انواع مبردهای مورد استفاده در صنایع تهویه مطبوع و تبرید و تاثیرات زیست محیطی آن‌ ها

انواع مبردها

مبردهای به گروه‌های کلی زیر تقسیم می‌ شوند.

تذکر: معمولا مبردها سنگین‌ تر از هوا بوده و در صورت نشت می‌ توانند جایگزین هوا در ارتفاع کم‌ تر شده و منجر به خفگی شوند.

مبردهای کلرو فلرو کربن (CFC)

این مبردها حاوی کلر، فلور و کربن بوده و به عنوان مضرترین مبردها شناخته می‌ شوند چرا که مولکول‌ های آن قبل از رسیدن به استراتوسفر از بین نمی‌ روند. ساختار شیمیایی پایدار آن‌ها باعث می‌ شود تا این مولکول‌ ها به استراتوسفر رسیده و  باعث تخریب لایه اوزون شوند. CFC ها علاوه بر تخریب لایه اوزون بر گرمایش جهانی هم تاثیرات منفی دارند. از اول جولای 1992 تخلیه عمدی این گازها به اتمسفر غیرقانونی شده است. در جدول زیر تعدادی از این مبردها به همراه نام و فرمول شیمیایی آن‌ها آورده شده است.

        

تمام مبردهای گروه CFCها در انتهای 1995 منسوخ شده‌ اند. مبرد R-12 یکی از پرکابردترین مبردهای این دسته بوده چرا که به طور معمول برای تجهیزات تبریدی خانگی و تجاری سبک استفاده می‌ شده است. سایر مبردهای این گروه هم کاربردهایی داشته‌ اند که هر کدام بسته به شرایط با مبردهای دیگری جایگزین شده‌ اند.

مبردهای HCFC

مبردهای HCFC شامل هیدروژن، فلور، کلر و کربن می‌ باشند. این نوع مبردها اگرچه مقدار کمی کلر دارند اما با توجه به وجود هیدروژن در آن‌ ها پایداری کم‌ تری در اتمسفر دارند، بنابراین پیش از رسیدن به استراتوسفر تجزیه شده و آسیب بسیار کم‌ تری به لایه اوزون می‌ رسانند. برنامه‌ هایی برای منسوخ کردن HCFC تا سال 2030 در نظر گرفته شده است. در اول جولای 1992 تخلیه عمدی HCFCها به اتمسفر غیرقانونی شده است. البته در این زمینه R-22 یک استثنا بوده و تجهیزات سازگار با آن از 2010 منسوخ شده‌ اند و تولید خود گاز نیز طبق پروتکل مونترال در سال 2020 منسوخ خواهد شد. این مبردها دارای پتانسیل گرمایش جهانی هستند اما به نسبت CFC ها این مقدار بسیار کم‌ تر می‌ باشد. از جمله مبردهای HCFC می‌ توان به موارد زیر اشاره کرد.

     

مبردهای HFC

سومین گروه از مبردها، HFC ها هستند که شامل هیدروژن، فلور و کربن می‌ باشند. مولکول‌ های HFC هیچ کلری نداشته لذا هیچ اثر تخریبی بر روی لایه اوزون هم ندارند اما تاثیر کمی بر روی گرمایش جهانی دارند. مبردهای HFC جایگزینی برای مبردهای CFC و HCFC هستند. در 15 نوامبر 1995 تخلیه عمدی مبردهای HFCها به محیط غیرقانونی شده است. طرح اصلی جایگزینی مبرد R-12 با مبرد R-134a بوده است اما این ایده با توجه به عدم سازگاری R-134a با روغن مخصوص R-12 کمی پیچیده شده است. علاوه بر این مبرد R-134a با مواد به کار رفته در ساخت سیستم‌ های R-12 سازگار نیست. با این حال اگر با تجربه عمل شود می‌ توان R-134a را به شرط تعویض کامل روغن و شست‌ و شوی سیستم برای پاک شدن باقی ماننده روغن، به جای R-12 به کار برد. در ضمن برای اطمینان از سازگاری مواد به کار رفته در ساخت سیستم باید بررسی لازم انجام شده و در صورت لزوم با سازنده تجهیزات تماس حاصل کرد. لیستی از مبردهای HFC را می‌ توان در جدول زیر مشاهده کرد.

     

مبردهای هیدروکربنی (HC)

مبردهای هیدروکربنی (HC) تنها شامل کربن و هیدروژن می‌ باشند بنابراین به دلیل عدم وجود کلر و فلور در ترکیب آن‌ ها، هیچ تاثیر تخریبی بر لایه اوزون ندارند. در واقع نرخ تخریب لایه اوزون در آن‌ها صفر (ODR=0) است. اگرچه این مبردها از نظر تاثیر بر گرمایش جهانی بهترین عملکرد را داشته و در بعضی از آن‌ ها این اثر به صفر می‌ رسد اما بعضی از آن‌ ها تاثیر کمی بر گرمایش جهانی دارند. این مبردها اشتعال پذیر بوده و به همین دلیل کاربرد آن‌ها محدود شده است. البته در شرایطی که از این مبردها با درصدهای کم به صورت ترکیبی استفاده شود چون اشتعال‌ پذیر نبوده، می‌ تواند کاربرد بیش‌ تری داشته باشد. از جمله این مبردها می‌ توان به پروپان، بوتان، ایزوبوتان، ایزوپنتان، متان و اتان اشاره کرد.

-شیوه نام‌ گذاری مبردها

نامیدن مبردها با ترکیب شیمیایی آن‌ ها می‌ تواند گیج کننده بوده و ما را با مشکلاتی همراه سازد به همین دلیل روشی برای نامیدن مبردها با توجه به ترکیبات آن‌ ها توسط کمپانی دوپونت[1] ارائه شده است. برای این روش باید رویه زیر را دنبال کرد:

  1. تعداد اتم‌ های فلور به عنوان رقم اول از سمت راست انتخاب می‌ شود.

  2. تعداد اتم‌ های هیدروژن به علاوه 1 به عنوان رقم دوم از سمت راست انتخاب می‌ شود.

  3. تعداد اتم‌ های کربن منهای 1 به عنوان رقم سوم از سمت راست انتخاب می‌ شود. اگر این عدد صفر است از آن صرف‌ نظر می‌ شود.

مثال 1:

[1] DuPont Company

تعداد اتم‌ های فلور: 3

تعداد اتم‌ های هیدروژن به علاوه 1: 2

تعداد اتم‌ های کربن منهای 1: 1

بنابراین نام مبرد به صورت HCFC-123 یا R-123 خواهد بود.

مثال 2:

تعداد اتم‌ های فلور: 2

تعداد اتم‌ های هیدروژن به علاوه 1: 1

تعداد اتم‌ های کربن منهای 1: 0

بنابراین نام مبرد به صورت CFC-12 یا R-12 خواهد بود.

حروف کوچک a، b، c و … که در انتهای نام مبردها می‌آید بیان گر چگونگی تقارن ترکیب مولکول‌ ها می‌ باشد. یک مثال این موضوع R-134a و R-134 می‌ باشد. این دو مورد، دو مبرد کاملا متفاوت با خواص متفاوت هستند. هر دو از نظر تعداد و نوع اتم‌ های تشکیل دهنده یکسان هستند اما چینش مولکولی آن‌ ها کاملا متفاوت می‌ باشد. به این نوع از مواد ایزومر[1] هم گفته می‌ شود. مبرد R-134a ایزومر مبرد R-134 می‌ باشد. در شکل‌ زیر ترکیب مولکول‌ ها دو مبرد مورد بحث ارائه شده است.

[1] isomers

                                      

                                                 شکل1. شماتیک مولکول‌ های مبرد R-134a و R-134 

مبردهای ترکیبی

مبردهای ترکیبی معمول در تهویه مطبوع یا آزئوتروپیک[1] یا شبه آزئوتروپیک[2] بوده و از دو یا چند مبرد تشکیل شده‌ اند. بعضی از ترکیبات مانند ترکیب مبرد R-12 و R-22 آزئوتروپیک بوده و در هنگام تغییر فاز از مایع به گاز مانند R-12 و R-22 عمل می‌ کنند. در واقع برای هر فشار کاری سیستم تنها یک نقطه جوش و یک نقطه چگالش وجود دارد. شکل 2 نمودار دما/فشار مواد آزئوتروپیک را نشان می‌ دهد. همان‌ طور که از شکل 2 مشخص است مبرد ترکیبی هم رفتاری مانند حالتی که هر کدام از مبردها به طور جداگانه وجود دارند از خود نشان می‌ دهد. ترکیبات آزئوتروپیک جدید نبوده و برای سال‌ هاست (بیش از 50 سال) که از نمونه‌ های آن مانند R-500 و R502 استفاده می‌ شود. بعضی از مبردهای ترکیبی هم به صورت شبه آزئوتروپیک می‌ باشند. مخلوط‌ های شبه آزئوتروپیک رفتاری متفاوت از مخلوط‌ های آزئوتروپیک دارند. این مخلوط‌ ها می‌ توانند به اجزای تشکیل دهنده تجزیه شده و رفتاری متفاوت از اجزای تشکیل دهنده داشته باشند. در ترکیبات شبه آزئوتروپیک به جای نقطه جوش و چگالش ترکیب دارای بازه جوش و چگالش است. به عبارت دیگر ترکیب شبه آزئوتروپیک دارای گلاید دما[3] می‌ باشد. در شکل 3 می‌ توان نمودار دما/فشار نمونه ترکیب‌ های شبه‌ آزئوتروپیک را دید. در ترکیبات شبه‌آزئوتروپیک ممکن است درصد اجزا با توجه به تفاوت جزیی در فشار بخار متفاوت باشد. در مبردهای ترکیبی شبه آزئوتروپیک به دلیل وجود گلاید دما و بازده انتقال حرارت بالای جوشش معمولا انتقال حرارت بهتر انجام می‌ شود چرا که به جای یک نقطه در یک بازه مبرد در حالت جوشش قرار می‌ گیرد و این در صورتی است که ظرفیت گرمایی مبرد در حالت جوشش بسیار بیش‌ تر از حالت تک فاز آن می‌ باشد. در حالت جوشش مبرد از ظرفیت گرمای نهان خود هم استفاده می‌ کند.

[1] Azeotropes

[2] Near-azeotropic

[3] Temperature Glide

                              

                شکل2. نمودار دما/فشار برای یک مبرد آزئوتروپیک         شکل3. نمودار دما/فشار برای یک مبرد شبه آزئوتروپیک                                            

لایه اوزون

اوزون شکلی از اکسیژن است که از سه اتم اکسیژن تشکیل شده است. در زیر یک مولکول اکسیژن استاندارد و یک مولکول اوزون نشان داده شده است.

                                       

                                                شکل 4. مولکول اکسیژن استاندارد و مولکول اوزون

اوزون در جو زمین در دو لایه تروپوسفر[1] (صفر تا 10 کیلومتر زمین) و استراتوسفر[2] (10 تا 40 کیلومتر زمین) وجود دارد (شکل5).

[1] troposphere

[2] stratosphere

                                                                           

                                                                  شکل 5. لایه‌ های مختلف جو زمین

اوزونی که در لایه استراتوسفر قرار گرفته است بسیار مهم می‌ باشد چرا که از رسیدن تابش اشعه‌ های مضر فرابنفش[1] به زمین جلوگیری می‌ کند. البته تروپوسفر هم دارای لایه اوزون می‌ باشد اما با توجه به آلودگی از اهمیت بسیار کم‌ تری برخوردار است. تروپوسفر یا لایه‌ های پایین‌ تر اتمسفر که تا فاصله 10 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند تنها شامل 10% تمام اوزون زمین هستند. تاثیر نور خورشید بر روی اوزون موجود در لایه تروپوسفر باعث ایجاد اوزون مضر می‌ شود. این اوزون از زمین به صورت متمال به آب به نظر رسیده و در صورتی که تنفس شود، غشای مخاطی[2] را با مشکل رو به رو می‌ کند. لایه استراتوسفر بیش از 90% اوزون موجود در جو زمین را به خود اختصاص داده است اما متاسفانه به دلیل ترکیبات شیمیایی ساخته دست بشر مانند CFCها و HCFCها که حاوی کلر هستند، این لایه ‌به سرعت در حال نابودی می‌ باشد. وقتی اوزون در استراتوسفر تشکیل می‌ شود، بیش‌ تر آن توسط اشعه‌ های فرابنفش قوی خورشید که فرکانس‌ هایی به بزرگی اشعه ایکس دارند تجزیه می‌ گردند. اشعه خورشید مولکول اوزون () را به یک مولکول اکسیژن () و یک اکسیژن تک اتمی () می‌ شکند (شکل 6). به صورت هم زمان با این واکنش اوزون از طریق واکنش اکسیژن تک اتمی با مولکول‌ های اکسیژن تولید می‌ شود. بنابراین اوزون به صورت طبیعی در لایه استراتوسفر مصرف شده و دوباره تولید می‌ شود. این توازن برای میلیون‌ ها سال برقرار بوده است اما متاسفانه در چند دهه اخیر به واسطه استفاده از ترکیبات شیمیایی مضر این توازن بر هم خورده است.

[1] ultraviolet radiation (UV-B)

[2] mucous membranes

 

                                  

                                        شکل 6. شماتیک تجزیه مولکول اوزون بر اثر تابش فرابنفش به آن

تابش اشعه فرابنفش در استراتوسفر باعث جدا شدن اتم کلر (Cl) از مولکول‌ های CFC یا HCFC می‌ گردد. اتم کلر باعث تخریب مولکول‌ های اوزون می‌ شود به طوری که هر اتم کلر قابلیت تخریب 100 هزار مولکول اوزون را دارد. از بین رفتن لایه اوزون باعث می‌ شود تا اشعه فرابنفش بیش‌ تر به زمین رسیده و باعث افزایش مشکلات زیادی از جمله سرطان پوست، آب مروارید، تضعیف سیستم ایمنی بدن و کاهش عمر گیاهان شود. طبق پروتکل مونترال[1] شاخصی به عنوان نرخ تخریب لایه اوزون (ODP)[2] برای بررسی وضعیت تخریب لایه اوزون توسط گازهای مختلف ایجاد شده است. هر چقدر این شاخص بزرگ‌ تر باشد، بیان گر تخریب بیش‌ تر  لایه اوزون می‌ باشد.

گرمایش جهانی یا اثر گلخانه‌ ای

بیش‌ تر انرژی خورشید به صورت نور مرئی به زمین می‌ رسد. بعد از عبور از اتمسفر بخشی از این انرژی توسط سطح زمین جذب شده و تبدیل به حرارت می‌ شود. ‌زمین که توسط انرژی خورشید گرم شده است، انرژی گرمایی را به سمت اتمسفر گسیل می‌ کند اما آلودگی‌ ها، کربن دی‌ اکسیدT بخار آب و… مانع از خروج این انرژی از سطوح پایین اتمسفر می‌ شوند. به گازهایی که این اثر را ایجاد می‌ کنند گازهای گلخانه‌ ای[3] می‌ گویند. این موضوع باعث کاهش دفع گرما از زمین و در نتیجه گرم شدن سطح زمین می‌ شود. با گرم‌ تر شدن زمین مقدار تابش انرژی آن افزایش می‌ یابد تا جایی که توازن بین انرژی دریافتی و ارسال برقرار شود. این روند که با جذب گرما توسط اتمسفر انجام می‌ شود به عنوان اثر گلخانه‌ ای[4] و یا گرمایش جهانی[5] معروف است. گرمایش جهانی مستقیم به ترکیبات شیمیایی که در اتمسفر منتشر می‌ شوند وابسته است، این موضوع برای گازهای مختلف با پارامتری به نام پتانسیل گرمایش جهانی [GWP)[6) مشخص می‌ شود. اثر گازهای مختلف بر روی گرمایش جهانی نسبت به کربن دی‌ اکسید سنجیده می‌ شود. برای کربن دی‌ اکسید پتانسیل گرمایش جهانی برابر 1 است. کربن‌ دی­ اکسید به عنوان عامل اصلی گرمایش جهانی شناخته می‌ شود. بیش‌ تر کربن دی‌ اکسید هم از احتراق و سوختن سوخت‌ های فسیلی در بخش‌ های مختلف به دست می‌ آید.

[1] Montreal Protocol

[2] Ozone Depletion Potential

[3] Greenhouse Gases

[4] Greenhouse Effect

[5] Global Warming

[6]  Global Warming Potential

                                                              

                                                                       شکل 7. شماتیک اثر گلخانه‌ ای رخ داده در جو زمین

اما این اثرات غیر مستقیم گرمایش جهانی است که دانشمندان را نگران کرده است. بیش‌ تر مبردهای جدیدی که در صنعت تهویه مطبوع به کار گرفته می‌ شوند، بازدهی انرژی بالاتری نسبت به مبردهای قدیمی داشته (اما بعضی هم این گونه نیستند) و  باعث تخریب لایه اوزون نمی‌ شوند اما با این حال تاثیرات مستقیم و غیرمستقیمی بر گرمایش جهانی می‌ گذارند. به عنوان مثال می‌ توان به مبرد R134a اشاره کرد، اگر چه نرخ تخریب لایه اوزون برای این مبرد صفر است اما با این حال تاثیر مستقیم و غیرمستقیمی بر گرمایش جهانی دارد. علاوه بر مبرد R134a بیش‌تر مبردهای مرسوم دیگر مانند R410a هم تاثیرات منفی بر گرمایش جهانی دارند به همین دلیل است که دانشمندان به سمت مبردهای مدرن (هیدروکربن‌ها) که عموما طبیعی هستند و تاثیر منفی بر گرمایش جهانی ندارند رفته‌ اند.

 

 

 

 

Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.