نکات مهم انتخاب مبرد در سیکل تبرید

در این مطلب می‌خوانید:

مقدمه

در سیستم‌های تبرید تراکمی، انتخاب صحیح مبرد نقش بسیار مهمی در بازدهی، ایمنی، ظرفیت سرمایشی و عمر تجهیزات دارد. فشار کاری، گرمای نهان تبخیر، دمای بحرانی و سازگاری با روغن کمپرسور از جمله پارامترهای کلیدی در طراحی و انتخاب مبرد هستند. در این مقاله به بررسی مفاهیم مهم مرتبط با مبردها و تأثیر آن‌ها بر اجزای سیکل تبرید می‌پردازیم.
 

فشار مبرد نسبت به فشار اتمسفر

در یک سیکل تبرید تراکمی، فشار مبرد باید بیشتر از فشار اتمسفر باشد. زیرا اگر فشار مکش سیستم کمتر از فشار اتمسفر شود:

• احتمال ورود هوا به داخل سیستم وجود دارد.
• رطوبت وارد مدار شده و باعث تشکیل اسید می‌شود.
• خوردگی، یخ‌زدگی در شیر انبساط و آسیب به کمپرسور رخ می‌دهد.

به همین دلیل طراحی سیستم معمولاً به گونه‌ای انجام می‌شود که حتی در فشار مکش، مقدار فشار در محدوده مثبت (Positive Pressure)  باقی بماند.
 

پارامترهای فنی مهم در انتخاب مبرد

انتخاب مبرد تنها بر اساس دمای کاری انجام نمی‌شود، بلکه مجموعه‌ای از عوامل باید بررسی شود:
الف) دمای بحرانی و فشار بحرانی
دمای بحرانی دمایی است که بالاتر از آن، مبرد دیگر نمی‌تواند به مایع تبدیل شود، حتی اگر فشار افزایش یابد. مبردی با دمای بحرانی بالا عملکرد بهتری در مناطق گرم دارد زیرا:

• فشار کندانسور کنترل‌پذیرتر می‌شود
• راندمان سیستم افزایش می‌یابد

 
ب) نقطه جوش
نقطه جوش پایین باعث می‌شود مبرد در دماهای پایین‌تر تبخیر شود و برای کاربردهای برودتی مناسب باشد.
 
ج) سازگاری با کمپرسور و روغن
مبرد باید:

• با نوع روغن کمپرسور (مانند POE یا  Mineral) سازگار باشد
• باعث تخریب آب‌بندها و قطعات نشود
• برگشت روغن مناسبی در سیستم داشته باشد

عدم سازگاری باعث خرابی سریع کمپرسور خواهد شد.
 

تأثیر گرمای نهان تبخیر بر ظرفیت کمپرسور

گرمای نهان تبخیر نشان می‌دهد هر کیلوگرم مبرد هنگام تبخیر چه مقدار انرژی جذب می‌کند. اگر مبردی با گرمای نهان تبخیر بالا انتخاب شود:

• برای تولید ظرفیت سرمایشی مشخص، جرم کمتری از مبرد نیاز است
• در نتیجه دبی جرمی کاهش می‌یابد
• کمپرسور با ظرفیت کوچکتری می‌تواند همان سرمایش را تولید کند

بنابراین برای استفاده از کمپرسور با ظرفیت کمتر، باید مبردی با گرمای نهان تبخیر بالا انتخاب شود.
 

ویژگی‌های مبرد ایده‌آل

یک مبرد ایده‌آل باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
الف) ضریب انتقال حرارت بالا که باعث:

• افزایش راندمان اواپراتور و کندانسور
• کاهش سطح مورد نیاز مبدل حرارتی

می­شود.
ب) دمای بحرانی بالا که باعث:

• عملکرد بهتر در دماهای محیط بالا
• کاهش فشار کاری کندانسور

می­شود.
و همچنین باید:

• غیرسمی
• غیرقابل اشتعال (یا ایمن)
• سازگار با محیط زیست (ODP  صفر و GWP )پایین
• و دارای پایداری شیمیایی بالا

باشد.
 

انتخاب مبرد و ظرفیت جابجایی کمپرسور

در دو سیستم با ظرفیت تبرید برابر، نوع مبرد بر اندازه کمپرسور تأثیر مستقیم دارد. به عنوان مثال، مبرد R410A  دارای:

• چگالی بخار بالاتر
• فشار کاری بالاتر
• ظرفیت حجمی بیشتر

است. در نتیجه برای تولید ظرفیت سرمایشی یکسان، کمپرسور با جابجایی (Displacement) کمتر می‌تواند استفاده شود.
به همین دلیل سیستم‌های جدید تهویه مطبوع بیشتر از R410A استفاده می‌کنند.
 

انتخاب شیر انبساط برای مبردهای مشابه

برخی مبردها دارای خواص ترمودینامیکی بسیار نزدیک به هم هستند. برای مثال:

• R404A
• R507

این دو مبرد فشار کاری نزدیک، ظرفیت سرمایشی مشابه و منحنی اشباع تقریباً یکسان دارند. بنابراین می‌توان در بسیاری از کاربردها از شیر انبساط یکسان برای هر دو استفاده کرد.
 

بررسی شاخص‌های زیست‌محیطی مبردها: GWP و ODP

در دهه‌های اخیر، صنعت تبرید و تهویه مطبوع علاوه بر راندمان و عملکرد، با چالش‌های زیست‌محیطی جدی مواجه شده است. استفاده گسترده از برخی مبردها در گذشته باعث تخریب لایه اوزون و افزایش گرمایش جهانی شد. به همین دلیل، دو شاخص مهم برای ارزیابی اثرات زیست‌محیطی مبردها تعریف شد:

• ODP (Ozone Depletion Potential) ؛ پتانسیل تخریب لایه اوزون
• GWP (Global Warming Potential) ؛ پتانسیل گرمایش جهانی

 
ODP (Ozone Depletion Potential)؛ پتانسیل تخریب لایه اوزون

تعریف ODP

ODP   نشان می‌دهد یک ماده چه میزان توانایی در تخریب لایه اوزون نسبت به یک ماده مرجع دارد. ماده مرجع برای مقایسه، مبرد R11  در نظر گرفته شده و مقدار ODP آن برابر 1 تعریف شده است. اگر مبردی:

• ODP = 1  داشته باشد → به اندازه R11 مخرب است
• ODP = 0.5  داشته باشد → نصف R11 مخرب است
• ODP = 0  داشته باشد → هیچ اثر تخریبی مستقیم بر اوزون ندارد

 
نکته: مبردهایی که در ساختار شیمیایی خود کلر (Cl) دارن ؛ مانند CFC و HCFC، در استراتوسفر تجزیه شده و اتم‌های کلر آزاد می‌کنند. این اتم‌های کلر باعث شکستن مولکول‌های اوزون (O₃) می‌شوند.
نمونه‌هایی از مبردهای دارای ODP:

• R12  با ODP بالا
• R22  با ODP متوسط

 
پروتکل مونترال
در سال 1987، توافق جهانی به نام Montreal Protocol  امضا شد که هدف آن حذف تدریجی مواد مخرب لایه اوزون بود.
نتیجه ی آن به این صورت بود:

• حذف کامل CFC ها
• حذف تدریجی HCFC ها
• حرکت به سمت مبردهای با ODP صفر

 
GWP (Global Warming Potential) ؛ پتانسیل گرمایش جهانی

تعریف GWP

GWP  نشان می‌دهد یک گاز در بازه زمانی مشخص (معمولاً 100 سال) چه میزان گرمایش در جو زمین ایجاد می‌کند نسبت به دی‌اکسیدکربن.
مبنای مقایسه:

• CO₂ دارای GWP = 1 است.

اگر مبردی GWP = 2000 داشته باشد، یعنی:
در مدت 100 سال، 2000 برابر CO₂ باعث گرمایش زمین می‌شود.
 
دلیل اهمیت  GWP
گازهای گلخانه‌ای باعث به دام افتادن انرژی گرمایی در جو زمین می‌شوند. برخی مبردهای جدید که ODP صفر دارند، همچنان GWP  بسیار بالایی دارند و به گرمایش جهانی کمک می‌کنند.
 
مثال‌هایی از GWP مبردها

• R134a GWP ≈ 1430 : 
•  : R410A  GWP ≈ 2088
•  : R404A  GWP ≈ 3922
• GWP = 1 : CO₂ 

 

مبردهای نسل جدید

برای کاهش اثرات زیست‌محیطی، نسل جدید مبردها توسعه یافتند:
الف) HFC
ODP = 0
اما برخی دارای GWP بالا هستند (مثل R410A)
 
الف) HFO
دارای GWP بسیار پایین
مانند: R1234yf   با GWP کمتر از 1
 
ج) مبردهای طبیعی

• CO₂ (R744)
• آمونیاک (R717)
• پروپان (R290)

ویژگی مشترک همه آنها به این صورت است:

• ODP = 0
• GWP  بسیار پایین

اما ممکن است چالش‌هایی مثل فشار بالا یا اشتعال‌پذیری داشته باشند.
 

تأثیر این شاخص‌ها بر انتخاب مبرد

امروزه انتخاب مبرد فقط بر اساس ظرفیت سرمایشی نیست، بلکه باید:

• ODP  صفر باشد
• GWP  تا حد ممکن پایین باشد
• با مقررات بین‌المللی سازگار باشد
• ایمنی کافی داشته باشد

بسیاری از کشورها در حال ممنوع کردن مبردهای با GWP بالا هستند.