Το μέλλον των ψυκτικών ρευστών

Η ιστορία των ψυκτικών ρευστών είναι μεγάλη και φαίνεται να επαναλαμβάνεται καθώς τα πρώτα ψυκτικά ρευστά που χρησιμοποιήθηκαν επανέρχονται ξανά στο προσκήνιο. Η βασική τεχνολογία λειτουργίας του ψυκτικού κύκλου συμπίεσης αερίου δεν προβλέπεται να διαφοροποιηθεί τα επόμενα χρόνια. Ωστόσο υπάρχει μεγάλη πίεση σε σχέση με τα ψυκτικά ρευστά ώστε να οδηγηθούμε στη χρήση πιο φιλικών προς το περιβάλλον ψυκτικών μέσων. Καθώς η ζήτηση για ψύξη αυξάνεται, κυρίως μέσω των αναπτυσσόμενων οικονομιών, η κατάλληλη επιλογή ψυκτικού ρευστού γίνεται ακόμα πιο σημαντική.

Γράφει ο Δαλαβούρας Δημήτριος, Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, MSc, MBA
OPMP ASHRAE Certified, Γενική Ψυκτική ΑΤΕΚΕ

Μία πολύ σημαντική παράμετρος είναι η τιμή Global Warming Potential (GWP), η οποία είναι ένας δείκτης που αντικατοπτρίζει την επίδραση των ψυκτικών ρευστών στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και άρα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη. Όταν σκεφτόμαστε μακροπρόθεσμα βιώσιμες λύσεις θα πρέπει αυτές να είναι φιλικές προς το περιβάλλον, οικονομικές και ασφαλείς. Δεν υπάρχει κάποιο «τέλειο» ψυκτικό ρευστό και για το λόγο αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιούνται αυτά που ισορροπούν καλύτερα στις προτεραιότητές μας.

Ο κυριότερος παράγοντας μετάβασης σε νέα ψυκτικά ρευστά είναι οι κανονισμοί και οι απαγορεύσεις που απορρέουν από αυτούς. Η Ευρώπη είναι πρωτοπόρος σε αυτή την κατεύθυνση, αλλά και σε όλο τον κόσμο παρουσιάζεται η ίδια τάση να οδηγηθούμε σε ψυκτικά ρευστά χαμηλότερου GWP. Στις 23 Σεπτέμβρη 2021 το Γραφείο Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ (ΕΡΑ) ανακοίνωσε τον περιορισμό της παραγωγής και κατανάλωσης των HFC κατά 85% στα επόμενα 15 χρόνια, συμβαδίζοντας έτσι με το πρόγραμμα που έχει καθοριστεί από την αυστηροποίηση του πρωτόκολλου του Μόντρεαλ με την συμφωνία στο Κιγκάλι. Τα φυσικά ψυκτικά ρευστά έχουν χαμηλό GWP και είναι αποδοτικά επομένως διαφαίνεται να είναι η προτιμώμενη λύση αν δεν υπάρχουν περιορισμοί ασφάλειας που μπορεί να αποτρέπουν την χρήση τους. Ας δούμε όμως τα νέα ψυκτικά ρευστά και την προβλεπόμενη πορεία τους.

R32. Το R32 είναι HFC και αποτελεί μία εναλλακτική λύση στο R410Α προσφέροντας παρόμοιες ιδιότητες με πολύ χαμηλότερο GWP (675 αντί 2088). Έτσι καθώς από το 2025 απαγορεύεται σε κλιματιστικά η χρήση ψυκτικών ρευστών με GWP μεγαλύτερο από 750 το R32 έδωσε τη λύση και πλέον όλοι οι κατασκευαστές κλιματιστικών χρησιμοποιούν το R32 ως ψυκτικό μέσο. Ήδη όλος ο κλάδος των κλιματιστικών τύπου σπλιτ το χρησιμοποιεί ενώ η χρήση του επεκτείνεται και στις αντλίες θερμότητας και σε μεγαλύτερα κεντρικά συστήματα κλιματισμού. Το μειονέκτημα του R32 είναι ότι ανήκει στην κατηγορία Α2L που σημαίνει ότι είναι ελαφρώς εύφλεκτο. Το γεγονός αυτό δημιουργεί σε αρκετές περιπτώσεις προβλήματα στη χρήση του καθώς προσθέτει περιορισμούς στη χρήση εξοπλισμού που δουλεύει με R32.

R466Α. ToR466Α είναι ένα επίσης νέο ψυκτικό ρευστό το οποίο ανήκει στην κατηγορία Α1 και φαίνεται να μπορεί να αντικαταστήσει το R32 καθώς θα έχει αντίστοιχη τιμή GWP, χωρίς το πρόβλημα της ευφλεξιμότητας. Επιπλέον η ανανεωμένη λίστα AR6 εμφανίζει το R32 με τιμή GWP 771 κάτι που το κατατάσσει στις ουσίες που απαγορεύονται για χρήση σε κλιματιστικά τύπου σπλιτ μετά το 2025. Με πρόσφατο νόμο στη Γερμανία που τέθηκε σε ισχύ από την 1 Αυγούστου 2021 για να καταπολεμηθεί το λαθρεμπόριο των ψυκτικών ρευστών πλέον οποιοσδήποτε αγοράζει ψυκτικό ρευστό HFC θα πρέπει να ελέγχει ότι αυτό έχει εισαχθεί νόμιμα στην Ευρωπαϊκή Ένωση.

HFO. Τα HFO έχουν χαμηλές τιμές GWP και είναι μη εύφλεκτα ή ελαφρώς εύφλεκτα. Συνήθως η τιμή του GWP είναι αντιστρόφως ανάλογη της ευφλεξιμότητας του ψυκτικού ρευστού. Ήδη υπάρχουν πολλές εφαρμογές που τα χρησιμοποιούν ενώ και οι κατασκευαστές έχουν διαθέσιμα συστήματα που μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν σαν εργαζόμενο μέσο. Δυστυχώς έρευνες δείχνουν ότι ένα από τα προϊόντα αποσύνθεσης των HFO είναι το TFA το οποίο εναποτίθεται στον υδροφόρο ορίζοντα χωρίς την δυνατότητα απομάκρυνσής του από το πόσιμο νερό. Πληθαίνουν λοιπόν οι φωνές να μην είναι αυτά η εναλλακτική λύση στα HFC. Η αυστηροποίηση των κανονισμών που αναμένεται τα επόμενα χρόνια θα μπορούσε να επηρεάσει και τις τιμές αυτών των ψυκτικών ρευστών οδηγώντας σε συνεχόμενες αυξήσεις.

Η ένωση ψύξης και κλιματισμού της Νορβηγίας, προειδοποίησε τα μέλη της ότι έχει καταθέσει προτάσεις για τον περιορισμό των ουσιών PFAS που θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν το τέλος των συνθετικών ψυκτικών στην Ευρώπη. Τον περασμένο μήνα, πέντε ευρωπαϊκά κράτη, Γερμανία, Ολλανδία, Νορβηγία, Σουηδία και Δανία, δημοσίευσαν την πρόθεσή τους να υποβάλουν κοινή πρόταση περιορισμού βάσει των ευρωπαϊκών κανονισμών REACH για τις ουσίες (PFAS) στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Χημικών (ECHA). Αυτή η πρόταση περιλαμβάνει οποιαδήποτε ουσία ανήκει στην ομάδα CF2 ή στην ομάδα CF3, περιλαμβάνοντας και τα ψυκτικά ρευστά HFC και HFO. H ενσωμάτωση στους κανονισμούς REACH θα σήμαινε ότι οι ουσίες θα υπόκεινται σε αυστηρότερους κανόνες καταχώρισης και χρήσης, και σε ορισμένες περιπτώσεις πλήρη απαγόρευση χρήσης. Αυτοί οι περιορισμοί υπερβαίνουν τους ισχύοντες ευρωπαϊκούς κανονισμούς γιατα φθοριούχα αέρια και η επιβολή τους θα ήταν πιο αυστηρή. Μέχρι τα μέσα του 2022 θα κατατεθεί ο φάκελος με τις προτάσεις περιορισμών ενώ το 2023 θα αρχίσει η Ευρωπαϊκή επιτροπή να εργάζεται για τροποποιήσεις των κανονισμών REACH.

Υδρογονάνθρακες (HC). Οι HC είναι φυσικά ψυκτικά ρευστά με κύριους εκπροσώπους τα R290 (προπάνιο) και R600a (ισοβουτάνιο). Το R600a ήδη χρησιμοποιείται σε όλα τα νέα οικιακά ψυγεία. Οι HC έχουν πολύ χαμηλές τιμές GWP, και παρουσιάζουν γενικά καλές ιδιότητες σαν ψυκτικά μέσα, ωστόσο ανήκουν στην κατηγορία Α3 που σημαίνει ότι είναι εξαιρετικά εύφλεκτα. Αυτή τους η ιδιότητα θέτει περιορισμούς στην επιτρεπόμενη ποσότητα πλήρωσης συστημάτων με HC. Εκτός από την οικιακή ψύξη, υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν και σε εφαρμογές επαγγελματικής ψύξης ενώ συναντώνται και λύσεις ψυκτών HC ώστε να μην εισέρχονται μέσα στον εξυπηρετούμενο χώρο. Τέλος με τα προβλήματα που παρουσιάζουν τα HFC θα μπορούσαν οι HC να χρησιμοποιηθούν και σαν ψυκτικό μέσο σε κλιματιστικές μονάδες τύπου σπλιτ.

Αμμωνία (ΝΗ3). Η αμμωνία είναι ένα γνωστό και διαδεδομένο ψυκτικό ρευστό. Έχει τιμή GWP ίση με το μηδέν ενώ έχει και πολύ καλές ιδιότητες σαν ψυκτικό ρευστό επιτρέποντας στα συστήματα που λειτουργούν με αμμωνία να είναι υψηλής ενεργειακής αποδοτικότητας. Επιπλέον σαν ψυκτικό ρευστό είναι φθηνή και εύκολα διαθέσιμη. Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα ψύξης απευθείας εκτόνωσης αμμωνίας μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλούς συντελεστές αποδοτικότητας.

Ωστόσο παρά τα πλεονεκτήματά της η αμμωνία έχει και μειονεκτήματα. Τα κυριότερα είναι η ευφλεξιμότητά της και η τοξικότητά της. Αυτά τα χαρακτηριστικά της δημιουργούν αρκετούς περιορισμούς που δυσκολεύουν την επιλογή της. Για το λόγο αυτό συχνά δεν επιλέγονται συστήματα απευθείας εκτόνωσης αμμωνίας, ώστε να μην εισέρχεται η αμμωνία μέσα στο χώρο των τροφίμων. αλλά προτιμώνται ψύκτες αμμωνίας με κάποιο διάλυμα να κυκλοφορεί στους αεροψυκτήρες. Αυτό βέβαια σημαίνει ότι υπάρχει ένα επιπλέον θερμοκρασιακό «σκαλοπάτι» που μειώνει την αποδοτικότητα του συστήματος. Παρόλα αυτά η αμμωνία παραμένει ένα ψυκτικό ρευστό που χρησιμοποιείται σε μεγάλες εγκαταστάσεις βιομηχανικής ψύξης. Σε αυτό συνεισφέρει και η ύπαρξη μεγάλων συμπιεστών screw πολύ μεγάλου εκτοπίσματος.

Διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το CO2 ήταν από τα πρώτα ψυκτικά ρευστά που χρησιμοποιήθηκαν, ωστόσο η έλευση των συνθετικών ψυκτικών ρευστών οδήγησε στην σταδιακή απομάκρυνσή του. Καθώς όμως τα συνθετικά ψυκτικά ρευστά έχουν αρνητική επίδραση στην στοιβάδα του όζοντος ή/ και στο φαινόμενο του θερμοκηπίου το CO2 ξαναήρθε στο προσκήνιο, με την σημερινή τεχνολογία να μπορεί να το υποστηρίξει πολύ καλύτερα. Πλέον τα υπερκρίσιμα συστήματα CO2 αποτελούν τη συνηθέστερη λύση στην επαγγελματική ψύξη στην Ευρώπη. Ήδη υπάρχουν πολλές χιλιάδες εγκατεστημένα συστήματα. Οι λόγοι που προκρίνουν τη χρήση του CO2 σαν ψυκτικό ρευστό είναι πολλοί.

Έχει τιμή GWP ίση με 1, είναι μη εύφλεκτο και μη τοξικό ενώ ταυτόχρονα είναι φθηνό και εύκολα διαθέσιμο. Και βέβαια έχει εξαιρετικές ιδιότητες σαν ψυκτικό ρευστό. Έχει περίπου 5 φορές υψηλότερη ψυκτική απόδοση ανά μονάδα όγκου από την αμμωνία και 8,5 φορές υψηλότερη από το R600a. Επιπλέον έχει υψηλή ειδική θερμότητα, πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλό ιξώδες, χαρακτηριστικά που του προσφέρουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας. Τα υπερκρίσιμα συστήματα CO2 δουλεύουν σε ψυκτικό κύκλο με πολύ μικρό λόγο συμπίεσης (2-5) και η λειτουργία των συμπιεστών προσεγγίζουν περισσότερο την ισεντροπική μεταβολή.
Και το CO2 όμως έχει μειονεκτήματα. Αυτά είναι το χαμηλό κρίσιμο σημείο (31,1°C) και η υψηλή πίεση λειτουργίας. Σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος πάνω από τους 25οC περίπου τα συστήματα CO2 λειτουργούν στην υπερκρίσιμη φάση με χαμηλότερη αποδοτικότητα. Ωστόσο έχουν αναπτυχθεί, και αναπτύσσονται συνεχώς, τεχνολογίες που ελαχιστοποιούν την επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντος και τα συστήματα CO2 επιτυγχάνουν ιδιαίτερα υψηλούς συντελεστές αποδοτικότητας. Εκτός της χρήσης του στην επαγγελματική ψύξη, το CO2 έχει επεκταθεί και στον κλιματισμό των αυτοκινήτων, στην βιομηχανική ψύξη και στις αντλίες θερμότητας. Στην βιομηχανική ψύξη η διείσδυση του CO2 στη θέση της αμμωνίας είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι ήταν η διείσδυση των συνθετικών ψυκτικών ρευστών. Λειτουργεί ήδη στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ ψυκτικό συγκρότημα υπερκρίσιμου CO2 με συνολική ψυκτική απόδοση 5MW. Στην Δανία ετοιμάζεται μία νέα αντλία θερμότητας με ψυκτικό μέσο το CO2, η οποία θα αντικαταστήσει ένα εργοστάσιο άνθρακα, απόδοσης 50MW για να καλύψει μέσω τηλε-θέρμανσης της ανάγκες των 100.000 κατοίκων των πόλεων Esbjerg, Varde και Nordby.

Την ανοδική πορεία του CO2 φαίνεται να υποστηρίζουν και οι κατασκευαστές. Η Bitzer έχει παρουσιάσει έναν 8 κύλινδρο παλινδρομικό συμπιεστή με εκτόπισμα 99,2 m3/h ενώ και η Dorin είναι στα τελικά στάδια εξέλιξης του δικού της συμπιεστή για CO2 με εκτόπισμα 102m3/h. Η Danfoss παρουσίασε το σύστημα adaptive liquid management solution βελτιώνοντας την αποδοτικότητα των υπερκρίσιμων συστημάτων CO2

Συμπέρασματα

Καθώς η πίεση για χρήση βιώσιμων ψυκτικών ρευστών συνεχώς μεγαλώνει, φαίνεται να είναι η καλύτερη στιγμή για την επιλογή φυσικών ψυκτικών ρευστών για τις νέες εγκαταστάσεις. Το διοξείδιο του άνθρακα, η αμμωνία και οι υδρογονάνθρακες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε όλο το εύρος των εγκαταστάσεων με μεγάλη επιτυχία. Παραμένει ακόμα χώρος για τα συνθετικά ψυκτικά ρευστά χαμηλού GWP, κυρίως σε μικρές επαγγελματικές εγκαταστάσεις και σε εγκαταστάσεις κλιματισμού, εφόσον το επιτρέψουν οι επερχόμενες νομοθεσίες. Διαλέγοντας το καταλληλότερο ψυκτικό ρευστό ανάλογα με την εφαρμογή συμβάλλουμε στην ανάπτυξη της ψύξης και του κλιματισμού χωρίς αρνητικό αντίκτυπο στο περιβάλλον.

Πηγές:
Danfoss.com
Coolingpost.com
isentra.net