Fluido refrigerante

Un fluido refrigerante (o semplicemente refrigerante) è il fluido operativo di un ciclo frigorifero. Ha il compito di spostare calore secondo la trasmissione del calore da una sorgente calda ad una sorgente fredda e tale trasferimento può avvenire mediante scambio di calore latente (evaporazione, condensazione) e/o mediante scambio di calore sensibile (riscaldamento, raffreddamento).

È opportuno che il refrigerante possieda:

• elevata densità, sia alla fase aeriforme sia liquido;
• elevata entalpia di vaporizzazione;
• elevata capacità termica;
• elevata stabilità nelle condizioni di utilizzo.

I fluidi possono essere di tipo naturale (ammoniaca, anidride carbonica, propano, ecc.) o artificiale (chiamati abitualmente Freon).

Sia i fluidi artificiali sia naturali sono impiegati in ciclo a compressione di vapore, per il ciclo ad assorbimento si utilizzano ammoniaca o bromuro di litio (absorbimento) e silicagel o zeoliti (adsorbimento).

Le caratteristiche più importanti di un fluido refrigerante da utilizzarsi in un ciclo a compressione di vapore sono da ricondursi alla necessità di ridurre il lavoro del compressore.

Le molecole del CFC sono state le prime ad essere utilizzate nei cicli frigoriferi a compressione, in quanto la sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo di fluoro è un'operazione semplice che provoca un aumento di densità, e provoca generalmente un aumento dell'entalpia di evaporazione e un aumento della temperatura di ebollizione.

Oltre ai refrigeranti puri esistono anche miscele a più componenti raggruppate nella serie R400 (miscele non-azeotropiche, che vedono variare la temperatura nella trasformazione di fase a pressione costante) e nella serie R500 (miscele con azeotropo, con comportamento uguale a quello di un fluido puro). Altri fluidi refrigeranti sono: R170 etano, R290 propano, R600 butano, R600a isobutano, R-610 etere dietilico, R717 ammoniaca, R744 anidride carbonica, R-1150 etene (etilene), R-1270 propene (propilene)

Tale designazione è stata in passato ideata dalle Industrie DuPont^[1]. Data l'estesa commercializzazione, tale classificazione si è tradotta nella norma americana ASHRAE Standard 34, cioè da una sigla del tipo:

X - I - II - III - IV - V - VI

• X - Viene usata comunemente la lettera maiuscola "R" (Refrigerante). È possibile usare in alternativa un prefisso indicante il tipo di refrigerante. Nel caso il composto sia un alogenuro alchilico saturo si usa la lettera "C" preceduta dalle lettere "H","B","C" o "F" nel caso il composto contenga "Idrogeno", "Bromo", "Cloro" oppure "Fluoro". Ad esempio CFC (clorofluorocarburo) e HFC (idrofluorocarburo). Nel caso di alogenuri alchilici insaturi si usa la lettera "O" preceduta dalle lettere "H", "B", "C", o "F". Ad esempio HFO (idrofluoroolefina), HCFO (idroclorofluoroolefina). Se il composto fosse un etere si dovrebbe usare la lettera "E", preceduta dalle lettere "H","B","C" o "F". Ad esempio HFE (idrofluoroetere).
• I - Si pone una "C" in caso di derivati ciclici. Una "E" nel caso il composto fosse un etere. Altrimenti 0 (in tal caso si omette).
• II - Numero di legami doppi. Se uguale a 0 si omette.
• III - Numero di atomi di carbonio meno uno. Quindi vale 1 per i derivati dall'etano e 0 per i derivati dal metano.
• IV - Numero di atomi di idrogeno più uno
• V - Numero di atomi di fluoro
• VI - Una o più lettere dell'alfabeto minuscole o una lettera maiuscola secondo quanto segue: dal momento che i gas da R10 fino a tutta la serie R300 sono derivati dell'etano, propano, o butano per sostituzione di atomi di idrogeno con cloro, fluoro, bromo, possono avere uguale composizione chimica ma diversa struttura molecolare (isomero). Per indicare quella scelta tra le varie strutture possibili, si aggiungono una o più lettere minuscole (per esempio R134a, R123b,R225eb). Normalmente si pone una "a" per denotare un isomero posizionale asimmetrico. Per le serie R400 e R500 (miscele di altri gas refrigeranti), le lettere maiuscole A,B,C, individuano univocamente le percentuali in peso dei componenti. Per esempio R407 è sempre una miscela di R32/R125/R134a, ma al variare della concentrazione percentuale dei tre componenti avremo tante miscele che distingueremo tra A, B, C; quindi: R407A (44/52/4), R407B (10/70/20) e così via.

Grazie a questa notazione, per i gas da R10 a tutta la serie R300 è possibile risalire più agevolmente alla formula chimica bruta: è sufficiente sommare 90 al numero identificativo del gas. Il numero di tre cifre così trovato identifica nelle centinaia gli atomi di carbonio, nelle decine gli idrogeni, e nell'unità il fluoro (R134a; 134+90=224; C=2 H=2 F=4). Gli atomi di cloro si attribuiscono indirettamente, considerando che ciascun carbonio deve necessariamente essere legato a 4 altri atomi; se il numero di atomi di fluoro e idrogeno (ed eventuali ulteriori atomi, come il bromo, indicati nella sigla del refrigerante) non bastano a questo scopo, si aggiungono un adeguato numero di atomi di cloro. Nei casi di composti che derivano da alcani lineari, in assenza di particolarità, si può adottare la formula

Cl = 2 C − H − F + 2

115 + 90 = 205 → C = 2 H = 0 F = 5

Essendo un composto derivato dall'etano, gli atomi di carbonio possono realizzare altri 6 legami, di cui 5 già saturati con il fluoro. Da ciò si deduce che occorre un solo atomo di cloro per completare la molecola. In alternativa dalla formula otteniamo Cl = 2C − H − F + 2 = 2 × 2 − 0 − 5 + 2 = 1.

Pertanto il refrigerante R-115 ha formula bruta C₂F₅Cl (Cloropentafluoroetano).

Di recente ^[2] nello standard 34 sono state introdotte due designazioni aggiuntive per indicare l'infiammabilità e la tossicità del fluido. In base all'infiammabilità i fluidi vengono divisi in 3 classi:

• 1 - refrigeranti che non propagano la fiamma
• 2 - refrigeranti a bassa infiammabilità oppure che bruciano molto lentamente (≤ 10 cm/s - sottoclasse 2L)
• 3 - refrigerenti altamente infiammabili

In base alla tossicità i fluidi vengono divisi in 2 classi

• A - Bassa tossicità
• B - Alta tossicità

Se si escludono le lettere ad inizio e fine della sigla, ogni refrigerante risulta identificato da un numero a 3 cifre (4 solo nel caso di composti alcheni). Per tale motivo si parla spesso di serie, ognuna con particolari caratteristiche. La lettera maiuscola,dopo il numero, identifica differenti concentrazioni in peso dei componenti.

Serie R000: Composti derivati dal metano (classificato come R-50), ad esempio R-10, R-13.

Serie R100: Composti derivati dall'etano (classificato come R-170), ad esempio R-113, R125.

Serie R200: Composti derivati dal propano (classificato come R-290), ad esempio R-225.

Serie R300: Composti derivati dal butano, ad esempio R-316. Il butano (alcano con 10 atomi di idrogeno) non fa parte di tale famiglia, in quanto per le regole viste, si dovrebbe scrivere il valore 11 in corrispondenza della cifra significativa degli atomi di idrogeno ed è stata attribuita la sigla R-600. Per distinguere gli isomeri posizionali vengono aggiunte fino a 3 lettere dopo il numero. Per prima cosa si numera la molecola in base al terminale con più alto peso molecolare e successivamente si identifica il terminale dall'elenco seguente: -CCl₃ = j ; -CCl₂F = k ; -CClF₂ = l ; -CF₃ = m ; -CHCl₂ = n ; -CH₂Cl = o ; -CHF₂Cl = p ; -CH₂F = q ; -CHClF = r ; -CH₃ = s. Ad esempio il refrigerante R-316 può avere due isomeri: CF₂Cl-CFCl-CFCl-CF₂Cl (R-316lbb) oppure CF₃-CCl₂-CCl₂-CF₃ (R-316maa)

Serie R400: Miscele zeotropiche, ad esempio R-410A.

Serie R500: Miscele con Azeotropo, esempio R-509.

Serie R600: Composti organici. In questo gruppo rientrano gli alcani aventi quattro o più atomi di carbonio. In tale famiglia il refrigerante viene identificato aggiungendo, dopo il 6 della serie, il numero di atomi di carbonio meno quattro. Ad esempio l'R601 è il pentano. Gli isomeri degli alcani aventi da 4 a 8 atomi di carbonio vengono indicati aggiungendo al numero una lettera indicante il sostituente: 2-metil- = a ; 2,2-dimetil- =b ; 3-metil = c ; 2,3-dimetil = d ; 3,3-dimetil = e ; 2,4-dimetil = f ; 2,2,3-trimetil = g ; 3-etil = h ; 4-metil = i ; 2,5-dimetil = j ; 3,4-dimetil = k ; 2,2,4-trimetil = l ; 2,2,3-trimetil = m ; 2,3,4-trimetil = n ; 2,2,3,3-tetrametil = o ; 3-etil-2-metil = p; 3-etil-3-metil = q. Ad esempio la sigla R-601b indica il 2,2-dimetilpropano

Serie R700: Composti inorganici con massa molecolare inferiore 100 unità di massa atomica. In tale famiglia il refrigerante viene identificato aggiungendo, dopo il 7 della serie, il valore numerico intero del peso molecolare. Ad esempio acqua R-718, azoto N₂ R-728, ossigeno O₂ R-732, anidride carbonica CO₂ R-744. Se sono presenti composti, aventi medesimo peso molecolare, si aggiunge una lettera maiuscola.

Serie R1000: Composti insaturi organici (composti ottenuti a partire dagli alcheni), ad esempio etilene R-1150, propene R-1270.

• In caso di isomeri nella serie derivata dal propene (R-1200) si aggiungono al numero due lettere minuscole. La prima per indicare il sostituente del carbonio centrale (-Cl = x ; -F = y ; -H = z ) e la seconda per indicare la sostituzione al carbonio terminale insaturo ( =CCl₂ = a ; =CFCl = b ; =CF₂ = c ; =CHCl = b ; =CHF = e ; CH₂ = f). Ad esempio CH₂F-CF=CF₂ (R-1234yc) e CHF₂-CH=CF₂(R-1234zc)

Serie R7000: Composti inorganici con massa molecolare superiore a 99 unità di massa atomica. In tale famiglia il refrigerante viene identificato aggiungendo, dopo il 7 della serie, il valore numerico del peso molecolare.

I fluidi refrigeranti destinati al mercato della climatizzazione e refrigerazione sono immagazzinati in apposite bombole di varie dimensioni. Il nome indicato sull'etichetta corrisponde al codice ASHRAE del prodotto e il prezzo è stabilito in base al peso. La pressione varia tra i 30÷60 bar e in queste condizioni i refrigeranti sono sotto forma liquida e il riempimento non è mai completo perché si forma un equilibrio con la fase vapore che si addensa nello spazio di testa della bombola. Per le miscele non azeotropiche la composizione della fase aeriforme è differente da quella del liquido e quindi prelevare dal contenitore la fase gassosa o la fase liquida significa ottenere due miscele con differenti concentrazioni e proprietà. Nelle bombole con unica valvola il prelievo del liquido viene effettuato capovolgendo la bombola stessa, ma le bombole di nuova costruzione sono dotate di un doppio rubinetto: uno per l'aeriforme e uno per il liquido collegato ad un tubo pescante in prossimità del fondo.

Questi prodotti hanno anche un potere isolante acustico e isolante termico il che li rende adatti alla realizzazione di schiume per l'edilizia e l'autotrazione; vengono impiegati come agenti espandenti per pannelli isolanti, o come gas propellenti per aerosol medicinali.

Il sistema di numerazione per codice R-# fu sviluppato dalle Industrie DuPont(che possiede il marchio Freon) e identifica sistematicamente la struttura molecolare dei refrigeranti contenenti un singolo idrocarburo alogenato.

• Fluido termovettore
• Total equivalent warming impact

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file sul fluido refrigerante

• refrigerante, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) refrigerant, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• Fluido refrigerante, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.

Portale Chimica

Portale Termodinamica