انواع مبردها
مبرد ماده ای است که با جذب حرارت از ماده دیگر در سیکل ها تبرید کاربرد دارند.با توجه به چرخه تبرید تراکمی می توان دریافت که ماده مبرد همان سیال عامل چرخه است که با تبخیر و چگالش متناوب خود حرارت را جذب و دفع می کند. در شرایط عملی هیچ نوع مبرد ایده آلی وجود ندارد.
همچنین هیچ گونه ماده مبردی هم وجود ندارد که برای همه کاربردها و در همه شرایط مناسب باشد. به طور کلی مبردها به دو نوع تقسیم می شوند: نوع اول مبردهایی هستند که در چرخه اصلی تبرید جریان دارند(مانند فریون و آمونیاک در چرخه تبرید تراکمی) و با عنوان مبردهای اولیه شناخته می شوند.
نوع دوم مبردهایی هستند که به عنوان واسطه تبرید عمل می کنند(مانند آب در فن کویل و هوای عبوری از روی اواپراتور) و به مبردهای ثانویه معروف هستند.
انواع مبردها براساس ترکیبات شیمیایی آنها
مبردها از نظر ترکیبات شیمیایی به چهارگروه عمده تقسیم می شوند که عبارتند از:
1-ترکیبات هالوکربن 2- هیدروکربن ها 3- ترکیبات غیرآلی 4-آزئوتروپ ها
ترکیبات هالوکربن
گروه هالوکربن شامل مبردهایی هستند که از جانشینی هالوژن هایی همچون کلر،برم و فلوئور به جای یک یا چند اتم هیدروژن در هیدروکربن ها به وجود می آیند.این گروه به ترکیبات کلروفلوئوروکربن(CFC)،هیدروکلروفلوئوروکربن(HCFC) و هیدروفلوئوروکربن(HFC)معروفند.
هیدروکربن ها
تعدادی از هیدروکربن ها مانند متان، اتان و پروپان به عنوان یک مبرد ویژه در صنایع نفت و پتروشیمی استفاده می شوند.
ترکیبات غیرآلی
بسیاری از مبرهای اولیه ترکیبات غیرآلی همچون آب،آمونیاک،هوا،دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد هستند که برخی از آن ها اهمیت خود را در صنایع تبرید تا به امروز حفظ کرده اند.
آزئوتروپ ها
در برخی از مواقع از مخلوط چند مبرد درتبرید استفاده می شود. به طور کلی مخلوط ها به دو دسته آزئوتروپها و غیرآزئوتروپها تقسیم می شوند.مخلوط های آزئوتروپ،مخلوط هایی هستند که مانند یک ماده واحد عمل کرده و با تبخیرو چگالش قابل تجزیه نیستند.
درواقع خواص مخلوط آزئوتروپ به گونه ای است که با خواص اجزای تشکیل دهنده خود متفاوت بوده و به صورت ماده ای جداگانه تبخیر یا چگالیده می شود.
مطالعه مبردها از نظر ایمنی و آثار زیست محیطی آن ها
در بررسی مبردها از نظر ایمنی دو مشخصه مهم مورد توجه قرار می گیرد. این دو مشخصه میزان سمی و قابل اشتعال بودن مبرد هستند. مبرد ها براساس این دو مشخصه به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتند از:
1-مبردهای غیرسمی و غیرقابل اشتعال(ایمن)که بی خطرترین مبردها می باشند.مبردهایی همچونR-22،R-113،R-114،R-134a از این دسته هستند.
2-مبردهای سمی و تاحدی قابل اشتعال مانند آمونیاک (R-717)،R-140 وR -792.به طورویژه آمونیاک با نسبت16 تا 25% حجمی در هوا قابلیت اشتعال دارد.همچنین اگر آمونیاک با غلظت1 تا1.5% در زمان بیش از نیم ساعت در معرض تماس قرارگیرد،آسیب رسان ومرگ آور است.البته این مورد برای مبردR-12 تا غلظت حجمی20% وزمان2ساعت افزایش یابد.
3-مبردهای سمی و قابل اشتعال که خانواده هیدروکربن ها نظیرمتان،بوتان،الکل ها و اتیلن از این جمله هستند.
از نظر زیست محیطی،موضوع تخریب لایه اوزون به وسیله برخی مبرها از اهمیت ویژه ای برخورداراست.دراوایل دهه1970 اعلام شد،ترکیبات کلروفلوئوروکربن(CFC)باعث از بین رفتن لایه اوزون که در استراتسفر قرار دارد،می شوند.
در واقع کلر موجود در این ترکیبات آزاد شده و وارد محیط می شود.سپس با اوزون(O3)ترکیب شده و در نتیجه لایه اوزون تخریب می شود.تخریب لایه اوزون باعث تابش بیشتر اشعه مادون بنفش به روی زمین می شود و در عین حال از خروج اشعه مادون قرمز از جو زمین جلوگیری می کند.نتیجه این فرایندها،گرم شدن زمین و افزایش امراض پوستی همچون سرطان پوست است.
معیارها و پارامترهای تعیین کننده درانتخاب مبردها
یکی ازپارامترهای تعیین کننده در انتخاب مبرد،دمای محیط سردشده و دمای خارج(گرم)است.اختلاف دمای حدود 5تا10 درجه سانتی گراد،باید بین مبرد و محیط سرد یا گرم(در اواپراتور و کندانسور)وجود داشته باشد.
به منظور داشتن انتقال حرارت مطلوب بین مبرد ومحیط خارجی،وجود چنین اختلاف دمایی در اواپراتور یا کندانسور ضروری است.برای مثال اگردمای فضای سرد-10 C0 باشد،دمای مبرد در اواپراتور باید-20 C0 باشد.
با استفاده از این دما می توان فشاراشباع را از جدول اشباع مبرد مربوطه به دست آورد.این فشارباید در صورت امکان ازفشار اتمسفرمحیط بیشتر باشدتاهوا به داخل اواپراتورنفوذ نکند.پارامتر های زیادی در انتخاب یک مبردمناسب موثر است.این پارامترها عبارتنداز:
1-فشاراشباع مبرد دردمای اواپراتورخیلی پایین نباشد تا از نفوذونشت هوا به داخل سامانه جلوگیری شود.
2-فشاراشباع مبرد در دمای کندانسور خیلی بالا نباشد.درواقع کمترین اختلاف فشار بین کندانسور و اواپراتور وجود داشته باشد،تا توان موردنیاز درکمپرسور هم کمتر شود. همچنین با این کار از سنگین و حجیم شدن سامانه تبرید جلوگیری می شود.
3-آنتالپی نهان تبخیرمبرد در فشار اواپراتور بالا باشد.دراین صورت اثرتبرید بالا و دبی جرمی موردنیاز حداقل می شود.
4-مبرد سمی و قابل اشتعال و انفجارنباشد.
5-از نظرشیمیایی ماده مبرد پایدار باشد،به گونه ای که در دمای بالا تجزیه نشود.
6-یکی از عوامل خیلی مهم،قابلیت آمیخته شدن مبرد باروغن کمپرسور بدون از دست دادن ویژگی های خود و انجام واکنش شیمیایی است. به اصطلاح مبرد بایدبا روغن روانکاری کمپرسور سازگاری داشته باشد.
7-از نظر اقتصادی ماده مبرد ارزان و دردسترس باشد.
8-رطوبت در مبرد اثر نکند.اغلب مبردها با جذب رطوبت(در مجاورت با آب)،باعث خورندگی در اجزای سامانه تبرید یا یخ زدگی در شیر انبساط می شوند.
9-دمای بحرانی مبردبالاتر ازدمای کندانسورو ودمای انجمادآن پایین تر از دمای اواپراتور باشد تا یخ نزند.
10-مبرد نباید قابلیت خورندگی داشته باشد.برای مثال آمونیاک در مجاورت آب با فلزات مس،برنج و دیگر آلیاژهای مس واکنش انجام داده و باعث خورندگی آن ها می شود.بنابراین در سامانه های با مبرد آمونیاک از لوله ها و تجهیزات فولادی استفاده می شود.
11-حجم جابه جایی(حجم ویژه)مبرد پایین باشد.حجم ویژه بالا مستلزم به کارگیری سیلندر کمپرسور با حجم جابه جایی بالاتر و در نتیجه افزایش حجم و وزن کمپرسور خواهد شد.شایان ذکر است که اگر در یک سامانه تبرید نسبت فشار تعیین شده برای یک کمپرسور بالا و حجم ویژه مبرد کم باشد،از کمپرسور رفت و برگشتی و به عکس اگر نسبت فشارکم و حجم ویژه مبرد بالا باشد،از کمپرسور گریزازمرکز استفاده می شود.
12-از نظر زیست محیطی پتانسیل پایین مبرد در تخریب لایه اوزون(ODP) وگرم کردن کره زمین(GWP)،از فواید بسیارمهم برای یک مبرد مناسب است.
کاربرد اصلی برخی از مبردهای رایج
هوا: این مبرد در سرمایش و تولید دماهای بسیار پایین(فناوری کرایوژنیک) به کار می رود.وزن کم سامانه تبرید هوایی،پایین بودن ضریب عملکرد این نوع سامانه را جبران می کند.
آمونیاک: کاربرد اصلی آن در تاسیسات بزرگ صنعتی با درجه حرارت پایین است.از آنجا که این مبرد تا حدی سمی است،بنابراین استفاده از آن در مصارف خانگی پیشنهاد نمی شود.همچنین با توجه به اینکه این مبرد هیچ گونه تاثیری بر لایه اوزون ندارد،بر کاربرد آن افزوده شده،به گونه ای که هر ساله سامانه های آمونیاکی جدیدی به بازار عرضه شده و شروع به کار می کنند.
دی اکسید کربن: برخی مواقع به منظور انجماد تماس مستقیم موادغذایی از این مبرد استفاده می شود.
مبردR-22: در سامانه های تهویه مطبوع استفاده می شود.
مبردR-134: از آنجا که این مبرد اثر تخریبی بر لایه اوزون ندارد،بنابراین جایگزین مبردR-12در یخچال های خانگی و تهویه مطبوع اتومبیل شده است.
مبردR-502: مخلوطی ازR-12وR-115 است که در سامانه های تبرید تجاری(مانند سوپرمارکت ها) به کار می رود.
مبردهای ثانویه:
مبردهای ثانویه موادی هستند که حرارت را از ماده ای که قرار است سرد شود،به اواپراتور سامانه تبرید منتقل می کنند.برای مثال آب جریان یافته در یک فن کویل،یک مبرد ثانویه است.همچنین هوای عبوری از روی اواپراتور یک مبرد ثانویه می باشد.
در بسیاری اوقات مبرد ثانویه با دمای انجماد زیرصفر موردنیاز است.بنابراین استفاده از آب با دمای انجماد صفر مناسب نبوده و محلول هایی مانند آب نمک و ضدیخ ها پیشنهاد می شود.اغلب ضدیخ های رایج محلول آب و اتیلن گلیکول،آب و پروپیلن گلیکول و یا آب و کلرید کلسیم هستند.پروپیلن گلیکول ویژگی منحصر به فرد ایمنی را هنگام تماس با موادغذایی دارد.