beziehungsweise Zweistoffkältemittel wie Einstoffkältemittel oder Reinstoffe zu handhaben. Die Konzentrationsunterschiede zwischen der flüssigen und dampfförmigen Phase sowie der Temperaturgleit der isobaren Verdampfung oder der isobaren Kondensation sind vernachlässigbar gering, was wiederum einen großen Vorteil für die Auslegung, die Konstruktion, den Betrieb und die Füllung von Anlagen bedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004032792 A1 [0009]
DE 102010053785 A1 [0010]

Claims

Arbeitsstoffgemisch für Vorrichtungen zum Wärmetransport, aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus einem Anteil 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R134a) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Perfluorbutan, Fluorethan (R161) und Hexafluorpropen (R1216) besteht.
Arbeitsstoffgemisch für Vorrichtungen zum Wärmetransport, aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus einem Anteil 1,1,1,2,3,3-Hexafluorpropan (R236ea) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten Propin, Buten, trans-2-Buten, Isobuten und Trithylamin, besteht.
Arbeitsstoffgemisch für Vorrichtungen zum Wärmetransport, aufweisend einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Wärmeübertrager, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus einem Anteil 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und mindestens einem Anteil einer der Komponenten trans-2-Buten, Butan, Iso-Butan, Isobuten, Buten und cis-2-Buten besteht.
Arbeitsstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch als binäres Gemisch ausgebildet ist.
Arbeitsstoffgemisch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der Komponenten derart eingestellt sind, dass das Gemisch bei einer Phasenänderung unter einer vorgegebenen Sättigungstemperatur T_S einen Temperaturgleit von maximal 2 K aufweist.
Verwendung eines Arbeitsstoffgemisches nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Kältemittelkreislauf einer Vorrichtung zum Wärmetransport, wobei der Kältemittelkreislauf mindestens einen Wärmeübertrager aufweist, in welchem das Arbeitsstoffgemisch eine Phasenänderung durchläuft.
Verwendung des Arbeitsstoffgemisches in einem Kältemittelkreislauf einer Vorrichtung zum Wärmetransport nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem Expansionsorgan ausgebildet ist.