Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Хладагент DuPont

Хладагент представляет собой вещество или смесь, как правило, жидкость , используемая в тепловом насосе и холодильный цикле . В большинстве циклов он претерпевает фазовые переходы из жидкости в газ и обратно. Для этих целей использовалось множество рабочих жидкостей . Фторуглероды , особенно хлорфторуглероды , стали обычным явлением в 20-м веке, но их использование постепенно прекращается из-за их разрушающего воздействия на озоновый слой . Другими распространенными хладагентами, используемыми в различных областях, являются аммиак , диоксид серы и негалогенированные углеводороды.например пропан . [1]

Желаемые свойства [ править ]

Идеальная рабочая жидкость или часто называемый хладагентом должна иметь благоприятные термодинамические свойства, не вызывать коррозию механических компонентов и быть безопасной, в том числе не иметь токсичности и воспламеняемости . Это не вызовет истощения озонового слоя или изменения климата . Поскольку разные жидкости обладают желаемыми качествами в разной степени, выбор - это вопрос компромиссов .

Желаемые термодинамические свойства - это температура кипения несколько ниже заданной температуры, высокая теплота испарения , умеренная плотность в жидкой форме, относительно высокая плотность в газообразной форме и высокая критическая температура . Поскольку на точку кипения и плотность газа влияет давление , хладагенты можно сделать более подходящими для конкретного применения за счет соответствующего выбора рабочего давления.

Экологические проблемы [ править ]

Наблюдаемая стабилизация концентраций ГХФУ (левые графики) и рост ГФУ (правые графики) в атмосфере Земли.

Инертная природа многих галогеналканов , хлорфторуглеродов (CFC) и гидрохлорфторуглеродов (HCFC), особенно CFC-11 и CFC-12, сделала их предпочтительным выбором среди хладагентов в течение многих лет из-за их негорючести и нетоксичности. Однако их долгая жизнь в атмосфере вместе с соответствующим потенциалом глобального потепления и разрушением озонового слоя вызвали опасения по поводу их использования. В порядке от самого высокого до самого низкого потенциала разрушения озона: бромхлорфторуглерод, CFC, затем HCFC. [ необходима цитата ]

Открытие стратосферных озоновых дыр над полярными регионами в начале 1980-х годов привело к переходу на гидрофторуглероды (ГФУ), которые не разрушают озоновый слой. К ним относятся R-134a , R-143a и R-410a (смесь 50/50 R-125 / R-32 ). Эти хладагенты по-прежнему обладают потенциалом глобального потепления, в тысячи раз превышающим CO 2, и сроком службы в атмосфере, который может увеличиваться. в течение многих десятилетий.

В начале 21 века были разработаны новые хладагенты, более безопасные для окружающей среды, но их внедрение было отложено из-за опасений по поводу токсичности и воспламеняемости. [2] В настоящее время ГФУ заменяются на рынках, где возможны утечки, за счет использования хладагентов четвертого поколения, в первую очередь HFO-1234yf, торговой марки Chemours как Opteon -YF, которые обладают потенциалом глобального потепления, намного более близким к таковому у CO 2 .

По состоянию на 2019 год на ХФУ, ГХФУ и ГФУ приходится около одной десятой прямого радиационного воздействия всех долгоживущих антропогенных парниковых газов. [3] Исследование 2018 года, проведенное некоммерческой организацией « Drawdown », поставило надлежащее управление хладагентами и их утилизацию на первое место в списке решений, влияющих на климат, с воздействием, эквивалентным устранению выбросов углекислого газа в США за 17 лет. [4]

По сравнению с галогенированными хладагентами углеводороды, такие как изобутан (R-600a) и пропан (R-290), обладают рядом преимуществ: низкая стоимость и широкая доступность, нулевой потенциал разрушения озонового слоя и очень низкий потенциал глобального потепления. Они также обладают хорошей энергоэффективностью, но легко воспламеняются и могут образовывать взрывоопасную смесь с воздухом в случае утечки. Несмотря на горючесть, они все чаще используются в бытовых холодильниках. Правила ЕС и США устанавливают максимальную заправку хладагента 57 или 150 грамм, сохраняя концентрацию на стандартной кухне ниже 20% от нижнего предела взрываемости.. Нижний предел взрываемости может быть превышен внутри прибора, поэтому в нем отсутствуют потенциальные источники возгорания. Выключатели должны быть размещены вне холодильного отделения или заменены герметичными версиями, и могут использоваться только безискровые вентиляторы. В 2010 году около одной трети всех производимых в мире бытовых холодильников и морозильников использовали изобутан или смесь изобутана и пропана, и ожидалось, что к 2020 году этот показатель вырастет до 75% [5].

История [ править ]

В ранних системах механического охлаждения использовался диоксид серы , хлористый метил или аммиак . Будучи токсичными, диоксид серы и хлористый метил быстро исчезли с рынка с появлением ХФУ. Иногда можно встретить более старые машины с метилформиатом , хлористым метилом или дихлорметаном (в торговле называемым карреном).

Хлорфторуглероды мало использовались для охлаждения, пока более совершенные методы синтеза, разработанные в 1950-х годах, не снизили их стоимость. Их доминирование на рынке было поставлено под сомнение в 1980-х годах из-за опасений по поводу истощения озонового слоя .

В соответствии с законодательными положениями об озоноразрушающих хлорфторуглеродах (CFC) и гидрохлорфторуглеродах (HCFC), вещества, используемые в качестве заменителей хладагентов, такие как перфторуглероды (FC) и гидрофторуглероды (HFC), также подверглись критике. В настоящее время они являются предметом обсуждения запрета из-за их вредного воздействия на климат. В 1997 году ФК и ГФУ были включены в Киотский протокол к Рамочной конвенции об изменении климата. В 2006 году ЕС принял Регламент о фторированных парниковых газах , в котором оговариваются условия использования FC и HFC с целью сокращения их выбросов. Положения не влияютклиматически нейтральные хладагенты. Углеводороды все чаще используются в качестве хладагентов.

Использует [ редактировать ]

Хладагенты, такие как аммиак (R717), диоксид углерода и негалогенированные углеводороды, не разрушают озоновый слой и не имеют (аммиак) или обладают лишь низким (диоксид углерода, углеводороды) потенциалом глобального потепления. [ необходима цитата ] Они используются в системах кондиционирования воздуха для зданий, в спортивных и развлекательных заведениях, в химической / фармацевтической промышленности, в автомобильной промышленности и, прежде всего, в пищевой промышленности (производство, хранение, морские перевозки , розничная торговля). В этих условиях их токсичность вызывает меньшее беспокойство, чем в домашнем оборудовании.

Выбросы от автомобильных кондиционеров вызывают растущую озабоченность из-за их воздействия на изменение климата. [ необходима цитата ] С 2011 года Европейский Союз постепенно откажется от хладагентов с потенциалом глобального потепления (GWP) более 150 в автомобильных системах кондиционирования воздуха (GWP = 100-летний потенциал потепления одного килограмма газа относительно одного килограмма CO. 2 ). [ необходима цитата ] Это запретит использование сильнодействующих парниковых газов, таких как хладагент HFC-134a (также известный как R-134a в Северной Америке), имеющий GWP 1410, для продвижения безопасных и энергоэффективных хладагентов.

Одна из наиболее многообещающих альтернатив - CO 2 ( R-744 ). Двуокись углерода негорючая, не разрушает озоновый слой, имеет потенциал глобального потепления, равный 1. R-744 может использоваться в качестве рабочей жидкости в системах климат-контроля для автомобилей, кондиционирования воздуха в жилых помещениях, насосов горячей воды, коммерческого холодильного оборудования и торговых автоматов машины. [ необходима цитата ] R12 совместим с минеральным маслом , а R134a совместим с синтетическим маслом , содержащим сложные эфиры . [ необходима цитата ] GM объявила, что к 2013 году начнет использовать «гидрофторолефин», HFO-1234yf , во всех своих брендах.[6] Диметиловый эфир (DME) также набирает популярность в качестве хладагента [7], но, как и пропан, он также опасно воспламеняется.

Некоторые хладагенты все чаще используются в качестве рекреационных наркотиков , что приводит к чрезвычайно опасному явлению, известному как злоупотребление ингалянтами . [8]

Удаление [ править ]

Основная статья: Утилизация хладагента

Согласно разделу 608 Закона США о чистом воздухе сознательный выброс хладагентов в атмосферу является незаконным. [9] Одобренные SNAP заменители углеводородов (изобутан и пропан: R600a, R441a и R290), аммиак и CO 2 не подпадают под запрет на выброс. [10]

После удаления хладагентов их следует переработать, чтобы очистить от загрязнений и вернуть их в рабочее состояние. Никогда не следует смешивать хладагенты за пределами предприятий, имеющих лицензию на это, с целью производства смесей. С некоторыми хладагентами следует обращаться как с опасными отходами, даже если они перерабатываются, и при их транспортировке требуются особые меры предосторожности в зависимости от законодательства правительства страны.

Для возврата хладагента для повторного использования используются различные методы утилизации хладагента. [11]

Хладагенты по классам и номерам R [ править ]

Основная статья: Список хладагентов

Хладагенты можно разделить на три класса в зависимости от способа поглощения или отвода тепла от охлаждаемых веществ: [ необходима цитата ]

  • Класс 1: к этому классу относятся хладагенты, которые охлаждаются за счет фазового перехода (обычно кипения) с использованием скрытой теплоты хладагента .
  • Класс 2: Эти хладагенты охлаждаются за счет изменения температуры или « явного тепла », где количество тепла равно удельной теплоемкости, умноженной на изменение температуры. Это воздух, раствор хлорида кальция, раствор хлорида натрия, спирт и аналогичные незамерзающие растворы. Назначение хладагентов класса 2 - снизить температуру по сравнению с хладагентами класса 1 и передать эту более низкую температуру в охлаждаемую зону.
  • Класс 3: Эта группа состоит из растворов, которые содержат абсорбированные пары сжижаемых веществ или охлаждающих сред. Эти растворы действуют по своей природе своей способностью переносить сжижаемые пары, которые производят охлаждающий эффект за счет поглощения тепла их раствора. Их также можно разделить на множество категорий.

Система нумерации R- # была разработана DuPont (которой принадлежала торговая марка Freon ) и систематически определяет молекулярную структуру хладагентов, изготовленных из одного галогенированного углеводорода. Смысл кодов следующий: [ необходима ссылка ]

  • Для насыщенных углеводородов вычитание 90 из конкатенированного числа атомов углерода , водорода и фтора , соответственно, дает присвоенный R #. [12]
  • Если присутствует бром , за номером следует заглавная буква B, а затем - количество атомов брома.
  • Остальные неучтенные связи заняты атомами хлора .
  • Суффикс строчной буквы a, b или c указывает на все более несимметричные изомеры .

Например, R-134a имеет 2 атома углерода, 2 атома водорода и 4 атома фтора, эмпирическая формула тетрафторэтана. Суффикс «а» указывает на то, что изомер не сбалансирован на один атом, давая 1,1,1,2-тетрафторэтан . R-134 (без суффикса «а») имел бы молекулярную структуру 1,1,2,2-тетрафторэтана.

  • Серия R-400 состоит из зеотропных смесей (тех, где точка кипения составляющих соединений достаточно отличается, чтобы привести к изменениям относительной концентрации из-за фракционной перегонки ), а серия R-500 состоит из так называемых азеотропных смесей . Крайняя правая цифра назначается произвольно ASHRAE , организацией по отраслевым стандартам.
  • Серия R-700 состоит из неорганических хладагентов, также обозначенных ASHRAE.

Такие же номера используются с префиксом R- для обычных хладагентов, с префиксом «Пропеллент» (например, «Пропеллент 12») для того же химического вещества, которое используется в качестве пропеллента для аэрозольных баллончиков , и с торговыми названиями соединений, например как « Фреон 12». В последнее время из-за нормативных различий между этими группами возникла практика использования сокращений HFC- для гидрофторуглеродов , CFC- для хлорфторуглеродов и HCFC- для гидрохлорфторуглеродов . [ необходима цитата ]

Известные смеси [ править ]

Диаграмма давление R407C - энтальпия , изотермы между двумя линиями насыщения

Ниже приведены некоторые известные смешанные смеси ГФУ. Их гораздо больше (см. Список хладагентов ). Все фторуглеводороды R-400 (R-4xx) и R-500 (R-5xx) являются смесями, как отмечалось выше.

  • R-401A представляет собой зеотропную смесь ГХФУ из R-22 , R-152a и R-124 . Он разработан как замена R-12 . [13]
  • R-404A представляет собой «почти азеотропную » смесь HFC, состоящую из 52 мас.% R-143a , 44 мас.% R-125 и 4 мас.% R-134a . Он разработан как замена ХФУ R-22 и R-502 . Его температура кипения при нормальном давлении - 46,5 ° C, плотность жидкости - 0,485 г / см 3 . [14]    
  • R-406A представляет собой зеотропную смесь 55 мас.% R-22 , 4 мас.% R-600a и 41 мас.% R-142b .
  • R-407A представляет собойзеотропную смесь HFC, состоящую из 20 мас.% R-32 , 40 мас.% R-125 и 40 мас.% R-134a . [15]
  • R-407C представляет собойсмесь зеотропных гидрофторуглеродов R-32 , R-125 и R-134a . R-32 служит для обеспечения теплоемкости, R-125 снижает воспламеняемость, R-134a снижает давление. [16]
  • R-408A представляет собой смесь зеотропного ГХФУ с R-22 , R-125 и R-143a . Является заменителем R-502. Его температура кипения составляет -44,4 ° C. [17]
  • R-409A является зеотропной HCFC смеси R-22 , R-124 и R-142b . Его температура кипения -35,3 ° C. Его критическая температура составляет 109,4 ° C. [18]
  • R-410A представляет собой почти азеотропную смесь R-32 и R-125 . Агентство по охране окружающей среды США признает его приемлемым заменителем R-22 в бытовых и легких коммерческих системах кондиционирования воздуха. [19] Похоже, он получил широкое признание на рынке под несколькими торговыми наименованиями. [ необходима цитата ]
  • R-438A - еще один заменитель R-22, смешанный с ГФУ, с пятью компонентами: R-32, R-125 / R-134a, R-600 и R-601a, смешанные в соответствующих соотношениях 8,5 + 0,5, -1,5%; 45 ± 1,5%; 44,2 ± 1,5%; 1,7 + 0,1, - 2%; 0,6 + 0,1, - 2%. Средняя молекулярная масса этой смеси составляет 99, что дает торговую марку ISCEON MO99 от производителя DuPont (линейка смешанных продуктов с ГФУ, первоначально разработанных Rhodia и проданных DuPont). [20] [21]
  • R-500 представляет собой азеотропную смесь 73,8  мас.% R-12 и 26,2  мас.% R-152a .
  • R-502 представляет собой азеотропную смесь R-22 и R-115 .
  • R-507 представляет собой зеотропную смесь HFC R-143a и R-125 .

Воздух как хладагент [ править ]

Воздух используется для кондиционирования и / или охлаждения воздуха в жилых, [22] автомобильных и поршневых и турбинных двигателях [23] [24] . Воздух не получил широкого распространения в качестве хладагента общего назначения, потому что в нем нет изменения фазы , и поэтому он слишком неэффективен, чтобы быть практичным в большинстве приложений. [22] Было высказано предположение, что при подходящей технологии сжатия и расширения воздух может быть практичным (хотя и не самым эффективным) хладагентом, свободным от возможности загрязнения окружающей среды или повреждения [22] и почти полностью [25] безвредным для растения и животные.

Однако взрыв может произойти в результате сжатия паров или распыленных смазочных масел компрессоров хладагента вместе с воздухом в процессе, аналогичном процессу в дизельном двигателе .

См. Также [ править ]

  • Рассол (хладагент)
  • Eurammon - инициатива по натуральным хладагентам
  • Промышленный газ
  • Список хладагентов
  • Утилизация хладагента
  • Рабочие жидкости

Ссылки [ править ]

  1. ^ Зигфрид Хааф, Хельмут Хенрици «Холодильная технология» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002, Wiley-VCH, doi : 10.1002 / 14356007.b03_19
  2. ^ Розенталь, Элизабет; Лерен, Эндрю (20 июня 2011 г.). «Облегчение в каждом окне, но и глобальное беспокойство тоже» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 21 июня 2012 года .
  3. ^ Батлер Дж. И Монцка С. (2020). «Годовой индекс парниковых газов NOAA (AGGI)» . Лаборатория глобального мониторинга NOAA / Исследовательские лаборатории системы Земля.
  4. ^ Бервальд, Juli (2019-04-29). «Один упускаемый из виду способ борьбы с изменением климата? Утилизируйте старые ХФУ» . National Geographic - Окружающая среда . Проверено 30 апреля 2019 .
  5. ^ «Защита стратосферного озона: углеводородные хладагенты» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды . Проверено 5 августа 2018 .
  6. ^ GM первым выпустил на рынок США хладагент для кондиционирования воздуха, не загрязняющий парниковые газы
  7. ^ [1] 101110
  8. ^ Харрис, Кэтрин. «Кампания по борьбе со злоупотреблением ингалянтами нацелена на строительные нормы и правила:« Выдувание »хладагента для кондиционирования воздуха представляет собой опасный риск». Здоровье нации. Американская ассоциация общественного здравоохранения, 2010. Интернет. 5 декабря 2010 г. http://thenationshealth.aphapublications.org/content/39/4/20.extract .
  9. ^ «Часто задаваемые вопросы по разделу 608» . Агентство по охране окружающей среды . Проверено 20 декабря 2013 года .
  10. ^ «Агентство по охране окружающей среды США отменяет запрет на выброс углеводородов, одобренных SNAP» . Проверено 5 августа 2018 .
  11. ^ Руководство по эффективному извлечению хладагента Ritchie Engineering Company
  12. ^ «Схема нумерации озоноразрушающих веществ и их заменителей» . Проверено 25 декабря 2015 года .
  13. ^ ГХФУ - R401A
  14. ^ "Хладагент газ R-404A" . Cameo Chemicals . NOAA.
  15. ^ "Хладагент газ R-407A" . Cameo Chemicals . NOAA.
  16. ^ «Сравнение коэффициентов теплопередачи R407C и R417A и падения давления при проточном кипении в горизонтальной гладкой трубе» . ResearchGate . Проверено 9 сентября 2015 .
  17. ^ «Смешанные хладагенты, страница R-408A» . Архивировано из оригинала на 2006-11-26.
  18. ^ Смешанные хладагенты, R-409A стр.
  19. ^ «Программа политики значительных новых альтернатив (SNAP)» . Архивировано из оригинала на 1 июня 2002 года . Проверено 25 декабря 2015 года .
  20. ^ [2] [ мертвая ссылка ]
  21. ^ "Эта страница переехала" . Проверено 25 декабря 2015 года .
  22. ^ a b c Воздух как хладагент в системах кондиционирования воздуха в зданиях .
  23. ^ Машина с воздушным циклом .
  24. ^ Турбодетандер .
  25. ^ Современные методы воздушного охлаждения выбрасывают в атмосферу незначительное количество масла или другой смазки.

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница Агентства по охране окружающей среды США о ПГП различных веществ
  • Инициатива Green Cooling по альтернативным технологиям охлаждения естественных хладагентов
  • Международный институт холода