Ze względu na wymogi dotyczące ochrony środowiska producenci urządzeń chłodniczych i czynników chłodniczych zastępują stare czynniki emitujące gazy cieplarniane – HFC, HCFC i CFC, czyli hydrofluorowęglowodory, wodorochlorofluorowęglowodory i chlorofluorowęglowodory – nowymi, przyjaznymi dla środowiska, które nie przyczyniają się do powiększania dziury ozonowej i mają mniejszy wpływ na ocieplenie klimatu.
Przyjazne środowisku czynniki chłodnicze to w znakomitej większości występujące naturalnie substancje niesyntetyczne, które mogą być używane jako czynniki chłodnicze w urządzeniach chłodniczych i klimatyzatorach. Zawierają one węglowodory (takie jak propan, butan i cyklopentan) oraz dwutlenek węgla, amoniak, wodę i powietrze.
W ciągu ostatnich pięciu lat na całym świecie ograniczono stosowanie szkodliwych dla środowiska syntetycznych czynników chłodniczych. W Stanach Zjednoczonych zabronione jest już stosowanie czynnika R22 w urządzeniach klimatyzacyjnych, który szkodliwie wpływa na warstwę ozonową. Został on zastąpiony przez czynnik R410A. Mimo że R410A nie jest pochodzenia naturalnego, jego stosowanie jest ważnym krokiem w stronę zdrowszego i czystszego środowiska naturalnego.
Istnieją dwa podstawowe kryteria określające wpływ czynnika na środowisko naturalne:
→ potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ozone depletion potential – ODP)
→ potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (global warming potential – GWP).
Potencjał niszczenia warstwy ozonowej
Wskaźnik nazywany potencjałem niszczenia warstwy ozonowej (ODP) jest miarą szkodliwości substancji dla warstwy ozonowej. Promieniowanie UV pochodzące od Słońca powoduje uwolnienie chloru ze związków CFC i HCFC do atmosfery, które uszkadzają warstwę ozonową. W przeciwieństwie do wymienionych związków chemicznych czynniki chłodnicze pochodzenia naturalnego mają poziom ODP równy zeru, co oznacza, że w żaden sposób nie przyczyniają się do uszkodzenia warstwy ozonowej, jeśli np. nastąpi ich wyciek z systemu chłodniczego.
Potencjał tworzenia efektu cieplarnianego
Wartość potencjału tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) to względny wskaźnik określający ilość ciepła zatrzymywaną przez dany gaz cieplarniany w atmosferze. Im mniejsza wartość GWP, tym substancja jest bardziej przyjazna środowisku. GWP uwzględnia porównanie ilości ciepła zatrzymywanego przez określoną masę gazu do ilości ciepła zatrzymywanego przez dwutlenek węgla o tej samej masie. Dana wartość GWP jest obliczana dla określonego przedziału czasu, zwykle 20, 100 lub 500 lat.
Wiele stosowanych obecnie czynników chłodniczych charakteryzuje się wartością GWP na poziomie 1400–4000.
Na rys. przedstawiono wartości GWP dla poszczególnych czynników chłodniczych. Czynniki typu HFC, jak R404a R404A oraz R134a, mają bardzo wysokie wartości GWP – odpowiednio 3922 i 1430 – co oznacza, że są szkodliwe dla środowiska. Dla porównania propan (R290) – nowsza, naturalnie występująca wersja czynnika R404A – cechuje się niezwykle niskim współczynnikiem GWP, równym 3. Obecnie znaczna część przemysłu zaprzestała stosowania czynnika R404A, przechodząc na czynnik R134a, lecz dzięki przejściu na wykorzystanie czynnika R290 w przyszłości można uzyskać jeszcze lepsze efekty.
Czynniki chłodnicze przyjazne środowisku
Węglowodory (HC)
Wiele z naturalnych czynników chłodniczych nowej generacji zawiera węglowodory (HC) zamiast związków HFC – hydrofluorowęglowodorów.
Czynniki chłodnicze wykorzystujące węglowodory to np. propan (R290), izobutan (R600a) – zwykle używany w urządzeniach niewielkich rozmiarów – oraz R32, będący mieszaniną R290 i innego czynnika chłodniczego. Te naturalnie występujące substancje pracują w zakresie średnich wartości ciśnień roboczych od 10 do 50 barów.
Właściwości termodynamiczne czynnika R290 są lepsze niż właściwości starszych czynników typu HFC – R134a oraz R404A. Jego pojemność cieplna jest w przybliżeniu o 90% wyższa niż czynnika R134a i o 140% wyższa od czynnika R404A. Ta własność pozwala czynnikowi R290 pochłaniać więcej ciepła w krótszym czasie, co skutkuje wyższą sprawnością urządzenia, krótszym czasem osiągania określonej temperatury i mniejszym zużyciem energii.
Węglowodory (HC) mają niski wskaźnik GWP i są neutralne dla warstwy ozonowej. Niestety, mają także wady. Nowa generacja czynników zawierających węglowodory jest wysoce łatwopalna i wymaga stosowania bezpieczniejszych technologii, używanych do budowy chłodni, systemów chłodniczych i ich komponentów.
Dwutlenek węgla (CO2)
Wskaźnik GWP dla dwutlenku węgla wynosi 1, podczas gdy dla czynników typu HC wynosi 3. Jednakże dwutlenek węgla pracuje pod niemal dwukrotnie wyższym ciśnieniem roboczym niż czynniki typu HC w typowym systemie chłodniczym, co sprawia, że jest znacznie bardziej kłopotliwy w obsłudze.
Amoniak
Amoniak to kolejny naturalny czynnik chłodniczy, choć nie tak często stosowany, jak czynniki typu HC. Jego wartości współczynników GWP i ODP wynoszą zero, a sam amoniak szybko ulega rozpadowi. Problem stanowi jego kwasowy odczyn powodujący korozję. Z tego powodu wymagany jest odpowiedni dobór materiałów na komponenty do budowy systemu chłodniczego.
W celu nadążania za trendem budowania systemów przyjaznych środowisku czołowi producenci branży chłodniczej opracowali komponenty kompatybilne z najnowszymi rodzajami czynników chłodniczych, takich jak HC, CO2 i amoniak. Nowe produkty na rynku to m.in. różne czujniki i presostaty odpowiednie do wielu różnych zastosowań.
Parametry czynników chłodniczych przedstawiono w tabeli.
Testowanie i certyfikacja
Producenci urządzeń chłodniczych muszą wiedzieć, czy określony presostat został przetestowany w zakresie współpracy z danym czynnikiem chłodniczym. Na przykład, jeśli chcą zastosować czynnik R290, muszą wiedzieć, jaka jest maksymalna wartość prądu przepływającego przez presostat, która nie spowoduje zapłonu czynnika, oraz czy dana wartość spełnia wymagania ciśnienia i punkty załączania. Dla systemów pracujących z czynnikiem CO2 z wykorzystaniem dwukrotnie wyższego ciśnienia niż w przypadku systemów konwencjonalnych ważnym zjawiskiem jest maksymalne ciśnienie rozrywające (niszczące). Jakiego rodzaju ciśnienie może wytrzymać układ? Jak długo może niezawodnie działać w przypadku tak wysokiego ciśnienia?
Aby odpowiedzieć na te pytania oraz mieć pewność, że presostaty będą w stanie pracować z palnym czynnikiem chłodniczym, presostaty zaprojektowane do pracy z czynnikami typu HC mogą zostać poddane wielu wymagającym testom, wykonywanym przez instytucje zewnętrzne.
Podsumowanie
Oczywiste jest, że czynniki chłodnicze pochodzenia naturalnego są ważne dla przyszłości przemysłu. Gdy producenci systemów poszukują rozwiązań, producenci komponentów muszą rozwiązywać problemy techniczne związane z użyciem niesyntetycznych czynników w celu optymalizacji bezpieczeństwa i sprawności komponentów.
Najważniejsza w modernizacji jest wiedza na o tym, jaki sprzęt i jakiego rodzaju systemy należy zastosować, aby bezpiecznie zaimplementować nowe i bardziej wymagające technologicznie materiały.
William Bentley zajmuje stanowisko Engineering Director w firmie Sensata Technologies.