انتخاب الأمونياک أو الفريون في دورة التبريد
كل اختيار يحمل مجموعة من المزايا والعيوب، وموضوع اختيار بين الأمونياک أو الفريون ليس استثناءً. في بناء نظام تبريد صناعي، يعتبر السؤال حول تصميم النظام باستخدام الأمونياک أو الفريون دائمًا محط اهتمام مالكي مجتمعات التبريد، حيث يجب عليهم اتخاذ قرار حول استخدام مبرد الأمونياك أو الفريون. للأسف، تكررنا في رؤية حالات حيث لم يتمكن أرباب العمل لأسباب مختلفة من اتخاذ التوجيه الصحيح في هذا السياق، مما أدى إلى مشاكل في تشغيل النظام. في هذا المقال، يتم محاولة إجراء استعراض شامل لهذا الموضوع بدون أي تحيز تجاه أحد، وذلك لتوضيح جميع الجوانب المتعلقة به.
وداعًا للفريون (Freons)، ربما لا!
بينما يتم التخلص التدريجي من المبردات الفريونية التقليدية بسبب المخاوف البيئية، فإن التقنيات البديلة التي تُعرف باسم الفريونات الجديدة (New Freons) قد تلعب دورًا مهمًا في أنظمة التبريد الحديثة. مثل قديم يقول: “كل شيء مخلوق لهدف”، وهذا يعني أن كل أداة تعمل بكفاءة ضمن ظروف معينة. هذا المبدأ ينطبق في العديد من الحالات، بما في ذلك المبردات المستخدمة في التبريد الصناعي. قطاع الأغذية والمشروبات يهيمن عليه استخدام الأمونياك كمبرد، ولكن منذ بداية القرن العشرين، كان التبريد باستخدام الفريون جزءًا مهمًا ومكملًا لهذا القطاع. آخر فريون حقيقي (R22) سيُسحب من السوق العام القادم، لكن المبردات البديلة المعتمدة من وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) التي تُعرف أيضًا بالفريون، لا تزال تلعب دورًا قيّمًا في صناعة التبريد.
ما هو الفرق بين الأمونياك والفريون؟
وفقًا لما ذكره “كين فانتاين” (Ken Vantine)، فإن الأمونياك هو مادة طبيعية وواحدة من أقدم أشكال المبردات المتبقية. وأضاف فانتاين أن المبردات الأولى كانت الأمونياك وثاني أكسيد الكبريت. كانت الأمونياك أكبر مبرد صناعي، بينما كان يتم استخدام ثاني أكسيد الكبريت في الثلاجات المنزلية والأجهزة المنزلية الصغيرة. ومع مرور الوقت، تم التخلص التدريجي من ثاني أكسيد الكبريت بسبب سميته. الأمونياك أيضًا مادة سامة، ولكنها قابلة للتحكم، ورائحتها المميزة تجعلها “تنذر بنفسها” في حالة حدوث أي تسرب.
الفريون هو مبرد صناعي تم تطويره كبديل لثاني أكسيد الكبريت والأمونياك. رغم أن الفريون لديه كفاءة أقل من الأمونياك بناءً على وحدة الحرارة البريطانية (BTU) لكل رطل، إلا أن مبردات الفريون ليست كما يعتقد البعض غير فعالة تمامًا. على سبيل المثال، يمكن النظر إلى غرفة تبريد بسعة 200 طن عند درجة حرارة مبخر 29- درجة مئوية ودرجة حرارة مكثف 35+ درجة مئوية باستخدام نظام ثنائي المرحلة مع مبرد داخلي (Two-Stage Intercooled System) ومزود بضواغط لولبية مفتوحة (Open-Drive Screw Compressors). يبلغ عدد الأحصنة لكل طن (وهو مقياس لكفاءة النظام) في النظام الأمونياكي لهذه المواصفات حوالي 1.86، بينما في نظام R-22 المكافئ هو 1.96. عند درجة حرارة 40- درجة مئوية، تكون الأنظمة متقاربة حيث يبلغ عدد الأحصنة لكل طن في نظام R-22 حوالي 2.41 مقارنة بـ 2.44 في نظام الأمونياك. يعود سبب هذا التفاوت إلى أن R-22 يعمل عند ضغط إيجابي في درجات الحرارة المنخفضة، بينما يعمل نظام الأمونياك في فراغ تحت 33- درجة مئوية.
الفرق الرئيسي بين أنظمة الفريون والأمونياك يتعلق بمكونات النظام. تستخدم أنظمة الأمونياك تقليديًا ضواغط مفتوحة ومكثفات تبخيرية (Evaporative Condensers) تعمل بالقرب من درجة حرارة الحباب الرطب. وعلى الرغم من أن بعض أنظمة الفريون تستخدم ضواغط مفتوحة ومكثفات تبخيرية، إلا أن معظمها يعتمد على ضواغط هرمتيكية أو شبه هرمتيكية ومكثفات هوائية التبريد. تقوم الضواغط المفتوحة بتبديد حرارة المحرك إلى الجو، بينما تنقل الضواغط الهرمتيكية أو شبه الهرمتيكية معظم حرارة المحرك إلى نظام التبريد. تعمل المكثفات التبخيرية عند ضغط مكثف أقل من المكثفات الهوائية التبريد التي تعتمد على درجة حرارة الحباب الجاف. وعند إضافة هذه الفروقات إلى النظام، يصبح الفرق في عدد الأحصنة لكل طن أكبر بكثير من الفرق في خصائص المبردات نفسها.
التطبيقات الناجحة للأمونياك والفريون
إذا كانت أنظمة الأمونياك ذات المكثفات التبخيرية أكثر كفاءة بطبيعتها من أنظمة الفريون ذات المكثفات التي تُبرد بالهواء، فأين يمكن أن تلعب أنظمة الفريون دورًا ناجحًا؟ يمكن أن يكون مثال على ذلك مخزن توزيع فوق الصفر مع غرفة تجميد تحت الصفر بدرجة حرارة -23 درجة مئوية، يحتاج إلى فريزر صغير للآيس كريم (بسعة من 8 إلى 10 أطنان) عند درجة حرارة -29 درجة مئوية. إضافة مستوى شفط منفصل إلى الضاغط والخزانات ستكون مكلفة للغاية. تقليل مستوى الشفط العام بمقدار 4 إلى 6 درجات مئوية فقط لخدمة حمل صغير قد يكون مكلفًا من ناحية الطاقة. هذا التطبيق هو مكان مناسب لدمج نظام فريون صغير مستقل ويبرد بالهواء مع نظام الأمونياك.
تواجه أنظمة الأمونياك اعتبارات أخرى. فهي تتطلب امتثالاً لمزيد من اللوائح مقارنة بأنظمة الفريون، وتحتاج إلى مشغلين مدربين تدريباً خاصاً. تتطلب المصانع التي تحتوي على أكثر من 4500 كجم من الأمونياك في الموقع برنامجًا لإدارة سلامة العمليات. بالإضافة إلى ذلك، تقيد بعض الولايات الأمريكية استخدام أنظمة الأمونياك بشكل صارم. قد تؤثر اللوائح الحكومية المتعلقة بإدارة سلامة العمليات والمسائل المتعلقة بالأمن الداخلي على قرارات المصنع. علاوة على ذلك، إذا كان المصنع يقع في حي مزدحم وغير صناعي، فقد لا يشعر المالك بالراحة تجاه المسؤولية المحتملة في حال حدوث تسرب للأمونياك.
في بعض التطبيقات المتعلقة بمعالجة الأغذية مثل تخزين المكسرات، قد يكون الفريون في النهاية الخيار الأفضل. هناك توجه لخفض درجة حرارة تخزين المكسرات إلى 1.7 درجة مئوية لزيادة مدة الصلاحية. حتى تسرب بسيط من الأمونياك قد يجعل المكسرات سوداء وغير قابلة للاستخدام. أضاف فانتاين: “في درجات الحرارة الأعلى، تمكنا من تشغيل مبرد جليكول باستخدام نظام أمونياك واستخدمنا ملفات ملحية في موقع تخزين المكسرات.” تجعل درجات الحرارة المنخفضة لنظام المياه المالحة الأمر معقدًا لأن إذابة الثلج في هذه الظروف تشكل تحديًا. يمكن لأنظمة الفريون المستقلة تنفيذ هذه العملية بسهولة باستخدام ملفات إذابة الثلج الكهربائية.
نقطة أخرى مهمة هي تأثير كل مبرد على الاحتباس الحراري. الأمونياك، الذي يتكون من النيتروجين والهيدروجين، هو مادة طبيعية ولا يشكل تهديدًا للغلاف الجوي. إذا تفكك الأمونياك، فإنه يعود إلى النيتروجين والهيدروجين. في حين أن الفريونات القديمة كان لها تأثير ملحوظ في الاحتباس الحراري (GWP)، فإن المبردات الأحدث التي ستحل في النهاية محل فريون R-22 أقل ضررًا على البيئة.
أنظمة الفريون المنفصلة (Split Freon Systems)
تقليديًا، كانت معظم وحدات التبريد التي تستخدم الفريون تعمل بنظام “السبليت”. عادةً ما تكون هذه الوحدات متصلة ببعضها البعض بشكل قريب، حيث يتم تركيب وحدة المبخر بالقرب من المكثف (المثبت على السطح أو النافذة) قدر الإمكان لتقليل تكاليف الأنابيب والمبرد.
نظرًا لأنها أنظمة تمدد مباشر (DX)، فإن التحكم في ضغط الرأس أمر مهم لتوفير فرق الضغط المطلوب لصمام التمدد. يتم التحكم في ضغط الرأس من خلال التحكم في تدفق الهواء بواسطة مروحة المكثف. في المشاريع الأكبر حجمًا، قد يتم توزيع عدة مكثفات عبر السطح. في بعض التطبيقات، قد يحتوي النظام على “رف” به ضواغط ترددية متعددة عند مستويات شفط مختلفة لتوزيع الحمل بالتساوي. يتم تبريد هذه الأنظمة بالدرجة الأولى باستخدام الماء، وأحيانًا باستخدام الهواء، ولكن بعض الأنظمة يتم تبريدها أيضًا بمكثفات تبخيرية.
