专利名称：适用于200～240k制冷温区的多元混合工质节流制冷剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷技术，特别涉及一种适用于200～240K制冷温区的多元混合工质节流制冷剂。
采用多元混合工质应用于结构形式简单的单压缩机驱动的回热式节流制冷机中，可以高效地实现200～240K温区。混合工质回热式节流制冷机的系统示意图见
图1、图2，主要由压缩机CP、冷却器AC、回热换热器HX、节流元件JT和低温蒸发器EV构成。该种制冷机最为关键的因素在于高效多元混合物工质的研制。混合工质节流制冷剂的组成与实现制冷的硬件及这些硬件的构成系统的形式是密切相关的，但是经过深入研究表明，混合工质固有性能是决定制冷系统性能的最根本因素。目前尚未有针对上述温区的专利报道。
进行适用温区划分的依据在于混合工质固有的热力特性上，在某已知具体组成的混合物中，混合物中各组成在制冷机工作温区到环境温度之间不同温区发挥不同作用，但是每种组元只在一个相对固定的温区发挥有效制冷作用，而在其他温区发挥较小作用，由此，可以期望在混合物中通过各组元之间的配合形成类似一种接力作用，实现从环境温度到所需制冷温度之间的高效组合。
混合工质节流制冷机组成部件相对简单，对应于不同部件发生的是不同的热力过程，参见图2，包括在压缩机内进行的绝热压缩、冷却器内等压放热，回热换热器内的回热过程，节流元件内的节流膨胀过程，这是实现能量转换的过程，由压缩机输入的功转换为冷量火用，在蒸发器内实现冷量火用的利用，低压低温工质进入回热换热器冷却高压来流工质，自身温度恢复到环境温度后，进入压缩机完成一个热力循环。因此，混合工质对制冷机性能的影响最终要体现在对上述几个热力过程的影响。另外，不同热力过程在制冷机中的地位并不完全一致，其中回热过程对制冷机的影响(尤其是采用多元混合物工质时)最大，同时回热过程的效果对节流过程也有很大影响，具体表现在当回热完善时，导致节流前温度降低，使节流过程的损失也大大降低。因此对混合物工质选择要综合考虑对各个热力过程的影响，对于优选的工质是使每个过程的不可逆损失降低，最终系统获得最佳性能。
根据上述分析，以图1、图2所示循环过程为例说明混合工质节流制冷循环热力性能的计算原则单位制冷量qc＝hL2-hL3单位功耗Win＝hG01-hL1(绝热压缩)制冷系数COP=qcwin]]>热效率CEF=COP×T0-TcTc]]>上述式中qc为单位制冷量，h表示焓，Win为耗功，Tc、T0分别表示制冷温度和环境温度，下标表示各状态点，参见图例说明。实现上述热力性能的条件是必需满足各热力过程正常进行的设备约束条件，如回热换热器内不能出现“负”温差现象。
本发明的技术方案如下本发明提供的适用于200～240K制冷温区的多元混合工质节流制冷剂，包括4组物质，该4组物质分别为第1组物质四氟甲烷(CF4)、三氟化氮(F3N)或者是二者的混合物，有效作用温区为145～180K，确保实现所需制冷温度，尤其是在工作背压较高时；第2组物质乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)、全氟乙烷(C2F6)或者为该组物质中任二种、三种、多种或所有物质的混合物，有效工作温区为170～230K；
第3组物质丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、环丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)或者为该组物质中任两种、三种、多种或所有物质的混合物，有效工作温区为220～270K；第四组物质1-丁烯(1-C4H8)、异丁烷(C4H10)、2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(顺式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、环丁烷(C4H8)、异丁烯(C4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)或者为该组物中任两种、三种、多种或所有物质的混合物，有效工作温区260～350K。
这里所指各组元的有效工作温区是对应于工作压力范围在高压在1.2～2.5MPa范围，低压在0.1～0.7MPa范围内(均为绝对压力)。
从制冷循环的角度考虑，上述各组工质在循环中发挥不同作用，第一组工质是确保实现所需制冷温度，尤其是在循环工作低压较高时；第二组是基本工作物质，第三组、第四组工质主要是减小回热过程、节流过程的损失，并且增大等温节流效应，减小压缩机排气温度，降低冷凝过程损失。上述工质组元均为无臭氧消耗工质(ODP为零)。
上述本发明提供的适用于200～240K制冷温区的多元混合工质节流制冷剂的第1组至第4组的物质的摩尔浓度之和为100％，其中每一组物质的总摩尔浓度范围满足下面要求第1组物质的总摩尔浓度15％～50％；第2组物质的总摩尔浓度20％～55％；第4组物质的总摩尔浓度5％～35％；第3组物质的总摩尔浓度余量；并且这个浓度范围可以在更具体温度范围内细分，具体为1、针对200K温区(200K±5K)第1组物质的总摩尔浓度35％～50％；第2组物质的总摩尔浓度20％～35％；第4组物质的总摩尔浓度5％～15％；第3组物质的总摩尔浓度余量；2、针对210K温区(210K±5K)第1组物质的总摩尔浓度30％～45％；第2组物质的总摩尔浓度25％～40％；第4组物质的总摩尔浓度10％～20％；第3组物质的总摩尔浓度余量；3、针对220K温区(220K±5K)第1组物质的总摩尔浓度25％～40％；第2组物质的总摩尔浓度30％～45％；第4组物质的总摩尔浓度15％～25％；第3组物质的总摩尔浓度余量；4、针对230K温区(230K±5K)第1组物质的总摩尔浓度20％～35％；第2组物质的总摩尔浓度35％～50％；第4组物质的总摩尔浓度20％～30％；第3组物质的总摩尔浓度余量；5、针对240K温区(240K±5K)第1组物质的总摩尔浓度15％～30％；第2组物质的总摩尔浓度40％～55％；第4组物质的总摩尔浓度25％～35％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
上述浓度范围对应于工作压力范围在高压在1.2～2.5MPa范围，低压在0.1～0.7MPa范围内(均为绝对压力)，压比在3～10。其中浓度变化趋势是随低压增大，低沸点组元浓度增大，相对应中高沸点组元浓度减小，反之亦然。
图2为对应于图1所示循环的焓温示意图。
上述图中，CP压缩机，AC为冷却器，JT为节流元件，HX为回热换热器，EV为蒸发器，L1～L3，G01、G0、G1为循环各状态点，，T0为环境温度，Tc为制冷温度，W为压缩机功耗，qc为制冷量。
结合图1及图2具体阐明本发明所提出的适用于200～240K制冷温区的多元混合工质节流制冷剂的热力工作过程本发明的适用于200～240K制冷温区的多元混合工质节流制冷剂从状态L1进入压缩机CP，被压缩至状态G01；然后进入冷却器AC冷却到状态G0；进入回热换热器HX，被进一步冷却到G1；然后经过节流元件JT节流后成为L3；进入蒸发器EV，提取冷量后成为L2；接着进入回热换热器HX复温，恢复到状态L1，完成一个热力循环。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
制备适用于200K～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，该多元混合工质节流制冷剂，包括下述4组物质，该4组物质分别为第1组物质四氟甲烷(CF4)、三氟化氮(F3N)、或者是二者的混合物，；第2组物质乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、三氟甲烷(CHF3)、氙(Xe)、氟代甲烷(CH3F)、全氟乙烯(C2F4)、氟乙烯(C2H3F)、全氟乙烷(C2F6)、或者是该组物质中任两种物质的混合物、或该组物质中多种物质的混合物；第3组物质丙稀(C3H6)、丙烷(C3H8)、全氟丙烷(C3F8)、1，1，1-三氟乙烷(C2H3F3)、1，1，-二氟乙烷(1，1，-C2H4F2)、氟乙烷(C2H5F)、丙二烯(C3H4)、环丙烷(C3H6)、二氟甲烷(CH2F2)、或者是该组物质中任两种的混合物、或该组物种中多种物质的混合物；第4组物质1-丁烯(1-C4H8)、异丁烷(C4H10)、2-甲基丁烷(C5H12)、1-戊烯(1-C5H10)、3-甲基-1-丁烯(C5H10)、2-甲基戊烷(C6H14)、2-丁烯(顺式C4H8)、2-丁烯(反式C4H8)、环丁烷(C4H8)、异丁烯(C4H8)、正丁烷(C4H10)、全氟丁烷(C4F10)、正戊烷(C5H12)、全氟戊烷(C5F12)、或者是该组物中任两种物质的混合物、或该组物质中多种物质的混合物。
实施例1制备运行于200K温区的多元混合工质节流制冷剂，环境温度为300K；制冷循环为图1所示，工质浓度及性能见下表。
实施例2制备运行于210K温区的多元混合工质节流制冷剂，环境温度为300K；制冷循环为图1所示，工质浓度及性能见下表。
实施例3制备运行于220K温区的多元混合工质节流制冷剂，环境温度为300K；制冷循环为图1所示，工质浓度及性能见下表。
实施例4制备运行于230K温区的多元混合工质节流制冷剂，环境温度为300K；制冷循环为图1所示，工质浓度及性能见下表。
实施例5制备运行于240K温区的多元混合工质节流制冷剂，环境温度为300K；制冷循环为图1所示，工质浓度及性能见下表。
权利要求
1.一种适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于，包括4组物质，该4组物质分别为第1组物质四氟甲烷、三氟化氮或者是二者的混合物；第2组物质乙烯、乙烷、三氟甲烷、氙、氟代甲烷、全氟乙烯、氟乙烯、全氟乙烷或者为该组物质中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；第3组物质丙稀、丙烷、全氟丙烷、1，1，1-三氟乙烷、1，1，-二氟乙烷、氟乙烷、丙二烯、环丙烷、二氟甲烷或者为该组物质中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；第4组物质1-丁烯、异丁烷、2-甲基丁烷、1-戊烯、3-甲基-1-丁烯、2-甲基戊烷、2-丁烯、2-丁烯、环丁烷、异丁烯、正丁烷、全氟丁烷、正戊烷、全氟戊烷或者为该组物质中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；各组物质摩尔浓度之和为100％，其中，每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度15％～50％；第2组物质的总摩尔浓度20％～55％；第4组物质的总摩尔浓度5％～35％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
2.按权利要求1所述的适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于，所述每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度35％～50％；第2组物质的总摩尔浓度20％～35％；第4组物质的总摩尔浓度5％～15％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
3.按权利要求1所述的适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于所述每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度30％～45％；第2组物质的总摩尔浓度25％～40％；第4组物质的总摩尔浓度10％～20％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
4.按权利要求1所述的适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于所述每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度25％～40％；第2组物质的总摩尔浓度30％～45％；第4组物质的总摩尔浓度15％～25％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
5.按权利要求1所述的适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于所述每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度20％～35％；第2组物质的总摩尔浓度35％～50％；第4组物质的总摩尔浓度20％～30％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
6.按权利要求1所述的适用于200～240K温区的多元混合工质节流制冷剂，其特征在于所述每一组物质的总摩尔浓度满足下述要求第1组物质的总摩尔浓度15％～30％；第2组物质的总摩尔浓度40％～55％；第4组物质的总摩尔浓度25％～35％；第3组物质的总摩尔浓度余量。
全文摘要
本发明涉及的适用于200～240K温区多元混合工质节流制冷剂，包括4组物质，分别为第1组四氟甲烷、三氟化氮或其混合物；第2组乙烯、乙烷、三氟甲烷、氙、氟代甲烷、全氟乙烯、氟乙烯、全氟乙烷或其中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；第4组1－丁烯、异丁烷、2甲基丁烷、1－戊烯、3－甲基－1－丁烯、2－甲基戊烷、2－丁烯、2－丁烯、环丁烷、异丁烯、正丁烷、全氟丁烷、正戊烷、全氟戊烷或其中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；第3组丙烯、丙烷、全氟丙烷、1，1，1－三氟乙烷、1，1，－二氟乙烷、氟乙烷、丙二烯、环丙烷、二氟甲烷或其中任两种、三种、多种或所有物质的混合物；在各自不同温区发挥作用，可在单级全封闭压缩机驱动下高效工作。
文档编号C09K5/04GK1460703SQ0312146
公开日2003年12月10日 申请日期2003年3月28日 优先权日2002年5月17日
发明者吴剑峰, 公茂琼, 罗二仓 申请人:中国科学院理化技术研究所