انتخاب آمونیاک یا فریون در سیکل تبرید

هر انتخابی، مجموعه ای از مزایا و معایب را به دنبال خود دارد و مبحث بین آمونیاک یا فریون نیز از این قاعده مستثنی نیست. در ساخت یک تأسیسات برودتی صنعتی همواره یک سؤال ذهن صاحبان مجتمع های برودتی را به خود مشغول کرده است، و آن این است که طراحی سیستم را از مبرد آمونیاک یا فریون انجام دهند. متأسفانه بارها شاهد این موضوع بوده ایم که به دلایل مختلف کارفرمایان نتوانسته اند در این راستا جهت گیری مناسب کنند و در بهره برداری از سیستم دچار مشکل گشته اند، در این مقاله سعی شده است بدون هیچ گونه جانب داری یک بررسی همه جانبه در این مورد صورت گیرد.

خداحافظی با فریون (Freons)، شاید نه!

در حالی که مبردهای فریونی متداول به خاطر نگرانی‌های زیست‌محیطی به تدریج در حال حذف شدن هستند، تکنولوژی‌های جایگزین که به عنوان فریون‌های جدید (New Freons) شناخته می‌شوند، می‌توانند نقش مهمی در سیستم‌های تبرید مدرن بازی کنند.

یک ضرب‌المثل قدیمی می‌گوید، هر کسی را بهر کاری ساختند، که به این معناست که هر وسیله‌ای متناسب با شرایطی خاص کارکرد بهینه دارد. این اصل در بسیاری از موارد صادق است، از جمله مبردهای مورد استفاده در تبرید صنعتی. صنعت غذا و نوشیدنی تحت سلطه‌ی آمونیاک به عنوان مبرد است، در حالی که از آغاز قرن بیستم، سرمایش فریونی بخش مهم و مکمل این صنعت بوده است. آخرین فریون حقیقی (R22) ، سال بعد از بازار تجهیزات جدید خارج می‌شود، مبردهای جایگزین که مورد تایید آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا (EPA) هستند به نام فریون شناخته می‌شوند، هنوز نقش با ارزشی را در صنعت تبرید ایفا می‌کنند.

تفاوت بین آمونیاک و فریون چیست؟

 به گفته کن وانتین (Ken Vantine) آمونیاک، یک ماده طبیعی و یکی از قدیمی‌ترین شکل‌های مبرد باقیمانده است. وانتین در ادامه گفت: مبردهای اولیه آمونیاک و دی اکسید گوگرد بودند. آمونیاک بزرگترین مبرد صنعتی بود، در حالی که از دی‌اکسید گوگرد بیشتر در یخچال های خانگی و لوازم خانگی کوچک استفاده می شد. مصرف دی‌اکسید گوگرد به تدریج به خاطر سمی بودن منسوخ شد. آمونیاک نیز سمی است، اما قابل کنترل است و بوی متمایز آن باعث می‌شود در صورت بروز هر گونه نشت، «خود هشداردهنده» شود.

فریون یک مبرد مصنوعی است که به عنوان جایگزینی برای دی اکسید گوگرد و آمونیاک ساخته شده است. اگرچه فریون بر اساس BTU در هر پوند کارایی کمتری نسبت به آمونیاک دارد، مبردهای فریون تقریباً آنطور که تصور می شود ناکارآمد نیستند. به عنوان مثال، یک سردخانه ۲۰۰ تنی در دمای اواپراتور ۲۹- درجه سانتیگراد و دمای کندانسور ۳۵+ درجه سانتیگراد با یک سیستم دو مرحله‌ای با اینترکولر(Two-Stage Intercooled System) با استفاده از کمپرسورهای درایو باز اسکرو (Open-Drive Screw Compressors) در نظر بگیرید. اسب بخار در هر تن (که مبنایی برای سطح کلی بازده سیستم تبرید است) در سیستم آمونیاکی با این مشخصات تقریباً ۱/۸۶ است، در حالی که این مقدار برای سیستم معادل R-22 1/96 است. در مکش ۴۰- درجه سانتیگراد، دو سیستم تقریباً یکسان هستند با ۲/۴۱ اسب بخار در هر تن برای سیستم R-22 و ۲/۴۴ برای سیستم آمونیاک. علت وجود این ناهنجاری این است که R-22 هنوز در دماهای پایین تر در فشار مثبت است، در حالی که سیستم آمونیاک زیر ۳۳- درجه سانتیگراد در خلاء است.

تفاوت اصلی در سیستم های فریون در مقابل آمونیاک به اندازه خود مبردها به اجزاء مربوط می شود. سیستم های آمونیاکی به طور سنتی با کمپرسورهای درایو باز و کندانسورهای تبخیری (Evaporative Condensers) که در نزدیکی دمای حباب مرطوب کار می کنند، استفاده می شوند. اگرچه برخی از سیستم های فریون از کمپرسورهای درایو باز و کندانسورهای تبخیری استفاده می کنند، اکثر سیستم های فریون از کمپرسورهای هرمتیک یا سمی هرمتیک و کندانسور هوا خنک استفاده می کنند. موتور سیستم درایو باز گرمای موتور را به اتمسفر دفع می کند، در حالی که کمپرسور هرمتیک یا سمی هرمتیک اکثر گرمای موتور را به سیستم تبرید وارد می کند. کندانسور تبخیری که در نزدیکی دمای حباب مرطوب کار می کند، فشار کندانسور کمتری نسبت به یک کندانسور هوا خنک دارد که به دمای حباب خشک متکی است. وقتی این ناکارآمدی ها به سیستم اضافه می شود، تفاوت اسب بخار در هر تن بسیار بیشتر از تفاوت در خواص مبرد است.

کاربردهای موفق آمونیاک و فریون

اگر سیستم‌های آمونیاکی با کندانسور تبخیری ذاتاً کارآمدتر از سیستم‌های فریون با کندانسور هوا خنک هستند، سیستم‌های فریون در کجا می‌توانند نقش موفقی داشته باشند؟ یک مثال می تواند یک سردخانه بالاس صفر توزیع محلی با یک سردخانه زیر صفر در دمای ۲۳- درجه سانتیگراد باشد که به یک یخچال فریزر بستنی کوچک (۸ تا ۱۰ تن) در دمای ۲۹- درجه سانتیگراد نیاز دارد. افزودن یک سطح مکش جداگانه به کمپرسور و مخازن پرهزینه خواهد بود. جایگزینی کاهش سطح مکش کلی به میزان ۴ تا ۶ درجه سانتیگراد فقط برای سرویس دهی یک بار کوچک نیز از نظر انرژی بسیار گران است. این کاربرد جای خوبی برای ادغام یک سیستم کوچک، مستقل و هوا خنک فریون با سیستم آمونیاکی خواهد است.

سیستم های آمونیاکی ملاحظات دیگری نیز دارند. آنها به مقررات بیشتری نسبت به سیستم های فریون نیاز دارند و به اپراتورهای آموزش دیده ویژه نیاز دارند. کارخانه هایی که بیش از ۴۵۰۰ کیلوگرم آمونیاک در محل دارند باید یک برنامه مدیریت ایمنی فرآیند داشته باشند. علاوه بر این، برخی از ایالت های آمریکا کاربرد سیستم های آمونیاکی را به شدت محدود می کنند. مقررات دولتی در رابطه با مدیریت ایمنی فرآیند و مسائل امنیت داخلی نیز ممکن است بر تصمیم کارخانه تأثیر بگذارد. علاوه بر این، اگر کارخانه در یک محله شلوغ غیرصنعتی واقع شده باشد، ممکن است مالک با مسئولیت احتمالی نشت آمونیاک راحت نباشد.

در برخی از کاربردهای آماده‌سازی مواد غذایی مانند ذخیره سازی آجیل، فریون ممکن است در نهایت بهترین انتخاب باشد. روندی وجود دارد که دمای نگهداری آجیل را به ۱/۷ درجه سانتیگراد کاهش می دهد تا طول عمر ذخیره سازی افزایش یابد. حتی یک نشت کوچک آمونیاک می تواند آجیل‌ها را سیاه و غیرقابل استفاده کند. وانتین افزود: در دماهای بالاتر، ما توانستیم یک چیلر گلیکول با استفاده از سیستم آمونیاک راه اندازی کنیم و از کویل های آب نمک در محل ذخیره آجیل استفاده کنیم. سطوح دمای پایین تر سیستم آب نمک را پیچیده می کند چرا که دیفراست مناسب این شرایط مشکل است. سیستم‌های مستقل فریون می‌توانند به راحتی این کار را با کویل‌های دیفراست الکتریکی انجام دهند.

نکته مهم دیگر میزان فعالیت هر مبرد در گرمایش جهانی است. آمونیاک، ترکیبی از نیتروژن و هیدروژن، یک ماده طبیعی است و تهدیدی برای جو محسوب نمی شود. اگر آمونیاک تجزیه شود، دوباره به نیتروژن و هیدروژن تبدیل می شود. در حالی که برای فریون های قدیمی پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) قابل توجهی در نظر گرفته می شود، مبردهای جدیدتری که در نهایت فریون R-22 را حذف خواهند کرد، برای جو نسبتاً کم ضرر هستند.

سیستم های اسپیلت فریون (Split Freon Systems)

به طور سنتی، اکثر واحدهای تبرید فریون، سیستم‌های اسپلیت بوده‌اند. این واحدها معمولاً به صورت نزدیک به هم متصل می شوند و واحد اواپراتور تا حد امکان نزدیک به کندانسور (نصب شده روی سقف یا پنجره) است تا هزینه لوله کشی و مبرد کاهش یابد.

از آنجایی که آنها سیستم های انبساط مستقیم (DX) هستند، کنترل فشار هد برای تامین اختلاف فشار مورد نیاز شیر انبساط مهم است. کنترل فشار هد با کنترل هوادهی فن کندانسور انجام می شود. در کارهای بزرگتر، تعدادی از کندانسورها ممکن است در سراسر سقف پخش شوند. در برخی از کاربردها ممکن است یک سیستم رک با کمپرسورهای رفت و برگشتی متعدد در چندین سطح مکش داشته باشند که برای متعادل کردن بار ترتیب داده شده اند. این سیستم‌های رک عمدتاً با آب خنک می شوند و گاهی هم با هوا خنک می شوند، اما برخی از آنها با کندانسور تبخیری نیز خنک می شوند.

خواص گاز آمونیاک در سیکل های تبرید

مبرد آمونیاک با فرمول شیمیایی NH3 و کد مبرد R-717 یک پیشینه قوی در صنعت برودت یا سرمایش دارد به نحوی که می توان گفت اکثر سردخانه های صنعتی با مبرد آمونیاک کار می کنند. در زیر به بررسی برخی از خواص گاز آمونیاک در سیکل های تبرید می پردازیم.

بوی گاز آمونیاک

یکی از مشخصه های اصلی گاز آمونیاک بوی تند آن می باشد که باعث می شود در صورت وجود هر گونه نشتی در سیستم به راحتی قابل شناسایی و رفع باشد. در صورت استنشاق گاز آمونیاک با غلظت بالا در محیط، علائمی مانند سوزش و خارش شدید چشم، بینی و گلو بوجود می آید بنابراین استفاده از ماسک های با فیلتر سه حالته در چنین فضاهایی به شدت توصیه می گردد. تنفس طولانی مدت این گاز با غلظت های بالا باعث بروز مشکلات تنفسی در فرد می گردد. جهت آشنایی بیشتر لطفاً دستورالعمل کمک های اولیه آمونیاک را مطالعه کنید!

قیمت گاز آمونیاک

قیمت گاز آمونیاک بسیار بسیار ارزانتر از گاز های فریون می باشد. همچنین معمولاً به دلیل بویی که در هنگام بروز  نشتی در سیستم های آمونیاکی ایجاد می شود رفع نشتی راحت تر صورت گرفته و نیاز به شارژ مجدد کمتر می باشد. لازم به ذکر است که قیمت هر کیلوگرم از گاز فریون تقریباً ۳۰ برابر گاز آمونیاک می باشد.

تأثیرات محیطی و زیست محیطی گاز آمونیاک

گاز آمونیاک از هوا سبک تر است و در فضا تمایل دارد که به سمت بالا برود. آمونیاک ذاتاً غیر قابل اشتعال و احتراق است مگر در دماها و غلظت های بالا در محیط. گاز آمونیاک از نظر زیست محیطی کاملاً بی خطر بوده و در تخریب لایه ازون و گرمایش جهانی نقشی ندارد. البته نا گفته نماند در صورت آزادسازی غیر اصولی گاز آمونیاک در محیط، می تواند به فضای سبز و درختان محدوده آسیب جدی وارد کند.

خواص ترمودینامیکی گاز آمونیاک

یکی دیگر از مهمترین مزایای گاز آمونیاک کیفیت بالاتر خواص ترمودینامیکی آن نسبت به فریون ها می باشد. خاصیت گرمای ویژه گاز آمونیاک در شرایط مساوی بسیار بالاتر از فریون ها بوده بنابراین در صورت استفاده از این مبرد هزینه های برق تا ۲۰ درصد کاهش پیدا می کند. همچنین دستیابی به دامنه دمایی گسترده توسط این مبرد به عنوان یک مزیت نسبت به فریون محسوب می شود.

مزایا و معایب مبردهای خانواده فریون | آمونیاک یا فریون

سیستم و راهبری ساده سیستم های فریونی

گازهای هالوکربنی یا فریون ها معمولاً در سیستم های ساده تری به کار گرفته می شوند و به تدابیر امنیتی کمتری نیاز دارند. معمولاً در سردخانه های فریونی نیاز به اپراتوری و سرکشی منظم به سیستم نمی باشد و سیستم به شکل نیمه اتوماتیک اداره می شود. این امر همواره به عنوان یک مزیت مهم برای سیستم های فریونی در مقیاس تجاری محسوب می شود.

فریون یک گاز بی بو

گازهای خانواده فریون تقریباً بدون بو بوده و نشتی های به وجود آمده می تواند به تخلیه کامل گاز از سیستم بیانجامد. این امر موجب تحمیل هزینه های زیادی به کارفرما می گردد.

تأثیرات محیطی و زیست محیطی خانواده فریون ها

خانواده گازهای فریون، خانواده بزرگی هستند. از نظر زیست محیطی البته می توان آنها را به دو دسته کلی تقسیم کرد.

دسته اول گازهای قدیمی مانند R-11، R-12، R-22 که نقش بسیار مهمی در تخریب لایه ازون و افزایش گرمای جهانی دارند.

دسته دوم گازهای جدیدی هستند که از نظر زیست محیطی تخریب کمتری را در لایه اوزن ایجاد می کنند مانند R-404A، R-134A و …

با توجه به بدون بو و رنگ بودن فریون ها آسیب های زیست محیطی ای که از طرف این مبرد ایجاد می شود به مراتب بیشتر از آمونیاک می باشد.

سایر خواص فریون ها

مبردهای خانواده فریون ها با فلز مس که در ساخت مبدل های حرارتی به وفور استفاده می گردد، سازگارند. همچنین در صورت استفاده از این مبرد می توان از کمپرسور های سمی هرمتیک نیز بهره برد. چرا که فریون ها با سیم پیچ مسی الکتروموتور واکنش نمی دهند. البته یکی از نقاط ضعف کمپرسور های سمی هرمتیک عمر مفید نسبتاً کوتاه تر آن ها در مقایسه با کمپرسور های باز می باشد.

نتیجه گیری | آمونیاک یا فریون

در یک جمع بندی کلی از نظر فنی و مالی در واحد های تجاری و تهویه مطبوع مبردهای فریون توجیه پیدا می کنند، در واحد های نیمه صنعتی بسته به شرایط می توان از هر دو نوع مبرد استفاده کرد، اما در واحد های صنعتی مبرد آمونیاک چه از نظر فنی و چه از نظر مالی توجیه پذیرتر می باشد.

این مقاله توسط شرکت برودت کار اطلس تهیه گردیده است و استفاده از آن با ذکر منبع بلامانع می باشد.