Ett alternativ för att ersätta R404A i små kylsystem

Kommersiell kyla ger ett stort bidrag till den globala uppvärmningen på grund av de direkta och indirekta utsläpp som härrör från kylsystemen. Detta beror främst på två faktorer: det stora läckaget från kylutrustningen i kombination med hög växthuseffekt (GWP) för de köldmedium som läcker. I utvecklade länder är dessa köldmedier vanligtvis R404A och R507A, som har ett GWP värde av 3922 respektive 3985. Vad beträffar den indirekta växthuspåverkan från kommersiella kylsystem är denna kopplad till produktionen av el som används för att driva systemen, vilket vi inte kommer att beröra i denna text.

Således, för att nå en betydande minskning av CO₂-utsläpp förbjuder den europeiska F-gasförordningen (Förordning (EU) nr 517/2014) [1] köldmedier med ett GWP-värde över 2500 i ett antal tillämpningar. Till exempel kommer köldmedier med GWP 2500 och högre att förbjudas för användning och service i stationära kylanläggningar från början av 2020 (med vissa undantag). R448A och R449A har föreslagits för att ersätta R404A i denna typ av utrustning och utvärdering av R449A har redan genomförts i ett antal kylsystem i Sverige. Dessutom finns i F-gasförordningen ett förbud mot användning av köldmedier med GWP-värde över 2500 i kyl- och frysskåp för kommersiellt bruk (hermetiskt sluten utrustning) från och med 1 januari 2020. Detta följs av ytterligare förbud mot köldmedier med GWP överstigande 150 bara två år senare. Således kommer många så kallade ”låg-GWP-köldmedier” inte lämpa sig för denna applikation efter 1 Januari 2022.

Alternativen till R404A i små kommersiella kylsystem

För flera år sedan utvecklades syntetiska blandningar med lägre GWP för att ersätta R404A och R507A med små systemförändringar. R448A och R449A var två av de mest lovande icke-brännbara blandningarna, vilka erbjuder liknande eller högre energiprestanda [2]. Men dessa köldmedier kommer endast kunna användas i små kommersiella kylsystem fram till slutet av 2021 och måste därför betraktas som kortsiktiga alternativ.

Kemiföretagen utvecklade syntetiska blandningar med lägre brännbarhet som konverteringsersättare, vilka syftade till att användas på medellång och lång sikt. Två av dem är Solstice® L40 och Opteon® XL40 (även känd som DR-7 och R454A) [2]. En mycket viktig egenskap för de nya blandningarna var ett GWP-värde understigande 300. Denna exakta gräns sattes efter de första samtalen i arbetet med den europeiska F-gasförordningen. Då trodde man att detta värde var en lämplig gräns för att definiera låg-GWP-köldmedier för kommersiell kyla (mer diskussion om låg-GWP-konceptet kan hittas i [3] och [4]).

Låg GWP ersättare till R404A

Trots detta kom GWP-gränsen senare att fastställas till 150 för kyl- och frysskåp för kommersiellt bruk, så köldmedier som L40 och XL40 kan med andra inte användas i framtiden i dessa små europeiska kylsystem. Honeywell (utvecklare för L40) och Chemours (XL40) har tagit olika beslut om användningen av nämnda köldmedier. Honeywell har tagit bort den ursprungliga blandningen för L40 och omdefinierat kompositionen till en ny - Solstice® L40X med GWP på 148. Å andra sidan marknadsför Chemours fortfarande XL40 (GWP 246) för "Stationär kylning med mindre fyllnadsmängder där en lägre GWP krävs" och DR-3 (GWP 148, ursprungligen tänkt att ersätta R22) som köldmedium för ny utrustning där högre kapacitet krävs.

Naturligtvis finns det ett antal naturliga köldmedier som kan användas i små kommersiella kylsystem. Deras användning är dock begränsad till nya system, då de, på grund av deras höga brännbarhet, inte är lämpliga för konvertering av R404A-system. R290 är det lämpligaste alternativet för applikationer där R404A används idag. Några HC blandningar har också utvecklas för att täcka ett bredare användningsområde.

Tabell 1 visar huvud egenskaper för köldmedieblandningar som nämns i denna text. Det framgår att den stora GWP-minskningen beror på utnyttjandet av HFO:er och HFC-32 men att användningen av dessa komponenter samtidigt medför att blandningarna hamnar i kategorin brännbara köldmedier grupp (A2L). För dessa A2L-blandningar, avsedda att användas som låg-GWP-köldmedier, kan GWP reduceras genom att minska mängden R32 och öka den för R1234yf. L40X har även 3% av CO₂ i dess sammansättning

Tabell 1. Huvud egenskaper för de köldmediumblandningar som nämns i texten.

Därigenom kommer, för de närmaste åren, Solstice® L40X och Opteon® DR-3 vara köldmedier som kan ersätta R404A i små kommersiella kylsystem. Solstice® L40X har redan fått ASHRAE beteckningen (R455A) och var en av de mest intresseväckande nyheterna på Chillventa 2016, som hölls i Nürnberg (Tyskland) under 11-13 oktober.

R455A som alternativ till R404A
Ett fåtal studier har publicerats om energiprestandan för detta köldmedium. Honeywell [5] genomförde ett experimentellt arbete i en kommersiellt tillgänglig frys med intern värmeväxling mellan suggas och vätskeledning. Som en slutsats av studien, visade R455A på lägre energiförbrukning och nästan samma kapacitet (tabell 2).

Tabell 2. Jämförelse mellan köldmedier (sammanfattning av 24 timmar prestanda)

Den enkla ångkompressionscykeln har simulerats teoretiskt (REFPROP 9.1) för att jämföra prestandan hos R455A och R404A i ett system vid låg förångningstemperatur. Prestandan hos ett system jämfördes vid -35°C förångningstemperatur (beräknat som summan av 1/3 av bubbeltemperatur och 2/3 av dagg temperatur) och 35°C kondenseringstemperatur (beräknat som genomsnittet av bubbel temperatur och dagg temperatur), underkylning och överhettning har båda satts till 10°C och kompressorns isentropverkningsgrad antagits vara 70%. Jämförelsen (Tabell 3) visar att R455A har större specifik kyleffekt (kJ/kg), men också större specifikt kompressionsarbete och lägre densitet för köldmediet vid kompressorinloppet. Sammantaget kan man förvänta sig att R455A kan ha högre COP och något lägre volymetrisk köldalstring vid nämnda förhållanden. Kompressorns utloppstemperatur hos R455A är högre än den för R404A. R455A har mycket stor glide och eventuell försämring av värmeövergången i värmeväxlarna på grund av detta har inte tagits med i beräkningen.

Tabell 2. Teoretiskt jämförelse mellan köldmedier ( -35/35°C förångnings-/kondenseringstemperaturer)

Utvecklingen av R455A som köldmedium är i ett tidigt skede och antalet studier är därför väldigt begränsat. Sedliak [6] har utfört en kompressorkalorimetertest av R455A i en R404A kolvkompressor. För båda köldmedierna utfördes testerna vid samma daggpunktstemperatur för sug- och utloppstryck. Mätt på detta sätt kan R455A förväntas ge högre köldfaktor vid de flesta förhållanden. Dock, eftersom R455A har mycket stor glide (12,9 K vid 1 bar), jämfört med R404A, är de framlagda jämförelseresultaten i rapporten [6] inte helt korrekta och presenteras därför inte här i detalj.

Slutsatser

Europeiska F-gasförordningen har påverkat sammansättningen av de nya blandningarna som ska ersätta R404A i små kommersiella kylsystem. De största kemiföretagen har anpassat sina köldmedier för att möta GWP-begränsning på 150. Exempel är R455A med GWP av 148 som kommersialiseras av Honeywell. Enligt företaget har denna köldmedieblandning mindre kapacitet och, högre energieffektivitet än R404A. Det visar sig att ha acceptabel utloppstemperatur och mindre massflöde. Det är också brännbar och har mycket stor glide.

Källor

[1] European Parliament and the Council of the European Union. Regulation (EU) No 517/2014 of the European Parliament and the Council of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases and repealing Regulation (EC) No 842/2006. Off J Europ Union, vol. 150; 2014. p. 195–230.

[2] Adrián Mota-Babiloni, Joaquín Navarro-Esbrí, Ángel Barragán, Francisco Molés, Bernardo Peris, Theoretical comparison of low GWP alternatives for different refrigeration configurations taking R404A as baseline, International Journal of Refrigeration, Volume 44, August 2014, Pages 81-90.

[3] P. Makhnatch, R. Khodabandeh och B. Palm, ”Att definera "Låg GWP",” KYLA+ Värmepumpar, nr 07, 2013.

[4] P. Makhnatch, R. Khodabandeh och B. Palm, ”Senaste nytt från ”Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference” i Edinburgh UK",” KYLA+ Värmepumpar, nr 06, 2016.

[5] Yana-Motta, SF., Spatz, M., Pottker, G., Smith, GL. (2014). Refrigerants with Low Environmental Impact for Refrigeration Applications. 15th International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue, EEUU, Paper 1554.

[6] J. Sedliak, "Compressor calorimeter test of refrigerant blend HDR110 in a R-404A reciprocating compressor," Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI), 2015.