DE19515303A1 - Pseudo-azeotrope Mischung aus Chlordifluormethan, 1,1,1-Trifluorethan und Pentafluorethan und seine Verwendung als Kältemittel in Tieftemperaturkältemaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Kältemittel und betrifft insbesondere eine pseudo-azeotrope Mischung aus nie­ drigsiedenden Verbindungen, die keinen oder nur wenig Einfluß auf die Umwelt haben und als Kältemittel in Tieftemperaturkälte­ maschinen verwendbar sind.

In den kommerziell oder industriell verwendeten Kältesystemen arbei­ tet man in einem thermodynamischen Kreislauf, der im allgemeinen durch eine Verdampfungstemperatur zwischen -35 und -45°C (sehr oft -40°C), eine Kondensationstemperatur zwischen +30 und +55°C und einer Überhitzung der Dämpfe von mindestens 10°C definiert wird.

Das sehr häufig verwendete Kältemittel zur Tieftemperaturkühlung ist eine azeotrope Mischung von Chlordifluormethan und Chlorpenta­ fluorethan (bezeichnet als R-502). Nun muß das R-502 aufgrund seines beträchtlichen Einflußfaktors auf Ozon durch Kältemittel ersetzt werden, die keine Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) wie z. B. Chlorpentafluorethan (CFC 115) enthalten.

Um das R-502 in den bestehenden Tieftemperaturkälteanlagen erset­ zen zu können, muß der Ersatzstoff möglichst die gleichen thermody­ namischen Eigenschaften wie das R-502 haben, insbesondere in bezug auf den Arbeitsdruck, den Leistungskoeffizienten (COP = coefficient of performance) und die Kältekapazität. Darüber hinaus muß der Ersatzstoff nicht brennbar sein und auch im Fall einer Leckage in der Dampfphase nicht brennbar bleiben, und das auch im ungünstigsten Fall (Leck bei niedriger Temperatur).

Es wurde bereits vorgeschlagen, R-502 durch pseudo-azeotrope Mischungen aus Pentafluorethan (R 125), 1,1,1-Trifluorethan (R 143a) und Chlordifluormethan (R 22) zu ersetzen. So beschreibt die US-A 4,943,388 die Verwendung einer Mischung aus 13 bis 86 Gew.-% R 125, 7 bis 57 Gew.-% R 143a und 7 bis 80 Gew.-% R 22 und insbe­ sondere (Beispiel 3) eine Mischung aus 14 Gew.-% R 125, 52 Gew.-% R 143a und 34 Gew.-% R 22. In der WO 92/01762 ist die Verwendung einer Mischung beschrieben, die 5 bis 30 Gew.-% R 125, 30 bis 60 Gew.-% R 143a und 30 bis 55 Gew.-% R 22, insbesondere (Beispiel 2) eine Mischung aus 20 Gew.-% R 125, 35 Gew.-% R 143a und 45 Gew.-% R 22 enthält. Diese letzte Mischung und die aus der obigen US-Patentschrift haben thermodynamische Eigenschaften (COP und Kapazität), die sehr ähnlich sind, wie die von R-502.

Es wurde nun herausgefunden, daß man noch näher an die Eigen­ schaften von R-502 herankommen kann, wenn man eine Mischung aus 45 bis 50 Gew.-% R 22, 44 bis 48 Gew.-% R 143a und 6 bis 8 Gew.-% R 125 verwendet. Diese erfindungsgemäße Mischung hat einen Einflußfaktor auf Ozon von nahezu 0 und einen geringeren Treibhauseffekt als R-502. Darüber hinaus zeigt es andererseits ein pseudo-azeotropes Verhalten, was die Probleme der Destillation im Kreislauf und der Wartung minimiert. Desweiteren ist die erfindungs­ gemäße Mischung bei Umgebungstemperatur oder erhöhten Tempera­ turen (100°C) nicht brennbar und bleibt dies auch bei einem Leck bei niedriger Temperatur (-40°C).

Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, ohne diese zu begrenzen.

Beispiel 1

Dieses Beispiel zeigt, daß die erfindungsgemäße Mischung aus R 22/R 125/R 143a nur eine sehr geringe Destillation im Falle eines Lecks in der Dampfphase zeigt.

Die Temperatur wurde auf 25°C konstant gehalten. Der Behälter wurde am Anfang mit einer Mischung aus 47% R 22, 7% R 125 und 46% R 143a befüllt (im folgenden als Zusammensetzung C₁ bezeich­ net).

Das Leck in der Dampfphase wurde solange beibehalten, bis mehr als 80% der anfänglichen Füllung entwichen sind. Während der Untersu­ chung wurden Proben der Gasphase gesammelt und mit den her­ kömmlichen Vorrichtungen der Gasphasenchromatographie unter­ sucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

Die Ergebnisse, die bei einem Vergleichsversuch, aber bei -40°C erhalten wurden, sind in der folgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Diese Daten zeigen, daß ein Verlust von nahezu 80% der anfängli­ chen Füllung die Zusammensetzung der Mischung nur gering verän­ dert.

Desweiteren wurden die Flammgrenzen in der Luft der verschiedenen binären und temären Mischungen von R 22, R 125 und R 143a gemäß der Norm ASTM E-681 bestimmt. Was die binären Mischungen von R 22/R 143a und R 143a/R 125 und die ternären Mischungen von R 22/R 125/R 143a und auch die entsprechenden Verhältnisse von R 22 und R 143a angeht, entspricht die Flammgrenze der verschie­ denen Mischungen in der Luft bei Umgebungstemperatur einem maximalen Gehalt von 63 Gew.-% R 143a.

Entsprechend wurden die Flammgrenzen bei 100°C bestimmt, die jeweils einem maximalen 143a-Gehalt von 58% für die Mischung von R 125/R 143a und 52,5% für die Mischung von R 22/R 143a entspre­ chen.

Die erfindungsgemäße ternäre Mischung ist somit bei Umgebungstem­ peratur und bei erhöhter Temperatur (100°C) nicht brennbar und bleibt auch nicht brennbar im Falle eines Dampflecks, da der maxi­ male R 143a-Gehalt nur 50,91% beträgt, wie in Tabelle I und II ersichtlich.

Beispiel 2

Dieses Beispiel zeigt, daß der Dampfdruck der erfindungsgemäßen pseudo-azeotropen Mischung über einen weiten Temperaturbereich mit dem von R-502 vergleichbar ist.

Tabelle III gibt den Siedepunkt und den Taupunkt für eine Mischung an, die der Zusammensetzung C₁ entspricht.

Die sehr geringen Unterschiede (<0,2 bar) zwischen dem Siedepunkt- und Taupunktdruck zeigt, daß die Mischung als pseudo-azeotrope Mischung betrachtet werden kann.

Tabelle III

Beispiel 3

Die thermodynamischen Leistungen der erfindungsgemäßen Zusam­ mensetzung C₁ wurden mit denen von R-502 und den Mischungen aus Beispiel 2 der WO 92/01762 (Zusammensetzung C₂) und Beispiel 3 der US-A-4,943,388 (Zusammensetzung C₃) in einem thermodynami­ schen Standardkreislauf verglichen, der im folgenden definiert ist:

Kondensationstemperatur: +55°C
Verdampfungstemperatur: -40°C
Temperatur am Kompressoreinlaß: +18°C.

Die Ergebnisse sind in Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

Mit der Zusammensetzung C₁ kann man in einer bereits existierenden Vorrichtung die gleichen thermodynamischen Leistungen (COP und Kapazität) erreichen, wie die von R-502, ohne daß Änderungen des Arbeitsdruckes notwendig wären. Darüber hinaus erlaubt die Zusammensetzung C₁ es, die notwendige Kühlmittelbefüllung um ca. 27 Gew.-% zu reduzieren.

Claims (3)

1. Pseudo-azeotrope Mischung, enthaltend 45 bis 50 Gew.-% Chlordifluor­ methan, 44 bis 48 Gew.-% 1,1,1-Trifluorethan und 6 bis 8 Gew.-% Pen­ tafluorethan.

2. Mischung nach Anspruch 1, enthaltend 47 Gew.-% Chlordifluormethan, 46 Gew.-% 1,1,1-Trifluorethan und 7 Gew.-% Pentafluorethan.

3. Verwendung einer Mischung nach Anspruch 1 oder 2 als Kältemittel in Tieftemperaturkältemaschinen.