Инж. Светослав Влашки: Хидрофлуороолефините (HFO) – дългосрочна алтернатива или ненужен синтетичен заместител?

Хидрофлуороолефините (HFO) – дългосрочна алтернатива или поредният ненужен синтетичен заместител? Отговор на този въпрос даваме днес с помощта на ас. инж. Светослав Влашки (ТУ-София). „Необходим е обективен анализ на база конкретни показатели и критерии, за да избегнем още едно потенциално псевдодългосрочно решение, което може да бъде наложено на гърба на крайния потребител“, заяви той.

R134a навлезе широко, първоначално в битови и малки търговски хладилни уреди като заместител на забранения от Протокола от Монреал R12. Впоследствие, поради относително високата си критична температура и по-ниските температури на нагнетяване, R134a намери приложение в термопомпи за загряване на вода за битови нужди с малка мощност, термопомпи за оползотворяване на отпадна топлина и каскадни системи (в горното стъпало).

Основният недостатък на R134a от екологична гледна точка е неговият потенциал за глобално затопляне (ПГЗ), който макар и да може да се определи като средно висок спрямо останалите конвенционални хладилни агенти, е над 1300. Ето защо е необходима дългосрочна алтернатива.

Таблицата отдолу представя някои от основните свойства и характеристики на R134a, на неговите най-разпространени синтетични алтернативи, както и на най-често използваните в термопомпените системи естествени хладилни агенти.

* Налягането в тройната точка на въглеродния диоксид е 5,18 bara;

** Свойствата в таблицата са дадени при температура на насищане 0 °C (Източник – NIST REFPROP 10);

NBP – температура на насищане при стандартно атмосферно налягане;

x – паросъдържание (x = 0 – наситена течност / x = 1 – наситени пари);

tc – критична температура;

p – налягане на насищане;

ρ – плътност;

Cp – специфичен топлинен капацитет при постоянно налягане;

Cp/Cv – отношение на специфичния топлинен капацитет при постоянно налягане към този при постоянен обем (изоентропна експонента);

r – латентна топлина на фазов преход;

qv – специфична обемна студопроизводителност;

κ – коефициент на топлопроводност;

ν – кинематичен вискозитет;

σ – повърхностно напрежение;

GWP – потенциал за глобално затопляне.

Какво представляват хидрофлуороолефините (HFO) и кои съединения включват?

Хидрофлуороолефините са ненаситени хидрофлуоровъглеводороди с двойна молекулна връзка между два от въглеродните атоми. Именно тази двойна връзка е отличителната им черта, която обуславя краткия им атмосферен живот и съответно ниския им ПГЗ. Фигурата отдолу показва сравнение между структурните формули на R134a и R1234ze(E).

Някои от основните HFO-хладилни агенти са R1224yd(Z), R1234yf, R1233zd(E), R1234ze(E), R1234ze(Z) и R1336mzz(Z).

Най-разпространени са R1234yf и R1234ze(E). Първият навлезе като масов заместител на R134a в автомобилните климатични системи, които са значителен източник на директни емисии. Вторият се използва във водоохлаждащи агрегати.

Изброените по-горе хладилни агенти влизат заедно с R134a, R32 и R152a в смеси като R450A, R456A, R513A, R516A и други.

На пазара се появяват и нови смеси като R515B (91.1% R1234ze + 8.9% R227ea), който е незапалим (група на безопасност A1) с ПГЗ приблизително 300 и без температурен глайд (азеотропна смес). Той е предназначен да замени R134a в среднотемпературни хладилни и термопомпени системи и водоохлаждащи агрегати.

Какви са основните термодинамични и преносни свойства на HFO?

Фигурата отдолу показва графика с наляганията на насищане като функция от температурата на R134a и на неговите най-разпространени синтетични алтернативи.

Трябва да се отбележи, че с изключение на R1234yf и R1234ze(E) останалите хладилни агенти от групата имат значително по-ниско налягане на насищане от R134a. Тяхната нормална температура на насищане е над 5 °C, което прави самостоятелното им приложение в диапазона от средни температури на изпарение невъзможно.

Високият специфичен обем, свързан с ниското налягане на насищане, и съизмеримата с тази на R134a латентна топлина на фазов преход означават много малка специфична обемна студопроизводителност. Това налага използване на компресори с голям геометричен обемен дебит.

Останалите термодинамични и преносни свойства са близки до тези на R134a.

Изброените факти показват, че тези съединения са най-вече кандидати за компоненти в смеси с нисък ПГЗ.

Екологични ли са HFO?

Когато анализираме екологическото въздействие на даден хладилен агент е важно да не забравяме, че определящ е делът на индиректните емисии, които са резултат от генерирането на потребяваното от системата електричество. В този смисъл HFO-хладилните агенти демонстрират сходни енергийни характеристики с тези на R134a. Поради своя близък до нула ПГЗ обаче, HFO имат значително по-малко въздействие по отношение на дела на директните емисии.

Трябва да се има предвид и факта, че това са синтетични съединения, чието производство само по себе си оказва въздействие върху околната среда, което следва да бъде отчетено и оценено.

Безопасни ли са HFO?

Хидрофлуороолефините, които намират самостоятелно приложение в практиката са класифицирани с група на безопасност A2L – слабо запалими. Тези съединения се възпламеняват при относително висока околна температура (над 30 °C за R1234ze), имат малка специфична топлина на горене (около пет пъти по-ниска от тази на пропана) и ниска скорост на горене. Въпреки това изследванията показват, че при определени условия наличието им създава предпоставка за възникване и може да бъде ключов фактор при развитието на пожар.

Важен въпрос, отнасящ се до безопасността, е фактът, че при наличие на вода хидрофлуороолефините образуват трифлуороцетна (TFA), флуороводородна (HF) и други киселини, които представляват опасност за здравето на човека и за околната среда.

Какви са приложенията на HFO в термопомпените системи?

Въпреки че са налице научни изследвания, отнасящи се до приложение на хладилни агенти като R1336mzz(Z) и R1233zd(E) във високотемпературни термопомпи, поради технологични, икономически и други фактори HFO-хладилните агенти понастоящем не са навлезли в сектора на термопомпените системи на мястото на R134a. Следващите две изображения показват съвременни водоохлаждащи агрегати, работещи с R1234ze(E).

Каква е перспективата?

Въпреки обещаващите им екологически свойства, поради посредствените им термодинамични и преносни свойства и въпросите, свързани с безопасността, хидрофлуороолефините не могат да бъдат единодушно разпознати като абсолютни дългосрочни заместители на R134a.

Ето защо от изключителна важност е продължаването на работата в посока на намиране на надеждни дългосрочни алтернативи и налагане на вече наличните такива.

Текста състави инж. Светослва Влашки от Технически университет – София.

Източник на снимковия материал: личен архив инж. Влашки, Star Refrigeration