ES2562955T3 - Fluido de transferencia de calor para reemplazar R-410A - Google Patents

Fluido de transferencia de calor para reemplazar R-410A Download PDF

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Abstract

Uso de una composición ternaria de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeración para reemplazar la mezcla R-410A.

Description

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DESCRIPCION
Fluido de transferencia de calor para reemplazar R-410A
La presente invencion se refiere al uso de composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno como fluidos de transferencia de calor para reemplazar R-410A.
Los problemas planteados por las sustancias que agotan la capa de ozono atmosferica (PAO: potencial de agotamiento del ozono) se trataron en Montreal, en el que se firmo el protocolo que impoma una reduccion en la produccion y el uso de clorofluorocarbonos (CFC). Este protocolo ha sido objeto de enmiendas que han requerido que se abandonen los CFC y ha ampliado la regulacion a otros productos, uno de ellos los hidroclorofluorocarbonos (HCFC).
La industria de la refrigeracion y de la produccion de aire acondicionado ha realizado una fuerte inversion en la sustitucion de estos fluidos refrigerantes y por consiguiente se han comercializado los hidrofluorocarbonos (HFC).
Los (hidro)clorofluorocarburos utilizados como agentes de expansion o disolventes tambien se han reemplazado con HFC.
En la industria automotriz, los sistemas de climatizacion de vetnculos comercializados en numerosos pafses han pasado de un fluido refrigerante con clorofluorocarbono (CFC-12) a uno con hidrofluorocarbono (1,1,1,2- tetrafluoroetano: HFC-134a), menos danino para la capa de ozono. Sin embargo, a tenor de los objetivos fijados por el protocolo de Kioto, se considera que el HFC-134a (PCG = 1300) presenta un potencial de calentamiento global elevado. La contribucion al efecto invernadero de un fluido se cuantifica mediante un criterio, el PCG (Potencial de Calentamiento Global) que sintetiza el potencial de calentamiento estableciendo un valor de referencia de 1 para el dioxido de carbono.
El dioxido de carbono al no ser toxico, ni inflamable y teniendo un PCG muy bajo, se ha propuesto como fluido refrigerante en los sistemas de climatizacion para reemplazar HFC-134a. No obstante, el empleo de dioxido de carbono presenta varias desventajas, relacionadas en particular con la presion muy elevada en su aplicacion como fluido refrigerante en los dispositivos y tecnologfas existentes.
Es mas, la mezcla de R-410A que consiste en 50 % en peso de pentafluoroetano, 50 % en peso de HFC-134a se utiliza ampliamente como fluido refrigerante en el aire acondicionado estacionario. Sin embargo, esta mezcla presenta un PCG de 2100.
El documento JP4110388 describe el uso de hidrofluoropropenos de formula CaHmFn, con m, n representando un numero entero comprendido entre 1 y 5 inclusive y m + n = 6, como fluidos de transferencia de calor, en particular, tetrafluoropropeno y trifluoropropeno.
El documento WO2004/037913 desvela el uso de composiciones que comprenden al menos un fluoroalqueno con tres o cuatro atomos de carbono, en particular, pentafluoropropeno y tetrafluoropropeno, preferentemente con un PCG como maximo de 150, como fluidos de transferencia de calor.
El documento WO 2005/105947 ensena la adicion a tetrafluoropropeno, preferentemente 1,3,3,3-tetrafluoropropeno, de un coagente de expansion, tal como difluorometano, pentafluoroetano, tetrafluoroetano, difluoroetano, heptafluoropropano, hexafluoropropano, pentafluoropropano, pentafluorobutano, agua y dioxido de carbono.
El documento WO 2006/094303 desvela una composicion azeotropica que contiene 7,4 % en peso de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno (1234yf) y 92,6 % en peso de difluorometano (HFC-32). El presente documento desvela asimismo una composicion azeotropica que contiene 91 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y 9 % en peso de difluoroetano (HFC-152a).
Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite transferir energfa termica de un fluido a otro sin mezclarlos. El flujo termico atraviesa la superficie de intercambio entre los fluidos. La mayona de las veces este metodo se utiliza para enfriar o calentar un lfquido o un gas que no puede enfriarse o calentarse directamente.
En los sistemas por compresion, el intercambio termico entre el fluido refrigerante y las fuentes de calor se lleva a cabo mediante fluidos caloportadores. Estos fluidos refrigerantes se encuentran en estado gaseoso (aire en el aire acondicionado y refrigeracion de expansion directa), lfquido (agua en las bombas de calor domesticas, agua glicolada) o bifasico.
El documento US2008/314073 describe un sistema de transferencia de calor que comprende un compresor, un condensador, un descompresor, un evaporador y un dispositivo en el interior del circuito cerrado para medir la presion interna del sistema. Se desvela ademas un metodo de deteccion de fugas de las composiciones de
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transferencia de calor, que incluyen, por ejemplo, fluoroolefinas en un sistema de transferencia de calor en un circuito cerrado.
Existen diferentes modos de transferencia:
- los dos fluidos se disponen en paralelo y se desplazan en la misma direccion: modo en co-corriente (antimetodico);
- los dos fluidos se disponen en paralelo pero se desplazan en direccion opuesta: modo en contracorriente (metodico);
- los dos fluidos se posicionan perpendicularmente: modo en corriente cruzada. La corriente cruzada puede tener una tendencia en co-corriente o en contracorriente;
- uno de los dos fluidos realiza medio giro en un conducto mayor, el segundo fluido pasa. Esta configuracion es similar a un intercambiador en co-corriente hasta la mitad del recorrido, y para la otra mitad a un intercambiador en contracorriente: modo en cabeza de alfiler.
El solicitante ha descubierto en la actualidad que las composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1- difluoroetano y difluorometano son particularmente utiles como fluidos de transferencia de calor.
Estas composiciones tienen al mismo tiempo un PAO nulo y un PCG inferior a los fluidos de transferencia de calor existentes, tales como R-410A.
Ademas, sus rendimientos (CR: coeficiente de rendimiento definido como la potencia util suministrada por el sistema sobre la potencia proporcionada o consumida por el sistema) son superiores al de los fluidos de transferencia de calor existentes, tales como R-410A.
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion presentan una temperatura cntica superior a 87 °C (la temperatura cntica de R410A es 70,5 °C). Estas composiciones pueden utilizarse en bombas de calor para proporcionar calor a temperaturas de hasta 65 °C pero tambien a temperaturas superiores de hasta 87 °C (no puede utilizarse el intervalo de temperatura o R-410A).
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion presentan temperaturas a la salida del compresor similares a los valores obtenidos por R-410A. Las presiones del condensador son inferiores a las presiones del R-410A y los indices de compresion tambien son inferiores. Dichas composiciones pueden utilizar la misma tecnologfa de compresores utilizada por R-410A.
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion presentan densidades de vapor de saturacion inferiores a la densidad de vapor saturado de R-410A. Los datos de capacidad volumetrica de estas composiciones son equivalentes a la capacidad volumetrica de R-410A (entre 91 y 95 %). Debido a estas propiedades, dichas composiciones operan con diametros inferiores de tubenas y por lo tanto, menos perdida de presion en las tubenas de vapor, lo cual aumenta el rendimiento de las instalaciones.
Estas composiciones se encuentran preferentemente en sistemas de refrigeracion por compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente.
Por consiguiente, estas composiciones pueden utilizarse como fluido de transferencia de calor en bombas de calor, opcionalmente reversible, en aire acondicionado y en la refrigeracion a baja y media temperatura aplicada en sistemas por compresion con intercambiadores en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente. Por lo tanto, la presente invencion se refiere al uso de composiciones ternarias de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano como fluidos de transferencia de calor en los sistemas de refrigeracion para reemplazar la mezcla R-410A.
Preferentemente, estas composiciones se utilizan en sistemas de refrigeracion por compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente.
Preferentemente, las composiciones utilizadas en la presente invencion contienen esencialmente 5 a 83 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 2 a 50 % en peso de 1,1-difluoroetano y 15 a 75 % en peso de difluormetano.
Ventajosamente, las composiciones utilizadas contienen esencialmente 5 a 63% en peso de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, 2 a 25 % en peso de difluoroetano y 35 a 70 % en peso de difluorometano.
Las composiciones particularmente preferentes contienen esencialmente 40 a 58 % en peso de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, 40 a 50 % en peso de difluorometano y 2 a 10 % en peso de 1,1-difluoroetano.
Las composiciones utilizadas en la presente invencion pueden estabilizarse. El estabilizador representa preferentemente a lo sumo 5 % en peso con respecto a la composicion total.
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Como estabilizadores, pueden citarse nitrometano, acido ascorbico, acido tereftalico, azoles, tales como toliltriazol o benzotriazol, compuestos fenolicos, tales como tocoferol, hidroquinona, t-butil hidroquinona, 2,6-di-terc-butil-4- metilfenol, epoxidos (alquilo opcionalmente fluorado o perfluorado o alquenilo o aromatico), tales como n-butil glicidil eter, hexanodiol diglicidil eter, alil glicidil eter, butilfenilglicidil eter, fosfitos, fosfatos, fosfonatos, tioles y lactonas.
Otro objeto de la presente invencion se refiere a un metodo de transferencia de calor, en el que se utilizan composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano mencionadas previamente como fluidos de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion para reemplazar la mezcla R-410A.
Preferentemente, el metodo se aplica en sistemas de refrigeracion por compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente.
El metodo segun la presente invencion puede aplicarse en presencia de lubricantes, tales como aceite mineral, alquilbenceno, polialquilenglicol y eter de polivinilo.
Las composiciones utilizadas en la presente invencion son adecuadas para reemplazar R-410A en la refrigeracion, aire acondicionado y bombas de calor con las instalaciones actuales.
PARTE EXPERIMENTAL
Instrumentos de calculo
La ecuacion de RK-Soave se utiliza para densidades, entalpfas, entropfas y datos del equilibrio lfquido-vapor de las mezclas. El uso de esta ecuacion requiere el conocimiento de las propiedades de los componentes puros utilizados en las mezclas en cuestion y tambien los coeficientes de interaccion para cada binario.
Los datos requeridos para cada componente puro son:
Temperatura de ebullicion, temperatura y presion cnticas, curva de presion en funcion de la temperatura a partir del punto de ebullicion al punto cntico, densidades de lfquido saturado y vapor saturado en funcion de la temperatura.
HFC-32, HFC-152a:
Los datos de estos productos se publican en ASHRAE Handbook 2005 capttulo 20, y se disponen asimismo en Refrop (software desarrollado por NIST para calcular las propiedades de los fluidos refrigerantes).
HFO-1234yf:
Los datos de la curva temperatura-presion de HFO-1234y se miden por el metodo estatico. La temperatura y la presion cnticas se miden por un calonmetro C80 disponible en Setaram. Las densidades, saturacion en funcion de la temperatura, se miden por la tecnologfa de densfmetro de tubo vibrante desarrollada por los laboratorios de la Escuela de Minas de Paris.
Coeficiente de interaccion binaria
La ecuacion de RK-Soave utiliza coeficientes de interaccion binaria para representar el comportamiento de los productos en las mezclas. Los coeficientes se calculan en funcion de los datos experimentales del equilibrio lfquido- vapor.
La tecnica utilizada para las mediciones del equilibrio lfquido-vapor es el metodo de celda estatica analttica. La celda de equilibrio comprende un tubo de zafiro y se equipa con dos dispositivos de muestreo ROLSITM electromagneticos. Se sumerge en un criotermostato de bano (HUBER HS40). Se utiliza una agitacion magnetica ejercida por un campo giratorio a velocidad variable para acelerar la obtencion del equilibrio. El analisis de las muestras se lleva a cabo por cromatograffa (HP5890 seriesll) en fase gaseosa utilizando un catarometro (TCD).
HFC-32/HFO-1234yf, HFC-152a/HFO-1234yf:
Las mediciones del equilibrio lfquido-vapor en el binario HFC-32/HFO-1234yf se llevan a cabo en las siguientes isotermas: -10 °C, 30 °C y 70 °C.
Las mediciones del equilibrio lfquido-vapor en el binario HFC-152a/HFO-1234yf se llevan a cabo en las siguientes isotermas: 10 °C.
HFC-32/HFO-152a:
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Los datos del equilibrio Kquido-vapor para el binario HFC-152a/HFC-32 se disponen en Refprop. Se utilizan dos isotermas (-20 °C y 20 °C) y dos isobaras (1 bar y 25 bar) para calcular los coeficientes de interaccion para este binario.
Sistema por compresion
Se considera un sistema por compresion equipado con un evaporador y un condensador en contracorriente, un compresor de tornillo y un descompresor.
El sistema opera con 15 °C de sobrecalentamiento y 5 °C en enfriamiento. La diferencia de temperatura minima entre el fluido secundario y el fluido refrigerante se considera en el orden de 5 °C.
El rendimiento isoentropico de los compresores es una funcion del mdice de compresion. Este rendimiento se calcula utilizando la siguiente ecuacion:
imagen1
Para un compresor de tornillo, las constantes a, b, c, d y e de la ecuacion (1) del rendimiento isoentropico se calculan segun los datos tipo publicados en el manual "Handbook of air conditioning and refrigeration, pagina 11.52".
El % de CAP es el porcentaje de la relacion de la capacidad volumetrica proporcionada por cada producto en la capacidad de R-410A.
El coeficiente de rendimiento (CR) se define como la potencia util suministrada por el sistema en la potencia proporcionada o consumida por el sistema.
El coeficiente de rendimiento de Lorenz (CRLorenz) es un coeficiente de referencia del rendimiento. Es una funcion de la temperatura y se utiliza para comparar los CR de diferentes fluidos.
El coeficiente de rendimiento de Lorenz se define de la siguiente manera:
(Las temperaturas T estan en cursiva)
imagen2
CR de Lorenz en el caso del aire acondicionado y refrigeracion:
CPJorenz
tr I'd £\j-.rd dor
* media
T
ojudensador^ y evspomdor media media
(4)
CR de Lorenz en el caso de la calefaccion:
CPJorenz
imagen3
cs/tdertsader
media
l
‘Co;tde?tsador y evapOtadd? media media
(5)
Para cada composicion, el coeficiente de rendimiento del ciclo de Lorenz se calcula en funcion de las temperaturas correspondientes.
El % CR/CRLorenz es la relacion de CR del sistema en relacion al CR del ciclo de Lorenz correspondiente.
Resultados del modo refriaeracion o aire acondicionado
En el modo refriaeracion, el sistema por compresion opera entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al evaporador de -5 °C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 50 °C. El sistema 5 proporciona fno a 0 °C.
El rendimiento de las composiciones segun la invencion en las condiciones de funcionamiento de refriaeracion se indica en la Tabla 1. Los valores de los componentes (HFO-1234yf, HFC-32, HFC-152a) para cada composicion se indican en porcentaje en peso.
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Tabla 1
u o a to > to to "m d £ to i- u o a € s to "m d E to i— U o "D C o u 03 ~nj VI .1- to s a a to > to - Cl S S a * I 2 c ;0 y to ’> to a a E S 2 c to 1 c to 3 u IN c to o _j CL Z u £
R41QA
-5 101 50 5,8 30,6 4,5 0,07 79 ,G 100 50,4
HFO-1234yf
HFC-32 HFC-152a
50
45 5 -1 95 d5 5,6 23,3 4,2 4,00 80,5 92 55,9
45
50 5 -2 99 46 5.7 24,4 4,2 3,40 80,3 95 55,4
45
45
10 -t 97 45 5.4 22.8 4,2 4,26 80,4 92 56,5
JO
50 10 -1 100 4B 5,6 23j9 4,3 3,87 80,2 95 56,1
Resultados modo calefaccion
15 En el modo calefaccion, el sistema por compresion opera entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al evaporador de -5 °C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 50 °C. El sistema proporciona calor a 45 °C.
El rendimiento de las composiciones segun la invencion en las condiciones de funcionamiento en modo calefaccion 20 se indica en la Tabla 2. Los valores de los componentes (HFO-1234yf, HFC-32, HFC-152a) para cada composicion se indican en porcentaje en peso.
Tabla 2
g g S’ E > o a? u Hj fO 1 1 iTj rtj w yi Cl- Cl E E (U CD j- i- u i o 5 ■ ™ § ■ 5 U : nj : CL T3 !=L — ■ nj nj : > rjl Q} \— ; cond P (bar) c § = 5 % z $ ■5 c c rendimiento comp % CAP N C to L 1 3 a. * 1 u £
R410A
-5 101 50 : 6,8 30,6 4,5 0,07 79,6 100 53 jB
HFO-1234yf
HFC-32 HFC-152a
45
50 5 ■2 99 46 j 5,7 24,4 4,2 3,40 00,3 92 63.1
40
50 10 -1 100 46 i 5,6 23,9 4,3 3,07 00,2 91 63.6
Resultados de refriaeracion a baja temperature
En el modo refrigeracion a baja temperatura, el sistema por compresion opera entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al evaporador de -30 °C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 5 40 °C. El sistema proporciona fno a -25 °C.
El rendimiento de las composiciones segun la invencion en las condiciones de funcionamiento en modo refrigeracion se indica en la Tabla 3. Los valores de los componentes (HFO-1234yf, HFC-32, HFC-152a) para cada composicion se indican en porcentaje en peso.
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Tabla 3
■
U o a > OJ ;o m m d £ a* i— Temp, salida comp (°C) ] u o "C c o u 03 fO 76 yi H OJ CL a OJ > a* cond P (bar) | u ■5 c C 'O ’> w O rendimiento comp % CAP M : e ■ 1— Q : -1 & £ u #
R410A
30 40 27 24,2 9.0 0,06 52,3 100 33 JO
HFO-1234yf HFC-32
HFC-152a
45............50
..5... -27 137 36 2.3 19.1 0.4 3.35 55,9 93 30,8
40 50
10 26 140 35 2.2 18,6 8.5 373 56.4 93 38.9

Claims (11)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Uso de una composicion ternaria de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion para reemplazar la mezcla R-410A.
  2. 2. Uso segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la composicion ternaria contiene esencialmente 5 a 83 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 15 a 75 % en peso de difluorometano y 2 a 40 % en peso de difluoroetano.
  3. 3. Uso segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la composicion ternaria contiene esencialmente 5 a 63 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 35 a 70 % en peso de difluorometano y 2 a 25 % en peso de difluoroetano.
  4. 4. Uso segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la composicion contiene esencialmente 40 a 58 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 40 a 50 % en peso de difluorometano y 2 a 10 % en peso de difluoroetano.
  5. 5. Uso segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la composicion se estabiliza.
  6. 6. Uso segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que los sistemas de refrigeracion son de tipo compresion.
  7. 7. Uso segun la reivindicacion 6, caracterizado por que los sistemas operan con intercambiadores en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente.
  8. 8. Metodo de transferencia de calor, en el que se utilizan composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano como fluidos de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion para reemplazar la mezcla R-410A.
  9. 9. Metodo de la reivindicacion 8, caracterizado por que los sistemas de refrigeracion son de tipo compresion que operan preferentemente con intercambiadores en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia en contracorriente.
  10. 10. Metodo segun la reivindicacion 8 o 9, caracterizado por que la composicion contiene esencialmente 40 a 58 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 40 a 50 % en peso de difluorometano y 2 a 10 % en peso de difluoroetano.
  11. 11. Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, caracterizado por que se aplica en presencia de un lubricante.
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