RU2095390C1

RU2095390C1 - Working mixture for refrigeration systems and heat pumps

Info

Publication number: RU2095390C1
Application number: RU95107484A
Authority: RU
Inventors: Олег Николаевич Подчерняев; Анатолий Иванович Лунин; Борис Вадимович Юдин; Михаил Юрьевич Боярский; Владимир Иванович Могорычный; Владимир Николаевич Коваленко; Станислав Васильевич Малышев; Валентин Васильевич Шаталов; Владимир Юрьевич Захаров
Original assignee: Олег Николаевич Подчерняев; Анатолий Иванович Лунин; Борис Вадимович Юдин; Михаил Юрьевич Боярский; Владимир Иванович Могорычный; Владимир Николаевич Коваленко; Станислав Васильевич Малышев; Валентин Васильевич Шаталов; Владимир Юрьевич Захаров
Priority date: 1995-05-15
Filing date: 1995-05-15
Publication date: 1997-11-10
Also published as: RU95107484A

Abstract

FIELD: compositions of working mixture for refrigeration systems and heat pumps. SUBSTANCE: working mixture comprises, mol.%: 1,1,2,2-tetrafluroethane, 5-90; lower alkane, 5-20; octafluropropane, the balance. Propane, isobutane, n-butane pentane or their binary mixtures are used as lower alkane. EFFECT: desired mixture has no fire hazard together with sufficient solubility of mixture with mineral refrigeration oils. 6 cl, 1 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение относится к составу рабочей смеси рефрижераторных систем (РС) и тепловых насосов (ТН), предназначенных для работы на фреоне R12, производство которого запрещается в соответствии с международными соглашениями из-за его озоноразрушающего действия. The invention relates to the composition of the working mixture of refrigeration systems (RS) and heat pumps (VT), designed to work on R12 freon, the production of which is prohibited in accordance with international agreements due to its ozone-depleting effect.

Известны азеотропные композиции на основе 1,1,2,2-тетрафторэтана (R134) для использования в качестве хладагентов, включающие нормальный бутан или изобутан, мол. Azeotropic compositions based on 1,1,2,2-tetrafluoroethane (R134) are known for use as refrigerants, including normal butane or isobutane, mol.

R134 74
Нормальный бутан 26
или
R134 66
Изобутан 34 /1/
Недостатком этих смесей являются, во-первых, ее воспламеняемость в воздухе, во-вторых, относительно низкая обьемная холодопроизводительность, в-третьих, высокая нормальная температура кипения, вследствие чего в испарителе РС при температуре ниже 250 К образуется вакуум, что резко снижает эксплуатационные характеристики холодильных агентов.R134 74
Normal butane 26
or
R134 66
Isobutane 34/1 /
The disadvantage of these mixtures is, firstly, its flammability in air, and secondly, their relatively low volumetric cooling capacity, and thirdly, their high normal boiling points, as a result of which a vacuum is formed in the RS evaporator at temperatures below 250 K, which sharply reduces operational characteristics refrigerants.

Наиболее близкими к предлагаемой являются смеси для использования в качестве хладагентов, включающие 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134а), октафторпропан (R218) и низший алкан (пропан, пропилен или изобутан) в следующих количествах, мас. Closest to the proposed are mixtures for use as refrigerants, including 1,1,2,2-tetrafluoroethane (R134a), octafluoropropane (R218) and lower alkane (propane, propylene or isobutane) in the following amounts, wt.

Низший алкан 2-10
R218 3-20
R134a Остальное /2/
Как показано ниже, этих хладагентам присущи недостатки, связанные с невозможностью обеспечения пожаробезопасности паровой и жидкой фаз без одновременного недопустимого повышения уровня давлений в установке.Lower alkan 2-10
R218 3-20
R134a Else / 2 /
As shown below, these refrigerants have inherent disadvantages associated with the inability to ensure fire safety of the vapor and liquid phases without simultaneously unacceptable increase in the pressure level in the installation.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в обеспечении пожаробезопасности смеси при достаточной растворимости смеси с минеральными холодильными маслами и сохранении давлений прямого и обратного потоков в установке близкими к соответствующим значениям при работе на R12. The technical problem solved by the invention is to ensure the fire safety of the mixture with sufficient solubility of the mixture with mineral refrigeration oils and maintaining the pressure of the forward and reverse flows in the installation close to the corresponding values when working on R12.

Поставленная задача достигается тем, что хладагент, содержит 1,1,2,2-тетрафторэтан (R134), октафторпропан (R218) и низший алкан в следующем соотношении компонентов, мол. The problem is achieved in that the refrigerant contains 1,1,2,2-tetrafluoroethane (R134), octafluoropropane (R218) and lower alkane in the following ratio of components, mol.

1,1,2,2-тетрафторэтан (R134) 5-90
Низший алкан 5-20
Октафторпропан (R218) Остальное
в качестве низшего алкана могут быть использованы индивидуальные вещества пропан, изобутан, нормальный бутан, пентан, либо их бинарные смеси.1,1,2,2-tetrafluoroethane (R134) 5-90
Lower alkane 5-20
Octafluoropropane (R218) Else
as the lower alkane, individual substances propane, isobutane, normal butane, pentane, or their binary mixtures can be used.

В табл. 1 представлены основные свойства фреонов, обсуждаемых в данном описании. In the table. 1 presents the main properties of freons, discussed in this description.

Рабочие смеси можно приготовить следующим образом. Working mixtures can be prepared as follows.

Каждый компонент смеси хранят в отдельных баллонах. Поочередно каждый из баллонов подсоединяют к стенду и в общий ресивер выпускают такое количество компонента, масса которого соответствует заданному количеству этого компонента в рабочей смеси, т.е. смесь готовят весовым способом. Each component of the mixture is stored in separate containers. In turn, each of the cylinders is connected to the stand and a quantity of component is released into the common receiver, the mass of which corresponds to a given amount of this component in the working mixture, i.e. the mixture is prepared by weight.

Вначале в ресивер выпускают высококипящий компонент, у которого давление насыщения при заданной температуре наименьшее, а именно, низший алкан. Затем добавляют компоненты с более низкой нормальной температурой кипения (Т_н.к.) и соответственно более высоким давлением паров R134 (Т_н.к.253,7 К) и R218 (Т_н.к.=236,5 К).Initially, a high-boiling component is released into the receiver, in which the saturation pressure at the given temperature is the lowest, namely, lower alkane. Then add components with a lower normal boiling point (T _NK ) and correspondingly higher vapor pressure _R134 (T _NK 253.7 K) and R218 (T _NK = 236.5 K).

В случае, когда в качестве низшего алкана используют пропан (Т_н.к.=231,1 К) рабочую смесь готовят весовым способом, указанным выше, однако первым в общий ресивер заправляют R134, затем R218 и последним пропан.In the case when propane is used as the lower alkane (T _bp = 231.1 K), the working mixture is prepared by the gravimetric method described above, however, _{R134 is} first charged into the common receiver, then R218 and the last is propane.

Минимальное содержание низшего алкана определяется из условия растворимости рабочей смеси в компрессорном масле. Содержание низшего алкана в смеси более 5% обеспечивает взаимную растворимость хладагента в масле, что, в свою очередь, способствует беспрепятственной циркуляции масла без его накопления в элементах системы и удовлетворительной смазке компрессора. Это обеспечивает высокий ресурс работы РС в целом. Максимальное содержание низшего алкана (20%) определяется условием пожарной безопасности рабочей смеси. Для обеспечения невоспламеняемости такая смесь должна включать не менее 70% R218 и соответственно не более 10% R134. Компоненты R134 и R218 являются негорючими и препятствуют процессу горения низшего алкана в воздухе. Содержание негорючих компонентов и алкана не может быть выбрано произвольно. The minimum content of lower alkane is determined from the condition of solubility of the working mixture in compressor oil. The content of lower alkane in the mixture of more than 5% ensures mutual solubility of the refrigerant in the oil, which, in turn, contributes to the unimpeded circulation of oil without its accumulation in the system elements and satisfactory lubrication of the compressor. This provides a high service life of the PC as a whole. The maximum content of lower alkane (20%) is determined by the fire safety condition of the working mixture. To ensure non-flammability, such a mixture should include at least 70% R218 and, accordingly, no more than 10% R134. Components R134 and R218 are non-combustible and interfere with the combustion of the lower alkane in the air. The content of non-combustible components and alkane cannot be arbitrarily selected.

На чертеже приведена диаграмма, определяющая области допустимых концентраций, при которых смесь является негорючей. The drawing shows a diagram that defines the range of permissible concentrations at which the mixture is non-combustible.

В табл. 2 даны примеры негорючих составов предлагаемой рабочей смеси, включая предельно возможные. В случае, когда в качестве низшего алкана используется бинарная смесь углеводородов, взаимное содержание компонентов в ней может быть любым. Однако общее число молей углеводородных компонентов должно соответствовать молярному составу низшего алкана в рабочей смеси. In the table. 2 gives examples of non-combustible compositions of the proposed working mixture, including the maximum possible. In the case when a binary mixture of hydrocarbons is used as the lower alkane, the mutual content of the components in it can be any. However, the total number of moles of hydrocarbon components must correspond to the molar composition of the lower alkane in the working mixture.

В установках, работающих на смесевых хладагентах, происходит переход из жидкого состояния в паровое и обратно. В связи с этим при анализе пожаробезопасности смеси необходимо отдельно рассматривать составы паровой и жидкой фазы хладагента, так как известно, что для смесей состав жидкости и равновесного с ней пара не совпадают. In plants operating on mixed refrigerants, there is a transition from a liquid state to a vapor state and vice versa. In this regard, when analyzing the fire safety of a mixture, it is necessary to separately consider the compositions of the vapor and liquid phases of the refrigerant, since it is known that for mixtures the composition of the liquid and the vapor that is in equilibrium with it do not coincide.

Для смесей тетрафторэтана (R134 или R134a), октафторпропана и низшего алкана содержание горючего компонента алкана в паровой фазе выше, чем его содержание в равновесной с ним жидкости. В табл.3 представлены данные о составе паровой и жидкой фаз для ряда рассматриваемых смесей. Из таблицы следует, что для смесей, рекомендованных в /2/ (смеси 1, 2) паровая фаза содержит повышенное количество алканов и является горючей. При этом в рамках предлагаемых в /2/ компонентов оптимизировать состав не удается, так как уменьшение концентрации алкана нежелательно из-за ухудшения взаимной растворимости с минеральным маслом, а повышение концентрации октафторпропана, обеспечивающее негорючесть обеих фаз, значительно повышает уровень давления в установке, что негативно сказывается на надежности системы. Кроме того, для обеспечения негорючести может потребоваться большое количество R218, чем заявляемые в /2/ 20 массовых процентов (что соответствует 11 мол.). For mixtures of tetrafluoroethane (R134 or R134a), octafluoropropane and lower alkane, the content of the combustible component of the alkane in the vapor phase is higher than its content in an equilibrium liquid with it. Table 3 presents data on the composition of the vapor and liquid phases for a number of mixtures under consideration. From the table it follows that for the mixtures recommended in / 2 / (mixtures 1, 2), the vapor phase contains an increased amount of alkanes and is combustible. Moreover, in the framework of the components proposed in / 2 /, the composition cannot be optimized, since a decrease in the concentration of alkane is undesirable due to the deterioration of mutual solubility with mineral oil, and an increase in the concentration of octafluoropropane, which ensures the incombustibility of both phases, significantly increases the pressure level in the installation, which is negative affects the reliability of the system. In addition, to ensure incombustibility, a large amount of R218 may be required than the stated in / 2/20 mass percent (which corresponds to 11 mol.).

В настоящем изобретении было обнаружено, что использование 1,1,2,2-тетрафторэтана, который имеет более высокую нормальную температуру кипения (табл. 1), а следовательно, более низкое давление насыщения, позволяет составить смеси с приемлемыми уровнями давлений в установке и с негорючими жидкой и паровой фазами. In the present invention, it was found that the use of 1,1,2,2-tetrafluoroethane, which has a higher normal boiling point (Table 1), and therefore a lower saturation pressure, makes it possible to formulate mixtures with acceptable pressure levels in the unit and with non-combustible liquid and vapor phases.

В табл. 4 приведены значения давлений в конденсаторе и испарителе в установке, работающей на сравниваемых смесях в условиях, характерных для малых рефрижераторов: температура конденсации 327К (55 ^oC), температура испарения 250 К (-23^oC).In the table. Figure 4 shows the pressure values in the condenser and evaporator in an installation operating on the compared mixtures under conditions typical for small refrigerators: condensation temperature 327K (55 ^o C), evaporation temperature 250 K (-23 ^o C).

Эти данные подтверждают, что использование 1,1,2,2-тетрафторэтана (смеси 5-8 в табл.4) вместо 1,1,1,2-тетрафторэтана (смесь 4 в табл.4) в смеси с октафторпропаном и алканом позволяет понизить до приемлемого уровня давление в конденсаторе (снижение на 2-4 атм) и давление в испарителе (на 0,4 атм), обеспечивая при этом негорючесть как жидкой, так и паровой фаз, а также совместимость с минеральным маслом. These data confirm that the use of 1,1,2,2-tetrafluoroethane (mixture 5-8 in Table 4) instead of 1,1,1,2-tetrafluoroethane (mixture 4 in Table 4) in a mixture with octafluoropropane and alkane allows reduce the pressure in the condenser (decrease by 2-4 atm) and the pressure in the evaporator (by 0.4 atm) to an acceptable level, while ensuring incombustibility of both liquid and vapor phases, as well as compatibility with mineral oil.

Claims

1. A working mixture for refrigerated systems and heat pumps containing tetrafluoroethane, octafluoropropane and lower alkane, characterized in that it contains components in the following proportions, mol.

1,1,2,2-Tetrafluoroethane (R 134) 5 90
Lower alkan 5 20
Octafluoropropane (R 218) Else
2. The mixture according to claim 1, characterized in that as the lower alkane it contains propane.

3. The mixture according to claim 1, characterized in that as the lower alkane it contains isobutane.

4. The mixture according to claim 1, characterized in that as the lower alkane it contains normal butane.

5. The mixture according to claim 1, characterized in that as the lower alkane it contains pentane.

6. The mixture according to claim 1, characterized in that as the lower alkane it contains a mixture of normal butane-isobutane or normal pentane-isopentane.