انواع گاز مبرد چیلر؛ تفاوت R22، R134a و R507

1.1     مبرد چیست؟

مبرد، ماده ای است در قالب گاز یا مایع که به منظور کاهش دمای سطح مشخصی از یک ناحیه، در فرآیند تبرید مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده در سیستم یخچال خانگی و چیلر های صنعتی و یا کولر ماشین نیز استفاده می شود. به طور کلی ماده مبرد در سیستم ها و دستگاه هایی که از سیکل تبرید تراکمی بخار استفاده می کنند، وجود دارد. به همین دلیل، مبرد در سیستم های تهویه مطبوع و برودتی نیز به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.

1.2     تعریف تبرید یا سردسازی

تبرید یا سردسازی که با نام سرمایش نیز شناخته می شود، فرآیندی است که در طی آن گرما از یک فضا یا ماده گرفته می شود و در یک محیط دیگر رها می شود و در واقع از لحاظ علم فیزیک، تبرید یک پدیده انتقال گرما محسوب می شود.

در طی فرآیند تبرید در واقع، به دنبال کاهش دما در ناحیه یا فضای مورد نظر خود هستیم، این فضا می تواند اتاق منزل یا اداره شما و یا حتی یک سردخانه صنعتی باشد. جذب گرما از محیط هدف، معمولاً به وسیله اواپراتور و دفع آن در محیط دیگر به وسیله کندانسور صورت می گیرد.

اکثر مردم به اشتباه ماده مبرد را در بازار به نام گاز کولر ماشین و یا گاز یخچال می شناسند. برخی دیگر نیز به اشتباه آن را گاز سرمازا یا گاز سرمایشی می نامند، اما طبق تعریف فوق، ماده مبرد می تواند به شکل مایع هم باشد.

1.3     عملکرد ماده مبرد در چیلر

مبرد ها با استفاده از تغییراتِ فازیِ و ترمودینامیکی به راحتی از حالت گاز به مایع و یا بالعکس، از مایع به گاز تبدیل می شوند و این قابیلت سبب شده این مواد کاربرد وسیعی در صنعت، از جمله در سیستم ها و دستگا های برودتی و تهویه مطبوع داشته باشند. دستگاه هایی مانند چیلر تراکمی، داکت اسپلیت و VRF از ماده مبرد در سیکل کاری خود استفاده می کنند.

با وجود این نقش مهم و مفید مبردها در صنعت، باید بدانیم که طبق بررسی ها و نتایج مطالعات علمی، این مواد برای محیط زیست ما چندان مفید نیستند و یکی از عوامل مهم گرمای زمین و تخریب لایه اوزون محسوب می شوند.

1.3.1  تعریف دو معیار ODP و GWP

برای مقایسه مبردها از نظر آثار زیست محیطی، دو پارامتر مهم شامل معیار تخریب لایه اوزون (ODP) و معیار گرمایش زمین (GWP) مورد نظر قرار می گیرند.

Ozone Depletion Potential (ODP)

ODP به توانایی یک ماده در کاهش (تخریب) لایه اوزن نسبت به ماده CFC11 گفته می شود.

معیار ODP بین بازه صفر تا 1 است و هر چه قدر این ضریب به عدد 1 نزدیک تر باشد، از لحاظ آسیب به لایه اوزون خطرناک تر است. مبرد CFC11 دارای معیار ODP یک هست و مابقی مبردها را معمولا نسبت به این مبرد مقایسه می کنند، در واقع نسبتِ قابلیت تخریب لایه اوزون یک ماده به مبرد CFC11 را می توان ODP آن ماده در نظر گرفت.

در شکل زیر می توانید معیار ODP مبردهای مختلف را مشاهده و مقایسه کنید.

Global Warming Potential (GWP)

GWP به توانایی یک ماده در به دام افتادن گرما در جو زمین (اتمسفر) نسبت به ماده دی اکسید کربن گفته می شود.

این معیار از صفر شروع می شود و محدوده فوقانی ندارد، به عبارتی هر میزان که یک مبرد یا ماده دیگری اثر بیشتری بر روی به دام افتادت گرما در اتمسفر و گرمایش زمین داشته باشد، معیار گرمایش آن نیز بزرگ تر است. معیار GWP در بازه های زمانی طولانی و چندین ساله اندازه گیری می شود. مثلا 20 ساله یا صد ساله.

به طور مثال در یک بازه زمانی 100 ساله، معیار گرمایش CFC11 برابر با 4250 مبردهای HFC در بازه 1640 و برای ماده پنتان این معیار زیر 5 می باشد.

دی اکسید کربن دارای GWP بسیار زیادی است و معمولا معیار GWP هر ماده ای را با دی اکسید کربن مقایسه می کنند.

1.4      دسته بندی انواع گاز مبرد یا خنک کننده چیلر

مبرد ها بر اساس ترکیبات و ساختار شیمیایی دسته بندی می شوند. بر اساس کاتالوگ و دستورالعمل های شرکت های گوناگون تولید کننده مبرد، چهار نوع مهم از مبردهاعبارتند از:

1. کلروفلوئوروکربن (CFC)
2. هیدرو کلروفلوئوروکربن (HCFC)
3. هیدرو فلوئوروکربن (HFC)
4. مبردهای طبیعی

از جمله مبردهای طبیعی می توان به هیدروکربن (HC) و دی اکسید کربن (CO₂) اشاره کرد و در مقابل مبردهایی مانند CFC و HCFC و HFC جزو مبردهای صنعتی هستند که توسط شرکت های تولید کننده مبرد، تولید شده و روانه بازار می شوند.

1.4.1  کلروفلوئوروکربن (CFCs – Chlorofluorocarbons):

این مبردها، جزو نسل قدیمی مواد سرمازا محسوب می شوند و در دهه 30 میلادی توسعه یافته بودند و در آن زمان جزو مواد غیر سمی، غیر قابل اشتعال و خنثی (غیر واکنشی) بودند.

مبردهای CFC، حاوی ماده کُلر (Chlorine)، فلوئور (Fluorine) و کربن (Carbon) هستند. R11، R12 و R115 جزو این گروه از مبردها هستند. این مبردها می توانند در دستگاه های صنعتی مانند چیلر و یا سیستم هایی مانند یخچال که نیاز روزانه ما هستند، مورد استفاده قرار بگیرند.

در اوایل دهه 70 میلادی بود که مطالعات و بررسی های علمی محققان، اثبات کرد که این مواد برای لایه اوزون آسیب زا می باشند و در کل برای محیط زیست مضر هستند. در اوایل دهه 90 میلادی به دلیل اثرات مخرب زیست محیطی، استفاده از این مبردها ممنوع شد.

حال سؤال خیلی از افراد این است که این مواد چگونه لایه اوزون را تخریب می کردند. در ادامه، این بحث را بیشتر باز خواهیم کرد.

1.5     CFCها چگونه لایه اوزون را تخریب می کنند؟

همانطور که می دانیم لایه های جوی اطراف زمین به دو دسته تقسیم می شوند:

• تروپوسفر (Troposphere): لایه هوای موجود از سطح زمین تا ارتفاع 10 مایلی از سطح زمین
• استراتوسفر (Stratosphere): لایه جوی موجود در فاصله 10 تا 31 مایلی از سطح زمین

لایه اوزون معروف که نقش بسیار مهمی در دفع اثرات مضر فرابنفش خورشیدی دارد، در ابتدای لایه استراتوسفر قرار دارد. لایه اوزون از ورود اشعه UV-c به سطح زمین جلوگیری می کند و طول موج اشعه UV-b را به شدت کاهش می دهد. دو اشعه ای که به شدت برای موجودات زنده مضر هستند.

زمانی که حجم مواد CFC در سطح زمین زیاد بود، مقداری از این مواد از لایه تروپسفر به لایه استراتوسفر منتقل می شد و در اثر برخورد با اشعه فرابنفش خورشید، اتم کُلر از آن جدا شده و در محیط استراتوسفر آزاد می شد و این اتم کُلر آزاد، در اثر ترکیب شیمیایی با لایه اوزون (O₃) باعث شکسته شدن آن و تخریب لایه اوزون می شد. در تصویر زیر می توان فرآیند تخریب لایه اوزن را مشاهده نمود.

یستم ها و تجهیزاتی که از CFC به عنوان مبرد استفاده می کردند، هنوز به طور کامل اصلاح نشده اند و بازار سیاه این نوع مبردها در سرتاسر جهان هنوز داغ و پرطرفدار است. تخمین زده می شود که حدود 50% از سیستم ها و دستگاه هایی که از CFC استفاده می کنند اصلاح و بروزرسانی شده اند. از جمله مبردهای رایج از خانواده CFC عبارتند از:

R11, R12, R13, R113, R114, R500, R502

1.5.1  هیدرو کلروفلوئوروکربن (HCFCs – Hydro chlorofluorocarbons)

مبردهای HCFC از هیدروژن، کلر، فلوئور و کربن تشکیل شده‌اند. مقدار ODP آن‌ها عموماً از CFCها کمتر است، اما عدد ثابتی مانند «۱۰ درصد اثر منفی» برای همه مبردهای HCFC وجود ندارد. شاخص ODP و GWP برای هر ماده جداگانه سنجیده می‌شود؛ برای نمونه R22 یک HCFC با ODP غیرصفر و GWP قابل‌توجه است.

مبردهای HCFC مانند R22 دارای کلر هستند؛ بنابراین هرچند پتانسیل تخریب لایه اوزون آن‌ها معمولاً از CFCها کمتر است، بی‌ضرر یا سازگار با محیط‌زیست محسوب نمی‌شوند. بسیاری از آن‌ها علاوه بر اثر بر لایه اوزون، پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) قابل‌توجهی هم دارند. به همین دلیل تولید و مصرف این گروه در کشورهای مختلف تحت محدودیت‌های مرحله‌ای قرار گرفته است. برخی از مبردهای خانواده HCFC عبارت‌اند از:

R22, R123, R124, R401A, R401B, R402A, R403B, R408A, R409A, R414B

1.5.2  هیدرو فلوئوروکربن (HFCs – Hydro fluorocarbons)

مبردهای HFC از هیدروژن، فلوئور و کربن تشکیل شده‌اند و کلر ندارند؛ بنابراین پتانسیل تخریب لایه اوزون (ODP) آن‌ها صفر است. با این حال، برخی از HFCها و مخلوط‌های آن‌ها GWP بالایی دارند و انتشارشان می‌تواند به گرمایش زمین کمک کند؛ پس صفر بودن ODP به‌معنای بی‌ضرر بودن زیست‌محیطی نیست.

این نوع مبردها با اینکه فاقد اتم کلر می باشند، اما مانند مبردهای قبلی از جمله CFC و HCFC تاثیر زیادی بر روی پدیده گرم شدن زمین دارند. در مقابل، مبردهای طبیعی این مشکل را نیز حل کرده اند.

در زیر نشان اختصاری برخی از مبردهای HFC ذکر شده اند:

R23, R134a, R404A, R407C, R410A, R417A, R422A, R422B, R422D, R507, R508

مبردهای HFC در بسیاری از کاربردها جایگزین CFC و HCFC شدند، چون لایه اوزون را تخریب نمی‌کنند؛ اما به‌دلیل GWP بالای بعضی از آن‌ها، صنعت تبرید به‌سمت راهکارهایی با اثر اقلیمی کمتر حرکت کرده است. انتخاب جایگزین باید با توجه به سازگاری کمپرسور، روغن، قطعات، کلاس ایمنی مبرد و مقررات محل استفاده صورت بگیرد.

1.5.3  مبرد های طبیعی:

این نوع از مبردها با توجه به نامشان، به صورت مصنوعی مانند سایر مبردها تولید انبوه نمی شوند.

بسیاری از مبردهای طبیعی مانند آمونیاک، دی‌اکسیدکربن و هیدروکربن‌ها ODP صفر و GWP مستقیم پایینی دارند؛ اما بی‌خطر نیستند. بسته به نوع مبرد، مسائلی مانند سمیت آمونیاک، اشتعال‌پذیری هیدروکربن‌ها یا فشار کاری بالای CO₂ باید در طراحی، نصب و سرویس دستگاه رعایت شود.

قیمت، هزینه راه‌اندازی و هزینه سرویس مبردهای طبیعی به نوع ماده، طراحی سیستم، مقررات ایمنی و تجهیزات موردنیاز بستگی دارد و نمی‌توان آن‌ها را همیشه ارزان‌تر دانست. هوا، آب، آمونیاک، دی اکسید کربن و هیدروکربن جزو مبردهای طبیعی هستند.

1.5.4  رایج ترین مبردهای امروزی در تهویه مطبوع و چیلر های صنعتی

به‌روزرسانی فنی: جدول زیر فقط برای شناخت خانواده و کاربرد مبردهاست؛ هیچ‌یک از این مبردها جایگزین مستقیم دیگری محسوب نمی‌شوند.

مبرد	خانواده	نکته مهم
R22	HCFC	ODP غیرصفر؛ محدودیت‌های محیط‌زیستی و نیاز به بررسی سازگاری سیستم
R134a	HFC	ODP صفر، اما GWP غیرصفر؛ کاربرد وابسته به طراحی مدار
R407C	مخلوط HFC	دارای لغزش دمایی؛ شارژ و کنترل فشار/دما باید طبق دستورالعمل انجام شود
R404A و R507A	مخلوط HFC	ODP صفر اما GWP نسبتاً بالا؛ توجه به سازگاری روغن، کمپرسور و قطعات ضروری است

نکته سرویس: تغییر مبرد بدون بررسی تأییدیه کمپرسور، نوع روغن، شیر انبساط، فشار طراحی و الزامات ایمنی مجاز نیست. منابع تکمیلی: اطلاعات EPA درباره ODP و GWP و راهنمای ایمنی مبردها. برای بررسی انتخاب چیلر، با چیلر انار تماس بگیرید.

با اینکه مبردها با توجه به سیاست های زیست محیطی تغییرات زیادی داشته اند، اما در زیر برخی از رایج ترین مبردهای پر مصرف در صنعت تهویه مطبوع را نام برده ایم:

• R134a (HFC)
• R-407C (HFC)
• R-410A (HFC)
• R-22 (HCFC)
• R-404A (HFC)