DE69206970T2 - Fluorkohlenstoffkältemittelmischungen - Google Patents
FluorkohlenstoffkältemittelmischungenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Fluorkohlenstoff-Kältemittel, das als Arbeitsfluid in einer Kältemaschine und anderen Kühlzyklen verwendet wird. Im besonderen betrifft die Erfindung ein sogenanntes "Freon(Fron)-Substitut", das kein Chlor oder Brom enthält. Das hier beschriebene Freonsubstitut ist ein Mischkältemittel aus Fluorkohlenstoffen, das eine Kühltemperatur von -30ºC oder darunter erreicht.
- Bisher wurden Chlorfluorkohlenstoffe (CFC) weitläufig als Arbeitsfluid in verschiedenen Kühlzyklen wie z.B. in einer Kältemaschine wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften angewendet. Es zeigte sich jedoch, daß CFC die Ozonschicht der Erde beeinträchtigen können. Zum Umweltschutz der Erde hat jedes Land seine eigenen Vorschriften und Ausführungsbestimmungen erstellt, um die Verwendung bestimmter Freone einschließlich CFC entsprechend internationalen Übereinkünften Zu verhindern und/oder zu steuern. Zusätzlich zur Überwachung spezifischer Freone werden Forschung und Entwicklung bei sehr vielen Firmen und Instituten durchgeführt, um ein Freonsubstitut zu finden, das kein Chlor enthält, d.h. die schädliche Substanz, welche die Ozonschicht beschädigt. Ferner wurde als Ergebnis jüngerer Studien die Beschädigung der Ozonschicht durch die genannten Freone als sehr wichtiges und ernstes Problem erkannt, das umgehend zu lösen ist. Jedes Land hat daher die Durchführung aufgestellter Vorschriften früher als geplant begonnen.
- Andererseits sind Freon 502 (azeotrope Mischung von CHClF&sub2; und C&sub2;ClF&sub5;) und Freon 13B1 (CBrF&sub3;) bekanntlich in der Lage, eine Kühltemperatur von -30ºC oder darunter zu erreichen. Beide Freone können aber nicht eingesetzt werden oder sind entsprechend den Vorschriften als sehr schädlich eingestuft, weil sie Chlor oder Brom enthalten. Ein Freonsubstitut (HFC) mit einer Verdampfungstemperatur (Siedepunkt) von -30ºC oder darunter wurde noch nicht entwickelt.
- Die EP-A-0 539 952 beschreibt ein Arbeitsfluid, das aus mindestens drei Arten von Kohlenwasserstoffen besteht, von denen einer Chlortetrafluorethan enthält.
- Ausgehend von dem vorstehend erläuterten technischen Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein neuartiges Kältemittel anzugeben, das kein Chlor oder Brom enthält, jedoch eine Kühltemperatur von -30ºC oder darunter erreicht.
- Diese Aufgabe kann mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden durch ein Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel mit den in Anspruch 1 genannten Komponenten. Ein Kühlverfahren ist Gegenstand des Anspruchs 4.
- Die Erfindung ergab sich nach sorgfältigen und eingehenden Studien der kombinierten Verwendung zweier oder mehr Fluorkohlenstoffe, die Wasserstoff enthalten, jedoch frei von Chlor und Brom sind, wodurch man ein Freon-Arbeitsfluid mit einem Siedepunkt von -30ºC oder darunter erhält.
- Das vorstehend genannte Fluorkohlenstoff-Kältemittel nach der Erfindung enthält zwei Arten von Fluorkohlenstoffen oder Freonen. Ein Freon ist Freon 134a mit einem Siedepunkt von -26,3ºC, das andere Freon ist Freon 23 mit einem Siedepunkt von -82,0ºC, und eine Mischung dieser Freone ist eine nicht azeotrope Mischung. Es sei jedoch bemerkt, daß die nicht azeotrope Mischung von Freon 134a und Freon 23 einen Siedepunkt (Kühltemperatur) von -30ºC oder darunter erreichen kann. Die Bezeichnung "Kühltemperatur" bedeutet hier die Temperatur, welche typisch in einer Kälte- oder anderen Maschine auftritt
- Überraschend hat sich gezeigt, und der genaue Mechanismus dieser Erscheinung ist noch nicht geklärt, daß der Siedepunkt von -30ºC oder darunter immer erzielbar ist, auch wenn Freon 134a mit einem sehr kleinen Anteil Freon 23 gemischt wird.
- Das Fluorkohlenstoff-Kältemittel nach der Erfindung enthält vorzugsweise 60 bis 95 Gew% Freon 134a und 5 bis 40 Gew% Freon 23, wenn der Siedepunkt von -40ºC oder darunter erzielt werden soll.
- Wie vorstehend beschrieben, wird Freon 134a vorzugsweise in einem Mischverhältnis von 60 bis 95 Gew% des Kältemittels verwendet, um den Siedepunkt von -40ºC oder darunter zu erreichen. Wenn sein Mischverhältnis 95 Gew% überschreitet, nämlich Freon 23 mit weniger als 5 Gew% verwendet wird, ist eine stabile Kühltemperatur von -40ºC oder weniger schwierig erreichbar. Wenn das Mischverhältnis von Freon 23 40 Gew% übersteigt, d.h. ein Anteil von Freon 134a unter 60 Gew% verwendet wird, kann der Entladedruck der Kältemaschine oder des Kompressors übermäßig stark ansteigen. Um Probleme durch erhöhten Druck zu vermeiden, muß dann ein speziell konstruierter Kompressor vorgesehen sein. Ist eine Kühltemperatur von -45ºC oder weniger ohne übermäßigen Druckanstieg gewünscht, so werden vorzugsweise 80 ± 5 Gew% Freon 134a mit 20 ± 5 Gew% Freon 23 kombiniert. Die besten Ergebnisse werden vorzugsweise erzielt, wenn 76 ± 2 Gew% Freon 134a mit 24 ± 2 Gew% Freon 23 kombiniert werden.
- Das Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel nach der Erfindung enthält mindestens ein Additiv aus der Gruppe gesättigte Kohlenwasserstoffe, ungesättigte Kohlenwasserstoffe und aromatische Kohlenwasserstoffe, um die Kühltemperatur weiter zu verringern und auch den Entladedruck zu verringern und nicht zu erhöhen.
- Die als Additiv verwendeten gesättigten Kohlenwasserstoffe werden allgemein durch die Formel CnH2n+2 dargestellt, wobei n eine ganze Zahl ist. Typische Beispiele sind Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan und Isopentan. Vorzugsweise wird als Additiv Isopentan verwendet. Ferner werden sehr gute Ergebnisse erzielt, wenn ein Additiv von Kohlenwasserstoffen mit hohem Molekulargewicht verwendet wird, das unter der Bezeichnung "SDG" von Daiei Yakuhin Kogyo Kabushiki Kaisha vertrieben wird.
- Die hier verwendeten ungesättigten Kohlenwasserstoffe werden allgemein durch die Formel CnH2n angegeben. Dabei ist n wie vorstehend definiert, typische Beispiele sind Ethylen, Propylen, Butylen und Penten. Vorzugsweise wird Penten verwendet.
- Die hier verwendeten aromatischen Kohlenwasserstoffe sind beispielsweise Benzol, Toluol und Ethylbenzol.
- Es hat sich gezeigt, daß diese Kohlenwasserstoff-Additive die Mischfähigkeit von Freon 134a und Freon 23 erhöhen können, den Siedepunkt des erhaltenen Kältemittels weiter verringern und auch die Entladetemperatur der Maschine reduzieren.
- Die Kohlenwasserstoff-Additive können der Kältemittelmischung und/oder einem Kältemaschinenöl beigegeben werden. Durch Beifügen dieser Additive zu dem Kältemaschinenöl wird es möglich, eine Schlammbildung zu vermeiden, weil die Zusätze in dem Öl sehr gut löslich sind, und es ergibt sich ein entsprechend stabiler Betrieb der Kältemaschine über lange Zeit. Es hat sich auch gezeigt, daß das Recycling des Öls verbessert wird.
- Die Menge der Additive bei Zusatz zum Kältemaschinenöl ist vorzugsweise 1 bis 30 und insbesondere 3 bis 30 Gew%, bezogen auf die Ölmenge. Ein Anteil von weniger als 1 Gew% reicht nicht aus, um den vorteilhaften Effekt auf das Öl zu erzielen, und bewirkt auch keine wesentliche Änderung der Kühlkapazität der Kältemaschine. Im Gegensatz dazu wird bei einem Anteil der Additive über 30 Gew% die Kompressionsrate und die Kühlkapazität zur Abnahme neigen.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand von Arbeitsbeispielen weiter erläutert. Freon 134a und Freon 23 haben bei dieser Verwendung jeweils die folgenden physikalischen Eigenschaften, und wie aus diesen Eigenschaften hervorgeht, ist das Mischkältemittel nach der Erfindung eine Mischung aus zwei völlig unterschiedlichen Fluorkohlenstoffen. Tabelle 1 Bezeichnung Freon Chem. Name Chem. Formel Molekulargewicht Siedepunkt (ºC) Gefrierpunkt (ºC) krit. Temperatur (ºC) krit. Druck (kgf/cm²) krit. Dichte (g/cm³) Dichte gesättigte Flüssigkeit bei 25ºC (g/cm³) gesättigter Dampf bei 25ºC (g/l) spezifische Wärme Atmosphärendruck - Dampf bei 25ºC (cal/g ºC) latente Verdampfungswärme am Siedepunkt (cal/g) Wärmeleitfähigkeit gesättigte Flüssigkeit bei 25ºC (Kcal./m hr ºC) Atmosphärendruck - Dampf bei 25ºC (Kcal./m hr ºC) Viskosität gesättigte Flüssigkeit bei 25ºC (cP) Atmosphärendruck - Dampf bei 25ºC (cP) dielektrische Konstante Atmosphärendruck - Dampf bei 25ºC Tetrafluorethan Trifluormethan keine Daten
- Ein Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel wurde durch Mischen von Freon 134a und Freon 23 mit unterschiedlichen Mischverhältnissen, bezogen auf Gew%, hergestellt. Das Mischkältemittel wurde in einer Kältemaschine / einem Kompressor (Modell F-14L der Firma Dunfoss) verwendet, und diese(r) wurde in konventioneller Weise betrieben. Versuche wurden wie in der folgenden Tabelle (Tabelle 2) angegeben ausgeführt, wobei die Tabelle auch die Ergebnisse enthält. Bei jedem Beispiel war das Gesamtgewicht des Kältemittels 220 g, und es wurden 600 cc Kältemaschinenöl beigefügt. Tabelle 2 Beispiele Bezeichung Mischerverhältnis von Freon 134a:Freon 23 (Gew%:Gew%) Entladedruck abs (kg/cm²) Eingangsdruck (kg/cm²) Kompressionverhaltnis Kühltemperatur (ºC) Raumtemperatur (ºC) Entladeleitungstemperatur Zufuhrleitungstemperatur
- Die in Tabelle 2 enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß eine Kühltemperatur von unter -30ºC bei jedem Mischverhältnis erzielbar war. Da der Entladedruck mit einer Verringerung des Anteils von Freon 134a in dem Mischkältemittel zunehmen kann, sollte ein Anteil von Freon 134a unter 60 Gew% vermieden werden.
- Das Verfahren nach den Beispielen 1A bis 1H wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß Freon 134a und Freon 23 in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt wurden und Isopentan als Additiv dem Kältemaschinenöl beigefügt wurde, wie in Tabelle 3 angegeben. Der Anteil des Kältemittels betrug 220 g, der Anteil des Kältemaschinenöls 600 cc. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle (Tabelle 3) zusammengefaßt. Tabelle 3 Beispiele Bezeichung Mischerverhältnis von Freon 134a:Freon 23 (Gew%:Gew%) Isopentanmenge (cc) Entladedruck abs (kg/cm²) Eingangsdruck (kg/cm²) Kompressionverhaltnis Kühltemperatur (ºC) Raumtemperatur (ºC) Entladeleitungstemperatur (ºC) Zufuhrleitungstemperatur (ºC)
- Die in Tabelle 3 enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß durch Beifügen von Isopentan die Kühltemperatur weiter verringert wurde und gleichzeitig der Entladedruck abnahm, verglichen mit den Ergebnissen der Beispiele 1a bis 1E. Es wurde bewiesen, daß durch Beifügen von Isopentan eine Erhöhung des Entladedrucks vermeidbar ist, auch wenn Freon 23 mit einem relativ hohen Anteil verwendet wird. In den Beispielen 2E und 2F wurden die Kältemaschinenöle durch eine Abnahme der Viskosität verschlechtert.
- Das Verfahren nach Beispiel 1A bis 1D wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß das in jedem Beispiel verwendete Mischkältemittel durch Mischen von Freon 134a und Freon 23 in unterschiedlichen Mischverhältnissen, bezogen auf Gew%, von 76:24 (Beispiele 3A und 38), 96:5 (Beispiel 3C) und 76:24 (Beispiele 3D und 3E) hergestellt wurde, und in jedem Beispiel das im folgenden aufgeführte Additiv zum Kältemaschinenöl verwendet wurde. Beispiel Nr Additiv Menge (cc) Gesamtgewicht des Kältemittels (g) Gesamtmenge des Kältemaschinenöls (cc) Isopentan 38 Isopentan 50 227 600 Ethylbenzol* Penten** * ein aromatischer Kohlenwasserstoff ** ein ungesättigter Kohlenwasserstoff
- Beispiele 3A und 38 sollten die Ergebnisse des besten Mischverhältnisses von Freon 134a und Freon 23 zeigen, Beispiel 3C sollte einen unteren Grenzwert des Anteils von Freon 23 zeigen, und die Beispiele 3D und 3E sollten die Ergebnisse bei Zusatz eines aromatischen Kohlenwasserstoffs und eines ungesättigten Kohlenwasserstoffs zum Kältemaschinenöl zeigen. Die Ergebnisse der Versuche sind in der folgenden Tabelle (Tabelle 4) zusammengefaßt. Tabelle 4 Beispiele Bezeichnung Mischverhältnis von Freon 134a:Freon 23 (Gew%:Gew%) Additiv (50 cc) Entladedruck abs (kg/cm²) Eingangsdruck (kg/cm²) Kompressionsverhältnis Kühltemperatur (ºC) Raumtemperatur (ºC) Entladeleitungstemperatur (ºC) Zufuhrleitungstemperatur (ºC) Isopentan Ethylbenzol Penten
- Die in Tabelle 4 enhaltenen Ergebnisse zeigen, daß bei den Beispielen 3A und 3B eine Kühltemperatur nahe -55ºC erzielt wurde, während der Entladedruck auf einem niedrigen Wert gehalten wurde. Die Ergebnisse aus Beispiel 3C zeigen, daß bei Verwendung von Freon 23 in einem Mischverhältnis von nur 5 Gew% eine Kühltemperatur von -40ºC erzielbar ist. Ferner zeigen die Ergebnisse der Beispiele 3D und 3E, daß ähnliche Ergebnisse erzielbar sind, wenn aromatische oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe als Additiv zum Kältemaschinenöl vorgesehen sind.
- Das Verfahren nach Beispiel 1A bis 1H wurde wiederholt mit dem Unterschied, daß das Mischkältemittel in jedem Beispiel durch Mischen von Freon 134a und Freon 23 in einem Mischverhältnis, bezogen auf Gew%, von 76:24 hergestellt wurde, und daß in jedem Beispiel eine Kombination der folgenden Additive zum Kältemaschinenöl verwendet wurde. Beispiel Nr. Additiv Menge (cc) Gesamtgewicht des Kältemittels (g) Gesamtmenge des Kältemaschinenöls (cc) Anmerkung: A steht für Isopentan. B steht für Penten. C steht für Ethylbenzol.
- Die Ergebnisse der Versuche sind in der folgenden Tabelle (Tabelle 5) zusammengefaßt. Tabelle 5 Beispiele Bezeichnung Mischverhältnis von Freon 134a:Freon 23 (Gew%:Gew%) Additiv (30 cc) Entladedruck abs (kg/cm²) Eingangsdruck (kg/cm²) Kompressionsverhältnis Kühltemperatur (ºC) Raumtemperatur (ºC) Entladeleitungstemperatur (ºC) Zufuhrleitungstemperatur (ºC)
- Die in Tabelle 5 enthaltenen Ergebnisse zeigen, daß eine Kühltemperatur von -51ºC oder darunter durch eine Kombination zweier oder mehr Additive erzielbar ist.
- Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird durch die Erfindung ein Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel erzielt, das nicht zu dem Problem einer Beschädigung der Ozonschicht führt und außerdem die Temperatur einer Kältemaschine auf -30ºC oder darunter reduziert.
Claims (6)
1. Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel, das
1,1,1,2-Tetrafluorethan und Trifluormethan sowie ferner ein
Kältemaschinenöl und ein aus der aus gesättigten Kohlenwasserstoffen,
ungesättigten Kohlenwasserstoffen, aromatischen
Kohlenwasserstoffen und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewähltes
Additiv mit 1 bis 30 Gew.-% des Kältemaschinenöls enthält.
2. Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel nach Anspruch 1, das
60 bis 95 Gew.-% 1,1,1,2-Tetrafluorethan und 5 bis 40 Gew.-%
Trifluormethan enthält.
3. Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel nach Anspruch 2, das
75 bis 85 Gew.-% 1,1,1,2-Tetrafluorethan und 15 bis 25 Gew.-%
Trifluormethan enthält.
4. Kühlverfahren umfassend die Eingabe eines
Fluorkohlenstoff-Mischkältemittels in eine Kältemaschine, wobei das
Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel 1,1,1, 2-Tetrafluorethan und
Trifluormethan enthält, ferner umfassend die Eingabe von
Kältemaschinenöl und eines aus der aus gesättigten
Kohlenwasserstoffen, ungesättigten Kohlenwasserstoffen, aromatischen
Kohlenwasserstoffen und deren Gemischen bestehenden Gruppe
ausgewählten Additivs in einer Menge von 1 bis 30 Gew.-% des
Kältemaschinenöls in die Kältemaschine.
5. Kühlverfahren nach Anspruch 4, bei welchem das
Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel 60 bis 95 Gew.-% 1,1,1,2-
Tetrafluorethan und 5 bis 40 Gew.-% Trifluormethan enthält.
6. Kühlverfahren nach Anspruch 5, bei welchem das
Fluorkohlenstoff-Mischkältemittel 75 bis 85 Gew.-%
1,1,1,2-Tetrafluorethan und 15 bis 25 Gew.-% Trifluormethan enthält.
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