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CN110628388B - 一种适用涡旋式压缩机的混合工质和汽车空调系统 - Google Patents

一种适用涡旋式压缩机的混合工质和汽车空调系统 Download PDF

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CN110628388B CN201910863328.9A CN201910863328A CN110628388B CN 110628388 B CN110628388 B CN 110628388B CN 201910863328 A CN201910863328 A CN 201910863328A CN 110628388 B CN110628388 B CN 110628388B
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Abstract

本发明提供一种适用涡旋式压缩机的混合工质，涡旋式压缩机所用混合工质包含第一组分、第二组分和第三组分，其中：第一组分为1,1,1,2,3,3,3‑七氟丙烷(R227ea)及1,1,1,2‑四氟乙烷(R134a)中的一种，第二组分为3,3,3‑三氟丙烯(R1243zf)，第三组分为2,3,3,3‑四氟丙烯(R1234yf)、1,1‑二氟乙烷(R152a)以及反式1,3,3,3‑四氟丙烯(R1234ze(E))中的一种。本发明中采用的混合工质的GWP小于等于600，ODP为0，具有明显的环保优势，且由于该混合工质是近共沸制冷剂，无需考虑泄露之后，制冷剂重新灌注的问题。采用混合工质的涡旋式压缩机不需要更改装置，能够替代常用的R134a制冷剂，实现安全环保的工作。

Description

一种适用涡旋式压缩机的混合工质和汽车空调系统
技术领域
本发明涉及一种制冷技术，具体涉及一种适用涡旋式压缩机的混合工质和汽车空调系统。
背景技术
目前在车辆的空调系统等中，使用涡旋式压缩机以压缩制冷剂，且常使用的制冷剂是R134a，其GWP为1300，ODP为0。随着环保趋势的日益严重，对于HFCs的“温室效应”，蒙特利尔议定书修订案要求一种既不破坏臭氧层又具有较低GWP值的制冷剂来替代目前高GWP制冷剂，并有效应用于空调系统中。目前的技术手段常从单工质和混合工质的角度出发，寻找一种能够直接在汽车空调系统上应用的混合工质，但尚未找到较为完美的替代R134a的工质。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种适用涡旋式压缩机的混合工质，其采用的混合工质的GWP小于等于600，ODP为0，具有明显的环保优势。且由于该混合工质是近共沸制冷剂，无需考虑泄露之后，制冷剂重新灌注的问题，同时，该混合工质具备良好的热力性能，应用于汽车空调系统中，能力和能效与使用R134a制冷剂相当，能够替代R134a工质，且系统不做任何更改。
本发明为实现上述目的，采用的技术方案是：一种适用涡旋式压缩机的混合工质，所述混合工质为近共沸混合物，包含第一组分、第二组分和第三组分，以质量百分比计，其中：所述第一组分为1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)及1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)中的一种，所述第二组分为3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)，所述第三组分为2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)、1,1-二氟乙烷(R152a)以及反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))中的一种；其中所述热传递组合物具有不大于600的全球变暖潜力(GWP)。该近共沸混合物在在制冷系统使用时，无需考虑制冷剂泄露之后重新灌注问题。
进一步可选地，所述第一组分为1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)时，所述第三组分还包含1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)。两种组分是不可燃物质，大大提高了环保混合制冷剂的安全性能。
进一步可选地，所述涡旋式压缩机所用混合工质包含三种组分，以质量百分比计，所述三种组分包括4％-44％的所述第一组分、4％-84％的所述第二组分和4％-84％的所述第三组分。环保混合制冷剂的三种组分质量占比分别在上述范围内的，均为近共沸混合物且热力性能与R134a相当，完全可以取代R134a制冷剂。
进一步可选地，所述涡旋式压缩机所用混合工质包含以质量百分比计的44％1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)，4％3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)以及52％2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)。有三种组分的混合制备的混合工质，其具有更优的容积制冷量，达到R134a的102.8％。
本发明提供一种适用于汽车空调的组合物，其包含润滑剂和根据前述权利要求中任一项所述的混合工质。
进一步可选地，其中所述润滑剂选自：矿物油、硅油、多烷基苯(PAB)、多元醇酯(POE)、聚亚烷基二醇(PAG)、聚亚烷基二醇酯(PAG酯)、聚乙烯醚(PVE)、聚(α-烯烃)的至少一种物质或至少两种的组合。润滑剂本发明的混合工质有很好的兼容性，保证了使用该组合物的制冷系统的正常运行，同时对该制冷系统的寿命有积极的影响。
进一步可选地，其还包含稳定剂，所述稳定剂选自：基于二烯的化合物、磷酸盐/酯、酚化合物和环氧化物，及其混合物。能增加混合工质的稳定性，提高其换热效率。
本发明还提供了一种汽车空调制冷系统，是使用上述任一项所述的混合工质或组合物，其中所述混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于3.5℃。
进一步可选地，其中所述混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于2.5℃。
本发明中各组分可商购获得，或可由本领域已经的方法制得。本发明中各组分的含量配比经由大量筛选获得，是保证对混合工质优良性能的条件。
本发明的有益效果：
(1)本发明一种适用涡旋式压缩机的混合工质，在使用该混合工质是，不要更改涡旋式压缩机中的制冷系统的设计，使用方便。
(2)本发明一种适用涡旋式压缩机的混合工质中使用的混合工质加入的1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)和1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)均是不可燃的组分，通过增加不可燃组分的含量变化可以削弱其他组分的可燃性，进而获得不可燃且安全性能良好的混合工质，其GWP均小于等于600，ODP为0。
(3)本发明的中的混合工质相比R134a工质，具备明显的环保优势，同时该混合工质具备良好的热力性能，应用于涡旋式压缩机，能力和能效与使用R134a工质的涡旋式压缩机相当，能够替代R134a工质，且涡旋式压缩机不做任何更改。
(4)本发明的混合工质是近共沸制冷剂。采用该混合工质的涡旋式压缩机不需要设置应对方案来防止涡旋式压缩机中温度滑移引起的换热效率降低。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中涡旋式压缩机系统单极压缩循环系统图；
图中：
1-涡轮式压缩机；2-冷凝器；3-蒸发器；40-节流阀；
具体实施方式
以往，一直使用氟里昂(CFC)、氢氯氟烃(HCFC)等作为冷冻机用制冷剂，但因其是含有造成环境问题的氯的化合物，所以正在研究氢氟烃(HFC)等不含有氯的替代制冷剂。作为这种氢氟烃，例如以1，1，1，2-四氟乙烷、二氟甲烷、五氟乙烷、1，1，1-三氟乙烷(以下，分别称为R134a、R32、R125、R143a)为代表的化合物变得受到瞩目，例如在汽车空调系统中一直以来主要使用R134a。然而，该HFC也因在全球气候变暖方面的影响而存在担忧，例如因R134a的全球变暖潜能值(GWP)高，所以进一步寻求一种适合于环境保护又具有较好的热力性能的制冷剂。
但对于汽车空调系统常用的涡旋式压缩机来讲，对制冷剂有以下特定的需求：
1、避免制冷剂带来压缩机缺油与压缩机润滑不足的磨损问题。涡旋式压缩机磨损问题比较突出，排气温度较高，需要制冷剂具有较好的热性能和热稳定性，能够适应压缩机的磨损，当压缩机排气或顶部温度过高时保证工质的热力性能；避免制冷剂带来与润滑油具有良好的相容性，避免导致系统回液或制冷剂迁移稀释润滑油、系统冷媒泄漏使压缩机润滑油偏少、系统中存在其它化学物质，与润滑油发生化学反应后使得润滑油变质等产生问题。如在制冷剂重新灌注时若系统含空气或水分很可能导致压缩机缺油与压缩机润滑不足。
2、避免制冷剂带来液击问题。压缩机大量回液时，压缩过程中液滴会对涡盘产生极大冲力，可能打碎涡盘；含有大量液态冷媒的润滑油粘度低，在摩擦表面不能形成足够的油膜，导致压缩机内部运动件的快速磨损；润滑油中的冷媒在输送过程中遇热会沸腾，影响润滑油的正常输送。液击后的涡旋盘碎片掉在线圈上，破坏线圈绝缘层，可能出现电流保护或压缩机内置保护可能不会动作。此外如果制冷剂追加过多，油量追加过多就可能导致上述液击问题。
3、在压缩型冷冻机中，通常因压缩机内高温，而冷却器内则变为低温，所以要求制冷剂与冷冻机油在从低温至高温的广泛的温度范围内不发生相分离而在该体系内部循环，且具有与冷冻机油具有很好的相溶性及充分的稳定性。因此，在汽车空调的制冷系统中，寻求全球变暖潜能值(GWP)低、利于环境保护以及对冷冻机油具有优异的相溶性且稳定性优异、热力性能良好的制冷剂。
本发明提供一种适用涡旋式压缩机的混合工质能够直接应用在汽车空调系统中。优选的，该汽车空调系统不用做任何改变。该系统所用混合工质GWP小于等于600，ODP为0，具备明显的环保优势，混合工质为近共沸制冷剂，其组分的沸点都相似，工质在系统中蒸发冷凝后，所有组分含量不会发生改变，制冷剂泄漏后可以直接追加灌注，不需要抽空再重灌而导致资源的浪费。
本发明的涡旋式压缩机使用的混合工质的制备方法是将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)、1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)、1,1-二氟乙烷(R152a)以及反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))等多种组分，按不同的质量百分比例在常温常压液相状态下进行物理混合成，混合均匀成混合工质。其中1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)和1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)均是不可燃的组分，通过添加不可燃组分可以消弱其余组分的可燃性，从而达到安全的要求，可达到混合工质具有GWP低(不大于600)、不可燃的目的，从而达到安全的要求。各组分物质的基本参数见表1。
表1混合工质中各组分物质的基本参数
Figure BDA0002200495960000061
下面给出多个具体实施例，其中组分的比例均为质量百分比，每种混合工质的组分物质的质量百分数之和为100％。每种实施例中和对比例都是将各组分常温常压液相状态下按固定的质量百分比进行液相物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例1，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按16:80:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例2，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按16:80:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例3，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按16:48:36的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例4，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)三种组分在常温常压液相下按4:68:28的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例5，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)三种组分在常温常压液相下按16:80:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例6，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)三种组分在常温常压液相下按16:76:8的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例7，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按40:56:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例8，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按36:36:28的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例9，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按32:64:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例10，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按36:32:32的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例11，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按40:56:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例12，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按36:28:36的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例13，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按40:40:20的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例14，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按32:48:20的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例15，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)三种组分在常温常压液相下按44:40:16的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例16，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和2,3,3,3-四氟丙烯(R1234yf)三种组分在常温常压液相下按44:4:52的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例17，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按44:40:16的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例18，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按12:84:4的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
实施例19，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按12:4:84的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
对比例1，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按0:16:84的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
对比例2，将1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按46:24:30的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
对比例3，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按44:0:56的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
对比例4，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))三种组分在常温常压液相下按4:86:10的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
对比例5，将1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)和1,1-二氟乙烷(R152a)三种组分在常温常压液相下按10:4:86的质量百分比进行物理混合，混合均匀得到一种混合工质。
表2比较了上述实施例和对比例的混合工质与R134a的分子量、标准沸点及环境性能等基本参数。
表2混合工质的热物性基本参数
Figure BDA0002200495960000101
Figure BDA0002200495960000111
由表2可知，本发明提供的混合工质的环境性能远优于R134a，其GWP均小于600；混合工质的滑移温度较小，混合工质属于近共沸混合物，排除了温度滑移带来的不良影响，且无需考虑制冷剂泄漏之后，重新灌注的问题。
根据使用场景，可以在被发明提供的混合工质的配方中添加其他组分，得到的组合物能够使混合工质在使用场景下的能效更优。
本实施例还提供一种适用于汽车空调的组合物，其包含润滑剂和上述实施例的混合工质。优选的，润滑剂选自：矿物油、硅油、多烷基苯(PAB)、多元醇酯(POE)、聚亚烷基二醇(PAG)、聚亚烷基二醇酯(PAG酯)、聚乙烯醚(PVE)、聚(α-烯烃)的至少一种物质或至少两种的组合。优选的，还包含稳定剂，稳定剂选自：基于二烯的化合物、磷酸盐/酯、酚化合物和环氧化物，及其混合物。这能保证汽车空调换热系统在安全高效运行的情况下，制冷剂的作用发挥大最大。优选的，汽车空调系统中其中混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于3.5℃。进一步优选的，汽车空调系统中其中混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于2.5℃。
将上述实施例和对比例应用于本发明中提出的涡旋式压缩机的系统中，替代R134a制冷剂。如图1所示为该系统的一个循环模式，即单级压缩循环。制冷剂在涡旋式压缩机1中被压缩成高温高压的气体，经过冷凝器2冷凝为中温中压的液体，经过节流阀40节流成中温低压的气液两相，再经过蒸发器3蒸发为低温低压的气体，最后进入涡旋式压缩机1进行循环。
表3比较了上述实施例中和对比例的混合工质在制冷工况下(即蒸发温度为6℃，冷凝温度为36℃，过热度为5℃，过冷度为5℃)，其与R134a的热力参数(即压缩比和排气温度)及相对热力性能(即相对单位容积制冷量和相对效率COP)。
表3混合工质与R134a的性能对比结果
Figure BDA0002200495960000121
Figure BDA0002200495960000131
(*注：滑移温度为工作压力下的露点温度与泡点温度之差，取最大值)
由表3可知，本发明提供的混合工质的热力性能，即容积制热量和效率COP值与R134a相当，可成为替代R134a的环保制冷剂。
综上分析，当改变本发明中配方的组分的含量或者组成制备的混合工质，组分之间不能很好的起到协同作用，会增加混合工质的滑移温度和/或可燃性,影响其使用时机组的换热效果和环保性能。具体的，改变配方中组分的含量也会增大滑移温度和/或可燃性和/或GWP，如对比例2/4/5；减少本发明配方组分的时候，如对比例1去掉组分一，得到的混合工质的相对容积制冷量偏小，对比例3中只保留本发明中的组分二和组分三，得到的混合工质温度滑移偏大，总的对比例的混合工质的含量不在该发明的范围内，结合数据发现，对比例的混合工质的沸点远小于R134a，用来直接替代R134a会导致机组性能变差。
因此本发明提供的近共沸的混合工质通过各组分的协同作用，不仅具有低GWP、零ODP的环保特性，还具有与R134a相当的热力性能。
综上，一种适用涡旋式压缩机的混合工质，其采用的混合工质不仅具有低GWP、零ODP的环保特性，而且热力性能优良，在相同的制冷工况下，而且热力性能优良，即应用于涡旋式压缩机，容积制冷量和能效COP与使用R134a工质的涡旋式压缩机相当，可成为替代R134a的混合工质。且温度滑移小，为近共沸混合工质，且其容积制冷量和能效与使用R134a制冷剂的汽车空调系统相当，且系统无需做任何修改，且无需考虑制冷剂泄漏之后重新灌注的问题。同时本发明中提供的一种混合工质可以根据制冷系统的需要来选择添加润滑剂、稳定剂和极强剂等添加剂来增强对混合工质的性能和制冷系统的稳定性。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (6)

1.一种适用涡旋式压缩机的混合工质，其特征在于：所述混合工质为近共沸混合物，包含第一组分、第二组分和第三组分，以质量百分比计，其中：所述第一组分为4％-44％的1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)及1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)中的一种，所述第二组分为4％-84％的3,3,3-三氟丙烯(R1243zf)，所述第三组分为4％-84％的1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、1,1-二氟乙烷(R152a)以及反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))中的一种；其中，
当所述第一组分为1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷(R227ea)时，所述第三组分为1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)、1,1-二氟乙烷(R152a)中的一种；
当所述第一组分为1,1,1,2-四氟乙烷(R134a)时，所述第三组分为反式1,3,3,3-四氟丙烯(R1234ze(E))中的一种。
2.一种适用于汽车空调的组合物，其特征在于：其包含润滑剂和根据前述权利要求1中所述的混合工质。
3.如权利要求2所述的组合物，其特征在于：其中所述润滑剂选自：矿物油、硅油、多烷基苯(PAB)、多元醇酯(POE)、聚亚烷基二醇(PAG)、聚亚烷基二醇酯(PAG酯)、聚乙烯醚(PVE)、聚(α-烯烃)的至少一种物质或至少两种的组合。
4.如权利要求2-3中任一项所述的组合物，其特征在于：还包含稳定剂，所述稳定剂选自：基于二烯的化合物、磷酸盐/酯、酚化合物和环氧化物，及其混合物。
5.一种汽车空调制冷系统，其特征在于：是使用权利要求1-4中任一项所述的混合工质或组合物，其中所述混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于3.5℃。
6.如权利要求5所述的一种汽车空调制冷系统，其特征在于：其中所述混合工质或组合物的压缩机排出温度偏差小于2.5℃。
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