گاز مبرد (Refrigerant) چیست؟ | انواع، کاربرد و انتخاب در سیستم‌های برودتی

مبرد، عنصری به شکل گاز یا مایع می باشد که به جهت خنک کردن منطقه ای خاص، از جمله پیرامون یا درون فرآیندهای تجهیزات تبریدی استفاده می گردد. عملیات تبرید یا خنکسازی توسط مبرد، بدین گونه است که گرمای موجود از یک محیط را گرفته و به محیط و فضای دیگر انتقال یا رها می کند. آنها در هرگونه تبدیل:

• حالت گاز به مایع
• یا بالعکس، حالت مایع به گاز،

از پدیده‌ها و فرآیندهای ترمودینامیکی تغییرات فاز استفاده می نمایند. با توجه به این توانایی در بسیاری از تجهیزات و دستگاه‌ها از جمله: یخچال، فریزر صنعتی و معمولی، چیلر، یخسازهای صنعتی، کولر گازی و… مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عامل مبرد یا سرما زا، یک ترکیب شیمیایی منحصر به فرد و ساخت بشر و تلاش شیمیدانان است. محققان آنها را پس از کشف گونه‌های اولیه، به نحوی تولید نموده اند تا ایمن و مطابق با محیط زیست باشند. این مبردها، به عنوان یک سیال حیاتی برای تکمیل سیکل تبرید یا سرما سازی به راحتی به گاز تبدیل می گردد و همچنین بازگشت آن به مایع بسیار سریع است.

ویژگیهای مبرد مناسب

هر مبردی با یک ترکیب شیمیایی خاص، جهت شرایط و مصارف ویژه ای، به کاربرده می شود. ضمن اینکه بایستی بدانید که هریک از مبردها با شماره و حرف (R) مشخص می شوند. ویژگیهای یک مبرد مناسب عبارت است از:

• عدم اشتعال و انفجار
• پایین بودن نقطه جوش
• درجه خلوص بالا
• وجود گازهای پایدار در آن
• تطابق با محط زیست
• به صرفه بودن هزینه‌های آن
• درجه سمی بودن پایین.

البته فارغ از ویژگیهای خاص عنوان شده در فوق، کلاس و نوع مبرد نیز بایستی با تجهیزات صنعتی، علی الخصوص یخسازها و سردخانه صنعتی که از گازهای مبرد استفاده میکنند، متناسب باشد. (اصطلاحاَ به کار دستگاه موردنظر بیاید)

تاریخچه پیدایش مبرد

در سال 1756، دکتر ویلیام کالن، پزشک و پروفسور اسکاتلندی، در رابطه با:

• سرمای تولید شده توسط مایعات تبخیری و
• روشهای تولید سرما،

مقالاتی را منتشر کرد. در سال 1758، بنیامین فرانکیلن و جان هدلی، اثر خنک کننده برخی از مایعات را که به سرعت در حال تبخیر هستند، آزمایش نمودند. و پس از آن دانشمندان در سایر نقاط جهان، کشف کردند که گرما از طریق:

• فشرده کردن گازهایی همانند آمونیاک و
• تبدیل آن به مایع،

جذب می شود. نهایتاَ، در سال 1876 کارل فون لیندن، فرآیند مایع سازی گاز را ایجاد کرد و زمینه ساز تولید گازهای مبرد مدرن و کارآمد شد.

کاربرد مبردها در صنایع

مبردها در انواع صنایع تولیدی کشور ایران و البته سراسر جهان بکار گرفته می شوند. یعنی از صنایع غذایی، خودروسازی و سیستمهای تهویه مطبوع گرفتــــــــــــــــته تـــــــــا صنایع دارو سازی و نیازهای مربوط به آشپزخانه‌های صنعتی، همه و همه از استفاده کنندگان مبردها بشمار می‌روند. بسیاری از سیستمهای خنکساز یا تبریدی نیز از این سیالات سرمازا استفاده می کنند. مهمترین سیستمهای سرمازا که از مبردها استفاده می کنند عبارتند از:

• انواع یخساز صنعتی. (یخساز پولکی، مدلهای حبه ای، یخ ساز قالبی، یخساز پودری و…)
• سردخانه‌ها. (مدلهای سردخانه زیر صفر، سرد خانه‌های کانکسی و…)
• آبسرد کن‌های صنعتی
• یخچالهای رستورانی و فریزرهای زیرمجموعه‌ی لیست تجهیزات آشپزخانه صنعتی و غیره.
• چیلرها.

انواع مبرد

برای آنکه، یک سیال شیمیایی به عنوان یک مبرد ایمن و مقرون به صرفه استفاده گردد، بایستی از خواص فیزیکی، شیمیایی و ترمودینامیکی خاص و منحصر به فردی برخوردار باشد. وجود نیازها و شرایط مختلف صنعتی، محققان را بر آن داشته  تا مبردها را با خواص مناسب و مختلفی تولید کنند. بنابراین طبق دستورالعمل‌های مختلف سازندگان، گازهای تبریدی در 4 گروه (یا نوع) وجود دارند:

1. کلروفلوئوروکربن‌ها (CFC). (شامل: R115, R114, R13, R12, R11)
2. هیدروکلرو فلوئوروکربن‌ها (HCFC). (شامل انواع: R123, R23)
3. هیدرو فلوئوروکربن‌ها (HFC). (شامل عناصر تبریدی R134a, R404A, R407c, R410A)
4. مبردهای طبیعی

نکته: هرکدام از این مبردها، بسته به آرایش شیمیایی و ساختارشان، به میزانی مشخص بر محیط زیست و لایه اوزون تاثیر می گذارند. بخصوص در نمونه‌های اولیه از جمله کلروفلوئوروکربن (chlorofluorocarbons)، تاثیر منفی آنها بر محیط زیست کاملاَ محسوس است!!.

1. کلروفلوئوروکربن چیست؟

کلروفلوئوروکربن با نام تجاری فریون و با عنوان مبردهای (CFC) شناخته می شوند. پیش از اختراع و ابداع فریون، سیستمهای خنک کننده هوا، از مبردهایی استفاده می کردند که سمی و قابل اشتعال و البته پر مخاطره بودند. گازهای تبریدی خطرناکی که دی اکسید گوگرد یا آمونیاک نام داشتند و شدیداَ برای سلامت انسان مضر بودند. با وجود خطرات و معایب، گروهی از شیمیدانان و محققان، پژوهشها و تحقیقاتی برای رفع این مشکل و معضل انجام دادند.

طی این تحقیقات، آنها ماده شیمیایی جدید یا مبرد خاصی را به‌نام فریون یا کلروفلوئوروکربن کشف نمودند. همانگونه که از نام این مبردها مشخص است، کلروفلوئورو کربن تشکیل یافته از عناصری نظیر:

• کلر،
• کربن
• و فلوئور،

است که نام اختصاصی و فرمول آنها (CFC) می باشد. با تفاوت در میزان و مقدار هریک از این سه عنصر، یک ماده تبرید جدید بوجد می‌آید. بدینگونه که غالباَ با تغییر مقدار این 3 عنصر، انواع متنوعی از مبردهای زیرمجموعه‌ای از جمله: R115, R114, R13, R12, R11 در بازار در دسترس می باشند. اغلب آنها مولکولهای کوچکی هستند که از یک یا دو اتم تشکیل شده اند. آنها با مزایا و خصوصیات خاصی نظیر:

• غیر واکنش پذیری،
• قابلیت جذب گرمای عالی (که مهمترین ویژگی صنعتی ان است)،
• عدم آتش سوزی،
• میزان سمیت کم و…،

در قیاس با سایر ترکیبات قدیمی برای مصارف مشابه، اقتصادی تر می باشند. تولید انبوه آنها سبب بهره مندی مبرد در کولر گازی، یخچال و فریزر، دستگاه‌های تهویه کننده، سیستم‌های خنک کننده هوا و… می شود.

تاثیر مبرد کلروفلوئوروکربن بر محیط زیست و لایه اوزون

پس از انتشار مولکلولهای (CFC) در هوا و انتقال آن به استراتوسفر، تاثیر اشعه ماوراء بنفش بر آنها سبب تقسیم شدن اتمهای کلر می گردد. اتمهای تقسیم شده با یک مولکول ازن نزدیک خود واکنش و تعامل نشان می دهند. سپس در پی این واکنش، زنجیره ای مخرب و آسیب زا شکل می گیرد. درنتیجه، هر مولکول ایجاده شده از آنها می تواند سبب تخریب لایه اوزون گردد. قطعاَ میدانید که تاثیر سوراخ‌شدن لایه ازن بر زندگی، چرخه طبیعت و محیط زیست بسیار حساس خواهد بود. چنانکه موجب شیوع بیماری‌هایی از جمله: سرطان پوست و سوختگیهای شدید می شود و در برهم خوردن چرخه‌های طبیعی حیات، از بین رفتن اکوسیستم و… نیز شدیداَ موثر خواهد بود!!.

2. مبرد هیدروکلرو فلوئوروکربن چیست؟

هیدروکلرو فلوئوروکربن، دارای آرایش یا ساختار شیمیایی مشابه با نوع قبلی است. اما تفاوت آنها شامل تاثیر گذاری بر لایه اوزون و اتمهای هیدروژن است. به‌عنوان یک جایگزین مناسب و تاثیر و پیامدهای کم تر بر روی لایه اوزون، اتمهای هیدروژن موجب تشکیل مبردی به نام هیدروکلرو فلوئوروکربن شده اند. اتمهای هیدروژن به این مبرد کمک می کنند تا قبل از رسیدن به استراتوسفر:

• عمر کوتاه تری داشته باشند؛
• و البته فورا تجزیه شوند.

درنتیجه، نسبت به مبرد قبلی، تاثیرات منفی کمتری دارند. کاربرد مبرد (HCFC) بیشتر مربوط به:

• پمپهای حرارتی و
• سیستمهای تهویه مطبوع در منازل

می باشد. به‌همین علت از رایج ترین و پر فروش ترین انواع این گازهای تبرید می توان به R123،  R-22، R23 اشاره نمود. بیاد داشته باشید که اغلب مبردهای نامبرده، بی رنگ یا بی بو می باشند.

3. تاثیر هیدرو فلوئوروکربن بر لایه اوزون

نسل جدیدی از مبردها، هیدرو فلوئوروکربن (HFC) است که طبق نام آن، ساختاری فاقد عنصر کلر دارند. آنها به عنوان سومین نوع مبرد شناخته می شوند که سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند. یعنی بر خلاف دو گونه فوق، تاثیر کم تری بر لایه اوزون دارند. گازهای تبریدی HFC شامل عناصری از جمله:

• کربن،
• فلوئور
• و هیدروژن،

هستند. درواقع هیدرو فلوئوروکربن به عنوان مبردی در نظر گرفته شده است که تاثیر و پیامدهای منفی بر لایه اوزون داشته است. مهمترین دلیل پیامدهای منفی گسترده‌ی این ترکیبات، عدم وجود عنصر کلر در ساختار آن است. انواع مبردهای پراستفاده ای نظیر:

• R134a،
• ترکیبات R404A،
• R407c،
• و R410A،

مرسوم ترین نوع هیدرو فلوئوروکربن‌ها می باشند. مهمترین مصارف این مبردها در تجهیزاتی نظیر: کولر گازی، انواع یخساز صنعتی، یخچالها و فریزرها و… می باشد.

مبردهای طبیعی چیست؟

گازهای تبرید طبیعی یا همان مبردهای طبیعی، به طور عادی (طبیعی) در جهان وجود داشته اند. به‌بیان دقیقتر، بر خلاف سه گونه فوق، این عناصر به دست بشر شکل نگرفته اند. جهت درک هريچه بهتر این بخش، بایستی بدانید که:

هیدروکربن ها، آمونیاک، دی اکسید کربن و پروپان، جزء مهم ترین مبردهای طبیعی محسوب میشوند. این 4 عنصر هیچگونه اثر مخرب و ویرانگری بر روی لایه اوزون و گرم شدن زمین نخواهند داشت. بنابراین در زمره‌ی عناصر طبیعی دوستدار محیط زیست بشمار می روند.

نکته: در عین تمام ویژگیهای مثبت محیطی، این عناصر به عنوان گازهایی برای سرمایش نیز کاربرد دارند.

پر کاربردترین مبردها در جهان

• مبرد R11:

عنصرهای ترکیبی R11، در زمره‌ی ایمن ترین مبردها قرار دارند. چراکه به علت غیر قابل اشتعال بودن و مقاومت در برابر انفجار، از مبردهای شدیداَ ایمن هستند. وزن مولکولی 137.4 این گازها، برای اهدافی از جمله:

• کمپرسورهای گریز از مرکز،
• صنایع فوم سازی و…

کاملاَ مناسب خواهد بود.

• گازهای تبرید R12:

پس از نوع قبلی، مبردهای R12 با حداکثر ظرفیت خنک کنندگی در انواع تجهیزات:

• کولرهای گازی،
• کولر خودروها،
• یخچال و فریزر

و غیره استفاده می شوند. گازهای مذکور با علامتها و نامهایی همچون «فریون 12»، «R-12»، «CFC-12» شناخته خواهند شد.

• گاز مبرد R13:

آنها، با دمای پایین از جمله: 70 تا  45 درجه سانتی گراد در تاسیسات خنک کننده مورد استفاده قرار می گیرند. البته درصد گستردگی استفاده از این عناصر، بسیار پایین است.

• گاز مبردهای R114:

قابل استفاده در سیستم‌های چیلر با ظرفیت بالا و غیر قابل احتراق می باشد.

• گاز R134:

آنها با ویژگیهایی از جمله:

• عدم بو و رنگ،
• خاصیت غیر قابل اشتعالی و
• کیفیت و درجه خلوص بالا،

در گروه هیدروفلوئورو کربن قرار گرفته اند. مهمترین کاربرد مبردهای R134، استفاده از آنها در کولر خودرو، تجهیزات رطوبت گیر و صنایع پلاستیک است. ضمن اینکه در دارو سازی و بعنوان گاز تبریدی چیلرهای بزرگ نیز کاربردهای گسترده ای دارند. سیستمهای تهویه هوا (تهویه مطبوع) از دیگر موارد استفاده از گاز R134 می باشند.

• مبرد R410:

این گاز تبرید، مخلوطی از 50 درصد R32 و R125 است. ویژگیهایی نظیر:

• ایجاد سرمایش بدون دریافت کننده مبرد مایع
• ایجاد سرمایش نسبت به سایر مبردها
• عدم آسیب و زیان به محیط زیست و لایه اوزون
• و گستره‌ی دمای تغییر فاز نزدیک به صفر

در این مبردها دیده می شود.

مبرد R22

عناصر تبریدی زیادی در سطح جهان در انواع دستگاه‌های یخساز و خنک کننده و انواع سردخانه صنعتی بکار گرفته می شوند. ازجمله‌ی دیگر گازهای تبریدی قدرتمند و پرکاربرد میتوان به مبردهای R22 اشاره داشت. بی‌شک یکی از پر کاربرد ترین مبردها، مبرد R22 می باشد. این عناصر بطور گسترده ای قابل استفاده در:

• کمپرسورهای تهویه مطبوع و
• سیستم تبرید در مصارف صنعتی و خانگی و…،

هستند. درواقع «R22» خلاصه شده‌ی ترکیب مونوکلرودی فلورومتان می باشد. عدد 2 به معنی دو عدد اتم فلوئور در ترکیب آنهاست. اغلب آنها بی رنگ، بی بو و غیر قابل اشتعال هستند. به‌همین دلیل با عنوان گازهای گلخانه ای شناخته می شوند. یکی از مهمترین ویژگیهای عنصر نامبرده، سازگاری آن با روغن پلی ال استر و روغن آلکیل بنزین است. در سالهای اخیر، دانشمندان شواهد فراوانی پیدا کردند که مبرد R22 خطرات قابل توجهی برای لایه اوزون خواهد داشت. بطوریکه استفاده از آن در جهان ممنوع شده است. با این حال برای آنها جایگزینهایی همچون: R410، R404، R290، R717 و گاز R407C انتخاب نمودند.

ویژگیهای گاز R407C

R407C، یکی از جایگزینهای گاز R22 است که در گروه (HFC) قرار دارد. جایگزینی R407C بدین دلیل صورت گرفته است که بر اساس ویژگیهایی نظیر:

• چگونگی عملکرد،
• فشار،
• و میزان کارایی،

شباهتهای فراوانی با گازهای R22 دارند. همچنین میزان سمی بودن و اثرات منفی آنها کم تر از مبردهای نوع قبلی می باشد و از این جهت نیز، یکی از بهترین آلترناتیوها برای آنها محسوب می شوند. گازهای تبرید R407C، تولید شده از ترکیبات گاز زئوتروپیک می باشند که شامل گازهای:

• پنتافلورواتان (R125)،
• تترافلورواتان (R134) و
• دی فلورومتان (R32)

است. این نوع گازها قرار گرفته در سیلندرهای کپسول 11.3 کیلوگرمی و با رنگ نارنجی سوخته می باشند. اصلی ترین کاربردهای مبرد R407C عبارتست از: استفاده در کمپرسورهای کولر گازی، کمپرسور اسکرال بیتزر، COMPRESSOR سمی هرمتیک کوپلند و کمپرسور تکامسه. (با سازگاری عالی و کاملاَ بی نقص)

گازهای تبرید R410a

آنها در زیر مجموعه مبردهای هیدرو فلوئورو کربن قرار دارند. ترکیبات تشکیل دهنده‌ی مبرد R410a به شرح ذیل می باشد:

• پنتا فلوئورواتان (R125) و
• دی فلورومتان (R32)،

که نسبت آنها با یکدیگر برابر است. همانند مدلهای « R407C»، به عنوان گازها یا سرمازاهایی با عدم پیامدهای منفی همچون:

• تخریب لایه اوزن و محیط زیست
• و بسیار موثر در عملکرد خنک سازی،

در سیستمهای تهویه مطبوع قابلیت استفاده دارند. بخاطر داشته باشید که به علت نقطه جوش پایین، این عناصر دارای بازدهی بیشتری می باشند.

نقش مبرد در کمپرسور و کندانسور کولر گازی

اینگونه تجهیزات نقش و وظایف مهمی در چرخه و فرایند سیستمهای خنک کننده و تبریدی دارند. زیرا به کمک آنها، گاز به مایع تبدیل می شود و فرآیند خنک سازی صورت می‌پذیرد. همانطور که گفته شده است، مبردها در شرایط و تجهیزات مختلفی استفاده می شوند. بطوریکه در انواع دستگاه‌هایی همچون یخچال، کولرهای گازی، یخساز صنعتی و… که کمپرسور، کندانسور و اوپراتورها از تجهیزات اصلی آنها هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. با عبور مبرد از این نوع قطعات، گاز به مایع تبدیل شده و فرآیند ایجاد سرما انجام میشود. در ادامه، شرح مختصری از کاربرد و نقش مبردها در این نوع قطعات آورده شده است.

• کمپرسور:

بطور مثال کولرهای گازی که برای جذب و انتقال گرمای درون منزل به بیرون استفاده می شوند، مبردها در قطعات آن از جمله کمپرسورها (در محفظه تراکم)، به عنوان گاز کم فشار استفاده می شوند. محفظه فشرده سازی، مولکولها را به هم فشار می دهد و آنها را گرم می نماید. سپس منجر به افزایش فشار آنها می گردد. نهایتاَ با انجام این فرآیند، مولکولهای گاز تبرید در ادامه‌ی چرخه، حرکت می کنند.

• کندانسور:

پس از آن، گاز داغ و تحت فشار وارد کندانسور می شود. چنانکه اگر در کنار قسمت بیرونی کولر گازی خود بایستید، می توانید هوای گرم و حرارت آن را احساس کنید. درحقیقت این همان گرمایی است که از خانه شما گرفته شده و به بیرون انتقال یافته است. فن‌ها همانطور که گاز را خنک می کنند، مولکولها دوباره به حالت مایع متراکم می شوند. هنگامی که حرارت به اندازه کافی رسیده باشد، مایع شروع به حرکت به ناحیه بعدی می کند. بنابراین مبرد گرم شده در سیستم حرکت کرده و یک دستگاه اندازه گیری، میزان سرمایش را برای رسیدن به دمای تنظیم‌شده اندازه گیری می نماید.

نقش مبردها در اوپراتور

درنهایت، مبرد به عنوان یک مایع کم فشار وارد اوپراتور می شود و به کمک آنها، منازل شما خنک می گردد. فن‌ها روی لوله‌های حاوی مبرد می دمند. سپس این ماده شیمیایی تحت یک واکنش گرماگیر قرار می گیرد. بدین معنی که گرمای اطراف را جذب کرده و دوباره به گاز تبدیل می شود. درنتیجه با این جذب گرما، دمای اطراف کاهش می یابد. در آن سو، فن‌ها هوای سرد را برای حداکثر خنک شدن به داخل خانه می دمند. مبرد که اکنون به یک گاز کم فشار تبدیل شده است، مجددا وارد کمپرسور شده است و مراحل ذکرشده تکرار خواهد شد.

مبردها، این فعالیت و چرخه را تا زمانی ادامه خواهند داد که منزل یا محیط به دمای مطلوب یا خنک برسد. اگرچه این چرخه یا فرآیند خنک سازی پیچیده و مبهم است. اما با سرعت بالا و شدیداَ کارآمد می باشد. شرایط عملکرد در انواع تجهیزات آشپزخانه صنعتی نیز مشابه است. با این تفاوت که اواپراتور در انواع یخساز صنعتی و سردخانه صنعتی، نقشی محوری تر نیز داشته و به کمک گاز تبرید، به ایجاد تونل انجماد کمک میکند. (ایجاد تونل انجماد برای حداکثر سرعت ایجاد توده‌های یخ در انواع یخساز پولکی، حبه ای و…)

انتخاب مبرد صحیح

با توجه به انواع مختلف از گازهای مبرد، اولویت بندی شما برای انتخاب این عناصر کاربردی بایستی عواملی همچون:

• مشخصات و ویژگیهای عملکردی آنها،
• هدف از استفاده
• و البته نیاز شما (که بسیار هم مهم است)،

در نظر گرفته شود. با این حال اگر بغیر از موارد فوق، معیارهای مهم و با اهمیت دیگری را نیز مدنظر داشتید، برای خود طبقه بندی نموده و سپس به بررسی مبردها بپردازید. بطور مثال، به حداقل رساندن اثرات محیط زیست، میتواند یک معیار مهم و با اهمیت برای شما باشد. نتیجتاَ باید به نحوه کارایی مبردها در سیستمها و… توجه کنید و برای چنین هدفی، می توانید مبردهایی همچون:

• R410،
• R407C

و… را انتخاب کنید که اثرات به مراتب کمتری بر لایه اوزون خواهند داشت. معیارهای مهم برای انتخاب مبرد متناسب، بطورکلی شامل پارامترهایی همچون:

• خواص ترموفیزیکی
• مسائل فناوری
• جنبه‌های اقتصادی
• ایمنی و
• فاکتورهای محیطی (میزان اثرگذاری منفی یا خنثی بر طبیعت و محیط زیست)

می باشد. همانطور که در مطالب فوق به ویژگیهای مبرد مناسب اشاره شده است، باید دارای ایمنی، سمیت کم، عدم واکنش پذیری، غیرقابل اشتعال و متناسب با محیط زیست باشند. بر اساس پارامترهای ذکر شده می توان مطمئن و موثرترین مبرد را برای سیستم و اهدافی همچون: ایجاد خنک کنندگی و جذب گرما، تهیه نمود.