Arbeidsmedier Working Fluids Kuldemedier Refrigerants

Transkript

1 Arbeidsmedier Working Fluids Kuldemedier Refrigerants Jostein Pettersen 6. februar

2 Innhold! Oversikt! Betegnelser (R-nr)! Historikk! Viktige egenskaper! Oversikt! Termodynamiske egenskaper! Miljøegenskaper! Blandingsmedier! Kuldemedier og smøremidler 2

3 Oversikt Fluorkarbonmedier (halokarboner)! Sammensatt av to eller flere av følgende grunnstoffer:! H hydrogen! F fluor! C karbon! Cl klor! Br brom! Vanligvis ugiftige og ubrennbare, men med enkelte negative miljøegenskaper (globalt)! Vanligst i dag: HFK (HFC) HydroFluorKarbon (HydroFluoroCarbon) Naturlige medier (halogenfri)! Naturlig forekommende stoffer! Vanligst:! Ammoniakk (NH 3 )! Hydrokarboner (ex. propan, isobutan)! Vann! Karbondioksid (CO 2 )! Luft! Helium } Gassprosesser! Kan være gunstigere miljømessig, men krever ofte sikkerhetsforanstaltninger 3

4 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 4

5 5

6 R - nummersystemet AHRAE Standard 34 American Society of Heating, Refrigerating, and Air conditioning Engineers, Inc.! Halokarboner og hydrokarboner! Rene stoffer R-xyz (Eksempel: R-134a CF 3 CH 2 F) x = n C - 1 (Antall karbonatomer minus 1) Når n C = 1 sløyfes x y = n H + 1 (Antall hydrogenatomer pluss 1) z = n F (Antall fluoratomer)! Tillegg: Ett brom-atom (B1), og evt. isomerer (a, b,...) 6

7 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) 7

8 R nummersystemet (forts.)! Organiske medier og nitrogenforbindelser ( 6-serien ) Hydrokarboner (Eksempel: Isobutan R-600a) Oksygenforbindelser Nitrogenforbindelser! Uorganiske medier ( 7-serien ) R-7xy (Eksempel: R-717, Ammoniakk, M=17) x : Molmasse y : Evt A (Eksempel: R-744 / CO 2 og R-744A / N 2 O, begge med M=44) 8

9 Historikk - arbeidsmedier! Begynnelsen! Før 1850: Luft, vann! 1850: Etyleter C 4 H 10 O! 1856: Metyleter! 1866: CO 2 (Thaddeus Lowe)! 1870: Etylklorid C 2 H 5 Cl! 1876: Ammoniakk (Carl von Linde)! 1878: Svoveldioksid SO 2 (R. Pictet)! Metylklorid (CH 3 Cl), Etan, Etylen, N 2 O,... 9

10 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 10

11 Historikk arbeidsmedier (forts.)! 1936: HFK-134a (Ikke vurdert som stabilt nok)! 1974: Molina og Rowland (ozon-nedbrytning)! 1987: Montreal-protokollen restriksjoner og utfasing av ozonnedbrytende 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: CO 2, CH 4, N 2 O, PFK, SF 6 og HFK 11

12 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) 12

13 Viktige egenskaper (forts.)! Fysiologiske egenskaper! Giftighet! Lukt! Termodynamiske egenskaper! Energieffektivitet! Volumetrisk ytelse! Fordampningsvarme! Varmeledningsevne (termisk konduktivitet)! Pris, tilgjengelighet 13

14 Metningstrykk Pressure, [bar] H 2 O NH 3 60 CO Temperature, [ C] 14

15 15

16 Fasekurver i Ts-diagram 400 Temperature, C H 2 O NH CO Entropy, kj/(kgk) 16

17 p 2 /p 1 = 5,3 15,5 bar 2,9 bar 1296,5 kj/kg 2,4 kg/m 3 q vol = 3100 kj/m 3 (kj/kg kg/m 3 ) 17

18 p 2 /p 1 = 5,1 q vol = 2075 kj/m 3 10,1 bar 2,0 bar 205,7 kj/kg 10,0 kg/m 3 18

19 p 2 /p 1 = 4,3 q vol = kj/m bar 26,5 bar 259,1 kj/kg 71,2 kg/m 3 19

20 ! Ozone depletion in stratosphere! Increased UV radiation on earth 20

21 21

22 Drivhuseffekt 22

23 GWP Global Warming Potential 23

24 GWP (Global Warming Potential) Drivhuspotensial 24

25 25

26 TEWI 26

27 TEWI example 27

28 Global fluorocarbon production 100 kt HFC-134a has a global warming impact corresponding to 130 Mt CO 2 The 1998 greenhouse gas emission from Norway was 56.2 Mt CO 2 -equiv. 28

29 Utslipp av HFC i Norge, med prognose fram til 2010 Målt konsentrasjon i atmosfæren (over Stillehavet) Eliminering av HFC kan bidra med 10-15% av nødvendig reduksjon i klimagassutslipp for å nå norsk Kyoto-forpliktelse 29

30 30

31 Zeotrop og azeotrop blanding 31

32 Medier med temperaturglidning (Zeotroper / Ikke-azeotroper ) 32

33 33

34 Blandingsluke arbeidsmedium - olje Ikke fullstendig blandbar 34

35 Safety ASHRAE Standard 34 Toxicity of refrifgerant at concentrations below 400 ml/m 3 :!Class A: Toxicity not identified!class B: Evidence of toxicity identified Flammability of the refrigerant:!class 1: No flame propagation in air at 18 o C and 101 kpa!class 2: Lower flammability limit (LFL) greater than 0.10 kg/m 3 at 21 o C and 101 kpa and heat of combustion less than kj/kg!class 3: Highly flammable as defined by LFL less than or equal to 0.10 kg/m 3 at 21 o C and 101 kpa or heat of combustion greater than or equal to kj/kg 35

36 Forbindelser av H, F og Cl 36

37 Aktuelle arbeidsmedier for varmepumper 37

38 38