مبردها (بخش اول)

۶ ماه قبل ۲۲۷ ۰

مبرد

سیالی که درون سیستم جریان دارد و وظیفه دریافت حرارت از محل و انتقال آن از اواپراتور به کندانسور (به منظور انتقال حرارت به محیط بیرون) را بر عهده دارد و یا بصورت مستقیم (نظیر یخ) برای ایجاد سرما بکار می‌رود، مبرد (Refrigerant) گفته می‌شود.

مبرد، سیال عامل سیکل تراکمی تبخیری بوده و با تبخیر و تقطیر متناوبی که دارد، حرارت را جذب و دفع می‌نماید. باید به این نکته توجه شود که مبردی با شرایط ایده‌آل وجود ندارد و به دلیل نیازها و کاربردهای مختلف، مبردی وجود ندارد که بتواند برای همه کاربردها، مناسب باشد. مواد زیادی این قابلیت را دارند که به عنوان مبرد استفاده شوند اما تعداد کمی از آنها در سیستم‌های رایج به کار می‌روند و باقی آن‌ها با گذشت زمان و ظهور مبرد‌های مناسب‌تر، از رده خارج می‌شوند و برخی نیز در آینده مورد استفاده قرار خواهند گرفت.

خواص ایمنی مبردها

سیالی به عنوان مبرد مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد که در حالت عادی قابل اشتعال، انفجار و سمی نباشد و بطور کلی در صورت نشت احتمالی موجب آلودگی مواد غذایی نشود و آسیبی به انسان نزند. بعلاوه با روغن و مواد دیگری که معمولا در ساختمان تجهیزات تبرید به کار می‌روند و همچنین رطوبت سیستم تبرید نیز واکنش نامطلوبی ندهد.

سمی‌بودن و قابلیت اشتعال مبرد

می‌توان گفت مبردها موادی سمی هستند چرا که برای ادامه حیات و جلوگیری از خفگی در فضای حاوی تمام سیالات، در غلظت‌های بالا، به اکسیژن نیاز است. سمی بودن، یک عبارت نسبی بوده و تنها موقعی مفهوم می‌یابد که میزان غلظت و زمان تماس لازم برای ایجاد اثرات زیان‌بار تامین شده باشد. به هر حال باید توجه داشت که بعضی از مبردها هر چند سمی نیستند ولی در صورت اختلاط با هوا چنانچه در معرض شعله مستقیم یا کویل حرارتی الکتریکی قرار گیرند تجزیه می‌شوند و محصولات به شدت سمی بوجود می‌آورند. همچنین مبرد بایستی در اختلاط با روغن از نظر شیمیایی و فیزیکی پایدار باشد و روغن و مبرد تأثیری بر روی یکدیگر نداشته باشند.

دراستاندارد ANSI مبردها از لحاظ سمی بودن در دو کلاس A و B دسته‌بندی شده‌اند. کلاس A شامل مبردهایی است که درجه سمی بودن آن‌ها پایین است و کلاس B شامل مبردهایی است که درجه سمی بودن آن‌ها بالا است. همچنین مبرد‌ها، به لحاظ قابلیت اشتعال در سه کلاس 1، 2 و 3 قرار داده شده‌اند.

  • مبرد‌های کلاس 1 در فشار اتمسفر (14.7 psi) و دمای 18.3 درجه سانتی‌گراد غیر قابل اشتعال هستند.
  • مبرد‌های کلاس 2 در فشار اتمسفر (14.7 psi) و دمای 21.1 درجه سانتی‌گراد دارای قابلیت اشتعال پایینی هستند.
  • مبرد‌های کلاس 3 در فشار اتمسفر (14.7 psi) و دمای 21.1 درجه سانتی‌گراد قابلیت اشتعال بالایی دارند.

بنابراین مبردها از نظر ایمنی به صورت زیر دسته‌بندی شده‌اند:

  1. A1 درجه سمی پایین و غیر قابل اشتغال
  2. A2 درجه سمی پایین و قابلیت اشتغال کم
  3. A3 درجه سمی پایین و قابلیت اشتغال بالا
  4. B1 درجه سمی بالا و غیر قابل اشتغال
  5. B2 درجه سمی بالا و قابلیت اشتغال کم
  6. B3 درجه سمی بالا و قابلیت اشتغال بالا

اکثر مبردهای مورد استفاده در سیستم‌های تبرید به جز آمونیاک و هیدروکربنهای خالص غیرقابل اشتعال می‌باشند. هنگامی که ‌آمونیاک با نسبت‌های بخصوصی از هوا مخلوط می‌گردد به میزان جزئی قابل اشتعال و انفجار می‌شود ولی با اتخاذ تدابیر ویژه، خطر استفاده از آمونیاک به عنوان مبرد، قابل چشم پوشی خواهد بود. میزان خطرات ناشی از مبردها به عوامل زیر بستگی دارد: مقدار مبرد مورد استفاده با توجه به حجم فضایی که مبرد در آنجا نشت می‌نماید، محتویات فضای اطراف، وجود شعله، بوی مبرد و وجود مکانیزم‌های مخرب.

ملاحظات اقتصادی

یک ماشین تبرید تراکمی زمانی از نظر اقتصادی به صرفه می‌باشد که به ازای اثر تبرید ثابت، کار کمپرسور کاهش یافته و ضریب عملکرد سیستم افزایش یابد. از مهم‌ترین خواص مبرد که می‌تواند موجب بالا رفتن ظرفیت و راندمان شود سیکل گردد، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

  1. حرارت نهان تبخیر
  2. حجم ویژه بخار
  3. نسبت تراکم 
  4. گرمای ویژه مبرد در هر دو حالت مایع و بخار

همیشه به جز در واحد‌های کوچک، مطلوب است که حرارت نهان مبرد زیاد باشد. چرا که افزایش حرارت نهان موجب کاهش دبی جرمی مبرد به ازای واحد ظرفیت تبرید می‌شود. به دلیل حرارت نهان زیاد و حجم مخصوص کم، حجم جابجایی کمپرسور کاهش می‌یابد و باعث کاهش توان مصرفی آن می‌شود. در نتیجه راندمان و ظرفیت کمپرسور شدیدا افزایش می‌یابد. ولی در سیستم‌های خیلی کوچک در صورت زیاد بودن حرارت نهان مبرد، مقدار مبرد جریانی در سیستم، برای کنترل دقیق جریان مایع کافی نخواهد بود.

نشت مبرد

در سیستم‌های تبرید با توجه به نسبت فشار سیستم به محیط، نشتی رخ می‌دهد. اگر فشار اتمسفر از فشار سیستم بیشتر باشد هوا به داخل نفوذ می‌کند ولی مبرد به بیرون نشت نمی‌کند و در صورت بیشتر بودن فشار سیستم، مبرد نشت می‌کند. در هر دو حالت ذکر شده سیستم تبرید پس از مدت کوتاهی از کار خواهد ایستاد. به طور کلی خطر نشت مبرد به خارج، به این علت که محل نشت را می‌توان پیدا کرد کمتر از نشت هوا به داخل است و پس از تعمیرات لازم، می‌توان سیستم را مجددا با مقدار مناسبی مبرد شارژ نمود. ولی چنانچه نشت به داخل باشد، هوا و رطوبت وارد شده به سیستم، موجب افزایش دما و فشار شده و خوردگی تشدید می‌گردد. همچنین وجود رطوبت در سیستم موجب یخ زدگی کنترل کننده ماده مبرد می‌شود.

مبردهای اولیه

آمونیاک و دی‌اکسیدکربن در اوایل کار که تبرید مکانیکی صرفاً‌ به چند کاربرد بزرگ محدود می‌شد، عملاً تنها مبردهای قابل دسترس بودند اما با گذر زمان با بوجود آمدن دستگاه‌های تبرید خانگی و تجاری اتوماتیک، مبردهایی نظیر دی‌اکسید سولفور و کلرید متیل وارد کار شدند و همزمان با پدید آمدن آنها متیلن کلرید برای کمپرسورهای گریز از مرکز مورد استفاده قرار گرفت. متیلن کلرید و دی‌اکسیدکربن به دلیل سمی و قابل اشتعال‌ نبودن در کاربردهای صنعت تهویه مطبوع به کار گرفته شدند.

دسته بندی مبردها، مبرد، Refrigerant

مبردهای کلروفلوئوروکربن (CFC's)

مبردهایR-113، R-114، R-12، R-11 از رایج‌ترین‌های این گروه می‌باشند. تا اواسط دهه هشتاد میلادی استفاده از این مبرد‌ها در سراسر دنیا رایج بود اما به موجب پروتکل مونترال، استفاده و تولید آنها از سال 1995 در کشور‌های توسعه یافته متوقف شده و در کشورهای در حال توسعه نیز طبق برنامه و به تدریج متوقف و جمع‌آوری خواهند شد. استفاده از کلروفلوئوروکربن‌ها با تمام انواع کمپرسورها و در سیکل تراکمی - تبخیری ممکن است. از خواص مثبت آنها می‌توان به راندمان و ایمنی بالا وغیر قابل اشتعال بودن اشاره نمود. متاسفانه این مبردها صدمات جبران‌ناپذیری را به لایه ازون وارد می‌کنند.

هیدروکلروفلوئوروکربنها (HCFC's)

پراستفاده‌ترین مبرد این گروه R-22 می‌باشد. این نوع از مبردها در سیکل‌های تراکمی-تبخیری و با تمامی کمپرسورها قابل استفاده هستند. هرچند مانند مبرد‌های CFC برنامه ممنوعیت استفاده از آنها در تمام کشورها در دست اجرا می‌باشد.

هیدرفلوئوروکربنها (HFC's)

مبرد R-134a از مبردهای جدید این گروه می‌باشد و به عنوان جایگزین برای مبرد‌های مخرب لایه ازون مطرح می‌باشند. از جمله خواص مبرد R-134a راندمان نسبتا بالا و خواصی نظیر غیر قابل اشتعال و غیرسمی بودن را می‌توان نام برد که هر دو از مشخصات اصلی یک مبرد ایده‌آل است.

مبردهای مخلوط

زمانی که دو یا چند مبرد مشخص با نسبت خاصی با هم مخلوط شوند، از ترکیب آنها مبرد جدیدی با خواص مخصوص خود بدست می‌آید؛ به عنوان مثال R-407c از

مخلوط R-134a و R-125 به دست آمده و دارای خواص قابل توجهی می‌باشد. مبردهای مخلوط خود به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند:

  1. آزئوتروپ‌ها: فشار و دمای اشباع هرجزء با فشار و دمای اشباع کل مخلوط یکسان است. به عبارت دیگر، بعضی از مبردهای مخلوط خواصی مانند یک مبرد تک جزئی را دارند؛ مثلا R-134a و R-125 دو جزء R-500 هستند و R-500  مخلوطی از گروه آزئوتروپ‌ها می‌باشد. هر دو جزء در فاز گاز یا مایع با نسبت تقریبا یکسان مخلوط می‌شوند. به عبارت ساده‌تر دو جزء در هنگام تغییر فاز از هم جدا نشده و با هم تغییر فاز می‌دهند، به عبارتی مخلوط دوفازی ایجاد نمی‌شود.
  2. زئوتروپ‌ها: برخلاف گروه آزئوتروپ‌ها این نوع مخلوط‌ها لایه‌های مختلف گاز و مایع را تشکیل می‌دهند و در هنگام تغییرفاز به اجزاء تشکیل دهنده خود تقسیم می‌شوند. از جمله این مخلوط‌ها R-407C و R-410A می‌باشند. در هنگام استفاده از این مبردها باید ملاحظات خاص آنها را در نظر داشت.
دسته بندی مبردها، مبرد، Refrigerant

شکل 2 - انواع مبردها

پدیده خزش دما

استفاده از مبرد‌های زئوتروپیک در اواپراتورهایی که با اغتشاش زیاد کار می‌کنند راحت‌تر بوده و مزایایی نسبت به مبرد‌های خالص دارد. آثار انباشتگی موضعی مبرد و افزایش دما در نزدیکی دیواره مبدل، در اثر اغتشاش بالا در مبرد، کاهش میابد. به دلیل وجود پدیده خزش دما، دمای تبخیر درون اواپراتور در اثر افزایش مقدار بخار درون آن، بالا خواهد رفت. اگر مبدل حرارتی به صورت جریان مخالف طراحی شده باشد، افزایش دمای تبخیر با کاهش دمای سیال ثانویه جبران خواهد شد. به همین سبب اختلاف دمای متوسط در اواپراتور با در نظر گرفتن دمای تبخیر ثابت، برای مبرد‌های زئوتروپیک بالاتر از مبردهای آزئوتروپیک خواهد بود.

به منظور بدست آوردن شار حرارتی بالاتر و جلوگیری از کاهش راندمان، می‌توان از مبرد‌های زئوتروپیک استفاده کرد. به عبارت دیگر با در نظر گرفتن سطح تبادل حرارتی ثابت، به دلیل افزایش فشار تبخیر، نقطه شبنم و نقطه حباب افزایش خواهد یافت و راندمان بالاتری در سیستم شاهد خواهیم بود. پس در طراحی سیستم به منظور اشغال فضای کمتر توسط اواپراتور می‌توان از این مبرد استفاده کرد که به ما امکان استفاده از اواپراتور با ابعاد کوچکتر ولی با همان کارایی را می‌دهد.

مسئله مهمی که حتما باید در نظر داشته باشیم رسیدن مبرد به حالت سوپرهیت است. برای رسیدن به سوپرهیت در سیستم‌هایی که با مبرد زئوتروپیک کار می‌کنند، به دلیل پایین‌تر بودن اختلاف دما در انتهای فرآیند تبخیر، در مبرد‌های زئوتروپیک، نسبت به مبرد‌های آزئوتروپیک، به سطح انتقال حرارت بیشتری، نیاز خواهیم داشت تا مبرد به طور قطعی به صورت گاز، وارد کمپرسور شود.

دسته بندی مبردها، مبرد، Refrigerant

 

* این مطلب ادامه دارد...

لینک های مرتبط

دسته بندی ماشین آلات تراکمی (بخش اول:چیلر تراکمی)

تجهیزات ماشین تراکمی (بخش اول:کپرسور)

 

نگارش : محمد جعفر نیری، پیمان ابراهیمی ناغانی

منبع : بخشی از کتاب روشهای تولید و توزیع برودت در سیستم‌های تهویه مطبوع - مولف : پیمان ابراهیمی ناغانی، سید علیرضا ذوالفقاری، محمد جعفر نیری - انتشارات نوآور


۰ دیدگاه