Rashladni fluidi

 

 

 

    Na početku razvoja mehaničkih rashladnih mašina kao radni fluid se koristio vazduh. Uvođenjem ciklusa parne kompresije sistemi postaju sve efikasniji i kompaktniji. u početku jedini praktični fluidi su bili ugljendioksid i amonijak. Kada se bolje pogleda za dugotrajnu primenu se uzimalo da je amonijak toksičan, ugljendioksid mada se koristio na visokim pritiscima bio je poželjniji. Metilhlorid, i ako je toksičan i veoma neprijatan korišćen je u nekim manjim sistemima.

Revolucija je počela sa pronalaskom chlorofluorocarbon (R12) 1930. godine od strane Midgley. Taj rashladni fluid i ostali članovi CFC grupe izgledalo je da poseduju poželjne osobine. Posebno zato što su netoksični, nezapaljivi, sa dobrim termodinamičkim svojstvima i sa osobinom da se dobro mešaju sa uljima. Tako da CFC grupa rashladnih fluida R12, R11, R114 i R502 zajedno sa R22 jedno vreme predstavlja pravi izbor za rashladni fluid. Omogućili su ekspanziju rashladnih mašina u komercijalni, kućni kao i u sektor klimatizacije. Ugljendioksid se sve manje koristio, ali amonijak se zbog svojih izuzetnih termodinamičkih svojstava i niske cene nastavio koristiti u mnogim industrijskim primenama.
Ekološka zabrinutost za smanjenje ozona u atmosferi i globalno zagrevanje dovode do velikih promena u upotrebi rashladnih fluida kako danas tako i u budućnosti. Ispuštanje u atmosferu supstanci koje dovode do uništavanja ozonskog omotača dovelo je do potpisivanja Montrealskog i Kyoto međunarodnih protokola, i eliminacije CFC i HCFC rashladnih fluida koji u sebi sadrže hlor, što je dovelo do bolje kontrole nestajanja ozonskog omotača.
Zamenski rashladni fluidi bez hlora HFC su istraženi i uspešno primenjeni u skoro svim oblastima. Međutim, HFC su moćni gasovi efekta staklene bašte (green house), i nalaze se pod rigoroznim ispitivanjem. Neki od njih koji su najviše destruktivni HFC rashladni fluidi, uključujući R404A, polako se izbacuju iz upotrebe.
To je dovelo do razvoja nove klase rashladnih fluida, hydrofluoroolefin (HFO). Ovi rashladni fluidi kada se ispuste u atmosferu brzo nestaju, imaju mali uticaj na globalno zagrevanje, ali su zapaljivi i skupi.
R1234y je bio prvobitno izučen kao zamena za R134a u automobilskim i prenosnim klima uređajima. Propisi nalažu zamenu R134a u automobilskim klima uređajima u Evropskoj zajednici.
Uticaj globalnog zagrevanja je doveo do strože regulacije ispuštanja gasova staklene (greenhouse) bašte, tako da je izbor rashladnih fluida postao kompleksno i složeno pitanje.

Nomenklatura rashladnih fluida

Rashladni fluidi su klasificirani po ASHRAE.
Prva oznaka R označava da se radi o rashladnom fluidu.

Primer: R134a
R - rashladni fluid
1 - broj ugljenikovih atoma-1 (izostavlja se kada je broj nula)
3 - broj vodonikovih atoma+1
4 - broj atoma fluora
a - mala slova označavaju specifični izomer (molekularna formulacija)

Primer: R404A
R - rashladni fluid
4 - zerotropna mešavina (mešavina sa tečnim komponentama koje imaju različite tačke ključanja)
04 - hronološko numerisanje koje označava komponente smeše, ali ne i procenat komponenata
A - označava specifičan sastav, to jest % komponenti

Primer: R1234ze (E)
R - rashladni fluid
1 - broj ugljenikovih dvostrukih veza
2 - broj ugljenikovih atoma-1
3 - broj vodonikovih atoma+1
4 - broj atoma fluora
ze - označava 2 propan H supstituciju
(E) - označava stereizomer (ako je primenjeno)

Zeotropne mešavine su označene u seriji 400. (Mešavina sa tečnim komponentama koje imaju različite tačke ključanja).
Azeotropne mešavine su označene u seriji 500. (Mešavine koje ne menjaju svoj sastav pri prelasku iz tečnog u gasovito stanje).
Razna organska jedinjenja su označena u seriji 600. Numeracija se radi nekim redosledom.
Neorganska jedinjenja su označena u seriji 700. Identifikacija se dobija sabiranjem 700 i relativne molekularne mase. Primer amonijaka R717=700+17 (molekularna masa amonijaka).

Idealne osobine rashladnog fluida:  

- Visoka latentna toplota isparavanja

- Visoka gustina usisnog gasa

- Pozitivni, ali ne preveliki pritisci u uslovima isparavanja i kondenzacije

- Kritična temperatura i trostruka tačka izvan radnog stanja

- Hemijski stabilan, kompatibilan sa konstrukcionim materijalima i mešljiv sa uljima

- Nekorozivan, netoksičan, nezapaljiv

- Visoka dielektrična čvrstoća

- Ekološki prihvatljiv

- Jeftin

Ne treba naglašavati, ni jedan rashladni fluid ne ispunjava sve uslove, i izbor rashladnog fluida za određenu primenu je stvar kompromisa.

 

 

Ugljen-dioksid (R744)

U normalnim uslovima, ugljen-dioksid je u gasovitom agregatnom stanju. Bez mirisa je, zagušljiv, nezapaljiv, teži od vazduha. Kroz adijabatsko širenje (širenje od visokog do atmosferskog pritiska), delimično prelazi u čvrsto stanje (suvi led). 

To je bezbojni gas. U manjim koncentracijama je bez mirisa i ukusa. U većim koncentracijama plin ima oštar kiselkast miris. Teži je od vazduha pa pada na dno prostorija.

Ugljen dioksid ne može biti u tečnom stanju pri pritisku ispod 5,1 atm. Pri pritisku od 1 atm (približno "normalan" pritisak na nivou mora), gas prelazi direktno u čvrsto stanje na temperaturi ispod -78,5°C, a iznad te temperature CO2 u čvrstom stanju sublimira direktno u gas. U čvrstom stanju, ugljen dioksid se često naziva suvim ledom.

Ovo rashladno sredstvo dobiva sve više primena, prvenstveno u komercijalnom i industrijskom hlađenju te takođe u nekim sistemima klimatizacije i toplotnih pumpi. Mnogo je urađeno na njegovoj upotrebi za klimatizaciju vozila. Visoka latentna toplota i koeficijent prenosa toplote u kombinaciji sa visokim pritiskom i gustinom u radnim uslovima rezultiraju mogućnošću proizvodnje velikih količina hlađenja sa kompresorima veoma male zapremine i cevovodima malog prečnika. Njegov glavni nedostatak je niska kritična temperatura. Efikasnost ciklusa kompresije pare postaje veoma loša ako se temperatura kondenzacije približi kritičnoj temperaturi.

Primjenjuje se u niskom stupnju kaskadnih sistema koji koriste ciklus kompresije pare, u transkritičnim ciklusima i kao booster stepen dvostepenih ciklusa. Transkritični ciklus je posebno efikasan tamo gdje zahtev za grejanjem zahteva da se voda zagrije u velikom temperaturnom rasponu, kao što je slučaj kada se topla voda za grejanje proizvodi iz hladnog okruženja. U ovim slučajevima, protuprotočni hladnjak gasa je dobro rešenje.

Transkritični ciklus R744 ima mogućnost da se vrati na konvencionalni ciklus kompresije pare u niskim ambijentalnim uslovima. Dobra prosečna sezonska efikasnost može se postići na lokacijama gde se toplota može izbaciti na temperaturama znatno ispod 30°C veći dio godine. Rad u transkritičnom režimu je neophodan samo u uslovima visoke temperature okoline.

Visoki pritisci i visoki diferencijalni pritisci omogućuju korištenje cevi malog promera.

Temperature kondenzacije se mogu sniziti pod niskim ambijentalnim uslovima i još uvijek postoji adekvatna razlika pritisaka za pogon rashladnog sredstva. Upotreba ekonomajzera može značajno poboljšati performanse podkritičnog ciklusa.

Izobutan (R600a)

Izobutan (R600a) je gas bez boje i mirisa sa hemijskom formulom CH(CH3)3 ili C4H10.

U poređenju sa rashladnim fluidima R12 i R134a, izobutan isparava i kondenzuje se na nižim pritiscima (na istim temperaturnim vrednostima)

Dugo vremena, rashladno sredstvo R600a (izobutan) nije bilo posebno potrebno, a njegova proizvodnja je bila izuzetno ograničena. Danas, ovo hemijsko jedinjenje postaje jedno od najpopularnijih rashladnih sredstava. To je prvenstveno posledica značajnih promena u tehnologiji od njegove početne upotrebe, koje su pomogle u smanjenju i doze punjenja (i, posledično, prihvatljivih granica koncentracije) i poboljšanju tehničkih karakteristika kućnih rashladnih aparata, posebno potrošnje energije. Poređenja radi, savremeni frižider od 130 litara koristi ne više od 25 grama rashladnog sredstva R600a, dok je početkom prošlog veka frižider iste zapremine koristio 250 grama izobutana. U tom smislu, R600a nudi značajan potencijal u poređenju sa svim trenutno poznatim rashladnim sredstvima (prvenstveno iz ekonomskih razloga).

Bilo koja rafinerija nafte može da proizvede izobutan u potrebnim količinama. Međutim, pored značajnih prednosti, R600a ima značajan nedostatak: opasnost od eksplozije, što nameće određena ograničenja pri radu sa njim. 

Od 2005. godine, približno 10% rashladnih postrojenja širom sveta i preko 35% u Evropi koristilo je R600a.

Svi vodiči za rukovanje izobutanom postavljaju ograničenja u pogledu dozvole osobama koje nisu obučene za pravilno rukovanje rashladnim sredstvom R600a da popravljaju frižidere (zbog opasnosti od požara).

Karakteristika sistema koji koriste rashladno sredstvo R600a kao radni fluid jeste da se, zbog izuzetno povoljnih svojstava ovog prirodnog rashladnog sredstva, ne oslanjaju na postojeće modele, već razvijaju potpuno nove proizvode. Karakteristike i svojstva ranije korišćenih freona značajno se razlikuju od karakteristika njihove moderne alternative, izobutana.

Hajde da ispitamo prednosti i mane ovog novog rashladnog sredstva u poređenju sa tradicionalnim freonima.

Glavne prednosti izobutana koji se koristi kao rashladno sredstvo

Ekološke prednosti R600a

- Ne sadrži sintetičke komponente;

- Smanjena buka hlađenja;

- Ne oštećuje ozonski omotač (ODP = 0);

- Nizak potencijal emitovanja efekta staklene bašte (GWP = 0,001).

Termodinamičke prednosti R600a

- Ima veći koeficijent performansi (npr. od R12), što smanjuje potrošnju energije rashladnog sredstva;

- Ugljovodonici (izobutan i smeše propana i butana) mogu se koristiti u postojećim dizajnima kompresora.

Operativne prednosti R600a

- Relativno stabilan gas (procenjeni vek trajanja u rashladnim sistemima je preko 20 godina);

- je čista (jednostavna) supstanca;

- je visoko rastvorljiv u mineralnom ulju;

- Može se koristiti u mešanim rashladnim fluidima (C1 = R152 + R600a; R290 / R600a; M1LE = R22 / R142b / R600; R218/R600a). Ovo omogućava da mešavina rashladnog sredstva postigne parametre slične onima kod prethodno korišćenog R12, na primer. Zauzvrat, ova zamena pojednostavljuje proces rekonstrukcije sistema;

* Rekonstrukcija (retrofit) je konverzija postojeće opreme za rad sa rashladnim fluidima koji ne utiču na ozonski omotač.

- Prirodni ugljovodonici, kao rashladna sredstva, nisu bili široko korišćeni u kuhinjskim aparatima zbog povećane opasnosti od požara. Moderni dizajni su rešili ovaj problem smanjenjem količine punjenja na zapremine koje su praktično otporne na vatru. Količina punjenja u kućnim frižiderima i zamrzivačima je toliko mala da bi čak i u slučaju iznenadnog i potpunog curenja rashladnog sredstva, njegova koncentracija u kuhinji od 20 m³ bila desetine puta niža od praga zapaljivosti.

Ekonomske prednosti R600a

- Masa rashladnog sredstva koje cirkuliše u rashladnoj jedinici je znatno manja kada se koristi izobutan;

- Postoje postrojenja koja proizvode komercijalne količine izobutana;

- Najefikasniji frižideri sa klasama energetske efikasnosti A+ i A++ koriste R600a.

Ekološki nedostaci R600a

Nema.

Termodinamički nedostaci R600a

- Niska rastvorljivost u vodi (0,03 g/l na 20°C);

- Hemijski ne reaguje sa vodom;

- Nizak specifični zapreminski kapacitet hlađenja (polovina onog kod R12).

Operativni nedostaci R600a

- Praktično je nemoguće nadograditi postojeću opremu bez značajnih promena u dizajnu rashladne jedinice i električne opreme rashladnog postrojenja;

- Gas je bezbojan i bez mirisa, što ga čini teškim za detekciju.

- Pošto je izobutan teži od vazduha, može izazvati gušenje ako se akumulira u zatvorenom prostoru.

- Pošto je eksplozivno, samo servisni centri specijalno obučeni za rukovanje R600a mogu da pune ovo rashladno sredstvo. Ovo svojstvo ograničava popravku takvih uređaja van specijalizovanih radionica.

Ekonomski nedostaci rashladnog sredstva R600a

- Potreba za korišćenjem potpuno nove skupe opreme za rad i održavanje;

- Potreba za razvojem rešenja koja uzimaju u obzir opasnost od požara rashladnog sredstva.

Fizička svojstva izobutana

Molekulska težina 58,12

Tačka ključanja na 0,1 MPa, -11,70 °C 

Gustina na 25°C, 0,551 g/cm3 

Pritisak isparavanja na 25°C, 0,498 MPa 

Kritična temperatura, 135 °C 

Kritični pritisak, 3,65 MPa 

Kritična gustina,  0,221 g/cm3

Latentna toplota isparavanja, 366,5 kJ/kg 

Granice eksplozivnosti, % (zapreminski udeo u smeši sa vazduhom) 1,8...8,5

Efikasnost hlađenja, (smeša sa vazduhom) 150,7 J/g 

Rastvorivost u ulju neograničena

Zapremina zasićene tečnosti,  0,844 L/kg