Érdekességek

Az R134a hűtőközeg helyettesítése személygépkocsik klímaberendezéseiben

Forrás: hklszaklap.hu - lapszám: 2009/január-február

A személygépkocsik klímaberendezéseinél a hűtőközeg-probléma az ózonpajzsot károsító CFC-közegek, köztük az itt is kitűnően bevált R12 hűtőközeg betiltásával keletkezett. Helyettesítőjeként ezen a területen mintegy 20 éve jó eredménnyel és szinte kizárólagosan az R134a közeget használják. Ez a hűtőközeg a HFC hűtőközeg-csoporthoz tartozik, vagyis klórmentes, tehát ózonkárosító hatása nincs (ODP = 0). De ahogy azt a csoport elnevezésében az F betű jelzi: fluortartalmú. A fluor esetleges kiszökése (emissziója) pedig a légkör üvegházhatását fokozva hozzájárul a globális felmelegedéshez.

A légkör üvegházhatásának növekedése elsősorban a fosszilis tüzelőanyagok elégetésénél keletkező CO2-nek „köszönhető”. De amíg a CO2 légkört károsító potenciálja GWP = 1, az R134a közegre vonatkozóan a GWP = 1300, vagyis 1 kg R134a kiszökése majdnem másfél tonna szén-dioxid kibocsátásával egyenértékű. A fluortartalmú gázok kibocsátásának korlátozására született úgynevezett „F-gáz törvény” (EK 842/2006 sz. rendelet) a fluortartalmú hűtőközegekre vonatkozóan nem tartalmaz tiltást, és a töltetnagyságot sem korlátozza, de a biztonsági szabványokkal együtt (például MSz EN 378) a berendezések minél nagyobb fokú hermetizálását és (bizonyos töltethatár felett) az időközben keletkező szivárgások rendszeres ellenőrzését írja elő.

A VDMA (Verband Deutscher Maschienen- und Anlagenbau) német gép- és berendezésgyártó szövetség javaslatai szerint a 10 kg-nál kisebb töltetű hűtőberendezések még megengedhető éves emissziója a töltet legfeljebb 3%-a lehetne évente. Ezzel szemben a statisztikák alapján az ezredfordulót követő években a gépjárművek tényleges éves hűtőközeg-vesztesége mintegy 35%-os volt. Ez az arány (ami azt is jelenti, hogy átlagosan 3 évenként újra kell tölteni őket) azonban aligha javult az utóbbi években, és nem is nagyon javítható, mert az úgynevezett autóklímák a „nyitott” (tömszelencés) kompresszoraikkal és flexibilis csővezetékeikkel eleve nagyobb szökési rizikót jelentenek, mint az a stabil hűtőberendezéseknél várható. De figyelembe kell venni azt is, hogy a kisebb-nagyobb karamboloknál a hűtő elé helyezett kondenzátor is sokszor megsérül, és ilyenkor általában a teljes töltet eltávozik. Sőt, még azt is figyelembe kell venni, hogy motoron végzett javításokhoz gyakran a hibátlan hűtőrendszert is meg kell bontani, ami még a legszakszerűbb „zárt rendszerű” javítási technológia alkalmazása mellett is bizonyos hűtőközeg-veszteséggel jár. Ha pedig arra gondolunk, hogy jelenleg félmilliárdnál is több gépkocsi közlekedik az útakon, könnyen ki lehet számítani, hogy a világ gépkocsiparkjának R134a-emissziója megközelítheti a 100 000 tonnát is évente, ami pedig mintegy 1,3 milliárd tonna CO2 kibocsátásával egyenértékű. Nem csoda tehát, hogy erre már felfigyeltek a környezetvédők.

A gépkocsi-klímák R134a-kibocsátásának korlátozására ezért egy EU-irányelv (40/2006 EG) született, amely szerint - ha közben nem módosítják - 2011-től az új személygépkocsi modelleknél, 2017-től pedig minden modellnél a klímaberendezéseikhez csak olyan hűtőközegek lesznek használhatók, amelyeknek az üvegházhatást növelő potenciálja GWP < 150. Ez a követelmény kizárja a majdnem tízszer ártalmasabb R134a további alkalmazását, tehát új hűtőközeg(ek)re lesz szükség. A rendelet a GWP-határon kívül más követelményt ugyan nem támaszt, de természetes, hogy a helyettesítő közegekkel a klíma-hűtőberendezés hatékonysága (a COP) nem nagyon változhat, mert annak romlása az indirekt hatást, az üzemanyag eltüzelésekor keletkező CO2 kibocsátásának növekedését eredményezné. A jelenlegi vélemények szerint mindezeket figyelembe véve a szóban fogó területen a jövőben három „új” hűtőközeg jöhetne szóba: az R152, a HFI-1234yf és az R144 (azaz a CO2). Mostani cikkünkben ezek alkalmazhatóságát vetjük össze.

Az R152a, mint az R134a helyettesítője

Az R152a és az R134a hűtőtechnikai tulajdonságai nagyon hasonlítanak egymáshoz. Az R152a nyomásai kb. 10%-kal kisebbek. A COP-je hasonló, a feladat megoldásához keringtetendő hűtőközeg tömegáram és a gőzsűrűség kedvezőbbek, ezáltal a kompresszorméret kb. 5%-kal, a nyomásesések pedig mintegy 40%-kal kisebbek lehetnek. Az „üvegház-potenciál”-ja az új követelménynek megfelelő: GWP = 140, vagyis kisebb a várható felső határt jelentő 150-nél. Tulajdonképpen egy korábbról is ismert hűtközegről (CHF2CH3) van szó, amelyet eddig csak blendekben alkalmaztak. Nem mérgező, viszont csekély fluor-tartalma következtében éghető, és ezért biztonsági szempontból az „A2” (közepesen veszélyes) osztályba sorolták. Így azonban fokozottabb biztonsági követelmények vonatkoznak rá, amelyek miatt használni csak néhány speciális biztonsági intézkedés (például közvetítőközeg alkalmazása) mellett lenne szabad. A személygépkocsikban való jövőbeni alkalmazása ezért valószínűtlen.

A HFO-1234yf, mint az R134a helyettesítője

Néhány éve már több cég (Honeywell, DuPont, Arkema) is kísérletezik egy HFO-123yf megjelölésű, összetétele szerint CF3CF=CH2 (2,3,3,3-Tetrafluorpropán) vegyülettel. Hűtőtechnikai jellemzői nagyon hasonlítanak az R134a jellemzőihez.

Az 1. ábrán azt mutatjuk be a [2] közlemény alapján, hogy a logp-h diagramban az R134a és a HFO-1234yf hűtőközegek azonos hőmérsékletviszonyaihoz tartozó nyomásviszonyai és ezzel együtt (a vékony vonalakkal ábrázolt elméleti és a vastagon kihúzott valóságos) körfolyamatai is majdnem azonosak. A gépkocsiknál szokásos alkalmazási hőmérséklettartományban a HFO-1234yf főbb jellemzői (kritikus hőmérséklet, nyomásviszony, COP stb.) egy kb. 5%-os sávon belül megfelelnek az R134a jellemzőinek. A kompresszorméretet meghatározó „fajlagos hőelvonása” is kb. azonos, mert párolgáshője ugyan valamivel kisebb, de gőzsűrűsége nagyobb. Kiemelkedő tulajdonsága ennek a hűtőközegnek, hogy a GWP = 4, ami azzal van összefüggésben, hogy a légkörben elég gyorsan elbomlik. Emiatt természetesen felmerült a kérdés, hogy a hűtő-körfolyamatokban mennyire lesz stabil. A kísérletek azonban azt mutatták, hogy a személygépkocsi-klímáknál megkövetelt stabilitása megfelelő.

Ellene szól, hogy mérsékelten tűzveszélyes, bár a begyújtásához szükséges energia lényegesen nagyobb, mint amekkorára az R152a begyújtásához lenne szükség. Ugyanakkor lángterjedési sebessége csekély. Mindezek mellett is az ASHRAE minősítése lehet, hogy „A2” lesz. A széleskörű vizsgálatok azonban azt látszanak igazolni, hogy az említett mérsékelt gyulladási képessége a személygépkocsiknál nem jelent különösképpen megnövekedő rizikót. A vizsgálatok a hírek szerint tovább folynak, záró értékelés ez év végére várható.

Félmilliárdnál is több gépkocsi közlekedik az utakon, így az R134a-emissziója megközelítheti a 100 000 tonnát is évente, ami pedig mintegy 1,3 milliárd tonna CO2 kibocsátásával egyenértékű.

A CO2 (szén-dioxid, R744), mint az R134a helyettesítője

A CO2 kémiai jelű szén-dioxidot - mint hűtőközeget - a freonok „uralkodása” alatt szinte teljesen elfelejtették. Pedig azt megelőzően, a múlt század elején a CO2 volt a hűtőberendezések egyedüli „biztonsági” hűtőközege, mert az egészségre (a „borospince-effektust” kivéve) teljesen veszélytelen, és nemcsak hogy éghetetlen, de még a tűz oltására is alkalmas. Gyakran alkalmazták ezért olyan hűtési feladatok megoldásához (például halászhajókon, egyes zárt üzemekben stb.), amelyekhez az akkoriban „uralkodó” hűtőközeget, az egyébként kitűnő hűtőtechnikai tulajdonságokkal rendelkező, de veszélyes ammóniát (NH3) nem volt tanácsos használni. A biztonsági szabvány (MSz EN 378) a teljes ártalmatlanságot jelentő „A1” osztályba sorolja. A gépkocsik klímaberendezéseiben való használatának tehát semmiféle biztonsági akadálya nincs. A CO2 hűtéstechnikai jellemzői közül az a legszembetűnőbb, hogy nyomásai a szokásos hűtőközegekéhez viszonyítva rendkívül nagyok. Kritikus nyomása pKR = 73,8 bar, kritikus hőmérséklete viszont – ami felett már nem cseppfolyósítható - nagyon kicsi: tKR = 31 ºC. Ez utóbbi miatt a gépkocsik klímaberendezésiben, ahol célszerűen csak léghűtésű kondenzátor jöhet szóba, a szokásos kompresszoros gőz-körfolyamatokat nem lehet vele megvalósítani, mert a „nyári” levegőhőmérsékletek alig, vagy leggyakrabban egyáltalán nem is teszik lehetővé a kondenzálódását. Emiatt a gépkocsi-klimatizálást szolgáló hűtőberendezésekben csak az úgynevezett „szuperkritikus” CO2 hűtő-körfolyamat jöhet szóba. A szuperkritikus körfolyamatokat az jellemzi, hogy a kompresszió utáni hőleadást szolgáló hőcserélő itt nem „kondenzátor”-ként működik, hanem csupán egy „gőzhűtő”, melyben a közeg lehűl, de cseppfolyósodás nem jön létre. A többi rendszerkomponens, vagyis a kompresszor, az adagolószelep, az elpárologtató stb. szerepe változatlan.

A szuperkritikus körfolyamatoknak az a további „specialitásuk”, hogy az optimális COP eléréséhez a kompresszor ellennyomását a gőzhűtőben elérhető véghőmérséklettől függően szabályozni, optimalizálni kell. Az 1. ábra azonos elpárolgási és kondenzációs (illetve gőzhűtési) hőmérsékleteket feltételezve az említett helyettesítő közegek üzemi nyomásainak és hatékonyságának (COP) összehasonlítására szolgál.

Tisztán termodinamikailag szemlélve, vagyis elvileg még az optimális nyomásviszonnyal működő szuperkritikus CO2 körfolyamatokkal is csak kedvezőtlenebb COP érhető el, mint a szokásos gőz-körfolyamatokkal. De itt nem ez az elvi kérdés a döntő, hanem az, hogy konkrét, műszakilag gazdaságosan megvalósítható és a gyártási költségek szempontjából is versenyképes berendezésekkel végeredményben melyik helyettesítő hűtőközeggel érhető el a régivel legalább megegyező, de lehetőleg jobb „rendszer-COP”, kedvezőbb üzemanyag-fogyasztás és kisebb károsanyag-emisszió. A helyettesítő hűtőközeg alkalmazhatóságának ugyanis az a feltétele, hogy az alkalmazás területén ezekből a szempontokból is versenyképes, sőt, ha lehet, jobb legyen a réginél. Mint látni fogjuk, így nézve a célt, a CO2-nek nagyon jó esélyei vannak. A használatát „támogató” tulajdonságai a már korábban is kiemelt teljes veszélytelensége mellett a következők:

A CO2 hűtőközeg alkalmazása a hőcserék szempontjából nagyon kedvező. A kondenzátort helyettesítő „gőzhűtő”-ben a hűtőközeg folyamatos, csökkenő irányú hőmérsékletváltozása nagyobb átlagos hőfokkülönbséget tesz lehetővé a hűtőközeg és a hűtőlevegő között, mint az állandó hőmérsékletű kondenzáció. A hőátadási tényezői is nagyon kedvezők. Az elpárologtatóban gazdaságosan megengedhető nyomásesésekhez rendkívül kis elpárolgási hőmérséklet-változás tartozik. Míg az R134a-nál például 6,7 ºC (expanziós szelep utáni) kezdő elpárolgási hőmérséklet esetén 0,7 bar nyomásesésnél az elpárologtató végéig a telítési hőmérséklet 6 K-nel csökken, ugyanakkora közepes elpárolgási hőmérsékletet és nyomásesést feltételezve CO2 használatakor a változás csak 0,7 K lesz [1]. Az pedig hűtéstechnikai szempontból mindig előnyös dolog, ha az egységnyi nyomásváltozáshoz tartozó elpárolgási hőmérséklet-változás kicsi, mert ilyenkor a közepes (mértékadó) elpárolgási hőmérséklethez tartozó nyomáshoz viszonyítva az elpárolgás végére a nyomás - a kompresszor szívóoldali nyomása - kisebb mértékben csökken. A CO2-vel a szükségszerű nyomásveszteségek mellett a kompresszió nyomásviszonya és ezzel a kompressziómunka az elméletihez képest viszonylag kisebb mértékben növekszik.

Előnyös dolog az is, hogy a CO2 párolgáshőjének és gőzsűrűségének viszonya rendkívül nagy. Ennek köszönhetően a keringésben tartott tömegáram (és térfogatáram is) a többi helyettesítő hűtőközeghez viszonyítva nagyon kicsi, tehát nemcsak a kompresszorméretek, hanem a csővezetékméretek is erőteljesen csökkenthetők. Az utóbbihoz még hozzájárul az is, hogy a viszkozitása nagyon kicsi, és ezért végeredményben a nyomásveszteségek – a kis csőátmérők mellett is - kedvezően kicsik lehetnek. Ismeretes, hogy adott nyomás elviseléséhez a kisebb átmérőjű csöveknél kisebb falvastagság szükséges, mint a nagyobbaknál. Így annak ellenére, hogy a CO2-nyomások igen nagyok, a megfelelő szilárdságú, de jóval kisebb átmérőjű csővezetékeknek az anyagszükséglete, súlya kb. azonos lehet azzal, ami az R134a vagy az említett másik két helyettesítő közeg nyomásaihoz szükséges csőátmérők és falvastagságok mellett lenne.

A „rendszer-COP” vonatkozásban a kompresszortechnológia is egy nagyon fontos tényező. Az [1] közlemény szerint a gépkocsik klímájához alkalmas, modern CO2 kompresszorok hatásfoka – különösen a nagyobb fordulatszámok tartományában – lényegesen nagyobb lehet, mint az R134a-val működő szokásos járműklíma-kompresszoroké.

Az említett cikk összefoglalóan azt állapítja meg, hogy a 35 ºC-nál kisebb környezeti hőmérsékleteken a világszínvonalú R134a kompresszorokkal működő klímaberendezések hatékonyságához képest is az újrendszerű, kiváló hatásfokú CO2 kompresszorokkal és korszerű szabályozással működő gépkocsi-klímaberendezések hatékonysága - hasonló üzemi feltételek mellett – a kedvezőbb. Expanderek, injektorok és economiser-rendszerek alkalmazásával pedig még további javulás is elképzelhető, mert így az expanziós folyamat energiaveszteségei is (legalábbis részben) visszanyerhetők. A >35 ºC környezeti hőmérsékletek tartományában az üzemanyag-felhasználás valamivel meghaladja az R134a-val működő szokásos gépkocsi-klímaberendezésekét. Ámde a gépkocsiklímák az üzemidejük kb. 97%-ában a világon általában 35 ºC-nál kisebb környezeti hőmérsékleteken működnek, az üzemidőnek tehát csupán kb. 3%-ában lesz nagyobb az R134a-hoz viszonyítva az üzemanyag-felhasználás. A CO2 alkalmazásától végeredményben kb. 15%-kal jobb átlagos „rendszer-COP”, és ennek megfelelően egy jelentősen kisebb össz üzemanyag-felhasználási és össz emissziós (TEWI) szint várható.

Tekintettel azonban a nyomás- és hőfokviszonyokra, a térfogat- és tömegáram-viszonyokra, a szabályozó- és biztonsági berendezésekre, valamint a megfelelő kialakítású és anyagú csővezetékekre, itt speciális kialakítású rendszerkomponensekre van szükség. Különösen kényes az említett kompresszortechnika, ahol a különleges feltételek (nyomások, térfogatáramok, hőmérsékletek stb.) miatt teljesen önálló, új konstrukciókra van szükség. A szuperkritikus körfolyamat hőmérsékletviszonyai a kenőanyagokkal és kenési rendszerrel kapcsolatban is speciális követelményeket támasztanak. A transzkritikus CO2-technológiáról azonban ma még nem mondható el, hogy elérte volna a megfelelő szintet, azaz további fejlesztésekre szorul [2]. Meg kell említeni végül – a többi helyettesítővel összevetve – az a vitathatatlan előnyt, hogy a CO2 akadálytalanul beszerezhető és rendkívül olcsó. Ennek a hűtőközegnek a szivárgása – amíg működésbeli gondokat nem okoz – sem számottevő környezetvédelmi, sem anyagi problémát nem jelent. Az esetleges meghibásodások javításakor nincs szükség „zárt” technológiákra (lefejtés, hatástalanítás stb.). Pótlása olcsó és egyszerű, szinte azt lehet mondani, hogy egy-két szifonpatronnal megoldható…

Összefoglalás

A gépkocsik klímaberendezéseinél az R134a hűtőközeg jövőbeni helyettesítésére három hűtőközeg: az R152, a HFI-1234yf és az R144 (azaz a CO2) jöhet jelenleg szóba. Azt mondhatjuk, hogy a „rendszer-COP” és ebből következően az üzemanyag-felhasználás és az össz károsanyag-kibocsátás (TEWI) szempontjából a reálisan megvalósítható gépkocsi-klímaberendezésekben alkalmazva az R152 és a HFO-1234yf hűtőközegek az R134a-val kb. egyenértékűek, a CO2 viszont – megfelelő korszerű megoldásokkal - egyértelműen kedvezőbb.

Az R152 a tűzveszélyessége miatt valószínűleg kiesik a versenyből. A HFO-1234yf hűtőközeggel kapcsolatos vizsgálatok azonban még nem zárultak le, de kisebb veszélyessége révén talán nem lesz akadálya a gépkocsikban való használatának. Ez utóbbi esetben igen nagy esélyei lesznek a helyettesítésre, mert ehhez a hűtőközeghez a korábbi technológiák, a kompresszorok, hőcserélők stb. szinte változatlanul tovább használhatók lennének, legfeljebb néhány kisebb módosításra (adagolás, szelepezés) lenne csupán szükség.

A mai szemszögből nézve még nem lehet egyértelműen megjósolni, hogy az egyébként legjobbnak látszó, de teljesen új technológiát igénylő CO2-vel működő gépkocsi-klímaberendezések áttörő sikert arathatnak-e. Ez az egyéb új, kis GWP-jű hűtőközegek előállítására irányuló további kísérletektől és üzemi tapasztalatoktól függ.

dr. Jakab Zoltán

Irodalom:
[1] Obrist F.,Lien K., Wolf F.: Reduktion der durch PKW-Klimaanlagen verursachten Emissionen. (Ki Kälte – Luft –Klimatechnik. 2008. Sept.)

[2] Kältemittel – Report. (Bitzer Kühlmaschienenbau GmbH. 2008 )

Vissza a cikkekhez