Czynnik chłodniczy to substancja robocza uczestnicząca w wymianie ciepła w urządzeniu chłodniczym lub pompie ciepła, która pobiera ciepło przez odparowanie w niskiej temperaturze przy niskim ciśnieniu, a oddaje przez skraplanie przy odpowiednio wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu.
Czynniki chłodnicze krążące w obiegu pompy ciepła muszą się charakteryzować:
● niską jednostkową teoretyczną pracą sprężania (niskim nakładem energii),
● dużą jednostkową wydajnością chłodniczą, zapewniającą mniejszy strumień krążącego
w układzie czynnika, a to umożliwia zastosowanie mniejszej sprężarki,
● wysokim współczynnikiem przejmowania ciepła, w procesach skraplania i odparowania,
zapewniającymi małe powierzchnie wymienników ciepła,
● zerowym potencjałem niszczenia stratosferycznej warstwy ozonowej ODP (Ozone Depletion Potential)
● zerowym potencjałem tworzenia efektu cieplarnianego GWP (Global Warming Potential),
● brakiem negatywnego oddziaływania na materiały konstrukcyjne i uszczelnienia,
● brakiem własności niszczących olej smarny, tzn. nie powinny z nim wchodzić w reakcje chemiczne,
● brakiem własności toksycznych, palnych i wybuchowych,
● trwałością przy stosowanych ciśnieniach i temperaturach (nie powinny ulegać rozkładowi),
● możliwością łatwego wykrywania ewentualnych nieszczelności w instalacjach,
● przy stosowanych temperaturach skraplania niewysokimi występującymi przy nich ciśnieniami
nasycenia, aby móc stosować lekkie konstrukcje sprężarek,
W zależności od składu chemicznego czynniki chłodnicze możemy podzielić na:
– czynniki jednoskładnikowe są jednorodnymi lotnymi substancjami chemicznymi:
amoniak, dwutlenek węgla, propan, butan, izobutan, pentan, R12, R22, R134a,
– czynniki azeotropowe (AZEO) są mieszaninami o określonym składzie procentowym kilku substancji jednoskładnikowych, zachowujących się podczas wrzenia
i skraplania tak, jak czynniki jednoskładnikowe; R507, R508, R509,
– czynniki zeotropowe (ZEO) są mieszaninami o określonym składzie procentowym kilku substancji o znacznie zróżnicowanej lotności (poślizg temperaturowy).
Poślizg temperaturowy – właściwość czynników chłodniczych o mieszanym składzie, polegająca na odparowywaniu i skraplaniu się w różnych temperaturach (w pewnym przedziale temperatur). W parowniku poślizg temperaturowy objawia się tym, że w danej temperaturze odparowuje tylko część czynnika podczas gdy reszta pozostaje w fazie ciekłej i wymaga dalszego wzrostu temperatury. Może to prowadzić do niezupełnego odparowania (niższa sprawność) jak też do zjawiska szronienia na wlocie do parowacza.
– mieszaniny bliskoazeotropowe (MBA=NEARM) są w istocie mieszaninami zeotropowymi o niewielkim poślizgu temperaturowym; R401A, R401B, R401C, R406A, R407A, R407B, R407C, R409A.
Ze względu na temperaturę wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym czynniki dzielimy na:
Grupa I – czynniki niskotemperaturowe; tw= -100°C ÷ -80°C,
Grupa II – czynniki średniotemperaturowe tw= -40°C,
Grupa III – czynniki wysokotemperaturowe tw= -25°C ÷ +25°C,
Grupa IV – czynniki o bardzo wysokich temperaturach tw= +25°C ÷ +100°C
Nazwy czynników chłodniczych są związane z ich składem. Litera R oznacza „Refrigerant – czynnik chłodniczy”. Cyfra po literze:
dla związków typu CFC, HCFC, HFC po literze R wprowadza się kod liczbowy gdzie:
– pierwsza cyfra z prawej oznacza ilość atomów fluoru,
– druga cyfra z prawej jest powiększoną o jeden ilością atomów wodoru,
– trzecia cyfra z prawej jest pomniejszoną o jeden ilością atomów węgla,
– jeżeli w cząsteczce występują atomy bromu, to na końcu kodu liczbowego dodaje się literę ,,B” oraz
cyfrę oznaczającą ich ilość,
– jeżeli istnieją izomery wówczas dodaje się odpowiednie litery do kodu liczbowego ,,a, b, c, itd.”,
dla czynników pochodzenia nieorganicznego po literze R wprowadza się kod liczbowy, tworzony przez
dodanie do liczby 700 liczby określającej masę cząsteczkową danego związku (amoniak – R717)
dla mieszanin azeotropowych po literze R wprowadza się kod liczbowy w grupie numeracji 500
w kolejności zgodnej ze wzrostem normalnej temperatury wrzenia,
dla mieszanin zeotropowych po literze R wprowadza się kod liczbowy w grupie numeracji 400 należy je określać przez podanie odpowiednich oznaczeń liczbowych zawartych w nich czynników
jednorodnych oraz ich proporcje masowe (R409A – R22/124/142b, 60/25/15),
dla czynników organicznych po literze R wprowadza się kod liczbowy w grupie numeracji 600,
Przyporządkowanie w tej grupie jest arbitralne (izobutan – symbol R600a).
Zgodnie z normą ISO817 oraz Polską Normą M – 04611,,Chłodnictwo” oznaczenia czynników chłodniczych, można zestawić następująco:
seria dwucyfrowa – chlorowce pochodne metanu (CH4),
seria ,,100” – chlorowce pochodne etanu (C2H6),
seria ,,200” – chlorowce pochodne propanu (C3H8),
seria ,,C 300” – chlorowce pochodne cyklo-butanu (C4H8),
seria ,,400” – mieszaniny i roztwory,
seria ,,500” – mieszaniny azeotropowe,
seria ,,600” – związki organiczne,
seria ,,700” – substancje nieorganiczne,
seria ,,1000” – chlorowce pochodne węglowodorów nienasyconych.
Z uwagi na szkodliwość czynników chłodniczych na klimat w tym na niszczenie warstwy ozonowej i ocielenie klimatu wiele z dotychczasowych rozwiązań zostało wycofanych. W tabeli podano starsze rozwiązania czynników chodniczych z zamiennikami.
Podstawowy podział czynników chłodniczych, ze względu na skład chemiczny
Skład chemiczny i fizykochemiczny czynników chłodniczych (www.klimatyzacja.pl)
1. Chlorotluorowęglowodory CFC (niem. FCKW)
Są to halogenowe związki węgla, w których wszystkie atomy wodoru zostały zastąpione atomami chloru i fluoru, duża stabilność chemiczna; rozkładają się dopiero w warstwie ozonowej, wysoki wskaźnik ODP,
Należą do nich czynniki: R11, R12, R133 R113, R114; R115
2. Wodorochiorofluorowęglowodory HCFC (niem, HFCKW)
To substancje organiczne, w których nie wszystkie atomy wodoru w cząsteczce zostały zastąpione przez atomy chloru i fluoru. Stabilność chemiczna jest w nich mniejsza niż związków CFC, stąd niższy wskaźnik ODP, rozkładają, się w dużym stopniu już w dolnych warstwach atmosfery; stanowią mniejsze zagrożenie dla warstwy ozonowej.
Należą do nich czynniki: R22, R123, R124, R142b
3. Hydrofluorowęglowodory HFC (niem. HFKW)
To substancje organiczne, w których część atomów wodoru została zastąpiona atomami fluoru, nie zawierają atomów chloru i bromu. Mają dużą stabilność, wskaźnik ODP jest równy 0; nie stanowią zagrożenia dla warstwy ozonowej.
Należą do nich czynniki: R134a, R23, R152a, R32
4. Wodorobromofluorowęglowodory HBFC (niem. BrFCKW)
Są to substancje organiczne, w cząsteczkach których występują atomy bromu. W skrócie pojawia sie literka B.
Należą do nich czynniki: R12B1, R13B1, R114B2, R22B1
5. Hydrocarbony HC
Węglowodory nasycone, wskaźnik ODP jest równy 0.
Należą do nich: propan R290, izobutan R600a
Przykładowy wykres pracy spreżarki rotacyjnej z czynnikem R410A pokazuje poniższy wykres. Czynnik pracuje w sprężarce typu powietrze/woda. Na odcinku 1-2 następuje sprężanie par czynnika w sprężarce. Potrzebna do tego ilość energii elektrycznej zależy od ciśnienia końcowego. Na odcinku 2-3 czynnik oddaje energię w wymienniku górnego źródła. Ilość tej energii i temperatura zależy z kolei od temperatury krytycznej czynnika, przy której zamienia się on w ciecz. Im wyższa temperatura krytyczna, tym mocniej można sprężyć czynnik i uzyskać wyższą temperaturę w górnym źródle. Podczas oddawania ciepła czynnik potrafi zamienić się w ciecz (punkt 3 na wykresie). Ponieważ do sprężarki musi wrócić w postaci gazowej, konieczne jest jego ponowne odparowanie. Uzyskuje sie to w dwóch etapach. Najpierw obniża się ciśnienie na zaworze rozprężnym (odcinek 3-4). Powstaje para nasycona, w której dalej są krople cieczy. Parę tę podgrzewa się wykorzystując ciepło dolnego źródła (odcinek 4-1). To jaka temperatura dolnego źródła jest wystarczająca do całkowitego odparowania czynnika jest jednym z naistotniejszych parametrów pracy układu. Czynnik który zaczyna odparowywać w bardzo niskich temperaturach może pobrać ciepło od powietrza nawet w zimie, przy -20C. Takie czynniki są szczególnie cenne i zapewniają pompom ciepła wysoki współczynnik sprawności COP.
Wybrane właściwości czynników chłodniczych
ODP – potencjał niszczenia ozonu
ODP (Ozone Depletion Potential – potencjał niszczenia ozonu), to wskaźnik opisujący działanie substancji zawierających chlor (w tym grupy CFC i HCFC) na warstwę ozonową. Z definicji jest to współczynnik opisujący, ile razy większe zniszczenie warstwy ozonowej spowoduje w warunkach stacjonarnych jednostka masy danej substancji, emitowana ze stałą szybkością w ciągu roku, w porównaniu z substancją odniesienia, za którą przyjęto związek CFC 11 (znany jako czynnik chłodniczy R11). Raport techniczny Programu Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych z 1991r. podaje wartości tego wskaźnika.
GWP – globalny potencjał cieplarniany
Wskaźnik GWP (Global Warming Potential – globalny potencjał cieplarniany) charakteryzuje to działanie w odniesieniu do CO2. Można go zdefiniować jako współczynnik opisujący, ile razy większy potencjał tworzenia „efektu cieplarnianego” posiada kilogram danej substancji w zadanym czasie w porównaniu do kilograma CO2. Wartość tego wskaźnika zmienia się silnie w zależności od przyjętego horyzontu czasowego oddziaływania danej substancji, w związku z tym musi on być zawsze podany.
TEWI
Obecnie wśród przepisów obowiązujących gazy cieplarniane (tzw. przepisy f-gazowe), zwraca się tylko uwagę na bezpośredni wpływ czynnika na globalne ocieplenie. Przepisy te nie uwzględniają wpływu pośredniego związanego np.:
– z produkcją czynnika
– energią do napędu sprężarki związaną z wymaganiami wykresu Moliera
Oba elementy generują emisję CO2 do atmosfery. Coraz popularniejszy w ocenie globalnego wpływu czynnika chłodniczego ma więc wskaźnik TEWI (Total Equivalent Warming Impact), tzw. całkowity równoważnik tworzenia efektu cieplarnianego
Poniżej przedstawiam wzór do jego wyliczania.
