Kategorisering av kylmedel och blandningar

Artikel

Kylsystem fungerar genom att en vätska passerar genom systemet och överför värme från det objekt som ska kylas ner till värmeväxlaren. I ett direktsystem passerar köldmediet genom kylanläggningen. När köldmediet är en separat vätska, en köldbärarblandning, kallas det ett indirekt kylsystem.

Ämnen i köldmedium

I allmänhet utgörs köldmedium av kolväten vars väteatomer har ersatts med halogenmolekyler. I lagstiftningen kategoriseras köldmedium efter vilken halogenmolekyl som använts. Baserat på halogenmolekyl kan halogenerade kolväten delas in i nedanstående typer.

CFC-kylmedel är fullständigt halogenerade kolväten som innehåller klor, fluor och kol men inget väte (Chloro-Fluoro-Carbon ger CFC). De är kylmedel med stark påverkan både på ozonlager och växthuseffekt.

HCFC-kylmedel är delvis halogenerade kolväten som innehåller klor, fluor, kol och väte (Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon ger HCFC). Den har en försumbar påverkan på ozonlagret, men bidrar starkt till växthuseffekten.

HFC-kylmedel i sin tur är delvis halogenerade kolväten som innehåller fluor, kol och väte (Hydro-Fluoro-Carbon ger HFC). I likhet med HCFC påverkar de inte ozonlagret men har en stark växthuseffekt.

PFC-kylmedel är fullständigt halogenerade kolväten som endast innehåller fluor och kol (Per-Fluoro-Carbon ger PFC). Liksom de ovanstående påverkar PFC:er inte ozonlagret men bidrar starkt till växthuseffekten.

HFO-kylmedel är delvis halogenerade kolväten som innehåller fluor, kol och väte (Hydro-Fluoro-Olefin ger HFO). Till skillnad från ovanstående påverkar HFO-kylmedel inte ozonlagret och har begränsad växthuseffekt.

HFC- och PFC-kylmedel kallas freoner eller F-gaser eftersom de innehåller fluor, som har kemiska beteckningen F. Även HFO-kylmedel klassificeras som F-gaser. Den molekylära strukturen på HFO-ämnen skiljer sig från den hos HFC-ämnen: HFO:er har en så kallad dubbelbindning mellan två kolatomer, HFC:er har endast enkelbindningar mellan kolatomerna.

F-gasförordningen likställer blandningar av HFO och HFC med rena HFC:er och kräver endast att rena HFO:er ska rapporteras.

Förutom de ovanstående grupperna finns det en grupp kylmedel som inte innehåller några halogenmolekyler. Dessa kallas naturliga kylmedel och inkluderar exempelvis rena kolväten, ammoniak och koldioxid. Det är ämnen som finns i naturen, inte skadar atmosfärens ozonlager och har ingen eller nästintill ingen påverkan på växthuseffekten. Naturliga kylmedel kan delas upp i två grupper:

HC-gaser är rena kolväten (Hydro-Carbon ger HC) som propan (R290) och butan (R600, propylen, isobutan) som inte påverkar ozonlagret och har en nästintill obefintlig påverkan på den globala uppvärmningen. De är däremot mycket brandfarliga, vilket begränsar användbarheten.

Oorganiska föreningar inkluderar ammoniak (R717) och koldioxid (R744), som är de som används mest. Båda dessa ämnen är oskadliga för ozonlagret. Ammoniak har ett GWP-värde (Global Warming Potential) på 0 och koldioxid har GWP-värdet 1, att jämföra med motsvarande värden för CFC:er och HFC:er som är 1 300 och mer. Andra oorganiska föreningar inkluderar vatten och luft. Nackdelen med ammoniak är att ämnet är giftigt och att beroende på koncentration och temperatur kan det vara explosivt i slutna utrymmen. Bortsett från det är det inte lättantändligt, men dessa egenskaper gör att maskiner som använder ammoniak måste stå i särskilda utrymmen. Höga koncentrationer av koldioxid, å sin sida, tränger bort syre vilket kan framkalla olika fysiska symtom och även leda till kvävning.

Märknings av köldmedier

Man har inom kyltekniken internationellt kommit överens om att beteckna kylmedel med hjälp av symbolen R (refrigerant) följt av siffror. För halogenkolväten (CFC, HCFC, HFC) representerar de respektive siffrorna antalet kol, väte och fluoratomer i varje molekyl. Om det finns mer än en kolatom kan atomernas position variera, även om antalet är detsamma. Dessa så kallade monomerer särskiljs genom en bokstav som följer sifferkoden (t.ex. R134a). Vissa, så kallade azeotropiska halogenerade kolvätesblandningar numreras efter den ordning de togs fram, från R500 och uppåt. Zeotropiska köldmedieblandningar numreras från R400 och uppåt. Numren från 600 och högre är reserverade för butaner. Man har kommit överens om att oorganiska ämnen märks med symbolen R700 som utgångspunkt. Talet över 700 är ämnets molekylmassa – exempelvis har ammoniak R717 eftersom molekylmassan för ammoniak är 17.

 

refrigerant table 1 refrigerant+table+2

Köldmediumblandningar

Köldmediumblandningar används för indirekt kylning och indirekt kondensering. De vanligaste vattenblandningarna är etylenglykol-vatten, propylenglykol-vatten, etanol-vatten, kalciumklorid (CaCl2)-vatten, kaliumformiat-vatten och ammoniak-vatten. De olika köldmediumblandningarna har alla olika egenskaper vad gäller miljöpåverkan, material, hälsofarlighet, pumpbarhet och värmeöverföringsförmåga.

Vattenblandningar av frostbeständiga vätskor som antingen finns i naturen eller bryts ner till beståndsdelar som är ofarliga för miljön används framför allt som köldmediumblandningar. Temperaturen på köldmedierna varierar beroende på tillämpningen, exempelvis kan konstruktionstemperaturerna vara -12/-9 °C och arbetstemperaturerna -10/-8 °C.

Indirekta kylsystem har blivit allt populärare tack vare de miljöproblem som orsakas av CFC:er och HCFC:er, av ändringar i bestämmelser och de säkerhetsrisker som finns när man fyller på ammoniak. Dessa system har framför allt installerats inom livsmedelsindustrin och isrinkar, men de lämpar sig även för kylförvaring i butiker.

Även om det ofta krävs en väldigt stor mängd köldmediumblandning i ett indirekt kylsystem så är själva systemen förhållandevis små. Valet av köldmediumblandning – och den design, konstruktion och de underhållskrav som valet medför – har en stor påverkan på systemets investeringskostnader, effektivitet och användbarhet.

Val av köldmediumblandningar och deras egenskaper

Den viktigaste aspekten vid design av ett indirekt kylsystem är att välja en köldmediumblandning med bra värmeöverföringskapacitet. Vatten är en utmärkt överföringsvätska för indirekta kylsystem, bland annat tack vare en utmärkt värmeöverföringskapacitet. Men i tillämpningar där temperaturen faller under noll grader krävs att man använder ett medel som sänker fryspunkten. Vilket medel som väljs beror på faktorer som vätskans värmeledningsförmåga, fryspunkt, stabilitet vid användning, och kompabiliteten med metaller, legeringar och tätningar samt medlets eventuella giftighet, biologiska nedbrytningsbarhet, flampunkt – och pris.

Olika köldmediumblandningar skiljer sig åt ur miljö-, material-, hälso-, pumpabilitet- och värmeöverföringsegenskaper. Av de termodynamiska egenskaperna hos köldmediumblandningar har viskositeten störst påverkan på kyleffekten hos kylsystemet och ytstorleken på värmeöverföringsområdet. Ytstorleken, i sin tur, påverkar investeringskostnaden. Bland de vanligaste köldmediumblandningarna finns glykoler (propylen och etylen), alkoholer (etanol) samt både organiska (kaliumformiat, kaliumacetat) och oorganiska salter (kalciumklorid).

 

refrigerant+table+3

Blandningar med vatten – alkohol och glykol

Envärda alkoholer, som metanol och etanol, sänker frystemperaturen effektivt och passar bättre ihop med de flesta vanliga byggmaterial jämfört med oorganiska salter. Men metanolens giftighet gör att den passar dåligt för användning inom livsmedelsindustrin. Etanolens största svaghet är den låga kokpunkten som även sänker kokpunkten för etanolblandningar.

Etylen- och propylenglykol sänker fryspunkten precis som alkoholer, men samtidigt höjer de blandningens kokpunkt. Eftersom det är så enkelt att använda är glykol av livsmedelskvalitet det köldmedium som är vanligast för indirekt kylning inom livsmedelsindustrin. Styrkorna är den höga viskositeten och att det är giftfritt, svagheterna är ett högre pris och sämre värmeöverföringskapacitet.

Organiska salter

Organiska salter, som kaliumformiat, är en lösning när det behövs en effektiv värmeöverföringsvätska som är kompatibelt med olika material och kan användas i temperaturer på -20 °C eller lägre. De organiska salternas styrkor är den höga värmeöverföringskapaciteten, hög specifik värmekapacitet och att de inte är giftiga. Nackdelarna, å andra sidan, är en högre korrosivitet som måste tas i beräkning när man väljer material. Korrosionshämmare kan vid behov blandas med organiska salter för att minska korrosionen av aluminium. Fördelarna är att de organiska salterna själva har pH-buffrande egenskaper och att deras nedbrytningsprodukter inte är korrosiva.

Oorganiska salter

Vanliga saltblandningar som innehåller kaliumkarbonat eller kalciumklorid har god värmeledningsförmåga. De är billiga, inte giftiga och sänker effektivt vätskans fryspunkt. Huvudproblemet med lösningar som innehåller klor är punktfrätning på metaller – det är endast titan som är helt immun mot punktfrätning. Det minskar lösningens användbarhet för enkla industriella kylsystem. Med rätt korrosionshämmare kan kalciumklorid användas tillsammans med koppar, titan, kolstål och gjutjärn.

För att välja den mest lämpade vätskan för ditt kylsystem är första steget att avgöra om det är ett direkt eller ett indirekt system. Därefter bör man utvärdera vikten av olika egenskaper i den aktuella tillämpningen – exempelvis miljö, material, hälsa, pumpbarhet och värmeöverföringsförmåga. Algol Chemicals har en produktportfölj med lösningar för både direkta och indirekta kylsystem. Tack vare den erfarenhet och know-how vi har fått tillsammans med våra leverantörer och kunder kan vi hjälpa er att välja rätt kylmedel.

 

 
Ämnesområden:  VVS