SE458280B

SE458280B - Foerfarande foer lokaluppvaermning medelst vaermepump

Info

Publication number: SE458280B
Application number: SE8100263A
Authority: SE
Inventors: A Rojey
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 1980-01-21
Filing date: 1981-01-19
Publication date: 1989-03-13
Also published as: US4344292A; CA1170067A; JPH0217597B2; BE887095A; FR2474151A1; JPS56116776A; FR2474151B1; DE3101414A1; DE3101414C2; SE8100263L; GB2068996A; GB2068996B

Description

458 280 ' 2- 10 15 20 25 30 35 40 'vara antingen en beståndsdel vars kri ' ' fluormetan (R-12); den kritiska temperatur, som i det följande skall betecknas med beteckningen tc, är 96°c för R-zz och 11z°c för R-12.

Allmänt sett är en högre koktem tur gynnsamma vad beträffar verknín ten) peratur och kritisk tempera- gsgraden (prestandakoefficien- , men leder till en hög sugmängd och följaktligen till en minskad värmekapacitet för en given kompressor. Valet av R-22 följer av en kompromiss mellan dessa två som är begränsade för vanliga användningstemperaturer vid lokaluppvärmning, vändningen av R-12 är speciellt avsedd för relativt hö raturnivåer, t ex över SOOC. varvid an- gra tempe- Sådana värmepumpar erfordrar i allmänhet av säkerhetsskäl användningen av halogenerade fluider av typ de av antändbara produkter, såsom kolväte såsom ammoniak.

"Fréon" för undvikan- , eller toxiska produkter, Det är fördelaktigt att för minskning av problemen med an- passning och för användning i stor skala av samma material som när värmepumpen fungerar med en ren kropp utnyttja blandningar, som innefattar en majoritetsbeståndsdel, s k grundbestándsdel, som är den som användes när värmepumpen fungerar med en ren kropp, t ex R-ZZ eller R-12, och en andra beståndsdel i begränsad andel, i allmänhet mindre än 20%, t ex 0,5-20 viktprocent av blandningen.

För att andelen av denna andra beståndsdel skall förbli ringa, är det nödvändigt att dess kritiska temperatur är mycket skild från grundbeståndsdelens kritiska temperatur; varvid skillnaderna mellan de kritiska temperaturerna bör vara minst lika med exempelvis 20°C.

Blandningen kan dä betecknas "dissymmetrisk", varvid bland- ningsbeståndsdelarna är i mycket olika andelar.

Den andra bestándsdelen i den dissymmetriska blandningen kan den kritiska temperaturen hos del vars kritiska temperatur är högre än den kritiska temperaturen hos grundbeståndsdelen.

Det har visat sig att i det först från användning av en blandning, man uppnår i det andra fallet, Exempel l Man betraktar den i fig. värmepunpen. a fallet vinsten som härrör är mycket lägre än vinsten som såsom framgår av följande exempel. 1 schematiskt visade vatten-vatten- Denna värmepump innefattar en avdunstare E1, i vilken bland- 10 15 25 30 3 458 280 ningen införes genom en ledning 1 och varifrån den utkommer helt och hållet föràngad genom ledningen 2, en kompressor K1, i vilken ängblandningen komprimeras och varifrån den utkommer genom en led- ning 3 för att ledas till kondensorn EZ, varifrån den utkommer helt och hållet kondenserad genom en ledning_4, varefter den av- spännes i avspànüngsventilen D1 och återföres till avdunstaren.

Avdunstaren och kondensorn utgöres av värmeväxlare med dubbla rör, i vilka fluiderna mellan vilka värmeväxling genomföres, cirkulerar i motström.

Genom en ledning 5 inkommer en mängd om 1 ms/h vatten från fritt grundvatten. Detta vatten inkommer vid 12°C och utkommer ge- nom ledningen 6 vid 4°C. Vattnet som uppvärmes i kondensorn inkom- mer genom en ledning 7 vid ZOOC och återgår genom en ledning 8.

Dess mängd är lika med 1 m3/h.

Man bringar först värmepumpen att fungera genom att använda en blandning bildad av R-22 såsom grundbeståndsdel och triklor- fluormeton (R-11), vars kritiska temperatur är 1980C, såsom andra beståndsdel. Genom att bringa koncentrationen av R-11, uttryckt i molprocent av blandningen, att variera, erhåller man följande resultat vad beträffar prestandakoefficienten (COP), definierad såsom förhållandet mellan den av värmepumpen avgivna värmeeffekten och den elektriska effekt som förbrukas i kompressorns drivmotor och den genom kompressorn sugna mängden (Va) uttryckt i ms/h. molprocent ..R_11.. _. o 1 s 6 8 .coP. .i sQsV. 5,97 5,01 5,07 4,60 Va ' >(m3/h) 9,09: _a,¶§ 9,46 9,74 10,68 Man íakttager följaktligen att blandningens sammansättning passerar genom ett optimum för en koncentration av 6% R-11 mot- svarande en energiekonomi av 23-24% i förhållande till grundfallet och detta utan modifiering av utrustningarna och värmeväxlar- ytorna.

Man använder därefter en blandning bildad av R-22 såsom grund- beståndsdel och klortrifluormetan (R-13), vars kritiska tempera- tur är 29OC, såsom andra beståndsdel. Genom att man bringar kon- centrationen av R-13 uttryckt i molprocent av blandningen, att variera, erhåller man följande resultat vad beträffar prestanda- 10 15 20 30 ' (tc = 142°C), en azeotrop av R-31 och R-114 (55,l 458 280 4 koefficienten (COP) och mängden som suges genom kompressorn (Va), uttryckt i ms/h. molprocent .R_13_.“ ¿¿q. 4 s 12 22 .con _.. 3;s7,3,9s 4,00 4,04 4,02 Vä 9,09 s,s7 8,12 7,71 6,92 i(m./h).." ,.

Sammansättníngen hos blandningen passerar genom ett optímum för en koncentration av 12% R-13 motsvarande en förbrukningsvínst om 4% i förhållande till grundfallet.

Man konstaterar av detta exempel att en blandning innehållan- de sâsom grundbestàndsdel R-22 (tc = 96OC) och såsom andra bestånds- ae1 R-11 (rt = 19s°c) , vars kritiska temperatur är högre än den kritiska temperatﬁren för R-22, leder till en mer betydande energi- ekonomi än en blandning som såsom grundbestándsdel innefattar R-22 och såsom andra beståndsdel R-13 (te = 29OC), vars kritiska tempera- tur är lägre än den kritiska temperaturen för R-ZZQSkiIInaden mellan de kritiska temperaturerna, vilken är_mínst ZOOC, bör icke vara F och skall i allmänhet vara lägre än TSOOC.

Enligt uppfinningen användbara blandningar kan bildas av en grundbeståndsdel, som exempelvis är klordifluormetan (R-22, t 96°c), aikiordifiuormeran (R-12, :C = 11z°c), bromtrífiuormeran (R-13 B1, :C = 67°c), klorpentafluoretan (R-115, tc = 80OC),dif1uor- etan (R-152 a, tc = (tc = e2°c) R-500 (tc = överdrivet stor l13,S°C) eller även en azeotrop, såsom R-S02 , en azeotrop av R-ZZ och R-115 (Ã8,8/52,2 viktprocent), 105,S°C, en azeotrop av R-12 och R-31 (78,0/22,0 vikt- procent) och en andra beståndsdel, vars kritiska temperatur är minst ZOOC högre än den kritiska temperaturen för grundbestånds- delen och som exempelvis är triklorfluormetan (R-11 , :C = 19s°c), d1k10rre;raf1u0re:an (R-114, :C = 14e°c), aikiorhexafiuorpropan (R-216, tc = l80°C), diklorfluormetan (R-21, tc = l78,5°C),oktafluor- cyklobutan (c-318, tc = 115°C) eller även en azectrop, såsom R-S06 /44,9 viktprocent).

Specifika exempel är följande: ' R-22 + R-11A R-ZZ + ß-114 R-115+ R-114 R-12 + R-ll 10 15 20 zs* 30 35 40 5 458 280 R-12 + R-216 R-502 + R-114 Såsom framgår av detta exempel bör i varje användningsfall det optimala värdet för molkoncentrationen för den andra bestånds- delen i blandningen sökas inom gaffelvärdet 0,5-20% och bör icke bestämmas godtyckligt för att full nytta skall dragas av fördelar- na som uppkommer enligt uppfinningen.

En blandning av angiven typ uppvisar olägenheten att för en given mass- eller molmängd leda till en allmänt föga högre sug- mängd än i grundfallet med en värmepump som fungerar med en ren kropp. Då emellertid kompressionsgraden är mindre, skall det i allmänhet vara möjligt att antingen använda samma kompressor som vid en ren kropp eller till och med en kompressor motsvarande en lägre investering. Följaktligen förblir värmepumpen, som arbetar med en blandning m1anghæn'Qp,1mtketnærf fördelaktig än värmepum- pen som arbetar med en ren kropp. Icke desto mindre kan man försöka att minska kompressorstorleken och följaktligen minska volymmäng- den som motsvarar en given massmängd.

Det har ävenledes visat sig och detta utgör ett annat ändamål enligt uppfinningen, att det är möjligt att bevara fördelarna med en förhöjd vinst i prestandakoefficienten allt under det att den sugna volymmängden hos kompressorn minskar för en given mass- eller molmängd under förverkligande av en blandning som innefattar minst tre beståndsdelar, varav en grundbeståndsdel, t ex R-12 eller R-22, en andra beståndsdel; vars kritiska temperatur är minst ZOOC högre än den kritiska temperaturen för grundbeståndsdelen, t ex R-ll, R-113 eller R-114, och en tredje beståndsdel vars kritiska tempe- ratur är lägre än den kritiska temperaturen för grundbeståndsdelen, _t ex monoklortrifluormetan (R-13).

Följande exempel tillåter precisering det sätt på vilket va- let av blandning kan utföras.

Exempel gg Man betraktar samma värmepump som har beskrivits iexﬂmml loch som visas schematiskt i fig. 1. Man arbetar med samma vattenmäng- der i avdunstaren och kondensorn som i exempel 1, varvid vattnet som avger värme till avdunstaren, inkommer vid l2OC och återgår vid 4°C och vattnet, som uppvärmes i kondensorn 2o°c. ' _ Man utnyttjar en blandning som är bildad av R-22 såsom grund- beståndsdel, R-ll såsom andra beståndsdel och R-13 såsom tredje , inkommer vid 458 280 ' 6 10 15 25 beståndsdel. Man åstadkommer en blandning innehållande 10% R-13 och man bringar koncentrationen av R-11 att variera.

Man erhåller följande resultat vad beträffar prestandakoefficienten (COP) och genomströmningsmängden i kompressorn (Va) uttryckt i m3/h.

Jmolprocent _ Rgïï gg o .¿ 1 z__ _ 3 4 s cop ¿_ I 4,03. 4,95 4,1; 4,10 4,03 3,93 _ ga 1,91 7,65 s,1s 8,36 8,67 9,05 '(m /h)'.. I ,.'.

Man iakttager följaktligen att för en blandning vars samman- sättning är följande (i molfraktíoner): R-22 : 0,89' R-11 : 0¿01 R-13 : 0,10 man förverkligar en vinst om 22% i förhållande till funk- tionen med R-22 använd såsom ren kropp Denna vinst är följaktligen nära den som ma optimala fallet i det första exem och 6% R-11. n erhåller i det plet med en blandning av 94% R-22 För samma molmängd blandning åstadkommer man dessutom en vinst om 21% i genomströmningsmängden med blandningen som är bildad av 89% R-22, 1% R-11 och 10% R-13 i förhållande till genom- strömningsmängden som uppnås med en blandning av 94% R-ZZ och 6% R-11.

Detta exempel har givits såsom åskådliggörande och bland- ningar med annan sammansättning och natur kan användas. en blandning med tre beståndsdelar skall kunna vara lämp fordras att den innefattar en grundbeståndsdel vars konc företrädesvis är lika med minst 80 molprocent, R-12 (fc e 11z°c), För att lig, er- entration såsen R-zz (tc= 9e°c), R-13 B1 (fc = 67°c), R-115 (fc = so°), R-1sze (fc = 113,5°c) eller även en ezeeerep, såsen R-soz (te = sz°c) ei- 1er R-soo (fc = 1os,s°c), en andra beståndsdel v peratur är minst ZOOC högre än den kritiska temperaturen för grund- beståndsdelen, såsom R-11,(t¿ = 198°C), R-114 (tc = 146°C), R-216 tec = 1so°@;, R_21 (te = 17s,s°c), c-318 (fc = r1s°c) eiier även en azeotrop, såsom R-506'(tc = 14ZOC), och en tredje beståndsdel vars kritiska temperatur är företrädesvis minst ZOOC lägre än den ars kritiska tem- kritiska temperaturen för brundbeståndsdelen,_såsom exempelvis klortrífluormetan (R-13, tc = 29°C) eller trifluormetan (R-23, 10 15 20 30 458 280 tc = 25,9°C). När grundbeständsdelen är~R-22, kan den tredje beståndsdelen ävenledes exempelvis vara bromtrifluormetan (R-13 B1, :C = e7°c) eiier azeoeropen R-504 (fc = 66°c). Moikoncenrrationen av den tredje bestàndsdelen i blandningen är mellan 5 och 20%.

Denna andel bör icke vara alltför ringa för att draga betydande fördelar av införandet av denna tredje beståndsdel och på grund härav skall skillnaden mellan de kritiska temperaturerna för grund- bestàndsdelen och den tredje bestándsdelen företrädesvis vara mindre än 1oo°c.

Punktíonsbetingelserna väljes i allmänhet så,&ttïﬂ8nÛñngﬂE tryck i avdunstaren är högre än atmosfärstrycket och att bland- ningens tryck i kondensorn icke uppnår överdrivna värden, t ex över 3,0 MPa.

Blandningens temperatur vid utträdet från kondensorn är i allmänhet mellan 0 och l0OOC.

Värmepumparna i vilka man använder blandningarna som har de- finierats, kan vara av vilken som helst typ.

Kompressorn kan exempelvis vara en kompressor med smord kolv eller torr kolv, en kompressor med skruv eller en centrifugalkom- pressoí.Värmeväxlarna kan exempelvis vara värmeväxlare med dubbla rör, värmeväxlare med rör och tank eller plattvärmeväxlare.

Den termíska effekten kan exempelvis uppgå till några W för värmepumpar som användes vid individuell uppvärmning till flera MW för värmepumpar som användes för kollektiv uppvärmning.

Föreliggande förfarande som är grundat på användningen av specifika blandningar; är speciellt lämpligt när man tillför vär- met genom att låta temperaturen hos den yttre fluiden utvecklas i ett relativt snävt intervall företrädesvis mindre än 1S°C, t ex 5 - l30C (skillnaden mellan inloppstemperaturer och utloppstem- peraturer hos den yttre fluiden).

Claims

_ molkoncentrationen av det andr 458 280 Patentkrav i

1. Förfarande för uppvärmning av en lokal med hjälp av en kompressionsvärmepump som arbetar genom att avdraga värmet i en förangare fran en yttre fluid, vars temperatur år mellan O och 20°C ooh genom att tillföra värmet till íluidkondensorn i vilken värmeväxlingarna till föràngaren och till kondensor för uppvärmning av lokalen, n mellan arbetsfluiden resp. den yttre fluiden och uppvärmníngsfluiden sker i motström, k ä n- n e t e o k n a t därav, att arbetsíluiden är en blandning av åtminstone tva halogenerade kolväten, som sinsemellan icke bildar någon azeotrop, varvid ett första halogenerat kolväte, och åtminstone ett andra haloge- nerat kolväte vars kritiska temperatur benämnt grundbestandsdelen, är mer ån minst ZÜÜC över den kritiska temperaturen för grundbestándsdelen, varvid a halogenerade kolvätet i bland- ningen är mellan 0,5 och 20%.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att grundbestàndsdelen är en av följande beståndsdelar: monoklordifluormetan (R-22), diklordifluormetan (R-123, brom- trifluormetan CR-13 Bl), difluoretan (R-l52a), klorpentaíluor- eran cR-llsa, en azadtrop av R--z-z den R-ns <4a,a/'s2,2 vik-t- en azeotrop av R-12 och R-31 C78,D/22 cent), och den andra bestandsdelen är procent), ,Ü viktpro- en av följande bestånds- delar: triklorfluormetan (R-lll, diklortetrafluoretan (R-114), diklorhexafluorpropan CR-216), diklorfluormetan (R-21), okta- íluorcyklobutan (C-318), en azeotrop av R-31 och R-114 <55,1/44,9 viktprocentä.

3. Förfarande enligt krav i eller 2, k ä n n e t e c k- att den använda blandningen innefattar trifluormetan (R-ÉÉJ såsom grundb n a t därav, monoklor- estandsdel och triklorfluor- metan (R-11) sasom andra beståndsdel.

4. Förfarande enligt nagot av krav l-3, k ä n n 6- t e c k n a t därav, att den använda blandningen innefattar vars kritiska_temperatur än den kritiska temperaturen hos gr minst en tredje beståndsdel, är lägre undbestandsdelen, varvid skillnaden mellan den kritiska temperaturen hos den tredje bestandsdelen och den kritiska temperaturen hos grundbestànds- delen är mellan 20 och 1UD°C. 9 458 280

5. Förfarande enligt krav 4, R ä n n e t e c k n a t därav, att den använda blandningen innefattar monoklurtri- fluormetan (R-22) såsom grundbestàndsdel, triklorfluormetan (R-11) såsom andra beståndsdel och klortrifluormetan (R-13) såsom tredje beståndsdel.

6. Föríarande enligt krav 5 eller 6, k ä n n e t e c k- n a t därav, att molkoncentratíonen för den tredje bestånds- delen i blandningen är mellan 5 och 20%.