Desarrollo y aplicación de aires acondicionados automotrices.
Actualmente, el cambio climático y los agujeros de ozono causados por el calentamiento ambiental se han convertido en problemas ambientales globales, si no se controlan, plantearán graves desafíos para la supervivencia y el desarrollo humanos. Por lo tanto, en el proceso de investigación sobre el reemplazo de refrigerantes de aire acondicionado de automóviles, debemos fortalecer la conciencia de proteger el medio ambiente ecológico. No solo debemos ver los beneficios inmediatos, sino también prestar atención al desarrollo coordinado y sostenible del medio ambiente ecológico y humano. seres.
El impacto del refrigerante en el ambiente atmosférico
El refrigerante es el fluido de trabajo que completa el ciclo de refrigeración durante el proceso de refrigeración. Los refrigerantes de hidrocarburos halogenados se utilizan principalmente en la refrigeración de aire acondicionado. Los que no tienen átomos de hidrógeno se denominan clorofluorocarbonos (CFC), los que tienen átomos de hidrógeno se denominan hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y los que no tienen átomos de cloro se denominan hidrofluorocarbonos (HFC). El impacto de los refrigerantes del aire acondicionado en el ambiente atmosférico tiene principalmente dos aspectos: uno es la destrucción de la capa de ozono atmosférico y el otro es el efecto invernadero que calienta el clima global.
En los hidrocarburos halogenados, a medida que aumenta el número de átomos de cloro, el daño a la capa de ozono se vuelve más grave. Por lo tanto, los CFC causan los daños más graves a la capa de ozono, los HCFC causan relativamente pocos daños a la capa de ozono y los HFC no causan daños a la capa de ozono. El grado de daño a la capa de ozono causado por los refrigerantes se expresa mediante el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP).
La emisión de refrigerantes producirá el efecto invernadero del calentamiento global, y el grado de su impacto se expresa por el potencial de calentamiento global (GWP).
Eliminación gradual y sustitución del refrigerante CFC-12
Antes de la firma del Protocolo de Montreal, la mayoría de los sistemas de aire acondicionado de automóviles utilizaban CFCl2 como refrigerante. El CFCl2 es un refrigerante ideal, su punto de ebullición y masa molar son -29,79°C y 120,93 kg/kmol respectivamente, pero su valor ODP es alto. Según el Protocolo de Montreal, el CFC12 es un refrigerante prohibido de Clase 1.
Para encontrar nuevos refrigerantes que puedan reemplazar las sustancias CFC, la industria del aire acondicionado ha llevado a cabo investigaciones exhaustivas y se ha esforzado mucho para encontrar nuevos refrigerantes con un valor ODP de cero. En estos estudios, el refrigerante HFC134a desarrollado por DuPont se ha utilizado con éxito en la industria de la refrigeración. Las principales características del refrigerante HFC134a son: no contiene átomos de cloro; tiene un buen rendimiento de seguridad; sus propiedades físicas son cercanas a las del CFCl2, por lo que es fácil modificar el sistema de refrigeración; El rendimiento de transferencia de calor es mejor que el CFCl2 y la cantidad de refrigerante se puede reducir considerablemente. Las presiones de evaporación de HFC134a y CFCl2 son similares, el valor ODP es cero, el valor GWP es sólo 0,29 y no hay toxicidad obvia (aún se están realizando pruebas de toxicidad crónica a largo plazo). La siguiente tabla enumera el valor ODP, el valor GWP y la vida útil de los refrigerantes comúnmente utilizados en los acondicionadores de aire de automóviles en la atmósfera.
El HFC134a es incompatible con el aceite de refrigeración mineral existente, por lo que debemos buscar un nuevo aceite de compresor para él. A través de pruebas y exámenes repetidos, se desarrollaron dos aceites miscibles con HFC134a. Sus códigos son PAG y POE, siendo el aceite PAG el más utilizado. Sin embargo, todavía existen los siguientes problemas: su capacidad de absorción de humedad es alta, lo que fácilmente puede causar bloqueos de hielo en los componentes de estrangulamiento (tubos capilares o válvulas de expansión) del sistema de refrigeración. Es necesario aumentar la cantidad de desecante en el sistema. o mejorar su capacidad de absorción de humedad a altas temperaturas, no es compatible con HFC134a. La solubilidad es reducida o incluso insoluble. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a mejorar las condiciones de condensación del sistema y no elevar demasiado la temperatura de condensación; la lubricidad es ligeramente peor que la del aceite mineral y tiene un efecto penetrante o corrosivo sobre las juntas de goma utilizadas actualmente en el sistema de refrigeración; , no solo involucra sellos de goma, sino también mangueras de suministro de agente de refrigeración, el precio es de 4 a 5 veces más caro que el aceite de refrigeración actual. En respuesta a los problemas anteriores, el diseño del sistema de refrigeración y aire acondicionado del automóvil debe modificarse de la siguiente manera: el desplazamiento del compresor de refrigeración permanece sin cambios y se puede mantener el modelo original, pero todos los sellos de goma deben ser de diseño HNBR; el condensador (incluido el secador de almacenamiento de líquido) debe modificarse para mejorar la capacidad de disipación de calor y la capacidad de absorber la humedad del refrigerante y el aceite del evaporador para mantener la estructura original; la válvula de expansión térmica debe aumentar el valor de amortiguación; el elemento regulador original, por lo que se debe reducir el orificio del acelerador y el material de sellado, el modelo se muestra como HFC 134 a; para la tubería de refrigerante (incluidas mangueras y conectores), se debe cambiar el material del sello en el conector. La manguera presenta una construcción compuesta de múltiples capas con una capa de nailon intercalada dentro de un revestimiento de caucho PAG resistente al aceite para una mayor resistencia a la penetración.
En la actualidad, el HFC134a se ha comercializado y se utiliza ampliamente en refrigeración y aire acondicionado, especialmente en aires acondicionados de automóviles. Esto se debe, en primer lugar, a las características del HFC134a y, en segundo lugar, al seleccionar un único refrigerante, es posible evitar que la composición del refrigerante cambie a medida que pasa a través de la manguera de goma. Actualmente, el 50% del refrigerante HFC134a producido a nivel mundial se utiliza en acondicionadores de aire para automóviles. Debido a las condiciones especiales de trabajo de los acondicionadores de aire de los automóviles, el refrigerante generalmente se rellena cada dos años en el mar.
En 2006, el consumo de automóviles nuevos en mi país fue de aproximadamente 6.550 toneladas y el consumo de mantenimiento fue de aproximadamente 2.950 toneladas, totalizando 9.500 toneladas, un aumento interanual del 25%, lo que representa el 56% del total. Consumo de HFC134a. Esto muestra que el mercado de aire acondicionado para automóviles de China es enorme y la demanda de refrigerantes también es enorme.
Reemplazo del refrigerante HFC134a
Según los requisitos del “Reglamento de Control de Gases Fluorados de Efecto Invernadero” aprobado por la Unión Europea, la Unión Europea prohibirá el uso de refrigerantes en nuevos productos de Junio + 1 de octubre de 2017. Los refrigerantes con un valor de GWP superior a 150 se utilizan en la producción de acondicionadores de aire para automóviles. El HFC134a está prohibido debido a su valor de GWP de 1300.
En los seis años comprendidos entre el 1 de octubre de 2011 y octubre de 2017, los refrigerantes con un PCA superior a 150 se eliminarán proporcionalmente. A partir de enero de 2017, todos los aires acondicionados de automóviles tendrán prohibido utilizar refrigerantes con un PCA superior a 150. Por lo tanto, el uso de refrigerantes de bajo PCA en los acondicionadores de aire de automóviles es una tendencia y una necesidad. El CO2, los hidrocarburos, el HFC152a y algunas mezclas que pueden usarse como refrigerantes de aire acondicionado de automóviles se han convertido en focos de investigación. @page@
(1) Refrigerante sintético
Desde 2002, la empresa estadounidense Honeywell comenzó a desarrollar mezclas sustitutas para el HFC134a y desarrolló un producto hecho de tetrafluoropropileno (CF3CF= Una mezcla binaria compuesto de CH2) y trifluoroyodometano (CF3l), denominado Fluido H. Se informa que el valor de GWP de esta mezcla es inferior a 10 y tiene las características de no inflamabilidad, baja temperatura de deslizamiento y buena compatibilidad con el HFC134a original. sistema. . Actualmente se están realizando pruebas de toxicidad y estabilidad del sistema, pruebas de compresores, pruebas de sistemas y pruebas de carrocerías de vehículos.
Empresas americanas como Delphi y General Motors están desarrollando sistemas de aire acondicionado para automóviles utilizando HFC152a como refrigerante. Según los resultados de investigaciones y pruebas, se puede ver que el uso de HFC152a como refrigerante en sistemas de aire acondicionado de automóviles básicamente no requiere cambios en los componentes de tuberías existentes ni en las líneas de producción de sistemas de aire acondicionado de automóviles que utilizan HFC134a como refrigerante. En comparación con el sistema HFC134a actual, puede proporcionar efectos de enfriamiento equivalentes o incluso mejores con un coeficiente de rendimiento más alto.
En 2003, un vehículo de prueba que utilizaba HFC152a fue bien recibido en el Seminario SAE sobre nuevos refrigerantes celebrado en Phoenix, Arizona, EE. UU.
Además, DuPont e lneos también anunciaron que están desarrollando alternativas al HFC134a que cumplan con los requisitos de la UE.
A nivel nacional, Shandong Dongyue Chemical Co., Ltd. sigue activamente las tendencias de desarrollo nacionales y extranjeras y, de acuerdo con los requisitos de la UE, desarrolló DYRl, un sustituto del refrigerante de aire acondicionado para automóviles HFC134a. Su valor ODP es cero y su valor GWP es 115. Es compatible con el sistema de aire acondicionado automotriz existente que utiliza HFC134a como refrigerante y tiene una mejor eficiencia energética. Actualmente se están realizando pruebas de aplicaciones y del sistema.
Aunque las empresas mencionadas anteriormente han realizado mucha investigación, desarrollo y pruebas de alternativas al HFC134a para aires acondicionados de automóviles, todavía quedan muchos aspectos que deben mejorarse para la producción y aplicación a gran escala de estas alternativas. Se espera que la sustitución de los aires acondicionados de los automóviles por el HFC134a siga siendo uno de los puntos críticos de investigación recientes.
(2) Aplicación de refrigerantes naturales
Hidrocarburos
Los hidrocarburos utilizados actualmente como refrigerantes incluyen principalmente propano (R290) y butano (R600) e isobutano (R600a). ), del cual el R600a se ha utilizado ampliamente en refrigeradores en Europa y algunos países en desarrollo, y cumple con los requisitos del Protocolo de Kyoto, con ODP=0, GWP=15, buen desempeño ambiental y bajo costo, baja presión de trabajo. Además, también se han desarrollado y utilizado hasta cierto punto refrigerantes mixtos compuestos por R290 y R600a.
Amoníaco (R717)
El amoníaco se ha utilizado durante 120 años y todavía se utiliza en la actualidad. Su ODP=0, GWP=0 y tiene un excelente rendimiento térmico, bajo precio y fácil detección de fugas. Sin embargo, el amoníaco es tóxico e inflamable, así que tenga cuidado, aunque más de 100 años de registros de uso muestran que la tasa de accidentes del amoníaco es muy baja. En el futuro habrá que encontrar mejores medidas de seguridad, como reducir la cantidad de amoniaco en el llenado, utilizar compresores de tornillo, introducir intercambiadores de calor de placas, etc. Sin embargo, también es necesario resolver razonablemente problemas como la solubilidad en el aceite, la incompatibilidad con ciertos materiales y la alta temperatura de escape.
Dióxido de carbono (R744)
El CO2 es una sustancia natural con ODP=0 y GWP=1. Tiene una amplia fuente, bajo costo, es seguro, no tóxico y no inflamable. Es adecuado para aceite lubricante de diversas piezas y materiales mecánicos de uso común. Incluso a altas temperaturas, no se descompone para producir gases nocivos. El calor latente de evaporación del CO2 es grande y la capacidad de enfriamiento por unidad de volumen es bastante alta, por lo que el compresor y sus componentes son de tamaño pequeño. El índice adiabático es alto, K=1,30, y la relación de presión del compresor es de aproximadamente 2,5-3,0, que es menor que la de otros sistemas de refrigeración. La eficiencia volumétrica es grande, cercana al nivel económico óptimo y el potencial de desarrollo es grande.
El principal fluido de trabajo natural utilizado en los aires acondicionados de automóviles es el refrigerante CO2. Se ha reconocido el rendimiento frigorífico del CO2. Sin embargo, se ha cuestionado su estabilidad y no se permite que entre en el coche y afecte a los pasajeros en el sistema de CO2. El consumo de energía del sistema de CO2 es relativamente alto y el precio de los accesorios también es muy alto, por lo que no es adecuado para coches económicos. El ruido y las vibraciones de este tipo de sistemas también son problemas técnicos que deben solucionarse con urgencia y el mantenimiento no es sencillo.
Tendencias de desarrollo
Aunque la comunidad internacional está pidiendo la sustitución del HFC134a, tiene poco impacto en el mercado interno. El HFC134a se encuentra en etapa de desarrollo en China, e incluso en Europa y Estados Unidos su reemplazo acaba de comenzar. Esto se debe a que lleva mucho tiempo desarrollar y aplicar formalmente un refrigerante, y los refrigerantes domésticos siempre han estado sujetos a patentes de grandes empresas. Sólo mediante investigación y desarrollo independientes podremos seguir siendo invencibles en el mercado.
En resumen, bajo la doble presión de la protección ambiental y la conservación de energía, el desarrollo de refrigerantes ecológicos es la tendencia general.
Dado que los refrigerantes (alternativos) de producción en masa comercial internacional no son ideales, los investigadores nacionales y extranjeros todavía están explorando incansablemente y han logrado ciertos resultados y avances en algunos campos. Sin embargo, la investigación y el desarrollo continuos de nuevos productos aún deben continuar.