Arbeidsmedier Working Fluids Kuldemedier Refrigerants Jostein Pettersen 6. februar 2003 1
Innhold! Oversikt! Betegnelser (R-nr)! Historikk! Viktige egenskaper! Oversikt! Termodynamiske egenskaper! Miljøegenskaper! Blandingsmedier! Kuldemedier og smøremidler 2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Viktige egenskaper (forts.)! Fysiologiske egenskaper! Giftighet! Lukt! Termodynamiske egenskaper! Energieffektivitet! Volumetrisk ytelse! Fordampningsvarme! Varmeledningsevne (termisk konduktivitet)! Pris, tilgjengelighet 13
Metningstrykk Pressure, [bar] 200 180 160 140 H 2 O 120 100 80 NH 3 60 CO 2 40 20 0-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Temperature, [ C] 14
15
Fasekurver i Ts-diagram 400 Temperature, C 350 300 250 H 2 O 200 150 100 NH 3 50 0 CO 2-50 2 4 6 8 10 12 14 Entropy, kj/(kgk) 16
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
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
p 2 /p 1 = 4,3 q vol = 18400 kj/m 3 115 bar 26,5 bar 259,1 kj/kg 71,2 kg/m 3 19
! Ozone depletion in stratosphere! Increased UV radiation on earth 20
21
Drivhuseffekt 22
GWP Global Warming Potential 23
GWP (Global Warming Potential) Drivhuspotensial 24
25
TEWI 26
TEWI example 27
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
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
Zeotrop og azeotrop blanding 31
Medier med temperaturglidning (Zeotroper / Ikke-azeotroper ) 32
33
Blandingsluke arbeidsmedium - olje Ikke fullstendig blandbar 34
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 19000 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 19000 kj/kg 35
Forbindelser av H, F og Cl 36
Aktuelle arbeidsmedier for varmepumper 37
38