گازهای فریونی و مقایسه آن ها در سیستم های تبرید

مقدمه

گاز مبرد فریون ماده ای است که در دمای  معمولی اتاق به صورت گازمی باشد ولی وقتی خنک و فشرده میشود تغییر حالت داده و به شکل مایع درمی آید. از ویژگی های گاز فریون می توان به غير قابل اشتعال بودن ، بیرنگی و بی بو بودن آن اشاره کرد . ازمشخصات برجسته ی این گاز این است که حتی در صورت ترکیب شدن با رطوبت موجب خوردگی فلزات نمی‌شود؛ بوی گاز فریون شبیه بوی اتر می باشد . فریون در حقیقت یک نام تجاری برای گروهی از مواد شیمیایی است ( شناخته شده به عنوان کلروفلوئوروکربن ها یا CFC ها)  از این رو به عنوان یک مبرد یا خنک کننده در سیستم تهویه هوا از آن استفاده می گردد.

گاز مبرد فریون یک مایع در حال کار است که در چرخه تبرید سیستم های تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. در اولین سیستم های تهویه هوا و یخچال و فریزرها به طور سنتی ، از فلوروکربن ها ، به ویژه کلروفلوئورکربن ها (CFC) مانند آمونیاک ، دی اکسید گوگرد ، متیل کلراید یا پروپان به عنوان مبرد استفاده می شد که گازهای سمی یا قابل اشتعال بودند که به دلیل سمی بودن ، اشتعال پذیری و سهم آنها در تخریب ازن و تغییرات آب و هوایی از رده خارج شده اند.

در این مقاله قصد داریم مطالبی پیرامون گاز فریون ، انواع آن ، کاربردهای گاز فریون ، اثرات گاز فریون و کاربرد آن در سیستم تبرید عنوان نماییم .

تاریخچه مبرد فریون

در سال 1928 توماس جونیور اولین گاز غیر قابل اشتعال و غیر سمی کلروفلوئوروکربن ، فریون R-12 را ایجاد کرد. به دنبال کشف روشهای سنتز بهتر ، CFC ها مانند   R-11 –  R-12  – R-123 و  R-502  بر بازار تسلط پیدا کردند.

در اوایل دهه 1980 ، دانشمندان کشف کردند که CFC ها به لایه ازن آسیب می رسانند که زمین را از اشعه ماورا بنفش و سوراخ های ازن در مناطق قطبی محافظت می کند. این امر منجر به امضای پروتکل مونترال در سال 1989 شد که هدف آن حذف تدریجی CFC ها و HCFC بود. استفاده از HCFC ها مانند R-22 و R-123 دارای پتانسیل کاهش ازن (ODP) هستند.

 در دهه 1990 و 2000 هیدروفلوئورکربن (HFC) مانند R-134a ، R-143a ، R-407a ، R-407c ،  R-404a  و R-410a  جایگزین CFC و HCFC شدند HFC ها باعث تخریب ازن نمی شوند اما دارای پتانسیل های گرمایش جهانی (GWP) هزاران برابر بیشتر از CO2 با طول عمر جو هستند که می تواند برای دهه ها ادامه یابد.

از سال 2010 استفاده از مبردهای Hydrocarbon و HFO (hydrofluoroolefin) R-32 ، R-290 ، R-600a ، R-454b ، R-1234yf ، R-514A ، R-744 (CO2) ،   R-1234ze  R-1233zd ،  كه هم ODP صفر دارند و هم GWPپايين تر دارند آغاز شد . هیدروکربن ها و CO2 بعضاً مبردهای طبیعی نامیده می شوند زیرا در طبیعت یافت می شوند.

انواع گاز فریون و کاربرد آنها

گاز مبرد فریون از لحاظ ترکیبات و کاربرد به انواع زیر تقسیم میشود :

مبرد R22

گاز R-22  دارای مشخصاتی چون پایداری , غیر سمی بودن ,بدون اثر اکسیدکنندگی  و غیر قابل اشتعال است.

گاز مبرد فریون R-22 یکی از شناخته شده ترین گاز فریون HCFC (هیدروکلروفلوروکربن)‌ می باشد. بعد از ممنوعیت استفاده از CFC ها، کاربرد زیادی در زمینه تهویه مطبوع و تبرید که درجه تبخیر پایینی دارند پیدا کرده است. چنانچه در گذشته به دلیل خصوصیت تراکم ‏پذیری بالا و ایجاد برودت بیشتر، این گاز بطور تقریبی در ساخت تمامی سیستم های تهویه مطبوع و وسایل سرماساز از جمله کولرهای گازی ، چیلر های تراکمی و کولرگازی، داکت اسپیلت ، یخچال های خانگی و… استفاده شده است .

دردستگاه های انجماد سریع  به دلیل حفظ حرارت آنها بین ۲۰ تا ۴۰ درجه فارنهایت از گاز R-22 استفاده می شود  .R-22  فقط در کمپرسورهای پیستونی به کار گرفته می شوند و فشار عملیاتی آن به نحوی است که برای نیل به دماهای پایین , نیازی به کار کردن در فشار های کمتر از جو نیست . گرمای نهان آن به ازای هر پوند در ۵ درجه فارنهایت  93/21 بی-تی-یو است . فشار عادی سر کمپرسور در ۸۶ درجه 172/82 پوند بر اینچ مربع مطلق است .

هم چنین به علت تمایل شدید تر R-22 به آب تعداد بیشتری رطوبت گیر برای خشک کردن آن لازم است. R-22  تا حرارت ۱۶ درجه فارنهایت در روغن حل می شود وپس از آن روغن شروع به جدا شدن نموده و چون از مایع سبک تر است در سطح آن جمع می شود.

اما در کنار ویژگی های منحصر به فرد گاز R22 باید به اثرات منفی این گاز نیز اشاره کرد . تولید و استفاده ی این مبرد فریونی به دلایل زیست محیطی مانند تخریب لایه ازن و گرمایش کره زمین از سال 2010 ممنوع شده و گاز مبرد R410A جایگزین آن شده است. البته استفاده‌ از گاز R22 در تجهیزات خنک کننده تا زمانی که ذخیره آن به اتمام نرسیده مجاز می‌باشد.

 مبرد R134a

گاز مبرد R134a که امروزه جایگزین فریون 12  و 11 شده است از هوا سنگینتر بوده، دارای فرمول شیمیایی CH2FCF3،  وزن مولکولی 03/102 و دارای خواص ترمودینامیکی مناسبی است. این گاز غیر سمی و غیر قابل اشتعال است .جاذب رطوبت بوده و دارای درجه خلوص 95/99 می باشد . دارای روغن مصنوعی ( پلی استر ) بوده و با روغن طبیعی ترکیب نمی شود.  فاقد اتم کلرمی باشد وهیچ اثر منفی بر روی لایه ازن ندارد. در مقایسه با   R-12 از ضریب هدایت حرارتی بهتر، گرمای نهان بیشتر و از توانایی انتقال حرارت بالاتری برخوردار است . گاز R134  جذب رطوبت بیشتری نسبت به R12 دارد و هرگز نباید کمپرسور های R134 را برای تست کارایی در هوای محیط که رطوبت زیادی دارد بیش از ۳۰ ثانیه روشن کرد زیرا رطوبت موجود در هوا جذب روغن کمپرسور می شود ودر سیکل برودت اخلال ایجاد میکند . این گاز از نظر زیست محیطی مورد قبول بوده بطوری که در ساخت یخچال های خانگی و کولر خودرو می توان به خوبی از آن استفاده کرد.

مبرد R290

این مبرد بیشتر با نام پروپان با خلوص بالا شناخته می شود. با فرمول شیمیائی C3H8 جزو گازهای طبیعی است که به دلیل  ظرفیت سرمادهی بالا و در نتیجه مصرف کمتر در مقایسه با گازها ،گاز مبرد R290  یک جایگزین مناسب برای گاز R22  و R12 می باشد و مورد توجه صنایع برودتی جهان قرار گرفته و در ساخت یخچال های فریزر و ساخت کولرهای گازی مورد استفاده قرار می گیرد.

مبرد R404

یکی از مبردهای صنعتی که ترکیبی از سه گاز مبرد دیگر است،  R404 نام دارد. ترکیبات گاز فریون R404  گازهای R12، R22  و R502 است. نکته ای که دربارۀ مبردهای ترکیبی وجود دارد، این است که برای شارژ آن ها حتماً باید مبرد حالت مایع داشته باشد.گاز R404A يك گاز غير مخرب لايه ازن مي باشد و جایگزین مناسبی برای R502 و R22 در دماهاي پايين و متوسط، يعني دماي تبخير پايين‌تر از صفر درجه‌ي فارنهايت است .

به دلیل تولید این گاز برای کاربردهای  دما پايين (دماي اواپراتور 20- درجه سانتيگراد) و كاربردهاي دما متوسط (دماي اواپراتور ۵- درجه سانتيگراد) درطراحی فريزرهاي فروشگاهي، ماشين هاي حمل مواد غذايي و يخچال هاي ويتريني فروشگاهي و يخسازها استفاده می شود

 مبرد R410a

گاز R410a جزء گازهای ترکیبی می باشد که از ترکیب شدن دو گاز دیگر تهیه شده است. ترکیبات گاز فریون  R410a  ، 50% گازR125 ( پنتا فلوئورو اتان)  و 50% گاز R32 ( دی فلوئورو متان) می باشد .

گاز R410a دارای نقطه‌ جوش منفی 4/51- درجه است که در مقایسه با گاز R22 که دارای نقطه‌ جوش 8/40- درجه است، بازده بسیار بالاتری داشته و سازگار با لایه ازن نیز میباشد که دارای ظرفیت سرما سازی بسیار خوبی بوده و یکی از پرکاربردترین گازها در بخش های خانگی و صنعتی است. در حال حاضر R410 برای استفاده در سیستم های خنک کننده چیلر و مبدل‌ های حرارتی کوچک مثل کولرهای گازی اینورتر و کم مصرف بهترین گزینه می باشد.

لازم به ذکر است که مبردهای R11 و R12 نسل اول گازهای مبرد فریونی بوده که به دلیل اثر تخریبی بر لایه ازن، استفاده از آنها منسوخ گردیده است.

در جدول زیر خصوصیات مبرد های مذکور به همراه محاسن، معایب و کاربردهای آنها ذکر شده است.

اثرات گاز فریون

مسمومیت گازهای مبرد یکی از مسائل مهمی است که افراد باید توجه زیادی به آن داشته باشند. کاربرد مهم گازهای مبرد در زمینه پروسه خنک سازی لوازم برودتی و وسایل خنک کننده ای مانند یخچال و دستگاه های تهویه هوا می باشد. اما باید به این نکته توجه داشت علاوه بر کاربردها ی مهمی که این گازها دارند می توانند  برای سلامتی انسان و محیط زیست اثرات منفی و مضری نیز داشته باشند.

مسمومیت برودتی با گاز فریون (حاوی مواد شیمیایی به نام هیدروکربن های فلوئوره ) موجود در وسایل خنک کننده به ندرت اتفاق می افتد اما با استنشاق و یا خوردن ماده شیمیایی به نام فریون رخ می دهد و زمانی اتفاق می  افتد که شخصی در معرض مواد شیمیایی مورد استفاده برای خنک کردن وسایل قرار گیرد و از همه مهم ترافرادی هستند که از این ماده به عنوان مواد مخدر روان گردان استفاده می کنند. قرار گرفتن در معرض مقدار کم فریون در محیط باز مانند: تماس مقدار کم فریون با پوست یا بروز یک نشتی کوچک در محیط خانه معمولا صدمات جدی در بر ندارد. اما آسیب هایی به بدن وارد می نماید . ولی  وقتی عمیقاً استنشاق شود، می تواند اکسیژن حیاتی سلول ها و ریه ها را قطع کند. در صورت مشاهده علائم مسمومیت با گاز فریون در فرد بایستی بلافاصله به پزشک یا اورژانس منتقل شود. اما چناچه گاز فریون با غلظت بالا مورد استنشاق قرار بگیرد میتواند خطرناک بوده و آسیب هایی را به بدن انسان وارد نماید که شامل موارد زیر است :

مشکلات تنفسی

رشد مایعات در ریه ها

آسیب اندام

مرگ ناگهانی

گاز فریون در سیستم‌های تبرید

گازهای مبرد یا همان فریون ها دارای تنوع بسیار زیادی هستند که هر کدام دارای ویژگی ها و علامت های منحصر به فردی هستند .مانند فریون 12، فریون 11، فریون 114 و فریون 113 که از انواع فریون‌ها می باشند. اما از بین تمامی فریون ها R22 معروف ترین و شناخته شده ترین آنهاست . در فرآیند تبرید و خنک سازی وسایل سرما زا بیشتر از گاز R22 استفاده می شود به همین جهت یکی از پر کاربرد ترین گازهای مبرد محسوب می شود . تفاوت عمده ی فریون ها بیشتر به دلیل تعداد اتم‌های سازنده می‌باشد و تعداد کلر یا فلوئور و یا کربن نشان‌دهنده نوع فریون موردنظر شماست.

دمای مورد نیاز کاری فریون‌ها مختلف است . به طور مثال دمای مورد نیاز فریون ۱۱۴ می‌تواند تا دماهای 100- نیزباشد و در سیکل عمل کند. اما ایده آل ترین دمایی که در یک سیکل تبرید برای یک مبرد موردنیاز است حداکثرتا 50- است. فریون ها به خودی خود باعث سرد و خنک کردن یخجال نمی شوند بلکه بالا بردن و کم کردن فشار در یک سیکل می‌تواند تعیین کننده‌ی دمای فریون باشد و لازم به ذکر است که برخی فریون‌های دمای کاری آن‌ها تا 15+ درجه هم می‌تواند باشد.

در سیکل تبرید دو عنصر مهم کویل ها و کمپرسور بسیار حائز اهمیت هستند .در ابتدا کمپرسور وظیفه ی متراکم سازی و فشرده کردن گاز فریون را به عهده دارد . پس از انجام این کار و طبق قوانین ترمودینامیک دما و فشار گاز فریون بالا رفته و  داغ می‌شود.سپس فرآیند مایع سازی گاز مبرد صورت پذیرفته و از طریق کویل‌هایی عبور می‌کند تا به حالت مایع دربیاید و به نوعی حرارت خود را در کندانسور از دست می‌دهد. دمای مبرد در حالت مایع نیز همچنان از دمای محیط کمتر است و در نتیجه در داخل اواپراتور انتقال حرارت از محیط به مبرد انجام می‌شود و این بار محیط حرارت خود را از دست می‌دهد و خنک‌تر می‌شود.

تا زمان تبخیر کامل گاز فریون این حرارت جذب می‌شود تا با دمای اتاق به یک تعادل نسبی برسد. این گاز مجددا وارد کمپرسور می‌شود و سیکل مجددا تکرار می‌شود تا زمانی که دمای داخل فضا به یک مقدار خاص برسد و  بطور ثابت در همان حالت باقی بماند.

یکی از اشکالات استفاده از این مبردها نشتی آنهاست که یا خودبخودی ایجاد می شوند و یا هنگام تعمیر سیستم و یا نصب و ایجاد تغییراتی در آن ایجاد می‌شوند.همین امر باعث تغییر در راندمان کاری سیستم سرمایشی می شود .همچنین این نشتی برای محیط زیست خصوصا لایه ازن بسیار مخرب و زیان آور است .به همین دلایل تولید کنندگان به فکرجایگزین کردن مبردهای ارزان تر و قابل استفاده تر افتادند .  

جمع بندی

در ساخت سیستم های سرماساز چون یخچال ها ، سیستم های تهویه مطبوع ، سیستم تهویه ماشین ها و… همواره به یک گاز مبرد نیاز است. در گذشته از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده می شد، ولی با کشف فریون 12 این گاز به سرعت جایگزین مبردهای قدیمی شد و صنعت یخچال سازی دنیا را تکان داد. با این حال به خاطر عوارض زمین گرمایی فریون 12 و مبرد 22، استفاده از آن ها به مرور زمان محدود شده و با مبردهای دیگری جایگزین شده اند. ملاک انتخاب گازها خواص ترمودینامیکی مناسب و شاخص GWP پایین آن است. امروزه بیشتر از گازهای مبرد ترکیبی در ساخت وسایل سرماساز استفاده می شود.