一种传热组合物及其应用与传热系统
阅读说明：本技术 一种传热组合物及其应用与传热系统 (Heat transfer composition, application thereof and heat transfer system ) 是由 王斌辉 王树华 宓宏 李行行 童灿辉 马列军 付磊 王双双 王金明 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种传热组合物及其应用以及传热系统,涉及制冷领域,该传热组合物包括HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-143a和HC-600a,其能够在为R-22或R-404A设计的传热系统中直接替换R-22或R-404A而不需要替换传热系统中的润滑油和改变任何组件,且在低温冷冻上具有优异的制冷效果,降温速率快且能耗低。(Disclosed herein are a heat transfer composition, an application thereof, and a heat transfer system, relating to the field of refrigeration, the heat transfer composition comprising HFC-32, HFC-125, HFC-134A, HFC-143a and HC-600a, capable of directly replacing R-22 or R-404A in a heat transfer system designed for R-22 or R-404A without replacing lubricating oil in the heat transfer system and changing any components, and having excellent refrigeration effect on low temperature freezing, fast cooling rate and low energy consumption.)
技术领域
本申请涉及制冷领域，具体涉及一种传热组合物及其应用与传热系统。
背景技术
R-22(一氯二氟甲烷)是广泛用于传热的HCFC(氢氟氯烃)型制冷剂，该制冷应用包括固定空调、商用和工业制冷、热泵和空调。目前存在许多为R-22而设计的换热系统。虽然R-22具有非常低的臭氧层损耗潜值(ODP)，然而其应用受到限制并逐步走向淘汰。R-404A也是常用的低温冷冻体系，但其GWP高达3922，对环境不利。京都议定书对这种高GWP的制冷剂提出了消减。从2015年开始，欧盟和日本等发达国家和地区就提出了禁止使用的议案。
新开发出基于HFC(氢氟烃)的制冷产品，具有零ODP值，对臭氧层没有任何破坏，对环境友好。如目前已开发的HFC产品R-407C，能够代替空调应用中的R-22。该产品为含有重量百分比为23：25：52的R-32(二氟甲烷)、R-125(五氟乙烷)和R-134a(1，1，1，2-四氟乙烷)的混合物。R-407C具有非常类似于R-22的热力学性质，可用在以R-22设计使用的老式系统中。然而，在机械部件的润滑方面，这些新型的基于HFC的产品(特别是R-407C)不能与用R-22操作系统的矿物油或烷基苯油相兼容，特别是回油不充分。所以使用HFC产品的系统需要使用多元醇酯(POE)或聚亚烷基二醇(PAG)型等新油作为润滑油。在许多现有以R-22进行操作的传热系统中，除了需要替换该制冷剂外，还要求改变润滑油，甚至还需要改变制冷回路的某些组件，例如连接管工件和密封件等。实质上，对于某些广泛使用的压缩装置类型(例如密封压缩机)，这种转换过程是不可能的。在任何情况下，这种转换过程均是漫长、困难且昂贵的。为了去除系统和管路中所有的油，必须以新油冲洗几次，清洗过程麻烦且耗时耗精力。
发明内容
鉴于以上情况，本申请的目的在于提供一种传热组合物及其应用以及传热系统，该传热组合物能够在为R-22或R-404A设计的传热系统中直接替换R-22或R-404A而不需要替换传热系统中的润滑油和改变任何组件，且在低温冷冻上具有优异的制冷效果，降温速率快且能耗低。
本申请实施例提供了一种传热组合物，包括HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-143a和HC-600a。
优选地，所述传热组合物包括以下质量百分含量的组分：
HFC-32 6.0％-23.0％，
HFC-125 41.5％-60.0％，
HFC-134a 23.0％-40.0％，
HFC-143a 1.0％-7.0％，
HC-600a 1.0％-4.0％；
上述组分的质量百分含量之和为100％。
优选地，所述传热组合物包括以下质量百分含量的组分：
HFC-32 7％-21.2％，
HFC-125 42.1％-57％，
HFC-134a 24.6％-39.5％，
HFC-143a 1％-6％，
HC-600a 1％-3％；
上述组分的质量百分含量之和为100％。
优选地，所述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 7.0％，HFC-125 45.5％，HFC-134a 39.5％，HFC-143a 6.0％，HC-600a 2.0％。
优选地，所述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 19.6％，HFC-125 49％，HFC-134a 24.6％，HFC-143a 5.1％，HC-600a 1.7％。
优选地，所述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 10.0％，HFC-125 57％，HFC-134a 25％，HFC-143a 6％，HC-600a 2％。
优选地，所述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 21.2％，HFC-125 42.1％，HFC-134a 33.7％，HFC-143a 1％，HC-600a 2％。
优选地，所述传热组合物用于R-22或R-404A的替代制冷剂。
本申请实施例还提供了上述传热组合物在R-22或R-404A的传热系统中替换R-22或R-404A使用的用途。
本申请实施例还提供了一种传热系统，该传热系统以上述传热组合物作为传热介质。
优选地，所述传热系统为汽车空调系统、家用空调、商用空调、家用制冷系统、商用制冷系统、热泵或冷却器冷却系统。
优选地，所述传热系统是为R-22或R-404A设计的传热系统，且传热系统中的R-22或R-404A被所述传热组合物替换。
优选地，所述传热组合物在为R-22设计的传热系统中的充注质量为R-22充注质量的85％-90％。
优选地，所述传热组合物在为R-404A设计的传热系统中的充注质量为R-404A充注质量的90-95％。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1.本申请提供的传热组合物ODP值为零，为环保冷媒，且不可燃，属于A1级制冷剂。
2.本申请提供的传热组合物可替代R-22使用，在系统运行中各个区域的温度压力都和R-22比较接近，可以完美替代R-22在系统内的运行，且与R-22系统润滑油相溶性良好，无需更换润滑油，该传热组合物的充注量在无储液罐时仅相当于R-22的85％-90％，且能够缩短降温时间，降低能耗。
3.本申请提供的传热组合物可替代R-404A使用，在系统运行中各个区域的温度压力都和R-404A比较接近，可以完美替代R-404A在系统内的运行，且充注量在无储液罐时仅相当于R-404A的90％-95％，且能够缩短降温时间，降低能耗。
附图说明
图1为本申请实施例1和2中的传热组合物与R-22的温度-液相压力对比图；
图2为本申请实施例1和2中的传热组合物与R-22的温度-气相压力对比图；
图3为本申请实施例3和4中的传热组合物与R-404A的温度-液相压力对比图；
图4为本申请实施例3和4中的传热组合物与R-404A的温度-气相压力对比图；
图5为本申请实施例和对比例中的冰箱降温时间与传热组合物中R-125含量的变化关系图；
图6为本申请实施例和对比例中的冰箱降温时间与传热组合物中R-134a含量的变化关系图；
图7为采用本申请实施例1和对比例7的传热组合物时冰箱将至目标温度与平均降温时间的曲线对比图；
图8为采用本申请实施例1和对比例7的传热组合物时冰箱将至目标温度与平均耗电量的曲线对比图；
图9为采用本申请实施例4和对比例6的传热组合物时冰箱将至目标温度与平均降温时间的曲线对比图；
图10为采用本申请实施例4和对比例6的传热组合物时冰箱将至目标温度与平均耗电量的曲线对比图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员对本申请方案的理解，下面结合具体实施例对本申请方案进行进一步阐述，应当理解，本申请实施例是对本申请方案的解释说明，不作为对本申请保护范围的限定。
本申请实施例提供了一种传热组合物，该传热组合物能直接替代R-22或R-404A，并且在替换过程中不需要替换传热系统中的润滑油和改变任何组件，且在低温冷冻上具有优异的制冷效果，降温速率快且能耗低。
本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：
本申请实施例提供了一种传热组合物，包括HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-143a和HC-600a。
在本申请的优选实施例中，该传热组合物包括以下质量百分含量的组分：
HFC-32 6.0％-23.0％，
HFC-125 41.5％-60.0％，
HFC-134a 23.0％-40.0％，
HFC-143a 1.0％-7.0％，
HC-600a 1.0％-4.0％；
上述组分的质量百分含量之和为100％。
在本申请的优选实施例中，该传热组合物包括以下质量百分含量的组分：
HFC-32 7％-21.2％，
HFC-125 42.1％-57％，
HFC-134a 24.6％-39.5％，
HFC-143a 1％-6％，
HC-600a 1％-3％；
上述组分的质量百分含量之和为100％。
在本申请的优选实施例中，上述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 7.0％，HFC-125 45.5％，HFC-134a 39.5％，HFC-143a 6.0％和HC-600a 2.0％；
或者上述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 19.6％，HFC-12549％，HFC-134a 24.6％，HFC-143a 5.1％，HC-600a 1.7％；
或者上述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 10.0％，HFC-12557％，HFC-134a 25％，HFC-143a 6％，HC-600a 2％；
或者上述传热组合物由以下质量百分含量的组分组成：HFC-32 21.2％，HFC-12542.1％，HFC-134a 33.7％，HFC-143a 1％，HC-600a 2％。
本申请实施例提供的上述传热组合物用于R-22或R-404A的替代制冷剂。
本申请实施例提供的上述传热组合物能在R-22或R-404A的传热系统中替换R-22或R-404A使用。
本申请实施例还提供了一种传热系统，该传热系统以上述的传热组合物作为传热介质。
在本申请的优选实施例中，上述传热系统为汽车空调系统、家用空调、商用空调、家用制冷系统、商用制冷系统、热泵或冷却器冷却系统。
在本申请的优选实施例中，上述传热系统是为R-22或R-404A设计的传热系统，且传热系统中的R-22或R-404A被所述传热组合物替换。
在本申请的优选实施例中，上述传热组合物在为R-22设计的传热系统中的充注质量为R-22充注质量的85％-90％。
在本申请的优选实施例中，上述传热组合物在为R-404A设计的传热系统中的充注质量为R-404A充注质量的90-95％。
本申请提供的传热组合物通过将上述各种组分按照相应的配比在液相状态下进行物理混合即可得到。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，但不作为对本申请的限定。
实施例
表1传热组合物的组分配比
对实施例1和2中的传热组合物与对比例5的R-22分别进行温度-液相压力变化和温度-气相压力变化测试，得到图1的温度-液相压力对比图和图2的温度-气相压力对比图，从这些图可以看出，本申请提供的传热组合物与R-22的温度-液相压力变化曲线和温度-气相压力变化曲线极为接近，即在制冷系统中运行时各个区域的温度和压力都与R-22比较接近，因此可以在为R-22设计的制冷系统中完美替代R-22在系统内运行。
对实施例3和4中的传热组合物与对比例6的R-404A分别进行温度-液相压力变化和温度-气相压力变化测试，得到图3的温度-液相压力对比图和图4的温度-气相压力对比图，从这些图可以看出，本申请提供的传热组合物与R-404A的温度-液相压力变化曲线和温度-气相压力变化曲线也极为接近，即在制冷系统中运行时各个区域的温度和压力都与R-404A比较接近，因此可以在为R-404A设计的制冷系统中完美替代R-404A在系统内运行。
制冷性能测试：
将表1中的实施例1-4和对比例1-6的传热组合物在空载冰箱上进行充注量测试和制冷性能测试。冰箱型号为：Copeland ZF18K4E-TFD。测试条件：环境温度30℃，冰箱设定温度为-55℃，冰箱空载，蒸发温度为-65～-70℃。所得到的充注量测试结果见表2，性能测试结果见表3和4。
表2是实施例1-4和对比例1-6的不同传热组合物的最佳充注量的测试结果。从该表可以看出，本申请实施例提供的传热组合物的最佳充注量均低于对比例的最佳充注量，特别是显著低于R-22和R-404A的最佳充注量。特别地，实施例4中的传热组合物的最佳充注量仅为5380g，其比R-22的充注量降低了13.2％，也比R-404A的充注量降低了8.7％，可降低制冷设备的成本。
表2.传热组合物的最佳充注量
表3.冰箱内温度降至指定温度时所耗时间
表4.冰箱内温度降至指定温度时压缩机电流大小
从表3和表4的实验数据可以看出，本申请实施例提供的传热组合物在冰箱达到目标温度时所耗时间均低于对比例，特别是采用实施例3的传热组合物时，冰箱的降温速率最快，冰箱温度降到-55℃时耗时为49.6min，相比R-22提升了16％，同时比R-404A提升了14％。且采用实施例3的传热组合物时，压缩机电流也比采用R-404A时的电流低很多，说明本申请实施例提供的传热组合物的降温效率更高且更加节能，COP值也更高。另外，采用对比例1、对比例2以及对比例7的传热组合物时，冰箱无法降温至-55℃，采用对比例3和对比例4的传热组合物时，冰箱降温至-55℃的耗时也远远超过实施例1-4的，说明本申请实施例提供的特定配比的传热组合物具有优异的低温制冷效果，而超出本申请实施例提供的传热组合物的配比范围时低温制冷效果大大降低。
根据表3中实施例1-4和对比例1-4冰箱温度降温至-50℃时所耗的时间，得到图5所示的降温时间与传热组合物中R-125(HFC-125)含量的变化关系图，以及图6所示的降温时间与传热组合物中R-134a(HFC-134a)含量的变化关系图。从图5可以看出，随着R125的组分含量提高，冰箱降温至-50℃的所耗时间先降低后升高，在R125的质量百分含量为42.1％～57％之间时所耗时间较短。从图6可以看出，随着R134a的组分含量提高，冰箱降温至-50℃的所耗时间也是先降低后升高，在R134a的质量百分含量为24.6％～39.5％之间时所耗时间较短。
将实施例1和对比例7的传热组合物在负载冰箱上进行制冷性能测试，每组配方进行3次平行实验。冰箱型号为：Copeland ZF18K4E-TFD，测试条件：环境温度30℃，冰箱负载且设定温度为-50℃，蒸发温度为-60℃。所得到的测试结果见表5和表6。
表5冰箱内温度降至指定温度时所耗时间
表6冰箱内温度降至指定温度时耗电量
根据表5和表6中的实验数据，得到图7所示的目标温度与平均降温时间的曲线对比图以及图8所示的目标温度与平均耗电量的曲线对比图。从图7和图8可以看出，在低于-40℃的深冷阶段，采用实施例1的传热组合物时的平均降温时间显著低于对比例7的，且平均耗电量显著低于对比例7的。特别地，将负载冰箱将至-50℃时，采用实施例1的传热组合物时平均所需时间比采用对比例7的传热组合物低40％，且平均耗电量也比对比例7的低39％，大大缩短了深冷阶段的制冷时间并有显著的节能效果。
本申请实施例提供的传热组合物中加入R-600a，可以增加混配传热组合物与矿物油的相溶性，使其能够在R-22系统中直接使用。相比于R-600、R601a等其它碳氢类制冷剂，R-600a的沸点更低，其能使混配传热组合物的温度滑移更小，制冷性能更加优越；相比R290，600a的沸点更高，其可以在系统中降低压缩机排气温度，使系统运行更加稳定。综合而言，R-600a是混配传热组合物中较优选的碳氢工质组分。为降低传热组合物的可燃性，R-600a在传热组合物中的质量百分含量控制在4％以下，更优选控制在3％以下。综合考虑传热组合物与矿物油的相溶性以及传热组合物的安全等级，优选R-600a的质量百分含量为1％-4％，更优选1％-3％。
将实施例4和对比例6的传热组合物在负载冰箱上进行制冷性能测试，每组配方进行3次平行实验。冰箱型号为：Copeland ZF18K4E-TFD，测试条件：环境温度30℃，冰箱负载且设定温度为-45℃，蒸发温度为-55℃。所得到的测试结果见表7和表8。
表7冰箱内温度降至指定温度时所耗时间
表8冰箱内温度降至指定温度时耗电量
根据表9和表10中的实验数据，得到图9所示的目标温度与平均降温时间的曲线对比图以及图10所示的目标温度与平均耗电量的曲线对比图。从图9和图10可以看出，将负载冰箱内温度降低至-45℃时，相比对比例6的R-404A，采用实施例4的传热组合物时的平均降温时间缩短了6％左右，且耗电量也降低了8％左右，具有明显的提效节能效果。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
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