ES2955044T3 - Composiciones - Google Patents

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Abstract

La invención proporciona una composición que comprende 1,1-difluoroeteno (R-1132a), difluorometano (R-32), 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (R-1234yf), opcionalmente dióxido de carbono (C02, R-744), y, opcionalmente, 1,1,2-trifluoroeteno (R-1123). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composiciones
La invención se refiere a composiciones, preferentemente a composiciones de transferencia de calor que pueden ser adecuadas como reemplazos de refrigerantes existentes tales como R-410A.
La enumeración o análisis de un documento publicado anteriormente o de cualquier antecedente en la memoria descriptiva no debe considerarse necesariamente una aceptación de que el documento o antecedente forme parte del estado de la técnica o de que sea el conocimiento común general.
El documento US 2016/340565 se publicó el 24 de noviembre de 2016 y describe un fluido de trabajo para un ciclo térmico que contiene trifluoroetileno y menos del 1,5 % en masa de difluoroetileno.
Los sistemas de refrigeración mecánicos y los dispositivos de transferencia de calor relacionados, tales como bombas de calor y sistemas de aire acondicionado, son bien conocidos. En dichos sistemas, un líquido refrigerante se evapora a baja presión tomando calor de la zona circundante. Después, el vapor resultante se comprime y pasa a un condensador donde se condensa y emite calor a una segunda zona, devolviéndose el condensado a través de una válvula de expansión al evaporador, completando así el ciclo. La energía mecánica requerida para comprimir el vapor y bombear el líquido es proporcionada por, por ejemplo, un motor eléctrico o un motor de combustión interna.
Las unidades de aire acondicionado y bomba de calor residenciales y comerciales ligeras se cargan comúnmente con el refrigerante no inflamable R-410A, una mezcla de R-32 (difluorometano) y R-125 (pentafluoroetano). Aunque el uso de este refrigerante da como resultado una alta eficiencia del sistema y, por lo tanto, un bajo consumo de energía, el potencial de calentamiento de efecto invernadero (GWP, por sus siglas en inglés) (o global) de R-410A es alto (2100, usando el conjunto de datos IPCC AR4).
Se ha propuesto R-32 (difluorometano) como alternativa a R-410A. R-32 está clasificado como ligeramente inflamable ("2L" usando el sistema de clasificación ASHRAE). Ofrece una eficiencia energética comparable a la de R-410A en equipos diseñados adecuadamente y tiene un GWP de 675. Sin embargo, R-32 tiene una serie de desventajas: las temperaturas de descarga de su compresor son significativamente más altas que las de R-410A y sus presiones de funcionamiento también pueden ser más altas que las de R-410A. Es posible compensar estas temperaturas de descarga más altas, por ejemplo, usando tecnologías de "enfriamiento bajo demanda" o de inyección de líquido. Sin embargo, éstas pueden reducir la capacidad y la eficiencia energética del sistema. Otra desventaja de R-32 es que su GWP (675) sigue siendo alto en comparación con los GWP de los refrigerantes hidrofluoro-olefínicos tales como los tetrafluoropropenos o los hidrocarburos tales como el propano.
También se han propuesto como fluidos alternativos, combinaciones binarias de R-32 con R-1234yf (2,3,3,3-tetrafluoropropeno) o R-1234ze(E) (E-1,3,3,3-tetrafluoropropeno) y combinaciones ternarias de R-32, tetrafluoropropenos (ya sea R-1234ze(E) o R-1234yf) y un tercer componente. Los ejemplos de dichos fluidos incluyen R-454B, que es una mezcla binaria de R-32/R-1234yf (68,9 %/31,1 %) con un GWP de 466, y R-452B, una mezcla ternaria de R-32/R-125/R-1234yf (67 %/7 %/26 %) con un GWP de 698. Estos fluidos tienen un GWP reducido en comparación con R-410A y pueden ofrecer una temperatura de descarga reducida. Sin embargo, sus valores de GWP son similares a los de R-32 y siguen siendo altos en comparación con los GWP de los refrigerantes de hidrofluoroolefina o hidrocarburos.
Al buscar refrigerantes alternativos de baja temperatura, también deben tenerse en cuenta muchos otros factores. En primer lugar, si el fluido ha de usarse como un fluido de conversión o reacondicionamiento en un equipo existente, o como un "drop-in" para un equipo nuevo usando un diseño de sistema R-410A esencialmente sin cambios, es muy deseable la no inflamabilidad, ya que el diseño existente se habrá basado en el uso de fluido no inflamable.
Si ha de emplearse un fluido alternativo en un diseño de sistema completamente nuevo, entonces un grado de inflamabilidad puede ser tolerable, pero el uso de fluidos altamente inflamables puede imponer penalizaciones en el coste y el desempeño para mitigar los peligros. El tamaño de carga aceptable (masa de refrigerante) en un sistema también se rige por la clasificación de inflamabilidad del fluido, siendo los fluidos de clase 3, tales como etano, los más estrictamente limitados. En este caso, es muy deseable una característica de inflamabilidad más débil, puesto que puede permitir cargas del sistema mayores.
En tercer lugar, la aplicación típica de dichos fluidos es en unidades de aire acondicionado y bombas de calor residuales o comerciales, que por lo general se encuentran en edificios. Por lo tanto, es deseable tener una toxicidad aceptablemente baja como característica del fluido.
Además, la capacidad volumétrica (una medida de la potencia de enfriamiento que puede alcanzar un tamaño determinado de compresor) y la eficiencia energética son importantes.
Por lo tanto, existe la necesidad de proporcionar refrigerantes alternativos que tengan propiedades mejoradas, tales como un GWP bajo (para reducir el impacto ambiental de las fugas de refrigerante), y que sin embargo posean un rendimiento de refrigeración, características de inflamabilidad y una toxicología aceptables. También existe la necesidad de proporcionar refrigerantes alternativos que puedan usarse en dispositivos existentes tales como dispositivos de refrigeración con poca o ninguna modificación.
De manera más específica, sería ventajoso encontrar combinaciones de refrigerantes que tuvieran un rendimiento comparable (capacidad y eficiencia energética, expresadas como COP) a de R-410A con una temperatura de descarga del compresor comparable a la de R-452B o R-454A pero con un GWP significativamente menor que el de R -32. Dado que tanto R-32 como R-454B se consideran combinaciones débilmente inflamables (clase de inflamabilidad "2L" de acuerdo con la Norma ASHRAE 34), también sería deseable que dichas combinaciones con un GWP más bajo fueran de clase de inflamabilidad 2L.
La presente invención aborda las deficiencias anteriores y otras, y las necesidades anteriores, proporcionando una composición de acuerdo con la Reivindicación 1. Dichas composiciones se denominan en lo sucesivo en el presente documento composiciones de la invención.
El contenido de R-1132a en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 3 o el 4 a aproximadamente el 50 % en peso de R-1132a, tal como de aproximadamente el 2 o el 3 o el 4 a aproximadamente el 40 % en peso de R-1132a, por ejemplo, de aproximadamente el 2 o el 3 o el 4 a aproximadamente el 30 % en peso de R-1132a. Convenientemente, el contenido de R-1132a en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 2 o el 3 o el 4 a aproximadamente el 25 % en peso de R-1132a, tal como de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 20 % en peso de R-1132a, por ejemplo, del 3 o el 4 a aproximadamente el 20 % en peso de R-1132a. Preferentemente, el contenido de R-1132a en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 20 % en peso de R-1132a.
El contenido de R-32 en las composiciones de la invención es de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 95 % en peso de R-32, tal como de aproximadamente el 3 a aproximadamente el 95 % en peso de R-32. Convenientemente, el contenido de R-32 en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90 % en peso de R-32, tal como de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 85 % en peso de R-32, por ejemplo, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 80 % en peso de R-32. Preferentemente, el contenido de R-32 en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 75 % en peso de R-32, tal como de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 70 % en peso de R-32.
Ventajosamente, el contenido de R-1234yf en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 90 % en peso de R-1234yf, tal como de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90 % en peso de R-1234yf. Convenientemente, el contenido de R-1234yf en las composiciones de la invención puede ser de aproximadamente el 7 a aproximadamente el 85% en peso de R-1234yf, tal como de aproximadamente el 8 a aproximadamente el 80% en peso de R-1234yf. Preferentemente, el contenido de R-1234yf en las composiciones puede ser de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 75 % en peso de R-1234yf, tal como de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 70 % en peso de R-1234yf, por ejemplo, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 65 % en peso de R-1234yf.
En una realización, las composiciones de la invención pueden consistir esencialmente en de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 40 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90% en peso de R-1234yf; o de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 40 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 94 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 94 % en peso de R-1234yf.
Preferentemente, las composiciones de la invención consisten esencialmente en de aproximadamente el 3 a aproximadamente el 20 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 80 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 75 % en peso de R-1234yf; de aproximadamente el 3 a aproximadamente el 30 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 91 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 6 a aproximadamente el 87 % en peso de R-1234yf.
Convenientemente, las composiciones de la invención consisten esencialmente en de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 20 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 20 a aproximadamente el 70 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 65 % en peso de R-1234yf; de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 25 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 88 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 8 a aproximadamente el 81 % en peso de R-1234yf.
Como alternativa, las composiciones de la invención están sustancialmente exentas de R-1123. Ventajosamente, las composiciones de la invención no contienen nada (fácilmente detectable) de R-1123.
Las composiciones de la invención consisten esencialmente en los componentes indicados. Por la expresión "consiste esencialmente en", los presentes inventores incluyen el significado de que las composiciones de la invención no contienen sustancialmente otros componentes, en particular, no se conocen otros (hidro)(fluoro)compuestos (por ejemplo, (hidro)(fluoro)alcanos o (hidro)(fluoro)alquenos) en las composiciones de transferencia de calor. La expresión "consiste en" se incluye en el significado de "consiste esencialmente en".
En una realización, las composiciones de la invención están sustancialmente exentas de cualquier componente que tenga propiedades de transferencia de calor (distinto de los componentes especificados). Por ejemplo, las composiciones de la invención pueden estar sustancialmente exentas de cualquier otro compuesto hidrofluorocarbonado.
Por "sustancialmente sin" y "sustancialmente exento/a de", los presentes inventores incluyen el significado de que las composiciones de la invención contienen el 0,5% en peso o menos del componente indicado, preferentemente el 0,4 %, el 0,3 %, el 0,2 % o el 0,1 % o menos, basándose en el peso total de la composición.
Todos los productos químicos descritos en el presente documento están disponibles en el mercado. Por ejemplo, los productos fluoroquímicos pueden obtenerse de Apollo Scientific (Reino Unido) y el dióxido de carbono puede obtenerse de proveedores de gas licuado tales como Linde AG.
Como se usan en el presente documento, todos los % de las cantidades mencionadas en las composiciones del presente documento, incluyendo en las reivindicaciones, se expresan en peso basándose en el peso total de las composiciones, a menos que se especifique otra cosa.
Con el término "aproximadamente", como se usa en relación con valores numéricos de cantidades de componentes en % en peso, los presentes inventores incluyen el significado de ± el 0,5 % en peso, por ejemplo ± el 0,5 % en peso.
Para disipar cualquier duda, debe entenderse que los valores superior e inferior indicados para intervalos de cantidades de componentes en las composiciones de la invención descritas en el presente documento pueden intercambiarse de cualquier manera, a condición de que los intervalos resultantes caigan dentro del alcance más amplio de la invención.
Las composiciones de la invención tienen un potencial cero de agotamiento de ozono.
Normalmente, las composiciones de la invención tienen un GWP inferior a aproximadamente 650, tal como inferior a aproximadamente 600, por ejemplo, inferior a aproximadamente 500. Preferentemente, las composiciones de la invención tienen un GWP inferior a aproximadamente 480, tal como inferior a aproximadamente 450, por ejemplo, inferior a aproximadamente 400.
Normalmente, las composiciones de la invención presentan un riesgo de inflamabilidad reducido en comparación con R-1132a.
La inflamabilidad puede determinarse de acuerdo con la Norma ASHRAE 34 que incorpora la Norma ASTM E-681 con la metodología de ensayo según el Anexo 34p de 2004, cuyo contenido íntegro se incorpora en el presente documento por referencia.
En un aspecto, las composiciones tienen uno o más de (a) un límite inflamable inferior más alto; (b) una mayor energía de ignición (en ocasiones denominada energía de autoignición o pirólisis); o (c) una menor velocidad de llama en comparación con R-1132a solo. Preferentemente, las composiciones de la invención son menos inflamables en comparación con R-1132a en uno o más de los siguientes aspectos: límite inflamable inferior a 23 °C; límite inflamable inferior a 60 °C; amplitud del intervalo inflamable a 23 °C o 60 °C; temperatura de autoignición (temperatura de descomposición térmica); energía mínima de ignición en aire seco o velocidad de llama. Los límites de inflamabilidad se determinan de acuerdo con los métodos especificados en la norma ASHRAE-34 y la temperatura de autoignición se determina en un matraz de vidrio de 500 ml mediante el método de la norma ASTM E659-78.
En una realización preferida, las composiciones de la invención son no inflamables. Por ejemplo, las composiciones de la invención son no inflamables a una temperatura de ensayo de 60 °C usando la metodología ASHRAE-34. Ventajosamente, las mezclas de vapor que existen en equilibrio con las composiciones de la invención a cualquier temperatura entre aproximadamente -20 °C y 60 °C tampoco son no inflamables.
En algunas aplicaciones, puede que no sea necesario que la formulación se clasifique como no inflamable según la metodología ASHRAE-34. Es posible desarrollar fluidos cuyos límites de inflamabilidad se reduzcan lo suficiente en el aire para hacerlos seguros para su uso en la aplicación, por ejemplo, si físicamente no es posible hacer una mezcla inflamable filtrando la carga del equipo de refrigeración hacia los alrededores.
En una realización, las composiciones de la invención tienen una inflamabilidad clasificable como 1 o 2L de acuerdo con el método de clasificación de la norma ASHRAE 34, indicando no inflamabilidad (clase 1) o un fluido débilmente inflamable con una velocidad de llama inferior a 10 cm/s (clase 2L).
Las composiciones de la invención preferentemente tienen un deslizamiento de temperatura en un evaporador o condensador inferior a aproximadamente 10 K, aún más preferentemente inferior a aproximadamente el 5 K y mucho más preferentemente inferior a aproximadamente el 1 K.
Se cree que las composiciones de la invención presentan una combinación completamente inesperada de baja/no inflamabilidad, bajo GWP, miscibilidad mejorada en lubricante y propiedades mejoradas de rendimiento de refrigeración. Algunas de estas propiedades de rendimiento de refrigeración se explican con más detalle a continuación.
Las composiciones de la invención normalmente tienen una capacidad de refrigeración volumétrica que es al menos el 80 % de la de R-410A, tal como al menos el 85 % de la de R-410A. Preferentemente, las composiciones de la invención tienen una capacidad de refrigeración volumétrica que es al menos el 90 % de la de R-410A, por ejemplo, de aproximadamente el 95 % a aproximadamente el 130 % de la de R-410A.
En una realización, la eficiencia del ciclo (Coeficiente de rendimiento, COP, por sus siglas en inglés) de las composiciones de la invención está dentro de aproximadamente el 7 % de R-410A, tal como dentro del 5 % de R-410A. Preferentemente, la eficiencia del ciclo es equivalente o superior a la de R-410A.
Convenientemente, la temperatura de descarga del compresor de las composiciones de la invención está dentro de aproximadamente 15 K del fluido refrigerante existente que está reemplazando (por ejemplo, R-410A o R-32, preferentemente aproximadamente 10 K o incluso aproximadamente 5 K. Ventajosamente, la temperatura de descarga del compresor de las composiciones de la invención es inferior a la de R-32.
Convenientemente, la presión de funcionamiento en un condensador que contiene una composición de la invención es menor que la del condensador que contiene R-32.
Las composiciones de la invención normalmente son adecuadas para su uso en diseños de equipos existentes y son compatibles con todas las clases de lubricantes que se usan actualmente con refrigerantes HFC establecidos. Opcionalmente, pueden estabilizarse o compatibilizarse con aceites minerales mediante el uso de aditivos apropiados.
Preferentemente, cuando se usa en equipos de transferencia de calor, la composición de la invención se combina con un lubricante.
Convenientemente, el lubricante se selecciona del grupo que consiste en aceite mineral, aceite de silicona, polialquilbencenos (PAB), ésteres de poliol (POE), polialquilenglicoles (PAG), ésteres de polialquilenglicol (ésteres de PAG), éteres de polivinilo (PVE), poli (alfa-olefinas) y combinaciones de los mismos. Los PAG y los POE son actualmente los lubricantes preferidos para las composiciones de la invención.
Ventajosamente, el lubricante comprende además un estabilizante.
Preferentemente, el estabilizante se selecciona del grupo que consiste en compuestos a base de dieno, fosfatos, compuestos fenólicos y epóxidos y mezclas de los mismos.
Convenientemente, la composición de la invención puede combinarse con un retardante de llama.
Ventajosamente, el retardante de llama se selecciona del grupo que consiste en tri-(2-cloroetil)-fosfato, (cloropropil)fosfato, fosfato de tri-(2,3-dibromopropilo), tris-(1,3-dicloropropil)-fosfato, fosfato de diamonio, diversos compuestos aromáticos halogenados, óxido de antimonio, trihidrato de aluminio, policloruro de vinilo, un yodocarbono fluorado, un bromocarbono fluorado, trifluoro yodometano, perfluoroalquilaminas, bromo-fluoroalquilaminas y mezclas de los mismos.
En una realización, la invención proporciona un dispositivo de transferencia de calor que comprende una composición de la invención. Preferentemente, el dispositivo de transferencia de calor es un dispositivo de refrigeración.
Convenientemente, el dispositivo de transferencia de calor es un sistema de aire acondicionado residencial o comercial, una bomba de calor o un sistema de refrigeración comercial o industrial.
La invención también proporciona el uso de una composición de la invención en un dispositivo de transferencia de calor, tal como un sistema de refrigeración, como se describe en el presente documento.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona un método para enfriar un artículo que comprende condensar una composición de la invención y después evaporar dicha composición en las proximidades del artículo que ha de enfriarse.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método para calentar un artículo que comprende condensar una composición de la invención en las proximidades del artículo que ha de calentarse y después evaporar dicha composición.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona un dispositivo mecánico de generación de energía que contiene una composición de la invención.
Preferentemente, el dispositivo mecánico de generación de energía está adaptado para usar un ciclo Rankine o una modificación del mismo para generar trabajo a partir del calor.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un método de reacondicionamiento de un dispositivo de transferencia de calor que comprende la etapa de retirar un fluido de transferencia de calor existente e introducir una composición de la invención. Preferentemente, el dispositivo de transferencia de calor es un dispositivo de refrigeración, tal como un sistema de refrigeración de temperatura ultrabaja. Ventajosamente, el método comprende además la etapa de obtener una asignación de crédito por emisión de gases de efecto invernadero (por ejemplo, dióxido de carbono).
De acuerdo con el método de reacondicionamiento descrito anteriormente, un fluido de transferencia de calor existente puede retirarse completamente del dispositivo de transferencia de calor antes de introducir una composición de la invención. Un fluido de transferencia de calor existente también puede retirarse parcialmente de un dispositivo de transferencia de calor, seguido de la introducción de una composición de la invención.
Las composiciones de la invención también pueden prepararse simplemente mezclando el R-1132a, R-32, R-1234yf (y componentes opcionales tales como R-744, R-1123, hidrocarburos, un lubricante, un estabilizante o un retardante de llama adicional) en las proporciones deseadas. Después, las composiciones pueden añadirse a un dispositivo de transferencia de calor (o usarse de cualquier otra forma como se define en el presente documento).
En un aspecto adicional de la invención, se proporciona un método para reducir el impacto ambiental que surge del funcionamiento de un producto que comprende un compuesto o composición existente, comprendiendo el método reemplazar al menos parcialmente el compuesto o composición existente con una composición de la invención.
Por impacto ambiental los presentes inventores incluyen la generación y emisión de gases de efecto invernadero a través del funcionamiento del producto.
Como se ha mencionado anteriormente, puede considerarse que este impacto ambiental incluye no sólo las emisiones de compuestos o composiciones que tienen un impacto ambiental significativo por fugas u otras pérdidas, sino también incluye la emisión de dióxido de carbono derivada de la energía consumida por el dispositivo a lo largo de su vida útil. Dicho impacto ambiental puede cuantificarse mediante la medida conocida como Impacto de Calentamiento Equivalente Total (TEWI, por sus siglas en inglés). Esta medida se ha utilizado en la cuantificación del impacto medioambiental de determinados equipos fijos de refrigeración y aire acondicionado, incluyendo, por ejemplo, sistemas de refrigeración de supermercados.
Puede considerarse además que el impacto medioambiental incluye las emisiones de gases de efecto invernadero que surgen de la síntesis y fabricación de los compuestos o composiciones. En este caso, las emisiones de fabricación se suman al consumo de energía y a los efectos de pérdida directa para obtener la medida conocida como Producción de carbono durante el ciclo de vida (LCCP, por sus siglas en inglés). El uso de LCCP es común para evaluar el impacto ambiental de los sistemas de aire acondicionado de automóviles.
En una realización preferida, el uso de la composición de la invención da como resultado que el equipo tenga un Impacto de Calentamiento Equivalente Total menor y/o una producción de carbono en el ciclo de vida menor que la que se obtendría mediante el uso del compuesto o composición existente.
Estos métodos pueden realizarse en cualquier producto adecuado, por ejemplo, en los campos del aire acondicionado, refrigeración (por ejemplo, refrigeración a temperatura baja y ultrabaja), transferencia de calor, aerosoles o propulsores pulverizables, dieléctricos gaseosos, supresión de llamas, disolventes (por ejemplo, vehículos para aromatizantes y fragancias), limpiadores, anestésicos tópicos y aplicaciones de expansión. Preferentemente, el campo es la refrigeración.
Los ejemplos de productos adecuados incluyen dispositivos de transferencia de calor, composiciones pulverizables, disolventes y dispositivos mecánicos de generación de energía. En una realización preferida, el producto es un dispositivo de transferencia de calor, tal como un dispositivo de refrigeración.
El compuesto o composición existente tiene un impacto ambiental medido por GWP y/o TEWI y/o LCCP que es mayor que la composición de la invención que lo reemplaza. El compuesto o composición existente puede comprender un compuesto fluorocarbonado, tal como un compuesto de perfluoro-, hidrofluoro-, clorofluoro- o hidroclorofluoro-carbono o puede comprender una olefina fluorada.
Preferentemente, el compuesto o composición existente es un compuesto o composición de transferencia de calor tal como un refrigerante. Los ejemplos de refrigerantes que pueden reemplazarse incluyen R-410A, R454B, R-452B y R 32, preferentemente R-410A.
Puede reemplazarse cualquier cantidad del compuesto o composición existente para reducir el impacto ambiental. Esto puede depender del impacto ambiental del compuesto o composición existente que se reemplaza y del impacto ambiental de la composición de reemplazo de la invención. Preferentemente, el compuesto o composición existente en el producto se reemplaza completamente por la composición de la invención.
La invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos no limitantes.
Ejemplos
Mezclas ternarias de R-1132a, R-32 y R-1234yf
Se construyó un modelo termodinámico para permitir la estimación del rendimiento de las composiciones que comprenden R-1132a o CO2 en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor o aire acondicionado. La temperatura crítica de R-1132a es de aproximadamente 30 °C y la del CO2 es de aproximadamente 31 °C; ambas son más bajas que las temperaturas de condensación experimentadas en muchas aplicaciones de R-410A, que pueden variar de 30 a 60 °C. Por lo tanto, se desarrolló un modelo termodinámico que es capaz de predecir el equilibrio líquido-vapor de mezclas a temperaturas superiores a la temperatura crítica de algunos componentes de la mezcla.
El modelo elegido usó la ecuación de estado de Peng-Robinson para el cálculo de las propiedades termodinámicas de las mezclas. El equilibrio líquido-vapor (VLE, por sus siglas en inglés) de las mezclas se correlacionó usando la ecuación de estado de Peng-Robinson junto con las reglas de mezcla de Wong y Sandler como se describe en Orbey, H., y Sandler, S. (1998), Modeling Vapor-Liquid Equilibria: Cubic Equations of State and their Mixing Rules, Cambridge: Cambridge University Press, que se incluye en el presente documento por referencia. Este tipo de modelo termodinámico se ha utilizado con éxito para modelar el VLE de mezclas de refrigerantes (Shiflett, M., y Sandler, S. (1998), Modeling Fluorocarbon Vapor-Liquid Equilibria using the Wong-Sandler Model, Fluid Phase Equilibria, 145­ 162, incorporado en el presente documento por referencia) y para modelar el VLE de mezclas donde una de las especies está por encima de su temperatura crítica (Valtz, A., Coquelet, C., y Richon, D. (2007), Vapor-liquid equilibrium data for the hexafluoroethane carbon dioxide system at temperatures from 253 to 297K and pressures up to 6.5MPa, Fluid Phase Equilibria, 179-185, incorporado en el presente documento por referencia). El modelo de Wong-Sandler también permite una predicción confiable de VLE de mezcla a temperaturas y presiones más altas que las utilizadas para generar datos experimentales utilizados en la regresión de sus parámetros de mezcla, acoplando un modelo de la energía libre de la fase líquida a la ecuación de los parámetros de estado. Esto lo hace adecuado para la estimación del rendimiento del ciclo de compresión de vapor para las mezclas contempladas.
En este trabajo se usaron las reglas de mezcla de Wong-Sandler con el modelo de dos líquidos no aleatorios (NRTL, por sus siglas en inglés) para representar la energía libre de la fase líquida. Los parámetros de la ecuación de Peng-Robinson para cada componente de la mezcla se modificaron para usar la correlación de temperatura de Mathias y Copeman, para representar con precisión las presiones de vapor de los componentes.
Los parámetros de interacción del modelo Wong-Sandler/NRTL se regresionaron a mediciones experimentales de equilibrio líquido-vapor para mezclas binarias de R-1132a con CO2, R-32 y R-1234yf. El intervalo de temperatura de las mediciones experimentales utilizado varió de -55 a 10 °C para R-1132a/CO2 y mezclas de R-1132a/R-32, a -40 a 40 °C para mezclas de R-1132a/R-1234yf. Los datos para estas mezclas y para mezclas binarias de R1234yf con R-32 y CO2 se midieron usando una celda de equilibrio estático-sintético.
Los datos de bibliografía también estaban disponibles para el VLE de R-32 con CO2 (Rivollet, F., Chapoy, C., Coquelet, C., y Richon, D. (2004), Vapor-liquid equilibrium data for the carbon dioxide (CO 2 ) difluoromethane (R32) system at temperatures form 283.12 to 343.25 K and pressures up to 7.46 MPa, Fluid Phase Equilibria, 95-101, incorporado en el presente documento por referencia) (Adams RA, Stein FP. (1971), Vapor-Liquid Equilibria for Carbon Dioxide-Difluoromethane System, Journal of Chemical Engineering Data, 1146-149., incorporado en el presente documento por referencia) y para R-1234yf con CO2 (Juntarachat, N. et al. (2014), Experimental measurements and correlation of vapor-liquid equilibrium and critical data for the CO2+R1234yf and CO2+R1234ze(E) binary mixtures, International Journal of Refrigeration, 141-152, incorporado en el presente documento por referencia) y se usaron en la regresión de parámetros.
El modelado del ciclo se realizó usando puntos de estado de la matriz de modelado propuesta por el Programa de evaluación de refrigerantes alternativos de bajo GWP de AHRI. Las condiciones utilizadas se proporcionan en la Tabla 1 a continuación:
Tabla 1: n i i n i l r l m l l i m rn ri R-11 2 R- 2/R-124yf
Figure imgf000007_0001
continuación
Figure imgf000008_0004
Para validar que el modelo termodinámico proporcionó resultados razonables, se realizó una comparación usando el programa NIST REFPROP9.1 de referencia en la industria para simular el rendimiento del ciclo para R-410A. Después, se usó el modelo termodinámico de Mexichem para calcular el rendimiento del ciclo. Los resultados se muestran en la Tabla 2, a continuación.
Tabla 2: Comparación de los resultados del modelo termodinámico de REFPROP Mexichem
Figure imgf000008_0003
En primer lugar se realizaron cálculos comparativos del rendimiento de R-32 y R-454B usando el modelo. Los resultados se muestran en la Tabla 3 a continuación.
Tabla 3: Datos de modelado de rendimiento de refri eración de R-32 R-454B con res ecto a R-410A
Figure imgf000008_0001
A continuación, se analizaron una serie de composiciones de R-1132a/R-32/R-1234yf que variaban entre el 5-20 % de R-1132a y el 20-70 % de R-32. Los resultados se muestran en las Tablas 4-7 a continuación. Las composiciones de cada componente se proporcionan en porcentajes en peso en estas tablas.
Tabla 4: Datos de modelado de rendimiento de refrigeración para el sistema ternario R-1132a/R-32/R-1234yf ue contiene el 5 % de R-1132a
Figure imgf000008_0002
continuación
Figure imgf000009_0001
Tabla 4: Datos de modelado de rendimiento de refrigeración para el sistema ternario R-1132a/R-32/R-1234yf que contiene el 10 % de R-1132a
Figure imgf000009_0002
continuación
Figure imgf000010_0003
Tabla 4: Datos de modelado de rendimiento de refrigeración para el sistema ternario R-1132a/R-32/R-1234yf ue contiene el 15% de R-1132a
Figure imgf000010_0002
Tabla 4: Datos de modelado de rendimiento de refrigeración para el sistema ternario R-1132a/R-32/R-1234yf ue contiene el 20 % de R-1132a
Figure imgf000010_0001
continuación
Figure imgf000011_0001
Sorprendentemente, los resultados muestran que es posible formular combinaciones ternarias de R-1132a/R-32/R-1234yf que proporcionen un rendimiento aceptable en comparación con R-410A y logren un GWP más bajo que R-32 o R-454B.
Las composiciones especialmente preferidas serán aquellas que pueden clasificarse como que tienen una inflamabilidad "2L" y que pueden usarse sobre una base "directa" o "casi directa" en sistemas diseñados para R-410A. Se piensa que dichas composiciones deben cumplir los siguientes criterios:
Capacidad de al menos aproximadamente el 90 % de R-410A
COP equivalente o superior al de R-410A
Presión de funcionamiento en el condensador igual o inferior a la de R-32
Temperatura de descarga del compresor inferior a la de R-32
"Deslizamiento" de temperatura en el evaporador y el condensador inferior a aproximadamente 10 K Velocidad de combustión de la composición en el peor de los casos inferior a 10 cm/s de acuerdo con la Norma ASHRAE 34
Otras composiciones que ofrecen una presión de funcionamiento y una inflamabilidad aceptables pero que no cumplen con todos estos criterios también pueden proporcionar un rendimiento aceptable en equipos nuevos diseñados adecuadamente. Por ejemplo, las combinaciones que tengan una capacidad volumétrica inferior al 90 % de la de R-410A podrían usarse aumentando el desplazamiento del compresor o la velocidad del compresor. Las combinaciones que tienen un deslizamiento de temperatura superior a 10 K podrían usarse empleando diseños de intercambiador de calor de contraflujo cruzado del condensador y/o el evaporador.
Las combinaciones que tienen buenas características de rendimiento pero que presentan una inflamabilidad de clase 2 también pueden usarse en sistemas donde el tamaño de la carga y las condiciones de aplicación hacen que su uso sea seguro.
La invención se define por las siguientes reivindicaciones.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Una composición que consiste esencialmente en:
(i) de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 50 % en peso de 1,1-difluoroeteno (fluoruro de vinilideno, R-1132a);
(ii) de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 95 % en peso de difluorometano (R-32); y
(iii) 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (R-1234yf).
2. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el contenido de R-1132a es de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 40 % en peso de R-1132a, tal como de aproximadamente el 2 o aproximadamente el 3 a aproximadamente el 30 % en peso, por ejemplo, de aproximadamente el 3 o aproximadamente el 5 a aproximadamente el 20 % en peso.
3. Una composición de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde el contenido de R-32 es de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90 % en peso de R-32, opcionalmente de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 80 % en peso, o de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 70 % en peso.
4. Una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el contenido de R-1234yf es de aproximadamente el 1 a aproximadamente el 96 % en peso de R-1234yf, tal como de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 96 % en peso, por ejemplo, de aproximadamente el 5 a aproximadamente el 90 % en peso, opcionalmente de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 75% en peso, o de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 65 % en peso.
5. Una composición de acuerdo con la reivindicación 1 que consiste esencialmente en de aproximadamente el 2 a aproximadamente el 40 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 94 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 94 % en peso de R-1234yf, por ejemplo, de aproximadamente el 3 a aproximadamente el 30 % en peso de R-1132a, de aproximadamente el 10 a aproximadamente el 91 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 6 a aproximadamente el 87% en peso de R-1234yf, opcionalmente de aproximadamente el 4 a aproximadamente el 25% en peso de R-1132a, de aproximadamente el 15 a aproximadamente el 88 % en peso de R-32 y de aproximadamente el 8 a aproximadamente el 81 % en peso de R-1234yf.
6. Una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la composición tiene:
a. un límite inflamable mayor medido de acuerdo con la Norma ASHRAE 34
b. una energía de ignición mayor determinada en un matraz de vidrio de 500 ml mediante el método de la Norma ASTM E659-78; y/o
c. una velocidad de llama menor medida de acuerdo con la Norma ASHRAE 34 en comparación con R-1132a solo,
por ejemplo, en donde la composición es no inflamable, tal como en donde la composición es no inflamable a temperatura ambiente, preferentemente en donde la composición es no inflamable a 60 °C, determinada de acuerdo con la Norma ASHRAE 34 que incorpora la Norma ASTM E-681 con la metodología de ensayo según el Anexo 34p de 2004.
7. Una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la composición tiene una capacidad de refrigeración volumétrica que es al menos el 90 % de la del R-410A y/o en donde la composición tiene un coeficiente de rendimiento (COP) que es equivalente o superior al de R-410A; y/o en donde la composición tiene una presión de funcionamiento en un condensador igual o inferior a la de R-32, y/o en donde la composición tiene una temperatura de descarga del compresor inferior a la de R-32; y/o en donde la composición tiene un deslizamiento de temperatura en un evaporador o condensador inferior a aproximadamente 10 K, preferentemente inferior a aproximadamente 5 K; y/o en donde la composición tiene una velocidad de combustión inferior a aproximadamente 10 cm/s medida mediante la Norma ASHRAE 34.
8. Una composición que comprende un lubricante y una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, opcionalmente en donde el lubricante se selecciona de aceite mineral, aceite de silicona, polialquilbencenos (PAB), ésteres de poliol (POE), polialquilenglicoles (PAG), ésteres de polialquilenglicol (ésteres de PAG), éteres de polivinilo (PVE), poli (alfa-olefinas) y combinaciones de los mismos, preferentemente en donde el lubricante se selecciona de PAG o POE.
9. Una composición que comprende un estabilizante y una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, opcionalmente en donde el estabilizante se selecciona de compuestos a base de dieno, fosfatos, compuestos fenólicos y epóxidos y mezclas de los mismos.
10. Una composición que comprende un retardante de llama y una composición de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, opcionalmente en donde el retardante de llama se selecciona del grupo que consiste en tri-(2-cloroetil)-fosfato, (cloropropil)fosfato, fosfato de tri-(2,3-dibromopropilo), tris-(1,3-dicloropropil)-fosfato, fosfato de diamonio, diversos compuestos aromáticos halogenados, óxido de antimonio, trihidrato de aluminio, policloruro de vinilo, un yodocarbono fluorado, un bromocarbono fluorado, trifluoro yodometano, perfluoroalquilaminas, bromofluoroalquilaminas y mezclas de los mismos.
11. Un dispositivo de transferencia de calor que contiene una composición como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, tal como en donde el dispositivo de transferencia de calor es un dispositivo de refrigeración, y/o en donde el dispositivo de transferencia de calor comprende un sistema de aire acondicionado residencial o comercial, una bomba de calor o un sistema de refrigeración comercial o industrial.
12. Uso de una composición como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en un dispositivo de transferencia de calor, preferentemente en un dispositivo de refrigeración.
13. Un método para enfriar un artículo que comprende condensar una composición definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 y posteriormente evaporar la composición en las proximidades del artículo que ha de enfriarse.
14. Un método para calentar un artículo que comprende condensar una composición como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en las proximidades del artículo que ha de calentarse y posteriormente evaporar la composición.
15. Un dispositivo de generación de energía mecánica que contiene una composición como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, opcionalmente en donde el dispositivo mecánico de generación de energía está adaptado para usar un ciclo Rankine o una modificación del mismo para generar trabajo a partir del calor.
16. Un método de reacondicionamiento de un dispositivo de transferencia de calor que comprende la etapa de retirar una composición de transferencia de calor existente e introducir una composición como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, tal como en donde el dispositivo de transferencia de calor es un dispositivo de refrigeración comercial o industrial, una bomba de calor o un sistema de aire acondicionado residencial o comercial, opcionalmente en donde la composición de transferencia de calor es un refrigerante seleccionado de R-410A, R-454B, R-452B y R-32.
17. Un método para reducir el impacto ambiental que surge del funcionamiento de un producto que comprende un compuesto o composición existente, comprendiendo el método reemplazar al menos parcialmente el compuesto o composición existente con una composición como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, opcionalmente en donde el uso de la composición de la invención da como resultado un Impacto de calentamiento equivalente total más bajo y/o una Producción de carbono durante el ciclo de vida más baja que la que se logra mediante el uso del compuesto o composición existente, opcionalmente en donde el método se realiza en un producto de los campos del aire acondicionado, refrigeración, transferencia de calor, aerosoles o propulsores pulverizables, dieléctricos gaseosos, supresión de llamas, disolventes, limpiadores, anestésicos tópicos y aplicaciones de expansión, y/o en donde el producto se selecciona de un dispositivo de transferencia de calor, una composición pulverizable, un disolvente o un dispositivo de generación de energía mecánica, tal como en donde el producto es un dispositivo de transferencia de calor, preferentemente un sistema de aire acondicionado residencial o comercial, una bomba de calor o un sistema de refrigeración comercial o industrial, opcionalmente en donde el compuesto o composición existente es una composición de transferencia de calor, preferentemente en donde la composición de transferencia de calor es un refrigerante seleccionado de R-410A, R-454b , R-452B y R-32.
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