بسم الله الرحمن الرحيم

ضرورت استفاده از مبردهای طبيعی در صنايع برودتی و دورنمای آنها در قرن بيست و يکم ارائه دهنده: مصطفی مافی هیئت علمی دانشگاه بین المللی امام خمینی (هیات مدیره انجمن علمی مهندسی حرارتی و برودتی ایران)

بخش اول: مقدمه

مقدمه: در پايان هزاره دوم ميلادی، در ليست منتشر شده توسط مراجع مختلف با عنوان «برترين اختراعات»، پس از پرواز، سفر به فضا و كامپيوترها، ”سرمايش“ جزو ده اختراع برتر قرن بيستم قرار گرفته است. واژة Refrigerant به معنای «ماده اي كه در يك سيكل تبريد و يا به صورت مستقيم نظير يخ براي ايجاد سرما به كار مي رود» ، مي باشد. استاندارد ASHRAE 34 بيش از صد مبرد مختلف را به همراه نامگذاري و طبقه بندي آنها برشمرده است. هر چند كه بسياري از آنها در سيستمهاي سرمايش معمول استفاده چنداني ندارد.

روند افزايشی تعداد يخچال توليدی از ابتدای قرن بيستم تا کنون تاريخچه سرمازائی: روند افزايشی تعداد يخچال توليدی از ابتدای قرن بيستم تا کنون 1910 1000 دستگاه در سال 1940 4 ميليون دستگاه در سال( استفاده از فريون ها در يخچال) 1950 7 ميليون دستگاه در سال 1990 50 ميليون دستگاه در سال اکنون 65 الی 70 ميليون دستگاه در سال

کشف مواد سرماز طبق آمار IPCC (کميته بين المللی تغييرات اقليمی) تاريخچه سرمازائی: کشف مواد سرماز طبق آمار IPCC (کميته بين المللی تغييرات اقليمی) 1774 کشف آمونياک (R717) 1787 اختراع ماشين مبرد بخاری – مايع شدن آمونياک (ياکوب پرکينس) 1834 توليد دی اکسيد کربن در حالت جامد (اثر پليته) 1844 اختراع ماشين مبرد هوائی (ژول گوری) 1859 اختراع سیيستم جذبی آب و آمونياک (فرديناند کاری) 1869 شناخت کاهش دمای مواد در اثر خفگی (ژول-تامسون) 1872 اختراع و ثبت کمپرسور آمونياکی (ديويد بويل) 1881 ساخت ماشين مبرد انيدريد کربنيک (لينده و وينه کاوزن) 1889 ساخت کمپرسور تراکم دومرحلهای با انيدريد کربنيک 1910 ساخت ماشين مبرد انژکتوری

کشف مواد سرماز طبق آمار IPCC (کميته بين المللی تغييرات اقليمی) تاريخچه سرمازائی: کشف مواد سرماز طبق آمار IPCC (کميته بين المللی تغييرات اقليمی) 1930 شروع توليد فريون 12 (R12) 1935 شروع توليد فريون 22 (R22) 1953 شروع توليد فريون 502 (R502) 1985 امضاء قرارداد وين 1987 امضاء پروتکل مونترال 1996 ممنوع شدن استفاده از مبردهای CFC 1997 امضاء پروتکل کيوتو-ژاپن

کشف فريون ها- آغاز تحول و انقلاب در صنايع برودتی 1928 تحقيقات در مورد خواص دی کلرو دی فلوئور متان –ميدگلی و خين مکناری (آمريکا) 1930 توليد صنعتی R12 خواص ترموديناميکی عالی فريون 12 به همراه بی بو بودن و غير قابل اشتعال بودن آن باعث شد که به جهت استفاده در سيستم های برودتی کوچک و خانگی به شدت مورد توجه قرارگيرد.

روند افزايشی ميزان توليد مبردهای CFC در قرن بيستم 1932 136 تن در سال 1934 600 تن در سال 1937 3084 تن در سال 1966 340000 تن در سال 1986 1300000 تن در سال پرکاربردترين مبردهای فريونی کلروفلوئورکربن ها (CFC) و هيدروکلروفلوئورکربن ها(HCFC) R11 CCL3F R12 CCL2F2 R22 CHCLF2 R113 CCLF2-CCL2F R115 CCLF2-CF3

تخريب لايه اوزن و ممنوعيت استفاده از مبردهای CFC و HCFC ممنوعيت استفاده از R12 از سال 1996 قطع توليد R22 تا سال 2015 (اتحاديه اوپا)

مبردهای فريونی مخرب لايه ازن

جايگزينی مبردهای مخرب لايه ازن

معايب مبرد هيدروفلوئور کربنی HFC134a: ابتدا آمريکا با پيش بينی لازم R134a را به عنوان جايگزين R12 پيشنهاد داد و از طريق UNIDO و تحت عنوان کمک به کشورهای جهان سوم ، آنها را مجبور به استفاده از آن نمود. معايب مبرد هيدروفلوئور کربنی HFC134a: گران بودن آن نياز به روغن خاص نياز به تغييرات در دستگاهها به خصوص کمپرسور بالا بودن پتانسيل زمين گرمائی (GWP)

مبردهای HFC، بدون خاطر برای لايه ازن اما خطرات برای گرمايش کره زمين

گرمايش کره زمين و مبردها در دهه 90 ميلادي بحث گرم شدن هواي زمين مجددا استفاده از مبردها را مورد انتقاد جدي قرار داد، زيرا: الف) افزايش گازهای گلخانه ای به علت افزايش انرژی مصرفی دستگاه هاي سرمايش و تهويه مطبوع، مصرف كنندگان عمده انرژي مي باشند. در ايالات متحده حدود 35 درصد مصرف انرژي، مربوط به مصارف انرژي ساختمانها از جمله سرمايش و تهويه مطبوع است ب) بسياري از مبردها خود گازهاي گلخانه اي مي باشند. بدين ترتيب بحث جايگزينی اين مواد در دهه هاي اخير هميشه موضوع بحث و بررسي بوده اند.

گرمايش کره زمين و مبردها 1992 پيشنهاد ممنوعيت استفاده از مبردهائی با GWP بالا- کنفرانس ريودوژانيرو 1997 تصويب ممنوعيت استفاده از مبردهائی با GWP بالا-پروتکل کيوتو 2002 امضاء پروتکل کيوتو توسط اتحاديه اروپا 2004 امضاء پروتکل کيوتو توسط آمريکا پتانسيل زمين گرمائی (GWP) عامل مهمی است که بايد در انتخاب مبردها مورد توجه جدی قرار گيرد. استفاده از مبردهای مصنوعی با ODP, GWP=0 شامل CM1و... بازگشت به 70 سال پيش و استفاده دوباره از مبردهای طبيعی شامل هيدروکربن ها، آمونياک و ...

مبردهای مصنوعی پيشنهادی جانشينی R12 و R22 در روسيه

مقايسه CM1 با ساير مبردهای پيشنهادی

مزايای استفاده از ترکيب CM1 ( پيشنهاد شده توسط دانشگاه انرژی مسکو) در مقايسه با ساير مبردها پتانسيل تخريب لايه ازن برابر با صفر خواص ترموديناميکی مشابه با R12 غير قابل اشتعال و انفجار قابليت کارکرد با روغن های معدنی مشابه سيستم های فريونی سابق. بنابراين هيچ تغييری در مواد عايق و آب بندی و قطعات کمپرسور لازم نيست. 9 تا 10 درصد کاهش مصرف انرژی الکتريکی نسبت به R12.

طرح يک سوال ؟

با توجه به مزايای فنی و اقتصادی فراوان مبرد مخلوط CM1، چرا صنايع تبريدی در ايران بدون تحقيق و پژوهش و فقط صرف تبليغات و دريافت وام از طرف UNIDO مبادرت به جايگزين نمودن مبرد HCF134a به جای R12 نمودند؟ آيا زمان آن نرسيده است که با پشتوانه تحقيق و پژوهش، تصميم درست بگيريم؟

مبردهای طبيعی

استفاده از مبردهای طبيعی راه حل ديگر جهت جلوگيری از گرمايش کره زمين توسط مبردها که خود گاز گلخانه ای هستند و همچنين جلوگيری از تخريب بيشتر لايه ازن، استفاده از مواد طبيعی موجود در طبيعت به عنوان مبرد است (Double Zero). معايب مبردهای طبيعی نسبت به مبردهای شيميائی: شعله ور شدن و خودسوزی بعضی از آنها دارا بودن بوی تند نياز به سيستمی با فشار بالا

شعله ور شدن و خودسوزی بعضی از مبردهای طبيعی R290: پروپان R600a: ايزوبوتان R717: آمونياک

راه حل های افزايش ايمنی تجهيزات برودتی استفاده کننده از مبردهای طبيعی: کمتر شارژ کردن سيستم کيپ بودن بيشتر تجهيزات جهت جلوگيری از نشتی تبيين ضوابط و استانداردهائی برای کاهش ريسک خطر آتش سوزی مبردهای طبيعی

دورنمای مبردهای طبيعی: نمونه هائی از استفاده از مبردهای طبيعی: استفاده از CO2 در تهويه مطبوع خودرو-نروژ استفاده از ايزوبوتان و پروپان در ساخت يخچال های خانگی در برزيل، چين، ترکيه و ... استفاده از آمونياک در سيستم های سوپرمارکتی و کشتی ها در اروپا دورنمای مبردهای طبيعی: در قرن بيست و يکم استفاده از مبردهای طبيعی در تمامی صنايع برودتی متداول خواهد شد. در ايران نيز بايد تحقيقات بسياری بر روی توسعه استفاده از مبردهای طبيعی متمرکز شود.

مصرف انرژی و دورنمای صنايع برودتی در قرن بيست و يکم کمبود انرژی در اواسط قرن 21 به حد بحرانی می رسد . بحثی نيست که برای صرفه جوئی انرژی بايد سيستم های برودتی با راندمان پائين حذف شوند. توسعه استفاده از تکنولوژی های جديد در ساخت کمپرسورها، مبدل های حرارتی و ... توسعه استفاده از سيستم های ترموالکتريکی با مواد نيمه هادی جديد و پديده الکتروکالريک

مصرف انرژی و دورنمای صنايع برودتی در قرن بيست و يکم استفاده از صنعت برودت در قرن بيست و يکم می تواند به عنوان يکی از روشهای اساسی توليد انرژی مطرح شود بدين صورت که با استفاده از سرمايش عميق می توان گازهای خروجی از پالايشگاهها را که اکنون سوزانده می شوند ، جداسازی و مايع نموده و سپس به عنوان مواد انرژی زا استفاده نمود با استفاده از مبردها که هم اکنون به جهت دارا بودن پتانسيل بالای تخريب لايه ازن و گرمايش کره زمين، مخرب محيط زيست هستند در راستای جداسازی گازهای خروجی از پالايشگاه ها، می توان مبردها در جهت خدمت به محيط زيست بکار گرفت.

ملاحظات فنی در جایگزینی مبردهای طبیعی بخش دوم: ملاحظات فنی در جایگزینی مبردهای طبیعی

مبردها طبيعی مصنوعی مخلوط زئوتروپ آزئوتروپ خالص طبيعی مصنوعی مخلوط زئوتروپ آزئوتروپ CFC HCFC HFC NH3 CO2 HC R500 series R400 series

مبردهای مخلوط

مبردهای چندجزئی (مخلوط) الف) مبردهای آزئوتروپ: مخلوط هائی که در هنگام چگالش و يا تبخير در فشار ثابت، درصد فازهای بخار و مايع برای اجزاء مختلف مبرد، يکسان است. رفتار مبردهای چندجزئی آزئوتروپ به مانند مبردهای تک جزئی می باشد. مخلوط های آزئوتروپ را نمی توان به وسيله تقطير جداسازی نمود. R507 (R125/R143a)

مبردهای چندجزئی (مخلوط) ب) مبردهای زئوتروپ: مخلوط هائی که در هنگام چگالش و يا تبخير در فشار ثابت، درصد فازهای بخار و مايع برای جزء های مختلف، متفاوت می باشند. لزوم شارژ مايع (R32/R134a)

دياگرام فشار-آنتالپی مبردهای زئوتروپ دياگرام فشار-آنتالپی مبردهای زئوتروپ

دياگرام فشار-آنتالپی مبرد زئوتروپ R407C Bubble Point Dew Point دياگرام فشار-آنتالپی مبرد زئوتروپ R407C

جدول خواص ترموديناميکی مبرد R407C R32/R125/R134a (23/25/52) Glide Temperature [C] =T bubble – T Dew

تاثير پارامترGlide مبردهای زئوتروپ در اواپراتور اواپراتور DX: حفظ نسبت جرمی جزءهای مبرد در ورود و خروج. مناسب برای مبردهای زئوتروپ اواپراتور Flooded: عدم حفظ نسبت جرمی جزءهای مبرد در ورود و خروج. ناکارا برای مبردهای زئوتروپ

نامگذاری و طبقه بندی مبردها

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 1- مبردهای هالوژن اشباع (مشتق شده از آلکان ها با فرمول CnH2n+2 شامل مشتقات متان، اتان و پروپان): R xyz X+1: تعداد اتم های کربن Y-1: تعداد اتم های هيدروژن Z: تعداد اتم های فلوئور مثال: CClF2-CF3 تعداد اتم های کربن: 2 X=1 تعداد اتم های هيدروژن: 0 Y=1 تعداد اتم های فلوئور: 5 Z=5 R115

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 تبصره1 : اگر X برابر با صفر شود، شماره مبرد دو رقمی می شود. مثال: CHCLF2 تعداد اتم های کربن: 1 X=0 تعداد اتم های هيدروژن: 1 Y=2 تعداد اتم های فلوئور: 2 Z=2 R22 تبصره2 : اگر به جای اتم های کلر، اتم برمايد استفاده شود: مثال: CBrF3 تعداد اتم های کربن: 1 X=0 تعداد اتم های هيدروژن: 0 Y=1 تعداد اتم های فلوئور: 3 Z=3 تعداد اتم های برمايد: 1 R13B1

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 2- مخلوط های زئوتروپ: R 4xx مثال: R410A R-32/R-125 (50%, 50%) by mass R410B R-32/R-125 (45%, 55%) by mass 3- مخلوط های آزئوتروپ: R 5xx مثال: R500 R-12/R-152a (73.8%, 26.2%) by mass R501 R-22/R-12 (75%, 25%) by mass

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 4- مواد آلی (به غير از موارد ذکر شده در بندهای 1، 2 و 3): R 6xx مثال: Hydrocarbons Butane R600 CH3CH2CH2CH3 Isobutene R600a CH(CH3)2CH3 Oxygen Compounds Ethyl Ether R610 CH3CH2OCH2CH3 Methyl Formate R611 HCOOCH3 Nitrogen Compounds Methyl Amine R630 CH3NH2 Ethyl Amine R631 CH3CH2(NH2)

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 5- مبردهای غير آلی :(Inorganic) R 700+وزن مولکولی مثال: Ammonia (NH3) وزن مولکولی=17 R717 Water (H2O) وزن مولکولی=18 R718 Air وزن مولکولی=29 R729 Carbon Dioxide (Co2) وزن مولکولی=44 R744 Nitrogen (N2) وزن مولکولی=28.1 R728 Helium (He) وزن مولکولی=4 R704

نامگذاری مبردها مطابق روش ASHRAE 34 6- مواد آلی اشباع نشده: R nxyz n: تعداد پيوندهای کربن-کربن غير اشباع X+1: تعداد اتم های کربن Y-1: تعداد اتم های هيدروژن Z: تعداد اتم های فلوئور مثال: Ethene (Ethylene) CH2=CH2 R1150 Propene (Propylene) CH3CH=CH2 R1270

طبقه بندی مبردها براساس سميت و اشتعال پذيری ASHRAE 34

نقش اتم های کلر ، فلوئور ، برمايد و هيدروژن در خواص مبردها GWP ODP

برنامه زمان بندی جايگزينی مبردها

نگاهی گذرا به برنامه زمان بندی جايگزينی مبردها

جايگزين های مناسب برای ميان مدت و دراز مدت

جايگزين های مناسب با توجه به نوع کاربری

خواص ايده ال مبرد

روغنکاری

ظرفيت حجمی مبردهای مختلف

کمپرسورهای مناسب برای مبردهای مختلف

مثال هائی برای جايگزينی مبرد

جايگزينی مبرد R22 با R407

جايگزينی مبرد R22 با R410A

جايگزينی مبرد R22 با R290

با تشکر