一種重力熱管混合工質的制作方法

文檔序號：10665026閱讀：547來源：國知局

一種重力熱管混合工質的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種重力熱管混合工質。該混合工質含有R1234ze、R245ca，還可以含有HFC32、HFC152a、HFC245fa、HFC236fa。該工質的熱穩定性好，安全無毒，符合環保要求：ODP為0、GWP較低。該混合工質在0℃-100℃工作溫度下，飽和蒸汽壓適中，熱傳輸性能適宜，反映熱物理和傳熱綜合性能的準則數M'較高，具有良好的換熱特性及輸運性質。
【專利說明】
一種重力熱管混合工質
技術領域
[0001] 本發明涉及一種熱管工質，更具體地說，涉及一種含有R1234ze、R245ca，的常溫重力熱管工質。
【背景技術】
[0002] 重力熱管是一種利用相變進行高效換熱的換熱器。由蒸發段、絕熱段和冷凝段三部分組成，工作時需熱源在下端、冷源在上端。不需要外加動力就可實現自行循環工作，為靜設備。工作在0-KKTC范圍內的重力熱管換熱器具有廣闊的發展空間。該常溫重力熱管可用于有效冷卻基站及電子設備、高品質實現室內外冷熱空氣熱交換以降低空調能耗、有效利用工業中低溫余熱、環保開發地熱資源。
[0003] 重力熱管換熱器要實現高效工作，一個關鍵因素在于要有適合的熱管工質。目前，從熱物性角度看適合工作在〇-l〇〇°C的常溫重力熱管工質主要有水、氨、甲醇、乙醇、丙酮、甲苯和氟利昂類物質R22等，這些工質存在各自難以克服的缺點：水的啟動溫度高，更適宜應用在50-200°C的工作環境，而且與碳鋼不兼容使熱管造價升高；氨、甲醇、乙醇、丙酮和甲苯等則多為既有毒又可燃物質，難以大規模推廣應用；R22曾廣泛用于制冷、空調和熱栗系統中，與上述物質相比，在安全性、穩定性及與換熱器材料的兼容性方面有較為顯著的優勢，但由于其破壞大氣臭氧層、加劇溫室效應等原因，在發達國家已被禁用，發展中國家也面臨逐步禁用的問題；并且，R22更適用于0-60°C范圍內，因蒸發溫度在60°C以上時，其對應的飽和壓力將高于2. 5MPa，如70°C時已為2. 99MPa。
[0004] 綜上，為高效利用o-ioo°c的常溫熱源，需要開發新型環保節能、安全可靠的常溫重力熱管工質。

【發明內容】

[0005] 為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種適用于常溫重力熱管的混合工質，環境友好，并且在0-100°C的常溫重力熱管工作溫度范圍內具有良好的換熱特性及輸運性質。
[0006] 本發明的一種重力熱管混合工質是這樣實現的：
[0007] 一種重力熱管混合工質，所述混合工質含有HF01234ze和HFC245ca ;所述混合工質還可以含有HFC32、HFC152a、HFC245fa或HFC236fa中的一種；或者還可以含有HFC32或 HFC152a中的一種，以及HFC245fa或HFC236fa中的一種。
[0008] 在具體實施時，所述工質可以由HF01234ze和HFC245ca組成，也可以包含其他物質：
[0009] (1)所述混合工質由HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述 HF01234ze的質量百分比為5% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為40% -95%。
[0010] (2)所述混合工質由 HFC32、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；
[0011] 工作溫度在0-60 °C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為40% -80%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -50%，所述HFC245ca的質量百分比為10% -68% ;
[0012] 工作溫度在60-80 °C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為20 % -40%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -40%，所述HFC245ca的質量百分比為20% -78% ;
[0013] 工作溫度在80-100°C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為3 % -20 %，所述HF01234ze的質量百分比為2% -20%，所述HFC245ca的質量百分比為60% -95%。
[0014] (3)所述混合工質由HFC152a、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HFC152a的質量百分比為3% -80%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述 HFC245ca的質量百分比為2% -95%。
[0015] (4)所述混合工質由HFC245fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述冊0245€ &的質量百分比為3%-90%，所述冊01234狀的質量百分比為2%-60%，所述HFC245ca的質量百分比為2% -95%。
[0016] (5)所述混合工質由HFC236fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述冊0236€ &的質量百分比為3%-80%，所述冊0123426的質量百分比為2%-60%，所述HFC245ca的質量百分比為2% -95%。
[0017] (6)所述混合工質由HFC32、HFC245fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為3 % -80 %，所述HFC245fa的質量百分比為5 % -90 %，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為5% -90%。
[0018] (7)所述混合工質由 HFC152a、HFC245fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述冊(：1523的質量百分比為3%-80%，所述冊0245€&的質量百分比為 2% -93%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為 2% _93%〇
[0019] (8)所述混合工質由HFC32、HFC236fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為3 % -80 %，所述HFC236fa的質量百分比為5 % -90 %，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為5% -90%。
[0020] (9)所述混合工質由 HFC152a、HFC236fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述冊(：1523的質量百分比為3%-80%，所述冊0236€&的質量百分比為 2% -93%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為 2% _93%〇
[0021] 本發明混合工質各組分的純質基本熱物性數據見表1 ;制備所述混合工質時，將各組分按一定的質量配比在常溫下進行物理混合即可。
[0022]表 1 [0023]
[0024] 重力熱管工質需要在封閉空間內、在熱源與冷源之間的溫差驅動下，自發循環完成吸熱汽化蒸發、絕熱傳輸、液化冷凝放熱的傳熱過程。其不像制冷、空調及熱栗等蒸汽壓縮式循環有壓縮機為工質循環提供動力，因此要實現重力熱管的正常運行需要考慮諸多限制因素及極限，如攜帶極限、沸騰極限、粘性極限、聲速極限等。而不同極限的范圍又與熱管工質的熱物性緊密相關。綜上，因重力熱管特定的工作原理、運行特性及適用場合，使得工質的選擇標準有別于常規制冷、空調及熱栗工質的選擇。
[0025] 在篩選重力熱管工質時，一般要遵循以下原則：
[0026] (1)工質應適應重力熱管的工作溫度區間，并具有適宜的沸點、臨界點和飽和蒸汽壓。避免因飽和蒸汽壓過小，導致啟動溫差過大，使得重力熱管在工作溫度區間內不能正常啟動工作；過大則需加大熱管換熱器壁厚使經濟性降低。
[0027] (2)工質應具有良好的綜合熱物理性質和傳熱性能。工質準則數M'（Merit Number)是衡量上述性能的一個重要指標。
[0028] (3)工質滿足經濟性、毒性、環境污染等方面的要求。要求工質的臭氧破壞勢（0DP 值）為零，全球變暖效應勢（GWP值）盡可能小，同時容易獲得，價格低廉，安全可靠。
[0029] 適宜的飽和蒸汽壓和較高的工質準則數是篩選重力熱管的重要熱物性參數，組成混合工質的純質飽和蒸汽壓及準則數隨溫度的變化情況詳見附圖1和附圖2。
[0030] 組成本發明混合工質的6種純質中，R245ca的綜合性能最好。在-10°C -100°C范圍內，除低溫端壓力稍低外，準則數在4種低壓工質中是最高的。R32的平均準則數在6種工質中是最高的，但飽和蒸汽壓在溫度40°C時已達到2. 47MPa，在70°C時則為4. 87MPa，壓力過高，只適合用在-10_40°C范圍內。R152a也存在同樣問題。
[0031] 本申請綜合考慮各純質的飽和蒸汽壓、準則數、抑制可燃性等因素，篩選、配比混合工質。使得混合工質能夠通過調整組成配比，保證在-i〇°c -100°C范圍內的不同運行溫度下重力熱管有優良的綜合運行性能。
[0032] 本發明的熱管工質具有以下有益效果：
[0033] (1)在給定的工作溫度下，通過調整混合工質中各組分的比例可以保證工質飽和蒸汽壓適中。
[0034] (2)符合環保要求：0DP為0, GWP較低，同時熱穩定性好，安全無毒。
[0035] (3)熱傳輸性能適宜，在常溫熱管工作工況下，反映熱物理和傳熱綜合性能的準則數M'較高。
[0036] 重力熱管工質準則數M'的具體表達式如下：
[0038] 式中準則數M'的量綱為
__，其中L為汽化潛熱，單位（kj/kg) ; P :為飽和液體密度，單位kg/m3;k :為飽和液體熱導率，單位WAm ?!() ; y為液體動力黏度，單位Pa *s。
[0039] (4)在工作溫度范圍內，通過改變混合工質各組分比例使混合工質準則數與R22 相當或更好。
【附圖說明】
[0040] 圖1是組成本發明混合工質的純質的飽和蒸汽壓隨溫度變化情況。
[0041] 圖2是組成本發明混合工質的純質的工質準則數M'隨溫度變化情況
【具體實施方式】
[0042] 下面結合實施例進一步詳述本發明的技術方案，本發明的保護范圍不局限于下述的【具體實施方式】。
[0043] 本發明中的混合工質均為非共沸混合物，在以下實施例中與飽和蒸汽壓對應的飽和溫度為泡點溫度，各組分的含量為質量百分比。
[0044] 實施例1 :
[0045] 取40% HFC32、10% HF01234ze、50% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0046] 實施例2 :
[0047] 取 36 % HFC32、25 % HFC245fa、12 % HF01234ze、27 % HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0048] 實施例3 :
[0049] 取 42% HFC32、15% HFC236fa、8% HF01234ze、35% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0050] 在0_60°C范圍內，每隔5°C，計算實施例1-3混合工質和R22的飽和蒸汽壓及準則數M'，結果見表2。
[0051] 表 2
[0052]
[0053] 由表2可知，在0_60°C范圍內，實施例1-3中混合工質的飽和蒸汽壓與R22相近，而M'則優于R22。
[0054] 實施例4 :
[0055] 取20% HFC32、7% HF01234ze、73% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0056] 實施例5 :
[0057] 取 18% HFC32、50% HFC245fa、12% HF01234ze、20% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0058] 實施例6 :
[0059] 取 15 % HFC32、15 % HFC236fa、10 % HF01234ze、60 % HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0060] 在0_80°C范圍內，每隔5°C，計算實施例4-6混合工質和R22的飽和蒸汽壓及準則數M'，結果見表3。
[0061] 表 3
[0062]
[0063] 由表3可知，在0-80°C范圍內，實施例4-6中混合工質優勢在于R22在80°C時，飽和蒸汽壓較高，熱管安全性及換熱特性顯著下降，而混合工質在該溫度下的飽和蒸汽壓與 R22在60°C時相近，既滿足工程要求，且M'優于R22。
[0064] 實施例7 :
[0065] 取10% HFC32、5% HF01234ze、85% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0066] 實施例8 :
[0067] 取 8% HFC32、45% HFC245fa、15% HF01234ze、32% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0068] 實施例9 :
[0069] 取 5% HFC32、25% HFC236fa、20% HF01234ze、50% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0070] 在0-100°C范圍內，每隔5°C，計算實施例7-9混合工質和R22的飽和蒸汽壓及準則數M'，結果見表4。
[0071] 表 4
[0072]
[0073] 由表4可知，在0-100°C范圍內，實施例7-9中混合工質優勢在于R22在100°C時，飽和蒸汽壓較高，熱管安全性及換熱特性顯著下降，而混合工質在該溫度下的飽和蒸汽壓與R22在60°C時相近，既滿足工程要求，且M'優于R22。
[0074] 不同工作溫度及不同蒸汽壓力要求下，熱管換熱器對應的較優混合工質配比是不同的。以下10-18實施例以工作溫度為100°C、工作壓力低于2. 8MPa為限定，給出多種性能較優實施例。
[0075] 實施例10 :
[0076] 取55% HF01234ze、45% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0077] 實施例11 :
[0078] 取10% HF01234ze、90% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0079] 實施例12 :
[0080] 取45% HFC152a、10% HF01234ze、45% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0081] 實施例13 :
[0082] 取36% HFC245fa、60% HF01234ze、4% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0083] 實施例14 :
[0084] 取 20% HFC236fa、50% HF01234ze、30% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0085] 實施例15 :
[0086] 取 10% HFC236fa、10% HF01234ze、80% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0087] 實施例16 :
[0088] 取 35 % HFC152a、25 % HFC245fa，20 % HF01234ze、20 % HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0089] 實施例17 :
[0090] 取 40% HFC152a、15% HFC236fa，10% HF01234ze、35% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0091] 實施例18
[0092] 取 10% HFC152a、60% HFC236fa，15% HF01234ze、15% HFC245ca，在常溫下進行物理混合后作為重力熱管工質。
[0093] 在0-100°C范圍內，每隔5°C，計算實施例10-18中混合工質飽和蒸汽壓及準則數 M'，結果見表5。
[0094] 表 5
[0095]

[0101] 由表5可知，在o-100 °C范圍內，實施例10-18中混合工質的飽和蒸汽壓適中，均低于工程上換熱器要求的2. 8MPa。工質的M'在此溫度區間，隨著溫度的升高降低，但仍在適宜范圍。
【主權項】
1. 一種重力熱管混合工質，所述混合工質含有HF01234ze和HFC245ca ; 所述混合工質還可以含有HFC32、HFC152a、HFC245fa或HFC236fa中的一種；或者還可以含有HFC32或HFC152a中的一種，以及HFC245fa或HFC236fa中的一種。2. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HF01234ze的質量百分比為5% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為40% -95%。3. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由HFC32、HF01234ze和HFC245ca組成；工作溫度在0-60 °C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為40% -80%，所述 HF01234ze的質量百分比為2% -50%，所述HFC245ca的質量百分比為10% -68% ; 工作溫度在60-80 °C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為20 % -40 %，所述 HF01234ze的質量百分比為2% -40%，所述HFC245ca的質量百分比為20% -78% ; 工作溫度在80-100 °C時，所述混合工質中，所述HFC32的質量百分比為3 % -20 %，所述 HF01234ze的質量百分比為2% -20%，所述HFC245ca的質量百分比為60% -95%。4. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由HFC152a、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述冊(：1523的質量百分比為3%-80%，所述冊01234狀的質量百分比為2%-60%，所述冊0245〇&的質量百分比為2%-95%。5. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由HFC245fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HFC245fa的質量百分比為3% -90%，所述HF01234ze的質量百分比為2%-60%，所述冊0245〇&的質量百分比為2%-95%。6. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由HFC236fa、HF01234ze和HFC245ca組成；在所述混合工質中，所述HFC236fa的質量百分比為3% -80%，所述HF01234ze的質量百分比為2%-60%，所述冊0245〇&的質量百分比為2%-95%。7. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由 HFC32、HFC245fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述冊032的質量百分比為3%-80%，所述冊0245€&的質量百分比為5% -90%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為 5% -90%。8. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由 HFC152a、HFC245fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述HFC152a的質量百分比為3% -80%，所述HFC245fa的質量百分比為2%-93%，所述冊01234狀的質量百分比為2%-60%，所述冊0245〇&的質量百分比為 2% -93%。9. 根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由 HFC32、HFC236fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述冊032的質量百分比為3%-80%，所述冊0236€&的質量百分比為5% -90%，所述HF01234ze的質量百分比為2% -60%，所述HFC245ca的質量百分比為 5% -90%。10.根據權利要求1所述的混合工質，其特征在于：所述混合工質由 HFC152a、HFC236fa、HF01234ze 和 HFC245ca 組成；在所述混合工質中，所述HFC152a的質量百分比為3% -80%，所述HFC236fa的質量百分比為2%-93%，所述冊01234狀的質量百分比為2%-60%，所述冊0245〇&的質量百分比為 2% -93%。
【文檔編號】C09K5/04GK106032461SQ201510112722
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月16日
【發明人】劉金俠, 馬利敏, 李瑞霞, 楊榮亮, 王汗, 費凡, 向燁, 姬忠禮, 尚琳琳, 繆婷婷
【申請人】中國石油化工集團公司, 中國石化集團新星石油有限責任公司

完整全部詳細技術資料下載