همه چیز درباره گاز R410

تاریخچه

گاز R410 نوعی مبرد است که به طور گسترده در سیستم های تهویه مطبوع و تبرید استفاده می شود. این مبرد ترکیبی از دو مبرد هیدروفلوئوروکربن (HFC) به نام‌های دی فلورومتان (R32) و پنتا فلوئورواتان (R125) با فرمول شیمیایی CH2F2/CF3CHF2 است. مبردی غیر سمی، غیر قابل اشتعال و با پتانسیل تخریب لایه ازن (ODP) صفر است. R410a به دلیل راندمان بالا، خواص انتقال حرارت خوب و محدوده عملیاتی وسیع شناخته شده است و یک جایگزین محبوب برای مبردهای قدیمی مانند R22 شده که به دلیل اثرات مضر آن بر محیط زیست در حال حذف شدن است. در این مقاله، جنبه‌های مختلف مبرد R410a از جمله خواص، کاربردها، مزایا و معایب آن را مورد بحث قرار خواهیم داد.

مبرد R410a در اواسط دهه 1990 به عنوان جایگزینی برای R22، یک مبرد هیدروکلرو فلوئوروکربن (HCFC) که به طور گسترده در سیستم های تهویه مطبوع و تبرید استفاده می شد، توسعه یافت. پروتکل مونترال، یک توافقنامه بین المللی که در سال 1987 امضا شد، خواستار حذف تدریجی مواد تخریب کننده لایه ازن از جمله HCFC ها به دلیل اثرات مضر آنها بر لایه ازن شد. این توافقنامه منجر به جستجو برای مبردهای جایگزینی شد که اثرات زیست محیطی کمتری داشته و از نظر انرژی کارآمدتر باشند.

R410a ترکیبی از دو مبرد هیدروفلوئوروکربن (HFC) R32 و R125 با ترکیب وزنی 50% R32 و 50% R125 است. R32 دارای GWP 675 و نقطه جوش کمتر از R22 است، در حالی که R125 دارای 2800 GWP و نقطه جوش بالاتر است. ترکیب این دو مبرد در R410a منجر به مبرد با GWP نسبتا پایین 2088 می شود که بسیار کمتر از R22 GWP  است.

گاز R410 اولین بار در سال 1996 در ژاپن معرفی شد و به دلیل بهره وری انرژی و اثرات زیست محیطی کم به سرعت در سایر کشورها محبوبیت یافت. این مبرد توسط سازندگان عمده تهویه مطبوع و تبرید مانند کریر، تران و میتسوبیشی پذیرفته شد و اکنون به طور گسترده در سیستم‌های تهویه مطبوع و تجهیزات تبرید مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می‌شود.

در ایالات متحده، استفاده از R410a توسط مقررات فدرال از سال 2010 اجباری شده است، که مستلزم حذف تدریجی R22 و استفاده از مبردهای جایگزین با GWP کمتر است. بسیاری از کشورهای دیگر نیز مقررات یا دستورالعمل هایی را اتخاذ کرده اند که استفاده از مبردهای با GWP بالا را محدود یا ممنوع می کند، که به افزایش محبوبیت R410a و سایر مبردهای با GWP پایین کمک کرده است.

به طور کلی، توسعه و پذیرش مبرد R410a نشان دهنده گامی مهم به جلو در تلاش برای کاهش اثرات زیست محیطی سیستم های تهویه مطبوع و تبرید و در عین حال بهبود بهره وری انرژی و عملکرد آنها است.

ویژگی‌های فیزیکی گاز R410:

R410a یک مبرد بی رنگ، بی بو و غیر سمی است که از خانواده مبردهای هیدروفلوئوروکربن (HFC) است. فرمول شیمیایی آن CH2F2/CF3CH2F است، به این معنی که از دو اتم هیدروژن، یک اتم کربن و سه اتم فلوئور تشکیل شده است. R410a دارای نقطه جوش 51.5- درجه سانتی گراد (60.7- درجه فارنهایت) در فشار اتمسفر و دمای بحرانی 72.5 درجه سانتی گراد (162.5 درجه فارنهایت) است. فشار بخار آن در 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت) تقریباً 1.9 مگاپاسکال (275 psi) است. R410a دارای ظرفیت گرمایی ویژه 1.89 kJ/kg.K در 25 درجه سانتی گراد (77 درجه فارنهایت) و چگالی 1.155 گرم بر سانتی متر مکعب در 25 درجه سانتی گراد (77 درجه فارنهایت) و فشار اتمسفر است. رسانایی حرارتی آن تقریباً 0.07 W/m.K در 25 درجه سانتیگراد (77 درجه فارنهایت) است که از برخی مبردهای دیگر مانند R134a و R404a کمتر است. این ویژگی‌ها R410a را به مبرد مناسبی برای طیف وسیعی از کاربردهای تهویه مطبوع و تبرید تبدیل می‌کند، به‌ویژه برای کاربردهای با دمای بالا که مبردهای دیگری مانند R22 ممکن است به اندازه کافی مؤثر نباشند. با این حال، توجه به این نکته مهم است که R410a دارای پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) نسبتاً بالایی در مقایسه با برخی مبردهای دیگر است که منجر به افزایش قوانین نظارتی در سال های اخیر شده است.

ویژگی‌های ترمودینامیکی:

R410a دارای خواص ترمودینامیکی مطلوبی است که آن را به گزینه ای محبوب برای تهویه مطبوع و کاربردهای تبرید تبدیل می کند. خواص ترمودینامیکی آن با آنتالپی، آنتروپی و ضریب عملکرد (COP) مشخص می شود. آنتالپی که با نماد H نشان داده می شود، اندازه گیری مقدار گرمای کل یک ماده است. R410a دارای آنتالپی نسبتاً بالایی است، به این معنی که می تواند مقدار قابل توجهی گرما را قبل از رسیدن به نقطه جوش جذب کند. این خاصیت آن را به یک مبرد موثر برای سیستم های تهویه مطبوع و تبرید تبدیل می کند. آنتروپی که با نماد S نشان داده می شود، اندازه گیری درجه بی نظمی یا تصادفی بودن یک سیستم است. R410a دارای آنتروپی نسبتاً کم است، به این معنی که در دماهای پایین بسیار منظم و ساختار یافته است. این خاصیت آن را به مبرد خوبی برای کاربردهای با دمای پایین مانند سیستم های تبرید تبدیل می کند. COP یا ضریب عملکرد، معیاری برای سنجش کارایی یک سیستم تبرید یا تهویه مطبوع است. به عنوان نسبت مقدار گرمای حذف شده توسط سیستم به مقدار کار مورد نیاز برای حذف آن گرما تعریف می شود. R410a دارای COP نسبتاً بالایی است، به این معنی که می تواند خنک کننده یا تبرید کارآمد را با انرژی کمتری در مقایسه با سایر مبردها ارائه دهد.

مزایای R410a:

1. راندمان انرژی: در مقایسه با R22 که قبل از حذف تدریجی آن استفاده می شد، R410a ظرفیت خنک کنندگی و بازده انرژی بالاتری دارد که منجر به کاهش مصرف برق و هزینه های عملیاتی می شود. به عنوان مثال، طبق مطالعه‌ای که توسط موسسه تهویه مطبوع، گرمایش و تبرید (AHRI) انجام شده است، سیستم‌های R410a می‌توانند تا 50 درصد بالاتر از سیستم‌های R22 به راندمان انرژی دست یابند.
   1.  سمیت کم: در حالی که R410a کاملاً غیرسمی نیست، به عنوان گزینه ایمن تر از برخی از جایگزین های آن مانند آمونیاک یا هیدروکربن ها در نظر گرفته می شود که می تواند در صورت نشت یا قرار گرفتن در معرض خطرات بیشتری برای سلامتی ایجاد کند.
   1. سازگاری با سیستم‌های موجود: R410a می‌تواند به‌عنوان مبرد جایگزین در بسیاری از سیستم‌های تهویه مطبوع و پمپ حرارتی موجود که در ابتدا برای R22 طراحی شده بودند، بدون نیاز به تغییرات گسترده یا تعویض تجهیزات استفاده شود. این امر می تواند راهی مقرون به صرفه برای ارتقای سیستم های قدیمی به مبرد کارآمدتر و سازگار با محیط زیست ارائه دهد.

معایب R410a:

R410a فشار کاری بالایی دارد که می تواند در برخی از کاربردها محدودیت ایجاد کند. فشار بالا می تواند باعث ایجاد فشار بر اجزای سیستم شده و نیاز به استفاده از مواد تخصصی داشته باشد که بتواند فشارهای بالاتر را تحمل کند. علاوه بر این، R410a دارای پتانسیل نشت است که می تواند خطرات ایمنی و زیست محیطی ایجاد کند. استفاده از مواد سازگار و تکنیک های نصب مناسب می تواند به کاهش این خطر کمک کند.

از نظر سازگاری با مواد، R410a می تواند باعث تخریب و آسیب به برخی از انواع الاستومرها، پلاستیک ها و روان کننده ها شود که می تواند استفاده از آن را در کاربردهای خاص محدود کند. استفاده از مواد سازگار با R410a برای اطمینان از عملکرد مناسب و طول عمر سیستم بسیار مهم است.

جایگزین‌های گاز R410:

چند نمونه از جایگزین های R410a به همراه اطلاعاتی در مورد ویژگی های آنها و اصلاحات لازم در سیستم در جدول زیر آمده است. توجه به این نکته ضروری است که تغییرات لازم در سیستم ممکن است بسته به سیستم و برنامه خاص متفاوت باشد. مشاوره با تکنسین یا مهندس تبرید واجد شرایط قبل از تغییر به مبرد جایگزین توصیه می شود.

علاوه بر این، در اینجا چند نمونه از اصلاحات ضروری سیستم وجود دارد که ممکن است هنگام تغییر به مبرد جایگزین انجام شود:

     – تنظیم شیرهای انبساط: مبردهای مختلف ممکن است به شیرهای انبساط متفاوتی برای حفظ عملکرد خنک کننده نیاز داشته باشند. تغییر به مبرد جدید ممکن است نیاز به تنظیم دریچه انبساط یا سایر وسایل داشته باشد.

     – تعویض روان کننده کمپرسور: برخی از مبردها ممکن است به روان کننده های کمپرسور متفاوتی نسبت به بقیه نیاز داشته باشند. هنگام تغییر به مبرد جدید، ممکن است لازم باشد روغن کمپرسور را تغییر دهید تا از عملکرد بهینه اطمینان حاصل شود و از آسیب به کمپرسور جلوگیری شود.

     – تعویض هوابند: مبردهای مختلف ممکن است خواص شیمیایی متفاوتی داشته باشند که می تواند باعث تخریب یا آسیب به هوابند سیستم شود. هنگام جابجایی به مبرد جدید، ممکن است برای جلوگیری از نشتی و اطمینان از عملکرد صحیح سیستم، نیاز به تعویض برخی از هوابندها باشد.

     – تنظیم سطوح شارژ: مبردهای مختلف ممکن است برای دستیابی به عملکرد خنک کنندگی مطلوب به سطوح شارژ متفاوت نیاز داشته باشند. هنگام تغییر به مبرد جدید، ممکن است لازم باشد سطح شارژ را تنظیم کنید تا از خنک شدن مناسب اطمینان حاصل شود و از مسائلی مانند آسیب کمپرسور یا کاهش راندمان جلوگیری شود.

تولیدکنندگان و میزان تولید:

تولید و توزیع R410a تحت سلطه چندین تولید کننده بزرگ از جمله Honeywell، Chemours، Arkema و Mexichem است. طبق گزارش تحقیقات بازار شفافیت، ارزش بازار جهانی R410a در سال 2020 تقریباً 4.6 میلیارد دلار بود و انتظار می‌رود تا سال 2030 به 6.8 میلیارد دلار برسد که در نرخ رشد سالانه مرکب  4.3(CAGR) درصد پیش‌بینی رشد شده است. Honeywell یکی از تولید کنندگان پیشرو R410a است و تخمین زده می شود که این شرکت سهم قابل توجهی از بازار را در اختیار داشته باشد. Chemours، که در سال 2015 از DuPont جدا شد، یک بازیگر اصلی دیگر در بازار R410a است و با طیف وسیعی از پیشنهادات، از جمله مارک تجاری R410a به نام Opteonدر این زمینه فعالیت دارد. Arkema یکی دیگر از تولیدکنندگان R410a است و این شرکت بر توسعه و ترویج جایگزین های R410a خود تمرکز کرده است، مانند مبرد R-32 کم GWP خود به نام Forane 427A، که به عنوان جایگزینی برای R410a به بازار عرضه می شود. آینده و چشم انداز بازار R410a احتمالاً تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله مقررات با هدف کاهش انتشار گازهای گلخانه ای، پیشرفت در فناوری مبرد و تغییر در ترجیحات مصرف کننده خواهد بود. پیش بینی می شود که بازار به رشد خود ادامه دهد، به ویژه در کشورهای در حال توسعه که تقاضا برای تهویه مطبوع و تبرید به سرعت در حال افزایش است. با این حال، نگرانی های فزاینده در مورد اثرات زیست محیطی مبردها ممکن است منجر به تغییر به سمت جایگزین های پایدارتر، مانند مبردهای طبیعی یا مبردهای مصنوعی با GWP پایین شود. این موضوع به طور بالقوه می تواند منجر به کاهش سهم بازار R410a و افزایش استفاده از مبردهای جایگزین شود.

بخشی از کمپرسورها و روغن‌هایی که برای گاز R410a و جایگزین‌های آن مناسب هستند:

POE مخفف روغن پلی استر است که یک روغن مصنوعی است که معمولا در سیستم های تبرید استفاده می شود. روغن POE با بسیاری از انواع مبردها از جمله R404a سازگار است و به دلیل حلالیت خوب، روان کنندگی و پایداری در دماهای بالا شناخته شده است. روغن POE اغلب در سیستم های تبرید با مبرد HFC استفاده می شود.

روغن معدنی یا آلکیل بنزن (AB) نوعی روان کننده است که در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شود. این یک هیدروکربن مصنوعی است که با اکثر مبردها از جمله R407C سازگار است. روغن معدنی خواص روان کنندگی خوبی دارد و می تواند به محافظت از کمپرسور در برابر سایش کمک کند. همچنین در مقایسه با سایر روان کننده ها نسبتاً ارزان است که می تواند آن را به انتخابی محبوب برای برخی کاربردها تبدیل کند. با این حال، با برخی از مبردهای جدیدتر، مانند HFCs و HFOs که به انواع مختلفی از روان کننده ها نیاز دارند، سازگار نیست.

روغن های PVE روغن های پلی وینیل اتر هستند که روان کننده های مصنوعی بوده و در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع استفاده می شوند. آنها پایداری حرارتی و شیمیایی خوبی دارند و با طیف وسیعی از مبردها سازگار هستند.

 EEVمخفف Electronic Expansion Valve نوعی شیر است که در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع برای تنظیم جریان مبرد استفاده می شود و به صورت الکترونیکی کنترل شده و امکان کنترل دقیق جریان مبرد را فراهم می کند. در نتیجه راندمان و عملکرد سیستم را بهبود می بخشد.

شیرهای انبساط مویرگی (Capiilary) نوع دیگری از شیرهای مورد استفاده در سیستم های تبرید و تهویه مطبوع هستند که با استفاده از یک لوله مویین با قطر کوچک برای محدود کردن جریان مبرد کار می کنند و باعث ایجاد افت فشار در سراسر شیر می شوند. این افت فشار باعث انبساط و خنک شدن مبرد در هنگام ورود به اواپراتور شده و امکان خنک سازی یا انجماد موثر را فراهم می کند.

 TXVمخفف Thermostatic Expansion Valve نوعی شیر انبساط سیستم تبرید است که جریان مبرد را به اواپراتور تنظیم می کند. یک شیر مکانیکی که در پاسخ به تغییرات دما و فشار درون سیستم باز و بسته می شود. شیر انبساط ترموستاتیک با کنترل میزان مبرد وارد شده به اواپراتور بر اساس دما و فشار در سیستم کار می کند. هنگامی که دما و فشار در اواپراتور خیلی کم است، دریچه بازتر می شود تا مبرد بیشتری از آن عبور کند. هنگامی که دما و فشار در اواپراتور خیلی زیاد است، شیر کمی بسته می شود تا جریان مبرد کاهش یابد. شیرهای TXV معمولا در سیستم های تهویه مطبوع و تبرید برای کنترل دقیق جریان مبرد استفاده می شوند. آنها چندین مزیت را نسبت به سایر انواع شیرهای انبساط ارائه می دهند، از جمله راندمان بهبود یافته، افزایش قابلیت اطمینان و عملکرد بهتر سیستم در طیف وسیعی از شرایط عملیاتی.

انتخاب مبرد ممکن است بر طراحی و انتخاب سایر اجزای سیستم تبرید از جمله کندانسور تأثیر بگذارد. کندانسور جزء مهمی از سیستم تبرید است زیرا وظیفه انتقال گرما از مبرد به محیط را بر عهده دارد. هنگام انتخاب کندانسور باید عواملی مانند نوع مبرد مورد استفاده، ظرفیت خنک کننده مورد نظر و شرایط محیطی محیط کار در نظر گرفته شود. اگر مبرد عوض شود، ممکن است خواص ترمودینامیکی متفاوتی داشته باشد که بر عملکرد کندانسور تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، برخی از مبردها ممکن است به سطح بزرگتر یا ضرایب انتقال حرارت متفاوت نسبت به سایرین نیاز داشته باشند تا به اثر خنک کنندگی مطلوب دست یابند. این بدان معناست که کندانسور اصلی ممکن است نیاز به اصلاح یا تعویض داشته باشد تا از عملکرد بهینه سیستم با مبرد جدید اطمینان حاصل شود. بنابراین، برای مهندسان و تکنسین ها مهم است که تأثیر انتخاب مبرد را بر سایر اجزای سیستم تبرید از جمله کندانسور به دقت در نظر بگیرند و اصلاحات لازم را برای اطمینان از عملکرد و کارایی بهینه انجام دهند.

تغییر گاز مبرد ممکن است نیاز به تغییر در سایر اجزای سیستم تبرید مانند اواپراتور، کمپرسور، شیر انبساط و لوله کشی داشته باشد. زیرا مبردهای مختلف دارای خواص ترمودینامیکی متفاوتی مانند نقطه جوش و فشار هستند که می تواند بر عملکرد و کارایی سیستم تأثیر بگذارد. به عنوان مثال، برخی از مبردها ممکن است به یک اواپراتور یا کمپرسور بزرگتر برای دستیابی به ظرفیت خنک کنندگی مشابه سایر مبردها نیاز داشته باشند، در حالی که برخی دیگر ممکن است به نوع دیگری از شیر انبساط یا لوله برای تطبیق با خواص خاص خود نیاز داشته باشند. بنابراین، مشورت با یک مهندس یا تکنسین تبرید واجد شرایط برای تعیین تغییرات لازم در سیستم هنگام تعویض مبرد ضروری است.

فرمول شیمیایی و ویژگی‌های حرارتی R410a:

مشخصات شیمیایی گاز R410:

 R410a ترکیبی از دو هیدروفلوئورو کربن (HFCs) است: دی فلورومتان (R32) و پنتا فلوئورواتان (R125). فرمول شیمیایی آن CH2F2/CF3CHF2  بوده و از ترکیب وزنی 50-50 برای هر دو هیدروفلوئورو کربن ساخته شده است. پتانسیل تخریب لایه ازن (ODP) ندارد و پتانسیل گرمایش جهانی 2088(GWP) دارد که به طور قابل توجهی کمتر از سایر مبردها مانند R22 و R134a است.

مشخصات ترمودینامیکیR410a:

R410a دارای نقطه جوش 51.6- درجه سانتی گراد (60.9- درجه فارنهایت) در فشار اتمسفر و دمای بحرانی 72.5 درجه سانتی گراد (162.5 درجه فارنهایت) است. فشار بخار آن در 25 درجه سانتی گراد (77 درجه فارنهایت) 2.78 مگاپاسکال (403 psi) بوده که به طور قابل توجهی بالاتر از سایر مبردها است. R410a ظرفیت گرمایی ویژه بالایی دارد، به این معنی که می تواند گرمای زیادی را بدون افزایش قابل توجه دما جذب کند. آنتالپی تبخیر آن در نقطه جوش 275 کیلوژول بر کیلوگرم است، به این معنی که برای تبدیل مبرد مایع به بخار به انرژی زیادی نیاز دارد. R410a دارای ضریب عملکرد (COP) 3.2 است که بالاتر از سایر مبردها مانند R22 و R407C است. این بدان معناست که می تواند به ازای هر واحد انرژی مصرفی خنک کننده بیشتری را فراهم کند. با این حال، دما و فشار تخلیه بالاتری نیز در مقایسه با سایر مبردها دارد که می تواند در کاربردهای خاص یک محدودیت باشد.

کاربردهای R410a:

R410a به طور گسترده در سیستم های تهویه مطبوع، تبرید و پمپ حرارتی استفاده می شود. معمولاً در کاربردهای مسکونی و تجاری از جمله خانه ها، ساختمان های اداری و مراکز خرید کاربرد فراوانی دارد.

• در سیستم های تهویه مطبوع، R410a در هر دو سیستم کانالی و بدون کانال از جمله سیستم های اسپلیت، واحدهای بسته بندی شده و واحدهای پشت بام استفاده می شود. برخی از شرکت های قابل توجهی که واحدهای تهویه مطبوع را با استفاده از R410a تولید می کنند عبارتند از Carrier، Trane، Mitsubishi Electric و LG Electronics.
•  در سیستم‌های تبرید، R410a در کاربردهای مختلفی از جمله خنک‌کننده‌ها و فریزرها، ویترین یخچال‌ها و ماشین‌های فروش استفاده می‌شود. برخی از برندهای معروفی که از R410a در سیستم های تبرید خود استفاده می کنند عبارتند از True Manufacturing، Hussmann و Manitowoc Foodservice.
• در سیستم های پمپ حرارتی، R410a در هر دو کاربردهای مسکونی و تجاری، از جمله سیستم های زمین گرمایی و پمپ های حرارتی هوا به هوا استفاده می شود. برخی از تولیدکنندگانی که پمپ های حرارتی را با استفاده از R410a تولید می کنند عبارتند از Daikin، Rheem و Lennox.

منابع:

1. “A Brief History of Refrigerants” by Neil Mehltretter. Contracting Business. July 14, 2015. Link: https://www.contractingbusiness.com/archive/brief-history-refrigerants
2. “R404A Refrigerant” by Danfoss. Link: https://www.danfoss.com/en/products/refrigeration-and-air-conditioning/refrigerants/r404a-refrigerant/
3. “Refrigerants and their Application” by John Tomczyk. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Link: https://www.ashrae.org/File%20Library/Technical%20Resources/ASHRAE%20Handbook/2016%20ASHRAE%20Handbook-Refrigeration-IP.pdf
4. “Commercial Refrigeration Compressors: Types, Applications and Selection” by Mike Ralston. CompressorWise. Link: https://compressorwise.com/commercial-refrigeration-compressors/
5. “Expansion Valves: Types and Applications” by George Lanthier. Refrigeration School Inc. Link: https://www.refrigerationschool.com/blog/hvacr/expansion-valves-types-and-applications/
6. “Thermo King Refrigeration Units” by Thermo King. Link: https://www.thermoking.com/en/marine/Products/Marine-Solutions/Refrigeration-Units
7. “Refrigeration Condensers: Types, Applications and Selection” by Mike Ralston. CompressorWise. Link: https://compressorwise.com/refrigeration-condensers/