Refrigerante - Refrigerant

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Un refrigerante DuPont

Un refrigerante è un fluido di lavoro utilizzato nel ciclo di refrigerazione degli impianti di condizionamento e delle pompe di calore dove nella maggior parte dei casi subiscono una ripetuta transizione di fase da liquido a gas e viceversa. I refrigeranti sono fortemente regolamentati a causa della loro tossicità , infiammabilità e del loro contributo alla riduzione dell'ozono e ai cambiamenti climatici .

Storia

La stabilizzazione osservata delle concentrazioni di HCFC (grafici a sinistra) e la crescita di HFC (grafici a destra) nell'atmosfera terrestre.

I primi condizionatori d'aria e frigoriferi utilizzavano gas tossici o infiammabili, come ammoniaca , anidride solforosa , cloruro di metile o propano , che potevano provocare incidenti mortali quando fuoriuscivano.

Nel 1928 Thomas Midgley Jr. creò il primo gas clorofluorocarburo non infiammabile e non tossico, Freon (R-12). Il nome è un marchio di proprietà di DuPont (ora Chemours ) per qualsiasi refrigerante clorofluorocarburo (CFC), idroclorofluorocarburo (HCFC) o idrofluorocarburo (HFC). In seguito alla scoperta di metodi di sintesi migliori, i CFC come R-11 , R-12 , R-123 e R-502 hanno dominato il mercato.

Eliminazione graduale dei CFC

All'inizio degli anni '80, gli scienziati hanno scoperto che i CFC stavano causando gravi danni allo strato di ozono che protegge la terra dalle radiazioni ultraviolette e dai buchi dell'ozono sulle regioni polari. Ciò ha portato alla firma del Protocollo di Montreal nel 1989 che mirava a eliminare gradualmente i CFC e gli HCFC ma non affrontava il contributo degli HFC al cambiamento climatico. L'adozione di HCFC come R-22 e R-123 è stata accelerata e quindi sono stati utilizzati nella maggior parte delle case degli Stati Uniti e nei refrigeratori dagli anni '80 poiché hanno un potenziale di riduzione dell'ozono (ODP) inferiore rispetto ai CFC, ma il loro ODP non lo era ancora zero che ha portato alla loro eventuale eliminazione graduale.

Gli idrofluorocarburi (HFC) come R-134a , R-143a , R-407a , R-407c , R-404a e R-410a (una miscela 50/50 di R-125 / R-32 ) sono stati promossi come sostituti dei CFC e HCFC negli anni '90 e 2000. Gli HFC non riducono lo strato di ozono, ma hanno un potenziale di riscaldamento globale (GWP) migliaia di volte maggiore della CO 2 con una durata atmosferica che può estendersi per decenni. Questo a sua volta, a partire dagli anni 2010, ha portato all'adozione in nuove apparecchiature dei refrigeranti Idrocarburi e HFO ( idrofluoroolefina ) R-32, R-290, R-600a, R-454b, R-1234yf , R-514A, R- 744 (CO2), R-1234ze e R-1233zd, che hanno sia un ODP pari a zero che un GWP inferiore. Gli idrocarburi e la CO2 sono talvolta chiamati refrigeranti naturali perché possono essere trovati in natura.

L'organizzazione ambientalista Greenpeace ha fornito finanziamenti a un'ex azienda di frigoriferi della Germania orientale per la ricerca di un ozono alternativo e un refrigerante sicuro per il clima nel 1992. L'azienda ha sviluppato una miscela di idrocarburi di isopentano e isobutano , ma come condizione del contratto con Greenpeace non poteva brevettare il tecnologia, che ha portato alla sua diffusa adozione da parte di altre aziende. La politica e l'influenza politica dei dirigenti aziendali resistettero al cambiamento e DuPont insieme ad altre società bloccò il refrigerante negli Stati Uniti con l'EPA statunitense, denigrando l'approccio come "quella tecnologia tedesca".

A partire dal 14 novembre 1994, l' Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha limitato la vendita, il possesso e l'uso di refrigeranti ai soli tecnici autorizzati, secondo le regole delle sezioni 608 e 609 del Clean Air Act. Nel 1995, la Germania ha reso illegali i frigoriferi CFC.

Nel 1996 è stata istituita Eurammon , un'iniziativa europea senza scopo di lucro per i refrigeranti naturali che comprende aziende, istituzioni ed esperti del settore europei.

Nel 1997, gli FC e gli HFC sono stati inclusi nel Protocollo di Kyoto alla Convenzione quadro sui cambiamenti climatici. Nel 2000 nel Regno Unito sono entrati in vigore i regolamenti sull'ozono che vietavano l'uso di refrigeranti HCFC dannosi per l'ozono come l'R22 nei nuovi sistemi. Il regolamento ha vietato l'uso dell'R22 come fluido di "rabbocco" per la manutenzione tra il 2010 per il fluido vergine e dal 2015 per il fluido riciclato.

Affrontare i gas serra

Con un crescente interesse per i refrigeranti naturali come alternative ai refrigeranti sintetici come CFC, HCFC e HFC, nel 2004 Greenpeace ha lavorato con multinazionali come Coca-Cola e Unilever , e successivamente Pepsico e altri, per creare una coalizione aziendale chiamata Refrigerants Naturally !. Quattro anni dopo, Ben & Jerry's di Unilever e General Electric hanno iniziato a prendere provvedimenti per supportare la produzione e l'uso negli Stati Uniti. Si stima che quasi il 75% del settore della refrigerazione e del condizionamento dell'aria abbia il potenziale per essere convertito in refrigeranti naturali.

Nel 2006, l'UE ha adottato un regolamento sui gas fluorurati a effetto serra (FC e HFC) per incoraggiare la transizione ai refrigeranti naturali (come gli idrocarburi). È stato segnalato nel 2010 e alcuni refrigeranti vengono utilizzati come droghe ricreative , portando a un fenomeno estremamente pericoloso noto come abuso di inalanti .

Dal 2011 l'Unione Europea ha iniziato a eliminare gradualmente i refrigeranti con un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di oltre 150 nel condizionamento dell'aria per autoveicoli (GWP = potenziale di riscaldamento di 100 anni di un chilogrammo di gas rispetto a un chilogrammo di CO 2 ) come il refrigerante HFC-134a (noto come R-134a in Nord America) che ha un GWP di 1410. Nello stesso anno l'EPA decise a favore del refrigerante resistente all'ozono e al clima per la produzione statunitense.

Uno studio del 2018 dell'organizzazione senza scopo di lucro " Drawdown " ha posto una corretta gestione e smaltimento del refrigerante in cima alla lista delle soluzioni di impatto climatico, con un impatto equivalente all'eliminazione di oltre 17 anni di emissioni di anidride carbonica negli Stati Uniti.

Nel 2019 è stato stimato che i CFC, gli HCFC e gli HFC erano responsabili di circa il 10% della forzatura radiativa diretta da tutti i gas serra antropogenici di lunga durata. e nello stesso anno l' UNEP ha pubblicato nuove linee guida volontarie, tuttavia molti paesi non hanno ancora ratificato l' emendamento di Kigali .

A partire dal 2020 gli HFC (inclusi R-404a, R-134a e R-410a) verranno sostituiti: con sistemi di condizionamento d'aria residenziali che utilizzano R-32 o R-600 (isobutano); sistemi di condizionamento d'aria per auto che utilizzano R-1234yf ; chiller per la refrigerazione commerciale; aria condizionata utilizzando R-1234ze; e la refrigerazione commerciale utilizzando CO2 (R-744).

Proprietà desiderabili

Il refrigerante ideale sarebbe: non corrosivo , non tossico , non infiammabile , senza riduzione dell'ozono e potenziale di riscaldamento globale . Deve inoltre avere: un punto di ebollizione leggermente inferiore alla temperatura target (sebbene il punto di ebollizione possa essere regolato regolando la pressione in modo appropriato), un elevato calore di vaporizzazione , una densità moderata in forma liquida, una densità relativamente alta in forma gassosa (che può anche essere regolata impostando opportunamente la pressione) e una temperatura critica elevata . I refrigeranti più recenti affrontano il problema del danno che i CFC hanno causato allo strato di ozono e il contributo che gli HCFC apportano al cambiamento climatico, ma alcuni sollevano questioni relative alla tossicità e / o all'infiammabilità.

Esempi di refrigeranti

Alcuni refrigeranti comuni sono:

Codice Chimica Stato Commento
R-12 Diclorodifluorometano Vietato Conosciuto anche come Freon, un clorofluorocarburo alometano (CFC) ampiamente utilizzato . La produzione è stata vietata nei paesi sviluppati dal protocollo di Montreal nel 1996 e nei paesi in via di sviluppo (paesi dell'articolo 5) nel 2010.
R-22 Clorodifluorometano In fase di eliminazione Un idroclorofluorocarburo (HCFC) ampiamente utilizzato e un potente gas a effetto serra con un GWP pari a 1810. La produzione mondiale di R-22 nel 2008 è stata di circa 800   Gg all'anno, rispetto a circa 450   Gg all'anno nel 1998.
R717 Ammoniaca Ha zero impoverimento dell'ozono e zero potenziale di riscaldamento globale. Comunemente utilizzato prima della divulgazione dei CFC, viene nuovamente preso in considerazione, ma soffre dello svantaggio della tossicità e richiede componenti resistenti alla corrosione, il che ne limita l'uso domestico e su piccola scala. L'ammoniaca anidra è ampiamente utilizzata nelle applicazioni di refrigerazione industriale e nelle piste di hockey a causa della sua elevata efficienza energetica e del basso costo.
R-32 Difluorometano Ha eccellenti prestazioni di trasferimento del calore e caduta di pressione, sia in condensazione che in vaporizzazione. Ha un potenziale di riscaldamento globale (GWP) di 100 anni pari a 675 volte quello dell'anidride carbonica e una durata atmosferica di quasi 5 anni. è attualmente utilizzato in condizionatori e pompe di calore residenziali e commerciali .
R-290 Propano Basso costo, ampia disponibilità ed efficienza. Hanno anche un potenziale di riduzione dell'ozono pari a zero e un potenziale di riscaldamento globale molto basso. Nonostante l'infiammabilità, sono sempre più utilizzati nei frigoriferi domestici. Nel 2010, circa un terzo di tutti i frigoriferi e congelatori domestici fabbricati a livello mondiale utilizzava isobutano o una miscela di isobutano / propano e si prevedeva che tale cifra aumentasse al 75% entro il 2020.
R-410a Miscela di difluorometano e pentafluoroetano Ampiamente utilizzato
R-600a Isobutano Vedere R-290.
R-744 CO 2 È stato utilizzato come refrigerante prima della scoperta dei CFC (questo era anche il caso del propano) e ora sta vivendo una rinascita perché non dannoso per l'ozono, non tossico, non infiammabile con un basso potenziale di riscaldamento globale di 1. Può diventare il fluido di lavoro preferito per sostituire gli attuali HFC nelle automobili, nei supermercati e nelle pompe di calore . Coca-Cola ha messo in campo refrigeratori per bevande a base di CO 2 e l' esercito americano sta considerando la refrigerazione a CO 2 . A causa della necessità di operare a pressioni fino a 130 bar (1.900 psi; 13.000 kPa), i sistemi CO 2 richiedono componenti ad alta resistenza, tuttavia questi sono già stati sviluppati per la produzione di massa in molti settori.
HFO-1234yf Ha un potenziale di riscaldamento globale (GWP) inferiore a 1, rispetto a 1.430 per l' R-134a . GM ha annunciato che inizierà a utilizzare "idrofluoroolefina", HFO-1234yf , in tutti i suoi marchi entro il 2013.

Recupero e smaltimento del refrigerante

Refrigeranti e refrigeranti si trovano in tutto il mondo industrializzato, nelle case, negli uffici e nelle fabbriche, in dispositivi come frigoriferi, condizionatori d'aria, sistemi di condizionamento d'aria centralizzati (HVAC), congelatori e deumidificatori. Quando queste unità vengono riparate, c'è il rischio che il gas refrigerante venga scaricato nell'atmosfera accidentalmente o intenzionalmente, da qui la creazione di programmi di formazione e certificazione dei tecnici per garantire che il materiale sia conservato e gestito in modo sicuro. È stato dimostrato che il maltrattamento di questi gas riduce lo strato di ozono e si sospetta che contribuisca al riscaldamento globale .

Con l'eccezione di isobutano e propano (R600a, R441a e R290), ammoniaca e CO 2 ai sensi della Sezione 608 del Clean Air Act degli Stati Uniti , è illegale rilasciare consapevolmente refrigeranti nell'atmosfera.

Il recupero del refrigerante è l'atto di elaborare il gas refrigerante usato che è stato precedentemente utilizzato in qualche tipo di circuito di refrigerazione in modo tale da soddisfare le specifiche per il nuovo gas refrigerante. Negli Stati Uniti , il Clean Air Act del 1990 richiede che il refrigerante usato venga processato da un addetto alla rigenerazione certificato, che deve essere autorizzato dalla United States Environmental Protection Agency (EPA), e il materiale deve essere recuperato e consegnato al reclamatore da EPA -tecnici certificati.

Classificazione dei refrigeranti

R407C diagramma pressione - entalpia , isoterme tra le due linee di saturazione

I refrigeranti possono essere suddivisi in tre classi in base al loro modo di assorbimento o estrazione di calore dalle sostanze da refrigerare:

  • Classe 1: questa classe include i refrigeranti che raffreddano per cambiamento di fase (tipicamente bollente), utilizzando il calore latente del refrigerante .
  • Classe 2: questi refrigeranti si raffreddano per variazione di temperatura o " calore sensibile ", la quantità di calore è la capacità termica specifica x la variazione di temperatura. Sono aria, soluzione salina di cloruro di calcio, soluzione salina di cloruro di sodio, alcol e soluzioni simili non congelanti. Lo scopo dei refrigeranti di Classe 2 è quello di ricevere una riduzione della temperatura dai refrigeranti di Classe 1 e convogliare questa temperatura inferiore all'area da raffreddare.
  • Classe 3: Questo gruppo è costituito da soluzioni che contengono vapori assorbiti di agenti liquefacibili o mezzi refrigeranti. Queste soluzioni funzionano per natura della loro capacità di trasportare vapori liquefacibili, che producono un effetto di raffreddamento mediante l'assorbimento del loro calore di soluzione. Possono anche essere classificati in molte categorie.

Il sistema di numerazione R- # è stato sviluppato da DuPont (proprietaria del marchio Freon ), e identifica sistematicamente la struttura molecolare dei refrigeranti realizzati con un unico idrocarburo alogenato. Il significato dei codici è il seguente:

  • Per gli idrocarburi saturi, sottraendo 90 dai numeri concatenati di atomi di carbonio , idrogeno e fluoro , si ottiene rispettivamente il R # assegnato.
  • Se è presente bromo , il numero è seguito da una B maiuscola e quindi dal numero di atomi di bromo.
  • I legami rimanenti non contabilizzati sono occupati da atomi di cloro .
  • Un suffisso di una lettera minuscola a, b o c indica isomeri sempre più asimmetrici .

Ad esempio, l' R-134a ha 2 atomi di carbonio, 2 atomi di idrogeno e 4 atomi di fluoro, una formula empirica del tetrafluoroetano. Il suffisso "a" indica che l'isomero è sbilanciato di un atomo, dando 1,1,1,2-tetrafluoroetano . R-134 (senza il suffisso "a") avrebbe una struttura molecolare di 1,1,2,2-tetrafluoroetano.

  • La serie R-400 è costituita da miscele zeotropiche (quelle in cui il punto di ebollizione dei composti costituenti differisce abbastanza da portare a variazioni di concentrazione relativa a causa della distillazione frazionata ) e la serie R-500 è costituita da miscele cosiddette azeotropiche . La cifra più a destra viene assegnata arbitrariamente da ASHRAE , un'organizzazione di standard del settore.
  • La serie R-700 è composta da refrigeranti non organici, designati anche da ASHRAE.

Gli stessi numeri sono usati con un prefisso R- per refrigeranti generici, con un prefisso "Propellant" (ad esempio, "Propellant 12") per la stessa sostanza chimica usata come propellente per uno spray aerosol e con nomi commerciali per i composti, come come " Freon 12". Recentemente, è emersa una pratica di utilizzare le abbreviazioni HFC- per gli idrofluorocarburi , CFC- per i clorofluorocarburi e HCFC- per gli idroclorofluorocarburi , a causa delle differenze normative tra questi gruppi.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno