Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 2.

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

Publicerad 2016-11-12

R152a är ett exempel på ett icke-ozonnedbrytande syntetiskt köldmedium med goda termodynamiska egenskaper. I föregående artikel i KYLA+ Värmepumpar har vi diskuterat R152a ur perspektivet av dess termodynamiska egenskaper och dess prestanda jämfört med R134a och andra alternativ. Det visades att R152a är ett mycket energieffektiv köldmedium och ofta presterar bättre än andra liknande alternativ i liknande tillämpningar. I denna artikel kommer vi att titta på R152a ur andra perspektiv - dess miljöegenskaper och dess brandfarlighet.

Miljöegenskaper hos R152a

Det kan sägas att R152a är ett mycket lovande köldmedium ur ett miljömässigt perspektiv: utöver dess låga GWP-värde (138) erbjuder det en hög prestanda i kyl- och luftkonditioneringssystem, ofta bättre än andra låg-GWP-alternativ. Dess sammanlagda bidrag till den globala uppvärmningen är därför generellt låg. Till exempel, i en LCCP-analys av ett luft/vattenvärmepumpssystem för bostäder med 30 kW maximal värmeeffekt visade sig R152a vara ett av de mest miljövänliga köldmedier för tre olika europeiska lägen [1] (Figur 1).

Figur 1 - Totalt livstid CO2-ekvivalenter utsläpp i samband med värmepumpsdrift , kallt klimat exempel (Helsingfors) [1]

Säkerhet hos R152a

R152a har en jämförbar toxicitet med R134a och andra syntetiska köldmedium som vanligen används. Den största negativa säkerhetsaspekten med R152a är istället dess brandfarlighet. Tabell 1 visar en lista över vissa brännbarhetsegenskaper hos ett antal kända brandfarliga köldmedier. Huvudparametrarna som anges är den undre brännbarhetsgränsen (lower flammability limit, LFL, minsta koncentration av köldmedium som har förmåga att förorsaka en låga inuti en homogen blandning av köldmedium och luft), förbränningsvärme (heat of combustion, HOC), och förbränningshastighet (burning velocity, BV, den maximala hastigheten för en laminär flamutbredning i en normalriktning i förhållande till den oförbrända gasen). Se vår tidigare publikation för mer information om dessa mätvärden för brännbarhet [5]. Dessa värden visualiseras i Figur 2 och Figur 3. Det framgår att de presenterade värdena hamnar något emellan av brandfarliga kolväten och mindre brandfarliga A2L gaser.

Tabell 1 – Antändnings egenskaper för R152a i jämförelse med andra rena brandfarliga köldmedier

Köldmedium

LFL, (% v/v)

BV, (cm/s)

HOC, (MJ/kg)

Säkerhetsgrupp

R1234yf

6,5

1,5

10,7

A2L

R32

14,4

6,7

9,4

A2L

R143a

8,2

7,1

10,3

A2L

R717

16,7

7,2

18,6

B2L

R152a

4,8

23

16,5

A2

R600a

1,8

41

45,6

A3

R290

2,1

46

46,3

A3

Figur 2 – Förbränningsvärme (HOC) av R152a i jämförelse med andra rena brandfarliga köldmedier
Figur 3 – Undre brännbarhetsgränsen (LFL) av R152a i jämförelse med andra rena brandfarliga köldmedier

A2L och A2

Enligt ASHRAEs köldmedieklassificering anses ett köldmedium vara brandfarligt om det visar flamutbredning när de testas i luft vid 60 °C och 101,3 kPa. Brandfarliga köldmedier är uppdelade i olika brännbarhetsklasser: högre brännbarhetsklass 3 som har en LFL≤3,5 volym-% eller har en HOC som är ≥19 MJ/kg; Klass 2 avser "lägre brännbarhet" med underklass A2L för köldmedier som har en maximal förbränningshastigheten av mindre an 10 cm/sek (Figur 4).

Figur 4 - Säkerhetsklassificering av brandfarliga köldmedier [2]

Förbränningshastighetströskeln på 10 cm/s valdes för att identifiera ämnen med brännbarhet liknande eller lägre än ammoniak. Även om ammoniak har 7,2 cm/s förbränningshastigheten, ansågs det att en del mått tolerans var nödvändig [3]. Enligt BV-gränsen är R152a ett mindre brännbart köldmedium, men på grund av dess förbränningshastighet på 23 cm/s kan det inte placeras inom 2L-kriteriet. 

Det har förekommit rapporter om väsentligt olika brandfarliga egenskaper för köldmedier med förbränningshastigheter i intervallet 0 och 10 cm/s. Detta har resulterat i förslag om att minska förbränningshastighetgränsen till 7 cm/s eller till 5 cm/s. Här relateras då 7 cm/s till förbränningshastigheten för ammoniak medan 5 cm/s relateras till t.ex. elimineringen av möjligheten av en elektrisk urladdning från en människa som en möjlig tändkälla [4].

Effekter av fuktighet på brännbarhet av köldmedier

R152a är absolut ett brännbart köldmedium. Så är också alla andra köldmedier i Tabell 1. Skillnaden mellan alla dessa köldmedier är i sannolikheten att brand uppstår och hur pass svår branden blir när den inträffar (som kvantifieras genom ett antal olika mätvärden, inklusive, men inte begränsande till, LFL, BV och HOC). Oavsett val av brandfarligt köldmedium bör man noggrant överväga dess egenskaper vid användning i kylutrustning. Detta innebär att skaffa sig en djupare förståelse för köldmediernas brännbarhet och beteenden. Forskning inom området pågår och vi kommer att återkomma i ämnet i framtida publikationer.

Ett exempel på de senaste forskningsresultaten är effekten av fuktighet på brandfarlighet. Fuktigt papper och ved är svårt att bränna, att då relatera dess brännbarhet till mätningar i torr luft kan verka konservativ. Emellertid är förbränningsreaktionen av kol mycket snabbare när det är fuktigt. Anledningen är att förbränningen av kol bryter ned vattenmolekyler för att generera väte och OH-radikaler, vilket överför förbränningsenergi och påskyndar reaktionen. [3].

HFC med en omättad bindning (HFO, t.ex. R1234yf) har en märkbar tendens av denna effekt. Som visas i figur 5, BV av R1234yf med torr luft är endast 1,5 cm/s men i fuktig luft det kan nå 5,9 cm/s, medan i fallet med R32 förändras inte förbränningshastigheten signifikant vid varierande fuktighet. Detta forskningsresultat tyder på att R1234yf under mycket fuktiga förhållanden är mer benäget att antända än R32 (på grund av lägre LFL), men när de antänds har jämförbar svårighetsgrad av själva branden (på grund av jämförbar BV och större HOC).

Figur 5 – Effekt av fuktighet på förbränningshastighet av R234yf och R32 [3]

I exemplet ovan vill vi framhålla vikten av att förstå de brandfarliga egenskaperna hos ett ämne "bortom 2 eller 2L". Det är viktigt att inte begränsa insikten av potentiella säkerhetsproblem av brandfarliga köldmedier till säkerhetsklasser. Fler brandfarliga egenskaper används för att beskriva brandfarligheten av ett ämne varför utformningen av säkra kylutrustning bör ta hänsyn till alla tillgängliga data. När många andra brandfarliga köldmedier redan används dessa dagar verkar det därför möjligt att använda R152a i vissa system, där brännbarheten har beaktats.

Sammanfattningsvis, är R152a ett bra köldmedium som sannolikt kommer att användas mer framöver på grund av dess gynnsamma termodynamiska egenskaper och låga bidrag till den globala uppvärmningen. Dock är dess största nackdel dess brännbarhet - men med aktiv forskning inom området är det troligt att vi får se köldmediet användas i en högre utsträckning och i specialdesignade system.

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

Referenser

[1] P. Makhnatch and R. Khodabandeh, "The Influence of Climate Conditions on Life Cycle Climate Performance of Low GWP Refrigerant Based Heat Pumps," ASHRAE Annual conference, 2014.

[2] P. Johnson, ASHRAE 2012 Annual Meeting Seminar 11.

[3] O. Kataoka, Safety considerations when working with 2L flammability class refrigerants, London, 2013.

[4] ASHRAE, Research Topic Acceptance Request: Defining the 2 / 2L Flammability Boundary in Standard 34, 2016.

[5] P. Makhnatch, R. Khodabandeh och B. Palm, ”Något om Köldmediers brännbarhet,” KYLA+ Värmepumpar, nr 04, Jun 2015.