ES2208764T3 - Composicion refrigerante para compresion centrifuga. - Google Patents
Composicion refrigerante para compresion centrifuga.Info
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Abstract
COMPOSICION REFRIGERANTE ADECUADA COMO SUSTITUTO DEL REFRIGERANTE CONVENCIONAL R12 EN UN SISTEMA DE COMPRESION DE VAPOR QUE UTILIZA UN COMPRESOR CENTRIFUGO, QUE ESTA FORMADA POR UNA MEZCLA DE TETRAFLUOROETANO Y AL MENOS UN REFRIGERANTE ADICIONAL. LA MEZCLA REFRIGERANTE TIENE UNA DENSIDAD DE VAPOR QUE LA HACE ADECUADA PARA SER UTILIZADA COMO SUSTITUTO DEL R12 EN UN SISTEMA DE REFRIGERACION POR COMPRESION CENTRIFUGA. EL PESO MOLECULAR DE LA MEZCLA ES DE APROXIMADAMENTE 121. LAS MEZCLAS PREFERENTES CONTIENEN UN 67 % DEL PESO DE TETRAFLUOROETANO Y UN 33 % DEL PESO DE OCTAFLUOROPROPANO; UN 69 % DEL PESO DE TETRAFLUOROETANO Y UN 31 % DE OCTAFLUOROCICLOBUTANO; UN 66 % DEL PESO DE TETRAFLUOROETANO Y UN 33 % DE OCTAFLUOROPROPANO; UN 69 % DEL PESO DE TETRAFLUOROETANO Y UN 31 % DE OCTAFLUOROCICLOBUTANO; Y UN 66 % DEL PESO DE TETRAFLUOROETANO Y UN 34 % DE HEPTAFLUOROPROPANO. EL EFECTO REFRIGERANTE Y EL COEFICIENTE DE RENDIMIENTO SON SIMILARES A LOS DE R12.
Description
Composición refrigerante para compresión
centrífuga.
La presente invención se refiere a una
composición refrigerante que está destinada a ser usada en
sustitución del refrigerante R12 en un sistema de refrigeración por
compresión de vapor en el que se emplea un compresor centrífugo,
gozando dicha composición refrigerante de buena aceptabilidad
medioambiental.
Gases de clorofluorocarburos (CFCs) tales como el
refrigerante R12 (CCl_{2}F_{2}) han venido siendo usados
durante muchos años como refrigerantes y son usados en especial en
frigoríficos domésticos y sistemas de acondicionamiento de aire de
vehículos. Sin embargo, preocupa considerablemente en la actualidad
el hecho de que estos gases de CFC intervienen en la reducción de
los niveles de ozono estratosférico, y esto ha dado lugar a que
hayan sido propuestas restricciones y prohibiciones acerca de
determinados CFCs.
Han sido propuestos y están siendo utilizados los
de una gama de refrigerantes sustitutivos que son menos
perjudiciales para el medio ambiente. Un refrigerante sustitutivo
de este tipo que está siendo usado para sustituir al R12 es el
tetrafluoroetano R134a (CH_{2}F.CF_{3}), que tiene propiedades
que son muy similares a las del R12 en cuanto a la relación entre
presión y temperatura y al efecto de refrigeración. Siempre que se
use el lubricante correcto, el R134a va bien para sustituir al R12
en los sistemas en los que se usan compresores de desplazamiento
positivo. Sin embargo, esto no es así en el caso de los sistemas de
refrigeración en los que se emplean compresores centrífugos.
En un sistema de refrigeración en el que se
emplea un compresor centrífugo, la presión que es necesaria para
condensar el refrigerante es producida por medios dinámicos en un
impulsor rotativo. El impulsor rotativo produce una presión que es
proporcional a: a) la densidad de vapor del refrigerante, que es a
su vez proporcional al peso molecular del refrigerante; b) el radio
del impulsor; y c) el cuadrado de la velocidad de rotación.
El peso molecular del R12 es de 121, y el peso
molecular del R134a es de 102. Por consiguiente, mientras que las
presiones de condensación del R12 y del R134a son similares, está
claro que un compresor centrífugo diseñado para trabajar con R12 no
producirá una presión suficiente para condensar el R134a a las
temperaturas nominales requeridas. Típicamente, esto ha venido
siendo superado a base de modificar las dimensiones del impulsor e
incrementar la velocidad de rotación del impulsor para compensar el
reducido peso molecular del R134a. Sin embargo, éste es un
procedimiento costoso.
Es un objetivo de la presente invención aportar
una composición refrigerante que mitigue la desventaja
anteriormente expuesta y constituya una composición refrigerante
que sea adecuada para ser usada en sustitución del R12 en un sistema
de refrigeración por compresión centrífuga sin tener que modificar
considerablemente el impulsor o la velocidad de rotación.
En el documento WO92/01762 se describen mezclas
de grandes números de refrigerantes, pero no se toman en
consideración los problemas que son abordados por la presente
invención.
La presente invención aporta el uso de una
composición refrigerante en sustitución del refrigerante R12 en un
sistema de refrigeración por compresión centrífuga, comprendiendo
la composición refrigerante una mezcla de tetrafluoroetano y una
cantidad eficaz de al menos heptafluoropropano; teniendo la mezcla
refrigerante una densidad de vapor que la hace adecuada para ser
usada en sustitución del refrigerante R12 en un sistema de
refrigeración por compresión centrífuga, y aproximándose el peso
molecular totalizado de dicha mezcla refrigerante al peso molecular
del refrigerante R12.
A fin de permitir que la composición sea usada en
sustitución del refrigerante R12 en un sistema de refrigeración por
compresión centrífuga, es necesario que la mezcla refrigerante
tenga un peso molecular totalizado de los refrigerantes de la
composición refrigerante que se aproxime a 121, que es el peso
molecular del R12. Las mezclas de vapores se comportan en general
como una sola sustancia que tiene un peso molecular que es
dependiente de las fracciones molares de los componentes de la
mezcla. Así, añadiendo las apropiadas proporciones de refrigerante
adicional de peso molecular más alto es posible lograr una mezcla
que constituya una composición refrigerante que presente cualquier
peso molecular totalizado adecuado.
Uno de los refrigerantes es tetrafluoroetano,
habitualmente en su forma isomérica R134a (CH_{2}F.CF_{3}
-1-fluoro-2-trifluoroetano).
Generalmente, el R134a constituye el componente mayoritario o
principal de la mezcla, constituyendo el refrigerante adicional o
los refrigerantes adicionales una menor cantidad. Típicamente, el
R134a constituye un 40-95%, especialmente un
50-90%, y más especialmente un
60-70% en peso de la mezcla.
El peso molecular del R134a es de 102. Por
consiguiente, es necesario añadir las apropiadas proporciones de
refrigerantes de peso molecular más alto a fin de lograr una mezcla
refrigerante que tenga un peso molecular totalizado que se aproxime
a 121.
El refrigerante adicional que está destinado a
ser usado en combinación con el R134a es heptafluoropropano (R227ea
o R227ca), pudiendo estar presentes adicionalmente octafluoropropano
(R218) y octafluorociclobutano (C318). El R218 tiene un peso
molecular de 188, el R227 tiene un peso molecular de 170, y el C318
tiene un peso molecular de 200. El heptafluoropropano está presente
en una cantidad de hasta un 40%, y típicamente de hasta un 30% en
peso (y p. ej. en una cantidad de hasta un 25%). El
octafluorociclobutano puede estar presente en una cantidad de hasta
un 40% (y p. ej. en una cantidad de hasta un 35%), y una gama de
cantidades preferida es la de un 30-40% en peso.
El heptafluoropropano (R227) existe en forma de
dos isómeros, que son el CF_{3}.CHF.CF_{3} (R227ea) y el
CF_{3}.CF_{2}.CHF_{2} (R227ca). El octafluoropropano puede
estar presente en una cantidad de hasta un 40%, y típicamente de
hasta un 30% en peso.
Si bien es deseable contar con una composición
refrigerante en la que los pesos moleculares totalizados de los
refrigerantes de la composición se aproximen al del R12 (y
concretamente a 121), el experto en la materia será consciente de
que deben ser también tomados en consideración otros factores de la
refrigeración tales como las variaciones de la presión de
condensación necesaria y las diferencias de las temperaturas de
ebullición entre los refrigerantes.
Por ejemplo, una composición refrigerante
comparativa que comprenda una mezcla de un 67% de R134a y un 33% de
R228 tendrá un peso molecular totalizado del refrigerante de
aproximadamente 121 (que es igual al del R12). Por consiguiente, en
cuanto a la presión producida, una mezcla de este tipo se
comportará en un sistema de refrigeración por compresión centrífuga
exactamente como si fuese solamente R12. Sin embargo, la adición de
R218 ocasionará incrementos de la presión de condensación
necesaria, y además la ebullición de la mezcla redundará en una
fracción de vapor que es más rica en R218 que en la mezcla
refrigerante líquida. Así, se ha descubierto que una composición
refrigerante comparativa que comprenda una mezcla de un 80% de
R134a y un 20% de R218 (peso molecular de 112) proporcionaría una
mejor aproximación al comportamiento del R12 en un sistema de
refrigeración por compresión centrífuga, y es por consiguiente más
apropiada.
Correspondientemente, una composición
refrigerante que comprenda una mezcla de aproximadamente un 66% en
peso de R134a y un 34% en peso de R227 tendrá un peso molecular
totalizado de aproximadamente 121.
En un ejemplo adicional, una composición
refrigerante comparativa que comprenda una mezcla refrigerante en
fase de vapor de un 69% de R134a y un 31% de C318 tendría también
un peso molecular totalizado del refrigerante de aproximadamente
121. El C318 se condensa a presiones que son significativamente más
bajas que la del R12 y no aumenta la presión de condensación tanto
como las adiciones de R218. Sin embargo, en la mezcla resultante el
R134a tiende a separarse preferentemente por ebullición, con el
resultado de que la mezcla tiene que ser más rica en C318 para que
haya una apropiada relación entre presión y temperatura para la
mezcla refrigerante que es evaporada.
Hablando en términos generales, la composición
refrigerante tiene un peso molecular totalizado de los
refrigerantes de la composición de 111 a 131, más preferiblemente
de 116-126, y con la máxima preferencia, de
119-123.
El punto de ebullición del refrigerante adicional
o de los refrigerantes adicionales deberá ser cercano al del R134a
(punto de ebullición -26ºC) para minimizar el fraccionamiento de la
composición al tener lugar la ebullición, y está generalmente
situado dentro de la gama de puntos de ebullición que va desde -5ºC
hasta -40ºC. Los puntos de ebullición son los siguientes:
| R218 | -36,5 |
| R227ea | -18ºC |
| R227ca | -17ºC |
| C318 | -6ºC |
A fin de lograr una composición refrigerante que
tenga propiedades adecuadas, puede ser deseable incluir dos o más
refrigerantes adicionales. Esto permite modificar con más precisión
el porcentaje de cada refrigerante en la mezcla, de forma tal que la
mezcla pueda producir un vapor que tenga un peso molecular similar
al del líquido y que se mantengan otras propiedades deseables.
Según una realización específica de la presente
invención, se aporta una composición refrigerante que es adecuada
para ser usada en sustitución del R12 en un sistema de
refrigeración por compresión centrífuga, comprendiendo dicha
composición refrigerante una mezcla de los componentes
siguientes:
I) de un 50 a un 90% en peso de tetrafluoroetano
(R134a);
II) de un 1 a un 40% en peso de
octafluorociclobutano (C318)
y opcionalmente hasta un 30% en peso de
octafluoropropano (R218) y/o heptafluoropropano (R227), con la
condición de que esté siempre presente heptafluoropropano
(R227).
Se describen a continuación realizaciones de la
invención tan sólo a título de ejemplo y haciendo referencia a los
dibujos, en los cuales:
La Figura 1 ilustra una comparación de las
presiones de vapor de una composición RX5 (comparativa) y del
refrigerante convencional R12 (comparativo);
las Figuras 2 y 3 ilustran una comparación del
efecto de refrigeración y del coeficiente de rendimiento para la
composición RX5 (comparativa) y para el refrigerante R12
(comparativo) con condensación a +40ºC.
Las Figuras 4 y 5 ilustran una comparación del
efecto de refrigeración y del coeficiente de rendimiento para la
composición RX5 (comparativa) y para el refrigerante R12
(comparativo) con condensación a +55ºC.
La Figura 1 ilustra la variación de la presión de
vapor con la temperatura para la composición RX5 y para el
refrigerante convencional R12. La RX5 es una composición
comparativa que comprende R134a y C318 en las siguientes
proporciones en peso:
| R134a | - | 69,3 |
| C318 | - | 30,7 |
(peso molecular totalizado de aproximadamente
121)
Los datos fueron obtenidos utilizando métodos que
son perfectamente conocidos para el experto en la materia.
Básicamente, una cantidad fija de refrigerante fue puesta en un
volumen encerrado en un recinto hermético, y fue calentada a la
temperatura especificada. Entonces fue anotada la presión. Puede
verse que la curva de temperatura y presión para el RX5, que es la
ilustrada mediante una línea continua, se aproxima mucho a la del
R12 convencional (línea de trazos). Por consiguiente, el
comportamiento del RX5 bajo compresión se aproximará mucho al del
R12.
La Figura 2 es una comparación entre el efecto de
refrigeración (kilovatios) del RX5 y el del refrigerante
convencional R12. Los datos ilustran la variación del efecto de
refrigeración con respecto a la temperatura de evaporación a una
temperatura de condensación en el calorímetro de +40ºC. Dentro de
toda la gama de temperaturas, el efecto de refrigeración del RX5 se
aproxima al del R12.
La Figura 3 ilustra una comparación de la
variación del coeficiente de rendimiento (C.O.P.) con la
temperatura de evaporación para el RX5 y el refrigerante
convencional R12 a una temperatura de condensación en el
calorímetro de +40ºC.
Las Figuras 4 y 5 ilustran análogas comparaciones
del efecto de refrigeración y del coeficiente de rendimiento,
respectivamente, a temperaturas de condensación en el calorímetro
de +55ºC.
El efecto de refrigeración (Figuras 2 y 4) del
refrigerante es medido utilizando un calorímetro y una metodología
como los descritos en "Automatic Calorimeter for Mixed
Refrigerants" S.F. Pearson, 19º Congreso Internacional de la
Refrigeración 1995; Volumen de Actas IVa. Estos datos medidos son
utilizados para determinar los coeficientes de rendimiento (Figuras
3 y 5).
Brevemente, el efecto de refrigeración fue
determinado a base de medir la energía eléctrica aportada a un
calorímetro de refrigerante secundario. El refrigerante sometido a
ensayo es comprimido usando un compresor en un sistema de compresión
de vapor. El refrigerante es condensado en un condensador
refrigerado por agua a una temperatura de condensador seleccionada
(40ºC o 55ºC). Desde el condensador, el refrigerante líquido es
pasado a través de una válvula de expansión, y es anotada la
temperatura de evaporación después de la misma. La temperatura de
evaporación puede ser variada a base de variar la cantidad de
refrigerante introducida en el sistema. El correspondiente efecto de
refrigeración que es producido es medido en el calorímetro del
refrigerante secundario, en el que es medida la cantidad de energía
eléctrica que es necesario aportar para contrarrestar el efecto de
refrigeración (kW).
Puede verse que son muy similares las relaciones
del efecto de refrigeración y del coeficiente de rendimiento para
el RX5 y para el refrigerante convencional R12. Por consiguiente,
el refrigerante de la presente invención puede ser empleado en
sustitución del R12 en los equipos de refrigeración ya existentes,
sin tener que efectuar importantes modificaciones en los sistemas
en los que se emplean compresores de pistón o compresores
centrífugos.
Claims (10)
1. Uso de una composición refrigerante en
sustitución del refrigerante R12 en un sistema de refrigeración por
compresión centrífuga, comprendiendo la composición refrigerante
una mezcla de tetrafluoroetano y una cantidad eficaz de al menos
heptafluoropropano; teniendo la mezcla refrigerante una densidad de
vapor que la hace adecuada para ser usada en sustitución del
refrigerante R12 en un sistema de refrigeración por compresión
centrífuga, y aproximándose el peso molecular totalizado de dicha
mezcla refrigerante al peso molecular del refrigerante R12.
2. Uso según la reivindicación 1, en el que la
composición tiene un peso molecular totalizado de 111 a 131.
3. Uso según cualquier reivindicación precedente,
teniendo la composición una curva de temperatura y presión que se
aproxima a la del refrigerante R12.
4. Uso según cualquier reivindicación precedente,
en el que el tetrafluoroetano es CH_{2}F.CF_{3} (R134a).
5. Uso según cualquier reivindicación precedente,
en el que el tetrafluoroetano está presente en una cantidad de un
40-95% en peso de la mezcla.
6. Uso según cualquier reivindicación precedente,
en el que el tetrafluoroetano está presente en una cantidad de un
50-90% en peso de la mezcla.
7. Uso según cualquier reivindicación precedente,
en el que dicho heptafluoropropano tiene la fórmula
CF_{3}.CHF.CF_{3} (R227ea).
8. Uso según cualquier reivindicación precedente,
en el que el heptafluoropropano está presente en una cantidad de
hasta un 40% en peso.
9. Uso según la reivindicación 8, en el la
composición comprende en sustancia:
un 66% en peso de tetrafluoroetano y
un 34% en peso de heptafluoropropano.
10. Uso según cualquiera de las reivindicaciones
5 a 9, en el que los porcentajes en peso representan la composición
de la fase líquida o de la fase de vapor.
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