مبرد چیست و انواع مبرد ها و سرمازا

سیکل تبرید و مبرد

در وسایل مختلف سرمایشی مختلف از جمله چیلرها، یخچال ها، کولرهای گازی و … از سیکل های تبرید برای ایجاد سرمایش استفاده می شود. در واقع این دستگاه ها با استفاده از سیکل های ترمودینامیکی تبرید، حرارت را بر خلاف جهت طبیعی، از محیط سرد دریافت کرده و به محیط گرم منتقل می کنند.

سیکل های تبرید از مراحل یا فرآیندهای مختلفی تشکیل می شوند و سیال عاملی که این فرآیندها را طی می کند مبرد (Refrigerant) نامیده می شود. پرکاربردترین سیکل های تبرید، سیکل تبرید هوایی، سیکل جذبی و سیکل تبرید تراکمی بخار هستند. سیکل تبرید هوایی بیشتر در صنایع هوایی برای تهویه فضای داخل هواپیماها به کار می رود.

سیکل جذبی نیز در طراحی برخی از چیلرها به کار گرفته می شود. در این بین، پرکاربردترین مورد سیکل تبرید تراکمی بخار است که در انواع وسایل سرمایشی از یخچال های خانگی تا چیلرهای بزرگ صنعتی کاربرد دارد.

یک سیکل تبرید تراکمی دارای چهار بخش اصلی است که عبارتند از اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط. همچنین این سیکل ترمودینامیکی از چهار فرآیند تشکیل شده است که هر کدام در یکی از چهار جزء مذکور انجام می گیرند. چهار فرآیند سیکل تبرید تراکمی عبارتند از:

• دریافت حرارت و تبدیل مبرد از مخلوط بخار و مایع اشباع سرد به بخار اشباع سرد (اواپراتور)
• افزایش فشار و دما و تبدیل مبرد از بخار اشباع سرد به بخار سوپرهیت گرم (کمپرسور)
• از دست دادن حرارت و تبدیل مبرد از بخار سوپرهیت به مایع سابکولد کندانسور (مطالعه بیشتر: محاسبه سوپرهیت و محاسبه سابکول در سیکل تبرید)
• کاهش فشار و دما و تبدیل مبرد از مایع اشباع به مخلوط بخار و مایع اشباع سرد (شیر انبساط)

این چرخه در شکل زیر نشان داده شده است. (مطالعه بیشتر: سیکل تبرید چیست ؟ آشنایی با انواع آن و نحوه عملکرد)

خواص مبرد

با توجه به نحوه کار سیستم های سرمایشی و سیکل تبرید تراکمی مورد استفاده در آن ها، می توان گفت که مشخصات ترمودینامیکی مبرد تعیین کننده عملکرد این سیستم ها است. فشار در سیستم نباید خیلی زیاد یا کم باشد.

فشار کمتر از اتمسفر نامطلوب است چرا که می تواند باعث مکش هوا به داخل سیستم شده و مشکلاتی مثل جمع شدن هوا در کندانسور، یا یخ زدن و مسدود شدن شیر انبساط را در پی داشته باشد.

از طرف دیگر فشار کندانسور یا اختلاف فشار کندانسور و اواپراتور نباید خیلی زیاد باشد، چرا که هر چه نسبت فشار کندانسور به اواپراتور بیشتر باشد به کمپرسور قوی تری نیاز خواهد بود. در مواردی که اختلاف دمای منابع گرم و سرد و در نتیجه اختلاف فشار کندانسور و اواپراتور زیاد است باید از کمپرسورهای دو مرحله ای استفاده شود. ( درباره تفاوت تفاوت اواپراتور و کندانسور بیشتر بدانید. )

همچنین هرچه چگالی بخار یا گرمای نهان مبرد کمتر باشد ظرفیت یا دبی حجمی کمپرسور باید بیشتر باشد. به طور کلی چگالی بخار ضرب در گرمای نهان مبرد معیاری از میزان ظرفیت سرمایشی سیستم است. نکته دیگری که در هنگام انتخاب مبرد لازم است مد نظر قرار گیرد آن است که دمای بحرانی مبرد باید بالاتر از دمای کندانسور و دمای انجماد آن پایین تر از دمای اواپراتور باشد.

برای مشاهده تأثیر خواص مبردها بر عملکرد سیکل تبرید، وضعیت یک سیکل تبرید تراکمی بخار ایده­آل فرضی برای چند نوع مبرد مختلف در قالب جدول زیر نشان داده شده است. در این سیکل فرضی، دمای اواپراتور C -15 و دمای کندانسور C 30 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.

علاوه بر موارد اشاره شده در بالا، مبرد باید از نظر شیمیایی، ایمنی، محیط زیستی و سازگاری با سیستم نیز دارای مشخصات مطلوبی باشد که می توان مهم ترین آن ها را به صورت زیر خلاصه کرد:

• شیمیایی: پایدار و خنثی
• ایمنی، سلامتی و زیست محیطی: غیر سمی، اشتعال ناپذیر، بی خطر برای محیط زیست
• حرارتی و سیالاتی: دمای بحرانی و دماهای اشباع مناسب برای کاربرد مورد نظر، ظرفیت گرمایی بخار کم، ویسکوزیته کم، ضریب رسانش حرارتی بالا
• سایر موارد: قابلیت حل/مخلوط شدن با روغن مناسب، ضریب دی الکتریک بالا، نقطه انجماد پایین، امکان نشتی یابی آسان، قیمت پایین

شرایط ذکر شده، شرایط و مشخصات ایده آل برای یک مبرد هستند و هیچ مبردی همه این مزایا را به طور هم زمان ندارد. بنابراین انتخاب مبرد برای هر سیستم سرمایشی بسته به شرایط به کارگیری آن، باید با سبک و سنگین کردن پارامترهای مختلف و در نهایت انتخاب بهترین گزینه انجام گیرد.

انواع مبردها

به طور کلی انواع مبردهای مورد استفاده در صنایع تبرید را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:

• هالوکربن ها
• هیدروکربن ها
• ترکیبات غیر آلی
• مخلوط ها

در ادامه توضیحات بیشتری راجع به زیرمجموعه ها، مشخصات و کاربرد هر یک از این مبردها ارائه می شود.

هالوکربن ها

هالوکربن ها به گروهی از ترکیبات آلی گفته می شود که از یک یا چند اتم کربن و اتم های هالوژن (در این جا کلر و فلوئور) تشکیل می شوند. مبردهای هالوکربن خود به چهار دسته کلوروفلوئوروکربن ها (CFC)، هیدروکلورفلوئوروکربن ها (HCFC)، هیدروفلوئوروکربن ها (HFC) و فلوئوروکربن ها (FC) تقسیم می شوند.

هیدروکربن ها

امکان استفاده از برخی هیدروکربن ها مثل متان، اتان، پروپان و بوتان به عنوان مبرد وجود دارد. هیدروکربن ها مشکلات زیست محیطی کمتری دارند به طوری که به لایه اوزون آسیبی وارد نمی کنند (ODP = 0)  و اثر گلخانه ای مستقیم بسیار کمی دارند (GWP < 5)، ولی به شدت اشتعال پذیر هستند.

استفاده از هیدروکربن ها به عنوان مبرد تقریباً محدود به اروپا است، چرا که در بیشتر کشورهای دیگر استفاده از گازهای اشتعال پذیر در کاربردهای عمومی ممنوع است. با این حال، استاندارد IEC 355.2.20 اجازه استفاده از هیدروکربن ها در یخچال های خانگی با شارژ مبرد تا 150 گرم را می دهد. بر اساس این استاندارد برخی از شرکت های سازنده یخچال اروپایی، یخچال های خانگی با مبرد ایزوبوتان یا R-600a تولید می کنند.

ترکیبات غیر آلی

ترکیبات غیر آلی از جمله قدیمی ترین سیالاتی بودند که در اولین سیستم های تبرید به کار گرفته می شدند و برخی از آن ها مانند آمونیاک و دی اکسید کربن تا به امروز نیز جایگاه خود را به عنوان مبردهایی با خواص ترمودینامیکی بسیار خوب حفظ کرده اند.

مهم ترین مبردهای غیرآلی عبارتند از آمونیاک (R-717)، دی اکسید کربن (R-744)، هوا (R-729) و آب (R-718). در این بین با توجه به اهمیت بیشتر آمونیاک و دی اکسید کربن، توضیحات بیشتری راجع به این دو مبرد ارائه می شود:

آمونیاک

 آمونیاک با فرمول شیمیایی NH3 و عنوان R-717 به دلیل خواص ترموفیزیکی مناسب و قیمت پایین گزینه جذابی برای استفاده به عنوان مبرد محسوب می گردد. این مبرد از سال 1840 در سیستم های تبرید و از سال 1860 در سیکل های تراکم بخار مورد استفاده قرار گرفته است.

یکی از مزایای آمونیاک اثر تبرید بسیار بزرگتر آن نسبت به سایر مبردها است (جدول بالا). این خاصیت موجب می شود که مقدار مبرد لازم برای راه اندازی سیکل تبرید کمتر بوده و دبی خروجی کمپرسور نیز کوچکتر باشد. با توجه به این خواص، سیستم های تبرید آمونیاکی معمولاً بازده بیشتری نسبت به سایر سیستم های تبرید دارند.

علاوه بر خواص ترمودینامیکی مناسب، آمونیاک سازگاری بسیار خوبی نیز با محیط زیست دارد، به طوری که هیچ خطری از نظر تخریب لایه اوزون یا گرمایش زمین ندارد (ODP = 0 و GWP = 0).

با این حال، آمونیاک ماده ای به شدت سمی است و این خاصیت مانع اصلی در برابر استفاده گسترده از آن در سیکل های تبرید است؛ هرچند بوی تند و شدید آن سبب تشخیص سریع و آسان نشتی شده و این خود تا حدودی خطرات استفاده از این مبرد را کاهش می دهد.

لازم به ذکر است که آمونیاک سبک تر از هوا بوده و لذا سنسور تشخیص آن باید در نزدیکی سقف نصب گردد. آمونیاک همچنین در نسبت های حجمی %25-16 در هوا قابلیت اشتعال دارد و موجب خوردگی بعضی از فلزات و آلیاژها مانند مس، برنج، برنز و قلع می شود. با توجه به  مجموع این عوامل، امروزه استفاده از آمونیاک محدود به صنعت یا سردخانه های بزرگ و مشروط به آموزش مناسب کارکنان و اتخاذ تدابیر ویژه ایمنی است.

سردخانه های آمونیاکی یکی از معروف ترین سردخانه هایی هستند که با آمونیاک کار میکنند و برای کسب اطلاعات بیشتر میتوانید مقاله سردخانه آمونیاکی چیست| نحوه کار سردخانه های آمونیاکی را بخوانید. همچنین مقاله سردخانه فریونی چیست و تفاوت سردخانه فریونی و آمونیاکی در مورد تفاوت سردخانه آمونیاکی و فریونی نوشته شده است و خواندن آن خالی از لطف نیست.

کربن دی اکسید

مبرد R-744 یا کربن دی اکسید با فرمول شیمیایی CO2 خواص جذابی برای استفاده در سیستم های تبرید دارد. این مبرد، غیر قابل اشتعال بوده، خطری برای لایه اوزون ندارد، دارای شاخص سَمیَت (Toxicity Index) بسیار پایینی است و در مقادیر زیاد با قیمت کم در دسترس است. البته این مبرد فشار کاری بالا (تقریباً 10 برابر بیشتر از R-134a) و بازده کمی دارد.

به همین دو دلیل، سیکل تبرید و فناوری مربوط به آن خصوصاً مبدل های حرارتی و وسایل انبساط نیاز به تغییر و بهبود دارند. به نظر می رسد یکی از موارد استفاده از CO2 به عنوان مبرد در آینده نزدیک، تهویه مطبوع در صنعت خودروسازی است. همچنین CO2 گزینه مناسبی برای به کار گیری در پمپ های حرارتی است چرا که با استفاده از آن می توان حتی در هوای بسیار سرد محیط، دماهای بالایی را به وجود آورد.

مخلوط ها

این مبردها مخلوطی از چند مبرد خالص هستند که برای ایجاد خواص مورد نیاز با یکدیگر مخلوط شده اند. مخلوط ها خود به دو دسته آزئوتروپیک (Azeotropic) و زئوتروپیک (Zeotropic) تقسیم می شوند. مخلوط های آزئوتروپیک رفتاری شبیه یک ماده خالص دارند و اجزاء مخلوط با تبخیر و چگالش از یکدیگر جدا نمی شوند.

در مقابل، اجزاء مخلوط های زئوتروپیک در تبخیر و چگالش رفتار متفاوتی داشته و از یکدیگر جدا می شوند؛ به طوری که در هنگام تبخیر، ابتدا ماده فرار به نقطه جوش رسیده و تبخیر می شود و غیر فرارترین جزء در آخر تبخیر می شود. چگالش یا میعان نیز به ترتیب معکوس انجام می گیرد.

مبردهای سری R-400 مانند R-407c و R-410a مخلوط های زئوتروپیک و مبردهای سری R-500 مانند R-502 و R-507 مخلوط های آزئوتروپیک هستند.

طبقه بندی مبردها

مبردهای به کار رفته در سیستم های تبرید را می توان به طور کلی به دسته های زیر تقسیم بندی کرد:

• (CC) یا کلرو کربن ها: شامل دو عنصر کلر و کربن هستند. مانند R10.
• (CFC) یا کلرو فلوئورو کربن: شامل سه عنصر کلر، فلوئور، و کربن هستند. مانند: R11، R12، و R502.
• (BFC) یا برومو فلوئورو کربن: شامل سه عنصر برم، فلوئور، کربن هستند. مانند: R13B1 و R22B1.
• (HCFC) یا هیدرو کلرو فلوئورو کربن: شامل چهار عنصر هیدروژن، کلر، فلوئور، و کربن هستند. مانند: R22، R401a، R402B.
• (HFC) یا هیدرو فلوئورو کربن: شامل سه عنصر هیدروژن، فلوئور، و کربن هستند. مانند: R134a، R404a، و R507
• (PFC) یا فلوئورو کربن: شامل دو عنصر فلوئور و کربن هستند. مانند: R1، R218، و R116
• (HC) یا هیدروکربن: شامل دو عنصر هیدروژن و کربن هستند. مانند: R50، R600، R290.
• مبردهای غیر آلی: این مبردها شامل R717، R744، و R718 هستند.

تقسیم بندی مبرد ها از لحاظ کاربرد در ایجاد برودت

• مبردهایی که بطور معمول در سیستم های تهویه مطبوع بکار گرفته می شوند. مانند: R407C و R410a
• مبردهایی که هم در سیستم های تهویه مطبوع و هم در سیستم های تبرید (ایجاد دمای نه چندان پایین) استفاده می گردند. مانند: R134a و R22
• مبردهایی که در سیستم های تبرید (ایجاد دمای پایین) استفاده می گردند. مانند: R404a و R502
• مبردهایی که در سیستم های تبرید (ایجاد دمای بسیار پایین) استفاده می گردند. مانند: R23، R13 و R503

جمع بندی

برای ایجاد سرمایش در وسایل سرمایشی از سیکل های تبرید استفاده می شود. سیال عامل سیکل های تبرید سیالی است که مبرد نامیده شده و بین اجزاء مختلف سیستم سرمایشی در جریان است. مبرد با طی کردن چندین فرآیند ترمودینامیکی که یک سیکل ترمودینامیکی را تشکیل می دهند حرارت را بر خلاف جهت طبیعی آن از محیط سرد به محیط گرم منتقل می کند.

مبرد باید دارای خواص ترموفیزیکی و شیمیایی مناسب باشد، برای محیط زیست خطری نداشته و غیر اشتعال پذیر و غیر سمی باشد. البته هیچ مبردی همه شرایط فوق را به طور یکجا برآورده نمی کند و تعیین مبرد مناسب برای یک سیکل تبرید باید به صورت بهینه و بر اساس شرایط و الزامات سیستم سرمایشی انجام گیرد. ( درباره انواع مبدهای حرارتی بیشتر بدانید. )

مبردها به طور کلی در چهار دسته هالوکربن ها، هیدروکربن ها، ترکیبات غیر آلی و مخلوط ها قرار می گیرند. هر یک از این چهار دسته خود دارای زیر مجموعه ها و انواع مختلفی هستند که از گذشته تا کنون در سیکل های تبرید و سیستم های سرمایشی مختلف به کار گرفته شده اند.

سوالات متداول مبرد