【プラント設計の基礎】フロンガスの規制と自然冷媒について




環境を保護し地球温暖化を防ぐ為に「自然冷媒」が使われ始めています。これらはハイドロフルオロカーボン(HFC)、ハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)、およびクロロフルオロカーボン(CFC)などの強力な温室効果ガスを放出する古いクラスの化学冷媒の替りに使われ始めています。

これらの自然冷媒は 冷蔵庫やエアコンの冷却剤として使用できる天然由来の非合成物質で、炭化水素(プロパン、ブタン、シクロペンタン)、二酸化炭素(CO2)、アンモニア、水、空気などがあります。

フロンガスの規制について

ここ数十年で通称「フロンガス」と呼ばれるガスの規制は厳しくなる一方です。例えば オゾン層破壊冷媒であるR22を空調に使用することを禁止しており、次世代のR410Aに移行しました。 R410Aはまだ天然の冷媒ではありませんが、R22と比べるとオゾン層破壊係数は0という利点があります。

これらのグリーン冷媒は、冷蔵庫やエアコンの冷却剤として使用できる天然由来の非合成物質で、炭化水素(プロパン、ブタン、シクロペンタン)、二酸化炭素(CO2)、アンモニア、水、空気などがあります。

冷媒が環境に優しいかどうかは二つの基準があります。

オゾン層破壊係数

オゾン層破壊係数(ODP)は、物質がオゾン層に与える可能性のある損傷の相対量の尺度です。太陽光からの紫外線はCFCやHCFC中の塩素を大気中に放出し、それがオゾンにダメージを与えます。また、オゾン層は連鎖的に破壊されていくので少量のフロンの放出でも多量のオゾン層を破壊する恐れがあります。

対照的に、天然冷媒はODPが0であるため、システムから漏れてもオゾン層を破壊することはありません。

地球温暖化

地球温暖化係数(GWP)は、温室効果ガスが大気中にどれだけの量の熱を保持するかの相対的な尺度です。 GWPが低いほどその物質は環境に優しいものになります。

GWPは、問題の特定の質量のガスによって捕捉された熱量を、同様の質量の二酸化炭素によって捕捉された熱量と比較します。特定のGWPは、通常20年、100年、または500年の期間にわたって計算されます。

今日使用されている冷媒の多くは、地球温暖化係数が1,400からほぼ4,000までの範囲にあります。

地球温暖化係数(GWP)の値は、冷媒の種類によって異なります。現在の主流のR404aおよびR134aは、非常に高いGWP値(それぞれ3,922および1,430)を有しています。

現時点では、ほとんどの業界がR404AからR134Aに移行していますが、将来的には自然冷媒に移行することでさらに大きなメリットが得られます。

炭化水素(HC)

新世代の天然冷媒の多くは、ハイドロフルオロカーボン(HFC)ベースではなく、HCベースです。 HCベースの冷媒には、プロパン(R290)、イソブタン(R600a)、およびR32が含まれます。

R290の熱力学的特性はR134aとR404aより優れています。その熱容量はR134aより約90%大きく、R404aより140%大きいです。これらの特性により、R290はより多くの熱を吸収することができ、その結果、より速い温度回復とより低いエネルギー消費でより高い装置効率が得られます。

HCはオゾン層破壊性がなくGWPが低いです。しかし、メリットだけではありません。この新世代のHC冷媒は引火性が高いため、冷凍および冷却システムおよび構成要素に対して異なるより安全な技術を必要とします。

天然冷媒の比較

二酸化炭素

二酸化炭素のGWPはわずか1ですが、HCの地球温暖化係数は3倍です。しかし、一般的な冷却システムでは、CO2はHCの圧力の2倍近くで作動するため、管理がはるかに困難になります。

アンモニア

アンモニアは現在使用されているもう1つの天然冷媒ですが、HCほどではありません。アンモニアの課題は腐食性であるため、アプリケーションで使用される部品は材料の適合性について慎重に検討する必要があるということです。

高圧の課題を解決する

CO2はHCのように可燃性ではありませんが、通常の2倍の圧力レベルで動作するため、異なる問題が発生します。圧力スイッチなどの特殊部品は、CO2が使用される用途で信頼性の高い動作を保証するために使用され、それが製品製造に影響を与えます。

システム全体に圧力がかかるため、冷却ユニットには安全のために圧力スイッチが組み込まれている必要があります。後付けができない場合は、新しいユニットと交換する必要があります。

安全性の課題に加えて、CO2もHCと比較して効率が悪く、同じ暖房または冷房の電力を達成するためにより多くの電力を必要とします。