Naturligt köldmedium

Naturliga köldmedier är ämnen som fungerar som köldmedier i kylsystem (inklusive kylskåp , HVAC och luftkonditionering ). De är alternativ till syntetiska köldmedier som klorfluorkolväten (CFC), klorfluorkolväten (HCFC) och fluorkolväten (HFC) baserade köldmedier. Till skillnad från andra köldmedier är naturliga köldmedier icke-syntetiska och kan hittas i naturen. De mest framträdande av dessa inkluderar olika naturliga kolväten, koldioxid, ammoniak och vatten. Naturliga köldmedier föredras framför sina syntetiska motsvarigheter för deras högre hållbarhetsgrad . Med den nuvarande tillgängliga tekniken har nästan 75 procent av kyl- och luftkonditioneringssektorn potential att konverteras till naturliga köldmedier.

Bakgrund

CFC i atmosfären över tid i delar per biljon

Syntetiska köldmedier har använts i kylsystem sedan skapandet av CFC och HCFC 1929. När dessa köldmedier läcker ut ur systemen och in i atmosfären kan de ha negativa resultat på ozonskiktet och den globala uppvärmningen. CFC-köldmedier innehåller kol, fluor och klor och blir en betydande källa till oorganiskt klor i stratosfären efter deras fotolytiska nedbrytning av UV-strålning . Frigjort klor blir också aktivt för att förstöra ozonskiktet. HCFC har kortare livslängder i atmosfären än CFC på grund av deras tillsats av väte, men har fortfarande negativa effekter på miljön från deras klorelement. HFC innehåller inte klor och har kort livslängd i atmosfären, men absorberar ändå infraröd strålning för att bidra till växthuseffekten från deras fluorelement.

1987 erkände Montrealprotokollet för första gången dessa faror och förbjöd användningen av CFC senast 2010. En ändring från 1990 inkluderade överenskommelser om att fasa ut användningen av HCFC till 2020 med produktion och import elimineras 2030. HFC-köldmedier, som har en försumbar effekt på ozonskiktet, sågs som livskraftiga ersättningar, men även dessa har stor inverkan på den globala uppvärmningen. Kigali -tillägget från 2016 kräver att dessa HFC ska minskas med 80 % under de kommande 30 åren. Naturliga köldmedier är ett av de potentiella alternativen för att ersätta HFC och ökar i användning och popularitet som ett resultat. Den naturliga köldmedieindustrin förväntas ha en sammansatt årlig tillväxttakt på 8,5 % under de kommande fyra åren och förväntas bli en industri på 2,88 miljarder USD 2027.

Hållbarhetsmått

Köldmedier utvärderas vanligtvis på både deras globala uppvärmningspotential (GWP) och ozonnedbrytningspotential (ODP) . GWP-skalan är standardiserad till koldioxid, där köldmediets värde är multipeln av värmen som skulle absorberas av samma massa koldioxid under en tidsperiod. Detta mäts generellt över en 100-årsperiod. ODP mäter den relativa påverkan av ett köldmedium på ozonskiktet, standardiserat till R-11, som har ett värde på 1.

GWP och ODP varierar mycket mellan de olika köldmedierna. CFC är i allmänhet den största effekten, med en hög GWP och ODP. HCFC har liknande GWP-värden och medelstora ODP-värden. HFC har återigen liknande GWP-värden men ett ODP-värde noll. Naturliga köldmedier har låga till noll GWP-värden och noll ODP-värden. Naturliga köldmedier får därför ett ökat intresse för att ersätta HFC och erbjuda ett mer hållbart alternativ för kylning.

ODP och GWP för utvalda syntetiska och naturliga köldmedier
Klassificering Kylmedel Ozonutarmningspotential Global uppvärmningspotential
CFC R-12 1 10 900
R-502 0,33 4,657
HCFC R-22 0,055 1 810
R-123 0,06 77
HFC R-23 0 14 800
R-32 0 675
Naturlig R-170 (etan) 0 6
R-744 (koldioxid) 0 1
R-717 (ammoniak) 0 0
R-718 (vatten) 0 0

Köldmedier

Kolväten som köldmedier

Rena väteföreningar ses måttlig användning i kylning. Kolväten är ett gångbart alternativ som köldmedier eftersom de förutom att ge kylande egenskaper också är rikliga och energieffektiva. De är klassade för att vara upp till 50 % mer energieffektiva än syntetiska köldmedier. Kolväten är också miljövänliga, eftersom de finns i naturen och rankas lågt på skalan för global uppvärmningspotential (GWP). Historiskt sett har kolväten främst använts som köldmedium för industriell kylning och kylning, men med den nuvarande övergången till naturliga köldmedier börjar de se en ökad användning inom andra kylområden. De är det gynnade köldmediet i många europeiska länder.

Kolväten som används som köldmedier inkluderar:

Brandfarlighet

Den största nackdelen med att använda kolväten som köldmedier är att de är extremt brandfarliga vid högre tryck. Tidigare mildrades denna risk genom att omvandla kolväten till CFC, HCFC och HFC, men med det ökande undvikandet av sådana ämnen måste problemet med brandfarlighet åtgärdas. Kylsystem fungerar genom att trycksätta köldmediet till en punkt där det börjar visa köldmedieegenskaper, men med risk för att kolväten trycksätts krävs en högre grad av försiktighet för det inre trycket. För att kolväten ska förbrännas måste det först släppas ut kolväten som blandas med rätt andel luft och sedan måste en antändningskälla finnas. Brandfarlighetsintervallet för kolväten ligger mellan 1 och 10 %, och en antändningskälla måste ha en energi som är större än 0,25 J eller en temperatur över 440 °C.

Aktuella säkerhetsåtgärder för användningen av kolväten beskrivs av Environmental Protection Agency (EPA) . EPA:s riktlinjer för användning av kolväten som köldmedium inkluderar att specifikt ange tryckintervall för kolvätekylmedelssystem, säkerställa avlägsnande av potentiellt brandstartande komponenter från kolvätekylmedelssystem såsom elektriska komponenter som är benägna att gnista, och att sätta standarder för konstruktionen av systemen för att säkerställa en högre säkerhetsnivå. Att installera ventilation så att koncentrationen i luften skulle vara lägre än antändningsgränsen och att minska den maximala laddningsstorleken för köldmediet är andra hållbara säkerhetsåtgärder. Teknologiska framsteg för att minska den totala mängden köldmediefyllning har nyligen erhållits med användning av minikanalvärmeväxlare av aluminium.

Tillämpningar och användningsområden

Marknaderna för kolväteköldmedier har ökat som ett resultat av ökad oro för miljöeffekter av typiska syntetiska köldmedier. Enligt ASHRAE inkluderar tillgänglig utrustning som använder kolvätekylmedium följande:

  • System med små laddningar som hushållskylskåp, frysar och bärbara luftkonditioneringsapparater
  • Fristående kommersiella kylsystem inklusive dryckes- och glassmaskiner
  • Centraliserade indirekta system för stormarknadskylning
  • Transportkylsystem för lastbilar
  • Kylare i intervallet 1 kW – 150 kW

Koldioxid som köldmedium (R-744)

Koldioxid har använts i stor utsträckning som köldmedium. Koldioxidens främsta fördel som köldmedium härrör från det faktum att det klassificeras som ett A1-köldmedium av EPA, vilket placerar det i den minst giftiga och farliga kategorin för köldmedier. Detta gör koldioxid till ett livskraftigt köldmedium för system som används i områden där ett läckage kan orsaka exponering. Koldioxid har stor användning i storskaliga kylsystem, ibland via ett kaskadkylsystem . Den används också sparsamt i bilkylning och ses som gynnsam för användning i hushålls-, kommersiella och industriella kyl- och luftkonditioneringssystem. Koldioxid är också både rikligt och billigt. Dessa faktorer har lett till att koldioxid har använts som köldmedium sedan 1850, då det patenterades för användning som köldmedium i Storbritannien. Koldioxidanvändningen vid den tiden var begränsad på grund av de höga tryck som krävdes för att köldmedieegenskaperna skulle visa sig, men dessa tryck kan lätt nås och upprätthållas med nuvarande trycksättningsteknik.

Den största oro över användningen av koldioxid i kylning är det ökade trycket som krävs för att koldioxid ska fungera som ett köldmedium. Koldioxid kräver högre tryck för att kunna kondensera i kylsystemet, vilket innebär att den måste trycksättas mer än de andra naturliga köldmedierna. Det kan kräva upp till 200 atmosfärer för att uppnå tillräckligt tryck för kondens. Köldmediesystem som använder koldioxid måste byggas för att klara högre tryck. Detta förhindrar att gamla kylvätskesystem kan eftermonteras för att använda koldioxid. Men om koldioxid används som en del av ett kaskadkylsystem kan det användas vid lägre tryck. Att använda koldioxid i kaskadkylsystem innebär också att de tidigare nämnda fördelarna med tillgänglighet och lågt pris är tillämpliga för ett kaskadsystem.

Det finns också fördelar med det ökade trycket som krävs. Ökade tryck ger högre gasdensiteter, vilket möjliggör att större kyleffekter kan uppnås. Detta gör den idealisk för att kyla täta laster som de som finns i serverrum. Det tillåter också att koldioxid fungerar bra under kalla (-30 till -50 °C) förhållanden, eftersom det finns mycket små sänkningar av mättnadstemperaturer för ett givet tryckfall. Tallrikfrysar och masfrysar har noterat förbättringar i effektivitet och frystid med koldioxid. Det finns också förslag på förbättrade termodynamiska cykler för att öka effektiviteten av koldioxid vid högre temperaturer. Utrustning med koldioxidköldmedium är inte heller nödvändigtvis tyngre, skrymmande eller farligare än liknande utrustning trots dess högre arbetstryck på grund av minskat köldmedievolymflöde.

När koldioxidtrycket höjs över dess kritiska punkt på 7,3773 MPa kan det inte likvideras. Värmeavvisning måste ske genom kylning av den täta gasen, vilket skapar en situation som är fördelaktig för vattenvärmevärmepumpar. Dessa är särskilt effektiva med en inkommande kallvattenförsörjning.

Ammoniak som köldmedium (R-717)

Ammoniak ( NH 3 ) som används som köldmedium är vattenfri ammoniak , som är minst 99,5 % ren ammoniak. Vatten och olja får inte överstiga 33 respektive 2 ppm. Ammoniakköldmediet förvaras i trycksatta behållare. När trycket släpps genomgår det snabb avdunstning vilket gör att temperaturen på vätskan sjunker tills den når sin kokpunkt på -28 °F, vilket gör den användbar i kylsystem.

Ammoniak har använts ofta i industriell kylning sedan den först användes i kompressionsprocessen 1872. Den används för sina gynnsamma termodynamiska egenskaper, effektivitet och lönsamhet. Ammoniak produceras i enorma mängder på grund av gödselindustrin, vilket gör det relativt billigt. Den har en GWP och ODP på ​​noll, vilket gör ammoniakläckage försumbara på klimatet. Ammoniak är också tolerant mot mineraloljor och låg känslighet för små mängder vatten i systemet. Förångningsvärmen för ammoniak är hög och flödeshastigheten låg, vilket kräver att andra tekniker används än andra köldmedier. Det låga flödet har historiskt sett begränsat ammoniak till system med större kapacitet.

Ett av de största problemen med ammoniakanvändning i kylning är dess toxicitet. Ammoniak är dödligt i vissa doser, men korrekta förberedelser och nödprotokoll kan mildra dessa risker ner till så lite som ett dödsfall per decennium, enligt EPA. Den ovanliga lukten av ammoniak är en anledning till det, vilket gör att människor kan upptäcka läckor vid så låga som 5 ppm, medan dess toxiska effekter börjar över 300 ppm. Exponering på upp till trettio minuter kan också hanteras utan bestående hälsoeffekter. Som ett resultat är mycket av faran med att använda ammoniak som köldmedium faktiskt bara en fråga om allmänhetens uppfattning. Huvudfokus för säkerhetsåtgärder är därför att undvika snabba ökningar av koncentrationen till en allmän paniknivå. Brandfarlighet är inte heller särskilt oroande, eftersom brandfarlighetsintervallet är 15-28 %, vilket skulle upptäckas långt i förväg. Det är klassificerat som 2L av ASHRAE för låg brandfarlighet.

Tillämpningar och användningsområden

Ammoniakbaserade kylmedelstillämpningar kan inkludera följande:

Ammoniak förväntas se ökad användning i HVAC&R -industrier när fler tjänstemän blir informerade om dess relativa säkerhet. Den används redan i stora värmepumpsinstallationer och livsmedelsbutiker, samt i projekt som den internationella rymdstationen . I likhet med koldioxid kan ammoniak även användas i kaskadkylsystem för att förbättra effektiviteten i kylprocessen. Det finns en ökande användning av kaskadkylsystem som innehåller både ammoniak och koldioxid. Absorptionskylare med en vatten/ammoniakblandning är också kostnadseffektiva i vissa applikationer som kombinerad kylning, värme och kraftsystem . Avancerad teknik gör också ammoniak till ett allt mer lönsamt alternativ för småskaliga system.

Vatten som köldmedium (R-718)

Vatten är ogiftigt, ej brandfarligt, har noll GWP och ODP-värde och har en låg kostnad. Tekniska utmaningar, såsom vattnets höga specifika volym vid låga temperaturer, höga tryckförhållanden som krävs över kompressorn och höga temperaturer vid kompressorns utlopp, finns som hinder för användningen av vatten och vattenånga som köldmedium. Dessutom kan vissa applikationer hitta problem med sedimentuppbyggnad och bakterieuppfödning, även om dessa problem kan minimeras med tekniker som att tillsätta kemikalier för att bekämpa bakterierna och mjuka upp vattnet som används.

Vatten används vanligtvis vid högre temperaturer i absorptionskylare av litiumbromid, men prestandakoefficienten ( COP ) i dessa applikationer är bara en femtedel av typiska elektriska centrifugalkylare. Ångkompressionskylningscykler är en sällsynt tillämpning men har potential att ge höga COPs på grund av vattnets termofysiska egenskaper. Utöver absorptionskylare kan vatten användas i torkmedelsavfuktning/avdunstningskyla, adsorptionskylare och kompressionskylare. Vatten har också föreslagits att användas i speciella roterande kompressorer, även om dimensionerna och priset på dessa system kan bli mycket stora.

I typiska värmepumpsystem kan vatten vara ett idealiskt köldmedium, med vissa applikationer som ger COPs som överstiger 20. Detta gör det till ett självklart val för industriella applikationer med temperaturer över 80 °C. Vatten har också visat sig vara lönsamt som köldmedium i bergvärmepumpar

Typisk Brayton-cykel

Luft som köldmedium

Luften är fri, giftfri och påverkar inte miljön negativt. Luft kan användas som köldmedium i kylsystem med luftcirkulation, som fungerar på den omvända Brayton- eller Joule -cykeln. Luften komprimeras och expanderas för att skapa värme- och kylkapacitet. Ursprungligen användes kolvexpanderar och kompressorer, vilket skapade dålig tillförlitlighet. Med uppfinningen av roterande kompressorer och expandrar har effektiviteten och tillförlitligheten för dessa cykler förbättrats, och tillsammans med nya kompakta värmeväxlare gör det möjligt för luft att konkurrera med mer konventionella köldmedier.

Ädelgaser som köldmedier

Ädelgaserna används sällan som köldmedier. Den primära användningen av ädelgaser som kylmedel är i experimentella system för flytande superkylmedel i laboratorier eller i supraledare . Detta gäller specifikt flytande helium , som har en kokpunkt på 4,2 K. De används aldrig för industriell eller hemkylning.

Andra naturliga köldmedier

Dessa naturliga köldmedier är ämnen som kan användas i kylsystem men som inte används eller används endast mycket sällan på grund av tillgången på föreningar som antingen är billigare eller är lättare att hantera och innehålla.

Syreföreningar

Kväveföreningar

Smörjmedel

I kylsystem används olja för att smörja delar i kompressorn för att säkerställa korrekt funktion. Vid typiska operationer kan en del av detta smörjmedel oavsiktligt passera in i en annan del av systemet. Detta påverkar kylmediets värmeöverföring och friktionsegenskaper negativt. För att undvika detta måste smörjoljan vara tillräckligt kompatibel och blandbar med köldmediet. CFC-system använder mineraloljor, men HFC-system är inte kompatibla och behöver förlita sig på ester- och polyalkylenglykolbaserade oljor, som är betydligt dyrare.

Kolväten har en teckenlöslighet med vanliga mineraloljor, så smörjmedel med mycket låg löslighet behövs. Polyalkylenglykol och polyalfaolefin används vanligtvis i dessa system för deras låga flytpunkt och ångtryck. Traditionella oljor kan inte användas för smörjmedel i koldioxidsystem eftersom de är mer lösningsmedel än de flesta HFC. Polyesterolja är speciellt utformad för att användas i koldioxidbaserade system och hjälper även till att skydda mot ökat lagerslitage och underhållskostnader som kan komma från ett resultat av de högre påfrestningarna och trycket på ett koldioxidsystem. Ammoniak kräver smörjmedel med låga driftstemperaturer och höga oxidationsmotstånd, flytbarhet och viskositet. Polyalfaolefin eller polyalfaolefin och alkylbensenblandningar används vanligtvis.

externa länkar

Se även

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Natural_refrigerant&oldid=1117668549 "