Soğutucu akışkan

Soğutucu akışkanlar, klima sistemlerinin ve ısı pompalarının soğutma döngüsünde kullanılan ve çoğu durumda sıvıdan gaza tekrarlanan bir faz geçişine ve tekrar geri dönen maddelerdir. Sıcaklığa ve basınca bağlı olarak saf olabilir veya sıvı veya gaz fazında veya her ikisinde bulunan saf sıvıların bir karışımı olabilir. Akışkan, düşük sıcaklık ve düşük basınçta ısıyı emer ve daha sonra, genellikle hâl değişikliği ile daha yüksek sıcaklık ve basınçta ısı verir.^[1]

Soğutucu akışkanlar, ısı emme sistemlerinde (klima, dondurucu) veya termal enerjiyi dışarıdan emen ve bir odaya bırakan ısı pompalarında kullanılır. Bu aynı akışkanlar, buhar türbinleri gibi diğer termodinamik çevrimleri uygulayan diğer uygulamalarda da kolayca bulunabilir ve daha sonra, bağlama bağlı olarak, soğutucu akışkan niteleyicilerini kaybeder veya kaybetmez.

İdeal soğutucu akışkanın aşındırıcı, toksik, yanıcı, ozon tabakasını incelten ve küresel ısınma potansiyeli gibi, özellikleri olmamalıdır. Tercihen iyi çalışılmış ve düşük çevresel etkiye sahip olmalıdır. Ayrıca şunlara sahip olması gerekir: hedef sıcaklığın biraz altında bir kaynama noktası (kaynama noktası basıncı uygun şekilde değiştirilerek ayarlanabilmesine rağmen), yüksek bir buharlaşma ısısı, sıvı hâlde orta yoğunluk, gaz halinde nispeten yüksek yoğunluk (basınç uygun şekilde düzenlenerek de ayarlanabilir) ve yüksek kritik sıcaklık. Aşırı yüksek basınçlardan kaçınılmalıdır. Daha yeni soğutucu akışkanlar, CFC'lerin ozon tabakasına verdiği zararı ve HCFC'lerin iklim değişikliğine yaptığı katkıyı ele alır, ancak bazıları toksisite ve/veya tutuşabilirlik ile ilgili sorunları gündeme getirir.^[2]

İlk klimalar ve buzdolapları; amonyak, kükürt dioksit, metil klorür veya propan gibi sızıntı yaptıklarında ölümcül kazalara neden olabilecek zehirli veya aşırı yanıcı gazlar kullanmaktaydı.^[3]

1928'de Thomas Midgley Jr. ilk yanıcı ve toksik olmayan ilk kloroflorokarbon gazı olan Freon'u (R-12) çıkardı.

1980'lerin başında bilim adamları, CFC'lerin dünyayı ultraviyole radyasyondan koruyan ozon tabakasına ve kutup bölgelerindeki ozon deliklerine büyük zarar verdiğini keşfettiler.

ASHRAE Standardı 34, Soğutucu Akışkanların Tanımlanması ve Güvenlik Sınıflandırması, toksisite ve yanıcılığa dayalı olarak soğutucu akışkanlara güvenlik sınıflandırmaları atar.

ASHRAE, üreticiler tarafından sağlanan güvenlik bilgilerini kullanarak toksisiteyi belirtmek için bir büyük harf ve tutuşabilirliği belirtmek için bir sayı atar. "A" harfi en az zehirli ve 1 rakamı en az yanıcıdır.^[4]

Doğal soğutucu akışkanlar, soğutma sistemlerinde (buzdolapları, HVAC ve klima dahil) soğutucu olarak görev yapan maddelerdir. Kloroflorokarbon (CFC), hidrokloroflorokarbon (HCFC) ve hidroflorokarbon (HFC) bazlı soğutucu akışkanlar gibi sentetik soğutucu akışkanlara alternatiftirler. Diğer soğutucu akışkanların aksine, doğal soğutucu akışkanlar sentetik değildir ve doğada bulunabilir. Bunların en göze çarpanları arasında çeşitli doğal hidrokarbonlar, karbondioksit,^[5] amonyak ve su bulunur. Mevcut teknolojiler ile soğutma ve iklimlendirme sektörünün yaklaşık yüzde 75'i doğal soğutucu akışkanlara dönüştürülebilir.

Saf hidrojen bileşikleri, soğutmada ılımlı kullanım görür. Hidrokarbonlar soğutucu akışkan olarak uygun bir seçenektir, çünkü soğutma özellikleri sağlamanın yanı sıra bol miktarda bulunurlar ve enerji açısından verimlidirler.

Soğutucu akışkan olarak hidrokarbon kullanmanın ana zararı, daha yüksek basınçlarda son derece yanıcı olmalarıdır. Geçmişte bu risk, hidrokarbonları CFC'lere, HCFC'lere ve HFC'lere çevirerek hafifletildi.

• Metan (CH₄) [R-50]
• Etan (CH₃CH₃) [R-170]
• Propan (CH₃CH₂CH₃) [R-290]
• Etilen (CH₂CH₂) [R-1150]
• n-bütan (CH₃CH₂CH₂CH₃) [R-600]
• izobütan (CH(CH₃)₃) [R-600a]
• Propilen (CH₃CHCH₂) [R-1270]
• Pentan (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃) [R-601]
• izopentan (CH(CH₃)₂CH₂CH₃) [R-601a]
• siklopentan ((CH₂)₅)

Soğutucu olarak kullanılan amonyak (NH3), en az %99,5 saf amonyak olan susuz amonyaktır.^[6] Su ve yağ sırasıyla 33 ve 2ppm'yi geçemez. Amonyak soğutucu basınçlı kaplarda saklanır. Basınç serbest bırakıldığında hızlı buharlaşmaya uğrar ve sıvının sıcaklığının -28 °F'lik kaynama noktasına ulaşana kadar düşmesine neden olur, bu da onu soğutma sistemlerinde kullanışlı kılar.

Amonyak, 1872'de sıkıştırma işleminde ilk kez kullanıldığından beri endüstriyel soğutmada sıklıkla kullanılmaktadır. Olumlu termodinamik özellikleri, verimliliği ve kârlılığı nedeniyle kullanılmaktadır.^[7] Soğutmada amonyak kullanımıyla ilgili en büyük sorunlardan biri toksisitesidir.

Su zehirsizdir, yanıcı değildir, sıfır sera gazı etkisi değerine sahiptir ve düşük maliyetlidir. Düşük sıcaklıklarda suyun yüksek özgül hacmi, kompresör boyunca gereken yüksek basınç oranları ve kompresör çıkışındaki yüksek sıcaklıklar gibi teknik zorluklar, su ve su buharının soğutucu olarak kullanılmasının önünde engeller olarak bulunur.^[8] Tipik ısı pompası sistemlerinde su, ideal bir soğutucu madde olabilir.

Hava bedavadır, toksik değildir ve çevreyi olumsuz etkilemez. Hava çevrimli soğutma sistemlerinde soğutucu akışkan olarak hava kullanılabilir.

Soy gazlar nadiren soğutucu akışkan olarak kullanılır. Soy gazların soğutucu akışkan olarak birincil kullanımları, laboratuvarlardaki sıvı süper soğutucu deney sistemlerinde veya süperiletkenlerdedir.

• Dietil eter/etil eter ("eter") (CH
  3CH
  2OCH
  2CH
  3) [R-610] (etanolün dehidrojenasyonundan üretilir; zehirli değildir ancak aşırı derece yanıcı)
• Metil format (HCOOCH
  3) [R-611] (genellikle her ikisi de sentez gazından gelen metanolün karbonilasyonundan veya metanolün yoğunlaştırılmasından; oldukça yanıcı)
• Dimetil eter (CH
  3OCH
  3) [R-E170] (Sentez gazından, doğal gazdan veya bazı biyoyakıtlardan gelen metanolün dehidrasyonundan; oldukça yanıcı, zehirli değil)
• Metil amin (CH
  3NH
  2) [R-630] (amonyak ve metanolün reaksiyonundan; orta toksisite; kontrollü madde)
• Etilamin (CH
  3CH
  2NH
  2) [R-631] (amonyak ve etanolün reaksiyonundan; çok toksik)