استفاده از مبردهای قابل اشتعال مانند R600a (ایزو بوتان) و R290 (پروپان) در سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع به دلیل کارایی بالا و تأثیرات زیست‌محیطی کمتر، به‌سرعت در حال افزایش است. با این حال، این مبردها به دلیل ماهیت قابل اشتعال خود نیازمند رعایت نکات ایمنی ویژه‌ای هستند.
تاریخچه و تحول مبردهای خودرو از CFCها تا R134a. چرا R134a جایگزین CFCها شد و چه مزایایی برای سیستم‌های سرمایشی خودرو به ارمغان آورد؟
مبرد، ماده‌ای است در قالب گاز یا مایع که نقطه جوش بسیار پایینی دارد و با جذب حرارت از ماده‌ای در محیط، تبخیر شده و محیط را خنک می‌کند. مبرد به منظور کاهش دمای سطح مشخصی از یک ناحیه، در فرآیند تبرید و در سیستم‌های تهویه مطبوع و برودتی به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در سیستم تبرید تراکمی که متداول‌ترین سیستم برای تولید سرمایش در چیلر، سردخانه و یخچال‌های خانگی است، اگر کمپرسور را قلب سیستم بنامیم کندانسور و اواپراتور را هم می‌توان به عنوان دست و پای سیستم تبرید در نظر گرفت. حال این سیستم به ماده‌ای احتیاج دارد که مانند خون در لوله‌های آن گردش کند و باعث کارکرد صحیح سیستم گردد. به این ماده که به شکل گاز در کپسول ارائه می گردد گاز مبرد یا گاز فریون گفته می‌شود.
از جمله موارد مصرف این محصول می توان به موارد زیر اشاره نمود:
اکثر مردم به اشتباه ماده مبرد را در بازار به نام گاز کولر ماشین و یا گاز یخچال می‌شناسند. برخی دیگر نیز به اشتباه آن را گاز سرمازا یا گاز سرمایشی می نامند، اما طبق تعریف فوق، ماده مبرد می تواند به شکل مایع هم باشد.
مبردها با استفاده از تغییراتِ فازی و ترمودینامیکی به راحتی از حالت گاز به مایع و یا بالعکس، از مایع به گاز تبدیل می‌شوند و این قابیلت سبب شده این مواد کاربرد وسیعی در صنعت، از جمله در سیستم‌ها و دستگاه‌های برودتی و تهویه مطبوع داشته باشند. دستگاه هایی مانند چیلر تراکمی، داکت اسپلیت و سیستم‌های جریان مبرد متغییر( Variable Refrigerant Flow) VRF از ماده مبرد در سیکل کاری خود استفاده می‌کنند.
با وجود نقش مهم و مفید مبردها در صنعت، باید بدانیم که طبق بررسی‌ها و نتایج مطالعات علمی، این مواد برای محیط زیست ما چندان مفید نیستند و یکی از عوامل مهم گرمای زمین و تخریب لایه اوزون محسوب می‌شوند.
برای مقایسه مبردها از نظر آثار زیست محیطی، دو پارامتر مهم معیار تخریب لایه اوزون (ODP) و معیار گرمایش زمین (GWP) در نظر گرفته می‌شود.
ODP به توانایی یک ماده در تخریب لایه اوزن نسبت به ماده CFC11 گفته می شود.
معیار ODP عددی بین بازه صفر تا ۱ است. هر چه قدر این ضریب به عدد ۱ نزدیک‌تر باشد، از لحاظ آسیب به لایه اوزون خطرناک‌تر است. مبرد CFC11 دارای معیار ODP یک هست و مابقی مبردها را معمولا نسبت به این مبرد مقایسه می کنند. در واقع نسبتِ قابلیت تخریب لایه اوزون یک ماده به مبرد CFC11 را می توان ODP آن ماده در نظر گرفت.
در شکل زیر می توانید معیار ODP مبردهای مختلف را مشاهده و مقایسه کنید.
GWP یا معیار گرمایش به توانایی یک ماده در به دام انداختن گرما در جو زمین (اتمسفر) نسبت به ماده دی‌اکسید‌کربن گفته می‌شود.
این معیار از صفر شروع می شود و حد بالا ندارد، به عبارتی هر میزان که یک مبرد یا ماده دیگر اثر بیشتری بر روی به دام انداختن گرما در اتمسفر و گرمایش زمین داشته باشد، معیار گرمایش آن نیز بزرگ‌تر است. معیار GWP در بازه های زمانی طولانی و چندین ساله، مثلا ۲۰ ساله یا ۱۰۰ ساله اندازه‌گیری می‌شود.
به عنوان مثال در یک بازه زمانی ۱۰۰ ساله، معیار گرمایش CFC11 برابر با ۴۲۵۰، مبردهای HFC در بازه ۱۶۴۰ و برای ماده پنتان این معیار زیر ۵ می باشد.
دی‌اکسید‌کربن دارای GWP بسیار زیادی است و معمولا معیار GWP هر ماده ای را با دی اکسید کربن مقایسه می کنند.
مبردها بر اساس ترکیبات و ساختار شیمیایی خود دسته بندی می‌شوند. چهار نوع مهم از مبردهاعبارتند از:
۱. مبردهای طبیعی
۲. کلروفلوئوروکربن‌ها (CFCs)
۳. هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها (HCFCs)
۴. هیدرو فلوئوروکربن‌ها (HFCs)
اولین نسل از گاز مبرد که در تهویه و تبرید استفاده می‌شد از نوع طبیعی بود این نوع از مبردها با توجه به نام‌شان، به صورت مصنوعی مانند سایرمبردها تولید انبوه نمی‌شوند. مبردهای طبیعی هیچ‌گونه ضرر و تهدیدی برای طبیعت، محیط زیست و لایه اوزون ندارند. این مبردها تأثیر بسیار اندکی در پدیده گرمایش زمین دارند و نسبت به مبردهای صنعتی بسیار ارزان‌تر هستند.
هوا، آب، آمونیاک، دی‌اکسید‌کربن و هیدروکربن جزو مبردهای طبیعی هستند. مهم‌ترین مزیت مبردهای طبیعی مانند کربندیاکسید، آمونیاک یا پروپان در این است که عدد ODP برای آنها صفر است و GWP بسیار کمی دارند که می‌توان از آن نیز صرف نظر کرد. قدمت استفاده از بعضی از مبردهای طبیعی به بیش از 150 سال می‌رسد. البته بازدهی برخی سیستم‌هایی که از CO2 استفاده می‌کنند، در محیط‌های گرم کاهش پیدا می‌کند و نیاز به تنظیمات اضافه‌ای دارند تا بازدهی آنها افزایش پیدا کند. اما به طور کلی، با استفاده از مبردهای طبیعی می‌توان به همان بازدهی سیکل‌هایی با مبردهای HFC و HCFC دست یافت.
قدیمی بودن این دسته از مبردها نباید این ذهنیت را ایجاد کند که دیگر کاربرد ندارد. درواقع به دلیل در دسترس بودن این گازها و این موضوع که به محیط زیست تقریبا آسیبی وارد نمی‌کنند، سبب شده است که اقبال زیادی به این گازها صورت بگیرد.
این مبردها، جزو نسل قدیمی مواد سرمازا محسوب می‌شوند واز دهه‌ی ۳۰ میلادی توسعه یافته‌اند. در آن زمان جزو مواد غیرسمی، غیر قابل اشتعال و خنثی (غیر واکنشی) محسوب می‌شدند.
مبردهای CFC، حاوی ماده کُلر(Chlorine)، فلوئور (Fluorine) و کربن (Carbon) هستند. R11،R12 و R115 جزو این گروه از مبردها هستند. این مبردها می‌توانند در دستگاه‌های صنعتی مانند چیلر و سیستم‌هایی مانند یخچال که نیاز روزانه ما هستند، مورد استفاده قرار بگیرند.
در اوایل دهه ۷۰ میلادی بود که مطالعات و بررسی‌های علمی محققان، اثبات کرد که این مواد برای لایه اوزون آسیب‌زا می‌باشند و برای محیط زیست مضر هستند. پس ازآن در اوایل دهه ۹۰ میلادی به دلیل اثرات مخرب زیست محیطی، استفاده از این مبردها ممنوع شد.
مبردهای HCFC شامل هیدروژن، کلر، فلوئور و کربن هستند. این نوع مبردها در مقایسه با CFCها خطر خیلی کمتری برای محیط زیست و لایه اوزون دارند. اما بدین معنا نیست که هیچ مشکل یا خطری در این زمینه ندارند. این مبردها تنها ۱۰ درصد بر روی لایه اوزون و گرمایش زمین اثر منفی می‌گذارند. دلیل این موضوع هم این است که مبردهای HCFC از اتم کلر کمتری تشکیل شده‌اند.
HCFCها موادی غیرآلاینده، ارزان و سازگار با محیط زیست هستند. اگرچه این مواد برای محیط زیست چندان ضرر ندارند اما به عنوان گازهای گلخانه ای شناخته می شوند. در واقع می‌توانند به صورت آهسته ولی به طور پیوسته لایه اوزون را نابود کنند. هرچند استفاده از این مبردها رو به منسوخ شدن است ولی در اکثرکشورهای در حال توسعه مانند ایران هنوز هم برخی از مبردهای این مدل مانند R22 پر مصرف هستند.
برخی از مبردهای خانواده HCFC عبارتند از:
R22, R123, R124, R401A, R401B, R402A, R403B, R408A, R409A, R414B, R416A
این نوع مبردها شامل هیدروژن، فلوئور و کربن هستند و دارای کُلر نیستند، به همین دلیل، این مبردها ضرری برای لایه اوزون نداشته و تهدیدی برای آن محسوب نمی‌شوند. اما تاثیر زیادی بر روی پدیده گرم شدن زمین دارند. گاز R134a را می توان نمونه پر مصرف این مدل نامید.
در زیر نشان اختصاری برخی از مبردهای HFC ذکر شده اند:
R23, R134a, R404A, R407C, R410A, R417A, R422A, R422B, R422D, R507, R508
مبردهای HFC به دلیل نداشتن خطر برای محیط زیست، در مقایسه با مبردهای CFC و HCFC همیشه مورد توجه تولید کنندگان مبرد در سراسر جهان بوده اند.
در طول سا‌ل‌ها، مبردها با توجه به سیاست‌های زیست محیطی تغییرات زیادی داشته اند، در زیر برخی از رایج‌‍ترین مبردهای پر مصرف در صنعت تهویه مطبوع را نام برده ایم:
تترافلوئورواتان یا R134a از دو اتم کربن، دو اتم هیدروژن و چهار اتم فلور تشکیل می‌شود. فرمول شیمیایی این گاز CF3CH2F است. همانطور که پیش از این نیز اشاره کردیم، این مبرد از دسته HFC به حساب می‌آید و تاثیر مخربی بر روی لایه ازون نمی‌گذارد. این ماده مبرد غیر مشتعل و غیرانفجاری است و میزان سمی بودن آن نیز در حد استاندارد است.
دمای جوش R134a منفی26.1 درجه سانتی‌گراد است و دیگر خواص ترمودینامیکی این مبرد نیز تقریبا با R12 مشابه هست. در نتیجه می‌توان از R134a به عنوان جایگزینی برای R12 استفاده کرد. هرچند باید توجه کرد که برای جایگزینی آن تغییراتی در تجهیزات سیستم تبرید صورت بگیرد.
این ماده مبرد یک جایگزین معمول برای R22 محسوب می‌شود. R407C مخلوطی از چند هیدروفلوئوروکربن مانند دی‌فلوئورومتان و پنتافلوئورومتان است که خواص ترمودینامیکی لازم برای قرار گرفتن در سیکل‌های تبرید را دارد.
در سیستم‌های تبرید جدید، استفاده از R407C رواج بیشتری دارد. همچنین این ماده مبرد توانایی کار کردن در سیکل‌های دما متوسط را نیز دارد.
این ماده مبرد نیز یک جایگزین ایمن برای R22 به شمار می‌آید. از مزیت‌‌های R404A می‌توان به بازه دمایی که می‌تواند در آن کار کند اشاره کرد. این ماده مبرد می‌تواند در سیستم‌هایی که دمایی بین منفی ۴۵ تا مثبت ۱۵ درجه سانتی‌گراد را لازم دارند، مورد استفاده قرار گیرد.
خواص ترمودینامیکی R404A شباهت زیادی با R22 دارد و حتی در مواردی عملکرد بهتری نسبت به این گاز دارد. R404A به راحتی با آب و هوا واکنش نشان نمی‌دهد و بدون رنگ و غیرمشتعل است. البته تماس مستقیم پوست بدن با R404A می‌تواند مضر باشد.
این ماده از ترکیب چند هیدروفلوئوروکربن تشکیل می‌شود. به دلیل اینکه کلر در ترکیب آن وجود ندارد، آسیبی برای لایه ازون به بار نمی‌آورد. همچنین با استفاده از این مبرد می‌توان به بازدهی بیشتری نسبت به R407C و R22 دست یافت. ظرفیت تبرید و فشار بالا، R410A را به گزینه‌ای بهتر نسبت به R22 تبدیل می‌کند. بنابراین این گاز گزینه‌ای محبوب برای استفاده در سیستم‌های تهویه، سیستم‌های تبرید صنعتی و خنک‌کننده محسوب می‌شود.
این مبرد پیش از این پرکاربرد بود و پس از اینکه مشخص شد استفاده از آن می‌تواند به لایه اوزون صدمه وارد کند، استفاده از آن کاهش پیدا کرد و تا سال 2020 نیز قرار است که به طور کامل کنار گذاشته شود. R22 از دسته HCFC به حساب می‌آید و به دلیل وجود کلر در ترکیب شیمیایی آن، برای محیط زیست مضر است. یکی از جایگزین‌های گاز R22، گاز R410A می‌باشد که پیش از این به آن اشاره کردیم. البته مقرر شده است که با شروع سال 2020 نیز برنامه‌ای برای جایگزینی R410A با مبردهای دیگر آغاز شود و به طور تدریجی استفاده از این ماده نیز کاهش پیدا کند. به نظر می‌رسد مبرد R32 جایگزین آن شود که عدد GWP آن یک سوم R410A است.
آمونیاک که با نام R717 شناخته می‌شود، یکی از مبردهای قدیمی است که هم در سیستم‌های تراکمی و هم در سیستم‌های تبرید جذبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مزیت آمونیاک به عنوان یک مبرد در این است که وزن مولکولی کمی دارد. توانایی کار کردن در دماهای مختلف را دارد. گرمای نهان تبخیر آن بالاست و نشتی‌های آن را به راحتی می‌توان شناسایی کرد. البته R717 معایبی نیز دارد؛ میزان سمی بودن بالا، واکنش پذیر و قابل اشتعال بودن از جمله این معایب است.
آمونیاک همچنین توانایی بالایی در جذب مولکول‌های آب دارد و خشک نگه داشتن آن کار سختی است. زمانی که آمونیاک همراه خود آب نیز حمل کند، می‌تواند برای مس و آلیاژهای مسی در نقش یک خورنده واقع شود. همچنین در دماهای بالای خروجی از کمپرسور، ممکن است آمونیاک مقداری به نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود و فشار این گازها نیز به فشار کندانسور اضافه شود. افزایش فشار کندانسور به معنای کاهش بهره‌وری سیستم است و مصرف انرژی بیش‌تر خواهد شد.
کربن دی اکسید در هوای اطراف ما وجود دارد و غیراشتعال‌پذیر و غیرسمی است. استفاده از کربن دی اکسید قدمتی طولانی دارد و از سال 1862 تاکنون از این گاز به عنوان مبرد استفاده می‌شود. در گذشته سیستم‌هایی که از کربن دی اکسید استفاده می‌کردند، بازدهی کمی داشتند. علت این موضوع را نیز می‌توان در دمای بحرانی پایین این گاز پیدا کرد. اما با پیشرفت تکنولوژی و پدید آمدن شیوه‌های نوین، می‌توان بر این مشکل نیز غلبه کرد. بنابراین کم کم کربن دی اکسید در حال بازگشت به سیستم‌های تبرید است و اگر به درستی از آن استفاده شود، می‌توان به بازدهی‌های بالایی دست پیدا کرد. پیش‌بینی می‌شود که در سال‌های آتی استفاده از کربن دی اکسید به عنوان ماده مبرد افزایش پیدا کند.
مبردهای شیمیایی جانشینی برای مبردهای مرسوم معرفی شده‌اند که در میان مدت و بلند مدت جایگزین مبردهایی مانند R22 و R134a خواهند شد که به دلایل محیط زیستی باید کنار گذاشته شوند. حتی مبردی مانند R410A نیز تا چند سال آینده حذف خواهد شد. مبردهایی مانند R1234yf یا R1234ze که عدد GWP پایینی دارند می‌توانند به عنوان جانشینی برای مبردهای رایج عمل کنند و برنامه‌هایی برای جایگزین کردن آنها در سال‌های آتی وجود دارد.
انتخاب صحیح ماده مبرد در طراحی یک سیستم تبرید می‌تواند تاثیر فراوانی بر ایمنی، طول عمر و مصرف انرژی سیستم بگذارد. فاکتورهایی که می‌توانند در انتخاب یک ماده مبرد تاثیر بگذارند به شرح زیر هستند:
خواص ترمودینامیکی مانند نقطه جوش، دمای بحرانی و ظرفیت گرمایی مبرد باید به گونه‌ای باشند که سیستم بتواند با بازدهی بالا و در دمای مورد نظر کار کند.
یک سیستم تبرید به نحوی طراحی می‌شود که می‌تواند تا چندین سال کار کند. پس ماده مبرد نباید به راحتی تجزیه شود و یا با مواد دیگر واکنش نشان دهد که در این صورت سیستم قابلیت‌های خود را از دست خواهد داد.
یک مبرد ایده آل باید ODP و GWP پایینی داشته باشد. همچنین سمی نبودن مبرد نیز یک فاکتور مهم محسوب می‌شود.
چگالی پایین و ضریب انتقال حرارت بالای مبرد می‌تواند تاثیر زیادی بر روی سایز مبدل‌های حرارتی و هزینه ساخت سیستم تبرید داشته باشد. همچنین مبرد نباید به لوله‌ها و دیگر قطعاتی که با آن در تماس است آسیب وارد کند و باعث خوردگی آنها شود.
شرکت‌های تولید کننده معمولا کپسول نگهدارنده مبردها را با رنگ‌هایی متفاوت و جداگانه برای هر مبرد رنگ‌آمیزی می‌کنند. این موضوع از مخلوط کردن اشتباه مبردها جلوگیری می‌کند. هرچند این رنگ بندی به طور معمول رعایت می‌شود، اما ممکن است برخی از شرکت‌ها از این رنگ آمیزی تبعیت نکنند. بنابراین بهتر است که همیشه پیش از استفاده از کپسول مبرد، برچسب روی کپسول خوانده شود. تصویر زیر رنگ بندی کپسول انواع مختلف گاز مبرد را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است مبردهای بازیابی شده نیز در کپسول‌هایی خاکستری که انتهای آن به رنگ زرد است نگهداری می‌شوند.
در جدول زیر مبردهای رایج و کاربردهای آنها به نمایش گذاشته شده است.
[table “3” not found /]
