مبرد های هیدروکربنی در پمپ های حرارتی و دستگاه های تهویه مطبوع

از: مهندس خشایار شکیبی

 

مقدمه

امروزه مبردهای اصلی که در صنعت تبرید و تهویه مطبوع استفاده قرار می گیرند شامل هیدروکربن‌های هالوژنی است که تحت عناوینی همچون CFC ، HCFC ، HFC شناخته می‌شوند. این مبردها از نظر کارایی دارای مقبولیتی مناسب و از نقطه نظر زیست محیطی فاقد مقبولیت لازم بوده و طبق موافقتنامه‌ی مونترال باید به مرور زمان از گردونه صنعت خارج شوند و مبردهای جدید جای آنها را بگیرند. یکی از این گزینه‌ها مبردهای هیدروکربنی می‌باشند که از نقطه نظر زیست محیطی کاملا تایید شده هستند اما عیب عمده آنها به اشتعال پذیری آنها برمی‌گردد. نوشتار حاضر به بررسی این نوع مبردها می‌پردازد و سعی شده جنبه‌های مختلف مرتبط با این مبردها تبیین گردد.

آشنایی با مبرد های هیدروکربنی

هیدروکربن ها (HCs) گروهی از مواد آلی می‌باشند که از دو جزء اصلی هیدروژن و کربن تشکیل یافته‌اند و از عمده‌ترین آنها می‌توان به پروپان (290-R)، پروپیلن (1270-R)، ایزوبوتان (600a-R) و سیکلوپنتان (600c-R) اشاره داشت که در این بین پروپان از بقیه پرکاربردتر می‌باشد. امروزه عمده مبردی که در تاسیسات تهویه مطبوع و پمپ‌های حرارتی منازل مورد استفاده قرار می‌گیرد، 22-R می‌باشد و چهار مبرد هیدروکربنی که به آن اشاره شد از نقطه نظر درجه حرارت و فشار مشابهت زیادی با مبرد فوق داشته و دارای مزایای عمده زیست محیطی نیز هستند. نکته مهم و قابل ذکر اینکه طبق معاهدات بین‌المللی زیست محیطی، مبرد 22-R حداکثر تا سال ۲۰۲۰ باید از گردونه خارج شود که پاره‌ای از کشورهای اروپایی این کار را تا سال ۲۰۱۰ انجام خواهند داد.

مشخصات مبرد های هیدروکربنی

تا کنون خواص ترمودینامیکی و ترموفیزیکی HCs به نحو شایسته‌ای مورد بررسی قرار گرفته و در کتب مرجع (هندبوک‌ها) و نرم افزارهای مختلفی قابل دسترس هستند که در جدول شماره یک و دو خواص مهم و کلیدی برخی از مبردهای پرکاربرد مشاهده می‌شود.

مزایای مبرد های هیدروکربنی

استعداد HC در خصوص پتانسیل گرم کردن جهانی بسیار کم و قابل صرف نظر است مضاف بر اینکه پتانسیل سوراخ کردن لایه ازن آنها نیز در حد صفر می‌باشد که در جدول شماره یک مشخصات محیطی پاره‌ای از مبرها آورده شده است.
در صورتی که از پروپان به عنوان مبرد در تجهیزات پمپ‌های حرارتی یا تهویه مطبوع استفاده شود می‌توان به موارد ذیل اشاره داشت:

1. به شرط نو بودن تجهیزات به اندازه 407c-R و 22-R انرژی مصرف کرده و راندمان آنها نسبت به 410a-R کمتر می‌باشد.
2. در مقایسه با 407c-R ، 22-R و 410a-R به مقدار کمتری از مبرد احتیاج است (تقریبا نصف). به عنوان مثال در پمپ حرارتی با قدرت ۱۰/۵ کیلووات به ۱/۱۳ کیلوگرم مبرد احتیاج می‌باشد.
3. در مقایسه با 22-R در درجه حرارت ورودی کمتری کار کرده و از این رو میزان ریسک خطرات کمپرسور کاهش پیدا می‌کند.
4. به طور کل با تجهیزات و موارد مورد استفاده در آنها سازگار می‌باشد.
5. از روغن‌های معدنی ۲ می‌توان برای روغن کاری تجهیزات استفاده نمود.

معایب مبرد های هیدروکربنی

عمده مشکل این مبردها به استعداد و توانایی آنها در خصوص اشتعال پذیری و انفجار آنها برمی‌گردد. همچنین در صورت نشت و نفوذ به محیط اطراف خود، باعث پایین آمدن حد اشتعال ۳ مخلوط هوا و مبرد می‌شوند که این مقدار برای پروپان بین ۲ تا ۱۰ درصد حجمی بوده و حد اشتعالی که به این اشاره شد با توجه به درجه حرارت و فشار بسیار متغیر می‌باشد. با این وجود راهکارهای متفاوتی به جهت ارتقا ضریب ایمنی وجود دارد که از جمله آن می‌توان به جلوگیری از نشت و همچنین محافظت در مقابل جرقه اماکنی که احتمال نشت آنها بالا است را نام برد.

آیین نامه ها و استاندارد های مبرد های هیدروکربنی

در اروپا استاندارد EN378 از سری استانداردهای CEN به ایمنی و جنبه‌های زیست محیطی مرتبط با سیستم‌های تبرید و پمپ‌های حرارتی که امروزه از مبردهای اشتعال پذیر استفاده می‌کنند پرداخته است که در این میان HCs در سطح L3 قرار می‌گیرند (سمی پایین / اشتعال پذیری بالا) همراه این استاندارد، ضمیمه‌ای وجود دارد که در آن بر این نکته تاکید شده که مبردهای سطح L3 نمی‌باید در سیستم‌های خنک کن و یا تبرید مستقیم مورد استفاده قرار بگیرند. به بیانی دیگر باید استفاده از HCs در حلقه خارجی پمپ‌های حرارتی دو حلقه‌ای محدود شود که نمایی از اینگونه پمپ‌های حرارتی در شکل مشاهده می‌شود. نکته مهم اینکه ضمیمه یاد شده صرفا جنبه توصیه را داشته و به عنوان یک دستور و یک امر صد درصد بشمار نمی‌رود و به همین دلیل استانداردهای ملی هر کشور حق تقدم پیدا می‌کند که به عنوان نمونه می‌توان به استاندارد 7003 DIN در آلمان و 7600 NPR هلند اشاره داشت.

در استاندارد 378 EN میزان محدودیت شارژ مبرد و همچنین مطابقت آن با اندازه محل زندگی و … نادیده گرفته شده است به همین جهت امروزه یک گروه فنی در حال ترفیع استاندارد فوق و همگرا کردن آن با استانداردهای PED اروپا هستند همچنین می‌توان به استانداردهای موسسات ANSI ASHRAE اشاره داشت که استاندارد ۱۵ آنها استفاده از مبردهای اشتعال زا (سطح A3) در سیستم‌های پرخطر (همچون سیستم‌های مستقیم) بجز در کاربردهای صنعتی و آزمایشگاهی را در آمریکا ممنوع اعلام کرده است در سطح استانداردهای بین المللی امروزه گروه کاری متشکل از ISO/IEC در حال مطالعه و بهبود بخشیدن به استانداردهای 5149 ISO و 60335-2-40 IEC هستند تا بتوانند جنبه‌های زیست محیطی و ایمنی مبردهای اشتعال پذیر در تجهیزات حرارتی و برودتی منازل را بیشتر نمایان سازند.

تحلیل ریسک

تحلیل و برآورد ریسک را می‌توان یک روش قاعده دار به حساب آورد که کاربرد آن دامنه وسیعی را در برمی گیرد که توام به ایمنی کارکرد تجهیزات امکان وقوع حادثه و پیشگویی کارکرد تجهیزات را از زمره آن دانست که همگی آنها به شدت به فرضیات در نظر گرفته شده وابسته هستند امروزه توسط افراد اهل فن و خبره برآورد ریسک از لحاظ کمی در خصوص پمپ‌های حرارتی و سایر تجهیزات برودتی که از HCS استفاده می‌کنند در کشورهای هلند نروژ و آمریکا انجام پذیرفته است.

جنبه های ایمنی

به منظور استفاده از مبردهای HCS در پمپ‌های حرارتی منازل در آینده لازم است که جهت بهبود استانداردهای ایمنی و پایین آوردن خطرات آن برآورد و بررسی‌های دقیقی انجام پذیرد همچنین باید به توسعه و بهبود همزمان فرآیند ساخت تعمیر و نگهداری تجهیزات بسته بندی ذخیره سازی بازاریابی و دیگر حلقه‌های زنجیره استفاده از HCS اهتمام ویژه‌ای ورزید در زمان نصب و یا تعمیر سیستم‌هایی که از HC استفاده می‌کنند کاملا ضروری است که میزان اشتعال پذیری و پتانسیل انفجار آنها مورد بررسی قرار گیرد پاره ای از این اندازه‌گیری‌ها به شرح زیر می‌باشد:

کنترل نشت و جرقه

به عنوان مثال می‌توان به حداقل رساندن اتصالات لوله های انتقال مبرد دور نگهداشتن قطعات الکتریکی از مبرد و محافظت اجزای محتوی مبرد از خطر نشت اشاره داشت.

پایین آوردن شعله‌وری

با اضافه کردن موادی خاص می‌توان خاصیت شعله‌وری HCs را پایین آورد اما این احتمال قویاً وجود دارد که با این کار خواص مبرد دچار تغییر شده و کارایی آن کاهش یابد.

حلقه های انتقال حرارت ثانویه

استفاده از حلقه های ثانویه این اطمینان را میدهد تا سیال عامل ثانویه در محیط زندگی افراد به چرخش درآید و HCs در حلقه اولیه ای که کاملا در محیط خارج منزل قرار دارد به چرخش دربیاید با این وجود استفاده از این سیستم در کنار بالا بردن ضریب ایمنی موجبات کاهش عملکرد سیستم را فراهم می آورد.

استفاده از اتاق تجهیزات

در صورتی که فضای اتاق محل نصب تجهیزات به میزان کافی نبوده و با معیارهای استاندارد مغایرت داشته باشد باید از اطاق جداگانه ای جهت نصب تجهیزات حاوی مبرد HCs بهره برد که اطاق فوق الزاما از سیستم تهویه ای مناسبی باید برخوردار باشد.

علم روز فناوری مبرد های هیدروکربنی

در سال های اخیر توسعه و پیشرفت ملموسی در تجهیزات و اجزائی که از هیدروکربن به عنوان مبرد استفاده میکنند بوجود آمده است که مهمترین آنها استفاده از کمپرسورهای فوق العاده مناسبی است که در سیستم هایی که به طور مناسبی درزگیری شده اند بکار رفته اند که مجموعه فوق احتمال نشت مبرد را به صفر میرسانند در زمانی که لازم است تا میزان شارژ تجهیزات در حداقل مقدار خود باشد باید از مبدل های حرارتی صفحه ای بهم جوشکاری شده لحیمی استفاده نمود که در این صورت اطمینان لازم از عدم نشت مبرد به محیط اطراف حاصل شده و این احتمال که محیط به حدی از اشباع برسد که در آستانه انفجار قرار گیرد بوجود نخواهد آمد.

دیگر ملاحظاتی که لازم است در خصوص تجهیزات تازه‌ای که از HCS به عنوان مبرد استفاده می کنند صورت گیرد به شرح ذیل میباشد:

1. اجتناب از بکارگیری مخزن مکشی به جهت کاهش شارژ مبرد هیدروکربنی
2. عایقکاری قطعات الکتریکی در قسمت هایی که از ورود هوا به آنها جلوگیری به عمل آمده است، همچون موتور بادزنها
3. استفاده از درزگیر یا کنترل کننده وضعیت نشت‌بندی و کلید ضد اشتعال
4. استفاده از تجهیزات هشدار دهنده نشت مبرد
5. زدن برچسب بر روی تجهیزات جدید در خصوص دادن هشدار اشتعال پذیر بودن مبرد مورد استفاده در آنها
6. استفاده از دستور العمل خاص و اصولی به جهت تعمیر و نگهداری تجهیزات

نمودار های خاص فیزیکی هیدروکربنی

وضعیت استفاده از هیدروکربن ها

میزان مقبولیت مبردهای اشتعال پذیر در بازار کشورهای مختلف کاملا با همدیگر متفاوت میباشد. تا سال ۲۰۰۰ استفاده از مبردهای HCS در پمپ های حرارتی خانگی صرفا به کشورهای واقع در اروپای مرکزی و شمالی محدود شده که تجهیزات فوق غالبا صرفا در کارکرد گرمایشی مورد استفاده قرار میگیرند.
در آلمان غالب سازندگان پمپهای حرارتی از پروپان به عنوان سیال عامل بهره میبرند. برآوردها نشان دهنده این امر هستند که در سال های اخیر در حدود ۲۰ درصد پمپ های حرارتی خانگی از HCS به عنوان سیال عامل بهره میبرده‌اند که عموما در سیستم سیرکولاسیونی که در خارج منزل جانمایی شده بودند مورد استفاده قرار میگرفتند. در این سیستم ها هوای خارج، زمین و یا آب به عنوان منبع حرارتی خارجی مورد استفاده قرار گرفته و با اتصال به سیستم های گرمایش کفی هیدرونیکی درجه حرارتی ما بین ۳۵ تا ۴۵ درجه سانتیگراد را تامین می کرده اند.

در اتریش از پروپان در سیستمهای پمپهای حرارتی منبع زمینی انبساط مستقیم استفاده میشود که کل سیستم در محیط خارج منزل و در محفظه محافظت شده از آب ۱۰ جانمایی میشوند.

در سوئد از پمپ های حرارتی منبع هوایی که هوای اگزوز شده از منزل را مورد استفاده قرار میدهند بسیار رایج میباشد که در این سیستم گرمای هوای خروجی از منزل به جهت گرمایش منزل و تهیه آبگرم مصرفی مورد استحصال قرار میگیرد. در سال ۱۹۹۹ تخمین زده میشود در حدود ۲۰۰۰۰ دستگاه پمپ حرارتی که از پروپان به عنوان مبرد استفاده میکنند در سوئد ساخته و نصب شده است که خوشبختانه هیچگونه حادثه ناشی از اشتعال پذیری مبرد یاد شده گزارش نشده است.

در هلند پمپ های حرارتی منبع زمینی حلقه بسته آب – آب نمک ۱۱ که از پروپان به عنوان سیال عامل بهره میبرند ساخته شده که در طی سال های ۹۷ و ۹۸ در ۱۰۰ منزل نصب شدند که ظرفیت حرارتی آنها در حدود ۴/۸ کیلو وات بوده و میزان گنجایش مبرد آنها در حدود یک کیلوگرم میباشد. این سیستم ها از یک حلقه ثانویه بهره میبرند که با استفاده از سیستم توزیع حرارتی هیدرونیکی قابلیت عرضه هوایی با درجه حرارت ۵۵ و آبگرم ۶۰ درجه سانتی گراد را دارد هستند که کاملا کارآمد و قابل اطمینان نیز می‌باشند.

بررسی اقتصادی

برنامه کامپیوتری توسط اداره ارزیابی سازنده لوازم خانگی ایالات متحده تنظیم شده است که در آن عملکرد، هزینه و تاثیرات زیست محیطی یک پمپ حرارتی هوا به هوای منزل یکپارچه با قدرت ۵/۱۰ کیلو وات که از پروپان بهره می‌برد، مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. همچنین مقایسه‌ای میان سه سیستم کاملا یکسان صورت پذیرفته که مبرد آنها پروپان، R-22 و R-410A بوده است.
مدل کامپیوتری بکار برده شده برای دو سیستم پروپان و R-22 نشان می‌دهد که در شرایط برابر میزان هزینه سیستم پروپان ۳۵ درصد بیشتر از R-22، راندمان انرژی آن ۲ درصد بالاتر و در طول یک دوره کارکرد ۱۵ ساله میزان TEWI آن ۱۲ درصد کمتر می‌باشد (تقریبا معادل با ۳۴۰۰ کیلوگرم گاز دی اکسید کربن).

نتایج مربوط به R-410A نشان می‌دهد که در مقایسه با سیستم پروپان به میزان ۱۸ درصد هزینه سیستم پایینتر، ۵ درصد راندمان انرژی بالاتر و ۶ درصد افزایش TEWI را درپی دارند که می‌توان نتیجه گرفت پروپان در مقایسه با R-22 کاملا برتری دارد.

 

منبع: مجله تهویه مطبوع شماره 3

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.