Testy nowych zamienników R404A o niskim

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
czynni¬ka R404A przy jednoczesnym obniżeniu wartości współczynnika GWP (GWP100 =
4). Pod uwagę wzięto dwie koncepcje. Pierwsza z nich to opra¬cowanie 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 czynnika¬mi
chłodniczymi. Druga koncepcja zakłada osiągnięcie jak naj¬niższego 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 ładun¬ków
czynnika chłodniczego, pod warunkiem spełnienia obowią-zujących przepisów i norm przemysłowych.
Te dwie koncepcje zostały sprawdzone w oparciu o analizę cyklu termodynamicz¬nego i badania
doświadczalne z wykorzystaniem zwartej szafy chłodniczej na czynnik R404A oraz klimatyzatora
typu split. W ba¬daniach dokonano pomiaru szeregu parametrów w odniesieniu do krzywej
podstawowej dla R404A, jak zużycie energii, ciśnie¬nie i temperatura oraz natężenie przepływu
masy.
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
więk¬szym ładunku czynnika chłodniczego. Drugi – Opteon® XP40 charakte-ryzuje 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
czyn¬nika jest niższy również od wskaźników dla innych zamienników R404A, takich jak R-407A
(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 czyn¬ników chłodniczych stosowanych w
chłodnictwie komercyjnym. Dla przykładu, stosowany z powodzeniem od wielu lat R-407C, w takich
warunkach charakteryzuje się poślizgiem temperatu¬ry 4,8 K. Temperatury końca tłoczenia
sprężarki są również nie¬co wyższe niż dla R404A, jednak wydajność chłodnicza i spraw¬ność
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:
w temperaturze 32°C, co jest wymagane przez normę, a także w 24°C i 21°C. Najpierw zbadano
krzywą podstawową (baseline) czynnika R404A. Dla każdej temperatury przegrzanie na wyjściu
parownika było kontrolowane poprzez regulację zaworu TXV do 3÷4 K. Ciepło przegrzania
parownika obliczono w oparciu o odczyt ciśnienia ssania (podciśnienia) i temperatury na wyjściu
parownika. Średnia temperatura wewnętrzna w komorze szafy (średnia z czterech odczytów
termopary umieszczonej w komorze szafy) była regulowana na -17°C. Sprężarkę ustawiono na taki
cykl pracy, aby utrzymywać w komorze szafy zadaną temperaturę. Wartości temperatury i ciśnienia
podano jako wartości średnie tylko przy pracującej sprężarce.
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 przed¬stawiono 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.
KONTAKT
DuPont
E-mail: [email protected]
WWW: www.dupont.pl
Tel: +48 22 320 09 33
Adres:
Postępu 17B
02-676 Warszawa