專利名稱：適用于200～240k制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制冷技術，特別涉及一種適用于200～240K制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑。
采用多元混合工質(zhì)應用于結(jié)構形式簡單的單壓縮機驅(qū)動的回熱式節(jié)流制冷機中，可以高效地實現(xiàn)200～240K溫區(qū)?；旌瞎べ|(zhì)回熱式節(jié)流制冷機的系統(tǒng)示意圖見

圖1、圖2，主要由壓縮機CP、冷卻器AC、回熱換熱器HX、節(jié)流元件JT和低溫蒸發(fā)器EV構成。該種制冷機最為關鍵的因素在于高效多元混合物工質(zhì)的研制?；旌瞎べ|(zhì)節(jié)流制冷劑的組成與實現(xiàn)制冷的硬件及這些硬件的構成系統(tǒng)的形式是密切相關的，但是經(jīng)過深入研究表明，混合工質(zhì)固有性能是決定制冷系統(tǒng)性能的最根本因素。目前尚未有針對上述溫區(qū)的專利報道。
進行適用溫區(qū)劃分的依據(jù)在于混合工質(zhì)固有的熱力特性上，在某已知具體組成的混合物中，混合物中各組成在制冷機工作溫區(qū)到環(huán)境溫度之間不同溫區(qū)發(fā)揮不同作用，但是每種組元只在一個相對固定的溫區(qū)發(fā)揮有效制冷作用，而在其他溫區(qū)發(fā)揮較小作用，由此，可以期望在混合物中通過各組元之間的配合形成類似一種接力作用，實現(xiàn)從環(huán)境溫度到所需制冷溫度之間的高效組合。
混合工質(zhì)節(jié)流制冷機組成部件相對簡單，對應于不同部件發(fā)生的是不同的熱力過程，參見圖2，包括在壓縮機內(nèi)進行的絕熱壓縮、冷卻器內(nèi)等壓放熱，回熱換熱器內(nèi)的回熱過程，節(jié)流元件內(nèi)的節(jié)流膨脹過程，這是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的過程，由壓縮機輸入的功轉(zhuǎn)換為冷量火用，在蒸發(fā)器內(nèi)實現(xiàn)冷量火用的利用，低壓低溫工質(zhì)進入回熱換熱器冷卻高壓來流工質(zhì)，自身溫度恢復到環(huán)境溫度后，進入壓縮機完成一個熱力循環(huán)。因此，混合工質(zhì)對制冷機性能的影響最終要體現(xiàn)在對上述幾個熱力過程的影響。另外，不同熱力過程在制冷機中的地位并不完全一致，其中回熱過程對制冷機的影響(尤其是采用多元混合物工質(zhì)時)最大，同時回熱過程的效果對節(jié)流過程也有很大影響，具體表現(xiàn)在當回熱完善時，導致節(jié)流前溫度降低，使節(jié)流過程的損失也大大降低。因此對混合物工質(zhì)選擇要綜合考慮對各個熱力過程的影響，對于優(yōu)選的工質(zhì)是使每個過程的不可逆損失降低，最終系統(tǒng)獲得最佳性能。
根據(jù)上述分析，以圖1、圖2所示循環(huán)過程為例說明混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)熱力性能的計算原則單位制冷量qc＝hL2-hL3單位功耗Win＝hG01-hL1(絕熱壓縮)制冷系數(shù)COP=qcwin]]>熱效率CEF=COP×T0-TcTc]]>上述式中qc為單位制冷量，h表示焓，Win為耗功，Tc、T0分別表示制冷溫度和環(huán)境溫度，下標表示各狀態(tài)點，參見圖例說明。實現(xiàn)上述熱力性能的條件是必需滿足各熱力過程正常進行的設備約束條件，如回熱換熱器內(nèi)不能出現(xiàn)“負”溫差現(xiàn)象。
本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的適用于200～240K制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，包括4組物質(zhì)，該4組物質(zhì)分別為第1組物質(zhì)四氟甲烷(CF4)、三氟化氮(F3N)或者是二者的混合物，有效作用溫區(qū)為145～180K，確保實現(xiàn)所需制冷溫度，尤其是在工作背壓較高時；第2組物質(zhì)乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)、全氟乙烷(C2F6)或者為該組物質(zhì)中任二種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物，有效工作溫區(qū)為170～230K；
第3組物質(zhì)丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、環(huán)丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)或者為該組物質(zhì)中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物，有效工作溫區(qū)為220～270K；第四組物質(zhì)1-丁烯(1-C4H8)、異丁烷(C4H10)、2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(順式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、環(huán)丁烷(C4H8)、異丁烯(C4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)或者為該組物中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物，有效工作溫區(qū)260～350K。
這里所指各組元的有效工作溫區(qū)是對應于工作壓力范圍在高壓在1.2～2.5MPa范圍，低壓在0.1～0.7MPa范圍內(nèi)(均為絕對壓力)。
從制冷循環(huán)的角度考慮，上述各組工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)揮不同作用，第一組工質(zhì)是確保實現(xiàn)所需制冷溫度，尤其是在循環(huán)工作低壓較高時；第二組是基本工作物質(zhì)，第三組、第四組工質(zhì)主要是減小回熱過程、節(jié)流過程的損失，并且增大等溫節(jié)流效應，減小壓縮機排氣溫度，降低冷凝過程損失。上述工質(zhì)組元均為無臭氧消耗工質(zhì)(ODP為零)。
上述本發(fā)明提供的適用于200～240K制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑的第1組至第4組的物質(zhì)的摩爾濃度之和為100％，其中每一組物質(zhì)的總摩爾濃度范圍滿足下面要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～50％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；并且這個濃度范圍可以在更具體溫度范圍內(nèi)細分，具體為1、針對200K溫區(qū)(200K±5K)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～50％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～35％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；2、針對210K溫區(qū)(210K±5K)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～40％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～20％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；3、針對220K溫區(qū)(220K±5K)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～40％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～25％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；4、針對230K溫區(qū)(230K±5K)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～50％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～30％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量；5、針對240K溫區(qū)(240K±5K)第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～30％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度40％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
上述濃度范圍對應于工作壓力范圍在高壓在1.2～2.5MPa范圍，低壓在0.1～0.7MPa范圍內(nèi)(均為絕對壓力)，壓比在3～10。其中濃度變化趨勢是隨低壓增大，低沸點組元濃度增大，相對應中高沸點組元濃度減小，反之亦然。
圖2為對應于圖1所示循環(huán)的焓溫示意圖。
上述圖中，CP壓縮機，AC為冷卻器，JT為節(jié)流元件，HX為回熱換熱器，EV為蒸發(fā)器，L1～L3，G01、G0、G1為循環(huán)各狀態(tài)點，，T0為環(huán)境溫度，Tc為制冷溫度，W為壓縮機功耗，qc為制冷量。
結(jié)合圖1及圖2具體闡明本發(fā)明所提出的適用于200～240K制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑的熱力工作過程本發(fā)明的適用于200～240K制冷溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑從狀態(tài)L1進入壓縮機CP，被壓縮至狀態(tài)G01；然后進入冷卻器AC冷卻到狀態(tài)G0；進入回熱換熱器HX，被進一步冷卻到G1；然后經(jīng)過節(jié)流元件JT節(jié)流后成為L3；進入蒸發(fā)器EV，提取冷量后成為L2；接著進入回熱換熱器HX復溫，恢復到狀態(tài)L1，完成一個熱力循環(huán)。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
制備適用于200K～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，該多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，包括下述4組物質(zhì)，該4組物質(zhì)分別為第1組物質(zhì)四氟甲烷(CF4)、三氟化氮(F3N)、或者是二者的混合物，；第2組物質(zhì)乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)、全氟乙烷(C2F6)、或者是該組物質(zhì)中任兩種物質(zhì)的混合物、或該組物質(zhì)中多種物質(zhì)的混合物；第3組物質(zhì)丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、環(huán)丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)、或者是該組物質(zhì)中任兩種的混合物、或該組物種中多種物質(zhì)的混合物；第4組物質(zhì)1-丁烯(1-C4H8)、異丁烷(C4H10)、2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(順式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、環(huán)丁烷(C4H8)、異丁烯(C4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)、或者是該組物中任兩種物質(zhì)的混合物、或該組物質(zhì)中多種物質(zhì)的混合物。
實施例1制備運行于200K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，環(huán)境溫度為300K；制冷循環(huán)為圖1所示，工質(zhì)濃度及性能見下表。
實施例2制備運行于210K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，環(huán)境溫度為300K；制冷循環(huán)為圖1所示，工質(zhì)濃度及性能見下表。
實施例3制備運行于220K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，環(huán)境溫度為300K；制冷循環(huán)為圖1所示，工質(zhì)濃度及性能見下表。
實施例4制備運行于230K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，環(huán)境溫度為300K；制冷循環(huán)為圖1所示，工質(zhì)濃度及性能見下表。
實施例5制備運行于240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，環(huán)境溫度為300K；制冷循環(huán)為圖1所示，工質(zhì)濃度及性能見下表。
權利要求
1.一種適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于，包括4組物質(zhì)，該4組物質(zhì)分別為第1組物質(zhì)四氟甲烷、三氟化氮或者是二者的混合物；第2組物質(zhì)乙烯、乙烷、三氟甲烷、氙、氟代甲烷、全氟乙烯、氟乙烯、全氟乙烷或者為該組物質(zhì)中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；第3組物質(zhì)丙稀、丙烷、全氟丙烷、1，1，1-三氟乙烷、1，1，-二氟乙烷、氟乙烷、丙二烯、環(huán)丙烷、二氟甲烷或者為該組物質(zhì)中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；第4組物質(zhì)1-丁烯、異丁烷、2-甲基丁烷、1-戊烯、3-甲基-1-丁烯、2-甲基戊烷、2-丁烯、2-丁烯、環(huán)丁烷、異丁烯、正丁烷、全氟丁烷、正戊烷、全氟戊烷或者為該組物質(zhì)中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；各組物質(zhì)摩爾濃度之和為100％，其中，每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～50％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
2.按權利要求1所述的適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于，所述每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～50％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～35％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度5％～15％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
3.按權利要求1所述的適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于所述每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～40％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度10％～20％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
4.按權利要求1所述的適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于所述每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～40％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度30％～45％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～25％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
5.按權利要求1所述的適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于所述每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～35％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度35％～50％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度20％～30％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
6.按權利要求1所述的適用于200～240K溫區(qū)的多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，其特征在于所述每一組物質(zhì)的總摩爾濃度滿足下述要求第1組物質(zhì)的總摩爾濃度15％～30％；第2組物質(zhì)的總摩爾濃度40％～55％；第4組物質(zhì)的總摩爾濃度25％～35％；第3組物質(zhì)的總摩爾濃度余量。
全文摘要
本發(fā)明涉及的適用于200～240K溫區(qū)多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷劑，包括4組物質(zhì)，分別為第1組四氟甲烷、三氟化氮或其混合物；第2組乙烯、乙烷、三氟甲烷、氙、氟代甲烷、全氟乙烯、氟乙烯、全氟乙烷或其中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；第4組1－丁烯、異丁烷、2甲基丁烷、1－戊烯、3－甲基－1－丁烯、2－甲基戊烷、2－丁烯、2－丁烯、環(huán)丁烷、異丁烯、正丁烷、全氟丁烷、正戊烷、全氟戊烷或其中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；第3組丙烯、丙烷、全氟丙烷、1，1，1－三氟乙烷、1，1，－二氟乙烷、氟乙烷、丙二烯、環(huán)丙烷、二氟甲烷或其中任兩種、三種、多種或所有物質(zhì)的混合物；在各自不同溫區(qū)發(fā)揮作用，可在單級全封閉壓縮機驅(qū)動下高效工作。
文檔編號C09K5/04GK1460703SQ0312146
公開日2003年12月10日 申請日期2003年3月28日 優(yōu)先權日2002年5月17日
發(fā)明者吳劍峰, 公茂瓊, 羅二倉 申請人:中國科學院理化技術研究所