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1. (WO2002040613) VERWENDUNG VON GEMISCHEN, DIE 1,1,1,3,3-PENTAFLUORBUTAN ENTHALTEN, ALS KÄLTEMITTEL ODER WÄRMETRÄGER
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Verwendung von Gemischen, die 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan
enthalten, als Kältemittel oder Wärmeträger

Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Gemischen aus 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan (R365mfc) und mindestens einem weiteren teilfluorierten Kohlenwasserstoff als Wärmeträger oder Kältemittel, vorzugsweise als Arbeitsfluid in Hochtemperaturwärmepumpen.

Aus ökologischen Gründen, insbesondere im Hinblick auf die Beeinflussung der Ozonschicht wurden in der Kälte- und Klimatechnik verstärkt umweltverträgliche Ersatzstoffe eingesetzt, die anstelle der FCKW, wie z . B. R12, R502 und teilha-logenierten FCKW wie z. B R22, treten können. Lediglich für den Bereich der Hochtemperaturwärmepumpe steht zur Zeit kein geeignetes Kältemittel zur Verfügung. In der Vergangenheit wurde für derartige Anwendungen mit hohen Kondensationstemperaturen von 100 °C und höher R114, ein, Fluorchlorkohlenstoff (FCKW), eingesetzt. Da dieses Arbeitsfluid unter die im
Montreal-Protokoll erwähnten ozonzerstörenden Substanzen fällt und nicht mehr verwendet werden darf, muß ein geeigneter Ersatzstoff gefunden werden.

Die unveröffentlichte europäische Patentanmeldung
EP 99 20 0762.5 offenbart eine Mischung, die 1, 1, 1, 3 , 3-Penta-fluorbutan und wenigstens einen unbrennbaren teilfluorierten Kohlenwasserstoff mit mehr als 3 Kohlenstoffatomen enthält sowie deren Eignung als Kältemittel oder Wärmeträger. Aussagen über die Eignung dieser Gemische in Hochtemperaturwärme-pupen werden hier nicht gemacht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, geeignete Zusammensetzungen bereitzustellen, die im Gegensatz zu den bisher bekannten Kältemitteln einen hohen Temperaturgleit sowie eine hohe kritische Temperatur aufweisen.

Die Kriterien für die Gemischauswahl sind die Kälte- und Wärmeleistungszahl, der Temperaturgleit im Verflüssiger und im Verdampfer sowie die Verdichtungsendtemperaturen.

Erfindungsgemäß, wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Gemisches, enthaltend oder bestehend aus
1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan (R365mfc) und mindestens einem teilfluorierten Kohlenwasserstoff aus der Gruppe 1,1,1,2-Tetrafluorethan (Rl34a) , Pentafluorethan (R125) , 1,1,1,3,3-Pentafluorpropan (R245fa) und 1, 1, 1, 2 , 3 , 3 , 3-Heptafluorpropan (R227ea) .

Zweckmäßig sind insbesondere Zusammensetzungen, die 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan und mindestens eine Komponente aus der Gruppe 1, 1, 1, 2-Tetrafluorethan, Pentafluorethan und
1,1,1,2,3,3, 3-Heptafluorpropan enthalten.

In einer Ausführungsform können die erfindungsgemäßen Gemische binäre, also R365mfc mit einer weiteren Komponente, oder ternäre, also R365mfc mit zwei weiteren Komponenten, Zusammensetzungen sein.

Bevorzugte binäre Zusammensetzungen enthalten 1,1,1,3,3-Pentafluorbutan und als zweite Komponente 1, 1, 1, 2-Tetrafluorethan oder Pentafluorethan oder 1, 1, 1, 3, 3-Pentafluorpropan oder 1,1,1,2,3,3,3-He tafluorpropan.

Bevorzugte ternäre Zusammensetzungen enthalten
1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan, 1, 1, 1, 2-Tetrafluorethan und
1, 1, 1, 2, 3 , 3 , 3-Heptafluorpropan oder 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan, 1, 1, 1,2-Tetrafluorethan und 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorpropan.

Die erfindungsgemäß verwendeten Gemische enthalten 40 bis 95 Massen-% 1, 1, 1, 3 , 3-Pentafluorbutan und mindestens einen teilfluorierten Kohlenwasserstoff aus der Gruppe
1, 1, 1, 2-Tetrafluorethan, Pentafluorethan, 1, 1, 1, 3 , 3-Penta- fluorpropan und 1,1,1,2,3,3,3-Heptafluorpropan in Mengen von 5 bis 60 Massen-%.

In Tabelle 1 sind charakteristische Größen der Kältemittel für Hochtemperaturwärmepumpen dargestellt.

Tabelle 1: Kältemittel für Hochtemperatur-Wärmepumpen


In einer bevorzugten Ausführungsform werden als binäre Gemische folgende Zusammensetzungen verwendet:

95 - 90 Massen-% R365mfc und 5 10 Massen-% Rl34a
95 - 70 Massen-% R365mfc und 5 30 Massen-% R227ea
95 Massen-% R365mfc und 5 Massen-% R125
95 - 40 Massen-% R365mfc und 5 60 Massen-% R245fa.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden als ternäre Gemische folgende Zusammensetzungen verwendet:

90 - 40 Massen-% R365mfc und 5 - 40 Massen-% R227ea und 5 - 20 Massen-% Rl34a

90 - 40 Massen-% R365mfc und 5 - 40 Massen-% R245fa und 5 - 20 Massen-% Rl34a.

Über den gesamten Konzentrationsbereich von 40 bis
95 Massen-% R365mfc und 5 bis 60 Massen-% des teilfluorierten Kohlenwasserstoffes, wobei die Summe der Bestandteile
100 Massen-% beträgt, verhalten sich diese Gemische zeotrop.

Es wurde gefunden, daß R365mfc mit den genannten Komponenten ein zeotropes Gemisch bildet.

Unter zeotrop im Sinne der Erfindung wird verstanden, daß im Gleichgewichtszustand Dampf und Flüssigkeit im gesamten Konzentrationsbereich unterschiedliche Zusammensetzungen haben, da die Siedepunkte der einzelnen Mischungsbestandteile unterschiedlich sind. Die Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge finden nicht bei konstanter, sondern bei gleitender Temperatur statt.

Als Temperaturgleit wird die Differenz zwischen Siede-und Taupunkttemperatur bei konstantem Druck verstanden. Diesen Effekt kann man sich bei der Wärmeübertragung in Wärmetauschern zunutze machen, wenn der Wärmeübergang auf der Wärmesenke bzw. Wärmequelle ebenfalls unter gleitender Temperatur geschieht. Insbesondere im Kondensator, können somit die Energieverluste reduziert werden.

Bei Kaltdampfprozessen erfolgt die Wärmeabgabe im Verflüssiger bzw. die Wärmeaufnahme im Verdampfer. Bei der technischen Mutzung kann die Wärmeabgabe und -aufnähme an einen Wärme- oder Kälteträger erfolgen. Das Wärme- oder Kälteträgermedium erfährt dabei einen signifikanten Temperaturhub.

Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eignen sich vorteilhafter Weise als Kältemittel für technische Anwendungen, bei denen ein Stoffstrom um einen signifikanten Temperaturhub >15 K abgekühlt werden muß.

Ein weiteres Einsatzgebiet derartiger zeotroper Gemische sind Hochtemperaturwärmepumpen für Kondensationstemperaturen von 70 bis 120 °C.

Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen eignen sich somit in vorteilhafter Weise als Kältemittel in Wärmepumpen, die die Wärme über einen Sekundärkreislauf, üblicherweise Wasser, verteilen, wobei der Sekundärkreislauf einen signifikanten Temperaturunterschied zwischen Vor- und Rücklaufte pe-ratur hat.

Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen als Kältemittel in Wärmepumpen, die neben einem großen Temperaturhub zusätzlich eine hohe Kondensationstemperatur, z. B. im Bereich von 70 bis 120 °C, benötigen.

Anhand einer beispielhaften Berechnung eines Kältemittelkreislaufs wird die Eignung der erfindungsgemäßen Gemische als Kältemittel für Hochtemperaturwärmepumpen dargestellt.

Der Carnot-Prozeß wird als Vergleichsprozeß für alle Arten von Kältemaschinen verwendet. Er besteht aus sogenannten Isentropen und Isothermen. Die Isentropen beschreiben den Zustand bei der Verdichtung und der Expansion. Die Temperaturabgabe im Verflüssiger und die Temperaturaufnahme im Verdampfer erfolgt bei konstanten Temperaturen und wird mit Isothermen dargestellt.

Zeotrope Gemische haben bei der Temperaturabgabe und Temperaturaufnahme in den Wärmetauschern einen sogenannten Temperaturgleit, d. h. Verflüssigungs- und Verdampfungstempe-ratur sind aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzungen bei gleichem Druck nicht konstant. Bei zeotropen Gemischen verringert sich durch den Temperaturgleit die Temperatur im Verflüssiger und die Verdampfungstemperatur erhöht sich.

Durch die sogenannte Temperaturführung der Wärme- und Kälteträger im Verflüssiger und Verdampfer, kann diese Eigenschaft zeotroper Gemische technisch genutzt werden. Die Umsetzung erfolgt in der Praxis mit Gegenstromwärmetauschern. Die theoretische Berechnung kann mit dem sogenannten Lorenz-Prozeß erfolgen. Der Lorenz-Prozeß berücksichtigt die Zu- und Abfuhr der Wärme bei gleitender Temperatur. Wie beim Carnot-Prozeß beschreiben die Isentropen die Zustände der Verdichtung und Expansion. Für die Isothermen des Carnot-Prozesses bei der Verdampfung und Verflüssigung werden verallgemeinernde Polytropen vorgesehen, wie im Bild 1 gezeigt.


Bild 1: Carnot- und Lorenz-Prozeß im Temperatur (T) - Entropie (s) -Diagramm

Die Punkte 1 bis 4 beschreiben im Bild 1 die jeweiligen Prozesse im T-s-Diagramm. Es wird die Temperaturaufnahme bzw. -abgäbe der Wärme- und Kälteträger dargestellt.

Beim Carnot-Prozeß verändert sich die treibende Temperaturdifferenz zwischen Wärme- bzw. Kälteträger und Kältemittel. Beim Lorenz-Prozeß bleibt sie zwischen Wärme- bzw. Kälteträger und Kältemittel konstant. Der Temperaturgleit zeotroper Gemische kann durch die Temperaturführung• der Wärmebzw. Kälteträger, d. h. konstante treibende Temperaturdifferenz, ausgenutzt werden. Die Differenz der Wärmeaustauscher- ein- und -austrittstemperaturen sollte in diesem Fall der Temperatur des jeweiligen Gleits entsprechen. Theoretisch erhält man dann für zeotrope Kältemittelgemische höhere Leistungszahlen im Verbleich zu Einstoffkälte itteln.

Nachfolgend wird die Wärmeleistungszahl für das zeotrope Gemisch R365mfc/R227ea in der Zusammensetzung 75/25 Massen-% und für das Kältemittel R114 in einem Anwendungsbeispiel berechnet. Als Wärmequelle steht Prozeßwärme mit einer Temperatur von 20 °C zur Verfügung. Diese Temperatur wird mit einem Kälteträger dem Verdampfer zugeführt. Der Kälteträger wird im Verdampfer auf 10 °C abgekühlt . Im Verflüssiger wird Wasser mit einer Temperatur von 80 °C auf eine Niederdruckdampftem-peratur von 100 °C erwärmt. Die Überhitzung des theoretischen Kreislaufs beträgt 15K, die Unterkühlung 5K und der isentrope Wirkungsgrad 0,8.

Das Kältemittelgemisch tritt in den Verdampfer mit einer Temperatur von 8,3 °C ein und verläßt den Verdampfer mit einer Temperatur von 11,7 °C. Der Verdampfergleit beträgt 3,4 K. Die durchschnittliche Verdampfungstemperatur beträgt für das zeotrope Kältemittel R365mfc/R227ea 10 °C. Das Kältemittelgemisch tritt in den Verflüssiger mit einer Temperatur von 109 °C ein und verläßt den Verflüssiger mit einer Temperatur von 90 °C. Der Verflüssigergleit beträgt 19,8 K. Die durchschnittliche Verflüssigertemperatur beträgt 100 °C. Die berechnete Wärmeleistungszahl beträgt 2,40. Im Vergleich dazu beträgt die Wärmeleistungszahl für die selbe Anwendung mit dem Kältemittel R114 2,3. Die Verdampfung und Kondensation erfolgt bei konstanten Temperaturen.

In Tabelle 2 sind charakteristische Berechnungsdaten dargestellt.

Tabelle 2: Leistungsdatenvergleich bei einer Verflüssigungs- temperatur von 100 °C, einer Unterkühlung von
5 K, einer Verdampfungstemperatur von 10 °C,
einer Überhitzung von 15 K bei einem isentropen
Wirkungsgrad von 0 , 8