ES2579955T3 - Refrigeración a temperatura baja y media - Google Patents

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Abstract

Utilización de una composición binaria que contiene 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y difluorometano como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeración por compresión, a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.

Description

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DESCRIPCION
Refrigeracion a temperatura baja y media
La presente invention se refiere a la utilization de composiciones binarias del 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y del difluorometano como fluidos de transferencia de calor.
Los problemas planteados por las sustancias que empobrecen la capa de ozono atmosferico (ODP: ozone depletion potential) fueron tratados en Montreal en donde se firmo el protocolo que impone una reduction de la production y utilizacion de clorofluorocarburos (CFC). Este protocolo fue objeto de enmiendas que han impuesto el abandono de los (CFC) y han extendido el reglamento a otros productos, entre los cuales los hidroclorofluorocarbonos (HCFC).
La industria de la refrigeracion y de la produccion de aire acondicionado ha invertido mucho en la sustitucion de estos fluidos refrigerantes, y es as! como se han comercializados los hidrofluorocarburos (HCFC).
En la industria del automovil, los sistemas de climatizacion de los vehlculos comercializados en numerosos palses han pasado de un fluido refrigerante de clorofluorocarburo (CFC-12), al del hidrofluorocarburo (1,1,1,2- tetrafluoroetano: HFC-134a), menos nocivo para la capa de ozono. Sin embargo, en vista de los objetivos fijados por el protocolo de Kyoto, el HFC-134a (GWP = 1300) es considerado como que posee un elevado poder de recalentamiento. La contribution al efecto invernadero_de un fluido se cuantifica por un criterio, el GWP (Global Warning Potentials) que resume el poder de recalentamiento tomando un valor de referencia de 1 para el dioxido de carbono.
El dioxido de carbono, que no es toxico, no es inflamable y tiene un valor GWP muy bajo, fue propuesto como fluido refrigerante para los sistemas de climatizacion, reemplazando el HFC-134a. Sin embargo, el empleo de dioxido de carbono presenta varios inconvenientes, especialmente ligados a la presion muy elevada de su empleo como fluido refrigerante en los aparatos y las tecnologlas existentes.
Ademas, la mezcla R-404A constituida por 44% en peso de pentafluoroetano, 52% en peso de trifluoroetano y 4% en peso de HFC-134a se utiliza ampliamente como fluido de refrigeracion de grandes superficies (supermercados) y en los transportes frigorlficos. Esta mezcla tiene sin embargo un GWP de 3900.
El documento JP 4110388 describe la utilizacion de hidrofluoropropenos de formula CaHmFn, con m, n que representan un numero entero comprendido entre 1 y 5 incluido, y m + n = 6, como fluidos para la transferencia de calor, en particular el tetrafluoropropeno y el trifluoropropeno.
El documento WO2004/037913 divulga la utilizacion de composiciones que comprenden al menos un fluoroalqueno que tiene tres o cuatro atomos de carbono, especialmente el pentafluoropropeno y el tetrafluoropropeno, que tienen preferentemente un GWP a los sumo de 150, como fluidos de transferencia de calor.
El documento WO 2006/094303 divulga una composicion azeotropica que contiene 7,4% en peso del 2,3,3,3- tetrafluoropropeno (HFO-1234yf) y 92,6% en peso de difluorometano (HFC-32). Este documento divulga igualmente composiciones casi azeotropicas que contienen de 1 a 57% en peso del 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y de 43 a 99% en peso del difluorometano.
El documento US 2008/314073 describe un metodo de detection de fuga de una composition de transferencia de calor en un circuito cerrado provisto de un dispositivo para medir la presion interna del sistema.
El documento FR 2182956 describe un intercambiador de calor a contracorriente cruzada, especlfico.
El documento FR 2256381 describe un dispositivo de transmision de calor que comprende un conjunto de bomba de calor.
Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite transferir energla termica de un fluido a otro, sin mezclarlos. El flujo termico atraviesa la superficie de intercambio que separa los fluidos. La mayor parte del tiempo, se utiliza este metodo para enfriar o calentar un llquido o un gas que es imposible refrigerar o calentar directamente.
En los sistemas de compresion, el intercambio termico entre el fluido refrigerante y las fuentes de calor se efectua por intermedio de fluidos portadores de calor. Estos fluidos portadores de calor estan en estado gaseoso (aire en el aire acondicionado y la refrigeracion de expansion directa), llquido (agua en las bombas de calor domestico, agua glicolada) o difasico.
Existen diferentes modos de transferencia:
- los dos fluidos se disponen paralelamente y van en el mismo sentido: modo de cocorriente (antimetodico);
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- los dos fluidos se disponen paralelamente, pero van en sentido opuesto: modo de contracorriente (metodico);
- los dos fluidos se posicionan perpendicularmente: modo de corriente cruzada. La corriente cruzada puede ser de tendencia cocorriente o de contra-corriente;
- uno de los dos fluidos hace un semigiro en un conducto mas ancho, qua atraviesa el segundo fluido. Esta configuracion es comparable a un intercambiador de cocorriente sobre la mitad de la longitud, y en la otra mitad a un intercambiador de contracorriente: modo de cabeza de alfiler.
La sociedad demandante ha descubierto ahora que las composiciones binarias del 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y del difluorometano son particularmente interesantes como fluido de transferencia de calor en sistemas de compresion para la refrigeracion a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
Asl, estas composiciones se pueden utilizar como fluido de transferencia de calor en la refrigeracion de vehlculos frigorlficos, en la conservation de alimentos y en la industria (qulmica, alimentaria, etc.) con intercambiadores en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
Un primer objeto de la presente invention se refiere a la utilization de composiciones binarias de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno y de difluorometano como fluido de transferencia de calor en los sistemas de compresion para la refrigeracion a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
Se entiende por refrigeracion a temperatura baja y media, el intervalo de -45°C a -10°C en el evaporador.
Preferentemente, las composiciones binarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de difluorometano contienen esencialmente de 61 a 85% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39% en peso de difluorometano.
Ventajosamente, las composiciones binarias contienen esencialmente de 70 a 79% en peso de 2,3,3,3- tetrafluoropropeno y de 21 a 30% en peso de difluorometano.
Las composiciones binarias utilizadas en la presente invencion tienen a la vez un ODP nulo y un bajo GWP. El coeficiente de rendimiento (COP: la relation entre la potencia frla y el consumo electrico de un refrigerador) de estas composiciones binarias en los intercambiadores en modo de contracorriente es mas elevado que el de las composiciones utilizadas actualmente en refrigeracion a temperatura baja y media. Teniendo en cuenta el nivel de presion en el condensador, no es necesario desarrollar nuevos compresores; los compresores existentes en el mercado pueden convenir.
Las composiciones binarias utilizadas en la presente invencion pueden reemplazar el R-404A y el R-407C (mezcla ternaria que contiene 52%- en peso de HFC-134a, 25% en peso de pentafluoroetano y 23% en peso de difluorometano) en los sistemas de transferencia de calor por compresion con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia de contracorriente.
Las composiciones binarias empleadas segun la presente invencion pueden ser estabilizadas. La cantidad de estabilizante representa preferentemente a lo sumo 5% en peso en relacion a la composition binaria.
Como estabilizantes, se pueden citar especialmente el nitrometano, el acido ascorbico, el acido tereftalico, los azoles tales como el tolutriazol o el benzotriazol, los compuestos fenolicos tales como el tocoferol, la hidroquinona, la terc-butilhidroquinona, el 2,6-terc-butil-4-metilfenol, los epoxidos (alquilo o alquenilo eventualmente fluorado o perfluorado o aromatico) tales como los n-butilglicidileter, hexanodioldiglicidileter, alilglicidileter, butilfenilglicidileter, los fosfitos, los fosfatos, los fosfonatos, los tioles y las lactonas.
Un segundo objeto de la presente invencion se refiere a un procedimiento de transferencia de calor en los sistemas de compresion para la refrigeracion a temperatura baja y media, en el cual se utilizan las composiciones binarias de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y difluorometano tales como se han definido anteriormente, como fluido refrigerante con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
El procedimiento segun la presente invencion se puede emplear en presencia de lubricantes tales como aceite mineral, alquilbenceno, polialquilenglicol, ester poliolico y polivinileter.
Parte experimental
Herramienta de calculo
La ecuacion de RK-Soave se utiliza para el calculo de densidades, entalplas, entroplas y los datos de equilibrio llquido-vapor de las mezclas. La utilizacion de esta ecuacion requiere el conocimiento de las propiedades de los cuerpos puros utilizados en las mezclas en cuestion y tambien los coeficientes de interaction de cada binario.
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Los datos necesarios para cada cuerpo puro son:
Temperatura de ebullicion, temperatura de presion crltica, la curva de presion en funcion de la temperatura a partir del punto de ebullicion hasta el punto crltico, las densidades de llquido saturado y vapor saturado en funcion de la temperatura.
HFC-32:
Los datos de HFC-32 se publican en el ASHRAE Handbook 2005, capitulo 20, y son tambien disponibles con Refrop (programa informatico desarrollado por NIST para el calculo de las propiedades de los fluidos refrigerantes).
HFO-1234yf:
Los datos de la curva temperatura-presion del HFO-1234yf se miden por el metodo estatico. La temperatura y presion crltica se miden con un calorlmetro C80 comercializado por Setaram. Las densidades, a saturation en funcion de la temperatura, se miden por la tecnologla del denslmetro de tubo vibrante desarrollado por los laboratorios de la Ecole des Mines de Paris.
Coeficiente de interaction binaria del HFC-32 /HFO-1234yf:
La ecuacion de RK-Soave utiliza los coeficientes de interaction binaria para representar el comportamiento de los productos en mezclas. Los coeficientes se calculan en funcion de los datos experimentales de equilibrio llquido- vapor. La tecnica utilizada para las mediciones de equilibrio llquido-vapor es el metodo analltico de la celula estatica. La celula de equilibrio comprende un tubo de zafiro y esta equipada con dos muestreadores electromagneticos ROLSITM. Esta sumergida en un bano criotermostatico (HUBER HS40). Se utiliza una agitation magnetica de accionamiento por campo, que gira a velocidad variable, para acelerar que se alcancen los equilibrios. El analisis de las muestras se efectua por cromatografla (HP5890 seriesll) en fase gaseosa utilizando un catarometro (TCD).
Las mediciones de equilibrio llquido-vapor en el binario HFC-32 / HFO-1234yf se realizan para las isotermas siguientes: -10°C, 30°C y 70°C.
Sistema de compresion
Consideremos un sistema de compresion equipado con un evaporador y un condensador en contracorriente, de un compresor de tornillo y de un regulador de presion.
El sistema funciona a 15°C de sobrecalentamiento y 5°C de subenfriamiento. El intervalo de temperaturas mlnimo entre el fluido secundario y el fluido refrigerante se considera del orden de 5°C.
El rendimiento isentropico de los compresores es funcion de la tasa (relation) de compresion. Este rendimiento se calcula segun la ecuacion siguiente:
, d (1)
n;-... =ti-b{z-cY------
x — e
Para un compresor de tornillo, las constantes a, b, c, d y e de la ecuacion (1) del rendimiento isentropico se calculan segun los datos tlpicos publicados en el manual “Handbook of air conditioning and refrigeration, pagina 11.52”.
El coeficiente de rendimiento (performance) (COP) se define como la relacion entre la potencia util suministrada por el sistema y la potencia aportada o consumida por el sistema.
El coeficiente de rendimiento de Lorenz (COPLorenz) es un coeficiente de rendimiento de referencia. Es funcion de las temperaturas y se utiliza para comparar las COP de diferentes fluidos.
El coeficiente de rendimiento de Lorenz se define como sigue:
(Las temperaturas T estan en K)
condensado r condensado r condensado r
medio entrada salida (2)
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evaporador _jevaporador rpevaporador
- re
medio salida entrada
El COP de Lorenz en el caso de aire acondicionado y refrigeracion:
rpevaporador
COPlorenz _ medio
rp condensador rpevaporador medio medio
El COP de Lorenz en el caso de calefaccion:
COPlorenz _
T,
condensador
medio
rp condensador rp evaporador medio medio
(3)
(4)
(5)
Para cada composicion, el coeficiente de rendimiento del ciclo de Lorenz se calcula en funcion de las temperaturas correspondientes.
El % COP/COPLorenz es la relacion del COP del sistema en relacion al COP del ciclo de Lorenz correspondiente. Resultados del modo de refrigeracion a baja temperatura
En modo de baja temperatura, el sistema de compresion funciona entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al evaporador de -30°C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 40°C. El sistema proporciona frlo a -25°C.
Los rendimientos de las composiciones segun la invencion en las condiciones de funcionamiento a baja temperatura se indican en la Tabla 1. Los valores de los componentes (HFO-1234yf, HFC-32) para cada composicion se indican en porcentajes en peso.
Tabla 1
Temp. salida evaporador (°C) Temp. salida compresor(°C) T salida condensador (°C) evap. P (bar) cond. P (bar) Tasa (p/p) Deslizamiento (glide) Rendimiento. comp % COP / COPLorenz
R404A
-30 100 40 2,1 18,1 8,8 0,45 53,8 31,8
HFO-1234yf
HFC-32
80
20 -25 102 32 1,7 13,8 8,2 4,98 58,4 39,3
79
21 -25 102 32 1,7 14,0 8,2 5,06 58,7 39,6
78
22 -25 103 32 1,7 14,2 8,1 5,13 59,0 39,8
77
23 -25 103 32 1,8 14,4 8,1 5,19 59,2 40,0
76
24 -25 104 32 1,8 14,6 8,1 5,23 59,4 40,1
75
25 -25 104 33 1,8 14,8 8,1 5,25 59,6 40,3
74
26 -25 105 33 1,9 15,0 8,0 5,26 59,7 40,4
73
27 -25 106 33 1,9 15,2 8,0 5,26 59,8 40,4
72
28 -25 107 33 1,9 15,4 8,0 5,24 59,9 40,5
71
29 -25 108 33 2,0 15,6 8,0 5,21 60,0 40,5
70
30 -25 108 33 2,0 15,8 8,0 5,17 60,0 40,5
65
35 -25 114 34 2,1 16,8 8,0 4,84 59,8 40,3
61
39 -26 118 34 2,2 17,6 8,1 4,45 59,3 40,0
Resultados del modo de refrigeracion a temperatura media
En modo de temperatura media, el sistema de compresion funciona entre una temperatura de entrada del fluido refrigerante al evaporador de -15°C y una temperatura de entrada del fluido refrigerante al condensador de 35°C. El sistema proporciona frio a -10°C.
5 Los rendimientos de las composiciones binarias en las condiciones de funcionamiento de temperatura media se indican en la Tabla 2. Los valores de los componentes (HFO-1234yf, HFC-32) para cada composicion se indican en porcentajes en peso.
10 Tabla 2
Temp. salida evaporador (°C) Temp. salida compresor(°C) T salida condensador (°C) evap. P (bar) cond. P (bar) Tasa (p/p) Deslizamiento (glide) Rendimiento. comp % COP / COPLorenz
R404A
-15 62 35 3,7 16,0 4,4 0,46 79,9 54,9
HFO-1234yf
HFC-32
80
20 -9 64 27 3,2 12,2 3,8 6,11 81,3 61,9
79
21 -9 64 27 3,2 12,3 3,8 6,16 81,3 62,0
78
22 -9 65 27 3,3 12,5 3,8 6,19 81,3 62,0
77
23 -9 65 27 3,3 12,7 3,8 6,20 81,3 61,9
76
24 -9 66 27 3,4 12,9 3,8 6,20 81,3 61,9
75
25 -9 66 27 3,4 13,0 3,8 6,18 81,3 61,9
73
27 -9 67 28 3,5 13,4 3,8 6,10 81,3 61,8
72
28 -9 68 28 3,5 13,6 3,8 6,05 81,3 61,8
71
29 -9 69 28 3,6 13,7 3,8 5,98 81,3 61,7
70
30 -9 69 28 3,6 13,9 3,8 5,90 81,3 61,6

Claims (8)

  1. 10
    15
    20
    REIVINDICACIONES
    1. Utilization de una composition binaria que contiene 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y difluorometano como fluido de transferencia de calor en sistemas de refrigeration por compresion, a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
  2. 2. Utilization segun la revindication 1, caracterizada por que la composition contiene esencialmente de 61 a 85% en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39% en peso de difluorometano.
  3. 3. Utilization segun la revindication 1, caracterizada por que la composition contiene esencialmente de 70 a 79 % en peso de2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 21 a 30% en peso de difluorometano.
  4. 4. Procedimiento de transferencia de calor en el cual se utiliza una composition binaria que contiene 2,3,3,3- tetrafluoropropeno y difluorometano como fluido refrigerante en sistemas de refrigeration por compresion, a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
  5. 5. Procedimiento segun la revindication 4, caracterizado por que la composition contiene esencialmente de 61 a 85 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39% en peso de difluorometano.
  6. 6. Procedimiento segun la revindication 4, caracterizado por que la composition contiene esencialmente de 70 a 79 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 21 a 30% en peso de difluorometano.
  7. 7. Procedimiento segun las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado por que la composition binaria esta estabilizada.
  8. 8. Procedimiento segun una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por que se emplea en presencia de un lubricante.
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