Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 1

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

Publicerad 2016-11-12

Är tiden mogen för R152a som ofta förbises till förmån för andra köldmedier? Det ansågs som ett potentiellt alternativ under övergången från ozonnedbrytande köldmedier på nittiotalet, och det var återigen aktuell som en ersättning för R134a i mobila luftkonditioneringssystem för ett decennium sedan. Båda gångerna valde branschen andra köldmedier före R152a. Varför det hände och vad som gör R152a så speciellt att det på nytt kan betraktas som en ersättare ska vi ta upp denna gång.

Allmänna synpunkter på R152a

Processen för val av köldmedier är en konstant avvägning mellan ett antal kriterier såsom tillämpning, prestanda, miljöaspekten, säkerhet och det befintliga regelverket. Nuförtiden har bidraget till global uppvärmning hög prioritet bland miljöegenskaperna vid val av köldmedium. Naturliga köldmedier vinner terräng tack vare långsiktiga miljövinster trots sina nackdelar i form av förhöjt brandfarlighet, toxicitet (NH3) eller högt tryck (CO2). HFC/HFO köldmedier brukar vara favoriter pga. deras enkla implementering och lägre brandfarlighet. R152a är både brandfarligt och syntetiskt och det är kanske därför det faller bort. Men av samma anledning skulle det kunna vara en kompromiss mellan dessa urvalskriterier. R152a, 1,1-difluoretan, har relativt lågt GWP värde, 138 (AR5). Dess tillämplighet undersöktes i början av nittiotalet eftersom det ansågs vara en potentiell ersättare till R12 i vissa luftkonditioneringssystem. Som vi nu vet, förlorade R152a mot R134a och det resulterade i att R134a blivit den vanligast förekommande HFC gasen i atmosfären [1].

På grund av det höga GWP värdet för R134a, nästan tio gånger högre än för R152a, är det nu lämpligt att undersöka R152a som en tänkbar ersättare till R134a. Intressant nog har detta resonemang presenterats redan innan det blev en bred acceptans för R134a. Utöver betydligt lägre GWP värden förväntas R152a ge högre köld- eller värmefaktor än R134a. Vid denna tidpunkt, för 20 år sedan, rekommenderade USA’s Environmental Protection Agency branschen att använda R152a. Det påpekades att, enligt samma process som ledde till Montreal protokollet om ozonnedbrytande ämnen (via Wien-konventionen) skulle en klimatkonvention kunna leda till reglering av växthusgaser, vilket, vid sidan av CO2 även skulle drabba andra växthusgaser, inklusive HFC medier, som inte kontrolleras av Montreal protokollet [2]. Nu, mer än 20 år senare diskuterar vi fortfarande möjligheten att uppnå en global överenskommelse angående minskning av HFC köldmedier. För ett decennium sedan väcktes förnyat intresse för R152a när det ansågs som en ersättare till R134a i mobila luftkonditioneringssystem. Men återigen valdes ett annat köldmedium, R1234yf, eftersom det tillät enklare övergång utan betydande systemändringar. Frågan vi ställer oss är, vad gör R152a till en kandidat och vad avgjorde att det inte valdes den här gången?  

R152a termodynamiska ämnesegenskaper

Tittar vi på termodynamiska ämnesegenskaper hos R152a och några av de alternativa köldmedierna, ser vi att R152a har det lägsta trycket jämfört med R134a, R1234yf och R290 (se figur 1 och tabell 1). Skillnaden mellan R152a och R134a är liten och det är inte osannolikt att R152a kan komma att väljas som ett alternativt till R134a i medeltemperatur tillämpningar.

R152a är mer brännbart än (det obrännbara) R134a och det milt brännbara R1234yf eftersom det har ett större antal väteatomer. Propan har dubbelt så många väteatomer och är därför mer brandfarligt än R152a.
Normal kokpunkt för R152a är något högre än för de andra alternativen, inklusive R134a. Men skillnaden mellan R152a och R134a är liten. Det gör det möjligt att använda R152a i tillämpningar där R134a används idag. Den kritiska temperaturen är högre vilket möjliggör användning av R152a i värmepumpscykler med högre kondenseringstemperaturer. GWP värdet är relativt lågt men köldmediet är ju en fluorerad växthusgas och omfattas därför av kraven i F-gasförordningen.

Figur 1 - Mättnadsångtryck för R152a och motsvarande köldmedier

Tabell 1 - Termodynamiska egenskaper för R152a och motsvarande köldmedier

Köldmedium

R134a

R1234yf

R152a

R290

Kemisk formel

C2H2F4

C3H2F4

C2H4F2

C3H8

Pkrit (Mpa)

4,06

3,38

4,52

4,25

Tkrit (°C)

101,1

94,7

113,3

96,7

Normal kokpunkt (°C)

-26,1

-29,5

-24,0

-42,1

ASHRAE säkerhetsklassning

A1

A2L

A2

A3

GWP (AR5)

1300

<1

138

3

Prestanda för R152a

Figur 2 och tabell 2 visar en enkel jämförelse mellan R152a och de andra köldmedierna vid förångningstemperaturen -10°C och kondenseringstemperaturen +35 °C med antaganden om ingen underkylning eller överhettning samt 70% isentropisk verkningsgrad för kompressorn. R152a med högre ångbildningsvärme än R134a ger högre kyleffekt per massenhet men köldmedieångans densitet är lägre vilket verkar i motsatt riktning. Allt som allt har R152a något lägre volymetrisk köldalstring och kräver därför något större kompressor för att täcka samma kylbehov. Lägre ångdensitet ger, med samma kompressor, lägre massflöde jämfört med R134a vilket i sin tur resulterar i lägre tryckfall i förångare, något som har bekräftats vid experimentella studier [3]. Liknande resonemang kan göras för de andra köldmedierna. 

Figur 2 – En enkel kylprocess med Tevap = -10 ˚C, Tkond = 35 °C, ingen överhettning eller underkylning, kompressorns isentropiska verkningsgrad =0,7

Tabell 2 – Termodynamiska- och process-egenskaper för Tevap = -10 ˚C, Tkond = 35 °C, ingen överhettning eller underkylning, kompressorns isentropiska verkningsgrad =0,7

Köldmedium

R134a

R1234yf

R152a

R290

Pevap, bar

2,01

2,22

1,82

3,45

Pkond, bar

8,87

8,95

7,94

12,18

Tryckförhållande, -

4,42

4,04

4,37

3,53

ρsat,v, kg/m3

10,0

12,6

5,9

7,6

q, kJ/kg

143,7

109,1

238,1

270,8

qv, kJ/m3

1442,5

1369,9

1393,5

2066,9

Köldfaktor, COP

3,25

3,07

3,39

3,21

COP, % jmf m R134a

-

-5,5%

4,3%

-1,4%

Tabellen visar högre COP för R152a än för de andra köldmedierna. Ökningen av COP för R152a i jämförelse med R134a bekräftas också av ett antal experimentella studier. I en nyligen publicerad experimentell studie om konvertering av R134a till R152a, konstateras en förbättring av köldfaktorn av upp till 13,2% (11,7% utan intern värmeväxlare), och en minskning av kyleffekten på ca 10%. Andra observationer som rapporterats är en sänkning av massflödet med upp till 41,5% för R152a jämfört med R134a, och en liten ökning av kompressorns utloppstemperatur på omkring 5 K, vilket kan begränsa tryckförhållandet och ökar de termiska förlusterna från kompressorn.

Studien konstaterade att R152a med framgång kan användas som en dropp-in alternativ till R134a [4]. En annan experimentell studie om ersättning av R134a med R152a i ett hushållskylskåp bekräftar fördelarna avseende energiförbrukningen för R152a som visade i genomsnitt 4,7% bättre COP än R134a [5]. Det bör noteras att antalet experimentella studier med R152a är begränsat, jämfört med de andra köldmedier som nämnts ovan.

Första intrycket

Från termodynamisk synpunkt är R152a en lämplig ersättare till R134a och det ger ökat energieffektivitet. Den stora nackdelen med R152a är dock dess brännbarhet. Det är klassificerad som A2 enligt ASHRAE och är därmed mer brandfarligt än, till exempel, R1234yf. Dess goda termodynamiska egenskaper med låg GWP utnyttjas i köldmedieblandningar, som till exempel R444B, en blandning av R152a, R32 och R1234ze (E), som är utvecklad för att ersätta R22.
Säkerheten och brandfarligheten för R152a är ett intressant ämne i sig och kommer därför att vara i fokus för vår nästa spalt.

Följ gärna våra publikationer och få vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig genom att följa länken bit.ly/kth_ett.

Referenser

[1]

IPCC, "Chapter 2. Observations: Atmosphere and Surface," in Climate Change 2013: The Physical Science Basis., 2013.

[2]

H. Kruse, "European research concerning CFC and HCFC substitution," International Journal of Refrigeration, vol. 17, no. 3, pp. 149-155, 1994.

[3]

M. Bryson, C. Dixon and H. Hill, "Testing of HFO-1234yf and R152a as mobile air conditioning refrigerant replacements," 2011.

[4]

R. Cabello, D. Sanchez, R. Llopis, I. Arauzo and E. Torell, "Experimental comparison between R152a and R134a working in a refrigeration facility equipped with a hermetic compressor," International Journal of Refrigeration, no. 60, pp. 92-105, 2015.

[5]

B. Bolaji, "Experimental study of R152a and R32 to replace R134a in a domestic refrigerator," Energy, no. 35, p. 3793e3798, 2010.