Chłodziwo

Czynnik chłodniczy DuPont

Czynnik chłodniczy jest płynem roboczym stosowanym w obiegu chłodniczym systemów klimatyzacyjnych i pomp ciepła , gdzie w większości przypadków przechodzą powtarzające się przemiany fazowe z cieczy w gaz iz powrotem. Czynniki chłodnicze podlegają ścisłym regulacjom ze względu na ich toksyczność , łatwopalność oraz wpływ czynników chłodniczych CFC i HCFC na zubożenie warstwy ozonowej , a czynników chłodniczych HFC na zmiany klimatyczne .

Czynniki chłodnicze są używane w systemie bezpośredniego odparowania (DX) do przenoszenia energii z jednego środowiska do drugiego, zwykle z wnętrza budynku na zewnątrz (lub odwrotnie), powszechnie znanego jako „klimatyzator” lub „pompa ciepła”. Czynniki chłodnicze mogą przenosić na kilogram 10 razy więcej energii niż woda i 50 razy więcej niż powietrze.

Czynniki chłodnicze są substancjami kontrolowanymi ze względu na 1) Wysokie ciśnienie (100-145 psi), 2) Ekstremalne temperatury (-50°C do 145°C), 3) Palność Klasa A1 niepalność, klasa A2/A2L palność i klasa A3 wyjątkowo łatwopalne/wybuchowe oraz 4) Toksyczność B1-niska, B2-średnia i B3-wysoka, zgodnie z klasyfikacją ISO 817 i ASHRAE 34.

Czynniki chłodnicze mogą być obsługiwane wyłącznie przez wykwalifikowanych/certyfikowanych inżynierów odpowiednich klas czynników chłodniczych, np. w Wielkiej Brytanii C&G 2079, jeśli klasa A1 PLUS C&G 6187-2, jeśli czynniki chłodnicze klasy A2/A2L i A3.

Historia

Obserwowana stabilizacja stężeń HCFC (lewe wykresy) i wzrost HFC (prawy wykres) w atmosferze ziemskiej.

Pierwsze klimatyzatory i lodówki wykorzystywały toksyczne lub łatwopalne gazy, takie jak amoniak , dwutlenek siarki , chlorek metylu lub propan , które w przypadku wycieku mogły spowodować śmiertelne wypadki.

W 1928 roku Thomas Midgley Jr. stworzył pierwszy niepalny, nietoksyczny gaz chlorofluorowęglowy, freon (R-12). Nazwa jest handlową należącą do firmy DuPont (obecnie Chemours ) dla każdego czynnika chłodniczego zawierającego chlorofluorowęglowodory (CFC), wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC) lub wodorofluorowęglowodory (HFC). Po odkryciu lepszych metod syntezy CFC, takie jak R-11 , R-12 , R-123 i R-502, zdominowały rynek.

Wycofanie CFC

Zobacz też: Protokół montrealski

Na początku lat 80. naukowcy odkryli, że CFC powodują poważne uszkodzenia warstwy ozonowej , która chroni Ziemię przed promieniowaniem ultrafioletowym, oraz dziur ozonowych nad regionami polarnymi. Doprowadziło to do podpisania Protokołu montrealskiego , który miał na celu stopniowe wycofywanie CFC i HCFC, ale nie odnosił się do wkładu HFC w zmiany klimatu. Adopcja HCFC, takich jak R-22 i R-123, została przyspieszona i dlatego były one stosowane w większości domów w USA w klimatyzatorach i agregatach chłodniczych od lat 80. XX wieku, ponieważ mają znacznie niższy potencjał niszczenia warstwy ozonowej (ODP) niż CFC, ale ich ODP nadal nie było zerowe, co doprowadziło do ich ostatecznego wycofania.

Wodorofluorowęglowodory (HFC), takie jak R-134a , R-143a , R-407a , R-407c , R-404a i R-410a (mieszanka 50/50 R-125 / R-32 ) były promowane jako zamienniki CFC i HCFC w latach 90. i 2000. HFC nie niszczą warstwy ozonowej, ale mają potencjał tworzenia efektu cieplarnianego (GWP) tysiące razy większy niż CO 2 z czasem życia w atmosferze, który może rozciągać się na dziesięciolecia. To z kolei, począwszy od 2010 roku, doprowadziło do przyjęcia w nowych urządzeniach czynników chłodniczych typu Hydrocarbon i HFO ( hydrofluoroolefina ) R-32, R-290, R-600a, R-454b, R-1234yf , R-514A, R- 744 (CO 2 ), R-1234ze i R-1233zd, które mają zarówno ODP równy zero, jak i niższy GWP. Węglowodory i CO 2 są czasami nazywane naturalnymi czynnikami chłodniczymi, ponieważ występują w przyrodzie.

Organizacja ekologiczna Greenpeace w 1992 roku zapewniła fundusze byłej wschodnioniemieckiej firmie zajmującej się chłodziarkami na badania nad alternatywnymi czynnikami chłodniczymi bezpiecznymi dla ozonu i klimatu. Firma opracowała mieszanki węglowodorów, takie jak izopentan i izobutan , [ potrzebne źródło ] propan i izobutan, czyli czysty izobutan, zwany „Greenfreeze”, ale jako warunek umowy z Greenpeace nie mógł opatentować technologii, co doprowadziło do ich szerokiego przyjęcia przez inne firmy. Polityka i wpływy polityczne kierownictwa korporacji opierały się jednak zmianom, powołując się na łatwopalność i wybuchowe właściwości czynników chłodniczych, a DuPont wraz z innymi firmami zablokował je w USA za pomocą US EPA.

Począwszy od 14 listopada 1994 r. Agencja Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych ograniczyła sprzedaż, posiadanie i używanie czynników chłodniczych wyłącznie do licencjonowanych techników, zgodnie z zasadami określonymi w sekcjach 608 i 609 ustawy o czystym powietrzu. W 1995 roku Niemcy zdelegalizowały lodówki CFC.

W 1996 roku powstała Eurammon , europejska inicjatywa non-profit zajmująca się naturalnymi czynnikami chłodniczymi , zrzeszająca europejskie firmy, instytucje i ekspertów branżowych.

W 1997 r. FC i HFC zostały włączone do Protokołu z Kioto do Ramowej konwencji w sprawie zmian klimatu.

W 2000 roku w Wielkiej Brytanii weszły w życie przepisy dotyczące ozonu, które zabraniały stosowania czynników chłodniczych HCFC zubożających warstwę ozonową, takich jak R22, w nowych systemach. Rozporządzenie zakazało stosowania R22 jako płynu „uzupełniającego” do konserwacji od 2010 roku dla płynu pierwotnego i od 2015 roku dla płynu pochodzącego z recyklingu. [ potrzebne źródło ]

Zajęcie się gazami cieplarnianymi

Wraz z rosnącym zainteresowaniem naturalnymi czynnikami chłodniczymi jako alternatywami dla syntetycznych czynników chłodniczych, takich jak CFC, HCFC i HFC, w 2004 roku Greenpeace współpracował z międzynarodowymi korporacjami, takimi jak Coca-Cola i Unilever , a później z Pepsico i innymi, w celu stworzenia koalicji korporacyjnej o nazwie Refrigerants Naturally!. Cztery lata później Ben & Jerry's z Unilever i General Electric zaczęły podejmować kroki wspierające produkcję i użytkowanie w USA. Szacuje się, że prawie 75 proc. sektora chłodnictwa i klimatyzacji ma potencjał do konwersji na naturalne czynniki chłodnicze.

W 2006 r. UE przyjęła rozporządzenie w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych (FC i HFC), aby zachęcić do przejścia na naturalne czynniki chłodnicze (takie jak węglowodory). W 2010 roku zgłoszono, że niektóre czynniki chłodnicze są używane jako narkotyki , co prowadzi do niezwykle niebezpiecznego zjawiska zwanego nadużywaniem środków wziewnych .

Od 2011 roku Unia Europejska zaczęła wycofywać z klimatyzacji samochodowej czynniki chłodnicze o współczynniku ocieplenia globalnego (GWP) przekraczającym 150 (GWP = potencjał ocieplenia w ciągu 100 lat jednego kilograma gazu w stosunku do jednego kilograma CO 2 ), takie jak: czynnik chłodniczy HFC-134a (znany w Ameryce Północnej jako R-134a), którego GWP wynosi 1526. W tym samym roku EPA zdecydowała się na bezpieczny dla ozonu i klimatu czynnik chłodniczy do produkcji w USA.

Badanie przeprowadzone w 2018 r. przez organizację non-profit „ Drawdown ” umieściło właściwe zarządzanie czynnikami chłodniczymi i ich utylizację na samym szczycie listy rozwiązań wpływających na klimat, z efektem równoważnym wyeliminowaniu emisji dwutlenku węgla w USA w ciągu 17 lat.

W 2019 roku oszacowano, że CFC, HCFC i HFC były odpowiedzialne za około 10% bezpośredniego wymuszania promieniowania ze wszystkich długożyciowych antropogenicznych gazów cieplarnianych. w tym samym roku UNEP opublikował nowe dobrowolne wytyczne, jednak wiele krajów nie ratyfikowało jeszcze poprawki z Kigali .

Od początku 2020 r. HFC (w tym R-404a, R-134a i R-410a) są zastępowane: domowe systemy klimatyzacyjne i pompy ciepła coraz częściej wykorzystują R-32 . To wciąż ma GWP ponad 600. Nowoczesne urządzenia wykorzystują czynniki chłodnicze, które prawie nie mają wpływu na klimat, a mianowicie R-290 (propan), R-600 (izobutan) lub R-1234yf (mniej palny w samochodach). W chłodnictwie komercyjnym można również stosować CO 2 (R-744).

Pożądane właściwości

Idealny czynnik chłodniczy byłby: niekorozyjny , nietoksyczny , niepalny , bez niszczenia warstwy ozonowej i potencjału globalnego ocieplenia . Najlepiej, aby był naturalny, dobrze zbadany i miał niewielki wpływ na środowisko. Musi również mieć: temperaturę wrzenia nieco poniżej temperatury docelowej (chociaż temperaturę wrzenia można regulować poprzez odpowiednią regulację ciśnienia ) , wysokie ciepło parowania , umiarkowaną gęstość w postaci ciekłej, stosunkowo dużą gęstość w postaci gazowej (którą można również regulować poprzez odpowiednie ustawienie ciśnienia) oraz wysoką temperaturę krytyczną . Należy unikać bardzo wysokich ciśnień. Nowsze czynniki chłodnicze rozwiązują problem szkód powodowanych przez CFC w warstwie ozonowej oraz wkładu HCFC w zmiany klimatyczne, ale niektóre z nich wiążą się z problemami związanymi z toksycznością i/lub palnością.

Powszechne czynniki chłodnicze

Czynniki chłodnicze o bardzo niskim wpływie na klimat

Wraz z rosnącymi przepisami oczekuje się, że czynniki chłodnicze o bardzo niskim współczynniku ocieplenia globalnego będą odgrywać dominującą rolę w XXI wieku, w szczególności R-290 i R-1234yf. Począwszy od prawie zerowego udziału w rynku w 2018 r., urządzenia o niskim GWPO zyskują udział w rynku w 2022 r.

Kod Chemiczny Nazwa GWP 20lat GWP 100 lat Status Komentarz
R-290 C 3 H 8 propan 3.3 zwiększające się wykorzystanie Niski koszt, szeroko dostępny i wydajny. Mają również zerowy potencjał niszczenia warstwy ozonowej . Pomimo łatwopalności są coraz częściej stosowane w domowych lodówkach i pompach ciepła. W 2010 roku około jedna trzecia wszystkich domowych lodówek i zamrażarek wyprodukowanych na całym świecie wykorzystywała izobutan lub mieszankę izobutan/propan, a oczekuje się, że do 2020 roku odsetek ten wzrośnie do 75%.
R-600a HC( CH3 ) 3 izobutan 3.3 Popularne Zobacz R-290.
R-717 NH 3 Amoniak 0 0 Popularne Powszechnie stosowany przed spopularyzowaniem CFC, ponownie jest rozważany, ale ma wadę toksyczności i wymaga komponentów odpornych na korozję, co ogranicza jego zastosowanie w gospodarstwach domowych i na małą skalę. Amoniak bezwodny jest szeroko stosowany w chłodnictwie przemysłowym i na lodowiskach hokejowych ze względu na wysoką efektywność energetyczną i niski koszt.
R-1234yf HFO-1234yf C 3 H 2 F 4 2,3,3,3-Tetrafluoropropen <1 Mniejsza wydajność, ale także mniej łatwopalny niż R-290. GM ogłosił, że do 2013 roku zacznie stosować „hydrofluoroolefinę”, HFO-1234yf , we wszystkich swoich markach.
R-744 CO2 _ Dwutlenek węgla 1 1 w użyciu Był używany jako czynnik chłodniczy przed odkryciem CFC (tak było również w przypadku propanu), a obecnie przeżywa renesans, ponieważ nie niszczy warstwy ozonowej, jest nietoksyczny i niepalny. Może stać się preferowanym płynem roboczym do zastąpienia obecnych HFC w samochodach, supermarketach i pompach ciepła . Coca-Cola wprowadziła chłodziarki do napojów na bazie CO 2 , a armia amerykańska rozważa chłodzenie CO 2 . Ze względu na konieczność pracy przy ciśnieniu do 130 barów (1900 psi; 13 000 kPa), CO 2 Systemy wymagają bardzo wytrzymałych komponentów, jednak zostały one już opracowane do masowej produkcji w wielu sektorach.

Najbardziej używane

Kod Chemiczny Nazwa Potencjał globalnego ocieplenia 20 lat GWP 100 lat Status Komentarz
R-32 HFC-32 CH 2 F 2 Difluorometan 2430 677 Popularne Promowany jako przyjazny dla klimatu substytut R-134a i R-410a, ale nadal mający duży wpływ na klimat. Charakteryzuje się doskonałym przenoszeniem ciepła i spadkiem ciśnienia, zarówno podczas skraplania, jak i parowania. Jego czas życia w atmosferze wynosi prawie 5 lat. Obecnie stosowany w domowych i komercyjnych klimatyzatorach i pompach ciepła .
R-134a HFC-134a CH 2 FCF 3 1,1,1,2-Tetrafluoroetan 3790 1550 Popularne Najczęściej stosowany w 2020 roku do wodnych pomp ciepła w Europie i USA pomimo wysokiego GWP. Powszechnie stosowany w klimatyzatorach samochodowych przed wycofaniem, które rozpoczęło się w 2012 roku.
R-410a 50% R-32 / 50% R-125 ( pentafluoroetan ) między 2430 (R-32) a 6350 (R-125) >677 Popularne Najczęściej stosowany w pompach ciepła typu split / AC do 2018 r. Prawie 100% udziału w USA.

Zakazane / wycofane

Kod Chemiczny Nazwa Potencjał globalnego ocieplenia 20 lat GWP 100 lat Status Komentarz
R-11 CFC-11 CCl 3 F Trichlorofluorometan 6900 4660 Zakazany Produkcja została zakazana w krajach rozwiniętych przez Protokół Montrealski w 1996 roku
R-12 CFC-12 CCl 2 F 2 Dichlorodifluorometan 10800 10200 Zakazany Znany również jako freon, powszechnie stosowany chlorofluorowęglowodorowy halometan (CFC). Produkcja została zakazana w krajach rozwiniętych przez Protokół Montrealski w 1996 roku, aw krajach rozwijających się (kraje z artykułu 5) w 2010 roku.
R-22 HCFC-22 CHCIF 2 Chlorodifluorometan 5280 1760 Wycofywane    Powszechnie stosowany wodorochlorofluorowęglowodór (HCFC) i silny gaz cieplarniany o GWP równym 1810. Światowa produkcja R-22 w 2008 roku wynosiła około 800 Gg rocznie, w porównaniu z około 450 Gg rocznie w 1998 roku. R-438a (MO-99 ) jest zamiennikiem R-22.
R-123 HCFC-123 CHCl2 CF 3 _ 2,2-dichloro-1,1,1-trifluoroetan 292 79 Wycofanie w USA Stosowany w aplikacjach odśrodkowych agregatów chłodniczych o dużym tonażu. Cała produkcja i import pierwotnych HCFC w USA zostaną wycofane do 2030 r., z nielicznymi wyjątkami. Czynnik chłodniczy R-123 został użyty do modernizacji niektórych agregatów chłodniczych, które wykorzystywały czynnik chłodniczy R-11, trichlorofluorometan . Produkcja R-11 została zakazana w krajach rozwiniętych przez Protokół Montrealski w 1996 roku.

Inny

Kod Chemiczny Nazwa Potencjał globalnego ocieplenia 20 lat GWP 100 lat Komentarz
R-152a HFC-152a CH 3 CHF 2 1,1-difluoroetan 506 138 jako rozpylacz sprężonego powietrza.
R-407c Mieszanina difluorometanu i pentafluoroetanu oraz 1,1,1,2-tetrafluoroetanu mieszanina R-32, R-125 i R-134a
R-454B Difluorometan i 2,3,3,3-tetrafluoropropen HFO mieszanka czynników chłodniczych Difluorometan ( R-32 ) i 2,3,3,3-tetrafluoropropen ( R-1234yf ).
R-513A mieszanka HFO/HFC (56% R-1234yf/44% R-134a) może zastąpić R-134a jako tymczasową alternatywę
R-514a HFO-1336mzz-Z/trans-1,2-dichloroetylen (t-DCE) Czynnik chłodniczy na bazie fluoroolefin (HFO), który zastępuje R-123 w niskociśnieniowych agregatach odśrodkowych do zastosowań komercyjnych i przemysłowych.

Odzysk i utylizacja czynnika chłodniczego

Główny artykuł: Regeneracja czynnika chłodniczego

Chłodziwo i czynniki chłodnicze można znaleźć w całym uprzemysłowionym świecie, w domach, biurach i fabrykach, w urządzeniach takich jak lodówki, klimatyzatory, centralne systemy klimatyzacji (HVAC), zamrażarki i osuszacze. Podczas serwisowania tych jednostek istnieje ryzyko, że czynnik chłodniczy zostanie uwolniony do atmosfery przypadkowo lub celowo, stąd tworzenie programów szkoleń i certyfikacji techników w celu zapewnienia, że ​​materiał jest konserwowany i bezpiecznie zarządzany. Wykazano, że niewłaściwe traktowanie tych gazów zuboża warstwę ozonową i podejrzewa się, że przyczynia się do globalnego ocieplenia .

Z wyjątkiem izobutanu i propanu (R600a, R441a i R290), amoniaku i CO2, zgodnie z sekcją 608 amerykańskiej ustawy o czystym powietrzu, świadome uwalnianie jakichkolwiek czynników chłodniczych do atmosfery jest nielegalne.

Odzysk czynnika chłodniczego to czynność polegająca na przetwarzaniu zużytego czynnika chłodniczego, który był wcześniej używany w niektórych typach układów chłodniczych, w taki sposób, aby spełniał specyfikacje dla nowego czynnika chłodniczego. W Stanach Zjednoczonych ustawa o czystym powietrzu z 1990 r. wymaga, aby zużyty czynnik chłodniczy był przetwarzany przez certyfikowaną firmę zajmującą się regeneracją, która musi posiadać licencję Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA), a materiał musi być odzyskiwany i dostarczany do firmy zajmującej się regeneracją przez EPA - certyfikowani technicy.

Klasyfikacja czynników chłodniczych

R407C ciśnienie - wykres entalpii , izotermy między dwiema liniami nasycenia
Główny artykuł: Lista czynników chłodniczych

Czynniki chłodnicze można podzielić na trzy klasy w zależności od sposobu pochłaniania lub wydobywania ciepła z chłodzonych substancji: [ potrzebne źródło ]

  • ciepło utajone czynnika chłodniczego .
  • Klasa 2: Te czynniki chłodnicze chłodzą poprzez zmianę temperatury lub „ ciepło jawne ”, przy czym ilość ciepła to ciepło właściwe x zmiana temperatury. Są to powietrze, solanka chlorku wapnia, solanka chlorku sodu, alkohol i podobne roztwory niezamarzające. Zadaniem czynników chłodniczych klasy 2 jest uzyskanie obniżenia temperatury z czynników chłodniczych klasy 1 i przeniesienie tej niższej temperatury do obszaru, który ma być chłodzony.
  • Klasa 3: Ta grupa obejmuje roztwory zawierające zaabsorbowane opary środków upłynniających lub czynników chłodniczych. Roztwory te działają ze względu na swoją zdolność do przenoszenia skroplonych oparów, które wytwarzają efekt chłodzenia poprzez absorpcję ich ciepła rozpuszczania. Można je również podzielić na wiele kategorii.

System numeracji R-# został opracowany przez firmę DuPont (która była właścicielem znaku towarowego Freon ) i systematycznie identyfikuje strukturę molekularną czynników chłodniczych wykonanych z pojedynczego fluorowcowanego węglowodoru. Znaczenie kodów jest następujące: [ potrzebne źródło ]

  • Dla węglowodorów nasyconych odjęcie 90 od połączonych liczb odpowiednio atomów węgla , wodoru i fluoru daje przypisany R#.
  • Jeśli obecny jest brom , po liczbie następuje duża litera B, a następnie liczba atomów bromu.
  • Pozostałe nieuwzględnione wiązania są zajęte przez atomy chloru .
  • Przyrostek małej litery a, b lub c wskazuje na coraz bardziej niesymetryczne izomery .

Na przykład R-134a ma 2 atomy węgla, 2 atomy wodoru i 4 atomy fluoru, wzór empiryczny tetrafluoroetanu. Przyrostek „a” wskazuje, że izomer jest niezrównoważony o jeden atom, dając 1,1,1,2-tetrafluoroetan . R-134 (bez przyrostka „a”) miałby strukturę cząsteczkową 1,1,2,2-tetrafluoroetanu.

  • Seria R-400 składa się z mieszanek zeotropowych (takich, w których temperatura wrzenia związków składowych różni się na tyle, że prowadzi do zmian względnego stężenia z powodu destylacji frakcyjnej ), a seria R-500 składa się z tak zwanych mieszanek azeotropowych . Cyfra znajdująca się najbardziej na prawo jest przypisywana arbitralnie przez ASHRAE , branżową organizację normalizacyjną.
  • Seria R-700 składa się z nieorganicznych czynników chłodniczych, również oznaczonych przez ASHRAE.

Te same numery są używane z przedrostkiem R- dla ogólnych czynników chłodniczych, z przedrostkiem „Propelent” (np. „Propelent 12”) dla tej samej substancji chemicznej używanej jako propelent w aerozolu oraz z nazwami handlowymi związków, takich jak jako „ Freon 12”. Ostatnio pojawiła się praktyka używania skrótów HFC- dla wodorofluorowęglowodorów , CFC- dla chlorofluorowęglowodorów i HCFC- dla wodorochlorofluorowęglowodorów , ze względu na różnice regulacyjne między tymi grupami. [ potrzebne źródło ]

Bezpieczeństwo czynnika chłodniczego

Norma ASHRAE 34, Oznaczenie i klasyfikacja bezpieczeństwa czynników chłodniczych , przypisuje klasyfikacje bezpieczeństwa czynnikom chłodniczym w oparciu o toksyczność i łatwopalność .

Korzystając z informacji dotyczących bezpieczeństwa dostarczonych przez producentów, ASHRAE przypisuje wielką literę oznaczającą toksyczność i liczbę wskazującą palność. Litera „A” jest najmniej toksyczna, a cyfra 1 najmniej palna.

Zobacz też

Źródła

Raporty IPCC

Inny

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Refrigerant&oldid=1136203474 ”