PL178398B1 - Mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych - Google Patents

Abstract

1. Mieszanka robocza dla urzadzen chlodniczych powstala na podstawie dwufluoro- etanu, zmamienna tym, ze dodatkowo zawiera izobutan. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych, głównie dla chłodziarek domowych i może być wykorzystana w średniotemperaturowym urządzeniu chłodniczym, w urządzeniach klimatyzacyjnych, w tym w samochodowych i pompach cieplnych, oraz w celach badawczych.

Znanych jest kilka kierunków badań w dziedzinie stworzenia czynników chłodniczych, alternatywnych do freonu R12, nieniszczących warstwy ozonowej atmosfery ziemskiej. Jeden z takich kierunków' jest związany z zastosowaniem węglowodorów jako składników czynników chłodniczych.

Znana jest na przykład, mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych, zawierająca mieszaninę chlorodwufluorometanu (CHF2CI, R22) z izobutanem (C4H10, R600a), przy zawartości, wagowo, składników' w następujących granicach, chlorodwufluorometan: 65-80%, izobutan: 20-35% (GB, A, 2228739).

Znana mieszanka robocza posiada wskaźniki wydajności chłodniczej i sprawności energetycznej, które są porównywalne z dwuchlorodwufluorometanem (CF2CI2, Rl2) i odróżnia się od niego bardziej słabym oddziaływaniem na warstwę ozonową ziemi.

Jednocześnie, znana mieszanka robocza nie jest azeotropowa, co doprowadza do zmniejszenia wydajności procesu napełniania czynnikiem chłodniczym urządzenia w warunkach produkcji masowej, oraz komplikuje eksploatację urządzenia chłodniczego przy konieczności ponownego napełniania urządzenia. Oprócz tego, czynnik chłodniczy R22 należy do grupy tak zwanych „przejściowych” czynników chłodniczych i zgodnie z umowami międzynarodowymi, dotyczącymi ochrony warstwy ozonowej atmosfery ziemskiej, i do 2020 roku powinien być całkowicie wycofany z obiegu.

Znane są mieszanki robocze dla urządzeń chłodniczych powstałe na podstawie bardziej bezpiecznych, z punktu widzenia ekologicznego, niż R22, nośników zimna.

W szczególności, znana jest mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych na podstawie pięciofluoroetanu (C2HF5, R125) zawierającą izobutan R600a. Zawartość R125 w mieszance wynosi wagowo 60-80% (GB, A, 2247462).

Wykorzystanie tej mieszanki w technice chłodniczej jest utrudnione w związku z tym, że technologia produkcji nośnika zimna R125 na skalę przemysłową nie jest jeszcze opanowana. Oprócz tego, stosunkowo wysoka zawartość fluoru w cząsteczce R125 (5 atomów) powoduje zwiększenie zużycia fluoru przy produkcji nośnika zimna i, w skutek tego, podnosi jego wartość.

Należy zaznaczyć, że przy temperaturach charakterystycznych dla parowników urządzeń chłodniczych (-20 - -25°C) mieszanka ta będzie miała bardziej wysokie ciśnienie, niż R12, w związku z czym powstają problemy, związane z jej ewentualnym wykorzystaniem w zamian zaR 12.

Znana jest również mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych na podstawie 1,1,2,2-czterofluoroetanu (CHF2CHF2, R134) i izobutanu R60Oa przy następującym stosunku wagowym składników 1,1,2,2, czterofluoroetan: 70-99%, izobutan: 1-30% (PCT/US92/02136).

178 398

Przewagą tej mieszanki roboczej jest jej charakter azotropowy. Jednak, nośnik zimna R134, który jest podstawą znanej mieszanki roboczej, ma bardzo wysoki wskaźnik współczynnika ocieplenia ogólnego równy 0,3, co nie w pełnej mierze odpowiada wymaganiom bezpieczeństwa ekologicznego.

Znane są mieszanki robocze dla urządzeń chłodniczych powstałe na podstawie dwufiuoroetanu (CHF2CH3, R152a).

Freon ten, jak również R134, ma zerowy potencjał uszkadzający ozon, ale w porównaniu do R134 posiada 10 razy mniejszy współczynnik ocieplenia ogólnego - 0,03 i ma lepszą rozpuszczalność w olejach.

Dwufluoroetan przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wrze w temperaturze - 25 °C i własnościami termodynamicznymi zbliża się do R12.

Znana jest mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych powstała na podstawie dwufluoroetanu (R152a), dodatkowo zawierająca chlorodwufluorometan (R22) przy następującym stosunku wagowym składników dwufluoroetan: 50-65%, chlorodwufluorometan 22: 35-50% (DE, A, 271122).

Przy stosunku wskazanych składników R22/R 152a zbliżonym do 40:60 mieszanka robocza ma charakter azeotropowy, a jej charakterystyki energetyczne, przy wykorzystaniu jako czynnika chłodniczego są zgodne z charakterystykami R12.

Jednocześnie, znana mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych powstała na podstawie dwufluoroetanu ma określone wady. Jak już było wskazane wyżej, nośnik zimna R22 jest przejściowym i powinien być stopniowo wycofywany z obiegu. W związku z jego obecnością w składzie mieszanki roboczej, mieszanka robocza posiada różniący się od zera potencjał uszkadzający ozon. Jednocześnie R22 stosunkowo źle miesza się z olejami mineralnymi, które wykorzystuje się do smarowania sprężarek, co pogarsza charakterystyki eksploatacyjne urządzenia.

Nie sprzyja wzrostowi efektywności energetycznej urządzeń, napełnionych znaną mieszanką roboczą, istotna różnica mas cząsteczkowych wchodzących w jej skład składników. I tak, masa cząsteczkowa R22 wynosi 86,5 a Rl52a - 66,1. Mieszanka takich gazów, przechodząca przez przewężenie lub kapilarę zgodnie z drugim prawem Ficka, dzieli się wjdług składników ze współczynnikiem proporcjonalnym do 7Mi/M2 gdzie Mi i M2 - to masy cząsteczkowe składników. Przy czym, bardziej lekki składnik po przejściu przez przewężenie wzbogaca się, a bardziej ciężki - zuboża się. Następstwem tego, jest powstanie w zamkniętym obiegu gazowym stref różnych stężeń, odmiennych od wyjściowej.

W wyniku tego urządzenie, wykorzystujące taką mieszankę, traci własność stabilności parametrów roboczych w związku z cykliczną zmianą zestawu składników mieszanki roboczej, co wywołuje zakłócenia w pracy kondensatora niestateczną pracę parownika i w końcu doprowadza do wzrostu zużycia energii.

Za podstawę niniejszego wynalazku przyjęto rozwiązanie zadania, dotyczącego opracowania mieszanki roboczej dla urządzeń chłodniczych, powstałej na podstawie dwufluoroetanu, gwarantującej lepsze bezpieczeństwo ozonowe, wzrost efektywności energetycznej oraz niezawodność eksploatacyjną urządzeń chłodniczych. Rezultatem technicznym niniejszego wynalazku jest obniżenie potencjału uszkadzającego ozon, mieszanki roboczej stosowanej w urządzeniach chłodniczych, powstałej na podstawie dwufluoroetanu oraz wzrost współczynnika wydajności chłodniczej.

Postawione zadanie osiągnięto poprzez to, że mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych powstała na podstawie dwufluoroetanu (R152a) dodatkowo zawiera izobutan (R600a).

Poza tym, zawartość składników w mieszance wagowo wynosi: dwufluoroetan: 60-75%, izobutan: 25-40%.

Korzystnie proporcja zawartości składników w mieszance wynosi R152a/R600a : 70/30.

Zastosowanie izobutanu jako składnika mieszanki roboczej powstałej na podstawie dwufluoroetanu, mającego zerowy potencjał uszkadzający ozon, gwarantuje odpowiednią zerową wartość tego współczynnika dla całej mieszanki.

Poza tym, masa cząsteczkowa izobutanu, wynosząca 50,12 jest znacznie bliższa wskaźnikowi analogicznemu dla R152a/66,1 niż ma R22 (86,5). W rezultacie, współczynnik

178 398 proporcionalności określający stopień podziału stężenia składników mieszanki roboczej i równy gdzie Mi i M2 to masy cząsteczkowe składników, ma dla znanej mieszanki roboczej wartość 1,14, a dla zaproponowanej - 1,07. To z kolei, obniża prawdopodobieństwo podziałU stężenia składników, i w skutek tego, zmniejsza odchylenie od optymalnego poziomu zużycia energii dla urządzenia chłodniczego.

Jak wskazały badania obliczeniowo-doświadczalne, w zaproponowanym w niniejszym wynalazku zakresie ilościowej zawartości składników, mieszanka robocza ma charakter azeotropowej lub blisko azeotropowej równomiernie wrzącej mieszaniny. Świadczą o tym w szczególności, wykresy zmiany ciśnienia mieszanki roboczej w zależności od zawartości R152a.

Własności przedmiotowej mieszanki zostały przedstawione na załączonym rysunku na którym fig. 1 przedstawia wykres zmiany ciśnienia mieszanki roboczej w zależności od stężenia R152a w temperaturze 313,5K, fig. 2 przedstawia wykres zmiany ciśnienia mieszanki roboczej w zależności od stężenia R152a w temperaturze 253,15K.

Wskazane zalety, oraz właściwości niniejszego wynalazku zostaną wyjaśnione przy rozpatrzeniu korzystnego wariantu realizacji wynalazku i danych obliczeniowo-badawczych, dotyczących wielkości współczynnika wydajności chłodniczej obiegu dla zaproponowanej mieszanki, w porównaniu ze współczynnikiem wydajności chłodniczej dla R12.

Przed napełnieniem urządzenia chłodniczego mieszankę wybranego składu ilościowego przygotowuje się w osobnej pojemności sposobem wagowym.

Przy przygotowaniu 1 kg mieszanki do butli z 300 g izobutanu (R600a) przelewa się z drugiej butli, która następnie została podłączona do pierwszej butli, 7θ0 g freonu R152a.

Dawkę napełniania chłodziarki określa się według zmiany wagi butli z mieszanką R152a/R600a, podłączonej do głównego ssącego przewodu sprężarki urządzenia chłodniczego chłodziarki.

Dla chłodziarki „Biriusa-22” dawka napełniania mieszanki R152a/R600a wynosi 80 g. Króciec napełniania urządzenia chłodniczego za pomocą trójnika podłącza się do butli z mieszanką i do pompy próżniowej. W celu odprowadzania gazów obcych, w urządzeniu chłodniczym wstępnie wytwarza się próżnię, przy tym butla z mieszankąjest zamknięta.

Po wypompowaniu gazów obcych napełnia się chłodziarki mieszanką przy włączonej sprężarce. Mieszankę w stanie gazowym pompuje się do urządzenia chłodniczego. Butla znajduje się na wadze. Po zmianie wagi butli na 88 g napełnianie przerywa się.

Dawkę optymalną, napełniania każdego typu urządzenia chłodniczego wybiera się z uwzględnieniem minimalnego dobowego zużycia energii.

W tabeli 1 przytoczono dane, charakteryzujące dobowe zużycie energii chłodziarki „Biriusa-22” przy pracy na zaproponowanej mieszance roboczej, przy stosunku stężeń R152a/R600a równym 70-30, oraz przy wykorzystaniu jako czynniki chłodnicze, czynników R134a iR12.

Tabela 1

Czynnik	Dawka napełniania, g	Temperatura w niskotemperaturowym wymienniku ciepła, C	Temperatura w wysokotemperaturowym wymien- niku ciepła, C	Dobowe zużycie energii, kWh/doba
R134a	11	-18,1	+2,0	2,0
R12	120	-18,2	+2,3	1,8
R152a/R600a	80	-18,1	+2,2	1,75

Jak wynika z tabeli 1, dobowe zużycie energii chłodziarki przy wykorzystaniu jako czynnik chłodniczy czynników R12 i R134a, jest wyższe niż przy zastosowaniu zaproponowanej, zgodnie z niniejszym wynalazkiem, mieszanki roboczej powstałej na podstawie dwufluoroetanu.

W tabeli 2 przedstawiono dane obliczeniowo-badawcze, dotyczące wielkości współczynnika wydajności chłodniczej obiegu dla zaproponowanej mieszanki R152a/R600a w porównaniu ze współczynnikiem wydajności chłodniczej R12. Ten ostatni wybrano wskutek praktycznej iden178 398 tyczności jego charakterystyk cieplno-fizycznych oraz analogicznych charakterystyk mieszanki roboczej R152a/R22, przy stosunku azeotropowym składników, wybranej jako prototYp.

Wartości współczynnika wydajności chłodniczej przedstawiono przy temperaturze wrzenia = -20°C, temperaturze skraplania = 55°C i temperaturze otoczenia = 32°C.

Tabela 2

Zawartość składników w mieszance, wagowo %	Współczynnik wydajności chłodniczej, ε	Stosunek ε (mieszanki)^ (R12)
R152a/R600a
50/50	0,846	0,99
55/45	0,852	0,99
60/40	0,858	1,00
65/35	0,861	1,01
70/30	0,861	1,01
75/25	0,857	1,01
80/20	0,847	0,99
R12	0,855	1,00

W tabeli 3 przedstawiono dane badań kalorymetrycznych sprężarki ΧΚΒ-6 dla trzech konkretnych składów zaproponowanej mieszanki roboczej w porównaniu do czynników chłodniczych R12, R152a i R600a.

Tabela 3

Składniki mieszanki	R12	R152a	R600a	R152a/R600a
50/50	70/30	90/10
ciśnienie w parowniku P wrzenia (ata)	1,533	1,24	0,73	1,18	1,55	1,3
ciśnienie w skraplaczu Pkond (ata)	14,5	13,7	7,85	13,0	14,6	14,4
wydajność chłodnicza Qo(W)	173	145	84	148	180	153
właściwa wydajność chłodnicza	1,15	1,0	0,9	1,02	1,2	1,04

Badanie wykonywano w warunkach identycznych do warunków, w których badano zachowanie współczynnika wydajności chłodniczej. Jak widać z tabeli 2 i 3 w zakresie stężeń R152a od 60 do 75% wagowo i R600a od 25 do 40% wagowo, obserwuje się wzrost współczynnika wydajności chłodniczej.

Tak więc przy dodaniu do dwufluoroetanu izobutanu powstaje mieszanka dwóch wzajemnie rozpuszczalnych składników z podobnymi masami cząsteczkowymi, mająca potencjał uszkadzający ozon równy zero, a jej efektywność energetyczna w dużym zakresie stężeń praktycznie równa się efektywności R12.

Zaproponowana mieszanka robocza może znaleźć zastosowanie w średniotemperaturowych urządzeniach chłodniczych i urządzeniach klimatyzacyjnych, w tym w samochodowych i w pompach cieplnych. Przy tym mieszankę można wykorzystać w istniejących urządzeniach chłodniczych bez ich istotnych zmian konstrukcyjnych.

178 398 ρ, ΜΡα

R152a, © ρ, ΜΡα

R152a, °/ * o

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mieszanka robocza dla urządzeń chłodniczych powstała na podstawie dwufluoroetanu, znamienna tym, że dodatkowo zawiera izobutan.
2. 2. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawartość składników w mieszance wynosi wagowo dwufluoroetan 60-75%, izobutan 25-40%.
3. 3. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawartość składników w mieszance wynosi wagowo dwufluoroetan 70%, izobutan 30%.