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DE69208681T2 - Verwendungen von 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan - Google Patents

Verwendungen von 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan

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DE69208681T2
DE69208681T2 DE69208681T DE69208681T DE69208681T2 DE 69208681 T2 DE69208681 T2 DE 69208681T2 DE 69208681 T DE69208681 T DE 69208681T DE 69208681 T DE69208681 T DE 69208681T DE 69208681 T2 DE69208681 T2 DE 69208681T2
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refrigerant
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Tuneen New Castle De 19720 Chisolm-Carter
Richard Edward Bear De 19701 Fernandez
Mark Brandon Newark De 19711 Shiflett
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EI Du Pont de Nemours and Co
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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft die Verwendung von 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (HFC-236fa) als Kühlmittel, Wärmeübertragungsmedium, gasförmiges Dielektrikum, Desinfektionsmittelträgermedium, Polymerisationsmedium, Teilchen-Entfernungsfluid, Trägerfluid, polierendes Schleifmittel, Verdrängertrockenmittel und als Stromkreisarbeitsfluid. Insbesondere betrifft sie 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan als hochwirksames und potentiell umweltverträgliches Kühlmittel in Kühlausrüstung, die die zentrifugalverdichtung anwendet.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die mechanische Kühlung ist hauptsächlich eine Anwendung der Thermodynamik, bei der ein Kühlmedium, wie ein Kühlmittel, einen Kreislauf durchläuft, so daß es zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden kann. Die üblicherweise angewendeten Kreisläufe schließen ein Dampfkompression, Absorption, Dampfstrahl oder Dampfstrahlejektorpumpe und Luft.
  • Es gibt verschiedene Typen von Verdichtern, die bei Kühlanwendungen verwendet werden können. Verdichter können im allgemeinen eingeteilt werden als Kolben-, Rotations-, Einspritz-, zentrifugal- oder Axialverdichter, in Abhängigkeit von dem mechanischen Mittel, das das Fluid komprimieren soll, oder als Positivverdrängung oder dynamisch, in Abhängigkeit davon, wie die mechanischen Elemente auf das zu verdichtende Fluid wirken.
  • Ein Zentrifugalverdichter verwendet rotierende Elemente, um das Kühlmittel radial zu beschleunigen und umfaßt typischerweise einen Impeller und Verteiler, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind. Zentrifugalverdichter saugen im allgemeinen das Fluid an einer zentralen Impelleransaugöffnung oder an einem zentralen Einlaß eines Umlaufimpellers an und beschleunigen es radial nach außen. Ein gewisser Anstieg des statischen Druckes tritt im Impeller auf, jedoch tritt der größte Teil des Druckanstieges in dem Verteilerabschnitt des Gehäuses auf, wo die Geschwindigkeit in einen statischen Druck umgewandelt wird. Jede Impeller-Verteiler-Anordnung ist eine Stufe des Verdichters. Zentrifugalverdichter werden mit 1 bis 12 oder mehr Stufen, in Abhängigkeit von dem gewünschten Enddruck und dem zu handhabenden Volumen des Kühlmittels gebaut.
  • Das Druckverhältnis oder Verdichtungsverhältnis eines Verdichters ist das Verhältnis von absolutem Verdichtungsdruck zu absolutem Ansaugdruck. Der von einem Zentrifugalverdichter gelieferte Druck ist praktisch über einen relativ breiten Bereich von Kapazitäten konstant.
  • Im Gegensatz zu einem Positiv-Verdrängungsverdichter hängt ein Zentrifugalverdichter vollständig von der Zentrifugalkraft des Hochgeschwindigkeitsimpellers ab, um den durch den Impeller strömenden Dampf zu verdichten. Es existiert keine positive Verdrängung, jedoch statt dessen das, was dynamische Verdichtung genannt wird.
  • Der Druck, den ein Zentrifugalverdichter entwickeln kann, hängt von der Geschwindigkeit der Impellerspitze ab. Die Geschwindigkeit der Spitze ist die Geschwindigkeit des Impellers, gemessen an seiner Spitze, und hängt mit dem Durchmesser des Impellers und seinen Umdrehungen pro Minute zusammen. Die Kapazität des Zentrifugalverdichters wird bestimmt durch die Größe der Durchgänge durch den Impeller. Dies macht die Größe des Verdichters abhängiger von dem erforderlichen Druck als von der Kapazität.
  • Aufgrund seines Hochgeschwindigkeitsbetriebes ist ein Zentrifugalverdichter im Prinzip eine Hochvolumen-Niederdruck- Maschine. Ein Zentrifugalverdichter arbeitet am besten mit einem Niederdruckkühlmittel wie Trichlorfluormethan (CFC-11). Wird CFC-11 als Kühlmittel verwendet, so liegt der Ansaugdruck in dem Verdichter bei etwa 457 bis 635 mm (18 bis 25 in.) Vakuum, in Abhängigkeit von der erforderlichen Verdampfertemperatur, und der Verdichtungsdruck liegt nahe bei Atmosphärendruck. Ein Einstufenimpeller kann mit CFC-11 zur Klimatisierung der Ansaugtemperaturen verwendet werden.
  • Unter vielen Bedingungen ist ein Zweistufenimpeller üblich. Im Betrieb verläuft die Entladung aus dem Erststufenimpeller zu der Ansaugaufnahme eines zweiten Impellers. Jede Stufe kann ein Kompressionsverhältnis von etwa 4:1 aufbauen, d.h. der absolute Verdichtungsdruck kann das Vierfache des absoluten Ansaugdruckes betragen.
  • Zentrifugalverdichter liegen in einem Größenbereich von 200 bis 10 000 kW Kühlkapazität. Für Anwendungen, die mehr oder weniger Kühlkapazität als CFC-11 erfordern, können 1,2,2-Trichlortrifluorethan (CFC-113) oder 1,2-Dichlortetrafluorethan (CFC-114) als Kühlmittel anstelle von CFC-11 verwendet werden, ohne daß sich der Verdichter ändert, mit der Ausnahme, daß ein richtig bemessener Motor bereitgestellt wird.
  • Durch eine vorgeschlagene weltweite Verringerung in der Produktion von vollständig halogenierten Chlorfluorkohlenstoffen wie CFC-11, CFC-113 und CFC-114 hat sich ein dringender Bedarf an alternativen umweltverträglicheren Produkten entwickelt.
  • Es wurden große Investitionen in Zentrifugalverdichter getätigt, die für CFC-113 oder CFC-114 gedacht waren. Ein Zentrifugalverdichter ist für das Kühlmittel gedacht, mit dem er verwendet werden soll. D.h. ein Zentrifugalverdichter wird typischerweise so entworfen, indem zuerst ein Kühlmittel ausgewählt wird und dann die gewünschte Kühlkapazität und Leistungsquelle bestimmt werden. Sind diese Variablen einmal bekannt, so werden der Durchmesser des Impellers, die Größe der Impelleröffnung und die Anzahl der Stufen festgelegt, um die gewünschte Kühlkapazität zu erreichen.
  • Ein Problem des Ersatzes der Chlorfluorkohlenstoffe durch alternative Kühlmittel zur Verwendung in den existierenden Zentrifugalverdichtern besteht darin, daß, wenn das alternative Kühlmittel nicht bestimmte physikalische Kriterien erfüllt, das alternative Kühlmittel nicht in dem existierenden Zentrifugalverdichter arbeitet. Wichtige Kriterien schließen ein die "Spitzengeschwindigkeit" eines Kühlmittels, was die Geschwindigkeit des Impellers, wie gemessen an seiner Spitze, für einen gegebenen Zentrifugalverdichter bedeutet, und die Dichte und das Molekulargewicht des Kühlmittels.
  • Falls es gewünscht wird, ein Kühlmittel in einem Zentrifugalverdichter zu ersetzen, und das Ersatzkühlmittel nicht genauso gut arbeitet wie das Originalkühlmittel, ist es möglich, einen Verdichter für das Ersatzkühlmittel zu entwerfen und den Originalverdichter zu ersetzen. Jedoch ist der Ersatz eines existierenden Verdichters nicht in allen Fällen möglich. Beispielsweise kann ein Zentrifugalverdichter so groß sein (wie er in den Kühlsystemen von großen Gebäuden verwendet wird), daß er nicht durch einen neu entworfenen Verdichter ersetzt werden kann. In solchen Fällen muß das Ersatzkühlmittel in dem Originalverdichter arbeiten.
  • Die EP-A-0 445 611 betrifft die Bereitstellung von Schmiermitteln für Kühlgerät. Dieses Dokument erwähnt 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan unter einer Auflistung von Fluorkohlenwasserstoffen, schlägt jedoch nicht seine Verwendung in Kühlgerät vor, das die Zentrifugalverdichtung einsetzt.
  • Die JP-A-90-272086 offenbart eine große Anzahl von wasserstoffhaltigen halogenierten Kohlenwasserstoffen, von denen behauptet wird, daß sie als Kühlmedien geeignet sind. Unter diesen wird R-236fa (1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan) erwähnt, es wird jedoch nicht seine Verwendung in Kühlgerät vorgeschlagen, das die Zentrifugalverdichtung einsetzt.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die Erfindung betrifft die Entdeckung, daß 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (HFC-236fa) als Kühlmittel und insbesondere als Kühlmittel zur Verwendung in Zentrifugalverdichtungskühlgerät eingesetzt werden kann.
  • Es gibt drei wichtige Wahlmöglichkeiten bei der Auswahl oder beim Entwurf eines Zentrifugalverdichters. Der Durchmesser des Impellers, was die Länge von dem Ende von einem der Impellerblätter zu dem Ende der gegenüberliegenden Blätter bedeutet, die Breite des Durchganges in dem Impeller und das Kühlmittel. Impeller und Kühlmittel müssen in einer Kombination gewählt werden, die für eine gewünschte Anwendung am besten paßt.
  • Der Durchmesser des Impellers hängt ab von dem Verdichtungsdruck, der erreicht werden muß. Für eine gegebene Drehgeschwindigkeit stellt ein großer Impellerdurchmesser eine höhere Spitzengeschwindigkeit bereit, was zu einem höheren Druckverhältnis führt. Die Spitzengeschwindigkeit bedeutet die Tangentialgeschwindigkeit des Kühlmittels, das den Impeller verläßt. Falls ein Zentrifugalverdichter, der CFC-114 als Kühlmittel verwendet, durch einen Elektromotor angetrieben wird, der bei 85 U/sec (ris) arbeitet, und der Impellerdurchmesser des Verdichters 0,575 m beträgt, erzeugt der Impeller eine Spitzengeschwindigkeit von 153,4 m/s.
  • Es ist wünschenswert, einen für CFC-114 "einspringenden" Ersatz zu finden, d.h. ein Kühlmittel, das in dem Gerät verwendet werden kann, das für CFC-114 gedacht ist und das sich ähnlich wie CFC-114 verhält. Um in dem existierenden Gerät genauso gut wie CFC-114 zu arbeiten, muß ein Kühlmittel so sein, daß der Impeller, wenn es verwendet wird, eine Spitzengeschwindigkeit erreicht, die mit der Spitzengeschwindigkeit des Impellers bei Verwendung von CFC-114 übereinstimmt oder nahezu übereinstimmt. HFC-236fa stellt eine Spitzengeschwindigkeit bereit, die identisch oder nahezu identisch ist mit der Spitzengeschwindigkeit von CFC-114, wenn die beiden Kühlmittel in demselben Arbeitsgerät verwendet werden.
  • Ein weiterer wichtiger Faktor beim Entwurf eines Zentrifugalverdichters ist die Breite des Durchganges in dem Impeller. Eine zunehmende Größe dieses Durchgangs vergrößert die Kapazität des Verdichters, vergrößert jedoch auch die von dem Verdichter benötigte Leistung. Zentrifugalverdichter sind so entworfen, daß sie hohe Wirkungsgrade beibehalten, insbesondere, wenn die Verdichter mit Maschinen verwendet werden, die bei niedrigen Kapazitäten arbeiten. Ein Weg zur Vergrößerung des Wirkungsgrades des Verdichters ohne Vergrößerung der Breite zwischen den Impellerblättern besteht in der Verwendung eines Kühlmittels mit niedriger Dichte wie CFC-114, des die Reibung an den schmalen Impellerfrontflächen relativ zu der Fließgeschwindigkeit durch den Impeller herabsetzt.
  • Die flüssige Dichte von CFC-114 beträgt bei Raumtemperatur 1,555 g/cc, und die flüssige Dichte von 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan beträgt bei Raumtemperatur 1,230 g/cc. Die niedrigere Dichte von HFC-236fa kann den Wirkungsgrad eines Zentrifugalverdichters bei niedrigen Kapazitäten vergrößern und sollte es wenigstens ermöglichen, daß der zentrifugalverdichter bei demselben Wirkungsgrad arbeitet, als wenn CFC-114 verwendet werden würde.
  • Ferner ist das Molekulargewicht des Kühlmittels eine wichtige Überlegung beim Entwurf von Zentrifugalverdichtern. Das Molekulargewicht von CFC-114 beträgt 170,9, und das Molekulargewicht von 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan beträgt 152,0. Eine weitere wichtige physikalische Eigenschaft von HFC-136fa besteht darin, daß es bei -105 ºC siedet, was nahe am Siedepunkt von 3,6 ºC für CFC-114 liegt.
    • BEISPIEL 1 Spitzengeschwindigkeit zur Druckentwicklung
  • Die Spitzengeschwindigkeit kann bestimmt werden, indem einige fundamentale Beziehungen für das Kühlgerät, das Zentrifugalverdichter einsetzt, aufgestellt werden. Das Drehmoment, das ein Impeller idealerweise einem Gas verleiht, ist definiert als
  • T = m*(v&sub2;*r&sub2;-v&sub1;*r&sub1;) Gleichung 1
  • worin
  • T = Drehmoment, N*m
  • m = Massendurchsatz, kg/s
  • v&sub2; = Tangentialgeschwindigkeit des Kühlmittels, das den Impeller verläßt, m/s
  • r&sub2; = Radius des Impelleraustrittes, m
  • v&sub1; = Tantentialgeschwindigkeit des Kühlmittels, das in den Impeller eintritt, m/s
  • r&sub1; = Radius des Impellereinlasses, m.
  • Unter der Annahme, daß das Kühlmittel in den Impeller in im wesentlichen radialer Richtung eintritt, ist die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit v&sub1; = 0, darum
  • T = m*v&sub2;*r&sub2; Gleichung 2
  • Die an der Welle erforderliche Leistung ist das Produkt von Drehmoment und Rotationsgeschwindigkeit
  • p = T*w Gleichung 3
  • worin
  • P = Strom, W
  • w = Rotationsgeschwindigkeit, r/s, darum
  • P = T*w = m*v&sub2;*r&sub2;*w Gleichung 4
  • Bei niedrigen Kühlmittelfließgeschwindigkeiten sind die Spitzengeschwindigkeiten des Impellers und die Tangentialgeschwindigkeit des Kühlmittel nahezu identisch, darum
  • r&sub2;*w = v&sub2; Gleichung 5
  • und
  • P = m*v&sub2;*v&sub2; Gleichung 6
  • Eine weitere Beziehung für die ideale Leistung ist das Produkt von Massendurchsatz und isentropischer Kompressionsarbeit
  • p = m*Hi*(1000 J/kJ) Gleichung 7
  • worin
  • Hi = Unterschied in derenthalpiedes Kühlmittels aus einem gesättigten Dampf bei Verdampfungsbedingungen zu Kondensationsbedingungen unter Sättigung, kJ/kg. Eine Kombination der beiden Beziehungen, Gleichung 6 und Gleichung 7, liefert
  • v&sub2;*v&sub2; = 1000*Hi Gleichung 8
  • Obwohl Gleichung 8 auf einigen fundamentalen Annahmen beruht, stellt sie eine gute Abschätzung der Spitzengeschwindigkeit des Impellers und einen wichtigen Weg zum Vergleich der Spitzengeschwindigkeiten von Kühlmitteln bereit.
  • Tabelle 1 zeigt die theoretischen Spitzengeschwindigkeiten für Dichlortetrafluorethan (CFC-114), 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan (HFC-236fa) und Ammoniak. Die für diesen Vergleich angenommenen Bedingungen sind, daß das Kühlmittel von einem gesättigten Dampf bei 4,4 ºC (40 ºF) auf einen Druck verdichtet wird, der einer Kondensationstemperatur von 43,3 ºC (110 ºF) entspricht. Dies sind die typischen Bedingungen, unter denen ein Zentrifugalkühler arbeitet.
  • Ferner beträgt der Durchmesser des Impellers 0,575 m, und für CFC-114 wird der Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben, der bei 85 r/s arbeitet. Für HFC-236fa wird der Verdichter durch einen Motor angetrieben, der bei 88 r/s arbeitet. TABELLE 1 Ammoniak
  • Um eine Kühlleistung bereitzustellen, die unter Verwendung des existierenden Gerätes, das für CFC-114 gedacht ist, ähnlich ist wie die von CFC-114, muß ein Kühlmittel eine Spitzengeschwindigkeit bereitstellen, die mit der Spitzengeschwindigkeit, die unter Verwendung von CFC-114 erzeugt wird, übereinstimmt oder nahezu übereinstimmt. Unter Verwendung von HFC-236fa Einspring-Ersatz in der für CFC-114 ge dachten Apparatur und mit einem Raddurchmesser von 0,575 m erzeugt HFC-236fa eine Spitzengeschwindigkeit von 159,3 m/s mit einer Motorbetriebsgeschwindigkeit von 88 r/s. Diese Betriebsgeschwindigkeit könnte übernommen werden, wenn derselbe Motor verwendet wird, wie er in der vorliegenden Appa ratur verwendet wird. Alternativ kann die Radgröße auf 0,6 m vergrößert werden, um den Motor bei 85 r/s zu betreiben. Somit ist es möglich, HFC-236fa in dem existierenden Gerät, das für CFC-114 gedacht ist, mit wenig oder keiner Geräteabänderung zu verwenden.
    • BEISPIEL 2
  • Dieses Beispiel vergleicht das Verhalten von HFC-236fa mit CFC-114 in einem Zentrifugalkühlgerät. Die Größe des Impellers ist in diesem Beispiel 0,762 m. Verdampfertemperatur ºC Verdampferdruck, kpa Netto-Kühleffekt, kJ/kg Kühlmittelfluß, kg/s Verdichter-Fließgeschwindigkeit (Einlaß) l/s polytroper Verdichtungsdruck (m Gashöhe) relative Spitzengeschwindigkeit, m/s akustische Geschwindigkeit, m/s Kühlertemperatur, ºC Kühlerdruck, kpa kW kW/kW Kühlung
  • Diese Daten zeigen, daß HFC-236fa als Ersatz für CFC-114 verwendet werden kann. Einige Abänderungen des Motors für die Verdichter, die zur Verwendung mit CFC-114 gedacht sind, können zur Verwendung von HFC-236fa als Einspring-Ersatz notwendig sein, wie eine Übersetzung des Motors ins Schnelle oder eine Untersetzung ins Langsame.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung die Entdeckung, daß HFC-236fa als Kühlmittel für Zentrifugalverdichter, die zur Verwendung mit CFC-11, CFC-113 und CFC-114 gedacht sind, verwendet werden kann, wobei der Ersatz von CFC-114 bevorzugt ist.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Kühlung, das die Bereitstellung eines Zentrifugalverdichters, der zur Verwendung von Trichlorfluormethan, 1,2,2-Trichlortrifluorethan oder 1,2-Dichlortetrafluorethan als Kühlmittel ausgelegt ist, die Verdichtung des Kühlmittels in dem Zentrifugalverdichter und das Verdampfen des Kühlmittels in der Nachbarschaft eines zu kühlenden Körpers umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Zentrifugalverdichter verwendete Kühlmittel 1,1,1,3,3,3-Hexafluorpropan ist.
DE69208681T 1991-11-06 1992-11-05 Verwendungen von 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan Expired - Fee Related DE69208681T2 (de)

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