用于熱泵熱水器的氫氟烴制冷劑組合物的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于熱泵熱水器的氫氟烴制冷劑組合物。氫氟烴制冷劑組合物使得現(xiàn)有壓縮機(jī)技術(shù)以可靠(低的排氣溫度和壓力)和高效(高產(chǎn)能和效率)的方式應(yīng)用到熱泵熱水器領(lǐng)域。一方面，本發(fā)明的制冷劑包括五氟乙烷(HFC-125)、四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC-143a)的摻混物。另一方面，該制冷劑包括五氟乙烷(HFC-125)、二氟甲烷(HFC-32)、四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC-143a)的摻混物。
【專利說明】用于熱泵熱水器的氫氟烴制冷劑組合物
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年5月7日、申請(qǐng)?zhí)枮?01010225208.5、名稱為“用于熱泵熱水器的氫氟烴制冷劑組合物”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及用作制冷劑的組合物。更準(zhǔn)確地說，本發(fā)明涉及用于熱泵熱水器系統(tǒng)的氫氟烴制冷劑組合物。
【背景技術(shù)】
[0003]熱水廣泛應(yīng)用于家庭住宅、商業(yè)建筑、加熱工業(yè)、洗浴、工業(yè)加工等。燃?xì)忮仩t和電加熱器主要用于供應(yīng)熱水。熱泵熱水器(HPWH)是另一種供應(yīng)熱水的設(shè)備。由于HPWH使用可再生能源作為熱源，對(duì)環(huán)境影響低，因而在家用和輕工業(yè)(light commercial)應(yīng)用上的使用迅速增長(zhǎng)。
[0004]如圖1所示，熱泵熱水器機(jī)裝置(HPWH)主要包括由壓縮機(jī)1、冷凝器2、膨脹裝置(expansion device) 3和蒸發(fā)器4組成的系統(tǒng)。蒸發(fā)器可以是空氣源類型或水源類型。工作流體(制冷劑)被引入到HPWH系統(tǒng)，并通過使用真空泵在該系統(tǒng)中循環(huán)。在冷凝器中，在水和工作流體之間發(fā)生熱交換。
[0005]在HPWH的循環(huán)周期，壓縮機(jī)I將高壓熱工作流體蒸氣排入到冷凝器2中。在冷凝器2中，熱工作流體(2’側(cè))向水(2”側(cè))輸出熱并被冷凝成液體。水吸收工作流體的熱量后變成熱水。該流體然后流向膨脹裝置3，并被節(jié)流為低壓兩相工作流體。上述低壓兩相工作流體流入蒸發(fā)器4，在蒸發(fā)器4中，流體吸收熱量然后被蒸發(fā)為低壓蒸汽，其然后進(jìn)入到壓縮機(jī)I中。工作流體以方向5流經(jīng)HPWH系統(tǒng)。水以水流動(dòng)方向6流經(jīng)冷凝器2。
`[0006]由于軍團(tuán)菌污染問題，對(duì)HPWH提出新的要求?，F(xiàn)在HPWH系統(tǒng)需要提供水溫60°C以上(ASHRAE指標(biāo)12-2000)的水。在某些情況下，由于在連接管路中的溫度下降，上述溫度需要達(dá)到65°C。如下是對(duì)于一些HPWH的技術(shù)要求的例子:可靠性:最大壓縮機(jī)排氣溫度110°C，最大排氣壓力28巴。性能:減少對(duì)環(huán)境影響的高效率，滿足用戶需要的可接受產(chǎn)能(capacity)。
[0007]當(dāng)前熱泵熱水器使用的工作流體包括HCFC-22，HFC-134a, HFC-410A，HFC-407C和HFC-417A。但是，由于壓縮機(jī)排氣時(shí)的過高溫度和壓力，HCFC-22，HFC-410A和HFC-407C不適合供應(yīng)60-65°C的熱水，只能在現(xiàn)有的壓縮機(jī)技術(shù)中應(yīng)用。HFC-22已在全球范圍淘汰，因?yàn)槠淦茐某粞鯇忧矣捎谶^高的排放溫度和壓力不能提供60-65°C的熱水。HFC-407C由于排氣溫度和壓力都非常高，不能提供60-65°C的熱水。HFC-410A由于排氣溫度和壓力都非常高，也不能提供60-65 °C的熱水。
[0008]HFC-134a和HFC-417A由于現(xiàn)有的壓縮機(jī)技術(shù)，可以提供60_65°C的熱水，但他們的表現(xiàn)不是很理想。HFC-134a可以在低排氣溫度和壓力下供應(yīng)60_65°C的熱水，但其產(chǎn)能非常小需要使用一個(gè)大的壓縮機(jī)。此外當(dāng)環(huán)境溫度低于5°C時(shí)，其能力大大降低。HFC-417A由于排氣溫度和壓力對(duì)于現(xiàn)有的壓縮機(jī)(排氣壓力超過28MPa)非常安全，作為熱泵熱水器機(jī)組的制冷劑，可提供60-65°C熱水，因而非常受歡迎，但其能力和效率不是很理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)新型制冷劑，其具有作為熱泵熱水器中的工作流體的優(yōu)良的性能。這些制冷劑使得HPWH以可靠和高效的方式提供60至65°C熱水。制冷劑是基于，在有或沒有 HFC-32 的情況下，HFC-125、HFC-134a 和 HFC_143a 的摻混物。
[0010]依據(jù)本發(fā)明的一方面，制冷劑包括五氟乙烷(HFC-125)、四氟乙烷(HFC_134a的)和三氟乙烷(HFC-143a)的摻混物。在一個(gè)實(shí)施方式中，該摻混物包括約8-34%重量的HFC-125、約48-53%重量的HFC-134a和約20-45%重量的HFC-143a。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，以上的三個(gè)組分的總重量百分?jǐn)?shù)為100%。在另一個(gè)實(shí)施方式中，上述三個(gè)組分的總重量百分?jǐn)?shù)小于100%的制冷劑組合物，且在制冷劑組合物中還包括了其他組分。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，除了上述三個(gè)組分外，其他的組分沒有實(shí)質(zhì)上影響制冷劑的基本和新的特點(diǎn)。
[0011]依據(jù)本發(fā)明的另一方面，制冷劑包括五氟乙烷(HFC-125)、二氟甲烷(HFC-32)，四氟乙烷(HFC-134a)和三氟乙烷(HFC_143a)的摻混物。在一個(gè)實(shí)施方式中，該摻混物包括大約6-18%重量的HFC-125、約6-18%重量的HFC-32、約66-78%重量的HFC_134a和約1-12%重量的HFC-143a。在另一個(gè)實(shí)施方式中，以上的四個(gè)組分的總重量百分?jǐn)?shù)為100%。在另一個(gè)實(shí)施方式中，上述四個(gè)組分的總重量百分?jǐn)?shù)小于的100%的制冷劑組合物，制冷劑組合物還包括了其他組分。在另一個(gè)實(shí)施方式中，除了上述四個(gè)組分外，其他的組分對(duì)制冷劑的基本和新的特點(diǎn)影響不大。
[0012]本發(fā)明是特別針對(duì)作為熱泵熱水器裝置中的工作流體的制冷劑(HFC-125、HFC-134a, HFC-143a 的摻混物和 HFC-125、HFC-32、HFC-134a 和 HFC-143 的摻混物)的用途，該熱泵熱水器裝置包括至少壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器，其中，該工作流體流經(jīng)整個(gè)裝置。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步說明了加熱水的方法，包括使作為工作流體的制冷劑流經(jīng)該包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器和冷凝器的系統(tǒng)，和使水流經(jīng)冷凝器，其中進(jìn)入冷凝器的工作流體傳輸熱量給水，將水加熱到60°C以上的溫度。`
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]附圖1是一個(gè)熱泵熱水器的流程圖。
[0015]附圖2是實(shí)施例1中的不同工作流體的排氣壓力。
[0016]附圖3是實(shí)施例1中的不同工作流體的排氣溫度。
[0017]附圖4是實(shí)施例2中對(duì)比與R22的不同工作流體的效率。
[0018]附圖5是實(shí)施例2中的HFC_134a具有很低的加熱產(chǎn)能。
[0019]附圖6是實(shí)施例4中的不同工作流體的排氣壓力。
[0020]附圖7是實(shí)施例4中的不同工作流體的排氣溫度。
[0021]附圖8是實(shí)施例5中與R22對(duì)比的不同工作流體的效率。
[0022]附圖9是實(shí)施例5中的具有很低的加熱產(chǎn)能的HFC_134a。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明是針對(duì)由HFC-125、HFC-134a和HFC_143a在有或沒有HFC-32的情況下的摻混物制備的制冷劑組合物。每種組分都具有很好的熱泵熱水器材料相容性，由于它們是常用于制冷應(yīng)用中的HFC-407C和HFC-404A的主要組分。
[0024]該摻混物作為系統(tǒng)例如熱泵熱水器的工作流體可以得到良好的熱力學(xué)性質(zhì)。該組分如本領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)在生產(chǎn)設(shè)備中被混合，且在工業(yè)上理解良好，包括但不限于，對(duì)每個(gè)組分使用校準(zhǔn)過的流量計(jì)。這些組合物可通過將各自的組分添加到一個(gè)器皿、管或其他容器中，然后通過混合或使用在該容器中的流動(dòng)(floW)摻混直到得到分布均勻的摻混物而摻混。
[0025]發(fā)現(xiàn)這些特定的摻混物具有良好的性能和可靠操作。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，摻混物包括大約8-34%重量的HFC-125、約48-53%重量的HFC_134a、約20-45%重量的HFC-143a。在另一個(gè)實(shí)施方式中，摻混物包括大約20-30%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約48-53%重量的四氟乙烷(HFC-134a)和約20-30%重量的三氟乙烷(HFC_143a)。
[0026]在另一個(gè)實(shí)施方式中，摻混物包括:大約24%重量的五氟乙烷(HFC-125的)、約52%重量的四氟乙烷(HFC-134a)和約24%重量的三氟乙烷(HFC_143a);或約24%重量的五氟乙烷(HFC-125)，約50%重量的四氟乙烷(HFC-134a)和大約26%重量的三氟乙烷(HFC-143a);或約24%重量的五氟乙烷(HFC-125)，約48%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和大約30%重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
[0027]在另一個(gè)實(shí)施方式中，該摻混物包括大約6-18%重量的HFC-125、約6_18%重量的HFC-32、約66-78 %重量的HFC-134a、約1-12 %重量的HFC-143a。在另一個(gè)實(shí)施方式中，摻混物包括大約8-12%重量的五氟乙烷(HFC-125的)、約12-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約70-75%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和大約3_8 %重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
[0028]在另一個(gè)實(shí)施方式中，該摻混物包括約12%重量的五氟乙烷(HFC-125的)、約12%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約72%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約4%重量的三氟乙燒(HFC-143a)。
[0029]在另一個(gè)實(shí)施方式中，上述至少三種或四種組分的總重量百分比為100%。也就是說，在目前的制冷劑組合物中沒有任何其他組分。
[0030]在另一個(gè)實(shí)施方式中，上述至少三種或四種組分的總重量百分比小于100%重量的制冷劑組合物，該制冷劑組合物中還包括了其他組分。在另一個(gè)實(shí)施方式中，除了上述四個(gè)組分外，其他的組分對(duì)制冷劑的基本的和新的特性影響不大。例如，可以添加的其他組分以增強(qiáng)或提供特定的功能給制冷劑組合物，或者在某些情況下，減少制冷劑組合物的成本。
[0031]添加到制冷劑組合物中的其他組分包括但不限于潤(rùn)滑劑、相容劑、表面活性劑和溶解劑。
[0032]為了提高潤(rùn)滑劑的相容性和溶解度，可添加相容劑如丙烷、丁烷和戊烷。這類相容劑大約占該組合物的約0.5-約5%重量。
[0033]為了提高油溶性，如引入本文作為參考的公開物美國專利號(hào)6516837中披露，在當(dāng)前的組合物中還可以添加表面活性劑和增溶劑的組合。常用的制冷潤(rùn)滑油，如在使用氫氟烴(HFC)制冷劑的制冷設(shè)備中使用的多元醇酯(POEs)和聚亞烷基二醇(PAGs)，可與本發(fā)明制冷劑組合物一起使用。
[0034]如圖1所示及上面詳述，所述制冷劑組合物可作為熱泵熱水器裝置(HPWH)中的工作流體使用，該裝置包括壓縮機(jī)1、冷凝器2、膨脹裝置3和蒸發(fā)器4。
[0035]壓縮機(jī)的類型可以是回轉(zhuǎn)式、渦旋式、往復(fù)式或螺桿式。冷凝器的類型可以是同心型或釬焊板型(brazed-plate type)。膨脹裝置可以是毛細(xì)管、熱膨脹閥或電動(dòng)膨脹閥。蒸發(fā)器可以是空氣源型或水源型。工作流體被裝入到HPWH系統(tǒng)內(nèi)，然后使用真空泵循環(huán)通過系統(tǒng)。工作流體和水在冷凝器中發(fā)生熱交換。
[0036]在HPWH的循環(huán)周期里，壓縮機(jī)1將高壓熱工作流體蒸氣排放到冷凝器2內(nèi)。在冷凝器2中熱工作流體(2'側(cè))輸出熱量給水(2”側(cè))并冷凝為液體。水從工作流體中吸收熱量變成熱水。然后液態(tài)工作流體通過膨脹裝置3被節(jié)流為低壓兩相工作流體。上述低壓兩相工作流體進(jìn)入蒸發(fā)器4，并在其中該工作流體吸收熱并然后蒸發(fā)為低壓蒸汽，該低壓蒸汽然后被吸入壓縮機(jī)I內(nèi)。工作流體以方向5流經(jīng)HPWH系統(tǒng)。水以水流動(dòng)方向6流經(jīng)冷凝器2。
[0037]上述水在冷凝器中被加熱到60°C以上，優(yōu)選到至少65°C。
[0038]本發(fā)明在以下非限制的例子中加以詳細(xì)說明。其中本發(fā)明組分的比例變化和元素的替換對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，，并且也在該發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0039]實(shí)施例
[0040]下面各個(gè)實(shí)施例演示了熱泵的運(yùn)行。過高的排氣壓力會(huì)造成該裝置的組件的損傷。過高的排氣溫度會(huì)降解潤(rùn)滑油。對(duì)壓縮機(jī)的技術(shù)要求如下:
[0041]I)最大壓縮機(jī)排氣溫度為110°C
[0042]2)最大排氣壓力為28巴
[0043]使用這些設(shè)定進(jìn)行性能評(píng)估:1)要提供65°C的熱水，需要70°C的冷凝溫度；2)膨脹裝置進(jìn)口處的過冷度設(shè)為2°C;3)蒸發(fā)溫度設(shè)定為5°C (對(duì)應(yīng)于環(huán)境溫度10°C ) ；4)蒸發(fā)器出口處的過熱度設(shè)定為5°C ；5)壓縮機(jī)的效率假設(shè)為0.65 ；6)忽略連接管路(吸氣管和液體管路)中的壓降和熱傳遞。類似地，忽略通過壓縮機(jī)外殼產(chǎn)生的熱損失。
[0044]實(shí)施例1
[0045]選擇組合物R134a / R125 / R143a與其他工作流體的比較。
[0046]在一個(gè)組合物的實(shí)施例中，組分的重量百分比如下:HFC_134a約52%，HFC_125約24%，HFC134a約24%。(這個(gè)實(shí)施方式命名為HPWH-20。)描述不同的組合物時(shí)這里使用的前綴“R”和前綴“HFC”可以相互轉(zhuǎn)換。
[0047]在另一個(gè)組合物的實(shí)施例中，組成的重量百分比如下:HFC_134a約50%，HFC-125約 24%，HFC-143a 約 26%。
[0048]在另一個(gè)組合物的實(shí)施例中，組成的重量百分比如下:HFC_134a約48%，HFC_125約 24%，HFC-143a 約 30%。
[0049]以下是上述工作條件下用于對(duì)比的各工作流體
[0050]
【權(quán)利要求】
1.制冷劑組合物，由約6-18%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約6-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約66-78%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約1-12%重量的三氟乙烷(HFC_143a)組成。
2.如權(quán)利要求1所述的制冷劑組合物，由約8-12%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約12-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約70-75%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約3-8%重量的三氟乙烷(HFC-143a)組成。
3.如權(quán)利要求1所述的制冷劑組合物，特別由約12%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約12%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約72%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約4%重量的三氟乙烷(HFC-143a)組成。
4.制冷劑組合物，包括約6-18%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約6-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約66-78%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約1_12 %重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
5.如權(quán)利要求4所述的制冷劑組合物，包括約8-12%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約12-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約70-75%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約3-8%重量的三氟乙烷(HFC-143a)。
6.制冷劑組合物，基本由約6-18%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約6-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約66-78%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約1-12%重量的三氟乙烷(HFC-143a)組成。
7.如權(quán)利要求6所述的制冷劑組合物，基本由約8-12%重量的五氟乙烷(HFC-125)、約12-18%重量的二氟甲烷(HFC-32)、約70-75%重量的四氟乙烷(HFC_134a)和約3-8%重量的三氟乙烷(HFC-143a)組成。
8.熱泵熱水器系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器，其中制冷劑組合物流經(jīng)所述系統(tǒng)，該制冷劑組合物包括權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的制冷劑組合物。
9.如權(quán)利要求8所述的熱泵熱水器系統(tǒng)，其中制冷劑以第一方向流經(jīng)冷凝器，水以第二方向流經(jīng)冷凝器以從制冷劑吸收熱量，其中水被加熱到60°C以上。
10.如權(quán)利要求9所述的熱泵熱水器系統(tǒng)，其中水被加熱到至少65°C。
11.加熱水的方法，包括將制冷劑組合物流經(jīng)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，和將水流經(jīng)冷凝器，其中進(jìn)入冷凝器的熱的制冷劑傳遞熱量給該水，將水加熱到60°C以上。
12.如權(quán)利要求11所述的加熱水的方法，進(jìn)一步包括水加熱到至少65°C。
【文檔編號(hào)】F24H4/02GK103865491SQ201410108481
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2009年5月8日
【發(fā)明者】S.F.亞納莫塔, Z.盧, M.W.斯帕茨, M.曹, A.孫, L.錢 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司