Фреоны и "холодные" аэрозоли

В начале 30-х годов было обнаружено, что различные производные метана и этана, в которых все или почти все атомы водорода замещены атомами фтора и хлора, обладают свойствами идеальных хладоагентов. С точки зрения промышленного использования основной интерес представляют соединения ряда метана, из которых CF₂Cl₂ - фреон-12 - составляет основную часть продукции. Остальная доля продукции падает на CClF₃ (фреон-13), CHFCl (фреон-22) и др.

Исходными веществами для получения фреонов служат четыреххлористый углерод, хлороформ, гексахлорэтан и другие галоидированные углеводороды. В связи с применением фреонов в качестве хладоагентов тщательно исследовались их химические и физические (особенно термодинамические) свойства.

Производство мощных холодильных установок для глубокого охлаждения, а также выпуск бытовых холодильников основаны на использовании фреонов. Эти соединения используются в качестве хладоагентов во всех охладительных системах компрессорного типа. Следует отметить, что и создание установок для кондиционирования воздуха оказалось возможным только благодаря фреонам.

Фторхлорсодержащие углеводороды представляют собой бесцветные низкокипящие, не имеющие запаха вещества. Эти соединения безвредны, не воспламеняются и не вызывают коррозию. Они химически инертны и проявляют высокую термостойкость.

Фреон-12 - наиболее распространенный хладоагент, он также широко используется в качестве пропеллента (легко кипящего растворителя) для ядохимикатов, дезадораторов, парфюмерных жидкостей. Фреон-22, помимо использования в качестве низкотемпературного хладоагента, употребляется как исходное соединение в производстве тетрафторэтилена. Фреон-113 (CF₂Cl - CFCl₂) применяется в качестве инертного растворителя (т. кип. + 47°С) и служит исходным продуктом для синтеза хлортрифторэтилена.

Пропелленты впервые применялись во время второй мировой войны для получения "холодных" аэрозолей. С помощью инсектицидов, растворенных в низкокипящих фторхлоруглеродах, проводилась активная борьба с насекомыми на тихоокеанском театре военных действий. Успешное применение фреонов в аэрозольных бомбах военного времени привело к усовершенствованию нового метода распыления инсектицидов и способствовало расширению производства фторуглеродов. В последнее десятилетие производство фторуглеродов в качестве инертных диспергирующих агентов (пропеллентов в "упаковках" под давлением) представляет собой одну из бурно развивающихся отраслей промышленности.

Опыт "упаковки" для распыления инсектицидов применяют для самых различных продуктов. В аэрозольный контейнер, представляющий собой металлическую или пластмассовую емкость (рис. 3), помещается раствор продукта, подлежащего распылению, в сконденсированном фреоне. При открывании запирающегося клапана направленная струя раствора вырывается наружу. Фреон мгновенно испаряется, а распыляемый продукт равномерно распределяется по опрыскиваемой поверхности. Таким образом можно упаковывать, хранить и использовать ядохимикаты, краски, лаки и химические растворители.

Рис. 3. 'Холодный' аэрозоль

С недавнего времени октафторциклобутан C₄F₈ как нетоксичное вещество стали применять в виде пищевого пропеллента. "Упаковки" под давлением с этим фторуглеродом выполняют деликатную работу по сбиванию сливок, выдавливанию заправок к салату, замешиванию блинов, изготовлению кондитерских кремов. Следует отметить, что несмотря на сравнительную нетоксичность хлорсодержащих фреонов их не употребляют для операций, связанных с приготовлением пищевых продуктов.

В последние годы фторуглероды начали использоваться в качестве теплоносителей или охлаждающих жидкостей. Обычный автомобильный двигатель внутреннего сгорания охлаждается водой, циркулирующей в камере блока цилиндров. В электромоторах, в авиационных двигателях охлаждение осуществляется за счет циркуляции воздуха. Для охлаждения трансформаторов используются нелетучие углеводородные масла, которые выполняют двойную роль - снимают тепло и являются диэлектриками. Однако способы и вещества, применяемые для охлаждения механизмов и электрооборудования, обладают ограниченными возможностями. Это прежде всего относится ко многим приборам и устройствам в современной технике, например к скоростным самолетам, ракетам дальнего действия и космическим кораблям с большой продолжительностью полета. Необходимость строгого ограничения веса и габаритов оборудования привела к созданию новых систем охлаждения. Кроме того, во многих случаях является важным расширение диапазона температур, при которых оборудование остается работоспособным. Оказалось, что термодинамические и физические свойства позволяют использовать их в качестве эффективных переносчиков тепла. Фторуглероды и фториды с температурой кипения от 100 до 180°С используются в качестве трансформаторных жидкостей. Охлаждение достигается кипением без принудительного перемешивания. Габариты аппаратов при той же мощности в случае применения фторуглеродов уменьшились в четыре раза, а вес-в два раза (рис. 4).

Рис. 4. Стандартный трансформатор и трансформатор с фторуглеродным охлаждением

Следует отметить, что в таких трансформаторах меньшая часть обмотки погружена в жидкость. Сказалось, что пары фторуглеродов при одной избыточной атмосфере давления имеют диэлектрическую прочность, равную прочности жидкости, благодаря этому допускается частичное заполнение аппарата без опасности пробоя.

В больших мощных трансформаторах обмотка и катушка постоянно орошаются фторуглеродной жидкостью, которая, испаряясь с нагретых поверхностей, отбирает тепло, затем конденсируется в баке и возвращается в резервуар, откуда подается к форсункам для орошения. В подобном случае для охлаждения трансформатора достаточно несколько литров фторуглеродной жидкости, а гак как трансформатор является самоохлаждающимся, не требуется внешней вентиляции. Опасность загорания масла в таком трансформаторе полностью исключена.

Фторуглеродные охлаждающие жидкости применяются также для охлаждения радарных ламп высокой мощности. Здесь особое значение Имеет высокая термическая и химическая стойкость при контакте с поверхностью, которая нагревается до 300°С, самогашение при электрическом разряде и хорошее сопротивление γ-лучам, возникающим при работе этих высоковольтных электронных ламп.

Вообще фторуглеродные жидкости оказались очень выгодными теплоносителями при охлаждении электронного оборудования, для которого существенным является плотный монтаж, большое количество рассеиваемого тепла на единицу объема (рис. 5).

Рис. 5. Радарная трубка, охлаждаемая фторуглеродной жидкостью

Положительными свойствами фторуглеродов в этом случае оказались также низкая температура кипения (около -50°С), низкая вязкость, высокая плотность, низкое поверхностное натяжение, высокая теплопроводность и способность к самогашению.

Возможно, одной из наиболее необычных характеристик фторуглеродных жидкостей, позволяющей использовать их в качестве теплоносителей, является одинаковая теплоемкость жидкости и насыщенного пара. Этот факт становится понятным, если вспомнить очень высокий молекулярный вес фторуглеродов; например, вода с молекулярным весом 18 имеет ту же точку кипения, что и FC-75 с молекулярным весом около 425.

Особый интерес представляет использование газообразных фторуглеродов в качестве диэлектриков в условиях высокого напряжения. Фторуглероды с тремя и четырьмя атомами углерода являются перспективными газовыми диэлектриками и превосходят в этом отношении даже гексафторид серы. Перфторпропан C₃F₈ употребляется в трансформаторах (1000 кет, 15 кбт). При использовании этого фторуглерода не возникает опасности взрыва или воспламенения, а в случае утечки газа - отравления. Диэлектрические прочности перфторпропана и гексафторида серы равны и в 2,2 раза выше, чем у азота.

Преимущества фторуглеродных газов перед гексафторидом серы заключаются в их более высокой термической стойкости. Для SF₆ верхним пределом температуры считают 15°С, а фторуглеродный диэлектрик C₃F₈ после надлежащей очистки может использоваться при 400 и даже 450°С. Отсутствие токсичности у перфторпропана демонстрируется тем, что в смеси с кислородом (70 объемн. %) он не причиняет: заметного вреда мышам в течение 16 часов.?

Некоторые видоизмененные фторуглероды, в состав которых включены атомы другого галогена, применяются как пламягасящие жидкости. Во время второй мировой войны в военно-воздушных силах США в качестве пламягасителей применяли бромистый метил и бромхлорэтан. Эти вещества эффективнее, чем четыреххлористый углерод, но их применение ограничивалось из-за токсичности и корродирующего действия. Производные метана и этана, содержащие бром и фтор, оказались более лучшими пламягасителями, практически не токсичны и только при высокой температуре обладают ничтожным корродирующим действием. Наилучшие свойства пламягасителей были обнаружены у бромтрифторметана, дибромдифторметана и 1,2-дифбромтетрафторэтана. При помощи этих веществ экипаж реактивного самолета может защитить себя от огня и опасности взрыва. Эти соединения используются также при тушении жидких ракетных горючих. Токсичность 1,2-дибромтетрафторэтана, испытанная на крысах, в 21 раз меньше токсичности бромистого метила.

Узнать подробно о газе хладоне 125 из данной статьи от компании Пожарная Автоматика