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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft azeotropartige Zusammensetzungen,
bestehend im wesentlichen aus Difluormethan, Pentafluorethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan
und einem Kohlenwasserstoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus: n-Butan; Isobutan; n-Butan und 2-Methylbutan; n-Butan und n-Pentan;
Isobutan und 2-Methylbutan; und Isobutan und n-Pentan.
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HINTERGRUND
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In
den letzten Jahren ist darauf aufmerksam gemacht worden, daß bestimmte
Arten von Kältemitteln in
Form fluorierter Kohlenwasserstoffe, freigesetzt in die Atmosphäre, die
stratosphärische
Ozonschicht nachteilig beeinflussen können. Obwohl diese Behauptung
noch nicht vollständig
bewiesen ist, gibt es eine Bewegung in Richtung der Kontrolle der
Verwendung und der Herstellung bestimmter Chlorfluorkohlenstoffe
(CFCs) und Chlorfluorkohlenwasserstoffe (HCFCs) unter einem internationalen
Abkommen. Dementsprechend gibt es einen Bedarf für die Entwicklung von Kältemitteln,
die ein niedrigeres Ozonverarmungspotential als herkömmliche
auf CFCs und HCFCs basierende Kältemittel
haben, während
in Kälteerzeugungsanwendungen
noch eine akzeptable Leistung erreicht wird. Fluorkohlenwasserstoffe
(HFCs) sind dabei, Akzeptanz als Ersetzungen für CFCs und HCFCs zu gewinnen,
da HFCs kein Chlor enthalten und daher null Ozonverarmungspotential
haben.
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Mineralöle und Alkylbenzole
sind herkömmlicherweise
als Schmiermittel in auf CFCs basierenden Kälteerzeugungssystemen verwendet
worden. Jedoch hat der Mangel an Löslichkeit von diesen Schmiermitteln in
auf HFCs basierenden Kältemitteln
ihre Verwendung verhindert und die Entwicklung und Verwendung alternativer
Schmiermittel für
auf HFCs basierende Kälteerzeugungssysteme
notwendig gemacht, welche Polyalkylenglycole (PAGs) und Polyolester
(POEs) benutzen. Ein Wechsel des Schmiermittels von Mineralöl oder Alkylbenzol
zu POE- oder PAG-Schmiermitteln (welcher die Kosten in der Kälteindustrie
vergrößert) ist
erforderlich, wenn die HFC-Gemische verwendet werden, um auf CFCs
basierende Kältemittel
zu ersetzen. Wenn auch die PAGs und POEs geeignete Schmiermittel
für auf
HFCs basierende Kälteerzeugungssysteme
sind, sind sie extrem hygroskopisch und können bei Einwirkung von feuchter
Luft mehrere tausend ppm (Teile pro Million) Wasser absorbieren.
Diese absorbierte Feuchtigkeit führt
zu Problemen in dem Kälteerzeugungssystem,
wie beispielsweise Bildung von Säuren,
welche Korrosion in dem Kälteerzeugungssystem
und Bildung von schwer handhabbaren Schlämmen verursachen. Im Gegensatz
dazu sind Mineralöle
und Alkylbenzole viel weniger hygroskopisch und haben geringe Löslichkeit,
weniger als 100 ppm, für
Wasser. Außerdem
sind PAG- und POE-Schmiermittel beträchtlich teurer als die Kohlenwasserstoffschmiermittel,
typischerweise in der Größenordnung
von drei bis sechs mal teurer. Infolgedessen besteht ein Bedarf
und eine Möglichkeit,
dieses Löslichkeitsproblem
zu lösen,
so daß die
Kälteindustrie
Mineralöl-
und Alkylbenzol-Schmiermittel mit auf HFC basierenden Kältemitteln
benutzen kann.
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In
Kühlvorrichtungen
kann das Kältemittel
während
des Betriebes durch undichte Stellen in Wellenabdichtungen, Schlauchverbindungen,
gelöteten
Verbindungsstellen und gebrochenen Leitungen verloren werden. Außerdem kann
das Kältemittel
während
Wartungsprozeduren an der Kühlausrüstung in
die Atmosphäre freigesetzt
werden. Wenn das Kältemittel
nicht eine reine Komponente oder eine azeotrope oder azeotropartige
Zusammensetzung ist, kann sich die Kältemittelzusammensetzung ändern, wenn
es aus der Kühlvorrichtung
entweicht oder in die Atmosphäre
ausgetragen wird, was bewirken kann, daß das in der Ausrüstung verbleibende
Kältemittel
entflammbar wird oder inakzeptable Kühlleistung zeigt. Dementsprechend
ist es wünschenswert,
als Kältemittel
einen einzigen fluorierten Kohlenwasserstoff oder eine azeotrope
oder azeotropartige Zusammensetzung zu verwenden, welche beim Entweichen
aus einer Kühlvorrichtung
zu einem vernachlässigbaren
Grad fraktioniert.
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In
Kühlanwendungen,
wo die Möglichkeit
von Feuer oder von toxischen Nebenprodukten des Feuers eine Sorge
sind, ist es für
Kältemittelzusammensetzungen
wünschenswert,
in sowohl flüssiger
als auch dampfförmiger
Phase nichtentflammbar zu sein, wenn frisches Kältemittel in ein System eingetragen
wird oder nachdem Kältemittel
aus einem System entwichen ist.
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Die
Kältemittelindustrie
hat sich bemüht,
einige von diesen Problemen zu lösen,
und die folgenden Offenbarungen sind Beweis derartiger Absicht:
- – Powell
et al. offenbaren in der internationalen Veröffentlichung WO 9603473A1 der World Intellectual
Property Organization eine Zusammensetzung zur Verwendung in einer
Wärmeübertragungsvorrichtung
von: (A) mindestens einem Fluorkohlenwasserstoff, ausgewählt aus
Difluormethan und 1,1,1-Trifluorethan, (B) Pentafluorethan, (C)
mindestens einem Kohlenwasserstoff und gegebenenfalls (D) mindestens
einem Fluorkohlenwasserstoff, ausgewählt aus 1,1,1,2-Tetrafluorethan
und 1,1,2,2-Tetrafluorethan.
- – Pearson
offenbart in der US-Patentschrift
5688432 ein Kältemittel,
umfassend Pentafluorethan, Tetrafluorethan, einen Kohlenwasserstoff,
ausgewählt
aus Isobutan und Propan, und gegebenenfalls Octafluorpropan.
- – Hisanori
et al. offenbaren in der japanischen
ungeprüften
Patentveröffentlichung
Hei 9-25480 eine
Kältemittelzusammensetzung
aus Difluormethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan, Pentafluorethan und
Isobutan.
- – Kasuo
offenbart in der Veröffentlichung
der europäischen
Patentanmeldung EP
0659862 A1 eine Kältemittelzusammensetzung
aus Difluormethan, Pentafluorethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan und
n-Pentan.
- – Kazuo
offenbart in der japanischen
ungeprüften
Patentveröffentlichung
Hei 6-220430 eine Kältemittelzusammensetzung
aus Difluormethan, Pentafluorethan, 1,1,1,2-Tetrafluorethan und
n-Pentan.
- – Shiflett
offenbart in der US-Patentschrift
5185094 eine Kältemittelzusammensetzung
aus Pentafluorethan, Difluormethan und Tetrafluorethan.
- – Kinne
et al. offenbaren in DE 4226431 eine
1,1,1,2-Tetrafluorethan-Kältemittelzusammensetzung,
die 10–20
Volumenprozent eines Kohlenwasserstoffs enthält.
- – Bivens
et al. offenbaren in der US-Patentschrift
5616276 eine Kältemittelzusammensetzung
aus Chlordifluorethan, Pentafluorethan und Propan.
- – Han
et al. offenbaren in WO 9715637 Kältemittelzusammensetzungen
aus unbrennbaren halogenierten Verbindungen und brennbaren Verbindungen,
im wesentlichen Kohlenwasserstoffen.
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Dementsprechend
besteht in der Kälteindustrie
ein Bedarf für
Zusammensetzungen, die nichtozonverarmende, nichtentflammbare und
im wesentlichen nicht-fraktionierende azeotropartige Zusammensetzungen sind.
Außerdem
besteht in der Kälteindustrie
ein Bedarf für
Zusammensetzungen, die in Kompressionskühlvorrichtungen verbesserte
Rückführung von
Schmierölen
herkömmlicher
Kälteerzeugung
aus nicht-Kompressor- in Kompressorzonen ebenso wie überlegene
Kühlleistung
bieten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung befriedigen die vorstehend
erwähnten
Bedürfnisse,
mit denen die Kälteindustrie
konfrontiert ist. Die vorliegenden Zusammensetzungen sind als Kältemittel und
insbesondere als HCFC-22-Alternativen verwendbar. Unähnlich Zusammensetzungen,
die Propan und Pentan enthalten, sind Zusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung in sowohl flüssiger
als auch dampfförmiger
Phase, wie am Anfang formuliert und während des Entweichen, nichtentflammbar.
Die vorliegende Erfindung betrifft azeotropartige Zusammensetzungen,
die sowohl in der flüssigen
als auch in der dampfförmigen
Phase nichtentflammbar sind nach ASTM 681 bei 100°C, bestehend
im wesentlichen aus 1–19
Gewichtsprozent Difluormethan (HFC-32), 25–60 Gewichtsprozent Pentafluorethan
(HFC-125), 24–60
Gewichtsprozent 1,1,1,2-Tetrafluorethan (HFC-134a) und 0,5–5 Gewichtsprozent
eines Kohlenwasserstoffs, wobei der Kohlenwasserstoff aus der Gruppe,
bestehend aus: n-Butan; Isobutan; n-Butan und 2-Methylbutan; n-Butan und n-Pentan;
Isobutan und 2-Methylbutan; und Isobutan und n-Pentan, ausgewählt ist,
wobei, nachdem 50 Gewichtsprozent der azeotropartigen Zusammensetzung
verdampft sind, der Dampfdruck der verbliebenen Zusammensetzung
sich um 10 Prozent oder weniger verändert hat.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die
azeotropartigen Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung bestehen
im wesentlichen aus Difluormethan (HFC-32, CH2F2, normaler Siedepunkt von –51,7°C), Pentafluorethan
(HFC-125, CF3CHF2,
normaler Siedepunkt von –48,5°C), 1,1,1,2-Tetrafluorethan
(HFC-134a, CF3CH2F,
normaler Siedepunkt von –26,1°C) und einem
Kohlenwasserstoff, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus: n-Butan (CH3CH2CH2CH3, normaler Siedepunkt von –0,5°C); Isobutan
(CH(CH3)3, normaler
Siedepunkt von –11,8°C; n-Butan
und 2-Methylbutan (CH3CH2CH(CH3)2, normaler Siedepunkt
von 27,9°C);
n-Butan und n-Pentan (CH3CH2CH2CH2CH3,
normaler Siedepunkt von 35,9°C);
Isobutan und 2-Methylbutan; und Isobutan und n-Pentan.
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Die
azeotropartigen Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung bestehen
im wesentlichen aus 1–19
Gewichtsprozent Difluormethan, 25–60 Gewichtsprozent Pentafluorethan,
24–60
Gewichtsprozent 1,1,1,2-Tetrafluorethan und 0,5–5 Gewichtsprozent eines Kohlenwasserstoffs,
wobei der Kohlenwasserstoff aus der Gruppe, bestehend aus: n-Butan;
Isobutan; n-Butan und 2-Methylbutan; n-Butan und n-Pentan; Isobutan
und 2-Methylbutan; und Isobutan und n-Pentan, ausgewählt ist.
Die bevorzugten azeotropartigen Zusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung bestehen im wesentlichen aus 1–15 Gewichtsprozent Difluormethan,
30–50
Gewichtsprozent Pentafluorethan, 30–50 Gewichtsprozent 1,1,1,2-Tetrafluorethan und
1–4 Gewichtsprozent
der vorstehend erwähnten
Kohlenwasserstoffe. Die am meisten bevorzugten azeotropartigen Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung bestehen im wesentlichen aus 1–9 Gewichtsprozent
Difluormethan (HFC-32), 30–50
Gewichtsprozent Pentafluorethan (HFC-125), 30–50 Gewichtsprozent 1,1,1,2-Tetrafluorethan
(HFC-134a) und 1–4
Gewichtsprozent der vorstehend erwähnten Kohlenwasserstoffe.
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Azeotropartige
Zusammensetzung bedeutet ein konstant siedendes, oder im wesentlichen
konstant siedendes, flüssiges
Gemisch aus zwei oder mehreren Substanzen, das sich wie eine einzige
Substanz verhält.
Eine allgemeine Art und Weise, um eine azeotropartige Zusammensetzung
zu beschreiben, ist, daß der Dampf,
erzeugt durch teilweise Verdampfung oder Destillation der Flüssigkeit,
dem Wesen nach die gleiche Zusammensetzung wie die Flüssigkeit
hat, aus welcher er verdampft oder destilliert wurde. Im wesentlichen destilliert
das Gemisch/fließt
zurück,
ohne die Zusammensetzung dem Wesen nach zu ändern. Eine andere allgemeine
Art und Weise, um eine azeotropartige Zusammensetzung zu beschreiben,
ist, daß der
Dampfdruck am Siedepunkt und der Dampfdruck am Taupunkt der Zusammensetzung
bei einer speziellen Temperatur praktisch die gleichen sind. Hier
ist eine Zusammensetzung azeotropartig, wenn, nachdem 50 Gewichtsprozent
der Zusammensetzung, wie beispielsweise durch Verdampfung oder Verkochen,
entfernt sind, der Unterschied im Dampfdruck zwischen der ursprünglichen
Zusammensetzung und der Zusammensetzung, die verblieben ist, nachdem
50 Gewichtsprozent der ursprünglichen
Zusammensetzung entfernt worden sind, weniger als 10 Prozent beträgt.
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Wirksame
Menge bedeutet die Menge jeder Komponente der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen,
welche, wenn vereinigt, zu der Bildung einer azeotropartigen Zusammensetzung
führt.
Diese Definition schließt
die Mengen jeder Komponente ein, welche Mengen abhängig von
dem auf die Zusammensetzung ausgeübten Druck variieren können, so
lange wie die azeotropartigen Zusammensetzungen bei den unterschiedlichen
Drucken, aber mit möglichen
unterschiedlichen Siedepunkten weiterexistieren. Daher schließt wirksame
Menge die Mengen, wie sie in Gewichtsprozentsätzen ausgedrückt sein
können,
von jeder Komponente der Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
ein, welche azeotropartige Zusammensetzungen bei Temperaturen oder
Drücken
bilden, die andere sind als die hier beschriebenen.
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Die
azeotropartigen Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können durch
ein beliebiges herkömmliches
Verfahren einschließlich
Mischen oder Vereinigen wirksamer Mengen von Komponenten hergestellt
werden. Ein bevorzugtes Verfahren ist, die gewünschten Mengen der Komponenten
auszuwiegen und sie danach in einem geeigneten Behälter zu
vereinigen.
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Ein überraschendes
Ergebnis und ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Zusammensetzungen
ist, daß sie
in sowohl der dampfförmigen
als auch der flüssigen
Phase nichtentflammbar bleiben nach ASTM 681 bei 100°C, bevor
oder nachdem die Zusammensetzungen aus einem Behälter entweichen.
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Basierend
auf dem Standardtestverfahren der Entflammbarkeit ASTM 681 bei 100°C sind die
folgenden Grenzen der Entflammbarkeit bestimmt worden:
Zusammensetzung | Grenze
der Entflammbarkeit (Gew.-%) |
HFC-125/HFC-32 | 57%
HFC-32 |
HFC-134a/HFC-32 | 33%
HFC-32 |
HFC-125/n-Butan | 6%
n-Butan |
HFC-134a/n-Butan | 3%
n-Butan |
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Die
Werte zeigen, daß Zusammensetzungen
mit einem höheren
Anteil von HFC-125 mehr Kohlenwasserstoff tolerieren und noch nichtentflammbar
sein können.
Außerdem
ist HFC-32 etwa 10 mal weniger entflammbar als Kohlenwasserstoffe.
Um ein Anzeichen der Entflammbarkeit des Gemisches zu geben, gibt
die folgende Formel einen Näherungswert
des „Gesamtäquivalents
Kohlenwasserstoff” (TEH),
vorhanden in Gemischen, die sowohl HFC-32 als auch Kohlenwasserstoffe
enthalten: TEH = HC + R32/10, wo TEH = Total Equivalent Hydrocarbon
(Gesamtäquivalent
Kohlenwasserstoff) in Gewichtsprozent, HC = Gewichtsprozent Kohlenwasserstoff
in einem Gemisch und R32 = Gewichtsprozent HFC-32 in einem Gemisch.
Für die
Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung ist es nützlich,
den Anteil von HFC-125 in dem Gemisch auf die Entflammbarkeit zu
beziehen, weil HFC-125 einen bestimmten Grad von Flammenunterdrückung hat.
Tabelle 1 zeigt die Entflammbarkeitsgrenze eines Gemisches, enthaltend
sowohl HFC-32 als auch Kohlenwasserstoffe, basierend auf HFC-125
der Zusammensetzung und TEH, an. TABELLE 1
Gewichtsprozent
HFC-125 in HFC-32/HFC-125/HFC-134a/HC-Gemisch | Maximale
Gewichtsprozent TEH, um nichtentflammbar zu sein |
10 | 3,0 |
20 | 3,3 |
30 | 3,7 |
40 | 4,0 |
50 | 4,3 |
60 | 4,7 |
70 | 5,0 |
80 | 5,5 |
90 | 6,0 |
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Zusatzstoffe,
die auf dem Gebiet der Kältemittel
bekannt sind, wie beispielsweise Schmiermittel, Korrosionsinhibitoren,
grenzflächenaktive
Mittel, Stabilisatoren, Antischaummittel, Farbstoffe und andere
geeignete Materialien, können
in Anwesenheit der vorliegenden Zusammensetzungen der Erfindung
für eine
Vielfalt von Zwecken hinzugegeben und verwendet werden, mit der
Maßgabe,
daß derartige
Zusatzstoffe nicht einen nachteiligen Einfluß auf die vorliegenden Zusammensetzungen
für deren
vorgesehene Anwendung haben oder die grundlegenden und neuen charakteristischen
Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht werden,
verändern.
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Obwohl
die vorliegende Beschreibung auf die Verwendung der vorliegenden
azeotropartigen Zusammensetzungen als Kompressionskältemittel
gerichtet ist, können
die vorliegenden Zusammensetzungen auch Verwendung als Reinigungsmittel,
Expansionsmittel für
Polyolefine und Polyurethane (Blähmittel
für Polymerschaum),
Aerosoltreibmittel, Wärmeübertragungsmedien,
gasförmige
Dielektrika, Arbeitsflüssigkeiten
für den Stromkreislauf,
Polymerisationsmedien, Flüssigkeiten
zur Entfernung teilchenförmiger
Materialien, Trägerflüssigkeiten,
Schwabbelschleifmittel und Mittel zur Verdrängungstrocknung finden.
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BEISPIELE
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Spezielle
Beispiele, die die vorliegende Erfindung veranschaulichen, sind
nachstehend angegeben. Wenn darin nicht anderweitig festgesetzt,
sind alle Prozentsätze
auf das Gewicht bezogen.
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BEISPIEL 1: Einfluß des Entweichens von Dampf
auf die Änderung
der Zusammensetzung bei 25°C
von einer Zusammensetzung aus HFC-32, HFC-125, HFC-134a, n-Butan
und gegebenenfalls 2-Methylbutan oder n-Pentan
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Ein
Gefäß wird bei
25°C zu
90 Vol.-% voll mit einer anfänglichen
Zusammensetzung von HFC-32, HFC-125,
HFC-134a, n-Butan und gegebenenfalls 2-Methylbutan oder n-Pentan
gefüllt.
Die anfänglichen
Zusammensetzungen der Flüssigkeit
und des Dampfes werden durch Gaschromatographie gemessen. Die Zusammensetzung
wird aus dem Gefäß entweichen
gelassen, während
die Temperatur konstant bei 25°C
gehalten wird, bis 50 Gewichtsprozent der anfänglichen Zusammensetzung entfernt
sind, zu welcher Zeit die Zusammensetzungen der Flüssigkeit
und des Dampfes, die in dem Gefäß verblieben
sind, wiederum gemessen werden. Aus dem Gefäß wird dann entweichen gelassen,
bis die gesamte Flüssigkeit
verschwunden ist. In allen Fällen
war die Flüssigkeit
verschwunden, nachdem etwa 97 Gew.-% entfernt waren. Die Ergebnisse
sind nachstehend in Tabelle 2 zusammengefaßt. Alle Zusammensetzungen
sind in Gew.-% angegeben. TABELLE 2
| Anfängliche Flüssigkeit | Anfänglicher
Dampf | 50%
Entweichen – Flüssigkeit | 50%
Entweichen – Dampf | 97%
Entweichen – Flüssigkeit | 97%
Entweichen – Dampf |
HFC-32 | 9,0 | 12,8 | 6,5 | 9,9 | 1,0 | 1,9 |
HFC-125 | 46,0 | 55,6 | 38,8 | 49,9 | 10,7 | 18,1 |
HFC-134a | 42,5 | 29,1 | 52,3 | 37,6 | 87,3 | 78,4 |
n-Butan | 2,5 | 2,5 | 2,4 | 2,6 | 1,0 | 1,6 |
TEH | 3,4 | 3,8 | 3,0 | 3,6 | 1,1 | 1,8 |
| | | | | | |
HFC-32 | 10,0 | 14,2 | 7,3 | 10,9 | 1,1 | 2,1 |
HFC-125 | 45,0 | 54,3 | 37,9 | 48,8 | 10,4 | 17,6 |
HFC-134a | 42,5 | 29,0 | 52,4 | 37,6 | 87,5 | 78,7 |
n-Butan | 2,5 | 2,5 | 2,4 | 2,7 | 1,0 | 1,6 |
TEH | 3,5 | 3,9 | 3,1 | 3,8 | 1,1 | 1,8 |
| | | | | | |
HFC-32 | 10,0 | 13,9 | 7,3 | 11,0 | 1,0 | 1,9 |
HFC-125 | 45,0 | 52,3 | 38,8 | 49,2 | 10,3 | 17,7 |
HFC-134a | 42,5 | 28,3 | 52,9 | 37,3 | 88,7 | 80,3 |
Propan | 2,5 | 5,5 | 1,0 | 2,5 | 0,0 | 0,1 |
TEH | 3,5 | 6,9* | 1,7 | 3,6 | 0,1 | 0,3 |
| | | | | | |
HFC-32 | 10,0 | 14,4 | 7,1 | 11,0 | 0,7 | 1,4 |
HFC-125 | 45,0 | 55,1 | 37,3 | 49,1 | 7,6 | 14,1 |
HFC-134a | 42,5 | 29,3 | 51,9 | 38,2 | 72,7 | 78,5 |
n-Pentan | 2,5 | 1,2 | 3,6 | 1,7 | 19,0 | 6,0 |
TEH | 3,5 | 2,6 | 4,3* | 2,8 | 19,1* | 6,1* |
| | | | | | |
HFC-32 | 10 | 14,2 | 7,3 | 10,9 | 1,0 | 2,0 |
HFC-125 | 45 | 54,5 | 37,8 | 48,9 | 10,1 | 17,1 |
HFC-134a | 42,5 | 29,0 | 52,3 | 37,7 | 86,1 | 78,2 |
n-Pentan | 2,0 | 2,0 | 1,9 | 2,1 | 0,9 | 1,4 |
2-Methylbutan | 0,5 | 0,3 | 0,7 | 0,4 | 1,9 | 1,3 |
TEH | 3,5 | 3,7 | 3,3 | 3,6 | 2,9 | 2,9 |
| | | | | | |
HFC-32 | 5,0 | 8,0 | 3,2 | 5,4 | 0,2 | 0,5 |
HFC-125 | 32,2 | 43,9 | 24,1 | 35,5 | 3,7 | 6,8 |
HFC-134a | 60,0 | 45,4 | 69,9 | 56,3 | 93,1 | 90,0 |
n-Butan | 2,0 | 2,3 | 1,7 | 2,2 | 0,5 | 0,8 |
2-Methylbutan | 0,8 | 0,4 | 1,1 | 0,6 | 2,5 | 1,9 |
TEH | 2,9 | 3,5 | 3,1 | 3,3 | 3,0 | 2,8 |
| | | | | | |
HFC-32 | 5 | 7,2 | 3,6 | 5,5 | 0,5 | 1,0 |
HFC-125 | 50 | 61,0 | 41,8 | 54,3 | 11,2 | 18,8 |
HFC-134a | 42,7 | 29,7 | 52,2 | 38,0 | 85,1 | 77,5 |
n-Butan | 1,8 | 1,9 | 1,7 | 1,9 | 0,9 | 1,2 |
n-Pentan | 0,5 | 0,2 | 0,7 | 0,3 | 2,3 | 1,5 |
TEH | 2,8 | 2,9 | 2,8 | 2,9 | 3,2 | 2,8 |
- * Zusammensetzungen sind, basierend auf
TEH-Analyse, entflammbar
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Wenn
TEH-Werte dieses Beispiels mit Tabelle 1 verglichen werden, zeigen
die Ergebnisse, daß Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung am Anfang und wenn der Inhalt vollständig aus
dem Behälter entwichen
ist, im wesentlichen nichtentflammbar sind. Die Werte zeigen auch,
daß die
Zugabe eines höher
siedenden Kohlenwasserstoffs wie beispielsweise 2-Methylbutan die
Entflammbarkeit der anfänglichen
Dampfphase, wenn verglichen mit der Verwendung von nur n-Butan,
verringert. Propan enthaltende Zusammensetzungen sind am Anfang
in der Dampfphase entflammbar und n-Pentan enthaltende Zusammensetzungen
werden in der flüssigen
und/oder der dampfförmigen
Phase entflammbar, wenn die Flüssigkeit
entfernt ist.
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BEISPIEL 2: Einfluß des Entweichens von Dampf
auf die Änderung
der Zusammensetzung bei 25°C
von einer Zusammensetzung aus HFC-32, HFC-125, HFC-134a, Isobutan
und gegebenenfalls 2-Methylbutan oder n-Pentan
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Ein
Gefäß wird bei
25°C zu
90 Vol.-% voll mit einer anfänglichen
Zusammensetzung von HFC-32, HFC-125,
HFC-134a, Isobutan und gegebenenfalls 2-Methylbutan oder n-Pentan
gefüllt.
Die anfänglichen
Zusammensetzungen der Flüssigkeit
und des Dampfes werden durch Gaschromatographie gemessen. Die Zusammensetzung
wird aus dem Gefäß entweichen
gelassen, während
die Temperatur konstant bei 25°C
gehalten wird, bis 50 Gewichtsprozent der anfänglichen Zusammensetzung entfernt
sind, zu welcher Zeit die Zusammensetzungen der Flüssigkeit
und des Dampfes, die in dem Gefäß verblieben
sind, wiederum gemessen werden. Aus dem Gefäß wird dann weiter entweichen
gelassen, bis die gesamte Flüssigkeit
verschwunden ist. In allen Fällen
war die Flüssigkeit
verschwunden, nachdem etwa 97 Gew.-% entfernt waren. Die Ergebnisse sind
nachstehend in Tabelle 3 zusammengefaßt. Alle Zusammensetzungen
sind in Gew.-% angegeben. TABELLE 3
| Anfängliche Flüssigkeit | Anfänglicher
Dampf | 50%
Entweichen – Flüssigkeit | 50%
Entweichen – Dampf | 97%
Entweichen – Flüssigkeit | 97%
Entweichen – Dampf |
HFC-32 | 10,0 | 12,7 | 6,5 | 9,8 | 1,0 | 1,9 |
HFC-125 | 45,0 | 55,3 | 39,0 | 49,9 | 10,7 | 18,1 |
HFC-134a | 42,5 | 29,0 | 52,4 | 37,5 | 88,0 | 79,3 |
Isobutan | 2,5 | 3,0 | 2,1 | 2,8 | 0,3 | 0,7 |
TEH | 3,5 | 4,3 | 2,7 | 3,8 | 0,4 | 0,9 |
| | | | | | |
HFC-32 | 10,0 | 14,0 | 7,4 | 10,9 | 1,1 | 2,2 |
HFC-125 | 47,0 | 55,7 | 40,2 | 50,8 | 11,8 | 19,8 |
HFC-134a | 40,5 | 27,3 | 50,3 | 35,5 | 86,7 | 77,2 |
Isobutan | 2,5 | 3,0 | 2,1 | 2,8 | 0,4 | 0,8 |
TEH | 3,5 | 4,4 | 2,8 | 3,9 | 0,5 | 1,0 |
| | | | | | |
HFC-32 | 10,0 | 14,2 | 7,2 | 10,9 | 1,0 | 2,0 |
HFC-125 | 45,5 | 54,2 | 38,0 | 48,9 | 10,0 | 17,0 |
HFC-134a | 42,5 | 29,0 | 52,4 | 37,6 | 86,4 | 78,9 |
Isobutan | 2,0 | 2,4 | 1,7 | 2,2 | 0,4 | 0,6 |
n-Pentan | 0,5 | 0,2 | 0,7 | 0,4 | 2,2 | 1,5 |
TEH | 3,5 | 4,0 | 3,1 | 3,7 | 2,7 | 2,3 |
| | | | | | |
HFC-32 | 15,0 | 23,0 | 9,9 | 16,5 | 0,8 | 1,6 |
HFC-125 | 24,0 | 32,3 | 18,1 | 26,6 | 2,7 | 5,0 |
HFC-134a | 60,0 | 43,6 | 71,1 | 55,9 | 95,4 | 92,4 |
Isobutan | 0,5 | 0,8 | 0,3 | 0,6 | 0,0 | 0,0 |
2-Methylbutan | 0,5 | 0,3 | 0,6 | 0,4 | 1,1 | 1,0 |
TEH | 2,5 | 3,4 | 1,9 | 2,6 | 1,2 | 1,2 |
| | | | | | |
HFC-32 | 19 | 24,6 | 15,1 | 20,7 | 3,7 | 6,5 |
HFC-125 | 50 | 55,8 | 45,3 | 53,2 | 19,0 | 29,2 |
HFC-134a | 30 | 18,8 | 38,5 | 25,3 | 74,9 | 62,7 |
Isobutan | 0,5 | 0,6 | 0,4 | 0,5 | 0,1 | 0,2 |
n-Pentan | 0,5 | 0,2 | 0,7 | 0,3 | 2,3 | 1,4 |
TEH | 2,9 | 3,3 | 2,6 | 2,9 | 2,8 | 2,2 |
-
Wenn
TEH-Werte dieses Beispiels mit Tabelle 1 verglichen werden, zeigen
die Ergebnisse, daß die Zusammensetzungen
am Anfang und wenn der Inhalt vollständig aus dem Behälter entwichen
ist, im wesentlichen nichtentflammbar sind. Die Werte zeigen auch,
daß die
Zugabe eines höher
siedenden Kohlenwasserstoffs wie beispielsweise n-Pentan die Entflammbarkeit
der anfänglichen
Dampfphase, wenn mit der Verwendung von nur Isobutan verglichen
wird, verringert.
-
BEISPIEL 3: Einfluß des Entweichens von Dampf
auf den Dampfdruck bei 25°C
-
Ein
Gefäß wird bei
25°C mit
einer anfänglichen
Zusammensetzung gefüllt,
und der anfängliche
Dampfdruck der Zusammensetzung wird gemessen. Die Zusammensetzung
wird aus dem Gefäß entweichen
gelassen, während
die Temperatur konstant bei 25°C
gehalten wird, bis 50 Gewichtsprozent der anfänglichen Zusammensetzung entfernt
sind, zu welcher Zeit der Dampfdruck der in dem Gefäß verbliebenen
Zusammensetzung gemessen wird. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden
Tabelle 4 zusammengefaßt. TABELLE 4
Zusammensetzung
(Gew.-%) | Anfangsdruck (kPa) | Druck
nach dem Entweichen (kPa) | % Änderung
im Druck |
HFC-32/HFC-125/HFC-134/n-Butan | | | |
1,0/60,0/34,0/5,0 | 1101 | 1042 | 5,4 |
19,0/56,5/24,0/0,5 | 1348 | 1272 | 5,6 |
9,0/46,0/42,5/2,5 | 1134 | 1044 | 7,9 |
5,0/34,0/60,0/1,0 | 979 | 891 | 9,0 |
16,0/57,0/24,0/3,0 | 1318 | 1245 | 5,5 |
19,0/25,0/51,0/5,0 | 1149 | 1038 | 9,7 |
10,0/45,0/42,5/2,5 | 1142 | 1051 | 8,0 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan | | | |
1,0/60,0/34,0/5,0 | 1123 | 1065 | 5,2 |
19,0/56,5/24,0/0,5 | 1351 | 1275 | 5,6 |
9,0/46,0/42,5/2,5 | 1147 | 1055 | 8,0 |
5,0/34,0/60,0/1,0 | 985 | 895 | 9,1 |
16,0/57,0/24,0/3,0 | 1333 | 1261 | 9,5 |
19,0/25,0/51,0/5,0 | 1172 | 1059 | 9,6 |
10,0/45,0/42,5/2,5 | 1155 | 1062 | 8,1 |
10,0/47,0/40,5/2,5 | 1167 | 1078 | 7,6 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/2-Methylbutan | | | |
1,0/60,0/34,0/0,5/4,5 | 1064 | 985 | 7,4 |
19,0/56,5/24,0/0,5/0,5 | 1342 | 1264 | 5,8 |
9,0/46,0/42,5/1,0/1,5 | 1120 | 1024 | 8,6 |
5,0/34,0/60,0/0,5/0,5 | 974 | 885 | 9,1 |
16,0/57,0/24,0/2,0/1,0 | 1310 | 1231 | 6,0 |
19,0/25,0/51,0/4,5/0,5 | 1145 | 1031 | 10,0 |
10,0/45,0/42,5/2,0/0,5 | 1138 | 1044 | 8,3 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/n-Pentan | | | |
1,0/60,0/34,0/0,5/4,5 | 1058 | 975 | 7,8 |
19,0/56,5/24,0/0,5/0,5 | 1341 | 1262 | 5,9 |
9,0/46,0/42,5/1,0/1,5 | 1118 | 1020 | 8,8 |
5,0/34,0/60,0/0,5/0,5 | 973 | 885 | 9,0 |
16,0/57,0/24,0/2,0/1,0 | 1309 | 1229 | 6,1 |
19,0/25,0/51,0/4,5/0,5 | 1145 | 1030 | 10,0 |
10,0/45,0/42,5/2,0/0,5 | 1137 | 1043 | 8,3 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/2-Methylbutan | | | |
1,0/60,0/34,0/0,5/4,5 | 1066 | 987 | 7,4 |
19,0/56,5/24,0/0,5/0,5 | 1345 | 1267 | 5,8 |
9,0/46,0/42,5/1,0/1,5 | 1125 | 1028 | 8,6 |
5,0/34,0/60,0/0,5/0,5 | 976 | 887 | 9,1 |
16,0/57,0/24,0/2,0/1,0 | 1320 | 1242 | 5,9 |
19,0/25,0/51,0/4,5/0,5 | 1167 | 1050 | 10,0 |
10,0/45,0/42,5/2,0/0,5 | 1147 | 1053 | 8,2 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/n-Pentan | | | |
1,0/60,0/34,0/0,5/4,5 | 1060 | 977 | 7,8 |
19,0/56,5/24,0/0,5/0,5 | 1344 | 1265 | 5,9 |
9,0/46,0/42,5/1,0/1,5 | 1122 | 1024 | 8,7 |
5,0/34,0/60,0/0,5/0,5 | 975 | 886 | 9,1 |
16,0/57,0/24,0/2,0/1,0 | 1319 | 1238 | 6,1 |
19,0/25,0/51,0/4,5/0,5 | 1166 | 1049 | 10,0 |
10,0/45,0/42,5/2,0/0,5 | 1147 | 1051 | 8,4 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Propan | | | |
10,0/45,0/42,5/2,5 | 1247 | 1096 | 12,1 |
-
Die
Ergebnisse dieses Beispiels zeigen, daß azeotropartige Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung vorhanden sind, wenn, nachdem 50 Gew.-%
einer ursprünglichen
Zusammensetzung entfernt sind, der Dampfdruck der verbliebenen Zusammensetzung
bei einer Temperatur von 25°C
um weniger als etwa 10% des Dampfdrucks der ursprünglichen
Zusammensetzung verändert
wird. Verringerung des Anteils von HFC-32 in den Zusammensetzungen
kann zu einem stärker
azeotropartigen Gemisch führen.
Zusammensetzungen, die Propan enthalten, sind nicht azeotropartig.
-
BEISPIEL 4: Auswirkung der Zugabe von
Kohlenwasserstoff auf die Fraktionierung
-
Ein
Gefäß wird bei
25°C mit
einer anfänglichen
Zusammensetzung zu 90 Vol.-% voll gefüllt, und der anfängliche
Dampfdruck der Zusammensetzung wird gemessen. Die Zusammensetzung
wird aus dem Gefäß entweichen
gelassen, während
die Temperatur konstant bei 25°C
gehalten wird, bis 50 Gewichtsprozent der anfänglichen Zusammensetzung entfernt
sind, zu welcher Zeit der Dampfdruck der in dem Gefäß verbliebenen Zusammensetzung
gemessen wird. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle
5 zusammengefaßt. TABELLE 5
Zusammensetzung
(Gew.-%) | Anfangsdruck (kPa) | Druck
nach dem Entweichen (kPa) | % Änderung
im Druck |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a
(Kältemittel „R407C”) (23/25/52) | 1179 | 1055 | 10,5 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a
(20/40/40) | 1241 | 1135 | 8,5 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan (15/42/41,5/1,5) | 1193 | 1093 | 8,4 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan (10/45/42,5/2,5) | 1142 | 1051 | 8,0 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan
(5/48/44/3) | 1083 | 1005 | 7,2 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan (15/42/41,5/1,5) | 1200 | 1099 | 8,4 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan (10/45/42,5/2,5) | 1155 | 1062 | 8,1 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan
(5/48/44/3) | 1098 | 1017 | 7,4 |
-
Die
Ergebnisse dieses Beispiels zeigen, daß die Fraktionierung verringert
wird; die Zusammensetzungen azeotropartiger werden, wenn HFC-32
mit den vorliegenden Kohlenwasserstoffen ersetzt wird. Zusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung haben auch weniger Fraktionierung als
die Kältemittelzusammensetzung
R407C.
-
BEISPIEL 5: Kältemittelleistung
-
Die
folgende Tabelle zeigt die Leistung von Zusammensetzungen der vorliegenden
Erfindung. Die Werte basieren auf den folgenden Bedingungen.
Verdampfertemperatur | 8,9°C |
Kondensatortemperatur | 46,1°C |
Unterkühlungstemperatur | 39,4°C |
Temperatur
des zurückgeführten Gases | 18,3°C |
Spielvolumen
des Kompressors beträgt | 4% |
Isentropischer
Wirkungsgrad des Kompressors beträgt | 75% |
-
Kapazität soll die Änderung
der Enthalpie des Kältemittels
in dem Verdampfer pro Pound des zirkulierenden Kältemittels, d. h. die Wärme, entnommen
durch das Kältemittel
in dem Verdampfer pro Zeit, bedeuten. Coefficient of Performance
(COP) (Leistungskoeffizient) soll das Verhältnis der Kapazität zu Kompressorarbeit bedeuten.
Er ist ein Maß des
energetischen Wirkungsgrades des Kältemittels. Ergebnisse sind
nachstehend in Tabelle 6 angegeben. TABELLE 6
Zusammensetzung
(Gew.-%) | Verdampfer
Druck (kPa) | Kondensator
Druck (kPa) | Kompressor
Austrag T (°C) | COP | Kapazität (Watt) |
HFC-125/HFC-134a/n-Butan (46,5/50,0/3,5) | 572 | 1627 | 65,6 | 5,79 | 5317 |
HFC-125/HFC-134a/Isobutan (32,0/64,0/4,0) | 529 | 1516 | 64,3 | 5,87 | 5014 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan (10,0/45,0/42,5/2,5) | 658 | 1852 | 69,3 | 5,74 | 6058 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/2-Methylbutan (5,0/32,0/60,0/2,0/1,0) | 550 | 1582 | 67,3 | 5,89 | 5287 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/n-Pentan (1,0/60,0/34,0/4,0/1,0) | 634 | 1770 | 65,1 | 5,64 | 5595 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan (10,0/47,0/40,5/2,5) | 674 | 1892 | 67,9 | 5,70 | 6111 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/2-Methylbutan (15,0/24,0/60,0/0,5/0,5 | 596 | 1722 | 71,4 | 5,90 | 5829 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/n-Pentan (19,0/50,0/30,0/0,5/0,5) | 754 | 2101 | 71,5 | 5,67 | 6820 |
-
Die
Ergebnisse dieses Beispiels zeigen, daß die Zusammensetzungen der
vorliegenden Erfindung entweder höhere Kapazität, höheren Wirkungsgrad
oder beides zeigen, wenn sie mit Zusammensetzungen verglichen werden,
welche kein HFC-32 enthalten.
-
BEISPIEL 6: Test der Rückführung von Öl mit den vorliegenden Zusammensetzungen
-
Die
Rückführung von Öl wurde
in einer Vorrichtung zur Ölrückführung wie
folgt getestet. Flüssiges
Kältemittel
wurde von einem unter Druck gesetzten Zylinder durch eine Kupferrohrleitung
zu einem Erhitzer geführt,
wo sie verdampft wurde. Der Kältemitteldampf
wurde dann durch einen Druckregulator und ein Dosierventil geleitet,
um den Strom mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1000–1100 cm3 pro Minute und 1 at Druck zu regeln. Der
Kältemitteldampf
wurde zu einem weiteren Kupferrohr, 180 cm in der Länge und
0,635 cm äußerer Durchmesser,
geformt zu einer U-Form, plaziert in einem Bad mit konstanter Temperatur,
geführt. Das
U-förmige
Rohr (U-Rohr) begann mit einem geraden vertikalen Abschnitt, 37
cm lang, war dann zu einem 27 cm langen horizontalen Abschnitt am
Boden des Bades gebogen. Das Rohr erhob sich dann vertikal in einem
Zickzackmuster mit vier 23-cm-Längen,
gefolgt von einem weiteren 23 cm langen vertikalen Abschnitt. Das
U-Rohr war mit 10 Gramm Öl,
gegebenenfalls enthaltend Ölrückführungsmittel
und Olrückführungsmittelträger, gefüllt, welches
durch das vertikale 37-cm-Rohr in das U-Rohr gegeben wurde. Kältemitteldampf
wurde langsam durch das Öl
in dem U-Rohr geleitet. Kältemittel
und Öl,
die das U-Rohr verließen,
wurden in einer Vorlage gesammelt, und das Kältemittel wurde verdampfen
gelassen. Das Öl
wurde dann gewogen, um zu bestimmen, wieviel durch das Kältemittel
aus dem U-Rohr ausgetragen wurde.
-
Das
Kältemittel
R407C (23 Gew.-% HFC-32, 25 Gew.-% HFC-125 und 52 Gew.-% HFC-134a)
wurde in dem Kältemittelzylinder
plaziert. Das Mineralöl
Suniso
® 3GS
wurde in dem Kupfer-U-Rohr plaziert, wobei Gesamtöl und Ölrückführungsmittel
und Ölrückführungsmittelträger gleich
10 Gramm waren. Das Bad mit konstanter Temperatur wurde bei einer
Temperatur von 0°C
gehalten. Kältemitteldampf
wurde mit einer Fließgeschwindigkeit
von 1100 Kubikzentimetern pro Minute durch das U-Rohr geführt und
das Gewicht des Öls
in der Vorlage in Zeitintervallen von 6, 10 und 20 Minuten gemessen.
Die Kältemittelzusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung wurden dann mit Suniso
® 3GS
getestet. Werte sind nachstehend in Tabelle 7 angegeben. TABELLE 7: ÖLRÜCKFÜHRUNG MIT 3GS-MINERALÖL
| Gew.-% des
rückgeführten Öls |
Kältemittel | Zusammensetzung (Gew.-%) | 6
min | 10
min | 20
min |
R407C (HFC-32/HFC-125/HFC-134a) | 23/25/52 | 11,1 | 22,3 | 32,3 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan | 10/45/42,5/2,5 | 12,9 | 25,2 | 32,9 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan | 10/47/40,5/2,5 | 12,5 | 23,0 | 34,2 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/2-Methylbutan | 5/32/60/2/1 | 16,1 | 26,9 | 35,5 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan/n-Pentan | 1/60/34/4/1 | 22,5 | 31,5 | 39,7 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/2-Methylbutan | 14,5/24/60/1,0/0,5 | 12,1 | 23,0 | 32,4 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/Isobutan/n-Pentan | 19/50/30/0,5/0,5 | 13,8 | 24,2 | 33,5 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a/n-Butan mit
verstärktem 3GS* | 10/45/42,5/2,5 | 28,2 | 33,3 | 38,4 |
HFC-32/HFC-125/HFC-134a mit verstärktem 3GS* | 10/45/45 | 28,5 | 33,0 | 38,1 |
- * 3GS-Öl
ist mit 0,4 Gew.-% Zonyl® PHS plus 3% Isopar® H
plus 200 ppm Dow-200-Antischaummittel
verstärkt. Zonyl® PHS
wird von E. I. du Pont de Nemours & Co. verkauft und ist ein statistisches
Copolymer, hergestellt aus 40 Gewichtsprozent CH2=CH(CH3)CO2CH2CH2(CF2CF2)m'F,
wobei m' von 1 bis
12, in erster Linie 2 bis 8, ist, und 60 Gewichtsprozent Laurylmethacrylat (CH2=C(CH3)CO2(CH2)11CH3). Isopar® H
ist ein isoparaffinischer Kohlenwasserstoff hoher Reinheit mit geringem
Gehalt an Aromaten, verkauft von Exxon Chemical.
-
Die
Ergebnisse aus Beispiel 6 zeigen in allen Fällen, daß die Ölrückführung der Zusammensetzungen der
vorliegenden Erfindung gegenüber
R407C verbessert ist. Die Ölrückführung nimmt
mit zunehmender Kohlenwasserstoffkonzentration zu. Die Zugabe des
polymeren Ölrückführungsmittels
Zonyl® PHS
zu 3GS-Öl
verbessert die Ölrückführung weiter.