Czynniki chłodnicze – rodzaje i charakterystyka wybranych ziębników

Czynniki chłodnicze w instalacjach HVAC

Czynniki chłodnicze (czynniki ziębnicze, ziębniki) to płyny robocze stosowane w urządzeniach chłodniczych, które dzięki właściwościom termodynamicznym uczestniczą w procesie wymiany ciepła. Głównym ich zadaniem jest odbieranie w warunkach niskiego ciśnienia ciepła z ośrodka chłodzonego przez odparowanie w parowniku, a następnie oddanie – w procesie skraplania – pobranego ciepła do otoczenia.

Wpływ czynników ziębniczych na środowisko naturalne

Obecnie czynniki chłodnicze odgrywają kluczową rolę w pracy różnego rodzaju urządzeń oraz instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych. Ze względu na ich powszechne zastosowanie i właściwości podlegają one ocenie oddziaływania na środowisko naturalne, zwłaszcza w zakresie wpływu na pogłębianie efektu cieplarnianego oraz niszczenie warstwy ozonowej. W tym celu dla substancji tego rodzaju określa się wartości wskaźników ODP, GWP czy HGWP.

Wskaźnik ODP (ang. Ozon Depletion Potential) – określa potencjał niszczenia warstwy ozonowej, wskazując, ile razy większe zmniejszenie warstwy ozonowej – w relacji do substancji bazowej – spowoduje jednostka masy danego czynnika emitowana ze stałą szybkością w ciągu roku. Za substancję bazową przyjmuje się trichlorofluorometan (R-11, CFC-11), dla którego wartość ODP ustalono jako 1,0. Naturalne czynniki chłodnicze wykazują ODP = 0.

Wskaźnik GWP (ang. Global Warming Potential) – określa wpływ czynników chłodniczych na tworzenie efektu cieplarnianego. Substancją referencyjną w ustalaniu wartości GWP dla poszczególnych czynników jest dwutlenek węgla, któremu przypisano GWP = 1. Wskaźnik ten porównuje ilość ciepła zatrzymanego przez określoną masę gazu do ilości zatrzymanej przez podobną masę dwutlenku węgla. Przykładowo, dana ilość czynnika R507 o GWP równym 3900 prowadzi do tworzenia efektu cieplarnianego 3900 razy bardziej niż dwutlenek węgla w takiej samej ilości. I choć to czynniki chłodnicze z grup CFC, CHFC, HFC stanowią śladową ilość atmosfery, to ze względu na wysokie wartości GWP z znacznym stopniu przyczyniają się do tworzenia efektu cieplarnianego (przyjmuje się, że są za to odpowiedzialne w około 20%). Współczynnik GWP naturalnych czynników chłodniczych ma wartość od 0 do 5,5.

Klasyfikacja czynników chłodniczych

Podstawowym kryterium podziału czynników jest ich pochodzenie. Z tego względu wyróżnia się:

• czynniki chłodnicze naturalne – to najczęściej substancje nieorganiczne, naturalnie występujące w przyrodzie; do najczęściej stosowanych należą: dwutlenek węgla, amoniak, a także węglowodory (propan, izobutan);
• czynniki chłodnicze syntetyczne – głównie halogenowane pochodne węglowodorów nasyconych i nienasyconych; sztucznie wytworzone przez człowieka.

Naturalne czynniki chłodnicze były wykorzystywane na początku rozwoju techniki chłodniczej, później jednak zostały wyparte przez dające większą efektywność substancje syntetyczne. Obecnie, ze względu na kwestie środowiskowe i związane z nimi obostrzenia prawne, czynniki naturalne ponownie cieszą się zainteresowaniem i mają szansę na rozwój wykorzystujących je technologii i rozwiązań.

Wybrane naturalne czynniki chłodnicze

Amoniak (R717) – nieorganiczny związek chemiczny, wykazujący zerowy wpływ na globalne ocieplenie (współczynnik GWP) i niszczenie warstwy ozonowej ozonu (współczynnik ODP). W naturalnych warunkach to gaz bezbarwny, toksyczny, o silnie drażniącym zapachu i charakterystycznym alkaicznym smaku; trudno zapalny (uznawany za palny przy stężeniach w powietrzu powyżej 3,5%). Amoniak (R717) jest stosowany jako czynnik chłodniczy w układach jedno- i dwustopniowych średnich i dużych sprężarkowych urządzeń przemysłowych; nadaje się przede wszystkim do pracy w urządzeniach parowych ze sprężarkami tłokowymi. Powszechnie wykorzystywany w dużych, przemysłowych instalacjach chłodniczych. Ze względu na brak negatywnego wpływu na środowisko (zerowe wartości współczynników ODP i GWP) jest uznawany za naturalny czynnik chłodniczy o największym potencjale rozwoju – również do zastosowania w urządzeniach klimatyzacyjnych i chłodniczych w handlu czy domach

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• łatwo rozpuszcza się w wodzie, niezależnie od warunków panujących w urządzeniach chłodniczych;
• rozpuszcza się w olejach mineralnych w niewielkich ilościach;
• jest lżejszy od powietrza;
• wykazuje korzystne właściwości termodynamiczne (wysoka wydajność energetyczna);
• nie reaguje z żelazem ani jego stopami (podobnie jak z większością stosowanych w urządzeniach chłodniczych tworzyw sztucznych), w stanie wilgotnym jest agresywny w stosunku do cynku, miedzi i jej stopów;
• jest jednym z najtańszych dostępnych czynników chłodniczych.

Propan (R290) – bezwonny związek organiczny należący do grupy węglowodorów nasyconych występujących naturalnie w złożach gazu ziemnego; wykazuje zerową wartość wskaźnika ODP i znikomy potencjał GWP; gaz palny (granice wybuchowości zależne od ciśnienia i temperatury mieszaniny propanu i powietrza; mieszanina z powietrzem (o zawartości tlenu powyżej 12%) tworzy substancję wybuchową). Zastosowanie propanu to głównie czynniki chłodnicze w postaci roztworu z izobutanem (1:1:) w chłodziarkach przeznaczonych do użytku domowego oraz handlowych urządzeniach chłodniczych; ponadto jest wykorzystywany w urządzeniach klimatyzacyjnych (o małej wydajności), a także pompach ciepła.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• ma małą wrażliwość na wilgoć i małe wartości sprężu (niewielka temperatura parowania w jednym stopniu sprężania);
• nie wchodzi w reakcje z typowymi materiałami konstrukcyjnymi urządzeń chłodniczych i elementów instalacji;
• stanowi alternatywę dla stopniowo wycofywanych, jak R12, R502, R22;
• pozwala uzyskać korzystne wartości smarowania i wysoką odporność na rozkład termochemiczny;
• osiąga podobne do czynnika R22 wartości współczynnika wydajności chłodniczej; duże wartości wydajności jednostkowej wydajności chłodniczej;
• ze względu na palność i wybuchowość stosowanie propanu jako naturalnego czynnika chłodniczego wymaga zwiększonych środków ostrożności i ścisłego przestrzegania norm prawnych, szczególnie podczas napełniania nim instalacji chłodniczej w ilości przekraczającej 150 g (zob. norma PN‑EN 378).

Izobutan (R600a) – izomer butanu, jeden z najdłużej stosowanych czynników chłodniczych. Po okresie wyparcia z rynku przez syntetyczne czynniki chłodnicze znów budzi zainteresowanie ze względu na brak negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne (niskie wartości wskaźnika GWP i ODP). Izobutan R600a jest najczęściej wykorzystywany jako czynniki chłodnicze w domowych chłodziarkach domowych i niewielkich urządzeniach przemysłowych.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• wykazuje zdolność do tworzenia roztworów z olejami mineralnymi;
• nie wchodzi w reakcje z materiałami konstrukcyjnymi urządzeń czy elementów instalacji;
• cechuje go wysoka palność, wymagana jest więc szczególna ostrożność podczas użytkowania i serwisowania instalacji.

Dwutlenek węgla (R744) – jeden z najstarszych czynników chłodniczych; bezwonny, niepalny, niewybuchowy, niegroźny dla zdrowia i życia w stężeniu w powietrzu 2–4%, w stężeniu od ok. 8% stanowi zagrożenie dla życia ludzi. Dwutlenek węgla (R744) jest stosowany w chłodnictwie jako czynnik roboczy w parowych urządzeniach chłodniczych oraz jako tzw. suchy lód (w transporcie produktów spożywczych, w medycynie, przemyśle chemicznym).

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• ma bardzo wysokie własności termodynamiczne;
• nie rozpuszcza się w olejach mineralnych;
• bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie;
• nie wchodzi w agresywne reakcje z typowymi materiałami konstrukcyjnymi instalacji chłodniczych;
• pod względem wytwarzanych podczas obiegu czynnika w instalacji chłodniczej tzw. ciśnień roboczych jest najmniej korzystnym czynnikiem chłodniczym.

Wybrane syntetyczne czynniki chłodnicze

Czynnik R134a – jeden z najpopularniejszych czynników stosowanych w niewielkich domowych i handlowych urządzeniach chłodniczych i klimatyzacyjnych, bardzo często wykorzystywany w samochodowych klimatyzatorach; główny zamiennik wycofanego czynnika R12. W normalnych warunkach użytkowych jest substancją niepalną i niewybuchową, jednak w warunkach bardzo wysokiego ciśnienia i stężenia 60% powietrza staje się on mieszaniną wybuchową. Charakteryzuje się bardzo dużą przenikalnością (większą niż R12), dlatego należy zapewnić wysoką szczelność instalacji. Ze względu na wymagania środowiskowe zastosowanie czynnika R134a jest stopniowo ograniczane. Zamienniki R134a to R1234yf, R1234ze, R450A i R152a.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• w niewielkim stopniu tworzy roztwory z olejami mineralnymi oraz alkilobenzenowymi;
• jest wysoko higroskopijny, co wymaga zapewnienia większej szczelności instalacji;
• wchodzi w reakcję z niektórymi metalami (cynk, magnez, ołów i niektóre stopy aluminium); nie jest agresywny wobec większości tworzyw sztucznych, jednak odporność tych materiałów może się zmienić zależnie od użytego oleju smarnego;
• jest bardzo stabilny termicznie.

Czynnik R410A – dwuskładnikowy roztwór substancji jednorodnych HFC: R32 i R125 (1:1), zaliczany do roztworów zeotropowych. Czynnik stosowany przede wszystkim w domowych i handlowych klimatyzatorach, a także w pompach ciepła. Niepalny, ale w warunkach podwyższonego ciśnienia i w obecności powietrza staje się mieszaniną wybuchową; nietoksyczny (w niskich i standardowych stężeniach). Czynnik R410A był jednym z najczęściej stosowanych czynników chłodniczych w systemach HVAC. Stanowił długotrwały zamiennik R22 w takich zastosowaniach, jak: domowe i handlowe klimatyzatory, pompy ciepła, nowe układy chłodnicze w przemyśle, a także zamiennik R12B1 w układach niskotemperaturowych. Obecnie jego zastosowanie jest ograniczane na rzecz czynnika R32.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• ma dobrą zdolność do tworzenia roztworów z olejami poliestrowymi;
• wykazuje niewielką  zdolność do tworzenia roztworów z olejami mineralnymi;
• nie reaguje agresywnie z materiałami konstrukcyjnymi, takimi jak: stal, aluminium, miedź, a także większość elastomerów i tworzyw sztucznych;
• osiąga nieco wyższe niż R22 wartości współczynnika efektywności chłodniczej.

Czynnik R507 – azeotropowa mieszanina substancji R143a oraz R125 (wagowo 1:1); niepalny, niewybuchowy; nie jest też toksyczny dla człowieka. Czynnik ten wykorzystywano w nowoczesnych instalacjach chłodniczych (ladach i komorach chłodniczych, urządzeniach klimatyzacyjnych, transporcie chłodniczym). Jego zastosowanie jest stopniowo ograniczane ze względu na niekorzystne oddziaływanie na środowisko. Do zamienników R507 należą R407F, R448A, R449A.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• nie miesza się z olejami pochodzenia mineralnego (należy stosować oleje syntetyczne);
• nie wchodzi w reakcję z większością materiałów konstrukcyjnych, takich jak stal, aluminium, mosiądz, miedź, a także elastomerami (wobec ostatnich agresywne działanie jest uzależnione od warunków i zastosowanego środka smarnego);
• wykazuje zbliżoną do R22 wydajność chłodniczą objętościową;
• ma zbliżoną do R502 niską temperaturę końca sprężania.

Czynnik R32 – difluorometan, czynnik jednorodny z grupy HFC, najczęściej stosowany w urządzeniach klimatyzacyjnych, pompach ciepła; zamiennik stopniowo wycofywanego R410A. Cięższy od powietrza, bezwonny, bezbarwny.

Cechy wykorzystywane w chłodnictwie:

• porównywalne ciśnienia w instalacjach na R32 i R410A;
• wykazuje zdecydowanie mniejszy w zestawieniu z R410A stopień negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne;
• pozwala zwiększyć efektywność urządzeń nawet o 10%;
• wyższa temperatura wody grzewczej (do 65°C);
• może być uzupełniany zarówno w stanie gazowym, jak i ciekłym.

____________________

Literatura:

1. Butrymowicz D., Śmierciew K., Gagan J., Gutowski K., „Chłodnictwo i klimatyzacja”, wyd. IV, Warszawa 2023.
2. K. Żarski, „Wentylacja i klimatyzacja”, Warszawa 2024.
3. Podręcznik postępowania z odzyskanymi czynnikami chłodniczymi, PROZON. Fundacja Ochrony Klimatu, https://prozon.org.pl/wp-content/uploads/2022/03/Podrecznik-postepowania-z-odzyskanym-czynnikiem.pdf (dostęp: 14.03.2025 r.).
4. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006.
5. Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (Dz.U. z 2018 r. poz. 2221, z późn. zm.).