مبرد ها

از: مهندس مهدی کرباسیون شرکت تهویه

مقدمه

در سال های اخیر بحث های زیادی در زمینه مبرد های جدید جایگزینی مبرد های قدیمی کاربرد ها و مزایا و معایب هر کدام صورت گرفته است. به نظر میرسد در کشور ما و به خصوص در بین جامعه مهندسین مشاور و پیمانکاران هنوز اطلاعات و توافقات بین المللی در این زمینه به خوبی تدوین و ارائه نشده است. به همین دلیل بعضا شاهد انتخاب نادرست مبرد ها و اصرار بر استفاده از آنها توسط بعضی از مهندسین مشاور میباشیم.

در این مقاله برخی اطلاعات لازم در مورد مبرد ها کاربرد آنها و همچنین مصوبات و توافقات جهانی صورت گرفته در سال های اخیر به شکلی قابل استفاده ارائه میشود.

مبرد چیست؟

در پایان هزاره دوم میلادی تعداد زیادی لیست توسط مراجع مختلف منتشر گردید که نشان دهنده برترین های قرن بیستم در زمینه های مختلف بودند از جمله لیست برترین اختراعات. در این لیست پس از پرواز سفر به فضا و کامپیوتر ها سرمایش جزو ده اختراع بر تر این قرن قرار گرفته بود.

دلیل این امر این است که بدون سرمایش نگهداری غذا ساخت آسمان خراش ها تجهیزات و ساختمان های مدرن پزشکی و انجام بسیاری از فرایند های صنعتی امکان پذیر نبود.

فرهنگ لغت webster واژه refrigerant را چنین معنا میکند:

ماده ای که در یک سیکل تبرید و یا به صورت مستقیم نظیر یخ برای ایجاد سرما به کار میرود.

استاندارد اشری 34 بیش از صد مبرد مختلف را به همراه نامگذاری و طبقه بندی آنها برشمرده است. هر چند که بسیاری از آنها در سیستم های سرمایش معمول استفاده چندانی ندارند.

تاریخچه

تاریخ استفاده از سرمایش مکانیکی به اواسط قرن 19 میلادی بر میگردد. اولین ماشین سرمایش مکانیکی توسط ژاکوب پرکینر در سال 1834 ساخته شد. در این ماشین از اتر به عنوان مبرد در یک سیکل تراکمی- تبخیری استفاده شده بود. در سال 1866 دی اکسیدکربن و در سال 1873 آمونیاک بدین منظور استفاده شد. استفاده از اسن سیستم ها تنها محدود به فرآیند های آزمایشگاهی و بعضا صنعتی میشد. نگهداری محصولات غذایی در این دوره توسط قالب های بزرگ یخ که در زمستان جمع آوری یا تولید میشد انجام گرفت.

در ابتدای قرن بیستم سیکل تبرید برای تهویه مطبوع و سرمایش ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گرفت. ساختمان Milam در سن آنتونیو تگزاس نخستین ساختمانی بود که به طور کامل مجهز به سیستم تهویه مطبوع شد. در سال ۱۹۲۶ توماس میدگلی اولین مبرد CFC یعنی 12-R را مورد استفاده قرار داد. اولین چیلر سانتریفیوژ برای مصارف سرمایش صنعتی و تهویه مطبوع توسط ویلیس کریر در سال ۱۹۳۱ ساخته شد.

بعضی از مبردها بنا به دلایلی که بعداً گفته خواهد شد، بیش از بقیه مورد استفاده قرار گرفتند از جمله 22-HCFC و CFC-11 و CFC-12.

در اواسط دهه هفتاد میلادی نگرانی دانشمندان از نازک شدن لایه اوزون و عوارض ناشی از آن مطرح شد و مبردهای CFC و HCFC به عنوان یکی از عوامل این موضوع شناخته شدند. بحث‌ها و بررسی‌ها منجر به تصویب پروتکل مونترال در سال ۱۹۸۷ گردید که به موجب آن لازم است طی برنامه‌ای زمان‌بندی شده تمام مبردهای CFC و HCFC از برنامه تولید و استفاده خارج شده و مواد دیگری جایگزین آنها شوند.

در دهه ۹۰ میلادی بحث گرم شدن هوای زمین مجدداً استفاده از مبردها را مورد انتقاد جدی قرار داد، چرا که دستگاه‌های سرمایش و تهویه مطبوع مصرف‌کنندگان عمده انرژی می‌باشند. در ایالات متحده حدود ۳۵ درصد مصرف انرژی مربوط به مصارف انرژی ساختمان‌ها از جمله سرمایش و تهویه مطبوع است. همچنین بسیاری از مبردها خود گازهای گلخانه‌ای می‌باشند. بدین ترتیب این مواد در دهه‌های اخیر همیشه موضوع بحث و بررسی بوده اند.

مبرد های رایج

اگرچه مواد زیادی به عنوان مبرد شناخته می شوند، اما تنها تعداد کمی از آنها در سیستم های رایج به کار می‌روند. در زیر، بعضی از مبردها و گروه بندی اصلی آنها بررسی می گردند.

آب(R-718)

آب در سیستم های جذبی به عنوان مبرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این سیستم ها از آب در کنار یک محلول نمک مثل لیتیم بروماید که نقش جاذب را دارد استفاده می شود. چیلرهای جذبی COP پایینی دارند (حدود ۱) در حالی که یک چیلر با کمپرسورهای سانتریفیوژ COP حدود ۵ دارد.
از نظر زیست محیطی استفاده از آب که یک مبرد کاملاً طبیعی است بسیار مطلوب می‌باشد هرچند که پایین بودن COP به این معنا است که در مقایسه با یک چیلر مثلاً سانتریفیوژ باید مقدار بیشتری سوخت فسیلی مصرف نمود تا همان میزان سرما را ایجاد کرد.

در مورد استفاده از چیلرهای جذبی لازم است برای هر پروژه، تحلیل فنی و اقتصادی مناسب انجام گیرد تا بهینه و مقرون به صرفه بودن استفاده از آن بررسی شود. بدین منظور می توان از نرم افزارهایی نظیر McQuays Energy Analysis استفاده نمود.

آمونیاک(R-717)

آمونیـاک مبردی طبیعی با قابلیت اشتعال کم ولی نسبتا سمی است آمونیـاک از معدود مبردهای طبیعی است که هنوز هم در سیکل‌های تراکمی تبخیری و یا کمپرسورهای رفت و برگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرد استاندارد 15 ASHARE تمهیدات ایمنی خاصی را برای استفاده از آمونیـاک توصیه می‌کند از این مبرد بیشتر در سرمایش مورد نیاز فرایندهای صنعتی استفاده می‌شود هرچند که در ظرفیت‌های بالا می تواند در مصارف تهویه مطبوع هم به کار رود.

دی اکسیدکربن(R-744)

مبردی طبیعی است که استفاده بسیار محدودی دارد تحقیقات اخیر راه را برای بعضی استفاده‌های خاص از این مبرد باز کرده است از دی اکسید کربن در سیکل‌های تراکمی تبخیری و یا کمپرسورهای رفت و برگشتی استفاده می‌شود نکته منفی سیکل‌های تبریدی که از این ماده استفاده می‌کنند فشار بالا (حدود 900psig) و راندمان پایین سیکل است کاربرد دی اکسید کربن در سیکل‌های تبرید سری می تواند مفید باشد.

هیدروکربن ها

پروپان (290-R) و ایزو بوتان (600a-R) در کنار بعضی دیگر از هیدروکربن‌ها می‌توانند در سیکل‌های تراکمی تبخیری استفاده شوند در اروپا شمالی حدود 35 درصد یخچال‌ها با مبردهای هیدروکربنی کار می‌کنند از جمله خواص این مبردها راندمان زیاد و در عین حال اشتعال‌پذیری بسیار بالا می‌باشد. در ایالات متحده استفاده از این نوع مبردها به دلیل استانداردهای ایمنی بسیار محدود است.

کلروفلوئوروکربن ها

رایج‌ترین مبردها برای ایمن گروه 114-R 113-R و 12-R 11-R می‌باشند. تا اواسط دهه هشتاد میلادی استفاده از آنها در سراسر دنیا معمول بود اما به موجب پروتکل مونترال استفاده و تولید آنها از سال ۱۹۹۵ در کشورهای توسعه یافته متوقف شد و در کشورهای در حال توسعه نیز طبق برنامه و به تدریج جمع آوری خواهند شد. استفاده از کلروفلوئوروکربن‌ها با تمام انواع کمپرسورها و در سیکل تراکمی – تبخیری امکان‌پذیر است. راندمان و ایمنی بالا و غیر قابل اشتعال بودن از خواص مثبت آنها است. متأسفانه این مبردها صدمات جبران‌ناپذیری را به لایه اوزن وارد می‌کنند.

هیدرو کلر و فلوئور و کربن ها

22-R که با استفاده‌ترین مبرد می‌باشد در این گروه قرار می‌گیرد. این مبردها در سیکل‌های تراکمی – تبخیری و با تمام انواع کمپرسورها قابل استفاده هستند. مانند مبردهای CFC برنامه برای ممنوعیت استفاده از آنها در تمام استانداردها در حال انجام است.

مبرد های مخلوط

در صورتی که دو یا چند مبرد مشخص با نسبت خاصی با هم مخلوط شوند، می‌توان به یک مبرد جدید دست یافت. به عنوان مثال 407C-R مخلوط از R32 ،R125 و 125-R به دست آمده و دارای خواص قابل توجهی می‌باشد. مبردهای مخلوط خود به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند:

• آزئوتروپ‌ها:
  بعضی از مبردهای مخلوط خواصی مانند یک مبرد تک جزئی دارد به عبارت دیگر فشار و دمای اشباع هر جزء با فشار و دمای اشباع کل مخلوط یکسان
  است مثلا R-500 شامل دو جزء 134a-R و 125-R بوده و مخلوطی آزئوتروپ می باشد نسبت اختلاط هر دو جزء در فاز گاز با مایع تقریباً یکسان است به
  عبارت ساده تر دو جزء در هنگام تغییر فاز از هم جدا نشده و با هم تغییر فاز می دهند.
• زئوتروپ ها:
  برخلاف گروه فوق این نوع مخلوط ها در هنگام تغییر فاز به اجزاء تشکیل دهنده خود تقسیم شده و لایه های مختلف گاز و مایع را تشکیل می دهند از جمله آزئوتروپ ها R407C و R410A می باشند در هنگام استفاده از این مبردها باید ملاحظات خاص آنها را در نظر داشت.

مشخصات موثر در انتخاب یک مبرد:

مشخصات مؤثر در انتخاب یک مبرد برای آن که بتوان یک مبرد مناسب انتخاب نمود لازم است با چند مفهوم و پارامتر که برای مقایسه مبردهای مختلف استفاده می شوند آشنا شد:

سمی بودن و قابلیت اشتعال

این پارامتر معیارهای اصلی برای مقایسه سطح ایمنی میباشد استاندارد 34 SHARE برای این مقایسه از یک آرایه استفاده میکند:

• سطح اشتعال پذیری1
  به این معنا است که مبرد در هوای استاندارد دمای ۷۰ درجه فارنهایت و فشار بارومتریک مشعل نمی شود.
• سطح اشتعال پذیری2
  به این معنا است که مبرد در هوای استاندارد دمای ۷۰ درجه فارنهایت و فشار بارومتریک و در غلظت کمتر از ۰/۰۶۲۵ پوند بر فوت مکعب به سادگی مشعل نشده و گرمای ناشی از احتراق آن کمتر از ۸۱۷۴ بی تی یو بر پوند است.
• سطح اشتعال پذیری۳
  به این معنا است که مبرد در هوای استاندارد دمای ۷۰ درجه فارنهایت و فشار بارومتریک و در غلظت های حتی کمتر از ۰/۰۶۲۵ پوند بر فوت مکعب به سادگی مشعل شده و گرمای ناشی از احتراق آن بیش از ۸۱۷۴ بی تی یو بر پوند است.
• سطح سمی بودن A
  نشان دهنده این است که مبرد در غلظت های کمتر از ۴۰۰ ppm حجمی خطر مسموم کردن ندارد.
• سطح سمی بودن B
  نشان دهنده این است که مبرد در غلظتهای کمتر از ۴۰۰ ppm حجمی میتواند باعث ایجاد علایم مسمومیت شود.

روشن است که سمی بودن مواد نسبی است تقریبا هر ماده ای اگر در غلظت های بالا مصرف شده و یا شخص در معرض آن قرار گیرد میتواند مسمومیت زا باشد. همچنین افراد مختلف بسته به سن آلرژی و یا مسایل محیطی و ژنتیک ممکن است نسبت به یک ماده مقاوم تر یا آسیب پذیرتر باشند.

نکته: اگر دو مبرد 717-R (آمونیاک) و 22-R با هم مقایسه شوند، آمونیاک در سطح ایمنی B2 و 22-R در سطح A1 طبقه بندی شده است. یک مقایسه سریع نشان میدهد که آمونیاک بیشتر سمی است که البته صحیح است. در عوض 22-R هم از هوا سنگین تر بوده و هم بی بو است. در مواردی دیده شده که نشت شدید 22-R و جایگزین شدن آن با هوای موجود حتی باعث مرگ افراد شده است؛ در حالی که نشت آمونیاک به دلیل بوی شدید آن معمولاً خیلی سریع مشخص شده و میتوان از انتشار آن جلوگیری نمود. بنابراین هر مبرد، هرچند کم خطر، در اثر رعایت نکردن موارد لازم میتواند خطر آفرین بوده و برعکس، در صورت رعایت استانداردهای ایمنی هر مبردی میتواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد.
سمی بودن مبردها از دو دیدگاه بررسی می شود:

1. مسمومیت در اثر غلظت بسیار بالای مبرد؛ به عنوان مثال هنگامی که در موتورخانه لوله های ارتباطی یک چیلر شکسته و مقدار زیادی گاز در فضا منتشر شود و شخصی در این فضا قرار داشته باشد.
2. مسمومیت در اثر تماس طولانی با ماده مبرد؛ در این حالت شخص به علت تماس و کار طولانی مدت با ماده اتاق ممکن است دچار عوارض خاصی شود.

معیار طبقه بندی و سنجش سمی بودن مبردها برای حالت دوم بررسی و عنوان می شود. هرچند که هدف کلی این است که در هر دو حالت عوارض ناشی از تماس با مبردها کاهش داده شود.

خواص انتقال حرارت

کار اصلی یک مبرد انتقال حرارت از جایی به جای دیگر است. انتقال حرارت مناسب از خواص لازم مبرد بوده و به عوامل متعددی بستگی دارد. سه خاصیت کلیدی
گرانروی (u)، گرمای ویژه (Cp) و ضریب هدایت حرارتی (k) بر روی قابلیت انتقال حرارت مبردها مؤثرند. عدد پرانتل (Pr) که در محاسبه مبدل های حرارتی استفاده می شود، به این سه پارامتر بستگی دارد (Pr = u.Cp/k).
هدف این است که یک مبرد بتواند مقدار زیادی حرارت با خود حمل کند (گرمای ویژه بالا)، به راحتی آن را انتقال دهد (ضریب هدایت حرارتی بالا) و گرانروی پایین
داشته باشد تا با مقدار کمی کار به حرکت درآمده و به راحتی جریانهای گردابی در آن ایجاد شود.

قابلیت تخریب لایه ازن

این عدد نشان دهنده قابلیت آسیب رساندن یک مبرد به لایه اوزن می باشد. در تمام مبردهای با ODP بالاتر از صفر مطابق پروتکل مونترال باید از گردونه خارج شده و مبردهای جدید باید حتما ODP برابر صفر داشته باشند.

قابلیت ایجاد اثر گلخانه ای

مبنای سنجش، قابلیت گاز دی‌اکسیدکربن بوده و برای این گاز برابر ۱ در نظر گرفته شده است. برای بسیاری از مبردها GWP تا چند هزار برابر دی‌اکسیدکربن اندازه‌گیری شده است. به عبارت دیگر مثلاً 12-R در مقایسه با دی‌اکسیدکربن در یک حجم مساوی ۸۰۰۰ برابر اثر گلخانه ای بیشتر ایجاد می نماید.

سازگاری با مواد مختلف

از آنجا که یک مبرد در سیکل تبرید با لوله های مسی، فولاد برنج و دیگر فلزات، سیم پیچ موتور، لاستیک‌ها، پلاستیک‌ها و واشرها و نیز عوامل خارجی نظیر رطوبت موجود در هوا در تماس است. باید از نظر شیمیایی با تمام این مواد سازگار باشد.

یکی از مزایای مبردهای CFC پایداری و سازگاری آنهاست. متأسفانه همین مزیت نقطه منفی هم محسوب می‌شود چرا که موجب ماندگاری بیشتر این مواد در طبیعت می‌گردد.

مشخصات فیزیکی

از دیگر پارامترهای مهم در انتخاب مبردها خواص فیزیکی نظیر نقطه جوش و نقطه انجماد است. این دو خاصیت دقیقاً نشان دهنده این است که مبرد در چه محدوده فشار و دما می‌تواند به کار گرفته شود. مثلاً 12-R در فشار اتمسفر دارای نقطه جوش ۲۸ درجه سلسیوس است. در صورتی که لازم باشد نقطه جوش ۴
درجه ایجاد شود، باید فشار کارکرد از فشار اتمسفر پایین‌تر باشد.
برعکس 134-R در فشار استاندارد ۱ بار و دمای ۲۶ درجه زیر صفر تبخیر می‌شود. برای استفاده از این مبرد در دمای تبخیر ۴ درجه سلسیوس باید از کمپرسور برای بالا بردن فشار استفاده کرد.

مثال دیگر 718-R (آب) است که در چیلرهای جذبی استفاده می‌شود. این مبرد در دمای صفر درجه منجمد می‌شود بنابراین از چیلرهای جذبی نمی‌توان در تجهیزات تولید یخ یا سرد خانه‌های زیر صفر استفاده کرد.

نامگذاری مبرد ها

بر اساس توافق بین المللی، میردها با حرف R در ابتدا و یک عدد دو یا سه رقمی و بعضاً یک یا دو حرف در انتها نامگذاری می شوند. بنابراین اگر میردهی با نام Rxyz نشان داده شده باشد، مقادیر مختلف xyz نشان دهنده ترکیب شیمیایی و خواصی است.

پروتکل مونترال

در اواسط دهه هشتاد میلادی شواهد های به دست آمد که نشان می داد لایه ازن در حال تخریب شدن و از بین رفتن بوده و علت آن مواد شیمیایی ساخته دست بشر است. در سال 1985 بخش محیط زیست سازمان ملل متحد (UNEP) کلیات پروتکل فعلی را در شهر وین اتریش برنامه ریزی کرد. در سال 1987 در مونترال کانادا اکثریت کشور ها برای حل مشکل و چاره اندیشی در این زمینه گرد هم آمده و پروتکل مونترال را تصویب کردند. متن اصلی توافقنامه در چند نوبت دچار تغییر شده و تصمیمات جدیدی گرفته شده است. ضمن آن که ممکن است در آینده نیز بر اساس توافقات جدید تغییراتی در آن به وجود آید.

متن پروتکل شامل دو برنامه زمان بندی متفاوت برای کشور های توسعه یافته و در حال توسعه در جهت منع تولید و استفاده از مبرد های CFC و HCFC است.

بسیاری از کشور ها از جمله ایالات متحده علاوه بر بند های پروتکل قوانینی داخلی در جهت شتاب دادن برنامه های توقف استفاده از این مبرد ها تصویب کرده اند. بنابراین در پروتکل حداقل الزامات مشخص شده اند و در صورت وضع قوانین داخلی شدید تر در هر کشور باید از آنها تبعیت شود.

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 61

 

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.