ES2577608T3 - Procedimiento de transferencia de calor - Google Patents

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ES2577608T3 ES10762992.5T ES10762992T ES2577608T3 ES 2577608 T3 ES2577608 T3 ES 2577608T3 ES 10762992 T ES10762992 T ES 10762992T ES 2577608 T3 ES2577608 T3 ES 2577608T3
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Abstract

Utilización 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 por compresión con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia contracorriente.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de transferencia de calor
La presente invention se refiere a la utilization de composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno como fluidos de transferencia de calor.
Los problemas planteados por las sustancias que empobrecen la capa de ozono atmosferico (ODP: ozone depletion potencial) se han tratado en Montreal donde se ha firmado el protocolo que impone una reduction de la production y de la utilizacion de clorofluorocarbonos (CFC). Este protocolo ha sido objeto de enmiendas que han impuesto el abandono de los CFC y ha ampliado la reglamentacion a otros productos, entre ellos los hidroclorofluorocarbonos (HCFC).
La industria de la refrigeration y de la produccion de aire acondicionado ha invertido mucho en la sustitucion de estos fluidos refrigerantes y por eso se han comercializado los hidrofluorocarbonos (HFC).
Los (hidro)clorofluorocarbonos utilizados como agentes de expansion o disolventes se han sustituido tambien por HFC.
En la industria del automovil, los sistemas de climatizacion de los vehlculos comercializados en numerosos palses han pasado de un fluido refrigerante con clorofluorocarbono (CFC-12) al del hidrofluorocarbono (1,1,1,2- tetrafluoroetano: HFC-134a), menos nocivo para la capa de ozono. Sin embargo, a la vista de los objetivos fijados por el protocolo de Kioto, el HFC-134a (GWP = 1300) se considera que tiene un poder de calentamiento elevado. La contribution al efecto invernadero de un fluido se cuantifica mediante un criterio, el GWP (Global Warming Potentials) que resume el poder de calentamiento tomando un valor de referencia de 1 para el dioxido de carbono.
Siendo el dioxido de carbono no toxico, no inflamable y con muy bajo GWP, se ha propuesto como fluido refrigerante para los sistemas de climatizacion en sustitucion del HFC-134a. Sin embargo, el empleo del dioxido de carbono presenta varios inconvenientes, principalmente relacionados con la presion muy elevada de su empleo como fluido refrigerante en los aparatos y tecnologlas existentes.
Por otra parte, la mezcla R-404A formada por 44% en peso de pentafluoroetano, 52% en peso de trifluoroetano y 4% en peso de HFC-134a se utiliza ampliamente como fluido de refrigeracion de grandes superficies (supermercados) y en transportes frigorlficos. Esta mezcla tiene sin embargo un GWP de 3900. La mezcla R-407C, formada por 52% en peso de HFC-134a, 25% en peso de pentafluoroetano y 23% en peso de difluorometano, se utiliza como fluido de transferencia de calor en el aire acondicionado y en las bombas de calor. Esta mezcla tiene sin embargo un GWP de 1800.
El documento JP 4110388 describe la utilizacion de los hidrofluoropropenos de formula CaHmFn, representando m, n un numero entero comprendido entre 1 y 5 incluidos y m + n = 6, como fluidos de transferencia de calor, en particular el tetrafluoropropeno y el trifluoropropeno.
El documento WO2004/037913 divulga la utilizacion de composiciones que comprenden al menos un fluoroalqueno que tiene tres o cuatro atomos de carbono, principalmente el pentafluoropropeno y el tetrafluoropropeno, preferentemente con un GWP como mucho de 150, como fluidos de transferencia de calor.
El documento WO 2005/105947 ensena la adicion al tetrafluoropropeno, preferentemente el 1,3,3,3- tetrafluoropropeno, de un coagente de expansion, tales como el difluorometano, el pentafluoroetano, el tetrafluoroetano, el difluoroetano, el heptafluoropropano, el hexafluoropropano, el pentafluoropropano, el pentafluorobutano, el agua y el dioxido de carbono.
El documento WO 2006/094303 divulga una composition azeotropica que contiene 7,4% en peso de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno (1234yf) y 92,6% en peso de difluorometano (HFC-32). Este documento divulga tambien una composicion azeotropica que contiene 91% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y 9% en peso de difluoroetano (HFC-152a).
El documento US2008/314073 describe un sistema de transferencia de calor que comprende un compresor, un condensador, un regulador de presion y un evaporador y un dispositivo en el interior del bucle cerrado para medir la presion interna del sistema. Divulga ademas, un metodo de detection de fuga de las composiciones de transferencia de calor incluyendo, por ejemplo, fluoroolefinas en un sistema de transferencia de calor de bucle cerrado.
El documento FR2182956 divulga un intercambiador de calor a contracorriente cruzada que comprende un tubo central provisto en cada uno de sus extremos de una brida y varios tubos del diametro mas pequeno enrollados en forma helicoidal sobre el tubo central y que terminan en aberturas de entrada o de paso de bridas.
El documento FR2256381 divulga un dispositivo de transmision de calor que comprende un compresor, un condensador y un evaporador conectados en circuito cerrado en el que circula un fluido de transferencia de calor. Este documento describe que el dispositivo comprende ademas un intercambiador de calor y una valvula de reduccion dispuestos en serie en la parte del circuito situado entre el condensador y el evaporador.
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Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite transferir la energla termica de un fluido hacia otro, sin mezclarlos. El flujo termico atraviesa la superficie de intercambio que separa los fluidos. Frecuentemente se utiliza este metodo para enfriar o calentar un llquido o un gas que es imposible de enfriar o calentar directamente.
En los sistemas de compresion, el intercambio termico entre el fluido refrigerante y las fuentes de calor se efectua por medio de los fluidos de transmision termica. Estos fluidos de transmision termica estan en estado gaseoso (aire en el aire acondicionado y la refrigeracion de expansion directa), llquido (agua en las bombas de calor domesticas, agua glicolada) o difasico.
Hay diferentes modos de transferencia:
- los dos fluidos se disponen paralelamente y van en el mismo sentido: modo de flujo paralelo (antimetodico);
- los dos fluidos se disponen paralelamente pero van sentido opuesto: modo contracorriente (metodico);
- los dos fluidos se posicionan perpendicularmente: modo de corriente cruzada. La corriente cruzada puede ser de tendencia en flujo paralelo o a contracorriente.
- uno de los dos fluidos da media vuelta en un conducto mas ancho que atraviesa el segundo fluido. Esta configuracion es comparable a un intercambiador de flujo paralelo en la mitad de la longitud, y para la otra mitad a un intercambiador a contracorriente: modo capilar.
La solicitante ha descubierto ahora que composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano son particularmente interesantes como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion de compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia contracorriente.
Asl, estas composiciones se pueden utilizar como fluido de transferencia de calor en las bombas de calor, eventualmente reversible, en el aire acondicionado, aire acondicionado industrial (documentacion, sala de servidores), en la climatizacion movil domestica, en la refrigeracion y congelacion domestica, en la refrigeracion de baja y media temperatura y la refrigeracion de los vehlculos frigorlficos que emplean sistemas de compresion con intercambiadores en modo contracorriente o en modo corriente cruzada de tendencia contracorriente.
Estas composiciones tienen a la vez un ODP nulo y un GWP inferior al de los fluidos de transferencia de calor existentes como el R-404A o el R-407C.
Ademas de sus caracterlsticas de funcionamiento, (COP: coeficiente de rendimiento calorlfico, definido como la potencia util suministrada por el sistema sobre la potencia aportada o consumida por el sistema; y CAP: capacidad volumetrica (kJ/m3)) son superiores a las de los fluidos de transferencia de calor existentes, como el R-404A o el R- 407C.
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion tienen una temperatura crltica superior a 93°C (la temperatura crltica del R-404A es de 72°C). Estas composiciones se pueden utilizar en las bombas de calor para proporcionar calor a temperaturas de hasta 65°C pero tambien a temperaturas mas elevadas hasta 90°C (intervalo de temperaturas en el que el R-404A no se puede utilizar).
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion tienen presiones en el condensador inferiores a las presiones del R-404A y tasas de compresion tambien inferiores. Estas composiciones pueden utilizar la misma tecnologla de los compresores utilizada por el R-404A.
Las composiciones utilizadas como fluido de transferencia de calor en la presente invencion tienen densidades de saturacion de vapor inferiores a la densidad de saturacion del vapor del R-404A. Las capacidades volumetricas dadas para estas composiciones son equivalentes o superiores a la capacidad volumetrica del R404A (entre 97 y 110%). Gracias a estas propiedades, estas composiciones funcionan con diametros de canalizaciones inferiores y por lo tanto con menos perdida de carga en las tuberlas de vapor, lo que aumenta los rendimientos de las instalaciones.
La presente invencion tiene por lo tanto como objetivo la utilizacion de las composiciones ternarias de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano son particularmente interesantes como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion de compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada de tendencia contracorriente.
Preferentemente, las composiciones utilizadas en la presente invencion contienen esencialmente de 20 a 80% en peso del 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 40% en peso del difluorometano y de 5 a 40% en peso del 1,1- difluoroetano.
Ventajosamente, las composiciones utilizadas contienen esencialmente de 20 a 70% en peso del 2,3,3,3- tetrafluoropropeno y de 20 a 40% en peso de difluorometano y de 10 a 40% en peso de difluoroetano.
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Las composiciones particularmente preferidas contienen esencialmente de 35 a 70% en peso del 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, de 20 a 25% en peso de difluorometano y de 10 a 40% en peso de 1,1-difluoroetano.
Las composiciones utilizadas en la presente invencion pueden ser estabilizadas. El estabilizante representa como mucho 5% en peso con respecto a la composicion total.
Como estabilizantes, se pueden citar principalmente el nitrometano, el acido ascorbico, el acido tereftalico, los azoles tales como el tolutriazol o el benzotriazol, los compuestos fenolicos tales como el tocoferol, la hidroquinona, la t-butilhidroquinona, el 2,6-di-ter-butil-4-metilfenol, los epoxidos (alquilo eventualmente fluorado o perfluorado o alquenilo o aromatico) tales como los n-butil glicidil eter, hexanodiol diglicidil eter, alil glicidil eter, butilfenil glicidil eter, los fosfitos, los fosfatos, los fosfonatos, los tioles y las lactonas.
Otro objetivo de la presente invencion se refiere a un procedimiento de transferencia de calor en el que se utilizan composiciones ternarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano son particularmente interesantes como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion de compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada de tendencia contracorriente.
El procedimiento segun la presente invencion se puede llevar a cabo en presencia de lubricantes tales como el aceite mineral, alquilbenceno, el polialquilenglicol y el polivinil eter.
Las composiciones utilizadas en la presente invencion convienen para reemplazar el R-404A en refrigeracion y/o el R-407C en el aire acondicionado y bombas de calor en las instalaciones actuales.
Parte experimental
Herramientas de calculo
La Ecuacion RK-Soave se utiliza para el calculo de densidades, entalplas, entroplas y los datos de equilibrio llquido- vapor de las mezclas. La utilizacion de esta ecuacion necesita el conocimiento de las propiedades de los cuerpos puros utilizados en las mezclas en cuestion y tambien los coeficientes de interaccion para cada binario.
Los datos necesarios para cada cuerpo puro son:
Temperatura de ebullicion, temperatura y presion crltica, la curva de presion en funcion de la temperatura a partir del punto de ebullicion hasta el punto crltico, las densidades del llquido saturado y del vapor saturado en funcion de la temperatura.
HFC-32, HFC-152a:
Los datos de estos productos estan publicados en el ASHRAE Handbook 2005 capltulo 20, y tambien estan disponibles en Refrop (programa informatico desarrollado por NIST para el calculo de las propiedades de los fluidos refrigerantes).
HFO-1234yf:
Los datos de la curva temperatura-presion del HFO-1234yf se miden por el metodo estatico. La temperatura y presion crltica se miden mediante un calorlmetro C80 comercializado por Setaram. Las densidades, a saturacion en funcion de la temperatura, se miden con la tecnologla del denslmetro de tubo vibrante desarrollado por los laboratorios de la Escuela de Minas de Paris.
Coeficiente de interaccion de los binarios
La ecuacion RK-Soave utiliza coeficientes de interaccion binaria para representar el comportamiento de los productos en mezclas. Los coeficientes se calculan en funcion de los datos experimentales de equilibrio llquido- vapor.
La tecnica utilizada para las medidas de equilibrio llquido-vapor es el metodo de la celda estatica analltica. La celda de equilibrio comprende un tubo de zafiro y esta equipada con dos muestreadores ROLSITM electromagneticos. Se sumerge en un bano criotermostatico (HUBER HS40). Se emplea una agitacion magnetica impulsada por un campo giratorio de velocidad variable para acelerar el alcance de los equilibrios. El analisis de las muestras se realiza por cromatografla (HP5890 series ll) en fase gaseosa usando un catarometro (TCD).
HFC-32/HFO-1234yf, HFC-152a/HFO-1234yf:
Las medidas de equilibrio llquido-vapor del binario HFC-32/HFO-1234yf se realizan para las siguientes isotermas: -10°C, 30°C y 70°C.
Las medidas de equilibrio llquido-vapor del binario HFC-152a/HFO-1234yf se realizan para las siguientes isotermas: 10°C.
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HFC-32/HFO-152a:
Los datos de equilibrio llquido-vapor para el binario HFC-152a/HFC-32 estan disponibles en Refprop. Se utilizan dos isotermas (-20°C y 20°C) y dos isobaras (1 bar y 25 bares) para el calculo de los coeficientes de interaction para este binario.
Sistema de compresion
Se considera un sistema de compresion equipado con un evaporador y condensador en contracorriente, un compresor de tornillo y un regulador de presion.
El sistema funciona con 15°C de sobrecalentamiento y 5°C de subenfriamiento. El intervalo de temperatura mlnimo entre el fluido secundario y el fluido refrigerante se considera del orden de 5°C.
El rendimiento isentropico de los compresores es funcion de la tasa de compresion. Este rendimiento se calcula segun la siguiente ecuacion:
riisen = a-b(r-c)2- ^ (1)
Para un compresor de tornillo, las constantes a, b, c, d y e de la ecuacion (1) del rendimiento isentropico se calculan segun los datos tipo publicados en el Handbook "Handbook of air conditioning and refrigeration, pagina 11.52". El %CAP es el porcentaje de la relation entre la capacidad volumetrica proporcionada para cada producto y la capacidad del R-404A.
El coeficiente de rendimiento calorlfico (COP) se define como la potencia util suministrada por el sistema sobre la potencia aportada o consumida por el sistema.
El coeficiente de rendimiento calorlfico de Lorenz (COPLorenz) es un coeficiente de rendimiento calorlfico de referencia. Es funcion de temperaturas y se utiliza para comparar las COP de los diferentes fluidos.
El coeficiente de rendimiento calorlfico de Lorenz se define como sigue:
(Las temperaturas T son en K)
icondensador _ icondensador 1 media 1 entrada
icondensador 1 salida
jievaporador 1 media
_ 1
evaporador
entrada
- 1
evaporador
salida
(3)
El COP de Lorenz en el caso del aire acondicionado y refrigeration:
COP Lorenz _
revaporador
^condensador_ -evaporador
El COP de Lorenz en el caso de calefaccion:
COP Lorenz _
#condensador_ #evaporador lmedia lmedia
media
media
media
condensador
media
(4)
(5)
Para cada composition, el coeficiente de rendimiento calorlfico del ciclo de Lorenz se calcula en funcion de las temperaturas correspondientes.
El %COP/COPLorenz es la relacion del COP del sistema con respecto al COP del ciclo de Lorenz correspondiente. Resultados modo calefaccion
En modo calefaccion, el sistema de compresion funciona 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.
Los rendimientos de las composiciones segun la invention en las condiciones de funcionamiento en modo calefaccion se dan en la Tabla 1. Los valores de los constituyentes (HFO-1234yf, HFC-32, HFC-152a) para cada composicion se dan en porcentaje en peso.
Tabla 1
Temp. de salida evap. (°C) Temp. de salida comp. (°C) T de salida cond. (°C) Evap P (bar) Cond P (bar) Relation (p/p) Trayectoria Rendimiento comp CL < o %COP/COPLorenz
R404A -5 77 50 5,2 23,0 4,4 0,38 79,7 100 57,7
HFO-1234yf
HFC-32 HFC-152a
70
20 10 0 81 43 4,2 17,3 4,1 4,86 80,7 97 65,8
60
25 15 0 85 43 4,4 18,1 4,1 5,02 80,7 104 65,9
50
25 25 0 88 43 4,2 17,7 4,2 4,98 80,4 102 66,6
35
25 40 0 92 43 3,9 16,9 4,3 5,18 80,1 100 67,6
Resultados modo enfriamiento o aire acondicionado
En modo enfriamiento, el sistema de compresion funciona entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al 5 evaporador de -5°C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 50°C. El sistema proporciona frlo a 0°C.
Los rendimientos de las composiciones segun la invencion en las condiciones de funcionamiento en modo enfriamiento se dan en la Tabla 2. Los valores de los constituyentes (HFO-1234yf, HFC-32, HFC-152a) para cada composition se dan en porcentaje en peso.
10 Tabla 2
Temp. de salida evap. (°C) Temp. de salida comp. (°C) T de salida cond. (°C) Evap P (bar) Cond P (bar) Relacion (p/p) Trayectoria Rendimiento comp CL < o %COP/COPLorenz
R404A -5 77 50 5,2 23,0 4,4 0,38 79,7 100 47,9
HFO-1234yf
HFC-32 HFC-152a
70
20 10 0 81 43 4,2 17,3 4,1 4,86 80,7 105 57,8
65
20 15 0 82 43 4,1 17,1 4,2 4,68 80,6 104 58,3
60
25 15 0 85 43 4,4 18,1 4,1 5,02 80,7 113 58,2
55
20 25 0 85 43 3,9 16,7 4,2 4,52 80,3 104 59,0
50
25 25 0 88 43 4,2 17,7 4,2 4,98 80,4 112 59,2
40
20 40 0 89 43 3,7 16,1 4,4 4,58 80,0 103 60,3
35
25 40 0 92 43 3,9 16,9 4,3 5,18 80,1 110 60,5

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Utilizacion 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 por compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia contracorriente.
    5 2. Utilizacion segun la reivindicacion 1, caracterizada por que la composicion ternaria contiene esencialmente de 20
    a 80% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 40% en peso de difluorometano y de 5 a 40% en peso de difluoroetano.
  2. 3. Utilizacion segun la reivindicacion 1, caracterizada por que la composicion ternaria contiene esencialmente de 20 a 70% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 20 a 40% en peso de difluorometano y de 10 a 40% en peso de
    10 difluoroetano.
  3. 4. Utilizacion segun la reivindicacion 1, caracterizada por que la composicion contiene esencialmente de 35 a 70% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 20 a 25% en peso de difluorometano y de 10 a 40% en peso de difluoroetano.
  4. 5. Utilizacion segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que la composicion esta
    15 estabilizada.
  5. 6. Procedimiento de transferencia de calor en el que se utilizan composiciones ternarias de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno, 1,1-difluoroetano y difluorometano como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeracion por compresion con intercambiadores que operan en modo contracorriente o en modo corriente cruzada con tendencia contracorriente.
    20 7. Procedimiento segun la reivindicacion 6, caracterizado por que la composicion contiene esencialmente de 35 a
    70% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 20 a 25% en peso de difluorometano y de 10 a 40% en peso de difluoroetano.
  6. 8. Procedimiento segun la reivindicacion 6 o 7, caracterizado por que se realiza en presencia de un lubricante.
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