Testy nowych zamienników R404A o niskim potencjale GWP
R404A stał się światowym standardem branżowym czynnika chłodniczego HFC dla komercyjnych urządzeń chłodniczych zarówno w małych, jak i dużych systemach. Jednak ze względu na wysoką wartość potencjału tworzenia efektu cieplarnianego R404A (AR4 dla 100 lat GWP = 3922) rośnie zainteresowanie poszukiwaniem zamienników o niskim współczynniku GWP, odpowiadających wydajności czynnika R404A.
Odpowiedzią okazał się nowy czynnik chłodniczy HFO-1234yf, uznany za odpowiedni składnik w mieszaninach, które można dobierać tak, aby uzyskać wydajność zbliżoną do czynnika R404A przy jednoczesnym obniżeniu wartości współczynnika GWP (GWP100 = 4). Pod uwagę wzięto dwie koncepcje. Pierwsza z nich to opracowanie zamiennika R404A o możliwie najniższym potencjale GWP (GWP ~ 1400), z jednoczesnym zachowaniem niepalności. Jest to wymagane w dużych instalacjach w supermarketach oraz do modernizacji istniejących systemów R404A w zastosowaniach, które zostały zaprojektowane do pracy z niepalnymi czynnikami chłodniczymi. Druga koncepcja zakłada osiągnięcie jak najniższego GWP (np. ~250), ale przy współistnieniu niewielkiego stopnia palności, który będzie zgodny z grupą bezpieczeństwa A2L według klasyfikacji ASHRAE. Mogłoby to być odpowiednie rozwiązanie dla nowych systemów, w których niewielki stopień palności może być dopuszczalny w przypadku mniejszych ładunków czynnika chłodniczego, pod warunkiem spełnienia obowiązujących przepisów i norm przemysłowych. Te dwie koncepcje zostały sprawdzone w oparciu o analizę cyklu termodynamicznego i badania doświadczalne z wykorzystaniem zwartej szafy chłodniczej na czynnik R404A oraz klimatyzatora typu split. W badaniach dokonano pomiaru szeregu parametrów w odniesieniu do krzywej podstawowej dla R404A, jak zużycie energii, ciśnienie i temperatura oraz natężenie przepływu masy.
Nowe czynniki chłodnicze opracowane prze firmę DuPont
Firma DuPont opracowała dwa potencjalne czynniki chłodnicze o wydajności podobnej do czynnika R404A. Pierwszy – DR7, posiada GWP o wartości około 250, czyli o 94% niższy niż w przypadku R404A. Czynnik ten jest łagodnie łatwopalny (wg normy ASTM E681-04 2004) i w związku z tym może mieć pewne ograniczenia w przypadku zastosowania w systemach o większym ładunku czynnika chłodniczego. Drugi – Opteon® XP40 charakteryzuje się tak dobranym składem, aby był niepalny (wg ASTM E681-04 2004 i ASHRAE Std 34-2010 2010), o GWP około 1400, czyli o 65% niższym niż dla R404A. Wskaźnik GWP dla tego czynnika jest niższy również od wskaźników dla innych zamienników R404A, takich jak R407A (niższy o 36%) i R407F (niższy o 23%). Wydajność obu czynników chłodniczych oceniano w przeszklonej szafie chłodniczej, a ostatnio Opteon® XP40 został przetestowany w klimatyzatorze typu split; Oba urządzenia pierwotnie za¬projektowano dla czynnika chłodniczego R404A.
Właściwości termodynamiczne i wydajność
Porównanie właściwości termofizycznych DR7 i Opteon® XP40 w odniesieniu do R404A przedstawiono poniżej, w Tabeli 1. Temperatury wrzenia są bardzo podobne, zaś temperatury przemiany DR7 i Opteon® XP40 są wyższe niż dla R404A. Prężność par oraz gęstości cieczy są również podobne. Gęstości par DR7 i Opteon® XP40 są nieco niższe niż R404A, co zmniejszy wartość masowego natężenia przepływu.
W celu dokonania oceny termodynamicznej wydajności chłodzenia przeprowadzono modelowanie cyklu dla DR7 i Opteon® XP40 względem R404A. Warunki te zostały tak dobrane, aby były porównywalne z warunkami układu szafy chłodniczej badanej w temperaturze otoczenia 32°C:
- temp. parownika = -26°C,
- temp. skraplacza = 43°C,
- wielkość dochładzania = 14 K,
- temperatura ssania = -4°C,
- wydajność izoentropowa sprężarki = 75%.
Wyniki badań przedstawiono w tabeli 2.
Zarówno Opteon® XP40, jak i DR7 wykazują ciśnienia oraz stopnie sprężania porównywalne z R404A. Oba produkty mają większe poślizgi temperaturowe niż czynnik R404A, ale poślizgi te są porównywalne z właściwościami innych dostępnych czynników chłodniczych stosowanych w chłodnictwie komercyjnym. Dla przykładu, stosowany z powodzeniem od wielu lat R-407C, w takich warunkach charakteryzuje się poślizgiem temperatury 4,8 K. Temperatury końca tłoczenia sprężarki są również nieco wyższe niż dla R404A, jednak wydajność chłodnicza i sprawność energetyczna są bardzo zbliżone do R404A.
Testowanie układu szafy chłodniczej (reach-in freezer)
W celu dokonania pomiarów wydajności systemu przy użyciu czynników chłodniczych DR7 i Opteon® XP40 wybrano w pełni oprzyrządowaną szafę chłodniczą (rys. 1.) i umieszczono ją w po¬mieszczeniu o stałej temperaturze pokojowej. Dwudrzwiowa sza¬fa chłodnicza jest urządzeniem o poj. 1,5 m3, przeznaczonym do pracy z R404A, a ładunek czynnika wynosi 1,15 kg. Posiada sprężarkę tłokową z zastosowaniem estru poliolowego (POE) jako środka smarnego o lepkości kinematycznej 32 ct. Układ badawczy wybrano tak, aby był możliwie najbardziej zgodny z normą AHAM Standard HRF-1-2008 Energy and Internal Volume of Refrigerating Appliances (Energia i pojemność urządzeń chłodniczych) (AHAM 2008). Nie można było zastosować normy ANSI/ASHRAE Standard 72, ponieważ układ nie był przystosowany do otwierania i zamykania drzwi szafy chłodniczej podczas przeprowadzania testu. Pracą szafy sterują dwa termostatyczne zawory rozprężne (TXV).
Pustą szafę chłodniczą (zgodnie z normą AHAM HRF-1-2008) umieszczono w pomieszczeniu o stałej temperaturze i w pełni wyposażono w przyrządy do pomiaru temperatury (T), ciśnienia (P), masowego natężenia przepływu (M) i energii (W), zgodnie ze schematem na rys. 2. Mimo że sterowanie wilgotnością powietrza w komorze nie było wymagane (patrz: norma – punkt 5.3.2), to jednak testy w każdych warunkach dla każdego czynnika chłodniczego powtórzono trzy razy, tak aby zapewnić powtarzalność wyników i aby żadne różnice wilgotności nie miały wpływu na wyniki.
Badania przeprowadzono dla trzech różnych wartości temperatury otoczenia:
Po przeprowadzeniu badania czynnik chłodniczy R404A został wymieniony na czynnik DR7, a następnie – na Opteon® XP40. Przed każdym testem układ został przepłukany w celu usunięcia zużytego środka smarnego i ponownie napełniony porcją nowego środka smarnego tego samego typu. Żadnych innych zmian w układzie nie przeprowadzano, z wyjątkiem regulacji ciepła przegrzania parownika za pomocą zaworu TXV, by uzyskać warunki przegrzania jak dla czynnika R404A. Dla obu badanych czynników chłodniczych zawory TXV zostały zamknięte jednym obrotem. Wyniki w ustalonych warunkach pracy przedstawiono w tabeli 3.
Wyniki przeprowadzonego doświadczenia pokazały, iż czynniki chłodnicze DR7 i Opteon® XP40 wykazują podobną wydajność w testowanym urządzeniu w porównaniu z R404A, z jednoczesną poprawą sprawności energetycznej w warunkach wyższej tempera¬tury otoczenia. W temperaturze otoczenia 32°C DR7 wykazał zużycie energii mniejsze o 8%, a Opteon® XP40 – o 4%. W warunkach niższej temperatury otoczenia DR7 nadal wykazuje lepszą o 3÷5% sprawność energetyczną, natomiast w przypadku Opteon® XP40 była ona równoważna z R404A. Masowe natężenie przepływu było nieco niższe, a temperatura końca tłoczenia była nieco wyższa. Niemniej jednak wartości temperatury końca tłoczenia wciąż były wystarczająco niskie, aby nie pojawiła się potrzeba zastosowania wtrysku cieczy, co zazwyczaj jest konieczne w temperaturze powyżej 125°C. Warunki przegrzania parownika i stopnie sprężania dla obu tych czynników chłodniczych były również podobne do R404A.
Badanie z zastosowaniem lady chłodniczej z zewnętrznym modułem skraplacza
W celu porównania wydajności czynnika chłodniczego Opteon® XP40 w układzie z R404A wybrano otwartą ladę chłodniczą (2,5 m) na produkty spożywcze z osobnym modułem skraplacza. Obie części były w pełni oprzyrządowane i zostały umiejscowione w dwóch pomieszczeniach o stałej temperaturze: lada znajdowała się w pomieszczeniu wewnętrznym (rys. 3.), zaś skraplacz – w pomieszczeniu zewnętrznym (rys. 4.). Lada chłodnicza była całkowicie wypełniona imitacjami żywności. Cały system zaprojektowany na R404A napełniono tym czynnikiem w ilości 3,8 kg, a ładunek Opteon® XP40 nieco dostosowano w oparciu o gęstość użytej cieczy. Skraplacz został wyposażony w sprężarkę tłokową z zastosowaniem estru poliolowego (POE) jako środka smarnego o lepkości kinematycznej 32 ct. Parametry ustawień dobrano tak, aby były zgodne z normą ASHRAE Standard 72-2005. Testy wykonano przy dwóch wartościach temperatury otoczenia dla pomieszczenia zewnętrznego: 35°C i 28°C, zaś w pomieszczeniu wewnętrznym utrzymywano zawsze temperaturę 24°C.
Najpierw przetestowano charakterystykę podstawową (baseline) R404A w dwojakich warunkach otoczenia – w niskiej i średniej temperaturze. Po przeprowadzeniu badania czynnik chłodniczy R404A wymieniono na czynnik Opteon® XP40. Przed każdym testem układ został przepłukany w celu usunięcia zużytego środka smarnego i ponownie napełniony porcją nowego środka smarnego tego samego typu (POE). Żadnych innych zmian w układzie nie przeprowadzano, z wyjątkiem regulacji ciepła przegrzania parownika za pomocą zaworu TXV, by osiągnąć warunki przegrzania jak dla czynnika R404A.
W przypadku Opteon® XP40 zawory TXV przymknięto na 1,6 obrotu. Wyniki dla stanu ustalonego przedstawiono w tabeli 4 – dla niskich temperatur (LT), a dla średnich temperatur (MT) – w tabeli 5.
Wyniki doświadczenia dla skraplacza w układzie z ladą chłodniczą pokazują, że Opteon® XP40 charakteryzuje się podobną wydajnością jak R404A w warunkach niskich i średnich temperatury, w obu przypadkach wykazując nawet wyższą sprawność energetyczną, szczególnie w warunkach podwyższonej temperatury otoczenia. Wyniki testów wykazują, że czynnik Opteon® XP40 zużył o 3÷4% mniej energii w niskiej temperaturze oraz o 8÷12% w średniej temperaturze. Ciśnienie ssania było w obu przypadkach podobne jak dla R404A, a ciśnienie końca tłoczenia dla obu warunków było niższe. Masowe natężenie przepływu było nieco niższe, a temperatura końca tłoczenia była nieco wyższa. Niemniej jednak poziom temperatury końca tłoczenia dla Opteon® XP40 wciąż był wystarczająco niski, tak że nie było potrzeby zastosowania wtrysku cieczy, co zazwyczaj jest konieczne w temperaturze powyżej 125°C. Parametry przegrzania parownika i stopnie sprężania były również podobne do R404A.
Wnioski
Opracowane dwa nowe czynniki chłodnicze o niskim wskaźniku GWP są potencjalną alternatywą dla R404A w chłodnictwie komercyjnym. Pierwszy, DR7, ma GWP około 250, czyli o 94% niższy niż w przypadku R404A. Czynnik ten jest łagodnie łatwopalny (2L) i w związku z tym może mieć pewne ograniczenia przy zastosowaniu w systemach o większym ładunku czynnika chłodniczego, takich jak regały w supermarketach. Może być jednak odpowiedni dla układów pojedynczych skraplaczy oraz wolnostojących chłodziarek i zamrażarek. Opteon® XP40 charakteryzuje się tak dobranym składem, aby był niepalny, o GWP około 1400, czyli o 65% niższym niż dla R404A. Czynnik ten jest odpowiedni dla dużych systemów regałowych i innych układów chłodniczych, gdzie stosowanie łatwopalnych czynników chłodniczych nie jest zalecane lub jest ograniczone. Jest to również czynnik chłodniczy, który można potencjalnie zastosować do modernizacji systemów.
Wydajność obu czynników chłodniczych oceniano w szafie chłodniczej, a dodatkowo Opteon® XP40 – w układzie skraplacza z ladą chłodniczą, pierwotnie zaprojektowanych dla czynnika chłodniczego R404A. Zmiany systemu polegały jedynie na dokonaniu regulacji zaworów TXV w celu porównania przy równoważnym cieple przegrzania parownika. Ogólnie rzecz biorąc, zużycie energii dla obu czynników chłodniczych jest co najmniej równoważne z parametrami R404A, natomiast pozostałe parametry wydajności są zbliżone. W układzie szafy chłodniczej, w wyższej temperaturze otoczenia Opteon® XP40 i DR7 wykazywały od-powiednio o 4% i 8% mniejsze zużycie energii. Wyniki testów skraplacza po napełnieniu czynnikiem Opteon® XP40 wykazały o 3% mniejsze zużycie energii dla niskiej temperatury oraz poprawę nawet o 8÷12% względem R404A w warunkach średniej temperatury.
Zastosowanie tych czynników chłodniczych o niskim GWP może skutecznie zmniejszyć wpływ systemów chłodniczych na środowisko, gdyż stanowią one alternatywę dla czynnika R404A, a ich wprowadzenie wymaga jedynie minimalnych zmian w systemach chłodniczych.
LITERATURA
[1] IPCC. 2007. Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report – Climate Change 2007: Synthesis Report. [B.P. JALLOW, L. KAJFEZ-BOGATAJ, R. BOJARU, D. HAWKINS, S. DIAZ, H. LEE, A. ALLALI, I. ELGIZOULI, D. WRATT, O. HOHMEYER, D. GRIGGS i N. LEARY (red.)]. <http://www.ipcc.ch/ipccreports/ar4-syr.htm>.
[2] NIELSON O.J., JAVADI M.S., SULBAEK ANDERSEN M.P., HURLEY M.D., WALLINGTON T.J. i SINGH R.. 2007. Atmospheric Chemistry of CF3CF=CH2: Kinetics and mechanisms of gas-phase reactions with Cl atoms, OH radicals and O3. Chemical Physics Letters, 439 (2007): 18-22.
[3] SAE. 2009. SAE International Releases Test Results of the Low GWP Refrigerant for Automotive Air Conditioning. http://www.sae.org/ servlets/pressRoom?OBJECT_ TYPE=PressReleases&PAGE=showRelease&RELEASE_ID=1109, 10 listopada 2009.
