Tio icke-brännbara alternativ till R404A

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

Publicerad 2017-08-24

Under året är köldmediet R404A i centrum för allas uppmärksamhet i kylvärlden. I väntan på den kommande kvotreduktionen höjer köldmedietillverkarna ständigt priser på köldmedier med höga GWP-värden. Vissa meddelar till och med att de helt slutar erbjuda R404A från nästa år. Många butiksägare står därför med system som kräver ett dyrt R404A. Ett möjligt alternativ för dem är att ersätta R404A med något annat köldmedium. I den här artikeln granskar vi de icke-brännbara R404A-alternativen som hittills har introducerats.

Från och med början av nästa år kommer utbudet av höga GWP-köldmedier, inklusive R404A, att påverkas betydligt av den kraftiga minskningen av tillåtna kvantiteter som kan introduceras på EU-marknaden (f-gasförordningens fördelningskvot). Eftersom köldmedietillverkarna måste följa EU-kvoten måste de begränsa utbudet av R404A och andra hög-GWP-köldmedier. Under detta år har de flera gånger meddelat betydande prishöjningarna för hög-GWP-köldmedier och en del även kommer att sluta erbjuda R404A från nästa år [1]. Ytterligare en 50%-ig prisökning för R404A har just meddelats från juli [2]. I väntan på den knappa tillgången av R404A, liksom de förbud som träder i kraft från 2020, måste kunderna nu ersätta R404A med något alternativ. För bara några år sedan hade vi bara 4 möjliga alternativ (R407A, R407F, R448A och R449A), idag väljer vi en av tio.

Icke-brännbara R404A-alternativ

Ett antal icke-brännbara köldmedieblandningar har utvecklats av större tillverkare som ersättare till R404A. Tabell 1 presenterar köldmedier som är listade i ASHRAE 34 Standard och betraktas som ersättningar till R404A i befintliga system.

Tabell 1. Komposition och kompositionstoleranser för R404A och dess icke brännbara alternativ

Temperaturglide, vid 1 atm

GWP AR4 värden [8]

Tillverkare

R143a

(GWP 4470)

R32

(GWP 675)

R125

(GWP 3500)

R1234yf

(GWP 4)

R134a

(GWP 1430)

R1234ze(E)

(GWP 7)

Kokpunkt vid 1 atm, °C

-47.2

-51.7

-48.1

-29.5

-26.1

-19.0

R404A

0.8

3922

52 (±1.0)

-

44 (±2.0)

-

4 (±2.0)

-

R407A

6.4

2107

Chemours

20 (±2.0)

40 (±2.0)

-

40 (±2.0)

-

R407F

6.4

1824

Honeywell

30 (±2.0)

30 (±2.0)

-

40 (±2.0)

-

R407H

7.0

1495

Daikin

32.5 (±1.0)

15.0 (±1.0)

-

52.5 (±2.0)

-

R448A

6.2

1387

Honeywell

26.0 (+0.5, -2.0)

26.0 (+2.0, -0.5)

20.0 (+0.5, -2.0)

21.0 (+2.0, -1.0)

7.0 (+0.5, -2.0)

R449A

5.7

1397

Chemours

24.3 (+0.2,‐1.0)

24.7 (+1.0,‐0.2)

25.3 (+0.2,‐1.0)

25.7 (+1.0,‐0.2)

-

R449B

5.8

1412

Arkema

25.2 (+0.3, ‐1.5)

24.3 (+1.5,‐0.3)

23.2 (+0.3, ‐1.5)

27.3 (+1.5,‐0.3)

-

R449C

6.1

1250

Chemours

20.0 (+0.5, ‐1.5)

20.0 (+1.5, ‐0.5)

31.0 (+0.5, ‐1.5)

29.0 (+1.5, ‐0.5)

R460B

8.6

1352

Mexichem

28.0 (±1.0)

25.0 (±1.0)

-

20.0 (±1.0)

27.0 (±1.0)

R452A

3.8

2140

Chemours

11.0 (±1.7)

59.0 (±1.8)

30.0 (+0.1, -1.0)

-

-

R460A

8.0

2103

Mexichem

12.0 (±1.0)

52.0 (±1.0)

-

14.0 (±1.0)

22.0 (±1.0)

Som framgår av tabellen har alla tillverkare ersatt hög-GWP-komponenten R143a i sina blandningar för att minska GWP-värdet för alternativen. I stället införs R32 och R134a (och/eller dess HFO-analoger R1234yf och R1234ze(E)) ökas. Närvaron av R32 i kompositionen bidrar till bättre kapacitetsmässiga egenskaper hos blandningen, men också leder till en ökning av hetgastemperatur. Närvaron av brännbara R32 kräver också större mängd icke brännbara komponenter R125 och R134a. På grund av skillnaden i koktemperaturer på R134a, R1234yf och R1234ze (E), leder detta också till en betydande temperaturglide, som återfinns i de nya blandningarna.

Köldmedierna R449A och R448A har varit kända under ganska lång tid. Till exempel har R449A utvärderats som ersättare till R404A i ett antal svenska stormarknader och experimentella resultat för R448A är också tillgängliga. Resultaten av dessa studier kan ses i andra publikationer (t.ex. [3] [4] [5]). Generellt sett gäller att dessa köldmedier inte kan betraktas som ”drop-in-ersättare” eftersom uppmärksamhet bör ägnas åt höjningen av hetgastemperatur, en liten minskning av kylkapacitet, konsekvenserna av betydligt lägre massflöde och en hög temperaturglide.

R449B är ganska nytt köldmedium i listan och dess beteende har inte ännu studerats experimentellt. Men med tanke på kompositionen och toleransnivåer (listade i tabell 1) kan man se att kompositionen enligt R449B är nästan identisk med den för R449A. Således kan man förvänta sig mycket liknande beteende mellan dessa köldmedier.

R449C är ett annat alternativ utvecklat av Chemours tillsammans med kända R449A. Jämfört med R449A, är koncentrationen av hög-GWP-komponenten R125 är reducerad till förmån för högre koncentrationer av R1234yf och R134a, tillsammans med minskning av R32. Som ett resultat har R449C den lägsta GWP av alla köldmedier som anges i tabell 1. På grund av de ganska signifikanta växlingarna i kompositionen kan beteendet hos R449C vara annorlunda än R448A, R449A och R449B. Med tanke på betydande marknadsföringsinsatser som Chemours redan gjort för att främja R449A är det dock osannolikt att vi kommer att se att R449C kommersialiseras under den kommande framtiden.

R460B är produkten som föreslagits av Mexichem. Man kan se att dess komposition ligger nära R448A. Kompositionsnivåer av komponenterna R32, R125 och R134a är mycket nära i de båda alternativen (särskilt med hänsyn till komposition och toleransnivåer). Mängden R1234ze(E) i R460B-kompositionen liknar summan av R1234yf och R1234ze(E) som finns i R448A. På ett sätt representerar gruppen av köldmedier R448A, R449A, R449B, R449C och R460B liknande köldmedier med liknande egenskaper. Med undantag för R449C är den kombinerade koncentrationen av komponenter R134a, R1234yf och R1234ze(E) i resten av blandningarna är mycket lika och är inom 47-51% av hela köldmediekompositionen. Detta liknar också ett annat köldmedium, R407H, som består av 52,5% av R134a.

R407H är ett nytt köldmedium i listan som utvecklats av Daikin. Det lanseras som ett alternativ till R404A med betoning på frånvaron av de dyra HFO:erna (R1234yf eller R1234ze(E)) i dess sammansättning. Med tanke på serien av de senaste prisökningarna på konventionella HFC:er [2], förlorar detta argument gradvis sin betydelse. På samma sätt som andra tidigare nämnda alternativ kan R407H inte betraktas som en "drop-in" [6], främst på grund av bekymmer för hetgastemperatur. Mer information om detta köldmedium kan hittas i en ny experimentell studie [7].

R407A och R407F är två köldmedier som är utgörs av samma ämnen som R407H, men med olika sammansättning. De har föreslagits för samma applikation som R404A, men användes inte allmänt. Med tanke på deras höga GWP-värden och liknande som andra alternativa nackdelar (t.ex. i form av hög temperaturglide och hetgastemperatur) är deras användning inte fördelaktig jämfört med de andra alternativen.

R452A och R460A är två andra köldmedier på listan. Jämfört med de andra tidigare nämnda alternativen har de en lägre mängd R32 i kompositionen och därmed signifikant minskad hetgastemperatur, vilket är en av egenskaperna hos de andra alternativen. Medan R460A nyligen har introducerats har R452A varit känt under ganska lång tid. I nästa avsnitt kommer vi att ha en närmare titt på detta köldmedium.

Kort information om R452A

R452A föreslogs att ersätta R404A i transportkylsystem, där hetgastemperatur är en begränsning på grund av potentiellt höga kondenseringstemperaturer som kan uppstå vid sådan applikation.

Huvudegenskaperna för R452A i jämförelse med R404A och andra alternativ R448A och R449A är listade i tabell 2. Jämfört med alternativen har det lägre GWP än baslinjen R404A, men betydligt högre än R448A och R449A (även om alla alternativ överensstämmer med den kommande f-gasförordningen gräns för GWP 2500 för kommersiell kylning).

Tabell 2. Huvudegenskaper för R404A och dess alternativ (Refprop 9.1 data).

.

R404A

R448A

R449A

R452A

Molekylmassa (g mol-1)

97.6

86.3

87.2

103.5

ASHRAE säkerhetsklassificering

A1

A1

A1

A1

AR4 GWP100-year [8]

3922

1387

1397

2140

Kritiska temperaturen (°C)

72.1

82.7

82.1

75.1

Kritiska trycket (kPa)

3729

4594

4499

4015

Kokpunkt vid 1 atm (°C)

-46.5

-46.4

-46.0

-47.2

Den teoretiska ångkompressionscykelanalysen har gjorts med användning av de senaste data om köldmediets egenskaper. Båda köldmedier jämförs för -35 °C medelförångningstemperatur och 35 °C medelkondenseringstemperatur. Andra antaganden är 2 °C underkylning, 7 °C överhettning och 65% kompressorverkningsgrad vid kompression. De modellerade resultaten visas i tabell 3.

Tabell 3. Teoretisk jämförelse av R404A och dess alternativ (Refprop 9.1 data)

.

R404A

R448A

R449A

R452A

Kyleffekt (kJ kg-1)

104.0

144.7

142.4

105.4

Volymetrisk köldalstring (kJ m-3)

905.0

897.2

889.0

878.1

Hetgastemperatur (°C)

74.0

97.7

95.9

76.6

Köldfaktor (-)

1.41

1.54

1.54

1.46

Vid jämförbar medelförångningstemperatur och medelkondenseringstemperaturer kan R452A ha något högre energiprestanda (COP), på bekostnad av något lägre kylkapacitet (p.g.a. volymetrisk köldalstring) och liten ökning av hetgastemperatur. Emellertid, jämfört med andra alternativ R448A och R449A, är R452A ca 5% mindre energieffektiv och minskningen av kylkapaciteten, jämfört med R404A, är större.

Det bör noteras att de högre teoretiska COP-värdena för R404A-alternativen i praktiken reduceras av värre värmeöverföringsprestanda för dessa köldmedier. Värmeöverföringskoefficientreduktionen beror på det extra massöverföringsmotståndet, vilket är större för kylmedlen med högre glidet. Sålunda, när det totala systemets prestanda av R452A-systemet analyseras, kan man förutse lägre COP för R452A än för baslinjen R404A, medan för R449A visades ha jämförbar energieffektivitet, när värmeöverföringsprestanda beaktas [3].

Sammantaget är det inte lämpligt att använda R452A i kommersiella kylsystem om andra effektivare och lägre GWP-alternativ kan användas. Använda R452A kan leda till högre energiförbrukning och priset kan sannolikt att öka i framtiden på grund av dess höga GWP. Om hetgastemperaturen inte är en begränsande faktor kan man välja antingen R448A, R449A och R449B. När det gäller R407H, medan de första experimentella data ser lovande ut, kan man vänta på mer data och för godkännande av större kompressorstillverkare innan man accepterar detta köldmedium. Visst, om ny kylutrustning är ett alternativ, bör man överväga att välja ett system som använder naturliga köldmedium, såsom CO2-system.

Följ gärna våra publikationer och prenumerera på vårt digitala nyhetsbrev. Anmäl dig här .

Källor:

[1] P. Makhnatch, R. Khodabandeh and P. Björn, "R404A och andra höga GWP köldmedier inför svåra prisökning," KYLA+ Värme, vol. 3, 2017.

[2] Cooling post, "Price of R404A to double next month," 17 Jun 2017. [Online]. Available: www.coolingpost.com/world-news/price-of-r404a-to-double-next-month/. [Accessed 11 Jul 2017].

[3] J. Rogstam, S. Bolteau, P. Makhnatch and R. Khodabandeh, "Utvärdering av en potentiell R404A-ersättare: fältprov med R449A.," Stockholm, 2016.

[4] P. Makhnatch, A. Mota-Babiloni, J. Rogstam and R. Khodabandeha, "Retrofit of lower GWP alternative R449A into an existing R404A indirect supermarket refrigeration system," International Journal of Refrigeration, vol. 76, p. 184–192, 2017.

[5] A. Mota-Babiloni, J. Navarro-Esbrí, B. Peris, F. Molés and G. Verdú, "Experimental evaluation of R448A as R404A lower-GWP alternative in refrigeration systems," Energy Conversion and Management, vol. 105, pp. 756-762, 2015.

[6] Daikin, "Daikin R407H," 2017. [Online]. Available: www.daikinchem.de/refrigerants/. [Accessed 11 Jul 2017].

[7] R. Llopis, D. Sánchez, R. Cabello, L. Nebot-Andrés and J. atalán-Gil, "R-407H as drop-in of R-404A. Experimental analysis in a low temperature direct expansion commercial refrigeration system," International journal of refrigeration, vol. 80, pp. 11-23, 2017.

[8] European Parliament and the Council of the European Union, "Regulation (EU) No 517/2014 of the European parliament and the council of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases and repealing regulation (EC) No 842/2006," Off. J. Eur. Union, no. 150, p. 195–230, 2014.