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.

Nyheter

Titel Datum
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2019‑01‑03
Köldmedier med lågt GWP: tidigare och pågående projekt 2018‑12‑03
Miljövänliga kylsystem behövs för att mildra klimatförändringen 2018‑09‑28
Naturliga köldmedier diskuterades under Gustav Lorentzen-konferensen 2018‑08‑14
Forskning med fokus på säker användning av brännbara köldmedier 2018‑07‑11
Höjdpunkter från ICCC 2018 - om hållbarhet och den obrutna kylkedjan 2018‑04‑30
Effekterna av F-gasförordningen oroar värmepumpsindustrin 2018‑04‑30
F-gasförordningens kvoter är på plats – men är vi på väg att uppfylla målen? 2018‑02‑08
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2018‑02‑07
F-gaser: vet vi vilka de är? 2018‑02‑07
Utsläppen av fluorerade gaser och deras utsläppsminskning 2018‑01‑09
Tio icke-brännbara alternativ till R404A 2017‑08‑24
Köldmedier: den aktuella utvecklingen 2017‑08‑22
Framtiden för R404A och andra köldmedier med höga GWP-värden när priserna stiger 2017‑08‑09
Köldmedier: vad förväntas i framtiden 2017‑06‑15
Standarder och deras roll i kylindustrin 2017‑02‑07
Detta hände på köldmediefronten under året som gått 2017‑01‑27
Miljövänliga köldmedier för framtiden 2017‑01‑27
Ett alternativ för att ersätta R404A i små kylsystem 2016‑11‑14
Senaste nytt från ”Gustav Lorentzen Natural Working Fluids Conference” i Edinburgh UK 2016‑11‑13
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 2. 2016‑11‑12
Möjligheter och utmaningar för R152a. Del 1 2016‑11‑12
Miljöindikatorer TEWI och LCCP 2016‑06‑02
Källor för köldmediers termodynamiska egenskaper 2016‑03‑23
Några frågor från våra läsare 2016‑03‑18
Utvecklingen på köldmediefronten under året som gått 2016‑03‑18
Potentiella faror med ”TriFluorättiksyra” (TFA) 2015‑11‑01
Senaste nytt om köldmedier med låg växthuseffekt från ”IIR International Congress of Refrigeration” 2015‑11‑01
Något om HFO köldmedier 2015‑10‑31
Något om köldmediers brännbarhet 2015‑06‑22
Nya möjligheter för R32 2015‑06‑20
Guiden till guider om F-gasförordningen 2015‑04‑21
Kort om R1234ze 2015‑04‑21
Vilka köldmedier ersätter R404A? 2014‑10‑22
R1336mzz-Z – ett nytt högtemperaturköldmedium med bra egenskaper 2014‑09‑21
Köldmedier med låg GWP för högtemperaturvärmepumpar 2014‑09‑21
Säkerhet av nya låg GWP köldmedier 2014‑09‑05
Vilket mått ska vi använda för köldmediernas klimatpåverkan? 2014‑04‑16
Något om hur GWP-värden bestäms 2014‑04‑23
Nya F-gasförordningen, ännu ett steg närmare beslut! 2014‑02‑02
Utvecklingen på köldmediefronten det senaste året 2014‑02‑02
Att definera "Låg GWP" 2013‑11‑04
Vilket köldmedium ersätter R410A? 2013‑11‑03
Nya möjligheter för naturliga köldmedier 2013‑10‑31
Sökandet efter nya köldmedier fortsätter! 2013‑10‑30
Osäker framtid för fluorerade köldmedier 2013‑10‑29
Senaste nytt om mobilkyla 2013‑10‑28
Är R1234yf framtidens köldmedium för mobilkyla? 2013‑10‑26
Miljö mätmetoder för utvärdering av kylsystem drift 2013‑10‑25
Låga GWP alternativa köldmedier i värmepumpar 2013‑10‑25
Mercedes-Benz önskar att fortsätta att använda utprovade och testade R-134a köldmedium i personbilar 2012‑09‑28
Stabilitet och kompatibilitet av HFO-köldmedier 2012‑08‑07
Förfalskade köldmedier blir allt vanligare 2012‑07‑16
Europeiska Kommissionen fastställer nya tidsfristen: tillverkare kan fortsätta att använda det gamla 2012‑05‑18
Sverige accelererar övergången till HFC alternativen 2012‑05‑10
Köldmedium effekt på systemprestanda 2012‑05‑08
Välkomna 2012‑03‑30