سردخانه آمونیاکی به سردخانه ای گفته می شود که از مبرد آمونیاک برای سرد کردن استفاده می شود. آمونیاک خالص یا آمونیاک خشک (anhydrous ammonia) یک ترکیب شیمیایی متشکل از یک مولکول نیتروژن و سه مولکول هیدروژن است. نقطه جوش این ماده در فشار اتمسفر °C33.3- است و بوی تند و شدیدی دارد.
آمونیاک که به آن اصطلاحاً مبرد R-717 نیز گفته میشود، به دلیل داشتن خواص ترموفیزیکی مناسب از بیش از یک قرن پیش به صورت تجاری در سیستم های سرمایشی به کار رفته و همچنان به کار میرود. اولین استفاده از آمونیاک به عنوان مبرد به دهه 1850 در فرانسه باز میگردد. نخستین پتنت ها برای دستگاه های سرمایشی آمونیاکی در دهه 1870 ثبت شدند و تا دهه ابتدایی قرن بیستم این دستگاهها در صنایع تولید یخ، صنایع غذایی و تولید محصولات شیمیایی به کار گرفته شدند.
نحوه کار سردخانه آمونیاکی
سردخانه های آمونیاکی نوعی از سردخانه ها هستند که درآنها از مبرد آمونیاک برای سرمایش استفاده میشود. آمونیاک مورد استفاده در این سردخانه ها باید دارای خلوص 99.995% باشد. نحوه عملکرد سیستم سرمایشی در سردخانه های آمونیاکی مشابه سایر سیستم های تبرید تراکمی بخار است و لذا از چهار بخش اصلی اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط تشکیل شده است. فرآیندی که در هر یک از این چهار جزء سیستم تبرید تراکمی انجام میگیرد عبارتند از:
1. اواپراتور
آمونیاک که به صورت مخلوطی از مایع و گاز اشباع در دمای پایین است وارد اواپراتور میشود. در اواپراتور حرارت از هوای داخل سردخانه که دمایی بالاتر از مبرد دارد به آمونیاک خنک منتقل شده و آمونیاک از حالت مخلوط مایع و گاز اشباع، به حالت گاز سوپرهیت (superheat) در می آید (مطالعه بیشتر: محاسبه سوپرهیت).
2. کمپرسور
آمونیاک گازی خروجی از اواپراتور وارد کمپرسور شده و در آن جا فشار و دمای آن افزایش پیدا میکند. مصرف انرژی در یک سیکل تبرید تراکمی در این مرحله اتفاق میافتد. توصیه می شود برای آشنایی بیشتر در مورد سیکل تبرید چیست ؟ آشنایی با انواع آن و نحوه عملکرد مطالعه کنید.
3. کندانسور
آمونیاک گرم و پرفشار از کمپرسور خارج و وارد کندانسور میشود. کندانسور نوعی مبدل حرارتی است که حرارت را از آمونیاک گرم دریافت کرده و به هوای محیط منتقل میکند. بدین ترتیب آمونیاک مجدداً تغییر حالت پیدا کرده و از گاز به مایع تبدیل میگردد، گرچه هنوز دمای نسبتاً بالایی دارد.
4. شیر انبساط
آمونیاک مایع پس از خروج از کندانسور از یک شیر انبساط عبور میکند که این کار موجب افت فشار و دمای آن میشود و حالت آن از مایع گرم به مخلوط مایع و گاز اشباع خنک تغییر میکند. آمونیاک خروجی از شیر انبساط سپس وارد اواپراتور شده و سیکل تبرید تراکمی تکرار میگردد.
خواص فیزیکی مبرد تعیین کننده بازه فشار و دمای سیستم سرمایشی و نرخ چرخه (rate of cycling) لازم برای یک اثر تبرید معین است و این مشخصات، بازده سیستم تبرید را تعیین میکنند. به همین دلیل انتخاب ماده مبرد برای سردخانه آمونیاکی دارای اهمیت زیادی بوده و مواد مصنوعی زیادی برای به دست آوردن خواص فیزیکی مطلوب ساخته شده اند.
از جمله این مواد کلروفلوئوروکربن ها (CFC) هستند که تعداد زیادی از آنها از جمله CFC-12، CFC-22 و … در قرن بیستم توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفتند؛ تا این که اثرات مخرب آنها بر لایه اوزون به اثبات رسید اما آمونیاک از جمله مبردهایی است که با وجود دارا بودن خواص ترمودینامیکی مطلوب، سازگاری خوبی با محیط زیست داشته و به همین دلیل از گذشته تا کنون جایگاه خود را به عنوان یک گزینه مناسب در صنعت تبرید به خصوص در تأسیسات بزرگ صنعتی مثل سردخانه ها الی الخصوص سردخانه آمونیاکی حفظ کرده است.
مزایای استفاده از آمونیاک به عنوان مبرد در سردخانه آمونیاکی
همان طور که گفته شد آمونیاک از گذشته تا کنون به عنوان یک گزینه مناسب در سیستم ها تبرید خصوصاً سردخانه های آمونیاکی و دیگر تأسیسات بزرگ صنعتی با دمای پایین در نظر گرفته میشده است. برخی از مهم ترین مزایای این ماده که موجب گسترش استفاده از آن به عنوان مبرد شده است عبارتند از:
- خواص ترموفیزیکی آمونیاک آن را به یک گزینه قابل اطمینان و کارآمد برای استفاده در سردخانه آمونیاکی تبدیل کرده است.
- آمونیاک برای یک سیستم تبرید بسیار پربازده است به طوری که مقدار نسبتاً کمی از آن میتواند کاهش دمای زیادی ایجاد کند. در مقایسه با اکثر مبردهای CFC رایج، آمونیاک بازدهی بیشتری دارد که این ویژگی موجب کمتر بودن مصرف انرژی و در نتیجه هزینه های عملیاتی سیستم میشود.
- هزینه ساخت یک سیستم تبرید آمونیاکی معمولاً کمتر از یک سیستم بر پایه مبرد CFC است، چرا که میتوان از لوله های با قطر کمتر استفاده کرد.
- آمونیاک ماده ای طبیعی بوده و به وفور یافت میشود. به همین دلیل تولید آن بر خلاف مبردهای مصنوعی محدود به شرکتهای دارنده پتنت محصول نیست و این امر موجب بالا بودن میزان تولید و پایین بودن قیمت آن میشود.
- آمونیاک به سرعت در محیط زیست تجزیه شده (کمتر از یک هفته در هوا باقی میماند) و لذا اثرات زیست محیطی بسیار کمی دارد.
- در حالی که بسیاری از مبردهای مصنوعی به دلیل اثرات مخرب زیست محیطی در حال از دور خارج شدن هستند، پتانسیل گرمایش زمین (GWP) و پتانسیل کاهش لایه اوزون (ODP) آمونیاک هر دو صفر هستند.
- بوی تند آمونیاک حتی در غلظتهای پایین (حدود ppm 20) به راحتی قابل تشخیص است. این امر در حفظ ایمنی و تشخیص نشتی، حتی نشتی های کوچک مؤثر است. این در حالی است که برای مبردهای بدون بو تشخیص نشتی های کوچک کار دشواری است.
معایب استفاده از آمونیاک در سیستم تبرید
با وجود مزایای متعدد استفاده از آمونیاک در سیستم تبرید، استفاده از این ماده با محدودیت هایی نیز رو به رو است که عمدتاً به دلایل زیر است:
- آمونیاک با برخی از فلزات وآلیاژها مانند مس، برنج، برنز و قلع سازگار نبوده و موجب خوردگی آن ها میشود. لذا در یک سیستم تبرید بر پایه آمونیاک (به طور مثال سردخانه آمونیاکی) نمیتوان از لوله های مسی که در سایر سیستم های تبرید رایج هستند استفاده کرد. در این سیستم ها از لوله ها و تجهیزات فولادی استفاده میشود.
- آمونیاک ماده ای سمی است. میزان عوارض ناشی از آن بستگی به غلظت و زمان قرار گرفتن در معرض آن دارد و بسته به شرایط میتواند عوارضی چون التهاب و سوزش گلو، دماغ و چشم تا حتی مرگ را در پی داشته باشد. با این حال به دلیل بوی تند و شدید آمونیاک وجود آن در هوا به آسانی قابل تشخیص است. از طرف دیگر به دلیل این که آمونیاک سبکتر از هوا است در صورت نشتی بالا رفته و در هوا پخش میشود.
- آمونیاک در نسبتهای حجمی %25-16 در هوا قابلیت اشتعال و انفجار دارد. این ویژگی هنگامی که آمونیاک با روغن روان کاری کمپرسور مخلوط شود، تشدید میگردد.
مقایسه کمی سیستم تبرید آمونیاکی با سایر سیستم ها
در بخش های قبل مزایا و معایب سیستم های تبرید بر پایه آمونیاک به صورت کیفی ارائه شد. در این قسمت به منظور مقایسه کمی این مبرد با سایر مبردهای رایج در صنعت تبرید و سردخانه، خواص این مبردها در صورت به کارگیری در یک چرخه تبرید تراکمی بخار ایده آل فرضی در قالب جدول زیر نشان داده شده است. در چرخه فرضی مذکور، دمای اواپراتور °C15- و دمای کندانسور °C30 در نظر گرفته شده است.
اثر تبرید در جدول فوق برابرست با نسبت نرخ حرارت دریافت شده از محیط سرد (توان سرمایشی) به دبی جرمی مبرد. همان طور که در این جدول مشاهده میشود اثر تبرید آمونیاک چندین برابر اثر تبرید سایر مبردها است. این امر موجب میشود که برای یک ظرفیت سرمایشی مشخص، مقدار مبرد مورد نیاز در یک سردخانه آمونیاکی بسیار کمتر از مقدار مبرد در سایر انواع سردخانه ها باشد.
از طرف دیگر در بین مبردهای مذکور، تنها مبرد R-11 دارای ضریب عملکردی بالاتر از آمونیاک است، ولی امروزه استفاده از مبردهای R-11 و R-12 در صنعت تبرید به دلیل اثرات مخرب آن ها بر لایه اوزون تقریباً منسوخ شده است. مطالعه بیشتر: تفاوت سردخانه فریونی و آمونیاکی
تدابیر ایمنی در سردخانه های آمونیاکی
به دلیل دو ویژگی سمی و قابل اشتعال بودن آمونیاک، در سردخانه های آمونیاکی باید تدابیر ویژه ای اتخاذ شود تا از بروز حادثه تا حد امکان جلوگیری شده و در صورت بروز حادثه آسیبهای جانی و مالی به حداقل رسانده شود. این تدابیر شامل آموزش کارکنان، بازرسی منظم، تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، نصب علائم هشدار و … میشود.
یکی از خطرات موجود در سردخانه آمونیاکی، خطر ایجاد نشتی ناشی از برخورد لیفتراک و سایر تجهیزات حمل و نقل با لوله ها یا اواپراتورهای سیستم تبرید است. برای جلوگیری از بروز این مشکل باید لوله ها و تجهیزات سیستم تبرید به صورت محافظت شده نصب گردند. برای مثال با نصب استپهای مکانیکی (mechanical stops) در فضاهای بین پالت هایی که نزدیک تجهیزات سیستم تبرید قرار داده میشوند، میتوان از برخورد شاخک لیفتراک با آن تجهیزات پیشگیری کرد.
از طرف دیگر باید تدابیری برای تخلیه سریع محل در صورت ایجاد نشتی و آزاد شدن آمونیاک در نظر گرفته شود. ایجاد مسیرهای تخلیه اضطراری و تعیین برخی از کارکنان به عنوان مسئول عملیات تخلیه نمونههایی از این اقدامات هستند.
یکی دیگر از الزامات در ساخت سردخانه های آمونیاکی، علامت گذاری یا برچسبزنی (Labeling) لوله های حاوی آمونیاک است. مطابق دستورالعمل مؤسسه بینالمللی سرمایش آمونیاکی (IIAR) برچسب هایی که روی لوله های حاوی آمونیاک چسبانده میشوند باید شامل پنج بخش باشند: مخفف اجزاء سیستم آمونیاکی، حالت فیزیکی (liquid/vapor)، کلمه آمونیاک (AMMONIA)، سطح فشار (low/high)، و فلشهایی برای نمایش جهت جریان.
این برچسبها علاوه بر هشدار برای رعایت ایمنی، به کارکنان مسئول تعمیر و نگهداریِ سردخانه آمونیاکی یادآوری میکند که الزامات مربوط به سیستم تبرید آمونیاک مثل پرهیز از نصب اجزاء مسی را در نظر داشته باشند.
خرید سردخانه آمونیاکی
سردخانه های آمونیاکی نوعی از سردخانه ها هستند که در سیستم تبرید آن ها از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده میشود. آمونیاک از نظر خواص ترموفیزیکی، قیمت و سازگاری با محیط زیست گزینه بسیار مناسبی برای استفاده در سیستم تبرید است. البته دو خاصیت سمی بودن و قابلیت اشتعال از معایب مهم آمونیاک هستند، ولی در صورت رعایت ایمنی و الزامات مربوطه، سیستم های تبرید آمونیاکی میتوانند بدون مشکل، وظیفه سرمایش را به بهترین شکل و با بازده بسیار مناسب انجام دهند.
به همین دلیل از گذشته تا کنون آمونیاک گزینه جذابی برای استفاده در سیستم های سرمایشی خصوصاً سیستم های سرمایشی صنعتی بزرگ مثل سردخانه ها بوده و با توجه به سازگاری بسیار مناسب آن با محیط زیست جایگاه خود را به خوبی حفظ کرده است. برای اطلاعات بیشتر در مورد سردخانه زیر صفر چیست و قیمت سردخانه زیر صفر میتوانید مقاله مربوطه را مطالعه کنید.