Anàlisi teòrica i experimental del refrigerant R-454A com alternativa al R-404A en refrigeració comercial

Abstract

Since the influence of coolants containing chlorine (CFCs and HCFCs) on the disappearance of the ozone layer and the impact of both these and later developed hydrofluorocarbons (HFCs) in the greenhouse effect were proved, several regulations have been established both on an international and national level. The aforementioned regulations, with the aim of minimizing the negative effects of these groups of refrigerants on the environment, are motivated by the large number of cooling systems currently installed around the world, many of which use refrigerants with a high global warming potential (GWP), hence making the emissions of these gases not negligible. Thus, within the framework of the European Union we find regulations such as the latest F-Gas which aims to force the withdrawal of refrigerants with GWP above the thresholds established therein from the short-term market. This regulation will directly affect one of the refrigerants with a wider use in the field of commercial refrigeration, R-404A. This prohibition, coupled with the existence of high taxes on fluorinated gases in Spain, as well as in other EU member states, makes it necessary to find alternatives to R-404A, and even more so, considering that the field of commercial refrigeration is the largest user of fluorinated gases from the different areas in which it is used for HVAC (heating ventilation and air Conditioning). This master's thesis will analyze the viability of one of the new alternatives to R-404A, with a significantly smaller GWP, currently available in the market: R-454A. The alternative refrigerant will be compared to R-404a through both theoretical and experimental analysis. The theoretical analysis, which precedes the experimental one, will include the analysis of the influence of the use of an intermediate exchanger and the results that are presented will be later contrasted with the empirical results. To obtain the empirical results, data from trials carried out in a steam compression refrigeration system located in the thermal machine workshop of the Universitat Jaume I will be used. Before all trials this system will also have to be set up. The tests will be carried out with different conditions that will vary between trials. From the data obtained, the parameters considered of greater relevance will be studied when evaluating the behavior of the installation with each of the two refrigerants. Based on these parameters, that is to say: refrigeration capacity, efficiency, compression ratio and refrigerant mass flow, and considering, in addition, the environmental aspects, the pertinent conclusions regarding the suitability of the use of R-454A as an alternative to R-404A will be extracted.

Des que es provà la influència dels refrigerants que contenen clor (CFCs i HCFCs) en la desaparició de la capa d’ozó i l’impacte d’aquests i dels hidrofluorocarbons (HFCs) posteriorment desenvolupats en l’efecte hivernacle, s’han succeït, tant a nivell internacional com estatal, regulacions i lleis amb l’afany de minimitzar els efectes negatius d’aquests grups de refrigerants sobre el medi ambient. Les regulacions esmentades estan motivades per la gran quantitat de sistemes de refrigeració instal·lats en l’actualitat arreu del món, molts dels quals empren refrigerants amb un alt poder d’escalfament atmosfèric (GWP en anglès), que fan que les emissions d’aquests gasos no siguen negligibles. Així, en el marc de la Unió Europea trobem normatives com la més recent F-Gas, que pretén forçar la retirada del mercat a curt termini de refrigerants amb GWP per sobre de llindars que s’hi estableixen. Aquesta normativa afectarà directament un dels refrigerants amb un ús més estès a l’àmbit de la refrigeració comercial, el R-404A. Aquesta prohibició, unida a l’existència d’elevats impostos als gasos fluorats en Espanya així com els altres estats membres de la UE, fan necessària la cerca d’alternatives al R-404A, i més tenint en compte que la refrigeració comercial és el major usuari de gasos fluorats d’entre els diferents àmbits en què se’n fa ús per a condicionament d’aire, refrigeració, ventilació o calefacció. El present treball de final de màster tractarà, doncs, d’analitzar la viabilitat d’una de les noves alternatives al R-404A, amb GWP significativament menor, actualment disponibles al mercat: el R-454A. El refrigerant alternatiu serà comparat amb el R-404A mitjançant una anàlisi tant teòrica com experimental. La teòrica, que precedirà a l’experimental, inclourà l’anàlisi de la influència de l’ús d’un intercanviador intermedi i els resultats que se’n desprenguen seran contrastats posteriorment amb els resultats empírics. Per a l’obtenció dels resultats empírics s’usaran dades provinents d’assajos duts a terme en un sistema de refrigeració per compressió de vapor ubicat al taller de màquines tèrmiques de la Universitat Jaume I, que haurà de ser prèviament posat a punt. Els assajos es realitzaran en diverses condicions de treball; a partir de les dades obtingudes s’estudiaran els paràmetres considerats de major rellevància a l’hora d’avaluar el comportament de la instal·lació amb cadascun dels dos refrigerants. Es realitzaran tenint en compte els paràmetres de capacitat frigorífica, rendiments, relació de compressió i flux màssic de refrigerant, i, a més, els aspectes mediambientals; d’aquesta manera, s’extrauran les conclusions pertinents respecte a la idoneïtat de l’ús del R-454A com a alternativa al R-404A.