انواع گاز مبرد و کاربرد هر کدام

یکی از مهم‌ترین مواد مصرفی یک سیستم تهویه مطبوع، مبرد است. گاز مبرد گرما را از یک محیط جذب می‌کند و به محیطی دیگر انتقال می‌دهد. البته که این انتقال گرما به خودی خود رخ نمی‌دهد. با استفاده از تجهیزاتی مانند کمپرسور سرمایشی، اواپراتور و کندانسور صورت می‌گیرد. ماده مبرد در زمان طی کردن یک سیکل به طور مرتب از حالت مایع به گاز تبدیل می‌شود و سپس دوباره با سرد شدن، از گاز به مایع تغییر حالت می‌دهد.

انواع ماده مبرد

در اطراف ما سیستم‌های تبرید بسیار زیادی وجود دارد که در آن‌ها از مواد مختلفی به عنوان ماده مبرد استفاده شده است. هرکدام از این گازهای مبرد مزایا و معایب خود را دارند. یکی از مهم‌ترین معایب یک ماده مبرد، تاثیر مخرب آن بر محیط زیست است. به همین دلیل نیز دانشمندان جهان در پی آن هستند که ماده مبردی را تولید کنند که ضرر کمتری برای محیط زیست داشته باشد.

یکی از ویژگی‌های مهم مبردها، تاثیرگذاری آنها بر محیط زیست است. این ویژگی با دو عدد موسوم به پتانسیل تخریب لایه اوزون (ODP) و پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) توصیف می‌شود.

1. ODP (پتانسیل تخریب لایه اوزون): این عدد به معنای پتانسیل تخریب لایه اوزون است و تاثیر مبرد بر تخریب لایه اوزون را نسبت به گاز R11 بیان می‌کند. به این صورت که عدد ODP برای گاز R11، یک در نظر گرفته می‌شود و ODP برای دیگر مبردها، عددی بین صفر و یک است. یعنی هرچه این عدد بزرگتر باشد، گاز مبرد تاثیر بیشتری بر تخریب لایه اوزون دارد.
2. GWP (پتانسیل گرمایش جهانی): عدد پتانسیل گرمایش جهانی نشانگر آن است که گاز مبرد نسبت به گاز کربن دی اکسید چه مقدار بر جذب حرارت توسط اتمسفر تاثیر می‌گذارد. مقدار GWP گاز کربن دی اکسید یک در نظر گرفته می‌شود و GWP برای دیگر مبردها، عددی بین صفر تا چند هزار است. یعنی هر چه مقدار GWP مبرد بیشتر باشد، تاثیر آن بر گرمایش جهانی بیشتر است.

دسته بندی مواد مبرد

مواد مبرد را براساس ترکیب شیمیایی موجود در آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند. پنج دسته مبردها شامل موارد زیر هستند:

کلرو فلورو کربن ها CFC:

کلرو فلورو کربن ها ترکیبی از عناصر کلر، فلور و کربن هستند. اگر یک گاز مبرد ترکیبی از مبرد CFC و مبرد دیگری باشد، به عنوان مبرد CFC در نظر گرفته می‌شود. در صنعت تبرید، تا سال‌ها فقط از گازهای سمی مانند آمونیاک، متیل کلرید و سولفور دی اکسید به عنوان مبرد استفاده می‌شد. در سال ۱۸۲۸ میلادی، گازهای CFC با هدف دستیابی به گازهای مطمئن‌تر، غیر سمی و غیر قابل اشتعال تولید شدند. اما تحقیقات بعدی بیانگر آن بودند که CFC ها برای محیط زیست مخرب هستند. به این صورت که مولکول‌های CFC بر اثر اشعه فرابنفش خورشید شکسته شده و اتم کلر تولید می‌شود. این اتم‌های کلر با اوزون واکنش داده و باعث تخریب لایه اوزون می‌شوند.

هیدرو کلرو فلورو کربن ها HCFC:

هیدرو کلرو فلورو کربن ها ترکیبی از عناصر هیدروژن، کلر، فلور و کربن هستند. اگر گاز مبردی ترکیبی از گازهای HCFC و HFC باشد، به عنوان مبرد HCFC در نظر گرفته می‌شود. HCFC ها به عنوان جایگزینی برای CFC ها تولید شده‌اند، زیرا عدد ODP کمتری دارند. اما باید توجه داشت که این گازها، پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) بالایی دارند.

هیدرو فلورو کربن ها HFC:

هیدرو فلورو کربن ها از عناصر هیدروژن، فلور و کربن تشکیل می‌شوند. هدف از تولید گازهای HFC، دست یافتن به یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای گازهای CFC و HCFC بوده است. چرا که عنصر کلر در ترکیب این گازها وجود ندارد و در نتیجه عدد ODP برای HFC ها صفر است.

هیدرو فلورو الفین ها HFO:

هیدرو فلورو اُلفین ها از عناصر هیدروژن، فلور و کربن تشکیل شده‌اند. گازهای HFO عدد ODP صفر و عدد GWP پایینی دارند. در نتیجه جایگزین مناسبی برای CFC ها، HCFC ها و HFC ها هستند.

هیدرو کربن ها HC:

هیدروکربن ها، ترکیبات اولیه هیدروژن و کربن هستند که به مقدار زیاد در نفت خام یافت می‌شوند. هیدروکربن‌های غیر سمی به عنوان مبردهای مدرن و جایگزین فلورو کربن ها -که شامل CFC ها، HCFC ها و HFC ها هستند و اثرات تخریبی بر محیط زیست دارند- شناخته می‌شود.

پرکاربردترین گاز‌های مبرد

در ادامه، پرکاربردترین مبردهای گازی با منشا طبیعی و غیر طبیعی معرفی و بررسی می‌شوند.

گاز مبرد R134a

تترا فلورو اتان یا مبرد R134a دارای فرمول شیمیایی CF3CH2F است و به عنوان گاز کولر خودرو شناخته می‌شود. این مبرد از دسته HFC هاست و بنابراین مخرب لایه اوزون نیست اما عدد GWP بالایی دارد. دمای جوش این مبرد ۲۶.۱- درجه سانتی‌گراد است و برای استفاده در مدارهای سرمایشی با بازه دمایی متوسط، چیلرهای سانتریفیوژ و خودرو کاربرد دارد. همچنین گاز R134a به دلیل نوع ترکیب شیمیایی می‌تواند جایگزین مناسبی برای گازهای R12، R500 و R22 باشد. این ماده مبرد، غیر مشتعل و غیرانفجاری است و میزان سمی بودن آن نیز در حد استاندارد است.

گاز مبرد R407C

این ماده مبرد یک جایگزین معمول برای مبرد r22 محسوب می‌شود. گاز r407c مخلوطی از چند هیدرو فلورو کربن 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 را می‌توان در سیکل‌های دما متوسط نیز به‌کار برد.

گاز مبرد R404A

این ماده مبرد نیز یک جایگزین ایمن برای R22 به شمار می‌آید. از مزیت‌‌های مبرد r404 بازه دمایی گسترده آن است؛ این ماده مبرد را می‌توان در سیستم‌هایی که دمایی بین ۴۵- تا ۱۵+ درجه سانتی‌گراد لازم دارند، به‌کار برد.
خواص ترمودینامیکی R404A شباهت زیادی با R22 دارد و حتی در مواردی عملکرد بهتری نسبت به این گاز دارد. همچنین R404A به راحتی با آب و هوا واکنش نشان نمی‌دهد و بی‌رنگ و غیرمشتعل است. البته تماس مستقیم پوست بدن با R404A می‌تواند مضر باشد.

گاز مبرد R410A

این ماده از ترکیب چند هیدرو فلورو کربن تشکیل می‌شود. به دلیل اینکه کلر در ترکیب آن وجود ندارد، آسیبی برای لایه اوزون 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، مبرد r410 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.

گاز مبرد R22

این مبرد در گذشته بسیار پرکاربرد بود اما پس از اینکه مشخص شد استفاده از آن می‌تواند به لایه اوزون صدمه وارد کند، استفاده از آن کاهش پیدا کرد. مبرد آر۲۲ 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 است که پیش از این به آن اشاره کردیم.

مبردهای طبیعی، نسل اول مبردها

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 ۱۵۰ 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 مبردهای طبیعی نباید این ذهنیت را ایجاد کند که دیگر کاربرد ندارند. درواقع در دسترس بودن گازهای طبیعی و اثرات زیست تخریبی اندک آن‌ها سبب شده است که استقبال زیادی از این گازها صورت بگیرد.

آمونیاک

آمونیاک که با نام R717 نیز شناخته می‌شود، یکی از مبردهای قدیمی است. این مبرد 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 آن کم است، توانایی کار کردن در دماهای مختلف را دارد، مشخصات ترمودینامیکی مناسبی دارد، ضریب انتقال حرارت آن بالاست و نشتی‌های آن -با توجه به بوی آن- حتی در تراکم کم قابل تشخیص است.
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 مقداری از آمونیاک 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

کربن دی‌ اکسید در هوای اطراف ما وجود دارد و غیر قابل اشتعال و غیرسمی است. استفاده از کربن دی اکسید قدمتی طولانی دارد و از سال ۱۸۲۶ 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 کربن دی اکسید در حال بازگشت تدریجی 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.

فاکتورهای مهم در انتخاب ماده مبرد

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

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.

پایداری شیمیایی

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.

ایمنی و تاثیر مبرد بر سلامت و محیط زیست

یک مبرد ایده آل باید ODP و GWP پایینی داشته باشد. همچنین سمی نبودن مبرد نیز یک فاکتور مهم محسوب می‌شود.

خواص فیزیکی

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

رنگ کپسول گاز مبرد چه معنایی دارد؟

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، لیبل روی کپسول خوانده شود. تصویر زیر رنگ بندی کپسول انواع مختلف گاز مبرد را نشان می‌دهد. لازم به ذکر است مبردهای بازیابی شده -به هنگام تعمیر چرخه تبرید- نیز در کپسول‌هایی خاکستری که انتهای آن به رنگ زرد است نگهداری می‌شوند.

جدول کاربرد انواع گاز مبرد

جدول زیر مبردهای رایج و کاربردهای آن‌ها را به نمایش می‌گذارد.