Kort om R1234ze

skriven av Pavel Makhnatch (under handledning av Rahmatollah Khodabandeh och Björn Palm)

Publicerad 2015-04-21

Enligt det senaste tillkännagivandet från Honeywell har företaget börjat en fullskalig produktion av R1234ze(E) [1], som är ett köldmedium med låg växthuseffekter med en GWP mindre 1. Vi har därför anledning att kort diskutera dess egenskaper och tillämpningsområden.

R1234ze isomerer

Köldmediet R1234ze(E) (trans-1,3,3,3-Tetrafluoroprop-1-en, CF3CH = CHF) tillhör familjen HFO medier som innehåller en kol-kol-dubbelbindning och som kännetecknas av mycket låga GWP-värden, vanligtvis mindre än ett [2 ]. Det bör noteras att det finns två isomerer av R1234ze, R1234ze(Z) och R1234ze(E) (se Figur 1), med ganska olika termofysikaliska egenskaper. R1234ze(Z) har en högre kokpunkt och en högre kritisk temperatur än R1234ze(E) och även en volymetrisk köldastring ungefär 50% lägre än R1234ze(E). Därför kan R1234ze(Z) främst användas i specifika tillämpningar såsom hög temperatur värmepumpar, medan R-1234ze(E) som mer liknar R134a angående driftsförhållanden och kompressorstorlek har potentialen till ett bredare tillämpningsområde.

I tidigare artiklar har vi redan diskuterat R1234ze(Z) [3], och därmed diskuterar vi bara R1234ze(E) i denna artikel.

Figur 1 - De två HFO-1234ze isomererna [2]

Termofysikaliska egenskaper

R1234ze(E) har termofysikaliska egenskaper som liknar R134a men det har något högre kritisk temperatur och högre normal kokpunkt vilket innebär lägre trycknivåer. Några av de termofysikaliska egenskaperna hos R1234ze(E) listas i tabell 1 i jämförelse med R134a.

Tabell 1 - Termofysikaliska egenskaper för R1234ze(E) [2] [4]

 

R1234ze(E)

R134a

Molekylvikt, kg/kmol

114

102

Kokpunkt vid 101.3 kPa, °C

-18,95

-26,06

Kritisk temperatur, °C

109,4

101,1

Kritiskt tryck, bar

36,4

40,6

Ångbildningsvärme vid 30 °C, kJ/kg

162,9

173,1

Kritisk densitet, kg/m3

489

515,3

R1234ze(E) kännetecknas alltså av lägre ångtryck, jämfört med R134a (Figur 2), vilket också medför lägre volymetrisk köldalstring. Detta är en av anledningarna som ofta åberopas att detta köldmedium inte är lämpligt som drop-in ersättare till R134a.

Figur 2 - Ångtryckskurva för några köldmedier

R1234ze(E) är kompatibel med de flesta vanliga material. Dock föreslår tillverkaren att man bör konsultera tillverkare av olika komponenter angående oberoende tester före användning i nya system. Detta verkar vara en god rekommendation då R1234ze(E) har visat sig vara olämpligt tillsammans med vissa material (t.ex. akryliska ämnen) och är kompatibel bara under specifika förutsättningar med ett antal andra material (t.ex. neopren, polypropen mm.) [2]

Polyol ester (POE) olja rekommenderas vid användning av R1234ze(E), men på grund av den högre blandbarheten av R1234ze(E) med POE oljor än de flesta traditionella HFC köldmedier är det rekommenderat av kompressortillverkare att använda smörjmedel med högre viskositet för att undvika potentiella problem till följd av högre inblandning av köldmedium i oljan [2].

Toxicitet och brännbarhet

ASHRAE klassificerar R1234ze(E) som milt brandfarligt. Vid temperaturer under 30 °C kan R1234ze(E) inte bilda brännbara blandningar med luft och det kan därför betraktas som icke brandfarligt vid hantering och lagring (Figur 3).

Figur 3 - Lägre (LFL) och Övre (UFL) antändningsgränser för R1234ze(E) vid olika temperaturer [2]

Vid temperaturer över 30 °C, är dess brandfarlighet lägre än andra kända milt brännbara köldmedier såsom R1234yf och R32 (Figur 3 och 4). Jämfört med kolväten behöver R1234ze(E) 10 gånger högre koncentration och 250,000 gånger mer energi för att bli brandfarligt (Figur 4). I händelse av bildandet av en flamma, skulle effekten vara mycket mildare, pga dess mycket lägre förbränningsvärme (5 gånger mindre än propan) och mycket lägre förbränningshastighet (Figur 5).

Figur 4 - Lägsta antändningsenergin och lägsta flambildningsgränsen för några köldmedier [2]
Figur 5 - Förbränningsvärme och förbränningshastighet för några köldmedier [2]

Toxicitetsnivåerna för R1234ze(E) är förhållandeviss gynnsamma och jämförbara med R134a [2].

I vilka applikationer passar R1234ze(E)?

HFO-1234ze(E) är ett köldmedium med relativt låga trycknivåer vid vanliga tillämpningsområden. Enligt Honeywell kan det användas som alternativ till traditionella köldmedier i luftkylda och vattenkylda kylmaskiner för livsmedelsbutiker samt för luftkonditionering i kommersiella byggnader. Det föreslås också användas i andra applikationer såsom värmepumpar, kylskåp, dryckesautomater, luftavfuktare och i kaskadsystem i kombination med CO2 i kommersiella kylanläggningar [2].

I flera studier har man utvärderat lämpligheten av R1234ze(E) i olika tillämpningar [5] [6] [7] [8]. Generellt har R1234ze(E) jämförbar COP, men lägre kapacitet vid givet volymflöde än R134a (Volymetriska köldalstringen presenteras i Fig 6). Lägre kapacitet innebär problem vid drop-in ersättning och måste beaktas vid eventuell konvertering. Sedan första installationen för två år sedan har ett antal tillverkare använt detta köldmedium i olika kylaggregat [9].

Figur 6 -Volymetrisk köldalstring för R1234ze(E) i jämförelse med R1234yf och R134a

Ett annat möjligt användningsområde för R1234ze(E) är som en komponent i kölmedieblandningar. Vid blandning med R134a får vi lägre växthuseffekt än R134a. Som ersättare till R410A finns blandningar med R32. En mindre mängd R1234ze(E) används i R448A som är en ersättare till R404A.

Sammanfattningsvis kan vi konstatera att R1234ze(E) trots lägre volymetrisk köldalstring och högre kokpunkt kan tänkas användas som ersättare till R134a, vid ny installation men inte som drop-in ersättare. Med ovannämnda nackdelar var det tidigare svårt att motivera användning av R1234ze(E), men med implementeringen av nya F-gas förordningen som syftar till att avsevärt minska användningen av HFC köldmedier kommer vi sannolikt att se ett ökat intresse för detta köldmedium.

Referenser

[1]

Honeywell, "Honeywell Starts Full-Scale Production Of Low-Global-Warming Propellant, Insulating Agent, And Refrigerant," 5 1 2015. [Online]. Available: bit.ly/honeywell_ze. [Accessed 2015].

[2]

Honeywell, "Solstice ze refrigerant (HFO-1234ze). The Environmental Alternative to traditional refrigerants.," 2014.

[3]

P. Makhnatch, R. Khodabandeh and B. Palm, "Köldmedier med låg GWP för högtemperaturvärmepumpar," KYLA+ Värmepumpar, Jul 2014.

[4]

DuPont, "DuPomt Suva. Thermodynamic properties of HFC-134a," 2004.

[5]

K. Schultz and S. Kujak, "System drop-in tests of R134a alternative refrigerants (ARM-42a, N-13a, N-13b, R-1234ze(E), and Opteon XP10) in a 230-RT water-cooled water chiller," AHRI, 2013.

[6]

D. Shapiro, "System drop-in tests of R-134a, R-1234yf, Opteon XP10, R-1234ze(E), and N13a in a commercial bottle cooler/freezer," AHRI, 2013.

[7]

"System drop-in test of R134a alternative fluids R-1234ze(E) and D4Y in a 200 RT air-cooled screw chiller," AHRI, 2013.

[8]

S. Fukuda, C. Kondou, N. Takata and S. Koyama, "Low GWP refrigerants R1234ze(E) and R1234ze(Z) for high temperature heat pumps," International Journal of Refrigeration, vol. 40, pp. 161-173, 2014.

[9]

Cooling post, "Cofely introduces R1234ze chiller," 1 Aug 2914. [Online]. Available: bit.ly/r1234ze_chiller.