مبردها و نقش آن در دستگاه های برودتی و تهویه مطبوع

مبرد چیست؟
مبرد، ماده ای است در قالب گاز یا مایع که به منظور کاهش دمای سطح مشخصی از یک ناحیه، در فرآیند تبرید مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده در سیستم یخچال خانگی و یا کولر ماشین نیز استفاده می شود. به طور کلی ماده مبرد در سیستم ها و دستگاه هایی که از سیکل تبرید تراکمی بخار استفاده می کنند، وجود دارد. به همین دلیل، مبرد در سیستم های تهویه مطبوع و برودتی نیز به وفور مورد استفاده قرار می گیرد.

تعریف تبرید یا سردسازی
تبرید یا سردسازی که با نام سرمایش نیز شناخته می شود، فرآیندی است که در طی آن گرما از یک فضا یا ماده گرفته می شود و در یک محیط دیگر رها می شود و در واقع از لحاظ علم فیزیک، تبرید یک پدیده انتقال گرما محسوب می شود.

در طی فرآیند تبرید در واقع، به دنبال کاهش دما در ناحیه یا فضای مورد نظر خود هستیم، این فضا می تواند اتاق منزل یا اداره شما و یا حتی یک سردخانه صنعتی باشد. جذب گرما از محیط هدف، معمولاً به وسیله اواپراتور و دفع آن در محیط دیگر به وسیله کندانسور صورت می گیرد.

اکثر مردم به اشتباه ماده مبرد را در بازار به نام گاز کولر ماشین و یا گاز یخچال می شناسند. برخی دیگر نیز به اشتباه آن را گاز سرمازا یا گاز سرمایشی می نامند، اما طبق تعریف فوق، ماده مبرد می تواند به شکل مایع هم باشد.

عملکرد ماده مبرد
مبرد ها با استفاده از تغییراتِ فازیِ و ترمودینامیکی به راحتی از حالت گاز به مایع و یا بالعکس، از مایع به گاز تبدیل می شوند و این قابیلت سبب شده این مواد کاربرد وسیعی در صنعت، از جمله در سیستم ها و دستگا های برودتی و تهویه مطبوع داشته باشند. دستگاه هایی مانند چیلر تراکمی، داکت اسپلیت و VRF از ماده مبرد در سیکل کاری خود استفاده می کنند.

با وجود این نقش مهم و مفید مبردها در صنعت، باید بدانیم که طبق بررسی ها و نتایج مطالعات علمی، این مواد برای محیط زیست ما چندان مفید نیستند و یکی از عوامل مهم گرمای زمین و تخریب لایه اوزون محسوب می شوند.

تعریف دو معیار ODP و GWP

برای مقایسه مبردها از نظر آثار زیست محیطی، دو پارامتر مهم شامل معیار تخریب لایه اوزون (ODP) و معیار گرمایش زمین (GWP) مورد نظر قرار می گیرند.

Ozone Depletion Potential (ODP)

ODP به توانایی یک ماده در کاهش (تخریب) لایه اوزن نسبت به ماده CFC11 گفته می شود.

معیار ODP بین بازه صفر تا 1 است و هر چه قدر این ضریب به عدد 1 نزدیک تر باشد، از لحاظ آسیب به لایه اوزون خطرناک تر است. مبرد CFC11 دارای معیار ODP یک هست و مابقی مبردها را معمولا نسبت به این مبرد مقایسه می کنند، در واقع نسبتِ قابلیت تخریب لایه اوزون یک ماده به مبرد CFC11 را می توان ODP آن ماده در نظر گرفت.

Global Warming Potential (GWP)

GWP به توانایی یک ماده در به دام افتادن گرما در جو زمین (اتمسفر) نسبت به ماده دی اکسید کربن گفته می شود.

این معیار از صفر شروع می شود و محدوده فوقانی ندارد، به عبارتی هر میزان که یک مبرد یا ماده دیگری اثر بیشتری بر روی به دام افتادت گرما در اتمسفر و گرمایش زمین داشته باشد، معیار گرمایش آن نیز بزرگ تر است. معیار GWP در بازه های زمانی طولانی و چندین ساله اندازه گیری می شود. مثلا 20 ساله یا صد ساله.

به طور مثال در یک بازه زمانی 100 ساله، معیار گرمایش CFC11 برابر با 4250 مبردهای HFC در بازه 1640 و برای ماده پنتان این معیار زیر 5 می باشد.

دی اکسید کربن دارای GWP بسیار زیادی است و معمولا معیار GWP هر ماده ای را با دی اکسید کربن مقایسه می کنند.

دسته بندی انواع گاز مبرد یا خنک کننده
مبرد ها بر اساس ترکیبات و ساختار شیمیایی دسته بندی می شوند. بر اساس کاتالوگ و دستورالعمل های شرکت های گوناگون تولید کننده مبرد، چهار نوع مهم از مبردهاعبارتند از:

کلروفلوئوروکربن (CFC)
هیدرو کلروفلوئوروکربن (HCFC)
هیدرو فلوئوروکربن (HFC)
مبردهای طبیعی
از جمله مبردهای طبیعی می توان به هیدروکربن (HC) و دی اکسید کربن (CO2) اشاره کرد و در مقابل مبردهایی مانند CFC و HCFC و HFC جزو مبردهای صنعتی هستند که توسط شرکت های تولید کننده مبرد، تولید شده و روانه بازار می شوند.

کلروفلوئوروکربن (CFCs - Chlorofluorocarbons):
این مبردها، جزو نسل قدیمی مواد سرمازا محسوب می شوند و در دهه 30 میلادی توسعه یافته بودند و در آن زمان جزو مواد غیر سمی، غیر قابل اشتعال و خنثی (غیر واکنشی) بودند.

مبردهای CFC، حاوی ماده کُلر (Chlorine)، فلوئور (Fluorine) و کربن (Carbon) هستند. R11، R12 و R115 جزو این گروه از مبردها هستند. این مبردها می توانند در دستگاه های صنعتی مانند چیلر و یا سیستم هایی مانند یخچال که نیاز روزانه ما هستند، مورد استفاده قرار بگیرند.

در اوایل دهه 70 میلادی بود که مطالعات و بررسی های علمی محققان، اثبات کرد که این مواد برای لایه اوزون آسیب زا می باشند و در کل برای محیط زیست مضر هستند. در اوایل دهه 90 میلادی به دلیل اثرات مخرب زیست محیطی، استفاده از این مبردها ممنوع شد.

حال سؤال خیلی از افراد این است که این مواد چگونه لایه اوزون را تخریب می کردند. در ادامه، این بحث را بیشتر باز خواهیم کرد.

CFCها چگونه لایه اوزون را تخریب می کنند؟
همانطور که می دانیم لایه های جوی اطراف زمین به دو دسته تقسیم می شوند:

تروپوسفر (Troposphere): لایه هوای موجود از سطح زمین تا ارتفاع 10 مایلی از سطح زمین
استراتوسفر (Stratosphere): لایه جوی موجود در فاصله 10 تا 31 مایلی از سطح زمین

لایه اوزون معروف که نقش بسیار مهمی در دفع اثرات مضر فرابنفش خورشیدی دارد، در ابتدای لایه استراتوسفر قرار دارد. لایه اوزون از ورود اشعه UV-c به سطح زمین جلوگیری می کند و طول موج اشعه UV-b را به شدت کاهش می دهد. دو اشعه ای که به شدت برای موجودات زنده مضر هستند.

زمانی که حجم مواد CFC در سطح زمین زیاد بود، مقداری از این مواد از لایه تروپسفر به لایه استراتوسفر منتقل می شد و در اثر برخورد با اشعه فرابنفش خورشید، اتم کُلر از آن جدا شده و در محیط استراتوسفر آزاد می شد و این اتم کُلر آزاد، در اثر ترکیب شیمیایی با لایه اوزون (O3) باعث شکسته شدن آن و تخریب لایه اوزون می شد. در تصویر زیر می توان فرآیند تخریب لایه اوزن را مشاهده نمود.

سیستم ها و تجهیزاتی که از CFC به عنوان مبرد استفاده می کردند، هنوز به طور کامل اصلاح نشده اند و بازار سیاه این نوع مبردها در سرتاسر جهان هنوز داغ و پرطرفدار است. تخمین زده می شود که حدود 50% از سیستم ها و دستگاه هایی که از CFC استفاده می کنند اصلاح و بروزرسانی شده اند. از جمله مبردهای رایج از خانواده CFC عبارتند از:

R11, R12, R13, R113, R114, R500, R502, R503

هیدرو کلروفلوئوروکربن (HCFCs - Hydro chlorofluorocarbons)
مبردهای HCFC شامل مواد هیدروژن، کلر، فلئور و کربن هستند. این نوع مبردها در مقایسه با CFCها خطر خیلی کمتری برای محیط زیست و لایه اوزون دارند، اما بدین معنا نیست که هیچ مشکل یا خطری در این زمینه نداشته باشند، ولی تنها 10 درصد بر روی لایه اوزون و گرمایش زمین اثر منفی می گذارند. دلیل این موضوع هم این است که مبردهای HCFC از اتم کلر کم تری تشکیل شده اند.

HCFCها موادی غیرآلاینده، ارزان و سازگار با محیط زیست هستند. اگرچه این مواد برای محیط زیست چندان ضرر ندارند اما با عنوان گازهای گلخانه ای شناخته می شوند و در واقع می توانند به صورت آهسته ولی به طور پیوسته لایه اوزون را نابود کنند. برخی از مبردهای خانواده HCFC عبارتند از:

R22, R123, R124, R401A, R401B, R402A, R403B, R408A, R409A, R414B, R416A

هیدرو فلوئوروکربن (HFCs - Hydro fluorocarbons)
این نوع مبرد شامل مواد هیدروژن، فلوئور و کربن است و دارای کُلر نمی باشد. به همین دلیل، این نوع مبردها ضرری برای لایه اوزون نداشته و از طرفی با محیط زیست نیز سازگاری دارند و تهدیدی برای آن محسوب نمی شوند.

این نوع مبردها با اینکه فاقد اتم کلر می باشند، اما مانند مبردهای قبلی از جمله CFC و HCFC تأثیر زیادی بر روی پدیده گرم شدن زمین دارند. در مقابل، مبردهای طبیعی این مشکل را نیز حل کرده اند.

در زیر نشان اختصاری برخی از مبردهای HFC ذکر شده اند:

R23, R134a, R404A, R407C, R410A, R417A, R422A, R422B, R422D, R507, R508

مبردهای HFC به دلیل نداشتن خطر برای محیط زیست، در مقایسه با مبردهای CFC و HCFC همیشه مورد توجه تولید کنندگان مبرد در سراسر جهان بوده اند.

مبرد های طبیعی:
این نوع از مبردها با توجه به نامشان، به صورت مصنوعی مانند سایر مبردها تولید انبوه نمی شوند.

مبردهای طبیعی هیچگونه ضرر و تهدیدی برای طبیعت، محیط زیست و لایه اوزون ندارند و از طرفی تأثیر بسیار اندکی در پدیده گرمایش زمین دارند.

مبردهای طبیعی نسبت به مبردهای صنعتی بسیار ارزان قیمت هستند. هوا، آب، آمونیاک، دی اکسید کربن و هیدروکربن جزو مبردهای طبیعی هستند.

رایج ترین مبردهای امروزی در تهویه مطبوع
با اینکه مبردها با توجه به سیاست های زیست محیطی تغییرات زیادی داشته اند، اما در زیر برخی از رایج ترین مبردهای پر مصرف در صنعت تهویه مطبوع را نام برده ایم:

R134a (HFC)
R-407C (HFC)
R-410A (HFC)
R-22 (HCFC)
R-404A (HFC)