A múlt, a jelen és a jövő hűtőközegei

A globális felmelegedés és az ózonréteg gyengülése mára minden iparágat érintő téma, amely alól a hűtéstechnika sem lehet kivétel. A környezetvédelem és a hűtéstechnika kapcsolatát illetően elsősorban az ózonréteget lebontó hűtőközeg-kibocsátást kell megemlítenünk, mivel egy átlagos szupermarketben a levegőbe kerülve üvegházhatást okozó hűtőközeg évi 14%-a elszivárog.

A globális felmelegedésben pedig komoly szerepe van mind a közvetlenül kibocsátott hűtőközegeknek, mind az energiatermelés során keletkezett, üvegházhatást okozó gázoknak. Ennek elkerülése vagy legalábbis enyhítésének érdekében manapság egyre nagyobb jelentőséggel bír a hűtőközegek környezettudatos megválasztása, valamint az energetikailag optimalizált hűtő-körfolyamatok alkalmazása.

R404A
A párolgáshőket az adott közeg logp-h diagramjáról könnyedén leolvashatjuk

A hagyományos, CFC (klórozott-fluorozott szénhidrogén/freon) hűtőközegek nem feleltek meg a társadalom és a környezetvédelem alkotta elvárásoknak, így idővel azok alkalmazását nemzetközi megállapodások alapján jogszabályok útján is korlátozták, melyeket Magyarország is követett: 22/1993. KTM rendelet és módosításai, közöttük a 27/2001. (XII. 19.) KöM rendelet. Ezek szerint az R12, R11 (CFC-k) hűtőközegek forgalomba hozatala, az R22 új berendezésekben történő alkalmazása, illetve 2015-től bármiféle használata tilos. Ezen jogszabályok és a gyors váltás kényszere vezetett az ún. drop-in, rövidtávú megoldást jelentő hűtőközegekhez. Mivel a tiltott hűtőközegek utántöltése is tilos, ezért az azokkal működő berendezésekkel kompatibilis, ám a környezetvédelmi feltételeknek is megfelelő hűtőközegek gyártása vált szükségessé. A CFC hűtőközegeket váltották a HCFC (halogénezett klórozott-fluorozott szénhidrogén) hűtőközegek, ám ezek környezetre gyakorolt hatása sem elégíti a hűtőközegekkel kapcsolatos elvárásokat, melyek a következők:

  • kémiailag legyen inaktív,
  • ne legyen éghető,
  • ne legyen mérgező,
  • termodinamikai tulajdonságai
  • legyenek kedvezők.

Ezen követelményeken túl fontos megemlíteni két mérőszámot, melyek a környezetre gyakorolt hatások közül a két legjelentősebbre és talán legfontosabbra adnak tájékoztatást. Az ODP (Ozone Depletion) a hűtőközeg ózonlebontó képességére, a GWP (Global Warming Potential) a globális felmelegedésre gyakorolt hatás mértékére utal. Előbbi két mérőszámnál is sokatmondóbb az ún. TEWI = Total Equivalent Warming Impact (Teljes Egyenértékű Felmelegítő Hatás) = közvetlen egyenérték (szivárgásos vegyi kibocsátás) + közvetett (energiahasználati). Tehát a TEWI-érték magában foglalja az energetikai jellemzők befolyásolta energiafelhasználás során keletkező káros anyagot és a közvetlenül kibocsátott, elszivárgott hűtőközeget is. Ennek számítása igen bonyolult, mivel az sem mindegy, hogy a hűtéstechnikai rendszer milyen módon előállított energiából táplálkozik. A megújuló energiaforrásokat előnyben részesítő országokban a TEWI-érték alacsonyabb, mivel ugyanaz a rendszer például szélerőművi villamos energiát felhasználva kevesebb károsanyag-kibocsátást okoz, mint egy hagyományos hőerőműben termelt villamos energiát felhasználó rendszer.

Telítési nyomás(kPa)

Visszatérve a drop-in hűtőközegekhez: mivel a tiltott hűtőközegek utántöltése is tilos, ezért az azokkal működő berendezésekkel kompatibilis, ám a környezetvédelmi feltételeknek is megfelelő hűtőközegek gyártása vált szükségessé. Ilyenek az R403B, R408A, R413A, R417A és még sok egyéb hűtőközeg. Ezek a hűtőközegek azonban csak rövidtávú megoldást jelentenek, új rendszerek telepítéséhez szükséges közeg, mely minden szempontból megfelel az elvárásoknak, nincs közöttük. Folytatva tehát a gondolatmenetet, keverék hűtőközegek, azaz ún. blendek megalkotására volt szükség, melyek számos előnnyel rendelkeznek, mivel az egyes alkotók kedvező tulajdonságainak ötvözésére is képesek, ám nem mind közülük egyanyagúként, azaz azeotrop közegként viselkedő. A többanyagúként viselkedőkre, azaz zeotrop hűtőközegekre jellemző, hogy elpárolgási és kondenzációs hőmérsékletük a megszokottól eltérően nem állandó, ami üzemeltetési nehézségeket okozhat. Ezt a hőmérsékletcsúszást nevezzük glide-nak. Ennek jelentősége az összetevők párolgás során történő különválásából is ered, mivel ez szivárgás esetén a hűtőközeg összetételének megváltozásához, valamint az expanziós szelepek hibás működésével és a túlhevülés csökkenésével folyadékütéshez, meghibásodáshoz vezethet. Továbbá ez a tulajdonság a feltöltést, újratöltést is megnehezíti, mivel emiatt az csak folyadékállapotban történhet. Ezen keverékek között a legelterjedtebbek napjainkban az R404a, R410a és az R134a, melyek hőmérsékleti csúszása elhanyagolhatóan csekély, a közegek azeotropnak tekinthetők. ODP-jük 0, és GWP-jük sem túl magas a többi hűtőközeghez képest, tehát a környezetvédelmi előírásoknak megfelelnek – bár nem tökéletesek.

Az R410A gyengéje, hogy viszonylag hamar (kb. 43-45 °C-nál) magas nyomást (kb. 23-25 bart) ér el, amely a hűtéstechnikai rendszerek gépegységeinek elviselt nyomását sok esetben meghaladja, így tehát a közeg alkalmazása fokozott szilárdsági követelményeket támaszt. Az R404a és az R134a a legelterjedtebb és talán a legoptimálisabb tulajdonságokkal is rendelkezők a HFC hűtőközegek között, de a növekvő környezetvédelmi és energetikai elvárások még jobb, optimálisabb hűtőközeg és hűtéstechnikai rendszer használatára ösztönöznek. Fontos tulajdonság a már említetteken túl a hűtőközegek volumetrikus hőfelvétele és elpárolgási entalpia-különbsége/párolgáshője, mely a hűtéstechnikai rendszer gazdasági oldalát is nagyban befolyásoló gépegység, a kompresszor méretével és fajlagos teljesítményfelvételével fordítottan arányos. Minél nagyobb tehát a közeg volumetrikus hőfelvétele, annál kisebb kompresszor elég adott hűtőteljesítmény eléréséhez.

Telítési nyomás(kPa)

Alternatív hűtőközegek

Mivel ezek között a hűtőközegek között sincs olyan, amely tökéletesen megfelelne az energetikai, környezetvédelmi és biztonságtechnikai elvárásoknak, új, alternatív hűtőközegek alkalmazása került előtérbe, ám ezeknek is megvan a maga hátránya. A tiszta szénhidrogének, mint az R290 (propán), termodinamikai és kémiai szempontból kiváló hűtőközegek, de mivel éghetők, alkalmazásuk a kisebb hűtőteljesítményű rendszerekre korlátozódik. Az ammónia (R717) hűtőközegként történő alkalmazása is elterjedni látszik kiváló termodinamikai tulajdonságai miatt, azonban felhasználhatósága erős mérgező hatása miatt a kisebb közvetlen és a közvetett elpárologtatású rendszerekre korlátozódik.


A szén-dioxid (CO2)

Érdemes megemlíteni, hogy a CO2 mint hűtőközeg nem új felfedezés: az első szabadalom 1850-ben született, és néhány évtizedig ezután használták is, főképp hajókon. Alacsony kritikus hőmérséklete mindazonáltal korlátozta a CO2 alkalmazhatóságát, és a halogénezett szénhidrogének hamar kiszorították a hűtőközegek közül. Napjainkban azonban ismét elterjedni látszik, mivel a korszerű, több hűtőközeget alkalmazó hűtéstechnikai rendszerekben az alsó fokozatban kiváló hűtőközegnek bizonyul a szén-dioxid. Ezt a rendszert kaszkád rendszernek nevezik, melyben az alsó fokozat kondenzátora egyben a felső fokozat elpárologtatója, és mivel a felületi hőcserélőben a közegek csak közvetett kapcsolatban vannak, mindkét fokozatban a legkedvezőbb hűtőközeg alkalmazható. A szén-dioxid színtelen, szagtalan gáz, a levegőnél nehezebb, ezért szivárgás, ömlés esetén a helyiségek alsó részében gyűlik össze. Kritikus hőmérséklete 31 °C, igen alacsony, ennél magasabb hőmérsékleten nem cseppfolyósítható. A kritikus hőmérsékletnél nyomása 73 bar, igen nagy. A környezet kímélésén kívül a CO2 mellett szól az is, hogy nem mérgező, nem gyúlékony és nem agresszív, nem támadja meg a szerkezeti anyagokat. Ugyanakkora hőelvonáshoz szén-dioxid hűtőközeg esetén jóval kisebb tömegáramra van szükség. Ez lehetővé teszi például a csővezetékek méretének csökkentését, ami szintén költségcsökkentő tényező. Végezetül a szén- dioxid, mint hűtőközeg is olcsóbb.

Telítési nyomás(kPa)

Kedvező felhasználási tartomány

A szén-dioxid atmoszférikus nyomáson gáznemű. A hármaspontja (5,18 bar és -56,6 °C) felett, ha a hőmérséklet alacsonyabb, mint -56,6 °C, akkor szilárd (száraz jég), ha magasabb, akkor folyékony. A kritikus pontja (73,8 bar és +31,1 °C) felett ún. szuperkritikus állapotban van. Fagyos tárolásra – egyes hűtőjárművekben – a szárazjeget már régóta használják, ami légköri nyomáson és -78,51 °C felett szilárd állapotból gáz állapotba kerül, azaz szublimál. A CO2 hűtőgép körfolyamata lehet szubkritikus vagy transzkritikus, azaz a kritikus pont alatti vagy feletti. Utóbbi esetben a kompresszió utáni folyamat a szuperkritikus tartományban, magas nyomáson (pl. 140 bar) történik. Elsősorban járművekben és a kereskedelmi hűtésben használják. A szén-dioxid alkalmazása esetén azonban speciális kivitelű gépeket kell alkalmazni a nagyobb nyomás elviselésére. Ez a különbség a szén-dioxid nyomás-hőmérséklet diagramjában is szemléltethető tulajdonságaiból ered (1. ábra). A szén-dioxid magas nyomása és alacsony kritikus hőmérséklete miatt a szén-dioxidot alkalmazó hűtéstechnikai rendszerek speciális tervezést igényelnek. A szén-dioxid zöld tulajdonságait a 2. ábra összehasonlítása egy autó károsanyag-kibocsátásának példáján keresztül mutatja be. Az adatok óriási eltéréseket mutatnak a szén-dioxid javára, és termodinamikai előnyeire csak a következőkben térünk ki. A párolgáshőket összehasonlítva (-10 °C-on, állandó nyomáson történő elpárolgást feltételezve), bár a szén-dioxid esetén ez jóval magasabb nyomáson történik, az 1. táblázat eredményeit kapjuk (a számításkor nem vettük figyelembe a kondenzátorban történő utóhűtést, az elpárologtatóban történő túlhevülést és a nyomáseséseket). Látható, hogy a CO2 párolgáshője nagyobb a másik két hűtőközegénél, amit kedvező termodinamikai tulajdonságai csak súlyosbítanak. A párolgáshőket az adott közeg logp-h diagramjáról könynyedén leolvashatjuk (3. ábra). A szén-dioxid volumetrikus hőfelvétele jóval magasabb az elterjedt R134A és R404A hűtőközegékénél, mivel párolgáshőjén túl hőátviteli tulajdonságai is kedvezőbbek, amit a 4. ábra mutat be. A diagramból kiderül, hogy amint azt korábban is említettük, az alacsony hőmérsékleti osztályban (mélyhűtésre) kedvezőbben használható fel a szén-dioxid, ezért alkalmazzák a kaszkád rendszer alsó fokozatában.


ÖSSZEFOGLALÁS

Megállapítható, hogy a szén-dioxid termodinamikai, energetikai és környezetvédelmi szempontból is kiváló választás, különösképpen egy kaszkád rendszer alsó fokozatában való alkalmazásra. Azonban hazánkban ennek állami támogatása még nem alakult ki, így gazdaságilag mérlegelni kell, és adott rendszertől függően változik, hogy megéri-e a szén-dioxidos hűtéstechnikai rendszer alkalmazása. Addig is, amíg ez nem változik, a blendek közül az R404A és az R410A, biztonságossága miatt az R134A , valamint kisebb rendszerekben az alternatív közegek közül az R290 (propán) és az R717 (ammónia) alkalmazása jó választás lehet.


Forrás: hklszaklap