Poniżej przedstawiam charakterystkę kilku popularnych czynników chłodniczych, nie tylko ze względu na pompy ciepła, ale i testy egzaminacyjne. W kolejności:
- R707 – amoniak
- R290 – propan
- R600a – izobutan
- R407C
- R410A
- R134a, R1234yf
Amoniak (R717)
Amoniak jest nieorganicznym związkiem chemicznym, który w normalnych warunkach atmosferycznych jest gazem bez koloru, o silnie drażniącym zapachu, trudno zapalnym, trującym, wywołującym intensywne łzawienie, charakteryzującym się ostrym alkalicznym smakiem. Polska norma PN-72/M04601 zalicza ten związek do grupy drugiej, obejmującej czynniki chłodnicze o działaniu toksycznym lub drażniącym, a także palne (przy stężeniach w powietrzu wyższych od 3,5%). Wylany z naczynia ciśnieniowego ciekły amoniak, rozprężając się do ciśnienia atmosferycznego, intensywnie odparowuje (ponieważ jego pary są lżejsze od powietrza, unoszą się do góry). Podobnie jak w przypadku fazy gazowej, również jako ciecz jest substancją bezbarwną. Amoniak jako czynnik chłodniczy jest stosowany w układach jedno i dwustopniowych średnich i dużych sprężarkowych urządzeń przemysłowych. Nadaje się on przede wszystkim do pracy w urządzeniach parowych ze sprężarkami tłokowymi.
Amoniak nie działa na żelazo i jego stopy, stąd też stal jest podstawowym materiałem konstrukcyjnym w urządzeniach pracujących z tym czynnikiem. Bezwodny amoniak powoduje korozję metali, natomiast wilgotny atakuje cynk, miedź i jej stopy, dlatego też materiałów tych nie stosuje się do budowy sprężarek i aparatów dla niego przeznaczonych.
Amoniak jest naturalnym czynnikiem chłodniczym. Ma zerowy potencjał ODP i GWP. Te cechy oraz jego efektywność sprawiają, że jest to jeden z najbardziej przyjaznych dla środowiska czynników chłodniczych. Ma stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia (-33,3°C). Cenowo jest jednym z najtańszych czynników, dlatego nadal powszechnie stosowanym w dużych, przemysłowych instalacjach chłodniczych.
Propan R290
R290 jako czynnik chłodniczy ma dłuższą tradycję niż związki grupy CFC. Od początku tego wieku jest stosowany w dużych instalacjach chłodniczych w przemyśle chemicznym, petrochemicznym oraz w zakładach skraplania i rozdzielania gazów, gdzie jako czynnik palny podlega rygorystycznemu reżimowi technologicznemu i przeciwpożarowemu. Masa molowa propanu, równa 44kg/kmol, predestynuje go do roli optymalnego czynnika chłodniczego w dużych układach turbosprężarkowych – stosowanych również w ochładzaczach cieczy. W związku z koniecznością wycofania z produkcji związków grupy CFC (w tym R12), a także kłopotów jakich przysparza czynnik R134a, znaczna część światowej produkcji chłodziarek domowych, handlowych, a także agregatów hermetycznych już obecnie opiera się na czynnikach węglowodorowych. Szczególnie przydatna okazała się w tym zastosowaniu mieszanina propanu (R290) i izobutanu (R600a) w stosunku wagowym 1:1, a także czysty izobutan. Propan jako czynnik roboczy pojawił się również w pompach ciepła (zastępując czynnik R22-dwufluorochlorometan), w małej klimatyzacji (w tym pojazdowej) oraz w chłodnictwie środków transportowych.
Właściwości:
Propan R290 jest czynnikiem o zerowym potencjale ODP i GWP=3. Ma więc znikomy wpływ na środowisko. Ograniczeniem w jego stosowaniu jest palność i wybuchowość. Klasyfikowany jest jako czynnik klasy bezpieczeństwa A3. Cechy te limitują jego stosowanie do małych układów chłodniczych np. klimatyzatorów zainstalowanych na zewnątrz budynków oraz urządzeń handlowych hermetycznych i agregatów wody lodowej.
Propan zaczyna odparowywać już w temperaturze -43C. W temperaturze -25C ciśnienie par jest już wystarczające do praktycznego zastosowania w systemie chłodniczym, dlatego najbardziej ekonomiczne pompy ciepła z czynnikiem R290 mogą pracować do temp. -25C. Pamiętajmy jednak, że wraz ze spadkiem temperatury wzrasta zapotrzebowanie na prąd. Wykres termodynamiczny propanu pokazuje poniższy rys.
Propan pozwala na wyjątkowo wysokie parametry pracy górnego źródła ciepła. W trybie ogrzewania w wielu pompach ciepła uzyskiwana jest temperatura rzędu 75°C. Sprawność COP przekracza wartość 5,0. Przykładowo w pompie ciepła aroTHERM plus firmy Vaillant osiąga wartość 5,4 przy temperaturze powietrza +7°C i górnego źródła +35°C.
Izobutan R600a
Izobutan należy do substancji, które najwcześniej zostały zastosowane jako czynniki chłodnicze, szczególnie w urządzeniach pracujących w zakładach produkujących lub przetwarzających węglowodory, a także w obiektach, gdzie płyn ten zużywany był jako paliwo. Z uwagi na palność R 600a został w późniejszym okresie wyparty z zastosowań chłodniczych przez freony. Jednak wobec faktu wycofywania większości z nich z użycia, izobutan będąc substancją naturalną znów jest postrzegany jako atrakcyjny płyn roboczy.
Izobutan wydaje się być odpowiednim czynnikiem roboczym dla urządzeń chłodniczych wysoko i średniotemperaturowych, pracujących dotychczas z R12 (głównie chłodziarki domowe, małe klimatyzatory i pompy ciepła). Własności termodynamiczne R600a odbiegają jednak znacznie od własności R12, wobec czego izobutan znajduje zastosowanie w urządzeniach specjalnie dla niego konstruowanych lub jako składnik mieszanin najczęściej w połączeniu z propanem.
R407C- mieszanina difluorometanu, pentafluoroetanu i 1,1,1,2 tetrafluoroetanu
jest bezbarwną mieszaniną zeotropową czynników R32 (CH2F2) 23% wag., R125 (CF3-CHF2) 25% wag. oraz R134a (CF3-CH2F) 52% wag. R407C jest czynnikiem o zbliżonych własnościach termodynamicznych do R22, dlatego proponowany jest jako zamiennik tego czynnika zarówno w już istniejących, jak i nowo projektowanych instalacjach chłodniczych. Jest on mieszaniną charakteryzującą się dość znacznym poślizgiem temperaturowym, dlatego wyklucza się jej stosowanie w instalacjach wyposażonych w parowniki zalane.
Wskaźnik ODP = 0, GWP 1774, a więc bardzo wysoki. Wykres Moliera poniżej.
R410A
Czynnik R410 jest mieszaniną dwuskładnikową, składającą się z substancji jednorodnych R32 i R125. W ocenie jego producentów posiada korzystne właściwości termodynamiczne. Obecnie dla mieszaniny R32/R125 proponowane są następujące proporcje: 50/50% wagowych lub 45/55% wagowych. W związku z tym mieszaniny te oznaczane są jako R410A lub R410B. Czynnik R410 jest długoterminowym, bezchlorowym zamiennikiem R22 w klimatyzatorach, domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych, pompach ciepła, a także w nowo projektowanych układach chłodniczych w przemyśle i supermarketach. Może również służyć jako substytut R22 w systemie „retrofit” w istniejących już urządzeniach. Ze względu na większe ciśnienia w przypadku stosowania R410, przed każdą taką operacją zaleca się zasięgnięcie opinii producenta sprężarek oraz poszczególnych podzespołów instalacji chłodniczej. Czynnik ten znajduje również zastosowanie w układach niskotemperaturowych zastępując w nich R13B1.
Czynnik R410A ma bardzo wysoki potencjał efektu cieplarnianego. GWP dla tego czynnika wynosi 2088. Zgodnie z dyrektywą EU od 2025 roku czynnik ten musi być zastąpiony bardziej bezpiecznymi zamiennikami. Jednym z podstawowych wyborów producentów klimatyzacji i urządzeń chłodniczych jest czynnik R32. W porównaniu do R410A jest zdecydowanie bardziej ekologiczny, wydajniejszy, a także tańszy. Skrótem R32 określa się difluorometan. Jego atutem jest niski stopień oddziaływania na środowisko naturalne. Wskaźnik GPW w jego przypadku jest trzykrotnie niższy, niż przy freonie, wynosi 675
R134A – 1,1,1,2 – tetrafluoroetan, R1234yf – 2,3,3,3-cztero-fluoropropylen
R134a jest związkiem jednorodnym o wzorze chemicznym CH2F-CF3. Jest to płyn bezbarwny o stałym eterycznym zapachu. Czynnik chłodniczy stosowany w urządzeniach małej i średniej mocy. Popularny w chłodnictwie domowym, klimatyzacjach samochodowych ale także chłodnictwie przemysłowym, handlowym i transporcie chłodniczym. Zalecany jako zamiennik R 12 w chłodnictwie przemysłowym i klimatyzacjach. Zła tolerancja materiałowa niektórych tworzyw sztucznych, a także cynku, magnezu i ołowiu. W dużych stężeniach ma działanie duszące.
Temperatura zapłonu R134a wynosi około 770C, przez co jest uznawany za niepalny. Potencjał efektu cieplarnianego jest natomiast bardzo wysoki. GWP wynosi aż 1430. Z tego powodu czynnik ten dyrektywą 2006/40/WE, od 1 stycznia 2013 roku został zastąpiony czynnikiem R1234yf który stał się przez to obowiązkowym czynnikiem stosowanym w układach klimatyzacji samochodowej. Decyzja ta została podjęta ze względów ochrony środowiska.
Poniżej porównanie obu czynników.
Wadą czynnika R1234yf jest wyższa palność. Temperatura zapłonu to 405°C, co czyni go czynnikiem łatwopalnym. Dodatkowo w czasie palenia wydziela niebezpieczne związki fluoru. Tradycyjne mineralne i syntetyczne oleje chłodnicze nie mieszają się (nie rozpuszczają) z R134a i innymi czynnikami HFC opisanymi dalej, co utrudnia ich powrót z instalacji do sprężarki. Nie mieszający się z czynnikiem olej chłodniczy może zalegać w wymiennikach, pogarszając warunki wymiany ciepła nawet w stopniu uniemożliwiającym pracę instalacji. Opracowano zatem nowe środki smarne, charakteryzujące się wystarczającą rozpuszczalnością z czynnikami HFC i poddano je długotrwałym testom.
Są to oleje poliestrowe (POE) i poliglikolowe (PAG), które znajdują się w użyciu już od wielu lat.
Ich własności smarne są zbliżone do olejów tradycyjnych, natomiast są one mniej lub bardziej
higroskopijne, zależnie od ilości rozpuszczonego w nich czynnika chłodniczego. Duża zdolność do pochłaniania wilgoci wymaga szczególnych zabiegów podczas produkcji oleju (włącznie z dehydratacją), w czasie jego transportu i składowania oraz przy napełnianiu instalacji olejem. Ma to na celu uniknięcie
szkodliwych reakcji chemicznych w układzie chłodniczym, jak na przykład hydrolizy. Szczególnie wysoką higroskopijnością charakteryzują się oleje typu PAG. Co więcej, mają one stosunkowo niską wytrzymałość dielektryczną, przez co niezbyt nadają się do sprężarek półhermetycznych i hermetycznych.
Wykres Moliera obu czynników przedstawiam poniżej.
