معرفی انواع ماده مبرد و کاربرد هر کدام

شاید مهم‌ترین عضو یک سیستم تهویه مطبوع انواع مبرد باشد که وظیفه دارد گرما را از یک محیط جذب کرده و به محیطی دیگر منتقل کند. البته که این انتقال گرما به خودی خود رخ نمی‌دهد. با استفاده از تجهیزاتی مانند کمپرسور سرمایشی، اواپراتور و کندانسور که عضو‌های حیاتی یک سیستم تهویه به حساب می‌آیند، این رویه صورت می‌گیرد. ماده مبرد در زمان طی کردن یک سیکل به طور مرتب از حالت مایع به گاز تبدیل می‌شود. آنگاه دوباره با سرد شدن، از گاز به مایع تغییر حالت می‌دهد.

انواع ماده مبرد

در اطراف ما سیستم‌های تبرید بسیار زیادی وجود دارند که در آن‌ها از مواد مبرد استفاده می‌شود. در هرکدام از این سیستم‌ها نیز 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، می‌تواند تاثیر مخربی باشد که می‌تواند بر روی محیط زیست داشته باشد. به همین دلیل نیز دانشمندان جهان در پی این هستند که ماده مبردی که ضرر کمتری برای محیط زیست داشته باشد را تولید و مورد استفاده قرار دهند. در ادامه به معرفی پرکاربردترین مواد مبرد و کارکردهای آن خواهیم پرداخت.

دسته بندی مواد مبرد

مواد مبرد را بر اساس ترکیب شیمیایی موجود در آن‌ها دسته‌بندی می‌کنند. معروف‌ترین آن‌ها شامل خانواده کلروفلوئوروکربن‌ها‌(CFC)، هیدروکلروفلوئوروکربن‌ها‌ (HCFC)، هیدروفلوئوروکربن‌ها‌(HFC) و مبرد‌های طبیعی می‌شود. فرئون‌ها و هالوکربن‌ها نیز به طور مصنوعی به دست می‌آیند. این دسته‌بندی‌‌ها به همراه معروف‌ترین اعضای این دسته‌بندی در زیر آمده است:

1. کلروفلوئوروکربن‌ (CFC): R114، R113، R12، R11 و R115
2. هیدروکلروفلوئوروکربن (HCFC): R22 و R123
3. هیدروفلوئوروکربن (HFC): R134a، R404A، R407C، R410A

تاثیر مواد مبرد بر محیط زیست را نیز با دو عدد موسوم به پتانسیل تخریب لایه ازون (ODP) و پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) توصیف می‌کنند. عدد ODP مقداری در بازه صفر تا یک دارد که هرچه این عدد به یک نزدیک‌تر باشد، نشان‌دهنده آن است که پتانسیل بیش‌تری برای تخریب لایه ازون دارد. عدد ODP مبرد‌های کلروفلوئوروکربن‌ به طور معمول زیاد است؛ چراکه در ترکیب شیمیایی آن‌ها کلر وجود دارد. به دلیل همین موضوع نیز امروزه دیگر از گاز‌های CFC به عنوان ماده مبرد استفاده نمی‌شود.

مقادیر GWP می‌تواند از صفر تا چند هزار تغییر کند. همانند عدد قبلی، هرچه GWP بزرگ‌تر باشد، نشان‌دهنده آن است که تاثیر منفی گاز بر گرمایش جهانی بیش‌تر است. گازهای HCFC نیز با اینکه به نسبت گازهای CFC عدد GWP کمتری دارند، اما همچنان GWP آن‌ها نیز زیاد است. بنابراین امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پرکاربردترین گاز‌های مبرد

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

گاز مبرد R134a

تترافلوئورواتان یا مبرد R134a از دو اتم کربن، دو اتم هیدروژن و چهار اتم فلور تشکیل می‌شود. فرمول شیمیایی این گاز نیز CF3CH2F است. همانطور که پیش از این نیز اشاره کردیم، این مبرد از دسته HFC به حساب می‌آید و بنابراین تاثیری بر روی لایه ازون نمی‌گذارد. این ماده مبرد غیر مشتعل و غیرانفجاری است و میزان سمی بودن آن نیز در حد استاندارد است.

دمای جوش R134a منفی26.1 درجه سانتی‌گراد است و دیگر خواص ترمودینامیکی این مبرد نیز تقریبا با گاز r12 مشابه هست. در نتیجه می‌توان از R134a به عنوان جایگزینی برای R12 استفاده کرد. هرچند باید توجه کرد که تغییراتی باید در تجهیزات سیستم تبرید صورت بگیرد.

گاز مبرد R407C

این ماده مبرد یک جایگزین معمول برای مبرد r22 محسوب می‌شود. گاز r407c مخلوطی از چند هیدروفلوئوروکربن 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 توانایی کار کردن در سیکل‌های دما متوسط را نیز دارد.

گاز مبرد R404A

این ماده مبرد نیز یک جایگزین ایمن برای R22 به شمار می‌آید. از مزیت‌‌های مبرد r404 می‌توان به بازه دمایی که می‌تواند در آن کار کند اشاره کرد؛ این ماده مبرد در سیستم‌هایی که دمایی بین منفی 45 تا مثبت 15 درجه سانتی‌گراد را لازم دارند می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

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 بدون رنگ و غیرمشتعل نیز هست. البته تماس مستقیم پوست بدن با R404A می‌تواند مضر باشد.

گاز مبرد R410A

این ماده از ترکیب چند هیدروفلوئوروکربن تشکیل می‌شود. به دلیل اینکه کلر در ترکیب آن وجود ندارد، آسیبی برای لایه ازون 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 پیش از این پرکاربرد بود و پس از اینکه مشخص شد استفاده از آن می‌تواند به لایه ازون صدمه وارد کند، استفاده از آن کاهش پیدا کرد و تا سال 2020 نیز قرار است که به طور کامل کنار گذاشته شود. مبرد آر22 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 می‌باشد که پیش از این به آن اشاره کردیم. البته مقرر شده است که با شروع سال 2020 نیز برنامه‌ای برای جایگزینی R410A با مبردهای دیگر آغاز شود و به طور تدریجی استفاده از این ماده نیز کاهش پیدا کند. به نظر می‌رسد مبرد R32 قرار است جایگزین آن شود که عدد GWP آن یک سوم R410A است.

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 نیز به بیش از 150 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 این دسته از مبردها نباید این ذهنیت را ایجاد کند که دیگر کاربرد ندارد. درواقع به دلیل در دسترس بودن این گازها و این موضوع که به محیط زیست تقریبا آسیبی وارد نمی‌کنند، سبب شده است که اقبال زیادی از این گازها صورت بگیرد.

آمونیاک

آمونیاک که با نام R717 نیز شناخته می‌شود، یکی از مبردهای قدیمی است که 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 کمی دارد، توانایی کار کردن در دماهای مختلف را دارد، گرمای نهان تبخیر آن بالاست و نشتی‌های آن را به راحتی می‌توان شناسایی کرد.

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 آمونیاک مقداری به نیتروژن و هیدروژن تجزیه شود و فشار این گازها نیز به فشار کندانسور اضافه خواهد شد. 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 اشتعال‌پذیر و غیرسمی است. استفاده از کربن دی اکسید قدمتی طولانی دارد و از سال 1862 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 کم کم کربن دی اکسید در حال بازگشت 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.

نسل جدید مبرد‌ها

مبردهای شیمیایی جانشین برای مبرد‌های مرسوم معرفی شده‌اند که در میان مدت و بلند مدت جایگزین مبردهایی مانند R22 و R134a خواهند شد که به دلایل محیط زیستی باید کنار گذاشته شوند. حتی مبردی مانند R410A نیز تا چند سال آینده حذف خواهد شد. مبردهایی مانند R1234yf یا R1234ze که عدد GWP پایینی دارند می‌توانند به عنوان جانشینی برای مبردهای رایج عمل کنند و برنامه‌هایی برای جایگزین کردن آن‌ها در سال‌های آتی وجود دارد.

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.

در جدول زیر نیز مبردهای رایج و کاربردهای آن‌ها را به نمایش می‌گذارد. لازم به ذکر است مبردهای بازیابی شده نیز در کپسول‌هایی خاکستری که انتهای آن به رنگ زرد است نگهداری می‌شوند.