سردخانه فریونی چیست؟ نکات مهم در استفاده از سردخانه فریونی چیست؟ مزایا و معایب سردخانه های فریونی چه چیزهایی هستند؟ شباهت ها و تفاوت های سردخانه فریونی و آمونیاکی در چه چیزهایی است؟ چه نکاتی در طراحی و ساخت سردخانه های فریونی و آمونیاکی مهم هستند؟ جهت فهمیدن پاسخ این سوالات و کسب آگاهی بیشتر درباره این موارد با ما همراه باشید.
سردخانه فریونی
امروزه، سردخانه فریونی به شکل گسترده ای مورد ساخت و بهره برداری قرار می گیرد. مبرد فریون در چنین مواقعی که نیاز به سردخانه ها با ظرفیت پایین داشته باشیم، انتخابی مناسب محسوب می شود. از نکات مثبت و قابل توجه برتری گاز فریون نسبت به سایر گازها می توان به غیر سمی بودن و غیر قابل اشتعال بودن آن ها اشاره کرد. در این مقاله سردخانه فریونی و چگونگی طراحی آن ها و مزایا و معایب این دسته از سردخانه ها مورد بررسی قرار می گیرد.
ساخت سردخانه فریونی
در مرحله اول به بررسی کاربرد سردخانه ها و یخچال های صنعتی می پردازیم. در حال حاضر برای ذخیره سازی مواد غذایی، صنعتی، دارویی، نساجی، پتروشیمی و موادی که در دماهای بالا به سرعت فاسد و غیر قابل استفاده می شوند، از یخچال های با ابعاد بزرگ و سردخانه های صنعتی استفاده می شود. این سردخانه ها می توانند به صورت یکپارچه طراحی و نصب شوند و یا این که به صورت ساخته شده از قبل خریداری و نصب گردند. امروزه کسب و کارهای بسیاری هستند که از سردخانه ها استفاده گسترده ای می کنند. سردخانه هایی که با ظرفیت های متفاوت و با شرایط طراحی متفاوت با یکدیگر ساخته می شوند.
از دو دسته سیال مبرد متداول و مورد استفاده در طراحی سردخانه های صنعتی استفاده می شود که یکی از آن ها آمونیاک است و دیگری مبردهای فریونی هستند. استفاده از این دو سیال به شرایط محیطی و انتظاراتی که از سردخانه وجود دارد وابسته است. در حالت عمومی می توان گفت که در مواقعی از سیال فریون در ساخت سردخانه استفاده می شود که نیاز به سردخانه ای با ظرفیت نگهداری متوسط رو به پایین داشته باشیم. طراحی این دسته از سردخانه ها کاملاً مشابه سردخانه های آمونیاکی صورت می گیرد و تنها تفاوتی که در این جا وجود دارد، استفاده از یک سیال مبرد دیگر است.
آشنایی با گاز فریون و کاربردهای آن
امروزه در بسیاری از دستگاه های سرمایشی مورد استفاده در منازل مسکونی، وسایل نقلیه و دستگاه های صنعتی از گاز فریون یا ترکیب های موجود و متفاوت ساخته شده از این گاز برای خنک سازی استفاده می شود. البته در حال حاضر به دلیل محدودیت های موجود برای استفاده از گاز فریون، به شرکت های سازنده تجهیزاتی که از گاز فریون استفاده می کنند، اجازه نمی دهد به طور مستقیم از گاز فریون استفاده کنند.
فریون در حقیقت نام تجاری در نظر گرفته شده برای یک سری ترکیبات شیمیایی است که با نام کلروفلوئروکربن ها (CFC) شناخته می شوند. این ترکیبات شیمیایی بی رنگ و بی بو بوده و در گذشته (اواخر قرن بیستم به بعد) به صورت عمده برای طراحی و ساخت دستگاه های سرمایشی از آن ها استفاده می شد. فریون 12 و فریون 22 از جمله پرکاربردترین کلروفلوئورورکربن های آزمایشگاهی مورد استفاده بودند.
اما به دلیل این که گاز فریون تأثیر مستقیمی در تخریب لایۀ اوزون دارد، طی یک توافقنامه در سال 1987 استفاده از این گاز در ابتدا محدود و در مرحله بعد ممنوع شد. ممنوعیتی که سبب شد تا تولیدکننده های صنعتی به سراغ ترکیبات شیمیایی دیگر و مشابهی برای طراحی یخچال ها و سردخانه ها بروند.
در حال حاضر از گروه دیگری از ترکیبات فریونی استفاده می شود که اثر تخریبی بر روی لایۀ اوزون ندارند و اثرات نامناسب بسیار کمتری روی طبیعت و محیط زیست دارند . برای مثال فریون 134 (R134) یا فریون 404 (R404) در این دسته بندی قرار می گیرند . البته همچنان ترکیبات یاد شده می توانند روی گرمایش زمین تأثیر منفی گذارند، اما با این وجود همچنان در برخی از کشورها مورد استفاده قرار می گیرند.
آشنایی با ساختمان سردخانه های صنعتی
داشتن آشنایی با نحوه طراحی و ساخت سردخانه های صنعتی باعث بهتر متوجه شدن چگونگی کارایی سردخانه فریونی خواهد شد. در ساخت و طراحی سردخانه ها به طور کلی سیکل تبرید سیال مورد استفاده قرار می گیرد. سیکل مورد نظر بر اساس سیکل ماشین کارنو و به شکل برعکس عمل می کند. سیکلی که در ترمودینامیک به آن سیکل یخچال یا همان سیکل تبرید گفته می شود.
مطالعه بیشتر: سیکل تبرید چیست؟
در این چرخه لازم است انرژی مشخصی به سیکل مورد نظر وارد شود، تا طبق اصول ترمودینامیکی گرما از محیطی با دمای بیشتر به محیطی با دمای کمتر انتقال داده شود. این کار در سردخانه ها در چهار مرحلۀ کلی صورت می گیرد. در ادامه با فرض استفاده از این نوع سردخانه ها ، چگونگی انجام این چرخه تشریح و بررسی شده است:
مرحلۀ اول: فشرده سازی سیال فریون
در نخستین مرحله این چرخه، دما و فشار سیال فریون با استفاده از دستگاه های کمپرسور فشرده شده، افزایش می یابد. نوع کمپرسور سردخانه ها با توجه به ظرفیت سرمایشی و نیاز سردخانه تعیین می شود. گاهی اوقات نیز از دو تا چند کمپرسور به صورت همزمان و موازی با یکدیگر در چرخه تبرید سردخانه کمک گرفته می شود که علت این عمل این است که در صورت از کار افتادن یکی از کمپرسورها و خارج شدن آن از چرخه، سردخانه همچنان بتواند عملکرد مطلوب جهت خنک سازی محصولات را انجام دهد و خسارت بیشتری به خاطر این خرابی به کاربر وارد نشود.
مرحلۀ دوم: ورود به کندانسور
در مرحله بعد سیال فریون به بخش کندانسور سردخانه وارد می شود. در این مرحله سیال فریون طی یک فرایند فشار ثابت، دمای خود را از دست می دهد که این اتفاق باعث خنک شدن آن می شود. عمل خنکسازی سیال مبرد می تواند به کمک فن های هوا انجام بپذیرد و یا داخل یک کویل حرارتی پوسته – لوله اتفاق بیفتد. فرآیند که در بخش کندانسور رخ می دهد این است که سیال به حالت مایع اشباع شده می رود و در نقطۀ خروجی مبرد فریون در فاز مایع اشباع شده وجود خواهد داشت که آمادۀ ورود به مرحلۀ سوم چرخه می شود.
مرحلۀ سوم: عبور از شیر انبساطی
در این مرحله ، سیالی که از کندانسور خارج خواهد شد، تقریباً فشار اولیۀ خود را دارا می باشد . به همین جهت از یک شیر انبساط استفاده می شود که با افزایش یکبارۀ حجم سیال مبرد، باعث افت ناگهانی فشار آن می شود. عملی که نتیجه آن تبدیل شدن سیال مبرد به گاز فریون است. سیال دو فازی در حالت اشباع در مرحله بعد وارد اواپراتور می گردد.
مرحلۀ چهار: ورود سیال به اواپراتور
جذب گرمای سردخانه در این مرحله ورود سیال به اواپراتور اتفاق می افتد. سیال مبرد که دمای پایینی دارد، به خاطر اختلاف دمایی موجود با محیط، آمادۀ دریافت گرمای محیط اطراف خود است. امری که موجب می شود دمای سردخانه پایین بیاید و به همین جهت دمای گاز فریون بالاتر رفته، به صورت کامل به گاز اشباع یا بخار داغ تبدیل می گردد.
عمل انتقال حرارت بین محیط داخلی سردخانه و سیال مبرد می تواند به کمک یک کویل هوایی انجام گیرد. البته اگر سردخانه از نوع با ظرفیت پایین باشد ، می توان به صورت مستقیم از خود سیال مبرد برای خنک سازی محیط استفاده کرد. گاز فریون پس از این که از اواپراتور برگشت خورد، مجدداً آمادۀ ورود به کمپرسور خواهد بود.
مزایای استفاده از سردخانه فریونی
سؤالی که قابل طرح است، این خواهد بود که چرا باید به سراغ سردخانه های فریونی رفت و از این سردخانه ها برای سرمایش و نگهداری مواد با امکان فاسد شدن بالا استفاده کرد؟ برای پاسخ به این سؤال لازم است به بررسی مزایای این سردخانه ها پرداخته شود. فهرست زیر شامل مهم ترین مزایای استفاده از سردخانه ها می باشد:
غیر سمی بودن مبرد فریونی:
ترکیبات فریونی غیر سمی هستند و در صورت انتشار ناخواسته در محیط، باعث ایجاد مشکل برای اشخاص یا محصولات موجود در سردخانه نمی شوند.
قابلیت طراحی سردخانه های کوچک و با ظرفیت پایین
استفاده از سیال فریون برای طراحی سردخانه های با ابعاد کوچک تر و ظرفیت های پایین تر انتخاب به صرفه و مناسب تری است ، به این دلیل که هزینه های بهره برداری از سردخانه ها و طراحی و ساخت آن ها را تا حد زیادی پایین می آورد.
غیر قابل اشتعال بودن سیال مبرد
در برخی از موارد، حفظ ایمنی سردخانه و ضد حریق بودن آن دارای اهمیت بالایی برای بهره بردار است. با توجه به این که ترکیبات فریونی غیر قابل اشتعال هستند، استفاده از آن ها برای طراحی سردخانه هایی که نیاز به دارا بودن ایمنی در برابر حریق هستند، گزینۀ مناسبی محسوب می شود.
ساده بودن قوانین و مقررات ایمنی مورد استفاده
به این دلیل که گاز فریون غیر سمی است و قابلیت اشتعال ندارد، نیاز به برقراری قوانین سخت گیرانه برای محیط سردخانه نیست به همین جهت، استفاده از این دسته از سردخانه ها برای تولیدی ها و مشاغل ساده و کوچک گزینۀ مناسبی در نظر گرفته می شود.
هزینه های پایین نگهداری و تعمیر سردخانه
به دلیل ارزان بودن گاز فریون نسبت به دیگر سیال های مبرد و ایجاد مشکلات کمتری برای سیستم های سرمایشی مورد استفاده، هزینه های تعمیرات و نگهداری مربوط به این نوع سردخانه ها تا حد بالایی کاهش پیدا می کند.
معایب استفاده از سردخانه های فریونی
در کنار مزایای یک دستگاه صنعتی با مبرد فریون، معایبی نیز در استفاده از این نوع مبرد وجود دارد. در ادامه به معایب استفاده از ترکیبات فریونی اشاره شده است:
ناسازگاری با محیط زیست
با وجود اصلاحات انجام شده روی ترکیبات فریونی که باعث برطرف شدن مقدار زیادی از مشکلات زیست محیطی ناشی از آن ها شده، اما همچنان نمی توان از اثرات گلخانه ای به وجود آمده به خاطر استفاده از این ترکیبات شیمیایی چشم پوشی کرد.
بدون بو و بی رنگ بودن گازهای فریونی
به این خاطر که ترکیبات فریونی رنگ و بوی قابل تشخیصی ندارند، در صورت نشت کردن این مبرد از خطوط لوله، تشخیص این نشتی خیلی دیر اتفاق خواهد افتاد که این امر گاهی می تواند باعث به وجود آمدن ضررهای زیادی به محصولات شود.
قیمت بالای ترکیبات فریونی
به دلیل تولید ترکیبات شیمیایی فریونی در محیط های آزمایشگاهی، این ترکیبات قیمت بالایی نسبت به دیگر سیال های مبرد دارند. به همین دلیل اگر سیکل سردخانه دچار مشکل و نشتی شود، لازم است مجدداً شارژ مبرد صورت بگیرد که هزینه زیادی به یکباره به بهره بردار تحمیل می شود.
شباهت های موجود بین سردخانه های آمونیاکی و فریونی
اصلی ترین مشابهت بین دو نوع سردخانه آمونیاکی و فریونی در روند طراحی سیکل تبرید تراکمی مربوط به آن ها است. در واقع اساس طراحی هر دو نوع سردخانه بر مبنای همین سیکل تبرید تراکمی می باشد. البته باید به این نکته توجه کرد که تفاوت نوع سیال مبرد مورد استفاده باعث می شود که اندازه و ابعاد سیستم های طراحی شده متغیر باشد و ظرفیت سرمایشی به دست آمده نهایی نیز تغییر کند.
با این حال می توان گفت که کلیات عملکرد این سردخانه ها شبیه به هم است و در حقیقت بر اساس اصول مشترک طراحی و ساخته می شود. توصیه میکنیم برای اطلاعات بیشتر سردخانه آمونیاکی چیست| نحوه کار سردخانه های آمونیاکی را بخوانید.
بررسی تفاوت موجود در ترکیب های شیمیایی آمونیاک و فریون
برای بررسی تفاوت های موجود بین این نوع دو سردخانه، باید در ابتدا اولین و مهم ترین وجه تفاوت مورد بررسی قرار گیرد. به همین جهت، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی این دو نوع مبرد مورد بحث، یعنی آمونیاک و فریون بررسی خواهد شد.
فرمول شیمیایی آمونیاک NH3 است و این فرمول نمایانگر این مطلب است که آمونیاک از سه اتم هیدروژن و یک اتم نیتروژن تشکیل شده است. این ماده در بیشتر موارد در صنایع پتروشیمی و به کمک فرایند هابر تولید می شود. آمونیاک دمای جوش پایینی (حدود منفی سی و سه درجه سلسیوس) داشته و دارا بودن پیوند هیدروژنی باعث انحلال پذیری بالای این ماده در آب می شود.
آمونیاک دارای بوی تندی می باشد ، خاصیت اشتعال پذیری بالایی تحت شرایط خاص دارد و در صورت پخش شدن در محیط باعث مسمومیت خواهد شد. هم چنین ضریب انتقال حرارت آمونیاک در حالت گازی یا مایع مقدار بالایی است. نکتۀ دیگری که باید دربارۀ آمونیاک گفت خاصیت بازی این ماده در حالت محلول بوده که این امر موجب خورندگی آن در تماس با رطوبت یا هوا خواهد شد.
فریون عنوان مطرح شده برای دسته ای از ترکیبات شیمیایی بی بویی هستند که آن ها را با عنوان CFCها می شناسند. عمده ترین عناصر سازندۀ این دسته از ترکیبات، کلر (Cl) و فلوئور (F) است. این ترکیبات با مولکول های اوزون (O3) واکنش می دهند و تولید مولکول های اکسیژن می کنند. دمای جوش فریون ها حدود منفی 30 درجه سلسیوس است. میزان انحلال پذیری ترکیبات فریون در آب نسبتاً کم است، این دسته از ترکیبات خاصیت اشتعال پذیری ندارند و باعث مسمومیت افراد هم نمی شوند.
بررسی تفاوت بین سردخانه های آمونیاکی و سردخانه فریونی
این تفاوت از جنبه های گوناگون قابل بررسی است:
1- از لحاظ ظرفیت ساخت
سردخانه های با ظرفیت بالا (ظرفیت های بالای 2000 تن) به خاطر ویژگی های آمونیک مانند نرخ انتقال حرارت از نوع سردخانه های آمونیاکی هستند و سردخانه های با ظرفیت کمتر از نوع سردخانه فریونی هستند.
2- از لحاظ نرخ انتقال حرارت
آمونیاک نرخ انتقال حرارت بالاتری را نسبت به فریون دارد (5/3 تا 4 برابر برای کندانسور و 5/1 تا 2 برابر برای اواپراتور) که باعث ارزان تر شدن اواپراتور و کندانسور خواهد شد.
3- از لحاظ ضریب عملکرد سیکل
ضریب عملکرد سیکل آمونیاکی حدود 10 درصد بالاتر از سیکل فریونی است.
4- از لحاظ قیمت مبرد مورد استفاده
ارزان تر بودن مبرد سردخانه آمونیاکی نسبت به مبرد سردخانه فریونی (قیمت هر کیلوگرم مبرد R22، 5/2 برابر آمونیاک و هر کیلوگرم مبرد R134، 7 برابر آمونیاک است)
5- از لحاظ نوع لوله کشی مورد استفاده
نوع لوله کشی در سردخانه فریونی از جنس مس می باشد اما از آن جایی که آمونیاک با مس واکنش می دهد و باعث خوردگی می شود، نمی توان در سردخانه های آمونیاکی از مس در لوله کشی استفاده کرد.
تأثیر نوع سیال مبرد بر طراحی سردخانه ها
تفاوت نوع سیال مبرد باعث می شود که در تعیین ابعاد هر بخش تفاوت هایی ایجاد شود. مهم ترین عوامل موثر که روی ابعاد دستگاه و در مجموع روی ظرفیت سرمایشی سردخانه ساخته شده تأثیر می گذارد، نرخ انتقال حرارت سیال مبرد و دمای جوش آن است. به همین خاطر است که از سیال آمونیاک به جهت داشتن نرخ انتقال حرارت بالا اغلب در ساخت سردخانه های صنعتی با ابعاد و ظرفیت های بزرگ استفاده می شود و از سیال مبرد فریون در ساخت سردخانه های کوچک و متوسط بهره می گیرند.
نکات مهم و قابل توجه جهت طراحی سردخانه های آمونیاکی
آمونیاک نرخ انتقال حرارت بالاتر و دمای جوش پایین تری نسبت به فریون دارد. علاوه بر این، آمونیاک در صنایع پتروشیمی به مقدار زیاد قابل تولید است. به همین خاطر گاز آمونیاک برای طراحی سردخانه های صنعتی به عنوان یک سیال مبرد با قابلیت های مناسب قابل دسترسی است. به دلیل همین ویژگی های مناسب، اغلب در ساخت سردخانه های بزرگ و زیر صفر به سراغ این سیال مبرد می روند. سیکل های تبرید آمونیاک اغلب به صورت چند سیکل در کنار هم طراحی می شود.
مطالعه بیشتر: سردخانه زیر صفر چیست و قیمت سردخانه زیر صفر
در هر سیکل نیز از دو تا چهار کمپرسور اینورتر استفاده می شود به این جهت که اگر به هر علتی یکی از سیکل های تبریدی از کار افتاد، کل فرآیند سرمایش مختل نشود و سردخانه بتواند همچنان با ظرفیت پایین تر به عملکرد خود ادامه دهد. به خاطر نرخ انتقال حرارت بالای آمونیاک، ابعاد کندانسورها و اواپراتورهای در سیکل های تبرید کوچک تر خواهد شد. به همین دلیل طول خط لوله مربوط به سیکل تبریدی نیز می تواند کوتاه تر باشد. البته کاهش قطر خط لوله و طول آن در ابعاد نسبتاً کوچک تأثیر ناچیزی در صرفه جویی در مراحل ساخت و طراحی سردخانه دارد اما زمانی که برنامه ریزی جهت ساخت یک سردخانه بزرگ انجام می پذیرد، کاهش قطر و طول خط لوله باعث می شود صرفه جویی قابل توجهی صورت بگیرد.
البته در کنار نکات مثبت ذکر شده، استفاده از گاز آمونیاک می تواند باعث بروز مشکلات و دردسرهایی نیز بشود. یکی از نکات قابل توجه در این زمینه بحث سمی و قابل اشتعال بودن آمونیاک می باشد. نشت گاز آمونیاک در سیکل های تبریدی ممکن است باعث به وجود آمدن مشکلاتی مانند مسمومیت افراد در معرض گاز یا افزایش خطر آتش سوزی شود. البته با توجه به بوی تند گاز آمونیاک، در صورت وجود نشتی این امر خیلی زود مشخص می شود. با این وجود، لازم است در سردخانه های آمونیاکی دستورالعمل های ایمنی با دقت بسیار بالا پیاده سازی شوند و به طور مرتب خط لوله مورد ارزیابی قرار بگیرد.
یکی دیگر از مشلات عمده در سردخانه های آمونیاکی مسئلۀ خوردگی خط لوله است که این اتفاق با ورود هوا یا رطوبت به سیکل تبریدی قابلیت تشدید شدن دارد به خصوص اینکه در انتهای خط لوله فشار سیال کمتر از فشار اتمسفر است و سوراخ شدن خط لوله در انتهای مسیر می تواند منجر به مکش جریان هوا به درون سیکل تبرید شود.
نکات مهم و قابل توجه جهت طراحی سردخانه فریونی
مهم ترین مشکلی که استفاده از گاز فریون به وجود می آورد، تأثیر آن روی محیط زیست است. این گاز باعث نابود شدن مولکول های اوزون شده و این امر سبب تسریع در روند سوراخ شدن لایۀ اوزون می شود. به همین دلیل محدودیت های قابل توجه برای استفاده از ترکیبات فریونی وضع شده و امروزه میزان ساخت سردخانه فریونی محدودتر از گذشته شده است. با این وجود ترکیبات فریونی مجازی نیز وجود دارد که طراحان سردخانه های صنعتی از آن ها استفاده می کنند. ترکیباتی استفاده از آن ها خطرات به مراتب کمتری برای محیط زیست و لایۀ اوزون دارند.
سردخانه فریونی را می توان به صورت پیش ساخته نیز در محل مورد نظر نصب کرد. مسئلۀ خوردگی قطعات سیکل تبرید، موضوع دیگری است که در سردخانه های فریونی به مراتب کمتر پیش می آید. دستورالعمل های مشخصی برای پیشگیری از مشکلات ناشی از نشت گاز فریون وجود دارد. در صورت خرابی خط لوله یا سایر دستگاه های موجود در سیکل تبرید، لازم است در ابتدا گاز فریون به طور کامل تخلیه شود و پس از تعمیرات لازم، دوباره شارژ سیال صورت بگیرد. موضوعی که می تواند باعث تحمیل هزینه های تعمیرات بالاتری برای کاربران سردخانه های فریونی شود.
سخن پایانی
در این مطلب سعی شد تا درباره سردخانه فریونی، مزایا و معایب آن و شباهت ها و تفاوت های آن با سردخانه های آمونیاکی صحبت شود و هم چنین جزئیات مرتبط با سردخانه فریونی به طور کامل مورد بررسی قرار گرفت تا خواننده بتواند مقایسه خوبی بین سردخانه فریونی و آمونیاکی داشته باشد.
2 پاسخ
بسیار عالی بود مطلب سردخانه
شیوا ورسا و قابل فهم و درک مطلب را خیلی ساده و روان کرده و این بی‌نظیر است خسته نباشید