ES2579955T5 - Low-temperature and average-temperature refrigeration - Google Patents

Low-temperature and average-temperature refrigeration

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ES2579955T5 ES10762990T ES10762990T ES2579955T5 ES 2579955 T5 ES2579955 T5 ES 2579955T5 ES 10762990 T ES10762990 T ES 10762990T ES 10762990 T ES10762990 T ES 10762990T ES 2579955 T5 ES2579955 T5 ES 2579955T5
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Description

[0001] DESCRIPCIÓN
[0003] Refrigeración a temperatura baja y media
[0005] La presente invención se refiere a la utilización de composiciones binarias del 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y del difluorometano como fluidos de transferencia de calor.
[0007] Los problemas planteados por las sustancias que empobrecen la capa de ozono atmosférico (ODP: ozone depletion potential) fueron tratados en Montreal en donde se firmó el protocolo que impone una reducción de la producción y utilización 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).
[0009] La industria de la refrigeración y de la producción de aire acondicionado ha invertido mucho en la sustitución de estos fluidos refrigerantes, y es así como se han comercializados los hidrofluorocarburos (HCFC).
[0010] En la industria del automóvil, los sistemas de climatización de los vehículos comercializados en numerosos países 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 contribución 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 dióxido de carbono.
[0012] El dióxido de carbono, que no es tóxico, no es inflamable y tiene un valor GWP muy bajo, fue propuesto como fluido refrigerante para los sistemas de climatización, reemplazando el HFC-134a. Sin embargo, el empleo de dióxido de carbono presenta varios inconvenientes, especialmente ligados a la presión muy elevada de su empleo como fluido refrigerante en los aparatos y las tecnologías existentes.
[0014] Además, 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 refrigeración de grandes superficies (supermercados) y en los transportes frigoríficos. Esta mezcla tiene sin embargo un GWP de 3900.
[0016] El documento JP 4110388 describe la utilización de hidrofluoropropenos de fórmula CaHmFn, con m, n que representan un número 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.
[0018] El documento WO2004/037913 divulga la utilización de composiciones que comprenden al menos un fluoroalqueno que tiene tres o cuatro átomos de carbono, especialmente el pentafluoropropeno y el tetrafluoropropeno, que tienen preferentemente un GWP a lo sumo de 150, como fluidos de transferencia de calor.
[0020] El documento WO 2006/094303 divulga una composición azeotrópica 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 azeotrópicas que contienen de 1 a 57% en peso del 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y de 43 a 99% en peso del difluorometano.
[0022] El documento US 2008/314073 describe un método de detección de fuga de una composición de transferencia de calor en un circuito cerrado provisto de un dispositivo para medir la presión interna del sistema.
[0024] El documento FR 2182956 describe un intercambiador de calor a contracorriente cruzada, específico.
[0025] El documento FR 2256381 describe un dispositivo de transmisión de calor que comprende un conjunto de bomba de calor.
[0027] Un intercambiador de calor es un dispositivo que permite transferir energía térmica de un fluido a otro, sin mezclarlos. El flujo térmico atraviesa la superficie de intercambio que separa los fluidos. La mayor parte del tiempo, se utiliza este método para enfriar o calentar un líquido o un gas que es imposible refrigerar o calentar directamente.
[0029] En los sistemas de compresión, el intercambio térmico entre el fluido refrigerante y las fuentes de calor se efectúa por intermedio de fluidos portadores de calor. Estos fluidos portadores de calor están en estado gaseoso (aire en el aire acondicionado y la refrigeración de expansión directa), líquido (agua en las bombas de calor doméstico, agua glicolada) o difásico.
[0030] Existen diferentes modos de transferencia:
[0032] - los dos fluidos se disponen paralelamente y van en el mismo sentido: modo de cocorriente (antimetódico);
[0034] - los dos fluidos se disponen paralelamente, pero van en sentido opuesto: modo de contracorriente (metódico);
[0036] - los dos fluidos se posicionan perpendicularmente: modo de corriente cruzada. La corriente cruzada puede ser de tendencia cocorriente o de contra-corriente;
[0038] - uno de los dos fluidos hace un semigiro en un conducto más ancho, qua atraviesa el segundo fluido.
[0039] Esta configuración 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.
[0041] 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 compresión para la refrigeración a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
[0043] Así, estas composiciones se pueden utilizar como fluido de transferencia de calor en la refrigeración de vehículos frigoríficos, en la conservación de alimentos y en la industria (química, alimentaria, etc.) con intercambiadores en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
[0045] Un primer objeto de la presente invención se refiere a la utilización de composiciones binarias que contienen esencialmente de 61 a 85 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39 % en peso de difluorometano como fluido de transferencia de calor en los sistemas de compresión para la refrigeración a temperatura baja y media, con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia a contracorriente.
[0047] Se entiende por refrigeración a temperatura baja y media, el intervalo de -45°C a -10°C en el evaporador.
[0048] 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.
[0050] Las composiciones binarias utilizadas en la presente invención tienen a la vez un ODP nulo y un bajo GWP. El coeficiente de rendimiento (COP: la relación entre la potencia fría y el consumo eléctrico de un refrigerador) de estas composiciones binarias en los intercambiadores en modo de contracorriente es más elevado que el de las composiciones utilizadas actualmente en refrigeración a temperatura baja y media. Teniendo en cuenta el nivel de presión en el condensador, no es necesario desarrollar nuevos compresores; los compresores existentes en el mercado pueden convenir.
[0052] Las composiciones binarias utilizadas en la presente invención 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 compresión con intercambiadores que trabajan en modo de contracorriente o en modo de corriente cruzada con tendencia de contracorriente.
[0053] Las composiciones binarias empleadas según la presente invención pueden ser estabilizadas. La cantidad de estabilizante representa preferentemente a lo sumo 5% en peso en relación a la composición binaria.
[0054] Como estabilizantes, se pueden citar especialmente el nitrometano, el ácido ascórbico, el ácido tereftálico, los azoles tales como el tolutriazol o el benzotriazol, los compuestos fenólicos tales como el tocoferol, la hidroquinona, la terc-butilhidroquinona, el 2,6-terc-butil-4-metilfenol, los epóxidos (alquilo o alquenilo eventualmente fluorado o perfluorado o aromático) tales como los n-butilglicidiléter, hexanodioldiglicidiléter, alilglicidiléter, butilfenilglicidiléter, los fosfitos, los fosfatos, los fosfonatos, los tioles y las lactonas.
[0056] Un segundo objeto de la presente invención se refiere a un procedimiento de transferencia de calor en los sistemas de compresión para la refrigeración a temperatura baja y media, en el cual se utilizan las composiciones binarias que contienen esencialmente de 61 a 85 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39 % en peso de 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.
[0057] El procedimiento según la presente invención se puede emplear en presencia de lubricantes tales como aceite mineral, alquilbenceno, polialquilenglicol, éster poliólico y poliviniléter.
[0058] Parte experimental
[0059] Herramienta de cálculo
[0060] La ecuación de RK-Soave se utiliza para el cálculo de densidades, entalpías, entropías y los datos de equilibrio líquido-vapor de las mezclas. La utilización de esta ecuación requiere el conocimiento de las propiedades de los cuerpos puros utilizados en las mezclas en cuestión y también los coeficientes de interacción de cada binario.
[0061] Los datos necesarios para cada cuerpo puro son:
[0062] Temperatura de ebullición, temperatura de presión crítica, la curva de presión en función de la temperatura a partir del punto de ebullición hasta el punto crítico, las densidades de líquido saturado y vapor saturado en función de la temperatura.
[0063] HFC-32:
[0064] Los datos de HFC-32 se publican en el ASHRAE Handbook 2005, capitulo 20, y son también disponibles con Refrop (programa informático desarrollado por NIST para el cálculo de las propiedades de los fluidos refrigerantes).
[0065] HFO- 1234yf:
[0066] Los datos de la curva temperatura-presión del HFO-1234yf se miden por el método estático. La temperatura y presión crítica se miden con un calorímetro C80 comercializado por Setaram. Las densidades, a saturación en función de la temperatura, se miden por la tecnología del densímetro de tubo vibrante desarrollado por los laboratorios de la Ecole des Mines de Paris.
[0067] Coeficiente de interacción binaria del HFC-32 /HFO- 1234yf:
[0068] La ecuación de RK-Soave utiliza los coeficientes de interacción binaria para representar el comportamiento de los productos en mezclas. Los coeficientes se calculan en función de los datos experimentales de equilibrio líquido-vapor. La técnica utilizada para las mediciones de equilibrio líquido-vapor es el método analítico de la célula estática. La célula de equilibrio comprende un tubo de zafiro y está equipada con dos muestreadores electromagnéticos ROLSITM. Está sumergida en un baño criotermostático (HUBER HS40). Se utiliza una agitación magnética de accionamiento por campo, que gira a velocidad variable, para acelerar que se alcancen los equilibrios. El análisis de las muestras se efectúa por cromatografía (HP5890 seriesI I) en fase gaseosa utilizando un catarómetro (TCD).
[0069] Las mediciones de equilibrio líquido-vapor en el binario HFC-32 / HFO-1234yf se realizan para las isotermas siguientes: -102C, 30°C y 70°C.
[0070] Sistema de compresión
[0071] Consideremos un sistema de compresión equipado con un evaporador y un condensador en contracorriente, de un compresor de tornillo y de un regulador de presión.
[0072] El sistema funciona a 15°C de sobrecalentamiento y 5°C de subenfriamiento. El intervalo de temperaturas mínimo entre el fluido secundario y el fluido refrigerante se considera del orden de 5°C.
[0073] El rendimiento isentrópico de los compresores es función de la tasa (relación) de compresión. Este rendimiento se calcula según la ecuación siguiente:
[0075]
[0078] Para un compresor de tornillo, las constantes a, b, c, d y e de la ecuación (1) del rendimiento isentrópico se calculan según los datos típicos publicados en el manual “Handbook of air conditioning and refrigeration, página 11.52”.
[0079] El coeficiente de rendimiento (performance) (COP) se define como la relación entre la potencia útil suministrada por el sistema y la potencia aportada o consumida por el sistema.
[0080] El coeficiente de rendimiento de Lorenz (COPLorenz) es un coeficiente de rendimiento de referencia. Es función de las temperaturas y se utiliza para comparar las COP de diferentes fluidos.
[0081] El coeficiente de rendimiento de Lorenz se define como sigue:
[0082] (Las temperaturas T están en K)
[0083] rp condensado r rp condensado r rp condensado r
[0084] medio p entrada p salida(2)
[0086] r p evaporador r p evaporador rp evaporador
[0087] p medio p salida p entrada(3)
[0088] El COP de Lorenz en el caso de aire acondicionado y refrigeración:
[0089] pevaporador
[0090] medio
[0091] C O P l o r e n z = p condensador p evaporador(4)
[0092] medio medio
[0093] El COP de Lorenz en el caso de calefacción:
[0094] rri condensador
[0095] medio
[0096] C O P l o r e n z=condensador evaporador(5)
[0097] medio medio
[0098] Para cada composición, el coeficiente de rendimiento del ciclo de Lorenz se calcula en función de las temperaturas correspondientes.
[0099] El % COP/COPLorenz es la relación del COP del sistema en relación al COP del ciclo de Lorenz correspondiente.
[0100] Resultados del modo de refrigeración a baja temperatura
[0101] En modo de baja temperatura, el sistema de compresión 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 frío a -25°C.
[0102] Los rendimientos de las composiciones según la invención 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 composición se indican en porcentajes en peso.
[0103] Tabla 1
[0105]
[0106]
[0109] Resultados del modo de refrigeración a temperatura media
[0110] En modo de temperatura media, el sistema de compresión 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 frío a -10°C.
[0111] 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 composición se indican en porcentajes en peso.
[0112] Tabla 2
[0114]
[0115] 81,3 61,7
81,3 61,6

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES
1. Utilización de una composición binaria que contiene esencialmente de 61 a 85 % en peso de 2,3,3,3,-tetrafluoropropeno y de 15 a 39 % en peso de 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.
2. Utilización según la reivindicación 1, caracterizada por que la composición contiene esencialmente de 70 a 79 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 21 a 30% en peso de difluorometano.
3. Procedimiento de transferencia de calor en el cual se utiliza una composición binaria que contiene esencialmente de 61 a 85 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 15 a 39 % en peso de difluorometano como fluido refrigerante 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.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que la composición contiene esencialmente de 70 a 79 % en peso de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno y de 21 a 30% en peso de difluorometano.
5. Procedimiento según las reivindicaciones 3 a 4, caracterizado por que la composición binaria está estabilizada.
6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado por que se emplea en presencia de un lubricante.
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