ES2645091T3 - Trans-cloro-3,3,3-trifluoropropeno para uso en aplicaciones enfriadoras - Google Patents

Trans-cloro-3,3,3-trifluoropropeno para uso en aplicaciones enfriadoras Download PDF

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ES2645091T3 ES09835902.9T ES09835902T ES2645091T3 ES 2645091 T3 ES2645091 T3 ES 2645091T3 ES 09835902 T ES09835902 T ES 09835902T ES 2645091 T3 ES2645091 T3 ES 2645091T3
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Rajiv Ratna Singh
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Abstract

Un método para producir refrigeración que comprende comprimir una composición de refrigerante que comprende trans-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (1233zd(E)), en el que dicha compresión tiene lugar en un sistema enfriador centrífugo.

Description

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DESCRIPCION
Trans-cloro-3,3,3-trifluoropropeno para uso en aplicaciones enfriadoras Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
La presente invencion reivindica el beneficio de prioridad de la solicitud provisional de patente de EE. UU. num. 61/138.245, presentada el 17 de diciembre de 2008 y la solicitud de patente de eE. UU. num. 12/351.807, presentada el 9 de enero de 2009, que reivindica el beneficio de prioridad de la solicitud provisional de patente de EE. UU. num. 61/020.390, presentada el 10 de enero de 2008.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a composiciones que tienen utilidad en numerosas aplicaciones, incluyendo aplicaciones enfriadoras y a metodos y sistemas que utilizan dichas composiciones. En particular, la presente invencion se refiere a metodos para usar composiciones refrigerantes que contienen trans-cloro-3,3,3- trifluoropropeno (1233zd(E)) en aplicaciones enfriadoras.
Antecedentes de la invencion
Los fluidos a base de fluorocarbonos se usan extensamente en refrigeracion, bomba de calor, climatizacion y aplicaciones enfriadoras. Los fluorocarbonos se usan para transferir calor desde un lugar no deseado a un lugar donde se desea el calor. Un fin de la refrigeracion o los sistemas de climatizacion es retirar energfa de una region fna. Un fin de una bomba de calor es anadir energfa a una region caliente.
Las propiedades ffsicas del refrigerante tales como densidad, presion de vapor y calor de vaporizacion ayudan a determinar que aplicacion es mejor para el refrigerante. Tambien debena considerarse la seguridad y el impacto medioambiental del refrigerante. Por ejemplo, se debena considerar la inflamabilidad, la potencial reduccion de la capa de ozono (PRO) y el potencial calentamiento global (PCG).
Habitualmente se usan mezclas de refrigerantes para ajustar las propiedades ffsicas deseadas del sistema de refrigeracion o de bomba de calor. Los enfriadores centnfugos, sin embargo, solo pueden incluir refrigerantes puros o azeotropos puesto que se separaran mezclas no azeotropas en evaporadores de ebullicion de mezclas disminuyendo el rendimiento del sistema.
Un factor importante para considerar un nuevo refrigerante para uso en un enfriador es el COP (la relacion entre la capacidad de enfriamiento en kW y la energfa consumida por el enfriador total en kW). El COP permite la comparacion eficaz de diferentes refrigerantes en un sistema enfriador. Cuanto mayor sea el COP, mas eficaz sera el sistema para convertir la energfa en el enfriamiento deseado.
La patente de EE. UU. 2007/007488 describe el uso de fluoroalquenos en varios usos incluyendo como refrigerantes para calentamiento y enfriamiento.
Breve resumen de la invencion
Los aspectos de la presente invencion se refieren a composiciones con utilidad en sistemas enfriadores y a metodos y sistemas que utilizan dichas composiciones.
La invencion proporciona composiciones que contienen al menos trans1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (1233zd(E)). Las composiciones que contienen el compuesto 1233zd(E) son sustitutos medioambientalmente adecuados para los clorofluorocarbonos en aplicaciones de refrigeracion tales como enfriadores.
Descripcion detallada de la invencion
Se descubrio que el 1233zd(E) (trans1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno) es particularmente util como refrigerante en aplicaciones enfriadoras. Debido a la extremadamente corta vida atmosferica del 1233zd(E), la potencial reduccion de la capa de ozono y el potencial calentamiento global de estas moleculas son significativamente mas pequenos que los del refrigerante R-123 usado en la actualidad. Ademas, se descubrio que, de las escasas moleculas PRO disponibles en la actualidad, el 1233zd(E) presenta el COP mas alto de todos los compuestos que no estan previstos para su disminucion gradual en el Protocolo de Montreal.
Se descubrio que el refrigerante 1233zd(E) tema mejor rendimiento que el 1233zd(Z) isomero cis en aplicaciones enfriadoras. El 1233zd(E) presenta una capacidad mucho mayor, por lo tanto, se podfa usar un sistema mas pequeno para suministrar la misma capacidad que un 1233zd(Z) o los sistemas de R123. El COP del 1233zd(E) es ligeramente menor que el del 1233zd(Z) y va a la par con R123.
La composicion util en la presente invencion comprende trans-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (HCFC-1233zd(E)). Aunque se considera que las composiciones de la presente invencion pueden incluir 1233zd(E) en cantidades ampliamente variables, generalmente las composiciones refrigerantes de la presente invencion comprenden
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1233zd(E), en una cantidad que es al menos aproximadamente 50% en peso y mas en particular al menos aproximadamente 70% en peso, de la composicion total. En muchas realizaciones, las composiciones de transferencia de calor de la presente invencion comprenden 1233zd(E) 100%.
El 1233zd(E) usado en la presente invencion debena usarse en una pureza suficientemente alta para evitar la introduccion de influencias adversas en las propiedades de enfriamiento o de calentamiento del sistema.
Las composiciones de la presente invencion pueden incluir otros componentes para el fin de mejorar o proporcionar cierta funcionalidad a la composicion o en algunos casos reducir el coste de la composicion. Por ejemplo, las composiciones de refrigerantes segun la presente invencion, especialmente las usadas en sistemas de compresion de vapor, incluyen un lubricante, generalmente en cantidades de aproximadamente 30 a aproximadamente 50 por ciento en peso de la composicion. Ademas, las presentes composiciones tambien pueden incluir un compatibilizador, tal como propano y pentano, para el fin de ayudar en la compatibilidad y/o solubilidad del lubricante. Dichos compatibilizantes, incluyendo propano, butanos y pentanos, estan presentes preferiblemente en cantidades de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5 por ciento en peso de la composicion. Tambien pueden anadirse combinaciones de tensioactivos y agentes solubilizantes a las presentes composiciones para ayudar a la solubilidad del aceite, como se describe en la patente de EE. UU. 6.516.837.
Pueden usarse lubricantes de refrigeracion usados habitualmente tales como esteres de poliol (los EPO) y polialquilenglicoles (los PAG), aceite de silicona, aceite de parafina, alquilbencenos (los AB) y poli(alfa-olefina) (PAO) que se usan en la maquinaria de refrigeracion con refrigerantes de hidrofluorocarbono (HFC), con las composiciones de refrigerantes de la presente invencion. Tambien puede anadirse nitrometano como estabilizante.
Muchos sistemas de refrigeracion existentes se adaptan en la actualidad para su uso en relacion con refrigerantes existentes y se cree que las composiciones de la presente invencion son adaptables para su uso en muchos de tales sistemas, con o sin modificacion del sistema. En muchas aplicaciones, las composiciones de la presente invencion pueden proporcionar una ventaja como un sustituto en los sistemas, que en la actualidad se basan en refrigerantes con una capacidad relativamente alta. Ademas, en las realizaciones en las que se desea usar una composicion de refrigerante de menor capacidad de la presente invencion, por razones de coste, por ejemplo, para reemplazar un refrigerante de mayor capacidad, tales realizaciones de las presentes composiciones proporcionan una ventaja potencial. Asf, se prefiere en ciertas realizaciones usar composiciones de la presente invencion, en particular composiciones que comprenden una proporcion sustancial de, y en algunas realizaciones que consisten esencialmente en, 1233zd(E), como sustituto para refrigerantes existentes, tales como R-11 y R-123. En algunas aplicaciones, los refrigerantes de la presente invencion permiten potencialmente el uso beneficioso de compresores de desplazamiento mayores, dando como resultado de ese modo una mejor eficacia energetica que otros refrigerantes, tales como R-134a. Por lo tanto, las composiciones de refrigerantes que comprenden l233zd(E), proporcionan la posibilidad de conseguir una ventaja competitiva sobre una base energetica para aplicaciones de sustitucion de refrigerante.
Se considera que las composiciones que comprenden 1233zd(E) tambien presentan ventaja (en sistemas originales o cuando se usan como un sustituto para refrigerantes tales como R-12 y R-500), en enfriadores usados tfpicamente junto con sistemas de climatizacion comerciales.
No hay necesidad de un supresor de la inflamabilidad puesto que el 1233zd(E) no es inflamable. Ademas, se podna anadir 1233zd(E) como supresor de la inflamabilidad a los enfriadores que usan refrigerantes inflamables.
Los presentes metodos, sistemas y composiciones son asf adaptables para su uso en relacion con sistemas y dispositivos de climatizacion de automoviles, sistemas y dispositivos de refrigeracion comerciales, enfriadores, refrigeradores y congeladores residenciales, sistemas generales de climatizacion, bombas de calory similares.
Asf, las composiciones se usan en numerosos metodos y sistemas, incluyendo en fluidos de transferencia de calor en metodos y sistemas para transferir calor, tales como refrigerantes usados en sistemas de refrigeracion, climatizacion y bomba de calor.
Por ejemplo, los metodos de transferencia de calor comprenden, en general, proporcionar una composicion de la presente invencion y causar que se transfiera calor a, o desde, la composicion que cambia la fase de la composicion. Por ejemplo, los metodos presentes proporcionan enfriamiento por absorcion de calor de un fluido o artfculo, preferiblemente por evaporacion de la presente composicion de refrigerante en la proximidad del cuerpo o fluido que se tiene que enfriar para producir vapor que comprende la presente composicion. Preferiblemente, los metodos incluyen la etapa adicional de comprimir el vapor refrigerante, normalmente con un compresor o equipo similar para producir vapor de la presente composicion a una presion relativamente elevada. Generalmente, la etapa de comprimir el vapor da como resultado la adicion de calor al vapor, produciendo un incremento en la temperatura del vapor a presion relativamente alta. Preferiblemente, los metodos presentes incluyen retirar de este vapor a alta presion, a temperatura relativamente alta, al menos una porcion del calor anadido por las etapas de evaporacion y compresion. La etapa de eliminacion de calor incluye preferiblemente condensar el vapor a alta presion, a alta temperatura, mientras el vapor esta en un estado de relativamente alta presion para producir un lfquido a presion relativamente alta que comprende una composicion de la presente invencion. Este lfquido a presion relativamente
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alta experimenta entonces preferiblemente una reduccion isoentalpica de manera nominal en la presion para producir un l^quido a baja presion, a temperatura relativamente baja. En estas realizaciones, es este Uquido refrigerante de temperatura reducida el que se vaporiza despues por calor transferido desde el cuerpo o el fluido que se tiene que enfriar.
En otra realizacion del procedimiento de la invencion, pueden usarse las composiciones de la invencion en un metodo para producir calor que comprende condensar un refrigerante que comprende las composiciones en la proximidad de un Kquido o cuerpo que se tiene que calentar. Tales metodos, como se menciono anteriormente, son con frecuencia ciclos inversos al ciclo de refrigeracion descrito anteriormente.
Para los fines de la invencion, por enfriadores centnfugos se quiere decir equipo de refrigeracion que usa compresion centnfuga para convertir el gas refrigerante de presion baja en alta. Puede realizarse compresion en una sola fase o en multiples fases. Preferiblemente, la operacion multifase del procedimiento comprende de aproximadamente dos a aproximadamente cinco, mas preferiblemente aproximadamente dos a aproximadamente cuatro y lo mas preferiblemente aproximadamente dos a aproximadamente tres fases de compresion. El numero preciso de fases depende de la aplicacion y puede determinarse sin experimentacion excesiva.
Las composiciones de 1233zd(E) de la invencion pueden usarse en un metodo para producir refrigeracion que comprende condensar un refrigerante y despues evaporar el refrigerante en la proximidad de un cuerpo que se tiene que enfriar. Alternativamente, las composiciones de 1233zd(E) de la invencion pueden usarse en un metodo para producir calor que comprende condensar un refrigerante en la proximidad de un cuerpo que se tiene que calentar y despues evaporar el refrigerante.
En otra realizacion mas, las composiciones de 1233zd(E) de la invencion pueden usarse en un metodo para producir refrigeracion usando un enfriador centnfugo que comprende comprimir el compuesto o la mezcla de la invencion por compresion centnfuga y evaporar el refrigerante en la proximidad de un cuerpo que se tiene que enfriar.
Los siguientes ejemplos se proporcionan para el fin de ilustrar la presente invencion, pero sin limitar el alcance de la misma.
Ejemplo 1
La presion de vapor de 1233zd(E) se midio mediante un transductor de presion calentado MKS.
Temp., °C
PV, kPa (psia)
-10,06
29,75 (4,33)
-0,05
47,4 (6,9)
9,93
72,49 (10,55)
19,93
106,16 (15,45)
29,86
151,57 (22,06)
39,78
140,65 (20,47)
49,85
281,16 (40,92)
59,78
381,3 (55,5)
69,77
500,55 (72,85)
79,69
639,14 (93,02)
La densidad del lfquido de 1233zd(E) se midio usando un densitometro de tubo vibrador.
Temp., °C
Dens., kg/m3
-17,49
1.360,3
-29,45
1.383,98
-29,81
1.384,70
-25,08
1.371,38
-22,03
1.367,40
-19,59
1.362,51
-9,79
1.341,34
-1,99
1.323,65
0,02
1.319,65
10,11
1.296,48
17,01
1.280,22
18,83
1.276,01
20,06
1.276,37
Ejemplo 2
El fluido de eleccion para enfriadores centnfugos fue 2,2-dicloro-1,1,1-trifluoroetano (R123). Debido al potencial de reduccion de la capa de ozono, el R123 esta prohibido en la actualidad en el Protocolo de Montreal. Es importante 5 mantener el alto coeficiente de rendimiento (COP) cuando se encuentra un fluido de sustitucion para R123. Un enfriador de una sola fase consiste en un compresor que presuriza un gas a baja presion y lo suministra al evaporador. El fluido a alta presion se condensa despues a una temperatura relativamente alta, para este caso el condensador se mantiene a 40°C. Se hace pasar despues el fluido condensado por un dispositivo de expansion que disminuye tanto la temperatura como la presion del fluido y se introduce en el evaporador; en este caso el 10 evaporador se mantiene a 2 °C. El gas a baja presion, fno, se usa entonces para transferir calor lejos del cuerpo que requiere enfriamiento por evaporacion del fluido en el evaporador. El rendimiento termodinamico de un refrigerante puede calcularse usando tecnicas de analisis de ciclos refrigerantes clasicos descritos en textos termodinamicos tales como R. C. Downing, Fluorocarbon Refrigerants Handbook, Capftulo 3, Prentice-Hall. 1988. El COP de un unico compresor enfriador se determino a una temperatura del condensador de 2 °C, temperatura del evaporador de 15 40 °C y una eficacia del compresor de 0,75. Los COP de R123, 1233zd(Z) y 1233zd(E) en un sistema de compresor
unico se proporcionan en la siguiente tabla. Este ejemplo demuestra que el COP de R123 puede mantenerse cuando se usan 1233zd(E) y 1233zd(Z). Sorprendentemente, tambien se ha demostrado que para el sistema del mismo tamano el 1233zd(E) tiene una capacidad mucho mayor que el R123.
Compresor unico
Fluido
Cap. kJ/m3 COP
R123
346,9 4,75
1233zd(E)
471,8 4,73
1233zd(Z)
223,1 4,82
Ejemplo 3
Para aumentar la eficacia de un enfriador una practica comun es usar multiples compresores con un intercambiador de calor interno. Este sistema es muy similar al descrito en el ejemplo 1 con la excepcion de que una porcion del 5 fluido que sale del condensador se usa para enfriar la corriente que sale del compresor a una presion intermedia. Despues se comprime la corriente recombinada a la alta presion deseada y se introduce en el condensador. El rendimiento termodinamico de un refrigerante puede calcularse usando tecnicas de analisis de ciclos refrigerantes clasicos descritos en textos termodinamicos tales como R. C. Downing, Fluorocarbon Refrigerants Handbook, Capttulo 3, Prentice-Hall. 1988. El COP de un enfriador de doble compresor se determino a una temperatura del 10 condensador de 2 °C, temperatura del evaporador de 40 °C, los dos compresores teman una eficacia de 0,75 y una temperatura proxima a 5 °C fuera del intercambiador de calor. Los COP del R123, 1233zd(Z) y 1233zd(E) en un sistema de doble compresor se proporcionan en la siguiente tabla. Sorprendentemente, tambien se ha demostrado que para el sistema del mismo tamano el 1233zd(E) tiene una capacidad mucho mayor que el R123.
Compresor doble
Fluido
Cap. kJ/m3 COP
R123
385,1 4,96
1233zd(E)
525,1 4,94
1233zd(Z)
245,1 5,00
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Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para producir refrigeracion que comprende comprimir una composicion de refrigerante que comprende trans-cloro-3,3,3-trifluoropropeno (1233zd(E)), en el que dicha compresion tiene lugar en un sistema enfriador centnfugo.
    5 2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que el COP esta entre 4,7 y 4,96.
  2. 3. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la composicion de refrigerante peso de 1233zd(E) basado en el peso total de la composicion.
  3. 4. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la composicion de refrigerante peso de 1233zd(E) basado en el peso total de la composicion.
    10 5. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que dicha composicion de refrigerante comprende una
    hidrofluoroolefina que consiste esencialmente en 1233zd, en el que una mayona de dicho 1233zd es 1233zd(E).
  4. 6. El metodo segun la reivindicacion 5, en el que dicho 1233zd consiste en 1233zd(E) y 1233zd(Z) en una relacion de aproximadamente 2:1 a aproximadamente 99:1.
  5. 7. El metodo segun la reivindicacion 6, en el que dicha relacion es aproximadamente 4:1 a aproximadamente 19:1.
    15 8. Un metodo para producir refrigeracion que comprende comprimir un refrigerante que comprende al menos el 50 %
    en peso de 1233zd(E) en un enfriador y evaporar despues el refrigerante en la proximidad de un cuerpo que se tiene que enfriar.
  6. 9. El metodo segun la reivindicacion 8, en el que dicho refrigerante consiste esencialmente en 1233zd(E).
  7. 10. Un sistema enfriador centnfugo que comprende:
    20 a. un compresor centnfugo y
    b. un refrigerante que comprende 1233zd(E), en el que dicho refrigerante se dispone en dicho compresor centnfugo.
    comprende al menos el 50 % en comprende al menos el 70 % en
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