مقدمه:

طبق قوانين اول و دوم ترموديناميک حرارت هميشه از جسم با دماي بالاتر به جسم با دماي پايين­تر انتقال مي­يابد و تنها با صرف کار (انرژي) مي­توان عکس اين فرآيند را اعمال نمود.

همان کاري که توسط يخچال يا پمپ حرارتي انجام مي­گيرد که براساس سيکل گرمايشي بخار – تراکم طراحي و ساخته شده­اند.

در يک سيکل ترموديناميکي به ماده­اي که حرارت توسط آن جابجا مي­شود سيال عامل اطلاق شده و سيال عامل در سيکل سرمايشي بخار - تراکم، مبرد ناميده مي­شود. با توجه به محدوده وسيع استفاده­ از سيستم­هاي سرمايشي و مضراتي که مبردها براي محيط زيست از جمله لايه ازن ايجاد کرده­اند، بحث جايگزيني مبردهاي نوين به جاي مواد مضر، مدتي است که آغاز شده و در اين مقاله به آن پرداخته مي­شود و به دنبال آن تغييرات ايجاد شده روي ساير اجزاي سيستم­هاي سرمايشي مورد بحث قرار خواهند گرفت.

يکي از علل تخريب لايه ازن و افزايش گرماي زمين استفاده­ از ترکيبات هيدروکربورها (HCFC) در مبردهاست که به دنبال کشف اين موضوع تلاش­هاي زيادي براي جايگزيني مبردهايي که در سيستم­هاي برودتي استفاده­ مي­شود، صورت گرفت.

تلاش براي جايگزيني فريون (R-12) در يخچال – فريزرها از سال 1978 پس از پروتکل مونترال شروع شد.

در چهارمين گردهمايي کشورهاي امضاء کننده­ي پروتکل مونترال که سال 1992 در کوپنهاک برگزار گرديد، تصويب شد که استفاده­ از گروه مبرد HCFC که در مولکول­هاي آنها اتم کلر وجود دارد و حتي آنهايي که داراي اتم هيدروژن هستند و تا حدي تأثير کمتري بر لايه ازن دارند بايد ممنوع اعلام شوند.

تعداد زيادي از سيالات عامل تحت عنوان مبرد (که بسيار متنوع­تر از سيکل­هاي قدرت بخار مي­باشند) در سيستم­هاي سرمايشي به کار گرفته مي­شوند. شکل زير به صورت شماتيک نشان دهنده­ي سيکل سرمايشي (بخار تراکم) به همراه دياگرام فشار – آنتالپي است:

 

 

 

 

 

 

 

آشنايي با ساختار و انواع مبردها:

آمونياک و دي اکسيد سولفور در گذشته جزو مهم­ترين مبردها شمرده مي­شدند. اما امروزه مبردهاي اصلي هيدروکربن­هاي هالوژني هستند که تحت تجاري فريون روانه بازار مي­گردند به عنوان مثال دي کلرودي فلورمتان به عنوان فريون 12 شناخته مي­شوند.

هالوژن­ها: عناصر فلور (F) ، کلر (Cl) ، برم (Br) ، يد (I) تحت عنوان هالوژن­ها شناخته مي­شوند.

هيدروکربن­هاي ساده (HC): شامل ترکيب کربن (C) و هيدروژن (H) مي­باشند.

مبردهاي تمام هالوژني: مبردهاي تمام هالوژني آنهايي هستند که هالوژن­ها به جاي هيدروژن ترکيب HC به صورت کامل جايگزين مي­شوند.

گروه CFC: در صورتي که سيال عامل شامل فلور و کلر باشد تحت گروه CFC است.

گروه FC: اگر سيال تنها شامل فلور باشد تحت گروه FC است.

گروه HCFC: شامل سيالاتي است که در هيدروکربن، جايگزيني هيدروژن با هالوژن­ها به صورت کامل نبوده و ماده شامل عناصر کربن، هيدروژن، فلور و کلر است.

گروه HFC: با خروج کلر از ترکيب HCFC گروه جديدي به نام HFC داريم.

جدول زير نشان دهنده­ي طبقه­بندي مبردها از نظر ترکيب مولکولي است.

جدول تقسيم بندي مبردها

 

طبق پروتکل مونترال ابتدا مبردهاي CFC و سپس در اصلاحيه بعدي آن HCFC مردود شناخته شده و جايگزيني آنها در برنامه کار سازمان حفاظت محيط زيست قرار گرفت، دليل عمده اين تصميم مضراتي بود که ترکيبات مذکور براي محيط زيست ايجاد مي­کردند. زيرا مبرد گروه­هاي CFC  و HCFC داراي Cl و F مي­باشند که با توجه به جدول شيميايي و جايگاه آنها در اين جدول نشان مي­دهد که ميل ترکيبي آنها با اکسيژن زياد است از طرفي ما در لايه ازن يک ترکيب معروف (3O₂+2O₃) داريم که باعث مي­شود جلوي انرژي عبوري خورشيد از لايه ازن و جو زمين را بگيرد ولي در صورتي که فلور و کلر در فضا رها شوند با اين ترکيب واکنش شيميايي مي­دهند و باعث مي­شوند که اين ترکيب از بين برود و علاوه براينکه لايه ازن از بين مي­رود باعث مي­شود که مقدار گرماي عبوري از آن نيز زياد شود و در نتيجه دماي کره زمين بالا برود.

گزارش گروه بين­المللي متخصصان در باره تغييرات آب و هوا (IPCC) در دسامبر سال 1995 گوياي اين است که انتظار مي­رود تا پايان قرن 21 دماي زمين تا °C20 تغيير پيدا کند. همين گزارش حاکي است که در بررسي­هاي انجام شده تا سال 1990 پخش گازهاي مختلف به اتمسفر چنين نشان مي­دهد: دي اکسيد کربن (65/80%) ، متان (78/14%) ،­اکسيد ازت (74%) و گازهاي ديگر از قبيل HFC و تتراکلريد کربن و هگزا فلوريد گوگرد (83/0%) است.

پس مي­توان دريافت که اثر مستقيم گازهاي گلخانه­اي در گرم شدن هواي زمين، حتي اگر گازهاي CFC و HCFC را به فهرست آنها اضافه کنيم، آنچنان زياد نخواهد بود بلکه آنچه مهم است اثر برآيند اين گازها است که براساس ضريب عمومي افزايش گرماي هم ارز آنها (TEW1) تعيين مي­شود اين ضريب دو مؤلفه دارد: TWE1=GWP.M+ab   

مؤلفه اول که در آن پتانسيل افزايش گرماي زمين (GWP) در مقدار جرم توزيع گاز (M) است.

مؤلفه دوم حاصل ضرب مقدار انرژي الکتريکي (b) که در تمام مدت عملکرد ماشين مبرد مصرف مي­شود، در ضريب (a) مقدار پخش CO₂ به اتمسفر زمين است.

به هنگام توليد اين مقدار انرژي در ايستگاه­هاي آبي توليد برق، موتورهاي بادي و دستگاه­هاي انرژي هسته­اي که CO₂ در اتمسفر زمين پخش نمي­کنند (0=a) است اما براي توليد يک کيلو وات ساعت انرژي الکتريکي در نيروگاه­هاي حرارتي توليد برق بنا به اطلاعات مرکز پمپ­هاي حرارتي آژانس بين­المللي انرژي در سال 1992، در اروپا به طور متوسط 52/0 کيلوگرم و در آمريکاي شمالي 67/0 کيلوگرم CO₂ به اتمسفر وارد مي­شود.

در جدول زير مبردهايي که براي جايگزيني R22 و R502 پيشنهاد شده است به همراه پتانسيل گرمازايي (GWP) ارائه شده است:

در نهايت نياز به جايگزيني مبردهاي CFC و HCFC اجتناب ناپذير است ولي اين کار با محدوديت­هايي روبرو است و آن اينکه به تکنولوژي امروز ما در ارتباط با اجزاي سيستم و سيال عامل بستگي داشته باشد. که خود متکي بر مبردهاي HFC است.

در گزينش ترکيبات جديد به عنوان سيال عامل تبريد موارد زير حائز اهميت است:

1.از پروتکل مونترال تعبيت کنند.

2.براي سيستم­هايي که انتخاب مي­شوند مناسب باشند.

3.از نظر اقتصادي و تجاري قابل دسترسي و مقرون به صرفه باشند.

4.غير قابل اشتعال و غير سمي باشند.

5.بتوان به عنوان جايگزين در سيستم­هاي فعلي از آنها استفاده­ نمود.

جداي از خواس ترموفيزيکي، مقدار معادل کل اثر گرمايشي (TFW1) ، خيزش دما (TG) مهم­ترين پارامتر در تعيين مبردهاي آينده خواهند بود.

به دليل محدوديت زماني ناشي از قوانين که بواسطه پروتکل و مونترآل وضع شده است. به جاي کشف مواد جديد، بهتر آن است به ترکيباتي بينديشيم که قبلاً توليد شده­اند.

طبق جدول زماني جايگزيني مبردها قرار شد R12 و R502 از چرخ خارج شوند به اين دليل مبردهايي به بازار عرضه گشت که ترکيبات براساس R22 بودند.

تمامي مبردهاي مبتني بر HCFC جهت استفاده­ موقت بوده و بايد مبردهاي جديد از گروه­هاي FC , HC, HFC يا معدني انتخاب مي­شدند.

مبردهاي FC: همچون R218 مواد مصنوعي بي نهايت پايداري هستند که بسيار آهسته در طبيعت تجزيه مي­شوند و اين موضوع محدوديت­هايي را در استفاده­­ از آنها بوجود مي­آورد.

مبردهاي HC: با نقطه جوش پايين، هيدروکربن­هاي ساده­اي همچون R290 , R170 و غيره بوده که در برخي فرآيندهاي سرمايشي در صنايع پتروشيمي، تا سال­ها قابل استفاده­ مي­باشند. بزرگترين نقطه ضعف آنها قابليت اشتعال­شان است.

مبردهاي HFC: نشان مي­دهد که تنها ماده خالصي که مي­تواند جايگزين ماده­اي قديمي گردد R134a بوده که مناسب جايگزيني با R12 است و از نظر خواص ترموديناميکي تقريباً مشابه­اند.

 

براي جايگزيني مبردهاي جديد نياز به طراحي سيستم­هاي جديد يا تغيير در سيستم­ قبلي مي­باشد از جمله تغيير در روانسازها و فيلتر درايرها که در اينجا به شرح مختصر وظايف و تغييرات آنها مي­پردازيم:

روانسازها: اکثر کمپرسورها نياز به روانساز دارند تا از اجزاي متحرک داخل آنها در برابر سايش و خرابي جلوگيري کند. سازندگان کمپرسور معمولاً خودشان نوع روغن و ويسکوزيته قابل قبول در شرايط کارکرد کمپرسور را ارائه مي­کنند.

شرايط روغن پيشنهادي براساس موارد زير است:

1.روانسازي

2.حلاليت روغن / مبرد

3.قابليت اختلاط فيزيکي (نه شيميايي)

4.قابليت انطباق با مواد بکار رفته در سيستم­

5.پايداري حرارتي و تطبيق با ساير روانسازها

قابليت اختلاط فيزيکي به خاصيتي اطلاق مي­شود که دو مايع مثل آب و الکل به خوبي با هم مخلوط شده و يک فاز مايع را تشکيل دهند، بدون اينکه واکنش شيميايي بر هم داشته باشند. بدين ترتيب براي مبردهاي جديد نياز به روانسازهاي جديد احساس مي­شود که در حالت ايده­آل، مبرد و روانساز متناظر آن قابليت اختلاط فيزيکي مؤثر و حلاليت متقابل داشته باشند تا روانساز با مبرد هم جريان شدن و به کمپرسور باز گردد.

در صورتي که قابليت اختلاط دو سيال کم باشد بايد حلاليت متقابل آنها به گونه­اي باشد که ويسکوزيته روانساز را کاهش داده تا بتواند در دماي تبخير از اواپراتور گذشته و به کمپرسور باز گردد. عموماً مبرد R22 با روغن معدني در تمامي دماها تعريف شده است و براي تهويه مطبوع قابل استفاده­ است در صورتي که مبردهايي چون R134a , R404A, R407C با روغن پولي يول استر تجويز مي­شوند.

فيلتر دراير: فيلتر درايرها لوازم ضروري هستند جهت جداسازي ذرات مضر از سيستم­هاي سرمايشي. فيلتر درايرها وسيله راهبردي جهت تداوم و عملکرد مناسب سيستم­ است. ذرات مضر که توسط فيلتر جدا مي­شوند شامل رطوبت، هيدروکربن­هاي با وزن مولکولي بالا، مواد حاصل از تجزيه روغن، مواد غيرقابل حل مانند ذرات فلزي و اکسيد مس مي­باشند.

در سيستم­هاي سرمايشي از مبردهاي HFC استفاده­ مي­کنند، نخستين وظيفه­ي فيلتر دراير جذب رطوبت بلافاصله پس از راه­اندازي است. اگر رطوبت در صافي مولکولي جذب شود خطر تشکيل اسيد و هيدروليز شدن روغن استر و اثرات جانبي آن همچون خوردگي و آسيب به کويل موتور به طرز چشمگيري کاهش مي­يابد.

علاوه بر قدرت جذب اسيد و رطوبت، فيلتر درايرها بايد قابليت­هاي زير را داشته باشند:

1.سرعت واکنش جذب رطوبت بالا

2.قابليت فيلتراسيون مناسب ذرات مضر

3.قابليت تطبيق با مبردهاي HFC و افزودني­هاي روغن و عدم تجزيه يا ترکيب شيميايي با آنها.

بنابر اين در بحث جايگزيني مبردهاي جديد فيلتر درايرها نيز نياز به بازبيني و احتمالاً جايگزيني خواهند داشت.

بررسي و مقايسه اجمالي چند مبرد جديد:

R134: ماده خالصي است که اغلب جايگزين R12 بوده و در صنايع مربوط به خودروسازي تجهيزات کوچک، چيلرهاي صنعتي و تجاري و سوپر مارکت­ها با تبريد در دماي متوسط بکار مي­رود. اين ماده با فرمول شيميايي CHF₂FCF₃ در مجاورت دماي بالا مثلاً هيترهاي برقي تجزيه شده و گاز کشنده­اي چون فلوريد هيدروژن توليد مي­کند و به همين دليل براي مصارف تهويه مطبوع چندان مناسب به نظر نمي­رسد.

R134a: با رنگ آبي روشن داراي 0=ODP (پتانسيل تخريب ازن) و 1300=GWP مي­باشد. نمودار فشار -–دماي آن در قياس با R22 , R12 مطابق شکل زير است.

 

 

 

 

 

R410A: ماده ترکيبي است مشتمل بر 50 درصد HFC125 و 50 درصد HFC32 که جهت فشارها و ظرفيت­هاي بالا (نسبت به R22) مناسب است و در صورت جايگزيني در سيستم­ R22، سيستم­ نيازمند طراحي مجدد است. به دليل کارکرد اين گاز در فشار بالاتر کمپرسوري که براي R22 طراحي مي­شود مناسب کار با R410A در همان شرايط نيست. اين گاز براي کمپرسورهاي سانتريفيوژ، اواپراتور شناور و سيستم­هاي تبريد پمپي مناسب است. هر چند R410A ظرفيتي حدود 50 درصد بالاتر از R22 دارد فشار تقطير آن نيز تقريباً 50 درصد بالاتر است و به همين دليل اجزاي سيکل تبريد بايد براي چنين فشاري طراحي مجدد شوند.

R410A : با رنگ صورتي داراي 0=ODP و GWP=1890 بوده.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R404A: ماده ترکيبي مشتمل بر 44 درصد 125 HFC، 52 درصد HFC143a و 4 درصد HFC134a که جايگزين R22 , R502 در دماهاي پايين و متوسط، يعني دماي تبخير پائين­تر از صفر درجه­ي فارنهايت مي­باشد و در اين محدوده ظرفيت آن از R22 بيشتر است، به همين دليل در صنايع بستني­سازي، غذاي منجمد، حمل و نقل غذا و در موارد صنعتي به کار مي­رود. در دماي تبخير بالاتر از راندمان R404A نسبت به R22 کاهش مي­يابد. به همين دليل بهتر است در اين دامنه جايگزين نشود. اين گاز با رنگ نارنجي داراي 0=ODP و 3750=GWP بوده و نمودار فشار – دماي آن در مقايسه R502 مطابق شکل زير مي­باشد.

 

 

 

 

 

R407C : ماده ترکيبي است مشتمل بر 23 درصد HFC32 ، 25 درصد HFC125 و 52 درصد HFC134a که براي کارکرد در شرايط دماي تبخير بين 20 تا 50 درجه فارنهايت مناسب بوده و در يک سيکل با دماي تقطير، تبخير، فرو سرمايش 18 و فراگرمايش 19 معين، ظرفيت تبريد آن مطابق R22 است. در جايگزيني اين گاز به جاي R22 نياز به طراحي مجدد سيستم­ نبوده و فقط روغن کمپرسور، فيلتر دراير و احتمالاً سايز شير انبساط تغيير مي­کند. اين گاز براي استفاده­ در اواپراتور شناور و کمپرسورهاي سانتريفوژ و براي دماي تبخير بين 20 تا 50 درجه­ فارنهايت توصيه نمي­گردد. رنگ اين گاز قهوه­اي ملايم است.

شرايط: دماي تقطير در اواپراتور °F 45

دماي تقطير در کندانسور °F10

فروسرمايش °F 50

فراگرمايش °F 15

فشار تخليه R407C نسبت به 15PSI , R22 تا 25PSI بيشتر است. ظرفيت سرمايشي آن از 2 درصد کمتر تا 2 درصد بيشتر مي­باشد. دماي تخليه­ي آن 10 تا 15 درجه فارنهايت کمتر بوده و راندمان انرژي آن بستگي به طراحي تجهيزات دارد، ولي بسيار شبيه R22 است. از آنجا که R407C ترکيبي است، در حالت گاز شرايط متغيري داشته و بدين لحاظ پيشنهاد مي­گردد در فاز مايع شارژ گردد. نمودار فشار – دماي آن نسبت به R22 مطابق شکل زير است.

 

 

 

 

 

 

آمونياک: به عنوان جايگزين R22 و R502 از مبردهاي طبيعي (خالص) در درجه اول آمونياک معرفي شده است، توليد آمونياک در دنيا حدود 120 ميليون تن است که فقط حدود 5 درصد آن در صنايع برودتي مورد استفاده­ قرار مي­گيرد، اما آنچه جلب توجه مي­کند قيمت پايين، بازدهي بالاي سيکل و ضريب انتقال حرارتي و دماي بالاي بحراني اين ماده است. ضمن اينکه بي تأثير بودن نسبت به نفوذ آب به سيستم­ و تشخيص سريع محل نشست در سيستم­ و حل نشدن روغن در آمونياک از مزاياي ديگر اين ماده است. به خصوص که اثر مخرب بر ازن ندارد واثر گرمازايي نيز ندارد.

نکات منفي در مورد آمونياک بوي تند، سمي بودن و قابليت اشتعال و انفجار و سبک­تر از هوا بودن است. آمونياک بي ترديد بهترين مبرد در سيستم­هاي تبريد صنعتي با قدرت بيش از 20 کيلووات است.

دي اکسيد کربن: يکي ديگر از مبردهاي طبيعي دي اکسيد کربن است که در اتمسفر و بيوسفر نيز يافت مي­شود. قيمت پائين و سادگي سيستم­ و کارکرد با روغن معدني و بي خطر بودن براي طبيعت از مزاياي اين ماده است. دي اکسيد کربن داراي فشار بحراني بالا و دماي پائين بحراني (°C 31) و دماي نقطه سه گانه نسبتاً بالا (°C56-) است.

ضرورت کشف مبرد به عنوان جانشين R12 زماني به اوج خود رسيد که آمريکا مبرد R134 را  که داراي پتانسيل گرمازايي است به کشورهاي مختلف تحميل کرد.

اين مبرد ضمن گران بودن نياز به روغن گران قيمت و تغييرات در دستگاه­ها و تکنولوژي ساخت کمپرسور دارد که توأم با صرف هزينه زيادي است.

بالاخره با وجود ارائه مبردهاي مختلف متخصصان دانشگاه انرژي مسکو مخلوط CM1 را ارائه کردند.

CM1: اين مبرد از سه ماه R128 , R134 و بوتان نرمال R600 با غلظت­هاي مولي 71/0 و 2/0 و 9/0 تشكيل شده است که به طور کامل تمام خواسته­هاي مبرد ايده­آل را جوابگو است. اين مخلوط نسبت به مخلوط­هاي ارائه شده به وسيله­ي کشورهاي غربي حداقل در موارد زير برتري دارد.

1- CM1 بي تأثير بر لايه ازن (جو) است در حالي که مخلوط­هاي ارائه شده کشورهاي غربي داراي عنصر مخرب ازن هستند.

2- CM2 با روغن معدني کار مي­کند، بنابر اين هيچ گونه تغييري در مواد عايق و آب­بندي و قطعات کمپرسور سيستم­ پديد نمي­آورد، اما ترکيبات ارائه شده قبلي نياز به روغن ترکيبي (پلي­استر، اکليل بنزون) دارند که باعث سختي توليد و گراني مي­شوند. عناصر مختلف CM1 با ديد علمي انتخاب شده­اند به طوري که R134 عنصر بازي براي فشار تبخير و تقطير است و برتري آن نسبت به R134a در پايين بودن فشار است که در سيستم­هاي برودتي کوچک اهميت زيادي دارند.

عنصر دوم (R218) براي تأمين خواص ترموديناميکي و در عين حال مزيت غيرقابل اشتعال و انفجار بودن مخلوط است . عنصر سوم (R600) هيدروکربور براي حلاليت و جريان روغن معدني در سيستم­ سرد کننده انتخاب شده است و درصد آن در مخلوط از شرايط تأمين غيرقابل اشتعال و انفجار بودن در نظر گرفته شده است. تبخير و تقطير مخلوط CM1 مي­تواند در دماي متغير انجام گيرد و اين چنين مبردي مي­تواند باعث کاهش انرژي مصرفي شود.

نتايج مقايسه آزمايش يخچال فريزر با R12 و CM1 نشان داده است که با استفاده­ از CM1 حتي مصرف انرژي روزانه بين 9 تا 10 درصد نسبت به R12 کاهش مي­يابد. مقايسه ترموديناميکي CM1 به عنوان مبرد در يخچال­هاي خانگي در جدول زير ارائه شده است:

 

 

 

 

 

 

 

 

نتيجه­گيري:

با توجه به مسايل پيرامون از بين رفتن لايه ازن و اثرات گلخانه­اي صنايع پتروشيمي و تهويه مطبوع طي سال­هاي اخير تغييرات اساسي يافته و پارامترهاي متعددي تعريف کرده­اند.

منابع:

1.    Kilinin, l. “The method for solving the problem of the non-CFC refrigeration in home refrigerators”, J. of Rogations Industry, No. 1, 199,Moscow.

2.    Melminko, V., “Monteral protocol and green house effect”, J. of Refrigeration's Industry , : No. 5, 1995,Moscow.

3.    Saparnov, V., “Refrigeration's Industry and non-CFC refrigerant” , J. of Refrigeration's Industry, : No. 4,1996,Moscow.

4.    Kalnin, I., “Toward boning refrigerant forMoscow industries, “Astaralhan,Russia.

5.    Motkov, W., “Refrigerate and Environmental protection”, J. of Refrigeration's Industry , Moscow Edition, No. 5  1997.

6.    Toaltenov, V., “Hydro carbons and their place in refrigeration's industry” , J. of Refrigeration's Industry, Moscow Edition, No. 5 , 1994.

7.    Zhelany, V., Economic problem of associated with refrigeration's selection”, Energy Conference, 1996,Moscow.

8.    Novelli,I., CFCs Substitutes, new thetas for ozone layer and global warning” , “The Greenpeace Campaign” CFC, The Day after/proceeding of Meeting of IIR commissioned, B1 , B2 , E1 and E2- Padova, 21-23 Sept., 1994.

9.    “World’s nations gather inGeneva to discuss global warning” , Bull. Intern.Institute ofRefrigeration., s NO. 6/Vol. 76-1996