ES2926226T3 - Uso de R-1233 en enfriadores de líquidos - Google Patents

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Abstract

Esta invención se refiere al uso de cloro-trifluoropropenos como refrigerantes en enfriadores de líquidos de presión negativa y métodos para reemplazar un refrigerante existente en un enfriador con cloro-trifluoropropenos. Los cloro-trifluoropropenos, particularmente el 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, tienen una alta eficiencia y una capacidad inesperadamente alta en aplicaciones de enfriadores de líquidos y son útiles como refrigerantes ambientalmente más sostenibles para tales aplicaciones, incluido el reemplazo de R-123 y R -11. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Uso de R-1233 en enfriadores de líquidos
Campo de la invención
Esta invención se refiere al uso de clorotrifluoropropenos como refrigerantes en enfriadores de líquidos de presión negativa. Los clorotrifluoropropenos, particularmente el 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, tienen una alta eficiencia y una capacidad inesperadamente alta en aplicaciones de enfriadores de líquidos y son útiles como refrigerantes ambientalmente más sostenibles para tales aplicaciones, incluida la sustitución de R-123 y R-11. Los clorotrifluoropropenos se pueden usar en nuevas aplicaciones de enfriadores o como complemento o reacondicionamiento donde el refrigerante se extrae de un enfriador existente y se agregan los clorotrifluoropropenos de la presente invención.
Antecedentes de la invención
Con la continua presión regulatoria, existe una necesidad creciente de identificar sustitutos ambientalmente más sostenibles para refrigerantes, fluidos de transferencia de calor, agentes espumantes, disolventes y aerosoles con menores potenciales de agotamiento de la capa de ozono y calentamiento global. Los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), ampliamente utilizados para estas aplicaciones, son sustancias que agotan la capa de ozono y se están eliminando de acuerdo con las pautas del Protocolo de Montreal. Los hidrofluorocarbonos (HFC) son un reemplazo líder para los CFC y los HCFC en muchas aplicaciones; aunque se consideran "amigables" con la capa de ozono, por lo general aún poseen un alto potencial de calentamiento global. Una nueva clase de compuestos que se ha identificado para reemplazar las sustancias que agotan la capa de ozono o causan un alto efecto invernadero son las olefinas halogenadas, tales como las hidrofluoroolefinas (HFO) y las hidroclorofluoroolefinas (HCFO). En la presente invención, se descubrió que los clorotrifluoropropenos son refrigerantes particularmente útiles en sistemas enfriadores de líquidos, particularmente en sistemas enfriadores de presión negativa, tal como para la sustitución de R-11 y R-123.
Con la continua presión regulatoria, existe una necesidad creciente de identificar sustitutos ambientalmente más sostenibles para refrigerantes, fluidos de transferencia de calor, agentes espumantes, disolventes y aerosoles con menores potenciales de agotamiento de la capa de ozono y calentamiento global. Los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbónoses (HCFC), ampliamente utilizados para estas aplicaciones, son sustancias que agotan la capa de ozono y se están eliminando de acuerdo con las pautas del Protocolo de Montreal. Los hidrofluorocarbonos (HFC) son un reemplazo líder para los CFC y los HCFC en muchas aplicaciones; aunque se consideran "amigables" con la capa de ozono, por lo general aún poseen un alto potencial de calentamiento global. Una nueva clase de compuestos que se ha identificado para reemplazar las sustancias que agotan la capa de ozono o causan un alto efecto invernadero son las olefinas halogenadas, tales como las hidrofluoroolefinas (HFO) y las hidroclorofluoroolefinas (HCFO). Las HFO y HCFO proporcionan las propiedades deseadas de bajo potencial de calentamiento global y de agotamiento cero o casi cero de la capa de ozono.
Los enfriadores son máquinas de refrigeración que enfrían agua, otros fluidos de transferencia de calor o procesan fluidos mediante un ciclo de compresión de vapor (Rankine inverso modificado), absorción u otro ciclo termodinámico. Su uso más común es en sistemas centrales para acondicionar grandes edificios de oficinas, comerciales, médicos, de entretenimiento, residenciales de gran altura y similares o grupos de edificios. Tanto las plantas centrales grandes como las interconectadas, generalmente con múltiples enfriadores en cada una, son comunes para centros comerciales, campus universitarios, médicos y de oficinas; instalaciones militares; y sistemas de enfriamiento de distrito. El agua enfriada (o, con menor frecuencia, salmuera u otro fluido de transferencia de calor) se canaliza a través del edificio o edificios a otros dispositivos, tales como controladores de aire divididos en zonas, que usan el agua enfriada o la salmuera para acondicionar (enfriar y deshumidificar) los espacios ocupados o espacios controlados. Por su naturaleza, tanto la eficiencia como la confiabilidad son atributos críticos de los enfriadores. Los enfriadores suelen variar en capacidad térmica desde aproximadamente 10 kW (3 toneladas) hasta más que 30 MW (8.500 toneladas), con un rango más común de 300 kW (85 toneladas) a 14 MW (4.000 toneladas). Los sistemas más grandes suelen emplear varios enfriadores, con algunas instalaciones que superan los 300 MW (85.000 toneladas) de enfriamiento. Los sistemas de enfriamiento de líquidos enfrían agua, salmuera u otro refrigerante secundario para aire acondicionado o refrigeración. El sistema puede ensamblarse y cablearse en fábrica o enviarse en secciones para montarlo en el campo. La aplicación más frecuente es el enfriamiento de agua para aire acondicionado, aunque también son habituales la refrigeración por salmuera para refrigeración a baja temperatura y el enfriamiento de fluidos en procesos industriales.
Los componentes básicos de un sistema de enfriamiento de líquidos por compresión de vapor incluyen un compresor, un enfriador de líquidos (evaporador), un condensador, un impulsor del compresor, un dispositivo de control de flujo o expansión de refrigerante líquido y un centro de control; también puede incluir un receptor, economizador, turbina de expansión y/o subenfriador. Además, se pueden usar componentes auxiliares, tales como un enfriador de lubricante, un separador de lubricante, un dispositivo de retorno de lubricante, una unidad de purga, una bomba de lubricante, una unidad de transferencia de refrigerante, ventilaciones de refrigerante y/o válvulas de control adicionales.
El líquido (generalmente agua) entra en el enfriador, donde se enfría con el refrigerante líquido que se evapora a una temperatura más baja. El refrigerante se vaporiza y se introduce en el compresor, lo que aumenta la presión y la temperatura del gas para que pueda condensarse a la mayor temperatura del condensador. El medio de refrigeración del condensador se calienta en el proceso. El refrigerante líquido condensado luego regresa al evaporador a través de un dispositivo de expansión. Parte del refrigerante líquido cambia a vapor (evaporación instantánea) a medida que cae la presión entre el condensador y el evaporador. La evaporación instantánea enfría el líquido a la temperatura de saturación a la presión del evaporador. No produce refrigeración en el enfriador. Las siguientes modificaciones (a veces combinadas para obtener el máximo efecto) reducen la evaporación instantánea del gas y aumentan la refrigeración neta por unidad de consumo de energía.
Subenfriar. El refrigerante condensado se puede subenfriar por debajo de su temperatura de condensación de saturación en la sección del subenfriador de un condensador enfriado por agua o en un intercambiador de calor separado. El subenfriamiento reduce la evaporación instantánea y aumenta el efecto de refrigeración en el enfriador.
Economizar. Este proceso puede ocurrir en una expansión directa (DX), una turbina de expansión o un sistema de evaporación instantánea. En un sistema DX, el refrigerante líquido principal generalmente se enfría en la carcasa de un intercambiador de calor de carcasa y tubos, a la presión de condensación, desde la temperatura de condensación de saturación hasta varios grados de la temperatura intermedia de saturación. Antes de enfriarse, una pequeña porción del líquido se evapora instantáneamente en el lado de los tubos del intercambiador de calor para enfriar el flujo de líquido principal. Aunque subenfriado, el líquido todavía está a la presión de condensación.
Una turbina de expansión extrae energía giratoria a medida que se vaporiza una parte del refrigerante. Al igual que en el sistema DX, el líquido restante se suministra al enfriador a una presión intermedia. En un sistema de evaporación instantánea, todo el flujo de líquido se expande a una presión intermedia en un recipiente que suministra líquido al enfriador a una presión de saturación intermedia; sin embargo, el líquido está a una presión intermedia.
El gas evaporado instantáneamente entra en el compresor ya sea en una etapa intermedia de un compresor centrífugo multietapa, en la etapa intermedia de un compresor alternativo integral de dos etapas, en un puerto de presión intermedia de un compresor de tornillo o en la entrada de una etapa de alta presión en un compresor alternativo multietapa o de tornillo.
Inyección de líquido. El líquido condensado se estrangula a la presión intermedia y se inyecta en la succión de la segunda etapa del compresor para evitar temperaturas de descarga excesivamente altas y, en el caso de máquinas centrífugas, para reducir el ruido. Para los compresores de tornillo, el líquido condensado se inyecta en un puerto fijado ligeramente por debajo de la presión de descarga para proporcionar enfriamiento del lubricante.
El documento US 2010/326095 se refiere al uso de clorotrifluoropropenos como refrigerantes en enfriadores de líquidos de presión negativa.
El documento US 2012/240606 se refiere a una composición refrigerante que comprende trans-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, útil para aplicaciones de enfriamiento.
Sistema Básico
En la Figura 1 se muestra un ejemplo de ciclo de refrigeración de un sistema enfriador de líquidos básico. El agua enfriada entra en el enfriador a 542F (12,2°C), por ejemplo, y sale a 442F (6,7°C). El agua del condensador sale de una torre de enfriamiento a 85°F (29,4°C), entra en el condensador y regresa a la torre de enfriamiento a cerca de 95°F (35°C). Los condensadores también pueden enfriarse por aire o evaporación de agua. Este sistema, con un solo compresor y un circuito de refrigerante con un condensador enfriado con agua, se usa ampliamente para enfriar agua para aire acondicionado porque es relativamente simple y compacto. El compresor puede ser un compresor alternativo, de espiral (“scroll” en inglés), de tornillo o centrífugo. Los sistemas preferidos de la presente invención son los sistemas enfriadores de líquidos centrífugos.
Los sistemas de enfriadores de líquidos también se pueden utilizar para cumplir con los requisitos de calefacción a través de la recuperación de calor. La recuperación de calor es el proceso de capturar el calor que normalmente se rechaza del condensador del enfriador y usarlo para calentar espacios, calentar agua doméstica u otro requisito del proceso. Para los enfriadores enfriados por agua, se puede lograr operando a temperaturas de condensación más altas y recuperando el calor del agua que sale del condensador estándar, o usando un condensador separado. También se puede realizar recuperando calor del refrigerante mediante un intercambiador de calor, preferiblemente entre el compresor y el condensador. La recuperación de calor en enfriadores enfriados con aire implica necesariamente recuperar calor del refrigerante. Los sistemas con recuperación de calor preferidos de la presente invención son enfriadores centrífugos con recuperación de calor.
Un compresor centrífugo utiliza elementos giratorios para acelerar el refrigerante radialmente y, por lo general, incluye un impulsor y un difusor alojados en una carcasa. Los compresores centrífugos generalmente toman fluido en el ojo del impulsor, o en la entrada central de un impulsor circulante, y lo aceleran radialmente hacia afuera. En el impulsor se produce un cierto aumento de la presión estática, pero la mayor parte del aumento de presión ocurre en la sección del difusor de la carcasa, donde la velocidad se convierte en presión estática. Cada conjunto impulsor-difusor es una etapa del compresor. Los compresores centrífugos se construyen de 1 a 12 o más etapas, dependiendo de la presión final deseada y el volumen de refrigerante a manejar. Un compresor con más de una etapa se denomina compresor multietapa.
Los compresores centrífugos pueden usar aceite lubricante o pueden estar libres de aceite. Un ejemplo de compresores sin aceite son los que tienen cojinetes magnéticos, en los que el eje del rotor levita entre cojinetes magnéticos y preferiblemente gira utilizando un motor de accionamiento directo, en particular un motor de accionamiento directo de imanes permanentes. Otro ejemplo de compresores sin aceite son los que utilizan sistemas de cojinetes híbridos sin aceite, como los que utilizan elementos rodantes de cerámica.
La relación de presiones, o relación de compresión, de un compresor es la relación entre la presión de descarga absoluta y la presión de entrada absoluta. La presión suministrada por un compresor centrífugo es prácticamente constante en un rango relativamente amplio de capacidades. Por lo tanto, para mantener el rendimiento del compresor centrífugo mientras se reemplaza el refrigerante existente, la relación de presiones al usar el nuevo refrigerante debe ser lo más cercana posible a la del refrigerante existente.
A diferencia de un compresor de desplazamiento positivo, un compresor centrífugo depende completamente de la fuerza centrífuga del impulsor de alta velocidad para comprimir el vapor que pasa a través del impulsor. No hay desplazamiento positivo, sino lo que se llama compresión dinámica.
La presión que puede desarrollar un compresor centrífugo depende de la velocidad en la punta del impulsor. La velocidad en la punta es la velocidad del impulsor medida en su punta y está relacionada con el diámetro del impulsor y sus revoluciones por minuto. La capacidad del compresor centrífugo está determinada por el tamaño de los pasajes a través del impulsor. Esto hace que el tamaño del compresor dependa más de la presión requerida que de la capacidad.
Para mantener el rendimiento del compresor centrífugo mientras se reemplaza el refrigerante existente, el número de Mach predeterminado del impulsor debe ser el mismo que el alcanzado por el refrigerante existente. Dado que el número de Mach del impulsor depende de la velocidad acústica (velocidad del sonido) del refrigerante, el rendimiento de un compresor se puede mantener con mayor precisión mediante la formulación de un refrigerante de sustitución que tenga la misma velocidad acústica que el refrigerante original, o que tenga una velocidad acústica que teóricamente proporcione el mismo número de Mach del impulsor que el refrigerante existente.
Una consideración importante para los compresores, especialmente cuando se sustituye un refrigerante existente por uno nuevo, es la velocidad específica adimensional, Q, definida aquí como:
Q (!><JV
(A h f
donde w es la velocidad angular (rad/s), V es el caudal volumétrico (m3/s) y Ah es el trabajo específico ideal (J/kg) por etapa del compresor, que se puede calcular aproximadamente como:
A h = h2 h { - (.v, - 5 ,) Ti-Tt
ln(r2/7¡)
donde los subíndices 1 y 2 denotan el estado del gas en la entrada y salida del compresor respectivamente. h, s y T son respectivamente la entalpía específica, la entropía específica y la temperatura. Los compresores operan con la más alta eficiencia adiabática, n, cuando Q tiene el valor óptimo para el diseño.
Debido a su operación a alta velocidad, un compresor centrífugo es fundamentalmente una máquina de baja presión y alto volumen. Un compresor centrífugo funciona mejor con un refrigerante de baja presión, tal como el triclorofluorometano (CFC-11). Cuando parte del enfriador, particularmente el evaporador, funciona a un nivel de presión por debajo de la ambiental, el enfriador se denomina sistema de presión negativa. Uno de los beneficios de un sistema de baja presión o presión negativa son las bajas tasas de fuga. Las fugas de refrigerante son provocadas por diferenciales de presión, por lo que las presiones más bajas darán como resultado tasas de fuga más bajas que los sistemas de alta presión. Además, las fugas en el sistema que funciona por debajo de la presión ambiental provocan que el aire sea absorbido por el equipo en lugar de que se escape el refrigerante. Si bien dicha operación requiere un dispositivo de purga para eliminar el aire y la humedad, el monitoreo de la operación de purga sirve como un sistema de advertencia para el desarrollo de fugas.
Sumario de la invención
En la presente invención, se descubrió que los clorotrifluoropropenos son refrigerantes particularmente útiles para sistemas de enfriadores de líquidos, particularmente en sistemas de enfriadores de presión negativa, tal como para la sustitución de R-11 y R-123. Se descubrió que los clorotrifluoropropenos de la presente invención proporcionan condiciones operativas comparables a los refrigerantes de los enfriadores actuales y también son compatibles con los lubricantes de los enfriadores actuales. Los clorotrifluoropropenos de la presente invención son preferiblemente 1 -cloro-3,3,3-trifluoropropeno y/o 2-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, y más preferiblemente trans-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno.
La presente invención se refiere a un sistema enfriador con recuperación de calor que comprende (1) un compresor, (2) al menos un enfriador de líquidos, (3) al menos un condensador y (4) un refrigerante que comprende un clorotrifluoropropeno.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un esquema de un sistema enfriador típico.
La Figura 2 es un gráfico de COP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de -10°C.
La Figura 3 es un gráfico de CAP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de -10°C.
La Figura 4 es un gráfico de COP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 0°C.
La Figura 5 es un gráfico de CAP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 0°C.
La Figura 6 es un gráfico de COP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 5°C.
La Figura 7 es un gráfico de CAP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 5°C.
La Figura 8 es un gráfico de COP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 10°C.
La Figura 9 es un gráfico de CAP para R-123, R-1233zd y R-1234yf a una temperatura del evaporador de 10°C.
Descripción detallada de la invención
El sistema enfriador con recuperación de calor de la presente invención comprende (1) un compresor centrífugo, (2) al menos un enfriador de líquidos, (3) al menos un condensador y (4) un refrigerante que comprende un clorotrifluoropropeno, en el que el calor se recupera de dicho refrigerante mediante un intercambiador de calor entre dichos compresor y condensador.
La presente invención también se refiere a un método para producir enfriamiento utilizando el sistema enfriador con recuperación de calor.
La composición refrigerante de clorotrifluoropropeno de la presente invención se puede añadir a un nuevo sistema enfriador o emplearse en un método para completar o reacondicionar un sistema enfriador existente. La composición refrigerante de clorotrifluoropropeno de la presente invención es particularmente útil en enfriadores, preferiblemente los que funcionan a presión negativa, que utilizan compresores centrífugos y evaporadores inundados. El método de reacondicionamiento comprende las etapas de eliminar el refrigerante existente del sistema enfriador mientras se retiene opcionalmente una porción sustancial del lubricante en dicho sistema; e introducir en dicho sistema una composición que comprende un refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención que es miscible con el lubricante presente en el sistema sin necesidad de adición de tensioactivos y/o agentes solubilizantes. Al completar un sistema enfriador existente, el refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención se agrega para completar una carga de refrigerante o como reemplazo parcial, ya sea para reemplazar el refrigerante perdido o después de eliminar parte del refrigerante existente y luego agregar el refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención. El refrigerante tipo clorotrifluoropropeno preferido de la presente invención es preferiblemente 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno y/o 2-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, y más preferiblemente trans-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno.
Como se usa en este documento, la expresión "porción sustancial" se refiere generalmente a una cantidad de lubricante que es al menos aproximadamente el 50% (todos los porcentajes en este documento son en peso a menos que se indique lo contrario) de la cantidad de lubricante contenido en el sistema de refrigeración antes de retirar el refrigerante anterior. Preferiblemente, la porción sustancial de lubricante en el sistema según la presente invención es una cantidad de al menos aproximadamente el 60% del lubricante contenido originalmente en el sistema de refrigeración, y más preferiblemente una cantidad de al menos aproximadamente el 70%.
Se puede utilizar cualquiera de una amplia gama de métodos conocidos para eliminar los refrigerantes anteriores de un sistema enfriador mientras se elimina menos de la mayor parte del lubricante contenido en el sistema. Según realizaciones preferidas, el lubricante es un lubricante basado en hidrocarburos y la etapa de eliminación da como resultado que al menos aproximadamente el 90%, e incluso más preferiblemente al menos aproximadamente el 95%, de dicho lubricante permanezca en el sistema. La etapa de eliminación puede realizarse fácilmente bombeando los refrigerantes originales en estado gaseoso fuera de un sistema de refrigeración que contenga lubricantes en estado líquido, porque los refrigerantes son bastante volátiles en relación con los lubricantes tradicionales basados en hidrocarburos. El punto de ebullición de los refrigerantes suele estar por debajo de 30°C, mientras que el punto de ebullición de los aceites minerales suele estar por encima de 200°C. Dicha eliminación se puede lograr de varias formas conocidas en la técnica, incluido el uso de un sistema de recuperación de refrigerante. Alternativamente, se puede conectar un recipiente enfriado de refrigerante evacuado al lado de baja presión de un sistema de refrigeración de tal manera que el refrigerante gaseoso previo sea aspirado al recipiente evacuado y eliminado. Además, se puede unir un compresor a un sistema de refrigeración para bombear el refrigerante anterior desde el sistema a un recipiente vacío. A la luz de la descripción anterior, los expertos en la técnica podrán eliminar fácilmente los refrigerantes anteriores de los sistemas de enfriadores y proporcionar un sistema de refrigeración que comprenda una cámara que tenga un lubricante basado en hidrocarburos y un refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de acuerdo con la presente invención.
Un método de la presente invención comprende introducir en un sistema enfriador una composición que comprende al menos un refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención miscible con el lubricante presente en el sistema, si se usa un lubricante. Los lubricantes del sistema enfriador pueden ser aceites lubricantes tipo hidrocarburos, aceites lubricantes oxigenados o mezclas de los mismos.
Una realización de la presente invención es un sistema enfriador que comprende (1) un compresor, (2) al menos un enfriador de líquidos, (3) al menos un condensador y (4) un refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención. El compresor de dicho sistema enfriador es preferiblemente un compresor centrífugo. En una realización de la presente invención, el compresor en el sistema enfriador tiene de 1 a 12 etapas, preferiblemente 2 o 3 etapas, incluso más preferiblemente 2 etapas. En una realización de la presente invención, el compresor del sistema enfriador utiliza un aceite lubricante. En otra realización de la presente invención, el compresor es un compresor sin aceite, preferentemente un compresor sin aceite que utiliza cojinetes magnéticos o cojinetes híbridos.
En otra realización de la presente invención, el compresor del sistema enfriador es un compresor exento de aceite en el que el refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención actúa como agente lubricante. En una realización de la presente invención, el enfriador de líquidos en el sistema enfriador es un evaporador inundado. En una realización de la presente invención, el condensador del sistema enfriador es un condensador enfriado con agua. En otra realización de la presente invención, el condensador del sistema enfriador es un condensador enfriado con aire.
En otra realización de la presente invención, el sistema enfriador es un sistema enfriador con recuperación de calor que comprende (1) un compresor, (2) al menos un enfriador de líquidos, (3) uno o más condensadores y (4) un refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención. En otra realización de la presente invención, el enfriador de líquidos del sistema enfriador es preferiblemente un evaporador inundado, con una parte que funciona a una presión por debajo de la presión atmosférica. En otra realización de la presente invención, el sistema enfriador es un sistema enfriador con recuperación de calor que contiene uno o múltiples condensadores enfriados con agua, y el calor se recupera del agua que sale de uno de los condensadores. En otra realización de la presente invención, el sistema enfriador es un sistema enfriador con recuperación de calor y el condensador del sistema enfriador con recuperación de calor es un condensador enfriado con agua o un condensador enfriado con aire y el calor se recupera del refrigerante. En otra realización, el sistema enfriador es un sistema enfriador con recuperación de calor donde el compresor es un compresor centrífugo.
Otra realización de la presente invención es un procedimiento para producir calor en un sistema enfriador con recuperación de calor o enfriador con bomba de calor. En una realización de la presente invención, el enfriador de líquidos del sistema enfriador en el método es preferiblemente un evaporador inundado con una parte operada a una presión por debajo de la presión atmosférica. En una realización de la presente invención, al menos uno de los condensadores del sistema enfriador en el método funciona preferiblemente a temperaturas que varían de aproximadamente 26,72C (802F) a 602C (140°F), preferiblemente de aproximadamente 29,4°C (85°F) a 55°C (131 °F).
Otra realización de la presente invención es un método para producir enfriamiento utilizando el sistema enfriador de la presente invención. En una realización de la presente invención, el método para producir enfriamiento utiliza un enfriador de líquidos del sistema enfriador que es preferiblemente un evaporador inundado con una parte operada a una presión por debajo de la presión atmosférica. En una realización de la presente invención, el método para producir enfriamiento utiliza un condensador del sistema enfriador que funciona preferiblemente a temperaturas que varían de aproximadamente 26,7°C (80°F) a 60°C (140°F), preferiblemente de aproximadamente 29,4°C (85°F) a 55°C (131 °F).
En una realización de la presente invención, el refrigerante tipo clorotrifluoropropeno es 1-cloro-3,3,3-fluoropropeno, que puede comprender una mezcla de los isómeros trans y cis de 1-cloro-3,3,3-fluoropropeno, preferible y predominantemente el isómero trans, más preferiblemente más que 70% en peso del isómero trans, más preferiblemente más que 90% en peso del isómero trans, más preferiblemente más que 97% en peso del isómero trans, e incluso más preferiblemente más que 99% en peso del isómero trans. En otra realización de la presente invención, el refrigerante tipo clorotrifluoropropeno es esencialmente trans-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno.
Otra realización de la presente invención es un procedimiento para producir refrigeración en un sistema enfriador que comprende comprimir un refrigerante en un compresor y evaporar el refrigerante en las proximidades de un cuerpo a enfriar, en el que dicho refrigerante comprende un clorotrifluoropropeno.
En una realización de la presente invención, el refrigerante de la presente invención tiene una velocidad acústica cercana a la del R-123 o R-11, preferiblemente donde la velocidad acústica del refrigerante de la presente invención está dentro del 10% de la velocidad acústica de R-123 o R-11 en las condiciones a la entrada del compresor del sistema enfriador. En otra realización de la presente invención, la velocidad acústica del refrigerante de la presente invención es menor que aproximadamente 150 m/s a 40°C y 1 bar, preferiblemente menor que aproximadamente 145 m/s a 40°C y 1 bar. En otra realización de la presente invención, la velocidad acústica del refrigerante de la presente invención es de aproximadamente 130 a aproximadamente 150 m/s en las condiciones del compresor del sistema enfriador.
Además del refrigerante tipo clorotrifluoropropeno de la presente invención, la composición introducida en el sistema puede incluir un refrigerante adicional seleccionado de hidrofluorocarbonos, hidroclorofluorocarbonos, clorofluorocarbonos, hidrocloroolefinas, hidrofluoroéteres, fluorocetonas, hidrocarburos, amoníaco o mezclas de los mismos, preferiblemente donde el refrigerante adicional y/o la composición del refrigerante resultante no son inflamables.
El hidrofluorocarbono puede seleccionarse entre difluorometano (HFC-32), 1 -fluoroetano (HFC-161), 1,1-difluoroetano (HFC-152a), 1,2-difluoroetano (HFC-152), 1,1,1-trifluoroetano (HFC-143a), 1,1,2-trifluoroetano (HfC-143), 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a), 1,1,2,2-tetrafluoroetano (HfC-134), pentafluoroetano (HFC-125), 1,1,1,2,3-pentafluoropropano (HFC-245eb), 1,1,1,3,3-pentafluoropropano (HFC-245fa), 1,1,2,2,3-pentafluoropropano (HFC-245ca), 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropano (HFC-236fa), 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano (HFC-227ea), 1,1,1,3,3-pentafluorobutano (HFC-365mfc), 1,1,1,2,3,4,4,5,5,5-decafluoropropano (HFC-4310) y mezclas de los mismos.
El hidroclorofluorocarbono puede seleccionarse entre 1,1-dicloro-2,2,2-trifluoroetano (R-123), 1-cloro-1,2,2,2-tetrafluoroetano (R-124), 1,1-dicloro-1-fluoroetano (R-141b). 1-cloro-1,1-difluoroetano (R-142b) y mezclas de los mismos, preferiblemente R-123.
Los clorofluorocarbonos pueden ser triclorofluorometano (R-11), diclorodifluorometano (R-12), 1,1,2-tricloro-1,2,2-trifluoroetano (R-113), 1,2-dicloro-1,1,2,2-tetrafluoroetano (R-114), cloropentafluoroetano (R-115), o mezclas de los mismos, preferiblemente R-11.
Hidrofluoroéteres ejemplares incluyen 1,1,1,2,2,3,3-heptafluoro-3-metoxi-propano, 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-4-metoxi-butano, o mezclas de los mismos. Una fluorocetona ejemplar es 1,1,1,2,2,4,5,5,5-nonafluoro-4(trifluorometil)-3-pentanona.
Las hidrofluoroolefinas pueden ser una hidrofluoroolefina de C3 a C5 que contiene al menos un átomo de flúor, al menos un átomo de hidrógeno y al menos un enlace alqueno. Los ejemplos de hidrofluoroolefinas incluyen 3,3,3-trifluoropropeno (HFO-1234zf), E-1,3,3,3-tetrafluoropropeno (E-HFO-1234ze), Z-1,3,3,3-tetrafluoropropeno (Z-HFO-1234ze), 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234yf), E-1,2,3,3,-pentafluoropropeno (E-HFO-1255ye), Z-1,2,3,3,3-pentafluoropropeno (Z-HFO-125ye), E-1,1,1,3,3,3-hexafluorobut-2-eno (E-HFO-1336mzz), Z-1,1,1,3,3,3-hexafluorobut-2-eno (Z-HFO-1336mzz), 1,1,1,4,4,5,5,5-octafluoropent-2-eno (HFO-1438mzz) o mezclas de los mismos.
Una hidrocloroolefina ejemplar es trans-1,2-dicloroetileno.
Los hidrocarburos pueden ser alcanos de C3 a C7, preferiblemente butanos, pentanos o mezclas de los mismos, más preferiblemente n-pentano, isopentano, ciclopentano o mezclas de los mismos.
Los lubricantes de los enfriadores actuales incluyen, pero no se limitan a, aceites minerales, aceites tipo ésteres de polioles, aceites tipo polialquilenglicoles, aceites tipo poliviniléter, aceites tipo poli(alfa-olefina), aceites tipo alquilbencenos y mezclas de los mismos. Los lubricantes de enfriadores preferidos son aceites minerales, aceites tipo ésteres de polioles y aceites tipo poliviniléter. Se encontró que los clorotrifluopropenos de la presente invención son miscibles con aceites minerales, así como con otros lubricantes de enfriadores.
Además del refrigerante tipo clorotrifluoropropeno miscible con el lubricante de la presente invención, la composición introducida en el sistema puede incluir otros aditivos o materiales del tipo utilizado en las composiciones refrigerantes para mejorar su rendimiento en los sistemas de refrigeración. Por ejemplo, la composición puede incluir aditivos antidesgaste y contra las presiones extremas, mejoradores de la estabilidad a la oxidación, inhibidores de la corrosión, mejoradores del índice de viscosidad, depresores del punto de vertido y de formación de flóculos, agentes antiespumantes, ajustadores de la viscosidad, colorantes UV, trazadores y similares.
Los siguientes ejemplos no limitativos se proporcionan como referencia.
Ejemplos
Datos de rendimiento del enfriador de líquidos
En los siguientes ejemplos se evaluaron los rendimientos de los refrigerantes R-123 (1,1-dicloro-2,2,2-trifluoroetano), R-1233zd (1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, predominantemente isómero trans) y R-1234yf (2,3,3,3-tetrafluoropropeno) en una aplicación de enfriador de líquidos. En cada ejemplo, los datos se proporcionan a una temperatura de evaporador dada y a varias temperaturas del condensador, que varían de 30°C a 55°C. La eficiencia isoentrópica en cada caso fue de 0,7. Los datos para R-123 y R-1234yf se proporcionan como ejemplos comparativos.
En los siguientes ejemplos, se utiliza la siguiente nomenclatura:
Temperatura de descarga del condensador: Tcond
Presión del condensador: Pcond
Presión del evaporador: Pevap
Diferencia de presiones entre el condensador y el evaporador: Pdif
Relación de presiones del condensador al evaporador: relación P
Coeficiente de rendimiento (eficiencia energética): COP
Capacidad: PAC
Ejemplo 1
En este ejemplo, se utilizaron las siguientes condiciones:
Temperatura del evaporador = -10°C. Temperatura de entrada del compresor = -5°C. Eficiencia isoentrópica = 0,7. Los resultados se tabulan en la Tabla 1.
Las Figuras 2 y 3 muestran el COP y la CAP de R-1233zd y R-1234yf en relación con R-123.
Tabla 1
Figure imgf000008_0001
Ejemplo 2
En este ejemplo, se utilizaron las siguientes condiciones:
Temperatura del evaporador = 0°C. Temperatura de entrada del compresor = 5°C. Eficiencia isoentrópica = 0,7. Los resultados se tabulan en la Tabla 2.
Las Figuras 4 y 5 muestran el COP y la CAP de R-1233zd y R-1234yf en relación con R-123.
Tabla 2
Figure imgf000009_0001
Ejemplo 3
En este ejemplo, se utilizaron las siguientes condiciones:
Temperatura del evaporador = 5°C. Temperatura de entrada del compresor = 10°C. Eficiencia isoentrópica = 0,7. Los resultados se tabulan en la Tabla 3.
Las Figuras 6 y 7 muestran el COP y la CAP de R-1233zd y R-1234yf en relación con R-123.
Tabla 3
Figure imgf000009_0002
Figure imgf000010_0001
Ejemplo 4
En este ejemplo, se utilizaron las siguientes condiciones:
Temperatura del evaporador = 10°C. Temperatura de entrada del compresor = 15°C. Eficiencia isoentrópica = 0,7. Los resultados se tabulan en la Tabla 4.
Las Figuras 8 y 9 muestran el COP y la CAP de R-1233zd y R-1234yf en relación con R-123.
Tabla 4
Figure imgf000010_0002
Los datos representativos de las Tablas 1 a 4 se muestran en las Figuras 2 a 9.
En todos estos ejemplos, la eficiencia del R-1233zd fue muy cercana a la del R-123, estando dentro de un pequeño porcentaje de la eficiencia del R-123. Por el contrario, la eficacia del R-1234yf fue significativamente menor que la del R-1233zd y el R-123, siendo desde un 6,4% inferior a más que un 20% inferior a la del R-123. También se descubrió inesperadamente que la capacidad del R-1233zd era entre un 30% y un 40% mayor que la del R-123.
También se muestra que para R-1233zd y para R-123 el sistema se hace funcionar como un sistema de presión negativa, donde la presión en el evaporador está por debajo de la ambiental. Para el R-1234yf, todo el sistema se hace funcionar con presión positiva.
Se encontró que el R-1233zd proporciona una coincidencia cercana con las presiones operativas, la relación de presiones y la diferencia de presiones del R-123 y puede usarse como sustituto más aceptable para el medio ambiente.
Ejemplo 5
Datos de rendimiento del enfriador de líquidos para trans-1233zd y cis-1233zd
El rendimiento de cis y trans 1233zd en un enfriador de líquidos de una sola etapa se evaluó en los siguientes ejemplos. En cada ejemplo, los datos se proporcionan a una temperatura del evaporador determinada y a varias temperaturas de descarga del condensador, que varían de 302C a 45°C. En cada caso, hay 5°C de sobrecalentamiento en el evaporador y 5°C de subenfriamiento en el condensador. La eficiencia del compresor isoentrópico en cada caso fue de 0,7.
En los siguientes ejemplos, se utiliza la siguiente nomenclatura:
Temperatura del evaporador: Tevap
Temperatura de descarga del condensador: Tcond
Presión del condensador: Pcond
Presión del evaporador: Pevap
Coeficiente de rendimiento (eficiencia energética): COP
Capacidad: CAP
El trans-1233zd (1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, >99 % de isómero trans) y el cis-1233zd (cis-1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, >99 % de isómero cis) se evalúan para su uso en un enfriador de una sola etapa como se explicó anteriormente. Los resultados se muestran en las Tablas 5 a 8.
Tabla 5: Temperatura del evaporador = -10°C
Figure imgf000011_0001
Tabla 6: Temperatura del evaporador = 0°C
Figure imgf000011_0002
Tabla 7: Temperatura del evaporador = 5°C
Figure imgf000012_0001
Tabla 8: Temperatura del evaporador = 10°C
Figure imgf000012_0002
El COP de trans-1233zd es aproximadamente igual o mayor que el del cis-1233zd, mientras que la capacidad de trans-1233zd es aproximadamente el doble o más que la del cis-1233zd.
Ejemplo 6
Mezclas de trans-1233zd y cis-1233zd
Para examinar el efecto potencial de una mezcla de isómeros trans y cis en el rendimiento o la operación de un enfriador centrífugo, se realizó una prueba de equilibrio vapor-líquido en una mezcla de trans-1233zd y cis-1233zd para evaluar el potencial de fraccionamiento
A un vial de muestreo de vidrio limpio de 35 mL se agregaron 4,0 gramos de cis-1233zd y 16,1 gramos de trans-1233zd, proporcionando una relación general de cis-1233zd a trans-1233zd de 19,9/80,1 peso/peso. La mezcla se dejó equilibrar a temperatura ambiente. La porción de vapor y la porción líquida se analizaron por cromatografía de gases (GC). Se encontró que la relación de isómeros cis a trans en la porción de vapor era 12,2/87,8 peso/peso; la relación de cis-1233zd a trans-1233zd en la porción líquida fue significativamente diferente y resultó ser 21,3/78,6 peso/peso. Esto ejemplifica que las mezclas de trans-1233zd y cis-1233zd pueden fraccionarse ya que son mezclas zeotrópicas.
Ejemplo 7
Velocidad acústica
La velocidad acústica para R-11, R-123, R-134a, R-1233zd y R-1234yf se determinó a 40°C y 1 bar. La velocidad acústica del R-1233zd es cercana a la del R-11 y más cercana a la del R-123 que la del R-134a o la del R-1234yf.
Tabla 9: Velocidad acústica de los refrigerantes
Figure imgf000013_0001
Ejemplo 8
Velocidad específica adimensional
El rendimiento de R-123, R-1233zd y R-1234yf en un enfriador de líquidos se determinó como en el ejemplo 2, con una temperatura de entrada al compresor de 5°C y una temperatura del condensador de 402C. Los resultados se muestran en la Tabla 10, que también da la relación de la velocidad específica adimensional, Q, del refrigerante a la del R-123 (Q123), asumiendo que los enfriadores se hacen funcionar para suministrar la misma capacidad de enfriamiento. Se encontró que el R-1233zd era un buen sustituto del R-123 en comparación con el R-1234yf.
Tabla 10: Velocidad específica adimensional de refrigerantes a capacidad de enfriamiento equivalente
Temperatura del evaporador: 5°C. Temperatura del condensador: 40°C
Refrigerante Compresor P (bar) Temperatura (°C) Q/QQ23 R123 Entrada 0,33 5 1
Salida 1,55 58
R-1233zd Entrada 0,46 5 0,76 Salida 2,17 58
R-1234yf Entrada 3,12 5 0,44 Salida 10,03 52
Estos resultados muestran que el R-1233, particularmente el R-1233zd, es útil como refrigerante para enfriadores de líquidos, particularmente enfriadores de presión negativa, y especialmente en sistemas grandes debido a los beneficios de eficiencia del R-1233zd sobre el R-1234yf o refrigerantes similares.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema enfriador con recuperación de calor que comprende un compresor, al menos un enfriador de líquidos, al menos un condensador y un refrigerante, en el que dicho compresor es un compresor centrífugo y dicho refrigerante comprende un clorotrifluoropropeno y en el que el calor se recupera de dicho refrigerante mediante un intercambiador de calor entre dichos compresor y condensador.
2. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho compresor es un compresor multietapa, preferiblemente en el que dicho compresor multietapa es un compresor centrífugo con 2 o 3 etapas.
3. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho compresor es un compresor exento de aceite.
4. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho enfriador de líquidos es un evaporador inundado que se hace funcionar con una parte que trabaja a una presión por debajo de la presión atmosférica.
5. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho compresor contiene un lubricante, preferiblemente seleccionado del grupo que consiste en aceites minerales, aceites tipo ésteres de polioles, aceites tipo polialquilenglicoles, aceites tipo poliviniléter, aceites tipo poli(alfa olefina), aceites tipo alquilbencenos y mezclas de los mismos y más preferiblemente se selecciona del grupo que consiste en aceites minerales, aceites tipo ésteres de polioles, aceites tipo poliviniléter, aceites tipo alquilbencenos y mezclas de los mismos.
6. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho al menos un condensador comprende al menos un condensador enfriado con agua o en el que dicho al menos un condensador comprende al menos un condensador enfriado con aire.
7. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que uno de dichos al menos un condensador del sistema enfriador se hace funcionar a temperaturas que varían de aproximadamente 26,7°C (80°F) a 60°C (140°F).
8. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho clorotrifluoropropeno comprende 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno, preferiblemente en el que dicho 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno es más que 70% en peso de isómero trans, más preferiblemente en el que dicho 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno es más que 90% en peso de isómero trans, más preferiblemente en el que dicho 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno es más que 97% en peso de isómero trans, más preferiblemente en el que dicho 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno es más que 99% en peso de isómero trans, más preferiblemente en el que dicho 1-cloro-3,3,3-trifluoropropeno es esencialmente el isómero trans.
9. El sistema enfriador según la reivindicación 1, en el que dicho refrigerante comprende además una hidrofluoroolefina, un hidrofluorocarbono, un hidroclorofluorocarbono, un clorofluorocarbono, una hidrocloroolefina, una fluorocetona, un hidrofluoroéter, un hidrocarburo, amoníaco y mezclas de los mismos.
10. Un método para producir enfriamiento utilizando un sistema enfriador según la reivindicación 1, preferiblemente en el que dicho al menos un enfriador de líquidos es un evaporador inundado que se hace funcionar con una parte que trabaja a una presión por debajo de la presión atmosférica.
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