خواص فیزیکی گاز آمونیاک

آمونیاک یک ماده بی رنگ و با بوی تند با فرمول شیمیایی NH3 و کد مبرد R-717 از دو گاز نیتروژن و هیدروژن تشکیل شده است. آمونیاک از هوا سبک تر بوده و چگالی آن تقریباً نصف هوا می باشد و به واسطه پیوند هیدروژنی قوی به راحتی به مایع تبدیل می گردد. مایع آمونیاک در دمای 33- درجه سانتیگراد و در فشار 1 اتمسفر تبخیر می شود بنابراین برای نگهداری آمونیاک باید از مخازن تحت فشار استفاده کرد و یا آن را در دمای پایین نگه داشت.

خواص شیمیایی گاز آمونیاک

آمونیاک با تمامی مواد رایج به جز مس و برنج سازگاری دارد. در عمل فقط لوله های آهنی جوشی برای انتقال آمونیاک مناسب می باشند. علاوه بر این در صورت استفاده از کمپرسور های هرمتیک و یا سمی هرمتیک باید از انواع سیم پیچ آلومینیومی و یا سیم پیچ دارای روکش مخصوص استفاده گردد. همچنین آمونیاک در روغن های رایج برودتی حل نمی شود و چون از روغن سبک تر است سیستم برگشت روغن را بسیار بهتر عمل می کند.

ملاحظات زیست محیطی سردخانه آمونیاکی

آمونیاک یک مبرد طبیعی می باشد. گاز آمونیاک هیچ گونه تأثیری در تخریب لایه ازن و گرمایش جهانی ندارد. با در نظر گرفتن راندمان بسیار بالای این مبرد می توان گفت آمونیاک یکی بهترین مبردهای دوستدار محیط زیست می باشد.

آمونیاک به عنوان مبرد

شناخته شده ترین مبرد که به خصوص در سیستم های برودتی بزرگ صنعتی می توان از مزایای آن بهره بسیاری گرفت آمونیاک می باشد. آمونیاک خواص ترمودینامیکی بسیار مطلوبی دارد و در بسیاری از کاربردها نسبت به گازهای سنتزی (فریون ها) راندمان بالاتری به دست می دهد. نا گفته نماند که برخی از معایب این ماده مانند عدم سازگاری آن با برخی از مواد، سمی و قابل اشتعال بودن آن باعث شده کمتر در مقیاس تجاری مورد استفاده قرار بگیرد.

راندمان مبرد آمونیاک

آمونیاک یک مبرد بسیار کارآمد می باشد. راندمان آمونیاک از نظر تئوری کمی بالاتر از گازهایی مانند پروپان و R-134a می باشد ولی شواهدی وجود دارند که نشان می دهد در عمل سیستم های آمونیاکی عملکرد بسیار بهتری نسبت به محاسبات تئوری به دست می دهند.

آمونیاک یک مبرد مقرون به صرفه

آمونیاک یک مبرد بسیار ارزان است که در ایران هم اتفاقاً به وفور قابل دسترس است. اگر بخواهیم با اعداد و ارقام صحبت کنیم می توان گفت گاز آمونیاک به ازای هر کیلوگرم حدود 30 بار ارزان تر از ارزان ترین نوع فریون (R-22) می باشد.

مزایای استفاده از سردخانه آمونیاکی

• هزینه های سرمایه گذاری یک سیستم برودتی صنعتی برای سردخانه آمونیاکی 10% تا 20% کمتر از سرمایه مورد نیاز برای یک سیستم برودتی با سایر مبرد ها می باشد. چرا که اولاً می توان تعداد کمتری کمپرسور با ظرفیت بیشتر انتخاب کرد و ثانیاً سایز لوله های مورد استفاده در سیستم های برودتی آمونیاکی به مراتب کمتر از سایر سیستم های برودتی با مبردهای دیگر می باشد.
• آمونیاک حدود 3% تا 10% راندمان بیشتری نسبت به سایر گازهای CFC دارد که در نتیجه باعث کاهش مصرف برق و هزینه های راهبری خواهد شد.
• آمونیاک برای محیط زیست بسیار امن می باشد. چرا که پارامتر های ODP (تخریب لایه ازن) و GWP (گرمایش جهانی) آن 0 می باشد.
• آمونیاک گاز بسیار بسیار ارزان تری نسبت به گازهای فریون CFC و HCFC می باشد.
• کمپرسور های مورد استفاده در گاز آمونیاک از نوع صنعتی می باشند و عمر بسیار طولانی تری نسبت به کمپرسورهای هرمتیک و سمی هرمتیک دارند. با اتخاذ یک سیاست صحیح تعمیر و نگهداری می توان سال ها از این تجهیز بهره برداری نمود.

معایب استفاده از آمونیاک

• عدم سازگاری آمونیاک با مس باعث می شود که نتوان در سیستم های آمونیاکی از لوله و اتصالات مسی استفاده کرد.
• آمونیاک در تراکم های بالا می توان سمی باشد. (البته آمونیاک به دلیل بوی بسیار تندی که دارد قبل از رسیدن به تراکم های بالا به راحتی قابل شناسایی و مدیریت می باشد. همچنین چون آمونیاک سبک تر از هوا نیز می باشد در صورت بروز هر گونه نشتی گاز به سمت بالا می رود و در اتمسفر مستهلک می گردد.)

کاربردهای سیستم آمونیاکی

امروزه سیستم های برودتی صنعتی آمونیاکی در موارد زیر کاربرد دارند :

• سردخانه آمونیاکی
• تونل انجماد آمونیاکی
• صنایع تولید نوشیدنی (نوشابه، دلستر و …)
• کارخانجات فرآوری مواد غذایی (کشتارگاه ها، کارخانجات بستنی و لبنی و صنایع شیلاتی)
• شناورهای صیادی صنعتی

معرفی سیستم های آمونیاکی

سیستم های برودتی آمونیاکی قابلیت کارکرد در شرایط طراحی گسترده ای را دارا بوده و طیف وسیعی از نیاز های دمایی مختلف می تواند در مهندسی این سیستم ها لحاظ گردد. به عنوان مثال :

• یک مجموعه برودتی جهت انجماد مواد غذایی با محدوده دمایی 45- تا 10+ درجه سانتیگراد
• یک سردخانه نگهداری شکلات با دمای حدود 15 درجه سانتیگراد و کنترل دقیق رطوبت
• یک چیلینگ روم جهت گوشت با محدوده دمایی 2- تا 1- درجه سانتیگراد و رطوبت بالا
• یک سردخانه صنعتی توزیع کالا که نیازمند دماهای متفاوت برای نگهداری بستنی، غذای منجمد، گوشت و پروسه تولید و بازرگانی روی اسکله
• یک سیستم یخساز پولکی و قالبی با دمای 20- درجه سانتیگراد
• یک پروسه شیمیایی که به محدوده دمایی از 50- تا 15+ درجه سانتیگراد نیاز دارد.

همانطور که می بینید آمونیاک یک مبرد ایده آل برای بسیاری از سیستم های برودتی صنعتی است. با طراحی اصولی و مهندسی می توان به تمامی نیاز های فوق با یک سیستم برودتی آمونیاکی پاسخ داد.

تفاوت سردخانه آمونیاکی و سردخانه فریونی

تفاوت اصلی در سردخانه های آمونیاکی و فریونی علاوه بر تفاوت نوع مبرد، تفاوت عمده نوع سیستم آن ها نیز می باشد. سیستم های برودتی سردخانه آمونیاکی از گذشته با کمپرسورهای باز (Open Drive) و کندانسور های تبخیری مورد استفاده قرار می گرفته اند. اگرچه برخی از سیستم های سردخانه فریونی نیز می توانند از کمپرسور های باز و کندانسور تبخیری بهره بگیرند، سردخانه های فریونی عمدتاً با کمپرسور های هرمتیک (بسته) و سمی هرمتیک (نیمه بسته) و کندانسور های هوا خنک طراحی می گردند.

سیستم هایی که از کمپرسور های باز کوپل شده با الکتروموتور مانند تصویر زیر کار می کنند، گرمای موتور را به محیط منتقل می کنند در صورتیکه در کمپرسورهای هرمتیک و سمی هرمتیک عمده گرمای تولید شده توسط موتور به سیستم برودتی منتقل می گردد. نکته مهم دیگر این است که کندانسور آب خنک که در دمایی نزدیک به دمای مرطوب محیط کار می کند فشار کندانسور پایین تری نسبت به کندانسور هوا خنک که وابسته به دمای خشک محیط است، دارد. این امر خود باعث افزایش راندمان این نوع سیستم می گردد.

سیستم های تهویه مطبوع آمونیاکی

اخیراً یک تمایل مجدد برای استفاده از آمونیاک در سیستم های تهویه مطبوع به وجود آمده است؛ حذف برخی مبردها و افزایش هزینه ی مبرد های کلروفلوئورکربن (CFC) و هیدروکلروفلوئورکربن (HCFC)  از دلایل این موضوع می باشند. سیستم های آمونیاکی با مبرد ثانویه که آب سرد و یا یک مبرد ثانویه دیگر مثل اتیلن گلایکول را سیرکوله می کنند، یک جایگزین مطمئن برای سیستم های هالوکربنی (فریونی) هستند. اگرچه آمونیاک برای استفاده به عنوان مبرد مستقیم برای مقاصد تهویه مطبوع مناسب نیست (مثلاً آمونیاک در فن کویل برای سیستم های تهویه) ولی پکیج های چیلر آمونیاکی با مبرد ثانویه جهت استفاده در سیستم های تهویه مطبوع قابل استفاده می باشد. نا گفته نماند که لازم است در سیستم های تهویه مطبوع تمام الزامات، استانداردها و تدابیر حفاظتی به خوبی دنبال و اجرا شوند. شکل زیر یک چیلر اسکرو آمونیاکی از برند SABROE دانمارک می باشد.

انتخاب نوع سیستم سردخانه آمونیاکی

در انتخاب یک سیستم مهندسی برودتی آمونیاکی چندین تصمیم زیر برای طراحی باید اتخاذ شود :

1- استفاده از سیستم تراکم تک مرحله ای

2- استفاده از سیستم مجهز به اکونومایزر

3- استفاده از سیستم تراکم چند مرحله ای

4- استفاده از سیستم تغذیه DX

5- استفاده از سیستم تغذیه ثقلی

6- استفاده از سیستم تغذیه پمپی

7- استفاده از مبرد ثانویه

سیستم های آمونیاکی یک مرحله ای

سیستم برودتی آمونیاکی یک مرحله ای ساده شامل یک یا چند اواپراتور ،کمپرسور، کندانسور و یک مخزن رسیور مبرد و یک ابزار کنترل مبرد و … می باشد.

اکونومایزر در کمپرسور سردخانه آمونیاکی

سیستم های آمونیاکی مجهز به اکونومایزر غالباً با کمپرسور های روتاری اسکرو به کار برده می شوند. شکل زیر یک مدل قرارگیری تجهیزات اصلی را نمایش می دهد. در این روش با سابکول کردن مایع مبرد پیش از رسیدن آن به اواپراتور باعث کاهش آنتالپی آن شده و در نتیجه باعث افزایش راندمان سیکل برودت خواهد شد.

عملکرد اکونومایزر کمپرسور آمونیاکی

سیستم های مجهز به اکونومایرز با مکش بخار تولید شده از فرآیند سابکولینگ – از طریق پورت اکونومایزر کمپرسور (که از فشار ساکشن بیشتر است) – و تراکم آن تا فشار دیس شارژ، باعث افزایش راندمان سیستم می گردد. این امر باعث دستیابی به ظرفیت برودتی بیشتر با یک افزایش اندک در توان ورودی می گردد.

استفاده از اکونومایزر بیشتر در فشارهای بالا (دماهای بالا- High stage) سودمند است. غالباً ،استفاده از اکونومایز می تواند راندمان را تا حد سیستم های دو مرحله ای افزایش دهد با این تفاوت که در سیستم های مجهز به اکونومایزر سیستم دارای پیچیدگی کمتر و تعمیر و نگهداری ساده تر نسبت به سیستم های دو مرحله ای می باشد.

استفاده از اکونومایزر برای سیستم های با بار های برودتی متنوع باید با دقت مهندسی گردند. چرا که اغلب کمپرسور های اسکرو وقتی با حدود 75% ظرفیتشان کار می کنند، عملکردشان با حرکت کردن شیر کشویی کنترل ظرفیت (Vi Slide Valve) و باز شدن مسیر پورت اکونومایزر به فضای مکش کمپرسور به سیستم های تک مرحله ای شبیه می شوند.

انواع اکونومایزر

اکونومایزر فلش (Flash economizer) دارای بازدهی بیشتری نسبت به اکونومایزر پوسته و کویل (Shell & coil economizer) بوده و  اغلب می تواند به جای آن استفاده شود. البته فشار مایع آمونیاک ورودی تا فشار اکونومایزر کاهش می یابد. و همچنین مایع در فشار پایین تری اشباع شده و با ایجاد کوچک ترین افت فشار آماده فلش شدن می باشد مگر اینکه تجهیز دیگری جهت سابکولینگ وجود داشته باشد.

سیستم های چند مرحله ای در سردخانه آمونیاکی

این سیستم ها گاز را طی چندین مرحله از اواپراتور به کندانسور فشرده و پمپ می کنند. این سیستم ها برای دستیابی به دمای 25- درجه سانتیگراد و پایین تر استفاده می شوند؛ چرا که استفاده از سیستم های تک مرحله ای در شرایط مذکور مقرون به صرفه نیست.

سیستم های تراکم تک مرحله ای با کمپرسور های پیستونی محدود به فشار مکش گیج 5 تا 10 psi می باشند.

در کمپرسور های اسکرو-روتاری مجهز به اکونومایزر که دمای دهش در آنها به دلیل خنک سازی مداوم روغن پایین تر از دمای دهش کمپرسورهای پیستونی است می توانند تا دمای مکش حدود 40- درجه سانتیگراد کار کنند ولی راندمان در این دما بسیار اندک می باشد. سیستم های دو مرحله ای معمولاً برای دستیابی به دماهای اواپراتور پایین تر و حدود 60- تا 40- درجه سانتی گراد به کار می روند. برای دستیابی به دماهای پایین تر از این حد باید سیستم های چند مرحله ای و یا کسکید Cascade طراحی گردد.

برای سیستم های آمونیاکی می توان از کندانسور های تبخیری، شل و تیوب ( پوسته و لوله )، پلیتی و حتی در مواردی از کندانسور های هوا خنک استفاده کرد. لازم به ذکر است مس و برنج در مجاورت آمونیاک خورده می شوند بنابراین باید از مبدل هایی استفاده شود که در ساخت از این فلزات استفاده نشده باشد.

اواپراتور در سردخانه آمونیاکی

انواع متفاوتی از اواپراتورها می توانند در سیستم های برودتی آمونیاکی مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از اواپراتور های DX وزشی (Direct Expansion) در سیستم های آمونیاکی معمولاً پیشنهاد نمی گردد مگر در مواردی که دمای ساکشن 10- درجه سانتیگراد و بیشتر از آن باشد. این مسئله به دلیل راندمان نسبتاً پایین کویل های DX است. اما مورد خیلی مهم این است که دبی پایین آمونیاک در این نوع سیستم، تغذیه یکنواخت مایع آمونیاک را در کویل مشکل می سازد.

به عنوان یک جایگزین استفاده از اواپراتور وزشی آمونیاکی طراحی شده جهت سیستم های پمپی (overfeed)، ارجحیت دارند. به طور رایج در این نوع سیستم، آمونیاک با فشار بالا از سیستم high stage به یک مخزن با فشار اواپراتور (سپراتور مایع) تزریق می گردد. مایع از این مخزن سپراتور با دبی نسبی 2.5 تا 4 به سمت اواپراتور ها پمپ می شود. این یک سیستم استاندارد و با راندمان بالا می باشد که به آن اواپراتور پمپی یا overfeed می گویند.

اواپراتور های غرقابی (Flooded) پوسته و لوله (شل و تیوب) معمولاً در سیستم های آمونیاکی که نیازمند خنک سازی یک سیال ثانویه مثل آب، براین یا گلایکول هستند مورد استفاده قرار می گیرد.

مخازن تحت فشار در سردخانه آمونیاکی

مخزن فشار بالای رسیور مایع (Liquid Receiver)

در سیستم های برودتی آمونیاکی عموماً از یک مخزن مرکزی فشار بالا به نام رسیور مایع به عنوان مخزن اصلی دپو مایع آمونیاک بهره می گیرند. رسیور آمونیاک وظیفه مدیریت و ذخیره مایع آمونیاک در سیکل های کاری، دیفراست و تعمیرات را دارد.

در حالت ایده آل رسیور باید به قدری بزرگ باشد که امکان تجمیع تمام مایع آمونیاک موجود در سیستم در آن ممکن باشد، ولی این امر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد و معمولاً این اتفاق نمی افتد. جهت تعیین ظرفیت بهینه برای مخزن رسیور نیاز به آنالیز سیستم می باشد که توسط طراح صورت می پذیرد.

مخزن رسیور را معمولاً با ورودی کندانسور از طریق یک خط لوله هم فشار می کنند. بنابراین فشار رسیور و کندانسور یکسان می باشد. البته در برخی از سیستم ها فشار رسیور در بازه ای بین فشار کندانسور و بالاترین فشار ساکشن حفظ می شود که به آن ها رسیور کنترل فشار (Controlled-Pressure Receiver) می گویند.

در برخی موارد مخازن رسیور کوچکتر تحت عنوان مخازن اولویت دار (Priority Vessels) بین کندانسور و رسیور اصلی قرار می گیرند. این مخازن جهت تزریق مایع فشار بالا روی کمپرسور (پورت اکونومایزر)، مخزن ترموسیفون، اویل کولر، تغذیه اواپراتور های فشار بالا و از این قبیل مورد استفاده قرار می گیرند.

مخزن اینترکولر (Intercooler)

اینترکولر که به آن مخزن سابکولر یا دیسوپرهیتر نیز گفته می شود، یک مخزن تحت فشار میانی بین مراحل High و Low در سیستم های چند مرحله ای می باشد. این مخزن جهت خنک سازی گاز دیس شارژ کمپرسور های Low کاربرد دارد که مانع از داغ شدن کمپرسور های High می شود. در واقع دیس شارژ کمپرسور های مرحله Low در درون مایع سپراتور تزریق شده و حباب می کنند.

در نهایت گاز آمونیاک خنک شده و مقدار مایع آمونیاکی که جهت خنک سازی این گاز تبخیر شده است توسط کمپرسور های مرحله High مکش شده و به سمت کندانسور پمپ می شوند. کمپرسور های مرحله Low همواره مقداری روغن را به همراه گاز به اینترکولر پاس می کنند بنابراین روغن گیری دوره ای از این مخزن ضروری می باشد. البته در سیستم های پیشرفته تر این کار به صورت اتوماتیک توسط تجهیزات کنترلی و برقی انجام می پذیرد.

مخزن آکومولاتور ساکشن (Suction Accumulator)

مخزن آکومولاتور ساکشن به نام های مخزن تله مایع و مخزن مایع شکن نیز شناخته می شود. این مخزن از ورود مایع به ساکشن کمپرسور جلوگیری می کند. آکومولاتور ساکشن می تواند افقی یا عمودی ساخته شود. همچنین طراحی مش و پد در داخل این مخزن می تواند به جدا سازی مایع از گاز کمک شایانی کند.

نکته مهمی که در طراحی این مخزن حائز اهمیت می باشد مدیریت مایع آمونیاک به تله افتاده در کف مخزن است. برای این منظور می توان از تبخیر مایع به وسیله المنت های الکتریکی و یا کویل گاز گرم استفاده کرد که البته روش های بهینه و مناسبی محسوب نمی شوند. بهترین و ساده ترین روش استفاده از کویل مایع آمونیاک در مخزن است. مزیت این روش دو جانبه است اول اینکه مایع درون آکومولاتور تبخیر شده و توسط کمپرسور مکش می شود. دوم اینکه این روش مایع آمونیاک درون کویل را سابکول می کند.

نمایشگر سطح مایع آمونیاک (Ammonia Liquid Level Indicators)

سطح مایع آمونیاک در مخازن می تواند توسط نمایشگرهای دیداری، سنسورهای الکتریکی و یا ترکیبی از هر دو باشند. نمایشگر های دیداری که به آن سایت گلاس نیز گفته می شود به صورت یک عمودی روی یک لوله موازی با مخزن نصب می شوند. این تجهیز دارای یک شیشه خاص می باشد که سطح مایع درون آن از این طریق قابل رؤیت است.

سنسور های الکتریکی می توانند سطح مایع آمونیاک را به شکل پیوسته نمایش دهند. خروجی این سنسور ها می تواند به شکل دیجیتال و یا گراف به صورت محلی و یا ریموت مانیتور شود.

ایرپارجر یونیت یا دستگاه حذف هوا و رطوبت از سیستم (Air Purger Unit)

یونیت حذف کننده هوا و رطوبت که وظیفه حذف گازهای غیر قابل تقطیر (non-condensable gases) و آب را از سیستم دارد برای اکثر سیستم های برودتی آمونیاکی مخصوصاً آن هایی که فشار ساکشن آن ها کمتر از فشار اتمسفر می باشد (سیستم های زیر صفری) می تواند مفید واقع شود. نام این دستگاه ایرپارجر می باشد. وقتی گاز آمونیاک به همراه هوا و رطوبت به کندانسور وارد می شود وظیفه ایرپارجر یونیت این است که آمونیاک را از طریق تقطیر از دیگر گاز های موجود در سیستم جدا کرده و آن را به محیط تخلیه کند.

طراحی و اجرای سردخانه آمونیاکی

از مهم ترین عوامل مؤثر در کیفیت و سهولت در بهره برداری از سیستم های برودتی آمونیاکی نحوه طراحی، مهندسی و البته اجرای و راه اندازی این نوع سیستم ها می باشد. همانطور که در بالا اشاره شد جایگشت های فراوانی چه از نظر طراحی نوع سیستم و چه از نظر نوع تجهیزات می تواند مورد استفاده قرار بگیرد. بهره گیری از یک متخصص سیستم های برودتی جهت امکان سنجی و انتخاب بهترین طراحی و تجهیزات هزینه اندکی را نسبت سرمایه گذاری کلی خواهد داشت ولی در نهایت می تواند تأثیر به سزایی در راهبری و بهره برداری سیستم برودتی داشته باشد.

عوامل مهم در اجرا سردخانه آمونیاکی :

• نوع طراحی و انتخاب سیستم
• ظرفیت سنجی و انتخاب نوع تجهیزات
• تهیه نقشه ها و دیتیل اجرایی
• بکارگماری نیروهای فنی متخصص جهت اجرای صحیح و اصولی
• بکارگیری ابزارآلات تخصصی
• تهیه دستورالعمل و چک لیست راه اندازی

قیمت سردخانه آمونیاکی

برآورد قیمت جهت سیستم سردخانه های آمونیاکی وابسته به عوامل متعددی نظیر نوع سیستم (تک مرحله، چند مرحله)، نوع کمپرسور (پیستونی ، اسکرو) و برند تجهیزات مورد استفاده دارد. ولی به صورت کلی می توان گفت در سردخانه های با ظرفیت نگهداری بالای 2000 تن استفاده از سیستم های آمونیاکی بین 15 تا 40 درصد ارزان تر از سیستم های فریونی می باشد.

در صورت نیاز به برآورد قیمت سردخانه آمونیاکی با کارشناسان ما تماس بگیرید.