Az R22 hűtőközeg „utódai”
2009. október 27. | dr. Jakab Zoltán | | 0 |
Az Európai Unió tagállamaiban az EU 2039/2000 sz. rendelete értelmében 2004 óta nem szabad a korábban jól bevált, de a környezetet károsító R22 hűtőközeget új hűtőberendezésekben és hőszivattyúkban felhasználni, illetve tilos az R22-vel töltött egységek forgalomba hozatala is. 2009. január 1-től a gyári friss R-22 forgalmazása, tárolása, felhasználása is tiltva lesz.
A korábbi évek sok kísérlete után úgy látszik, hogy azokhoz az új berendezésekhez, amelyekben egyébként valószínűleg továbbra is R22-t alkalmaztak volna, három „új” hűtőközeg vált be viszonylag legjobban: az R404A, az R407C és az R410A jelű. A következőkben ennek a három hűtőközegnek az egymás közti összehasonlításával foglalkozunk. (Az összehasonlítás nem érinti a drop-in közegeket, amelyek a korábban gyártott, R22 töltetű berendezések szervizelésére szolgálnak.)
A környezetvédelmi és biztonsági tulajdonságok összehasonlítása
Mindhárom közeg „blend”, azaz különböző hűtőközegek keveréke. A komponensek valamennyien klórmentes anyagok, ezért keverékeiknek sincs ózonpajzsot károsító hatása (ODP = 0). A komponenseik nem is mérgezők, mérsékelten tűzveszélyes is csak az R404A-ban szereplő R143A, de ezt a viszonylag nagy hányadú R125 még gázömlés esetében is hatásosan kompenzálja. Mindezek alapján az MSz EN 378-1 sz. „Hűtőrendszerek és hőszivattyúk. Biztonsági követelmények.” c. szabvány 5.4 szakasza szerint mindhárom szóban forgó hűtőközeg az A1/A1 biztonsági csoportba tartozik, azaz még az elpárolgásnál keletkező frakcióik is gyakorlatilag veszélytelenek. Ennek megfelelően a megengedhető úgynevezett gyakorlati határértékük, vagyis hogy mekkora lehet egy velük üzemelő hűtőberendezés maximális töltete a gázömlés esetén veszélyeztetett helyiségek térfogatára vonatkoztatva (kg/légköbméter), kedvezően nagy (lásd 1. táblázat). Megjegyzendő viszont, hogy az üvegházhatást növelő potenciáljuk (GWP) - különösen az R404A-é - elég jelentős.
1. táblázat
Összefoglalóan tehát elmondható, hogy a környezetvédelmi és a biztonsági követelményeknek valamennyien megfelelnek.
Az üzemi hőmérsékletek és nyomások összehasonlítása
A szóban forgó utód-közegeink valamennyien „zeotrop” hűtőközeg-keverékek. Jellemzőjük, hogy állandó nyomású fázisváltozásaik (az elpárolgás és a kondenzáció) nem állandó, hanem folyamatosan változó hőmérsékleten mennek végbe. Elpárolgásuk közben a hőmérsékletük növekszik, kondenzáció során csökken. Ez a hőfokváltozás az úgynevezett „csúszás” (glide).
Fontos tudni, hogy az EN 12900 sz. (és az ARI 540 sz.) szabvány szerint egy hűtőberendezés üzemállapotának meghatározásához mind az úgynevezett „elpárolgási” (t0), mind az úgynevezett „kondenzációs” hőmérsékletet (tC) az aktuális nyomásokon telített gőzállapotra kell megadni! Ez azt jelenti, hogy a „hivatalos” elpárolgási hőmérséklet az elpárolgás véghőmérséklete, a „hivatalos” kondenzációs hőmérséklet pedig a cseppfolyósodás kezdőhőmérséklete. (Ugyanakkor forráspontnak értelemszerűen az elpárolgás kezdő hőmérsékletét kell tekinteni, az utóhűtést pedig a kondenzáció véghőmérsékletéhez viszonyítva kell megadni.)
Mindhárom szóban forgó hűtőközeg 1 bar nyomáshoz tartozó forráspontja alacsony (2. táblázat). Alkalmazási tartományukban (t0 = körülbelül -30…+10 ºC) az elpárologtató-nyomások jóval nagyobbak a légköri nyomásnál. (Légbetöréstől üzem közben nem kell tartani.) Ezek az utód-közegeink tehát mindhárman úgynevezett nagynyomású hűtőközegek. Az elpárolgási hőmérsékletek és nyomások kapcsolatára, valamint a csúszásokra ugyancsak a 2. táblázatban mutatunk be néhány összehasonlításra alkalmas példát.
2. táblázat
Figyelmet érdemel, hogy bár zeotrop blendekről van szó, az elpárolgási hőfoktartományban jelentősebb csúszása csak az R407C-nek van. Az R404A és az R410A csúszása pedig csak 1 K-en belüli, ami a hűtőberendezések üzeme szempontjából alig jelentős, ezért az ilyeneket közel azeotrop (egyanyagúkén viselkedő) hűtőközegeknek szokták nevezni. Vagyis az utóbbiak gyakorlatilag egyanyagú közegeknek tekinthetők, a legtöbb gőztáblázat is így kezeli őket.
A szénhidrogén-alapú hűtőközegekkel működtetett hűtőberendezésekhez a kereskedelemben beszerezhető, nagy tömegben gyártott rendszerelemeket (adagolókat, készülékeket, szerelvényeket stb.) általában 26-bar elviselésére méretezik. Ez a határ sok kompresszorra is vonatkozik. A 3. táblázat első sora az összehasonlított hűtőközegek 26 bar nyomáshoz tartozó kondenzációs hőmérsékleteit mutatja be. Feltűnő, hogy az R410A hűtőközeg nyomása a 26 bart már körülbelül 43 ºC kondenzációs hőmérsékletnél eléri.
3. táblázat
A mérsékeltövi hazai klímaviszonyok mellett a hűtőberendezés nagynyomású oldalának és ezen belül a rendszerelemeknek a próbanyomása az MSz EN 378-2 sz. biztonsági szabvány szerint léghűtésű kondenzátor alkalmazásakor legalább az 55 ºC-hoz tartozó telítési nyomás kell, hogy legyen. A 3. táblázatban a nyáron még normálisnak mondaható 45 ºC-os kondenzációs hőmérséklethez tartozó telítési nyomások mellett a méretezés alapjául szolgáló 55 ºC-hoz tartozó telítési nyomásokat is bemutatjuk.
Mint látható, az R410A jelű hűtőközegnél 55 ºC telítési gőzhőmérséklethez 34,4 bar nyomás tartozik. Ebből az következik, hogy a másik két közeghez viszonyítva fokozottabb szilársági követelményeket támaszt. A másik két hűtőközeg nyomása viszont 55 ºC-nál sem haladja meg a 26 bar-t.
A táblázatban a kondenzációs hőmérsékletekhez tartozó csúszások is szerepelek. A csúszás ebben a tartományban is csak az R407C-nél jelentős.
A szükséges kompresszorméretek összehasonlítása
Az előírt hűtési feladat ellátásához szükséges kompresszornagyságot (és az ezzel arányos költségeket is) alapvetően az határozza meg, hogy üzem közben hány m3/h hűtőközeggőz keletkezik az elpárologtatóban. Ez pedig a hőmérsékletviszonyok mellett nagyban függ a hűtőközeg tulajdonságaitól is.
A három utód-hűtőközeg üzemi tulajdonságait egyfokozatú, egyszerűsített kompresszoros hűtő-körfolyamatok alapján hasonlítjuk össze. Ezekben az utóhűtés és a túlhevítés mértékét 5…5 K-re , a kompresszor belső hatásfokát 80%-ra választottuk, de nyomásveszteségeket nem vettünk figyelembe. Az összehasonlítás példaként három elpárolgási hőmérsékletkategóriában (t0 = -20, 0 és +10 ºC), léghűtésű kondenzátort feltételezve egységesen tC = 45 ºC kondenzációs hőmérsékletre vonatkozik. Ezekkel a paraméterekkel a valóságos egyfokozatú kompresszoros körfolyamatot jól közelítő, egymással jól összevethető eredményeket kapunk a hűtött tárolókban, a vízhűtőkben és a direkt hűtésű klímaberendezésekben való alkalmazhatóságuk megítéléséhez akkor is, ha a három kiválasztott területen a példákétól többé-kevésbé eltérő hőfokviszonyokkal is találkozhatunk.
A kompresszorméret szempontjából az adott hűtőközeggel elérhető volumetrikus hőelvonás (kJ/m3) a döntő, ami az 1 m3 gőz keletkezése közben hasznosan elvont hőmennyiséget jelenti. Ezzel arányos ugyanis a hűtőteljesítménynek megfelelő térfogatáram, amely egyúttal a szükséges kompresszor úgynevezett elméleti (geometriai) lökettérfogatát is jelenti. A 4. táblázatban feltüntettük a Q0 = 1 kW hűtőteljesítményhez szükséges elméleti kompresszor-lökettérfogatokat is, m3/kW,h mértékegységben. Megállapítható, hogy az R404A hűtőközeggel érhetjük el a messze legkisebb gépméreteket. Az R407A viszont – különösen a mélyhűtés tartományában – viszonylag a legnagyobb kompresszorméretet igényli.
4. táblázat
A fajlagos hűtőteljesítmények és energiafogyasztások összehasonlítása
A hűtőközeg tulajdonságaitól bizonyos mértékben függ a fajlagos hűtőteljesítmény (COP) és a fajlagos teljesítményfelvétel, a hűtőteljesítményre vonatkoztatott teljesítményfelvétel (P/Q0) is (5. táblázat).
5. táblázat
A három vizsgált hűtőközeg közül az R407A COP-je mutatkozik a legnagyobbnak, fajlagos teljesítményigénye pedig a legkisebbnek, vagyis energetikai szempontból ez a legkedvezőbb. A további kettő közül azután ebből a szempontból az R410A használata a valamivel előnyösebb, különösen a mélyhűtő tartományban. Figyelembe kell azonban venni, hogy a 6. táblázatban összefoglalt eredmények szerint az R410A kompresszió-véghőmérséklete lényegesen nagyobb a többiekénél.
6. táblázat
Összefoglalás
Az összehasonlított három R22-utód hűtőközeg tulajdonságai között kisebb-nagyobb különbségek tapasztalhatók. Ezek az alkalmazásukban némi differenciálására adnak okot (és módot).
Az R404A hűtőközeg kedvező tulajdonságai közül kiemelkedik a viszonylag alacsony kompresszió-véghőmérséklet. A kiváló „kompresszió-tűrés” abból következik, hogy ennek a hűtőközegnek a „к” (kappa) izentropikus kitevője és üzemi nyomásainak viszonya is kedvezően kicsi. Így még a -30 ºC alatti mélyhűtő tartományban is gyakran egyfokozatú kompresszorokkal használható. Alkalmazhatósága tehát a már korábban betiltott R502 hűtőközegéhez közelít. Fagyasztók, hűtőtermek és hűtőkamrák hűtőberendezéseihez alkalmas, ahol a három „utód” közül éppen a kompresszió-tűrése révén bizonyul gyakran a legkedvezőbbnek.
Az R22 főbb hűtéstechnikai jellemzőihez – a csúszást kivéve - legjobban az R407C jellemzői hasonlítanak: a volumetrikus hőelvonás, a COP, az üzemi nyomásviszony stb. e két hűtőközegnél közel azonos. Használata elsősorban klímarendszerekben, de némi korlátozásokkal a normálhűtés területén is általános. Mint említettük, csúszása jelentős, de ezt bizonyos esetekben (megfelelő ellenáramú hőcserélő-konstrukciókkal) a COP növelésére lehet kihasználni. Általános hűtési feladatokhoz és a szokásos kialakítású elpárologtatókkal és kondenzátorokkal azonban ez az előny nem mindig, vagy csak részben érvényesíthető. Az említett hőcserélők kiválasztása a több kelvinnel változó hőmérsékletű elpárolgás és kondenzáció miatt mindig fokozottabb figyelmet követel. Nagy R134a-tartalma, illetve az ebből következő viszonylag nagy fajtérfogatai (és kis volumetrikus hőelvonása) miatt mélyhűtőkben túl nagy gépméreteket igényelne, ilyen célokra nem nagyon alkalmas. Fontos szabály, hogy hűtőrendszerekbe csak folyadékállapotban szabad betölteni!
Az R410A hűtőközeget elsősorban a klímatechnika hűtőberendezéseihez ajánlják, és ezen a területen sokan a jövő hűtőközegének tartják. Nagyon előnyös ugyanis az a tulajdonsága, hogy a hűtési feladatok ellátásához szükséges gépméret kicsi, csak körülbelül fele az R22-höz szükségesének, illetve, hogy ebből a szempontból a másik két közeghez hasonlítva is messze a legkedvezőbb. Az elpárolgási és kondenzációs hőátbocsátási tényezői is nagyobbak a többiekénél. Elhanyagolhatóan kis csúszásának köszönhetően teljesen egyanyagú közegként lehet kezelni. A mélyhőmérsékletű elpárolgások tartományában a magas kompresszió-véghőmérséklete miatt alkalmazhatósága korlátozott. Gőznyomásai jóval nagyobbak a szokásosnál, és ehhez szilárdságilag erősebbre méretezett rendszerelemek szükségesek.
Kenőanyagként mindhárom összehasonlított hűtőközeghez polyolészter (POE) olajat kell használni, amelynek kezelése (nagy nedvességelnyelő képessége miatt) nagyobb figyelmet követel, mint az R22-höz használt ásványolaj, illetve alkylbenzol. A szóban forgó hűtőközegek nagykereskedelmi árában nincs lényeges különbség.
Hozzászólás
A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.
