working fluids kuldemedier – refrigerants3 institutt for energi- og prosessteknikk...

1Institutt for energi- og prosessteknikk

ArbeidsmedierWorking Fluids

Kuldemedier – Refrigerants

Jostein Pettersen

6. februar 2003


Innhold

! Oversikt! Betegnelser (R-nr)! Historikk! Viktige egenskaper

! Oversikt! Termodynamiske egenskaper! Miljøegenskaper

! Blandingsmedier! Kuldemedier og smøremidler


Fluorkarbonmedier (halokarboner)! Sammensatt av to eller flere av

følgende grunnstoffer:! H – hydrogen! F – fluor! C – karbon! Cl – klor! Br – brom

! Vanligvis ugiftige og ubrenn-bare, men med enkelte negative miljøegenskaper (globalt)

! Vanligst i dag: HFK (HFC)HydroFluorKarbon (HydroFluoroCarbon)

Naturlige medier (halogenfri)! Naturlig forekommende stoffer! Vanligst:

! Ammoniakk (NH3)! Hydrokarboner (ex. propan,

isobutan)! Vann! Karbondioksid (CO2)! Luft! Helium

! Kan være gunstigere miljømessig, men krever ofte sikkerhetsforanstaltninger

} Gassprosesser

Oversikt


Halogeniserte hydrokarboner(Halokarboner)

! CFC / KFK – KlorFluorKarboner! HCFC / HKFK – HydroKlorFluorKarboner

(Noe klor erstattet med hydrogen)! HFC / HFK – HydroFluorKarboner (Alt klor erstattet med hydrogen)! FC / FK – FluorKarboner

! Halogener: Cl, F, Br, I


R - nummersystemetAHRAE Standard 34American Society of Heating, Refrigerating, and Air conditioning Engineers, Inc.

! Halokarboner og hydrokarboner

! Rene stoffer

R-xyz (Eksempel: R-134a CF3CH2F)x = nC - 1 (Antall karbonatomer minus 1) Når nC = 1 sløyfes xy = nH + 1 (Antall hydrogenatomer pluss 1)z = nF (Antall fluoratomer)

! Tillegg: Ett brom-atom (B1), og evt. isomerer (a, b, ...)


R – nummersystemet (forts.)

! Halokarboner og hydrokarboner (forts.)

! Zeotrope blandinger (med temperaturglidning)

R-4kkl ”Firehundre-serien” (Eksempel: R-410A)kk = 01, 02, 03, 04, .... (Tildeles)l = A, B, C, ..... (Tildeles)

! Azeotrope blandinger (uten temp.glidning)

R-5mmn ”Femhundre-serien” (Eksempel: R-507A)mm = 01, 02, 03, 04, .... (Tildeles)n = A, B, C, .... (Tildeles)


R – nummersystemet (forts.)

! Organiske medier og nitrogenforbindelser (”6-serien”)

Hydrokarboner (Eksempel: Isobutan R-600a)OksygenforbindelserNitrogenforbindelser

! Uorganiske medier (”7-serien”)

R-7xy (Eksempel: R-717, Ammoniakk, M=17)x : Molmassey : Evt A (Eksempel: R-744 / CO2 og R-744A / N2O, begge med M=44)


Historikk - arbeidsmedier

! Begynnelsen

! Før 1850: Luft, vann! 1850: Etyleter C4H10O! 1856: Metyleter! 1866: CO2 (Thaddeus Lowe)! 1870: Etylklorid C2H5Cl! 1876: Ammoniakk (Carl von Linde)! 1878: Svoveldioksid SO2 (R. Pictet)! Metylklorid (CH3Cl), Etan, Etylen, N2O, ...


Historikk – arbeidsmedier (forts.)! KFK-perioden (CFC)

! 1893/1907: Swarts, fluoriserte/klorerte hydrokarboner (metan, etan)! 1928: Midgley et al. ”FREON”, Frigidaire/GM og DuPont! 1930: American Chemical Society: KFK-12

ASHRAE identification


Historikk – arbeidsmedier (forts.)! 1936: HFK-134a (Ikke vurdert som stabilt nok)! 1974: Molina og Rowland (ozon-nedbrytning)! 1987: Montreal-protokollen – restriksjoner og utfasing av ozon-

nedbrytende kjemikalier

! Etter Montreal-protokollen

! 1990: Kommersiell produksjon av R-134a (HFK-134a)! ca 1990: ”Naturlige medier” som miljøkonsept! 1995: Nobelprisen til Molina og Rowland! 1997: Kyoto-protokollen: CO2, CH4, N2O, PFK, SF6 og HFK


Viktige egenskaper hos arbeidsmedier! Fysikalske egenskaper

! Miljøegenskaper (globalt og lokalt)! Damptrykk! Viskositet! Blandingsforhold med smøremidler! Vannløselighet! Elektrisk gjennomslagmotstand

! Kjemiske egenskaper! Kjemisk stabilitet! Brennbarhet, eksplosjonsfare! Materialkompatibilitet (korrosjon, reaksjoner)


Viktige egenskaper (forts.)

! Fysiologiske egenskaper! Giftighet! Lukt

! Termodynamiske egenskaper! Energieffektivitet! Volumetrisk ytelse! Fordampningsvarme! Varmeledningsevne (termisk konduktivitet)

! Pris, tilgjengelighet


Metnings-trykk

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Temperature, [°C]

Pres

sure

, [ba

r]

CO2

NH3

H2O


Fasekurver i Ts-diagram

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

2 4 6 8 10 12 14

Entropy, kJ/(kgK)

Tem

pera

ture

, °C

CO2

NH3

H2O


2,9 bar

15,5 bar

2,4 kg/m31296,5 kJ/kg

qvol = 3100 kJ/m3 (kJ/kg • kg/m3)

p2/p1 = 5,3


10,1 bar

2,0 bar10,0 kg/m3

205,7 kJ/kg

qvol = 2075 kJ/m3

p2/p1 = 5,1


26,5 bar

115 bar

71,2 kg/m3259,1 kJ/kg

qvol = 18400 kJ/m3

p2/p1 = 4,3


! Ozone depletion in stratosphere

! Increased UV radiation on earth


Drivhuseffekt


GWP – Global Warming Potential


GWP (Global Warming Potential)”Drivhuspotensial”


TEWI


TEWI example


Global fluorocarbon production

100 kt HFC-134a has a global warming impact corresponding to 130 Mt CO2The 1998 greenhouse gas emission from Norway was 56.2 Mt CO2-equiv.


Utslipp av HFC i Norge,med prognose fram til 2010

Målt konsentrasjon i atmosfæren (over Stillehavet)

Eliminering av HFC kan bidra med10-15% av nødvendig reduksjon i klimagassutslipp for å nå norsk Kyoto-forpliktelse


Zeotrop og azeotrop blanding


Medier med temperaturglidning(Zeotroper / ”Ikke-azeotroper”)


”Blandingsluke”arbeidsmedium - olje

Ikke fullstendig blandbar


SafetyASHRAE Standard 34

Toxicity of refrifgerant at concentrations below 400 ml/m3:!Class A: Toxicity not identified!Class B: Evidence of toxicity identifiedFlammability of the refrigerant:!Class 1: No flame propagation in air at 18oC and 101 kPa!Class 2: Lower flammability limit (LFL) greater than 0.10 kg/m3 at 21oC and 101 kPa

and heat of combustion less than 19000 kJ/kg!Class 3: Highly flammable as defined by LFL less than or equal to 0.10 kg/m3 at 21oC

and 101 kPa or heat of combustion greater than or equal to 19000 kJ/kg


Forbindelser av H, F og Cl


Aktuelle arbeidsmedier for varmepumper

working fluids kuldemedier – refrigerants3 institutt for energi- og prosessteknikk...

Documents