Porozumienie paryskie w listopadzie 2015 roku było przełomem w negocjacjach, które nastąpiły po wielu latach dyskusji w zakresie wdrożenia traktatu protokołu z Kioto. Porozumienie obejmuje m.in. ograniczenie przyszłego wzrostu temperatury atmosfery do 2°C, z możliwym zaostrzeniem do 1,5°C, wdrożenia poprzez plany krajowe i włączenie w obszar obowiązywania F-gazów. Dlatego europejskie rozporządzenie F-gazowe zawiera wiążące wymagania dotyczące ograniczenia emisji z tego sektora. 

 Jednym ze sposobów na osiągnięcie celów nakreślonych w traktacie paryskim na poziomie międzynarodowym jest postanowienie globalnego ograniczenia ilości oraz produkcji i zużycia czynników z grupy HFC w oparciu o GWP w protokole montrealskim. Decyzję też podjęto podczas spotkania w Kigali w październiku 2016.

W UE rozporządzenie F-gazowe już określa ilość i harmonogram wycofywania czynników w oparciu o tony równoważnego CO₂, na bazie 2015 roku. W porównaniu do roku bazowego 2015, ograniczenie ilości czynników do 37% ustalono na styczeń 2018 r. Aby poradzić sobie z tak dużym cięciem, potrzeba odpowiednich środków zabezpieczających dostępność potrzebnych czynników chłodniczych i umożliwiających spełnienie wymogów ograniczenia ilości F-gazów o wysokim GWP. Według badania Gapometer (EPEE), by spełnić to wymaganie, do stycznia 2018 r. 50% istniejących instalacji R404A należy zastąpić lub przezbroić na rozwiązania o niższym GWP. Dodatkowo, ponieważ wiele instalacji na R404A pracuje w krajach europejskich o trudnej sytuacji ekonomicznej, potrzebne są zamienniki R404A efektywne kosztowo. Potrzebne są także efektywne zamienniki zapewniające najniższe GWP, zachowujące klasę bezpieczeństwa R404A (ASHRAE 34 A1-class) oraz odpowiadające R404A pod względem własności termicznych i fizycznych.

R407H: Zamiennik serwisowy dla istniejących instalacji na R404A

R407H (w testach ASHRAE34, oczekiwana klasa bezpieczeństwa A1) jest mieszaniną przewidzianą jako czynnik serwisowy, umożliwiający obniżenie GWP napełnienia instalacji na R404A (dane fizyko-cieplne obliczone przy pomocy Refprop 9.0):

R407H ma być czynnikiem serwisowym odpowiednim do wszystkich zastosowań R404A. Osiąga niskie wartości GWP, porównywalne do innych zamienników serwisowych R404A, bez stosowania kosztownych składników HFO. Substancje HFC składające się na R407H stosowane są w chłodnictwie od wielu lat, stąd ich zgodność materiałowa i inne własności są powszechnie znane.

Testy cyklów i charakterystyki chłodnicze

Porównanie różnych czynników zaczyna się od symulacji cyklów teoretycznych. Symulacje cyklów wykorzystuja wyznaczone dane cieplno-fizyczne, które stanowią dobre przybliżenie jak czynnik zachowuje się w określonym cyklu z zadanymi warunkami odparowania i skraplania.

Symulacja cyklu zapewnia dobre przybliżenie oczekiwanych temperatur w parowniku i skraplaczu, ale nie uwzględnia procesów wymiany ciepła różnych czynników. Wymiana ciepła ma istotne znaczenie praktyczne – lepsza charakterystyka cieplna obniża wymaganą ΔT w wymianie ciepła i pozwala na podniesienie temperatury parowania oraz obniżenie temperatury skraplania. Testy laboratoryjne w prawdziwych warunkach polowych uwzględniające charakterystykę cieplną, dają dane bliższe rzeczywistości.

Na Uniwerystecie Jaume I przeprowadzono testy porównawcze dla zastosowań średnio- i niskotemperaturowych przy warunkach zestawionych w tabeli 3.

W badaniach wykonanych przez inżynierską grupę badań cieplnych, Jaume I Unversity, Castellón de la Plana, Spain zastosowano instalację testową przedstawioną schematycznie na rys. 1. Testy przeprowadzono w warunkach jak najbardziej zbliżonych do warunków polowych, umożliwiając pozyskanie i śledzenie cyklów danych.

Rys. 1. Schemat zestawu testowego, ustawionego na testy średniotemperaturowe, ustawionego na testy niskotemperaturowe z komponentami
niskotemperaturowymi

Próbki testowe z wbudowanymi czujnikami temperatury umieszczone zostały w standardowej supermarketowej witrynie chłodniczej w pomieszczeniu o kontrolowanych warunkach. Witrynę połączono z typowymi dla supermarketu komponentami i wyposażono w mierniki przepływu masowego, czujniki temperatury i czujniki ciśnienia. Parownik sterowany jest programowalnym elektronicznym zaworem rozprężnym (EXV).

Próbki testowe utrzymywane były w temperaturze 2°C dla warunków średniotemperaturowych i -20°C dla warunków niskotemperaturowych. Co 8 godzin przeprowadzano cykl odmrażania parownika, który kończył się po osiągnięciu temperatury 5°C. Każdy test przeprowadzano po cyklu 24 h.

Podczas testów R407H w zastosowaniu średnio- i niskotemperaturowym wrosła temperatura odparowania – odpowiednio o 7,7 K i 3,4 K w porównaniu do R404A – przy zachowaniu jednakowej temperatury produktu.

Wzrost temperatury wynika z niższej całkowitej frakcji parowej R407H na wejściu do parownika. Efekt ten wpływa na efektywność wymiany ciepła i pozwala na zachowanie niższej ΔT, a dzięki temu – wyższych temperatur odparowania.

Dodatkowym efektem ubocznym jest poprawiony COP i obniżenie obserwowanej temperatury tłoczenia, w porównaniu do symulacji komputerowej. Temperatura na tłoczeniu podczas testów R407H wykazuje bardzo umiarkowany wzrost – odpowiednio 11,6 K i 13,8 K dla zastosowań średnio- i niskotemperaturowych w odniesieniu do wartości dla R404A.

W obu głównych zastosowaniach R404A i R407H wykazuje podobne charakterystyki, zachowując umiarkowaną temperaturę tłoczenia.

Podsumowanie

W celu osiągnięcia ambitnych celów wycofywania czynników chłodniczych, przewidzianych zgodnie z europejskim rozporządzeniem F-gazowym na 2018 rok, czynnik R404A wymaga pilnej wymiany. Jeśli instalacje na R404A podlegają częstemu serwisowaniu ze względu na znaczne straty czynnika, należy zastosować czynnik o niższym GWP. Z symulacji teoretycznych wynika, że w określonych warunkach jeden czynnik można zastąpić drugim. Nie uwzględniają one jednak charakterystyk transportowych, które wpływają na wyniki w świecie rzeczywistym. Badania praktyczne, przeprowadzone w UJI w większości przypadków potwierdzają, że wymianę R404A można przeprowadzać przy użyciu R407H.

Ponieważ znaczna część istniejących instalacji R404A pracuje w krajach europejskich o trudnej sytuacji gospodarczej i rynkowej, R407H to rozwiązanie efektywne pod względem kosztów, oparte o znane składniki HFC, bez stosowania kosztownych alternatyw w postaci HFO. Czynnik ten wykazuje charakterystykę porównywalną do R404A w zastosowaniach średniotemperaturowych i lepszą w niskotemperaturowych.