R744 · CO₂
Erittäin korkeat paineet
Palamaton A1-kylmäaine, jonka GWP on 1. CO₂-järjestelmissä paineet ovat selvästi tavallisia HFC- ja HC-järjestelmiä korkeammat.
GWP 1 · ODP 0Kylmäaineita on useita erilaisia
Sama tehtävä – erilaiset ominaisuudet
Kaikkien kylmäaineiden tehtävä on kuljettaa lämpöä, mutta niiden käyttäytyminen on erilaista. Paineet, lämpötila-alueet, energiatehokkuus, palavuus, myrkyllisyys sekä GWP- ja ODP-arvot vaikuttavat siihen, mihin käyttökohteeseen aine soveltuu.
Esimerkki seoksesta
R452A
HFC/HFO-seos, jota on käytetty esimerkiksi kuljetuskylmässä. Se havainnollistaa, että myös nykyaikaiset seokset voivat edelleen sisältää merkittävän GWP-arvon.
Seos · käyttökohde ratkaisee
R290 · propaani
Erittäin matala GWP
Hyvät termodynaamiset ominaisuudet ja hyvin pieni ilmastovaikutus. Vastapainona R290 kuuluu A3-luokkaan eli on helposti syttyvä.
GWP₁₀₀ 0,02* · ODP 0
HFO-esimerkki
R1234yf
Hyvin matalan GWP:n HFO-kylmäaine, joka on yleinen esimerkiksi ajoneuvojen ilmastoinnissa. Turvallisuusluokka on A2L eli lievästi syttyvä.
Matala GWP · A2LEnnen vuotoja: mitä kylmäaine oikeastaan on?
Kylmäaine on lämmön siirtämiseen valittu työaine
Kylmäaine kiertää suljetussa järjestelmässä ja vaihtaa olomuotoa tai lämpötilaa siten, että se voi vastaanottaa lämpöä kylmästä kohteesta ja luovuttaa sitä lämpimämpään ympäristöön. Kylmäaine ei siis itsessään ‘tuota kylmää’, vaan mahdollistaa lämmön siirtämisen.
Aine voi olla yksi kemiallinen yhdiste, kuten R290 (propaani), R717 (ammoniakki) tai R744 (hiilidioksidi), tai usean aineen seos. Seoksissa komponenttien osuudet ja kiehumisominaisuudet ratkaisevat, käyttäytyykö aine lähes puhtaan aineen tavoin vai syntyykö selvä lämpötilaliukuma.
Lyhyt historia: kylmätekniikassa käytettiin jo varhain esimerkiksi ammoniakkia, hiilidioksidia ja hiilivetyjä. Myöhemmin CFC- ja HCFC-aineet yleistyivät hyvien käyttöominaisuuksiensa vuoksi, mutta otsonikerrosta heikentävät aineet poistettiin vaiheittain. HFC-aineet eivät heikennä otsonikerrosta, mutta monilla niistä on suuri ilmastovaikutus. Nykyinen kehitys painottaa matalan GWP:n vaihtoehtoja, kuten luonnollisia kylmäaineita ja HFO-yhdisteitä – samalla turvallisuusominaisuudet korostuvat.
Turvallisuusluokka yhdistää myrkyllisyyden ja palavuuden
| Palavuusluokka | Myrkyllisyys A · alempi myrkyllisyys | Myrkyllisyys B · suurempi myrkyllisyys |
|---|---|---|
| 1 · ei liekin etenemistä | A1 | B1 |
| 2L · alempi palavuus, hidas liekin eteneminen | A2L | B2L |
| 2 · palava | A2 | B2 |
| 3 · suurempi palavuus | A3 | B3 |
Havainnollinen ympäristövertailu
Mitä yhden kilogramman kylmäainevuoto tarkoittaa?
GWP ja ODP kertovat eri asioista
GWP (Global Warming Potential) kuvaa kaasun ilmastoa lämmittävää vaikutusta suhteessa hiilidioksidiin. CO₂:n vertailuarvo on 1. Esimerkiksi GWP 3922 tarkoittaa, että yhden kilogramman päästö vastaa laskennallisesti 3922 kg CO₂-päästöä käytetyllä 100 vuoden vertailujaksolla.
ODP (Ozone Depletion Potential) kertoo, kuinka voimakkaasti aine voi heikentää stratosfäärin otsonikerrosta suhteessa vertailuaineeseen R11:een, jonka ODP = 1. Klooria tai bromia sisältävistä kylmäaineista voi yläilmakehässä vapautua atomeja, jotka hajottavat otsonia. Kun otsonikerros ohenee, maan pinnalle pääsee enemmän UV-B-säteilyä, mikä lisää esimerkiksi ihosyövän ja silmäsairauksien riskiä sekä vahingoittaa kasveja ja eliöstöä. Siksi korkean ODP:n CFC-aineet, kuten R12, ja myöhemmin HCFC-aineet, kuten R22, on poistettu käytöstä kansainvälisillä rajoituksilla.
GWPIlmastovaikutus suhteessa CO₂:een. Mitä pienempi arvo, sitä pienempi suoran kylmäainevuodon CO₂-ekvivalentti.
ODPOtsonikerrosta heikentävä vaikutus. R11:n vertailuarvo on ODP 1. Nykyisissä kylmäaineissa tavoite on käytännössä ODP = 0.
Miksi R12 ja R22 poistettiin?
R12:n ODP on noin 1,0 ja R22:n noin 0,055. R12 kuuluu CFC-aineisiin ja R22 HCFC-aineisiin. Molemmat sisältävät klooria, joka voi yläilmakehässä osallistua otsonia hajottaviin ketjureaktioihin. Siksi ODP ei ole vain numero taulukossa, vaan kertoo aineen vaikutuksesta maapalloa UV-säteilyltä suojaavaan otsonikerrokseen.
Suunta on kohti hyvin matalan GWP:n kylmäaineita.
R290 (propaani), R600a (isobutaani), R717 (ammoniakki) ja R744 (CO₂) ovat tärkeitä vaihtoehtoja, mutta jokaisella on omat erityispiirteensä: hiilivedyt ovat palavia, ammoniakki on myrkyllinen ja CO₂ toimii erittäin korkeilla paineilla. Matala GWP ei siis yksin ratkaise kylmäainevalintaa.
| Kylmäaine | Luonne | GWP₁₀₀ | ODP | 1 kg vuoto = CO₂e | Vastaava ajo 5 l/100 km autolla |
|---|---|---|---|---|---|
| R12 | CFC · poistunut käytöstä | 10 900 | 1,0 | 10 900 kg CO₂e | ≈ 94 400 km |
| R404A | Vanhempi HFC-seos | 3922 | 0 | 3922 kg CO₂e | ≈ 34 000 km |
| R452A | HFC/HFO-seos | 2140 | 0 | 2140 kg CO₂e | ≈ 18 500 km |
| R22 | HCFC · poistunut uusista järjestelmistä | 1810 | 0,055 | 1810 kg CO₂e | ≈ 15 700 km |
| R407C | HFC-seos | 1774 | 0 | 1774 kg CO₂e | ≈ 15 400 km |
| R134a | HFC | 1430 | 0 | 1430 kg CO₂e | ≈ 12 400 km |
| R449A | HFC/HFO-seos · A1 | 1397 | 0 | 1397 kg CO₂e | ≈ 12 100 km |
| R448A | HFC/HFO-seos · A1 | 1387 | 0 | 1387 kg CO₂e | ≈ 12 000 km |
| R32 | HFC · A2L | 675 | 0 | 675 kg CO₂e | ≈ 5 800 km |
| R513A | HFC/HFO-seos · A1 | 630 | 0 | 630 kg CO₂e | ≈ 5 500 km |
| R1234ze(E) | HFO · A2L | 1,37 | 0 | 1,37 kg CO₂e | ≈ 12 km |
| R744 / CO₂ | Luonnollinen kylmäaine | 1 | 0 | 1 kg CO₂e | ≈ 8,66 km |
| R1234yf | HFO · A2L | 0,501 | 0 | 0,501 kg CO₂e | ≈ 4,34 km |
| R290 / propaani | Luonnollinen kylmäaine · A3 | 0,02 | 0 | 0,02 kg CO₂e | ≈ 0,17 km |
| R600a / isobutaani | Luonnollinen kylmäaine · A3 | 0 | 0 | 0 kg CO₂e | 0 km |
| R717 / ammoniakki | Luonnollinen kylmäaine · B2L | 0 | 0 | 0 kg CO₂e | 0 km |
HFO-aineet: pieni GWP ei tarkoita vaikutuksetonta ainetta
R1234yf ja R1234ze(E) ovat HFO-kylmäaineita. R513A on seos, joka sisältää HFO-1234yf:ää sekä HFC-134a:ta. HFO-aineiden etu on hyvin pieni GWP verrattuna vanhempiin HFC-aineisiin.
Fluorattujen HFO-aineiden ympäristökeskustelussa keskeinen huoli liittyy niiden hajoamistuotteisiin. Esimerkiksi R1234yf ja R1234ze voivat hajota ilmakehässä trifluorietikkahapoksi (TFA). TFA on erittäin pysyvä ja liikkuva yhdiste, joka kulkeutuu veden mukana ja jota on vaikea poistaa tavanomaisessa vedenkäsittelyssä. Siksi HFO-aineita tarkastellaan myös laajemmassa PFAS-keskustelussa.
Tämä ei tarkoita, että HFO olisi automaattisesti huonompi valinta kuin korkean GWP:n HFC. Se tarkoittaa, että kylmäainevalinnassa on tarkasteltava samanaikaisesti ilmastovaikutusta, hajoamistuotteita, paloturvallisuutta, myrkyllisyyttä, energiatehokkuutta ja käyttökohdetta.
Kylmäaineen rakenne
Puhdas aine vai kylmäaineseos?
Kylmäaineen koostumus vaikuttaa suoraan siihen, miten se käyttäytyy faasimuutoksessa. Puhdas aine vaihtaa olomuotoa tietyllä paineella yhdessä kyllästymislämpötilassa. R4xx-sarjan kylmäaineet ovat seoksia: osalla lämpötilaliukuma on hyvin pieni, kun taas zeotrooppisilla seoksilla lämpötila muuttuu höyrystymisen ja lauhtumisen aikana. Tätä lämpötilaeroa kutsutaan liukumaksi eli glideksi.
Puhdas kylmäaine
Koostuu yhdestä kemiallisesta aineesta. Nesteen ja höyryn tasapaino määräytyy yhdellä kyllästymislämpötilalla tietyssä paineessa. Lämpötilaliukumaa ei ole.
Esimerkkejä: R290, R32, R134a, R717, R744
Lähes atseotrooppinen seos
Koostuu useasta komponentista, mutta lämpötilaliukuma on hyvin pieni ja käyttäytyminen muistuttaa faasimuutoksessa puhdasta ainetta.
Esimerkkejä: R404A, R410A · bubble ≈ dew
Zeotrooppinen seos
Komponenttien erilaiset kiehumisominaisuudet aiheuttavat sen, että lämpötila muuttuu faasimuutoksen aikana vaikka paine pysyy lähes vakiona. Höyrystyminen kulkee bubble-pisteestä dew-pisteeseen.
Esimerkkejä: R407C, R448A
Näe ero oikeassa kylmäprosessissa
Lämpötilaliukuma kylmäaineseoksissa – R448A esimerkkinä
Alla on tarkoituksella pelkistetty mini log p-h -laskin. R290 toimii puhtaan kylmäaineen vertailuna ja R448A esimerkkinä liukuvasta zeotrooppisesta seoksesta. Säädä höyrystymisen dew-lämpötilaa, lauhtumisen bubble-lämpötilaa, tulistusta ja alijäähdytystä ja seuraa, miten liukuma näkyy prosessissa.
Mittauksen perussääntö:
Tulistus lasketaan DEW-pisteestä.
Alijäähdytys lasketaan BUBBLE-pisteestä.
Tulistus lasketaan DEW-pisteestä.
Alijäähdytys lasketaan BUBBLE-pisteestä.
Prosessin säädöt
Oletus: lauhtuminen +40 °C, höyrystyminen −10 °C, tulistus 5 K ja alijäähdytys 5 K. Säätimet päivittävät molempien kylmäaineiden prosessit samanaikaisesti.
R290 · puhdas aine
Bubble ja dew ovat samalla paineella sama lämpötila. Glide = 0 K.
1 · Kompressorin imuDEW −10,0 °C
Imukaasu −5,0 °C
Tulistus 5,0 K
Imukaasu −5,0 °C
Tulistus 5,0 K
3 · Alijäähtynyt nesteBUBBLE +40,0 °C
Nestelämpötila +35,0 °C
Alijäähdytys 5,0 K
Nestelämpötila +35,0 °C
Alijäähdytys 5,0 K
R290: puhtaalla kylmäaineella faasimuutos tapahtuu samalla paineella samassa kyllästymislämpötilassa. Siksi höyrystimen ja lauhduttimen liukuma on 0,0 K. Kun prosessiarvoja muutetaan, paineviivat ja prosessipisteet liikkuvat, mutta lämpötila ei liu'u kaksifaasialueella.
R448A · zeotrooppinen seos
Sama asetettu dew-lämpötila, mutta höyrystimen alkupään bubble-lämpötila on alempi.
1 · Kompressorin imuDEW −10,0 °C
Imukaasu −5,0 °C
Tulistus 5,0 K
Imukaasu −5,0 °C
Tulistus 5,0 K
3 · Alijäähtynyt nesteBUBBLE +40,0 °C
Nestelämpötila +35,0 °C
Nestelämpötila +35,0 °C
Höyrystimen liukumaBUBBLE −15,5 °C
DEW −10,0 °C
Glide 5,5 K
DEW −10,0 °C
Glide 5,5 K
R448A: zeotrooppisella seoksella lämpötila muuttuu faasimuutoksen aikana, vaikka paine pysyy lähes vakiona. Liukuma näkyy suoraan höyrystimen ja lauhduttimen paineviivojen alla. Kiinnitä huomio seosalueen kalteviin lämpötilakäyriin: niiden vuoksi bubble- ja dew-lämpötilat ovat eri suuret.
2
Paine–lämpötilaominaisuus
Kylmäaineilla on erilaiset kyllästyspaineet
Jokaisella kylmäaineella on oma paine–lämpötilasuhteensa, ja tämä on yksi tärkeistä valintaperusteista. Kun kylmäaine on kylläisessä tilassa, paine ja lämpötila kuuluvat aina yhteen: jos tiedämme kyllästyspaineen, tiedämme myös kyllästymislämpötilan – ja päinvastoin.
Alla oleva animaatio näyttää saman asian käytännössä. Säädä höyrystymis- ja lauhtumislämpötilaa ja vertaa, kuinka erilaiset paineet R32, R290, ammoniakki ja CO₂ tarvitsevat samoissa lämpötiloissa.
Keskeinen havainto
Tiedämme paineen → tiedämme lämpötilan.
3
Matalapaine höyrystimessä – korkeapaine lauhduttimessa
Kompressori imee höyryä matalapainepuolelta ja puristaa sen korkeapainepuolelle. Paineen nostaminen nostaa samalla kylmäaineen kyllästymislämpötilaa, jolloin lämpö voidaan luovuttaa ympäristöön. Paisuntaventtiilin jälkeen paine laskee ja kylmäaine voi jälleen höyrystyä matalassa lämpötilassa.
Animaatiossa
Vertaa samoja lämpötiloja eri kylmäaineilla.
Paine–lämpötilavertailu
Sama lämpötila – eri kylmäaineilla eri paine
Alla oleva simulaatio näyttää yhden tärkeimmistä eroista käytännössä: jokaisella kylmäaineella on oma paine–lämpötilakäyränsä. Sen lisäksi valintaan vaikuttavat tehokkuus-, turvallisuus- ja ympäristötekijät.
Paine ja lämpötilaKäyttöalue, paineet sekä höyrystymis- ja lauhtumislämpötilat.
EnergiatehokkuusJärjestelmän hyötysuhde ja sopivuus suunniteltuun lämpötilatasoon.
YmpäristövaikutusGWP-arvo sekä käytössä olevat säädökset ja tulevat rajoitukset.
TurvallisuusPalavuus, myrkyllisyys, täyttömäärä ja asennuskohteen vaatimukset.
Järjestelmän tekniikkaKomponenttien paineenkesto, öljy-yhteensopivuus ja huollettavuus.
Käytännön toteutusKustannus, saatavuus, asentajan osaaminen ja käyttökohde.
Näin luet mallia
1
Alasäiliössä paine vastaa valittua höyrystymislämpötilaa.
2
Kompressori siirtää höyryä ja nostaa sen korkean paineen puolelle.
3
Yläsäiliössä korkeampi paine mahdollistaa lämmön luovutuksen ja lauhtumisen.
4
Neste kuristuu takaisin matalalle paineelle ja alkaa taas höyrystyä.
Matalapainepuolella kylmäaine kiehuu kylmässä ja muuttuu nesteestä höyryksi. Korkeapainepuolella kylmäaine lauhtuu lämpimässä ja muuttuu takaisin höyrystä nesteeksi.