USE OF A NON AZEOTROPIC REFRIGERANT COMPOSITION FOR HEAT PUMPS

Abstract: 1. The use of a non-azeotropic refrigerant composition from the following group of two-component or multi-component halogenated hydrocarbon mixture, the composition being specified in each case with the respective proportion by weight xi of the first-mentioned component : CH F2 Cl/C F3 Cl, xi = 0.75-0.90 kg/kg C F2 Cl2 /C F3 Cl, xi = 0.7-0.9 kg/kg CH F2 Cl/C F3 Br, xi = 0.10-0.65 kg/kg C F2 Cl2 /C F3 Br, xi = 0.1-0.5 kg/kg C F2 Cl C F3 /C F3 Br, xi = 0.05-0.65 kg/kg [CH F2 Cl/C F2 Cl C F3 ]/C F3 Br, xi = 0.15-0.35 kg/kg C F2 Cl2 /CH F2 Cl, xi = 0.30-0.65 kg/kg C F2 Cl C F2 Cl/CH F2 Cl, xi = 0.30-0.65 kg/kg CH F Cl2 /CH F2 Cl, xi = 0.30-0.65 kg/kg for heat pumps which are operated on the compression principle and which are regulated by an expansion valve or a capillary tube, both the refrigerant circuit of the heat pump and the control member of the expansion valve or the capillary tube in each case being filled with the same non-azeotropic halogenated hydrocarbon composition.

Description: N ichtaze otr ope Halogenkohlenwasserstoffgemis che für Wärmepumpen Die Erfindung betrifft ein Arbeitsmittelgemisch für Wärmepumpen gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die heute auf dem Markt befindlichen Wärmepumpen werden mit Einstoffkältemitteln betrieben, wobei je nach Einsatzzweck R 12 (=Dichlordifluormethan) oder R 22 (= Chlordifluormethan) zur Anwendung gelangt. Darüber hinaus ist es auch bekannt, bei einer Wärmepumpe anstelle der obengenannten Einstoffkältemittel das Kältemittel R 502 zu verwenden, das ein azeotropes Kältemittelgemisch aus R 22 und R 115 (= Chlorpentafluoräthan) mit dem Gewichtsanteil C der erstgenannten Komponente = 0,49 kg/kg darstellt und in bestimmten Betriebssituationen gewisse Vorteile gegenüber beispielsweise dem Einstoffkältemittel R 22 aufweist. Da sich jedoch ein solches azeotropes Kältemittelgemisch hinsichtlich des Verhaltens beim Wechsel des Aggregatzustandes wie ein Einstoffkältemittel verhält, d. h. bei konstanter Temperatur verdampft und kondensiert, weist es grundsätzlich die gleichen Nachteile wie die vorgenannten E instoffkältemittel auf. Diese Nachteile sind darin zu sehen, dass bei absinkenden Temperaturen des Primärenergiemediums, d. h. der Sonnen-, Luft- oder Erdwärme, die volumetrische Leistung stark absinkt und das Druckverhältnis stark ansteigt. Beide Faktoren bewirken ein starkes Abfallen der Wärmepumpenleistung, wenn sich die Temperatur des jeweiligen Primärener giemediums der OOC -Grenze nähert. Speziell für bivalent betriebene Luftwärmepumpen wird deshalb der Abschaltpunkt auf +5 0C bis +3 0C festgelegt. Dies hat zur Folge, dass Wärmepumpen, die ihre Primär energie aus der Luft entnehmen, zur monovalenten Vollheizung z. Zt. wirtschaftlich nicht geeignet sind. Bei Erdkollektor-Wärmepumpen müssen grosse Kollektorflächen installiert werden, um bestimmte Temperaturgrenzen nicht zu unterschreiten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Arbeitsmittelgemische für nach dem Kompressionsprinzip betriebene und durch ein Expansionsventil oder Kapillarrohr gesteuerte Wärmepumpen zu schaffen, so dass solche Wärmepumpen bei gleicher Ausrüstung und etwa gleichem Anschaffungspreis höhere spezifische Wärmeleistungen erreichen und auch bei unter o C liegenden Primärenergietemperaturen noch wirtschaftlich betrieben werden können, um ohne Veränderung des konstruktiven Aufbaus einer solchen Wärmepumpe lediglich durch Verwendung des zu schaffenden Arbeitsm ittelgemis ches den starken Abfall der volumetrischen Leistung und den starken Anstieg des Druckverhältnisses bei sinkenden Primärenergietemperaturen zu verringern und damit den Liefergrad des Verdichters zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, als Arbeitsmittelgemisch für eine nach dem Kompressionsprinzip betriebene und durch ein Expansionsventil oder Kapillarrohr gesteuerte Wärmepumpe ein nichtazeotropes Zwei- oder Mehrst offhalogenkohlenwasserstoffgemis ch zu verwenden das aus der nachstehend genannten Gruppe ausgewählt ist und die jeweils angegebene Zusammensetzung mit dem jeweils angegebenen Gewichtsanteil Ç der erstgenannten Komponente aufweist: : CH F2 Cl / C ±3 Cl, E, = 0,75 - 0,90 kg/kg C 12 Cl2 / C F3 Cl, # = 0,7 - 0,9 kg/kg CH ±2 Cl 1 C ±3 Br, # = 0,10 - 0,65 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Br, # = 0,1 - 0,5 kg/kg C F2 Cl C F3 / C F3 Br, # = 0,05 - 0,65 kg/kg [CH F2 Cl / C F2 Cl C F3] / C F3 Br, # = 0,15 - 0,35 kg/kg C F2 C12 / CH F2 Cl, # = 0,30 - 0,65 kg/kg C F2 Cl C F2 Cl / CH F2 Cl, # = 0,30 - 0,65 kg/kg CH F Cl2 / CH F2 Cl, <RTI ID=3.20> # = 0,30 - 0,65 kg/kg. Ein weiterer Gedanke der Erfindung liegt darin, zur wirtschaftlichen Regelung einer mit einem solchen nichtazetr open Halogenkohlenwasserstoffgemisch betriebenen Wärmepumpe ein spezielles Expans ionsventil zu verwenden, und zwar derart, dass nicht nur der Kältemittelkreis der Wärmepumpe mit dem speziellen ausgewählten nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemisch, sondern auch das Steuerglied dieses Expansionsventils mit dem gleichen nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoff- gemisch gefüllt ist. Hierbei ist es in Abwandlung oder Weiterbildung der Erfindung auch möglich, das Steuerglied des Expansionsventils lediglich mit einem solchen Kältemittelgemisch zu füllen, das zu dem in den Kältemittelkreis der Wärmepumpe eingefüllten nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemisch physikalisch ähnlich ist. Weiter kann das Steuerglied auch nur mit der tiefersiedenden Komponente gefüllt sein. Anstelle des Expansionsventils kann auch ein Kapillarrohr verwendet werden. Bei einer mit dem erfindungsgemässen Arbeitsmittelgemisch betriebenen Wärmepurnpe ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass bei einer solchen Wärmepumpe die Primärenergietemperaturen unter 0 C liegen dürfen und dass dennoch die Wärmeleistung einer solchen Wärmepumpe wesentlich grösser ist als bei einer mit den bekannten Einstoffkältemitteln betriebenen Wärmepumpe. Im Gegensatz zu den bekannten Einstoffkältemitteln oder azeotropen Käl- temittelgemischen liegt der wesentliche Unterschied in der Verwendung des erfindung gemässen nichtaze otropen Halogenkohlenwasserstoff ge mischs darin, dass bei letzterem der Wechsel vom flüssigen zum dampfförmigen Zustand bzw. umgekehrt nicht bei konstanter Temperatur, sondern in einem Temperaturband stattfindet. Dieses beim Phasenwechsel auftretende Temperaturband ermöglicht es, den Temperaturverlauf des n ichtaze otr open Halogenkohlenwasserstoff ge mis chs dem Temperaturverlauf des jeweiligen Primärenergiemediums anzupassen, so dass durch geeignete Auswahl der Konzentration r des nichtazeotropen Halogen kohlenwasserstoffgemisches eine Optimierung der einzelnen Eigens chaf- ten des Arbeitsmittels erfolgen kann, da durch die Konzentration des jeweiligen nichtaze otropen Halogenkohlenwasserstoffgemischs die Wärmeleistung, das Druckverhältnis, die Druckdifferenz, die Verdichtungsendtemperatur und auch das Ölverhalten unterschiedlich stark beeinflusst werden. Der Einsatz von nichtazeotropen Arbeitsmittelgemischen ist zwar schon grundsätzlich bekannt (DE-OS 24 45 263), jedoch erfolgt dies lediglich bei Kühl- und Gefriergeräten, d . h. also in der Kältetechnik, was einem grundsätzlich anderen Verwendungszweck mit unterschiedlicher Funktion entspricht, da bei dem bekannten Einsatz eines nichtazeotropen Kältemittelgemisches für Kühl- und Gefriergeräte ausschliesslich der Zweck verfolgt wird, eine Überhitzung des Kältemittels im Verdampfer des Kühlbzw. Gefriergerätes dann zu vermeiden, wenn beispielsweise in das Schnellgefrierfach eines Gefrierschrankes ein zu gefrierendes Kühlgut eingelagert wird. Im übrigen hat sich gerade in Verbindung mit dem schon in der Kältetechnik bekannten Einsatz von nichtazeotropen Kältemittelgemischen gezeigt, dass in der Fachwelt ein Vorurteil gegen den Einsatz von nichtazeotropen Kältemittelgemischen in Wärmepumpen besteht, da man glaubte, die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Komponenten eines nichtazeotropen Kältemittelgemisches technisch in -einer Wärmepumpe nicht überschauen bzw. nicht beherrschen zu können. Durch die Erfindung ist dieses technische Vorurteil jedoch überraschen derweise als widerlegt bzw. als beseitigt anzusehen. Wenn das nichtaze otr ope Halogenkohlenwass erstoff gem is ch gemäss der Erfindung in dem oben angegebenen Konzentrationsbereich, d.h. dem je weils angegebenen Bereich des Gewichtsanteils # der jeweils erstge nannten Komponente, verwendet wird, werden optimale Betriebsbe dingungen, wie hohe spezifische Warmeleistung, niedrige Druckver hältnisse, niedrige Heissgastemperaturen und zulässige Heizungsvor lauftemperaturen, erzielt. Besondere Vorteile ergeben sich jedoch, wenn für das jeweils genannte nichtaze otr ope Halogenkohlenwasserstoffgem is ch die folgenden Mis chungs verhältnisgrenzen ( # = Gewichtsanteil der jeweils erstgenannten Kom ponente) eingehalten werden: CH F2 Cl / C F3 Cl, # = 0,85 - 0,90 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Cl, # = 0,8 - 0,9 kg/kg CH F2 Cl / / C F3 Br, # = 0,2 - 0,4 kg/kg CF2 Cl2 / C F3 Br, # = 0,35 - 0,50 kg/kg C F2 Cl CF3 / C F3 Br,# = 0,3 = 0,5 kg/kg CH F2 Cl/CF2 Cl CF3 / C F3 Br, # = 0, 2 - 0,3 kg/kg C F2 Cl2/ CH F2 Cl, i = 0,4 - 0,6 kg/kg C F2 Cl CF2 Cl / CH F2 Cl,# = 0,4 = 0,6 kg/kg CH F C12 / CH F2 Cl, # = 0,4 - 0,6 kg/kg. Da die verlustarme Leistungsregelung ein Hauptproblem der Wärmepumpe darstellt, bestehen spezielle Vorteile des erfindungsgemässen nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemisches darin, dass durch die geeignete Auswahl der Konzentration der einzelnen Gemischkomponenten die Wärmeleistung, das Druckverhältnis und die Temperaturdifferenzen weitgehend den optimalen Bedingungen der verschiedenen Heizungswärmepumpensysteme angepasst werden können. Es lässt sich daher ausser der primär gewünschten Leistungsverbesserung auch eine Verringerung des Verhältnisses zwischen Kondensations- und Verdampfungsdruck erzielen. Dies führt zu einer Erhöhung des Liefergrades und wirkt sich ausserdem vorteilhaft auf die Geräuschentwicklung sowie Lebensdauer der Wärmepumpe aus. Durch die Optimierung des Mischungsverhältnisses der ein zellen Komponenten des erfindungsgemässen nichtazeotropen Halogenkohlen wasserstoffgemisches können bei einem vorgegebenen Primärenergiewärmetauscher für eine Luft-, Erd- oder Energieblockwärmepumpe der als Primärenergiemedium dienenden Luft oder Erde bei gleicher Temperatur der Medien 25 - 50 % mehr Primärenergie entzogen werden, so dass von der Wärmepumpe auch bei Temperaturen unter 0 C hohe Leistungen abgegeben werden können. Dies bedeutet, dass solche Wärmepumpen, wie z. B. Luftwärmepumpen oder mit Energiezaun bzw. Energieblock betriebene Wärmepumpen, die bisher nur für bivalenten Heizungsbetrieb geeignet waren, nun auch zur monovalenten Beheizung eines Hauses mit Niedertemperaturheizung herangezogen werden können. Weiterhin können auch Erdwärmepumpen bis zu 45 % höhere Leistung erbringen, ohne dass es erforderlich ist, deren Kollektorfläche zu vergrössern. Dies erbringt eine wesentliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, da sich die Gesamtjahreskosten einer Wärmepumpenanlage zu ca. 78 % aus dem Kapitaldienst und zu 22 % aus den Betriebskosten zusammensetzen. In anderen Worten ausgedrückt hat dies zur Folge, dass bei Installierung einer neuen Wärm epumpenanlage deren Investitionskosten stark verringert werden, jedoch gleichzeitig eine gleichgrosse Leistung erzielbar ist, da durch den Einsatz des nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffge- misches gemäss der Erfindung die einzelnen Betriebsparameter der Wärmepumpe erheblich verbessert und in jedem Fall bei verlustarmen Lei stungs stungsre gelungen grosse Temperaturspannen überbrückt werden können. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Eine nach dem Kompressionsprinzip betriebene und durch ein Expansionsventil gesteuerte Wärmepumpe, welche die Bauteile Kompressor mit 5 PS Nennleistung, Koaxialverdampfer, Koaxialkondensator, Expansionsventil mit Fühler (Steuerglied), Filtertrockner, Schauglas und Verbindungsrohrleitungen aufwies, wurde nacheinander einmal mit dem meistbenutzten Einstoffkältemittel R 22 (= CH F2 Cl = Chlordifluormethan) und anschliessend mit dem erfindungsgemässen nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemisch B (= CH F2 Cl / C F3 Br), 5 = 0,25 kg/kg gefahren, wobei im letztgenannten Fall nicht nur der Arbeitsmittelkreis der Wärmepumpe, sondern auch das Steuerglied des Expansionsventils, d.h. dessen Fühler, mit dem betreffenden nichtazeotropen Halogenkohlenwaserstoff gemisch gefüllt war. Mit derselben Wärmepumpe wurden bei verschiedenen Betriebspunkten folgende Ergebnisse erzielt: EMI8.1 <tb> <SEP> Heizungsvorlauftemperatur <SEP> [ <SEP> C <SEP> ) <SEP> <SEP> + <SEP> 35 <SEP> + <SEP> 35 <SEP> + <SEP> 35 <SEP> + <SEP> 35 <tb> <SEP> Primärenergietemperatur <SEP> (0C <SEP> ) <SEP> - <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 5 <SEP> 0 <SEP> + <SEP> 10 <SEP> <tb> <SEP> Wärmepumpenheizleistung <SEP> kcal/h <SEP> R <SEP> 22 <SEP> # <SEP> 5500 <SEP> 6850 <SEP> 8500 <SEP> 11300 <tb> <SEP> B <SEP> 6800 <SEP> 8250 <SEP> 9800 <SEP> 12750 <tb> <SEP> at <SEP> Primärenergiemedium <SEP> [Grad) <SEP> R <SEP> 22 <SEP> 1,8 <SEP> 2,5 <SEP> 3,35 <SEP> 4,2 <tb> <SEP> B <SEP> 2,6 <SEP> 3,6 <SEP> 4,64 <SEP> 6,72 <tb> <SEP> Druckverhältnis <SEP> R <SEP> 22 <SEP> 8,8 <SEP> 6,4 <SEP> 4,93 <SEP> 3,5 <tb> <SEP> B <SEP> 7,6 <SEP> 6,0 <SEP> 5,07 <SEP> 3,91 <tb> Heissgastemperatur <SEP> [ <SEP> C <SEP> ) <SEP> R <SEP> 22 <SEP> 115 <SEP> 93 <SEP> 83 <SEP> 82 <tb> <SEP> B <SEP> 83 <SEP> 60 <SEP> 66 <SEP> 80 <tb> Die sich bei der Verwendung des erfindungsgemässen nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemischs ergebenden bedeutenden Vorteile, wie höhe re Heizleistung bei sonst gleicher Apparatur, geringeres Druckverhältnis, höhere Entnahme aus dem Primärenergiemedium und niedrigere Heissgastemperaturen, lassen sich aus den Vergleichsmessungen klar erkennen. Die Verwendung eines der erfindungsgemässen nichtazeotropen Halogen kohlenwasserstoffgemische zeigt deutlich, dass mit dem gleichen Kapital einsatz Leistungssteigerungen von 35 % und mehr erzielt werden können, was eine ausserordentliche Wirtschaftlichkeitsverbesserung der Wärme pumpe darstellt. Die einzelnen angegebenen Arbeitsmittelkomponenten bedeuten: CF2 Cl 2 = Dichlordifluormethan CF3 Cl = Chlortrifluormethan CH F Cl2 = Dichlorfluormethan CK F2 Cl = Chlordifluormethan CF2 Cl CF2 Cl = Dichlortetrafluoräthan CF2 Cl CF3 = Chlorpentafluoräthan CH F2 CL / = Azeotrop aus Chlordifluormethan CF2 -Cl CF3 und Chlorpentafluoräthan CF3 Br = Bromtrifluormethan

Claims: Patentansprüche: 1. Arbeitsmittelgemisch für Wärmepumpen, die nach dem Kompres sionsprinzip betrieben und durch ein Expansionsventil oder Kapillar rohr geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeits mittelgemisch aus einem aus der nachstehenden Gruppe ausgewählten nichtaze otr open Zwe i- oder Mehrstoff-Halogenkohlenwasserstoffge misch mit der jeweils angegebenen Zusammensetzung und dem je weiligen Gewichtsanteil # der erstgenannten Komponente CH F2 Cl / C ±3 Cl, # = 0,75 - 0,90 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Cl, # = 0,7 - 0,9 kg/kg CH F2 Cl / C F@ Br, # = 0,10 - 0,65 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Br, # = 0,1 - 0,5 kg/kg C F2 Cl C F3 / C F3 Br, # = 0,05 - 0,65 kg/kg, [CH F2 Cl / C F2 Cl C F3] / C F3 Br, # = 0,15 - 0,35 kg/kg C ±2 Cl2 / CK ±2 Cl, # = 0,30 - 0,65 kg/kg C F2 Cl C F2 Cl / CH F2 Cl, # = 0,30 - 0,65 kg/kg CH F Cl2 / CH F2 Cl, # = 0,30 - 0,65 kg/kg besteht und dass sowohl der Arbeitsmittelkreis der Wärmepumpe als auch das Steuerglied des Expansionsventils oder das Kapillarrohr mit jeweils dem gleichen nichtazeotropen Halogenkohlenw as s erstoffge misch gefüllt sind. 2. Arbeitsmittelgemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil # der jeweils erstgenannten Komponente der folgenden nichtazeotropen Halogenkohlenwasserstoffgemische die nachstehend genannten Bereichs grenzen aufweist: CH ±2 Cl / C F3 Cl, = 0,85 - 0,90 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Cl, # = 0,8 - 0,9 kg/kg CH ±2 Cl / C F3 Br, # = 0,2 - 0,4 kg/kg C F2 Cl2 / C F3 Br, # = 0,35 - 0,50 kg/kg C F2 Cl CF3 / C F3 Br, # = 0,3 - 0,5 kg/kg CH ±2 Cl / CF2 Cl CF3 / C F3 Br, # = 0,2 - 0,3 kg/kg C F2 C12 / CH F2 Cl, # = 0,4 - 0,6 kg/kg C <RTI ID=11.14> F2 Cl CF2 Cl / CH F2 Cl, # = 0,4 - 0,6 kg/kg CH F C12 / CH F2 Cl, # = 0,4 - 0,6 kg/kg. 3. Arbeitsmittelgemisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass das Steuerglied des Expansionsventils nur mit der tiefersiedenden Komponente des im Arbeitsmittelkreis der Wärme pumpe befindlichen nichtaze otropen Halogenkohlenwas serstoffge mischs gefüllt ist.

Inventors: GERBERT, HEINZ, DIPL.-ING.
Applicants: GERBERT, HEINZ, DIPL.-ING.
Application year: 1982
Main classification: C09K5
IPC codes: C09K5