Co krąży w pompie ciepła?

Płyn krążący w zamkniętym obiegu pompy ulega przemianom termodynamicznym, dzięki którym może przenosić, odbierać i oddawać energię. Czynnikami roboczymi są związki chemiczne występujące w przyrodzie w postaci gazu lub otrzymywane syntetycznie. Oznaczane są literą R, która wzięła się od angielskiego słowa „refrigerant”. Czynnik roboczy wywiera istotny wpływ na efektywność pracy pompy ciepła. Dobranie odpowiedniego nośnika ciepła ma zasadnicze znaczenie nie tylko dla uzyskania lepszych wskaźników pracy pompy, ale również dla środowiska. Dlatego wybierając odpowiedni czynnik należy zwrócić uwagę na szereg wymagań jakie musi on spełniać.

Ważną kwestią jest temperatura wrzenia takiego czynnika, która powinna być jak najmniejsza, aby nie było konieczne dostarczanie zbyt dużych ilości nieodnawialnej energii do zasilania sprężarki w układzie pompy ciepła. Na pobór energii napędowej wpływ ma również objętość właściwa pary czynnika. Powinna być ona umiarkowana, gdyż im większy jest ten parametr, tym mniejsza ilość pobieranej energii, ale jednocześnie mniejsza jest także sprawność pracy urządzenia. Kolejnym wymogiem jest mała pojemność cieplna płynu, co decyduje o mniejszych stratach energii powodowanych koniecznością chłodzenia pary czy dławienia cieczy. Dodatkowo czynnik taki powinien charakteryzować się nisko położonym punktem krzepnięcia oraz wysoko położonym punktem krytycznym. Tłumacząc na prostszy język, oznacza to, że idealny płyn to taki, który ma niską temperaturę zamarzania i jednocześnie wysoką temperaturę parowania. Ważny jest również wpływ czynnika na efekt cieplarniany oraz niszczenie warstwy ozonowej – powinien być zatem ekologiczny. Ponadto musi go charakteryzować niepalność, niewybuchowość i obojętność chemiczna wobec materiałów konstrukcyjnych. Najlepiej jakby przy tym miał jeszcze niewysoką cenę.

Są to bardzo duże wymagania i niezwykle trudno jest stworzyć czynnik, który spełniałby wszystkie jednocześnie. Dlatego dobór odpowiedniej substancji jest swego rodzaju kompromisem, musi być poprzedzony analizą. W zależności od różnorodnych kryteriów tj. typ urządzenia, jego wielkość i przeznaczenie oraz zakres pracy dobierany jest odpowiedni płyn chłodniczy. Często decyduje również aspekt ekonomiczny proponowanego rozwiązania.

Czynnikami, które najlepiej spełniają wszystkie założone kryteria termodynamiczne okazały się być związki fluorowcopochodne węglowodorów alifatycznych – tzw. freony. Jednak badania ich wpływu na zjawisko efektu cieplarnianego i ubytek warstwy ozonowej doprowadziły do podjęcia restrykcyjnych działań o światowym zasięgu w celu wyeliminowania ich z wszelkich zastosowań. Protokół Montrealski w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową z 16 września 1987 r. przewiduje eliminację z zastosowań gospodarczych związków grupy CFC i ograniczenie, a docelowo wycofanie z obrotu czynników grupy HCFC. Eliminacja ta może nastąpić np. poprzez wprowadzenie zupełnie nowych substancji syntetycznych, stosowanie substancji przejściowych lub mieszanin związków opartych o HFC i HCFC, ewentualnie poprzez wprowadzenie rozwiązań konstrukcyjnych ograniczających zawartość czynnika lub eliminujących możliwość jego ucieczki z układu. Innym rozwiązaniem jest powrót do czynników naturalnych.

Fluorowce to związki bezbarwne, bezzapachowe, niepalne i nietoksyczne. Wyjaśniając użyte powyżej skróty literowe, wyróżnić można 3 najważniejsze grupy: CFC, czyli chlorofluorowęglowodory: np. R 11, R 12 – wycofane, HCFC, czyli wodorochlorofluorowęglowodory np. R 22 – zamiennik R 12, w trakcie wycofywania oraz HFC, czyli hydrofluorowęglowodory – np. R 123, R 134a.

Obecnie trwają ciągłe badania nad tworzeniem alternatywy dla tych czynników. Nowe związki powinny spełniać wymagania prawne, jednocześnie spełniając podstawowe kryteria charakteryzujące wycofane freony. Najpowszechniej aktualnie stosowanymi w pompach ciepła czynnikami są mieszaniny kilku substancji o zbliżonych właściwościach fizykochemicznych do fluorowców. Przykładami są:

czynnik R 134a, który jest najpopularniejszym zamiennikiem wycofanego freonu R 12, posiada bardzo zbliżone do niego właściwości (często lepsze), a dodatkowo jest nietoksyczny i niepalny oraz nieszkodliwy dla warstwy ozonowej,

czynnik R 404A to roztwór zeotropowy czynników  R 125, R 143a, R 134a, o podobnej do freonu R 22 objętościowej wydajności cieplnej, nie tworzy z powietrzem mieszaniny wybuchowej, a ponadto, podobnie jak poprzedni, jest niepalny i nieszkodliwy dla warstwy ozonowej,

czynnik R 407C, który jest roztworem zeotropowym czynników  R 32, R 125, R 134a, o podobnych do freonu R 22 właściwościach, charakteryzuje się dużym poślizgiem temperatury,

czynnik R 410A to roztwór czynników R 32, R 125, stosowany jako długoterminowy substytut czynnika R 22, posiada mały poślizg temperaturowy oraz bardzo wysoką objętościową wydajność, a wysokie współczynniki wnikania ciepła podczas zmiany stanu skupienia mają korzystny wpływ na wielkość zastosowanych wymienników ciepła, ponadto jest niepalny i nieszkodliwy.

Previous Article

Energia słoneczna na autostradzie?

Next Article

Oświadczenie PSES: Energetyka słoneczna lekarstwem na ograniczenie dostaw energii elektrycznej

Dodaj komentarz