هر آنچه درباره گازهای برودتی باید بدانید

گاز برودتی چیست؟

قبل از شروع بحث در مورد گازهای برودتی،‌ لازم است بدانیم که این گازها به عنوان زیر مجموعه ای از مواد سرمازا شناخته می شوند. بنابراین، در ابتدا باید بدانیم که مواد سرمازا چه چیزهایی هستند و اینکه چه کاری انجام می دهند. یک ماده سرمازا ممکن است به شکل گاز و یا مایع باشد و از آن ها به منظور پایین آوردن دمای محیطی خاص استفاده می شود. این محیط ممکن است یک یخچال،‌ فریزر و یا محیط خانه باشد. ماده های سرمازا به نام های ماده سردکننده یا ماده سردساز یا مبرد نیز شناخته می شوند. از مبرد در فرآیند چرخه خنک ساز استفاده می شود و با کمک آن ها گرمای محیط جذب شده و به بیرون هدایت می شود. نحوه ی عملکرد این مواد سردساز در چرخه ی خنک ساز را در ادامه به تفصیل توضیح خواهیم داد. پیش از شروع، لازم است متذکر شویم در ادامه‌ی این متن منظور از مواد سردساز و مبرد، فقط گازهای برودتی هستند.

همانطور که پیش تر بیان شد، مواد سرماساز در شکل مایع و یا گاز قرار دارند. در طی شرایط خاص،‌ گازهای برودتی گرمای محیط را جذب می کنند و منجر به خنک سازی محیط می شوند. البته گازهای برودتی این کار را به تنهایی نمی توانند انجام دهند و برای اتمام چرخه ی خنک ساز معمولاً به دستگاه تبخیر کننده و کمپرسور نیز نیاز دارند. ممکن است تا کنون چیزی در مورد گازهای برودتی و کارکرد آن ها شنیده باشید. به هرحال جالب است بدانید امروزه استفاده از این نوع مبرد ها تقریباً در تمامی منازل مسکونی رایج است و دلیل آن هم پرکاربرد بودن و نقش مهم آن در کارکرد تجهیزات سرمایشی است.

گازهای برودتی و به صورت کلی مبردها از یک قانون ترمودینامیک (دماپویی) به نام «گذار فاز» استفاده می کنند. طی این قانون امکان تبدیل مایع به گاز و گاز به مایع وجود دارد. به خاطر همین ویژگی منحصر به فرد، از مبردها در دستگاه ها و تجهیزات سرمایشی مختلف نظیر کولرها، فریزرها، دستگاه های خنک کننده، یخچال ها و … استفاده می شود. طی قانون گذار فاز، تغییر حالت یک ماده به حالت دیگر از طریق انتقال گرما ممکن است. در مثال مواد سردساز، می توان گفت که مایع به جذب گرمای محیط تبدیل به گاز می شود و از سوی دیگر گازها با از دست دادن حرارت می توانند تبدیل به مایع شوند. همین ویژگی منحصر به فرد است که مبردها را بسیار پرکاربرد کرده است.

البته این تمام ماجرا نیست، چراکه نسبت به استفاده از برخی از گازهای برودتی هشدارهایی داده می شود و حتی استفاده از برخی از آن ها ممنوع است. گفته می شود که برخی از انواع این گازهای برودتی اثرات منفی جبران ناپذیری روی محیط زیست دارند. برای مثال برخی از آن ها به شدت برای لایه‌ی اوزون مخرب هستند. در ادامه به این موضوع باز خواهیم گشت.

گازهای برودتی چطور کار می کنند؟

چطور یک مبرد در یک سیستم سرمایشی عمل می کند و کارکرد آن به چه شکل است؟‌ این سوالی است که شاید برای شما هم پیش آمده باشد. برای پاسخ به این سوال در ابتدا باید این نکته را متذکر شویم که فرقی نمی کند از چه نوع سیستم سرمایشی استفاده می کند. فرقی نمی کند دستگاه سرمایشی مورد نظر یک یخچال، فریزر و یا کولر در داخل یک منزل مسکونی و یا یک سیستم تهویه و کولر بزرگ صنعتی باشد، اصول و سازوکار در تمام آن ها تقریباً یکسان است. در تمامی موارد، ماده سردکننده باید از اجزای اصلی این سیستم، یعنی کمپرسور، کندانسور، دستگاه انبساط و دستگاه تبخیر کننده عبور کند تا بتواند گرمای محیط (مثلاً اتاق خواب)‌ را دریافت کرده و آن را به محیط دیگری (مثلاً بیرون از خانه) منتقل کند.

وقتی از مواد سردکننده صحت می کنیم، منظور یا مایع و یا گاز است. همانطور که پیش تر بیان شد، در این متن گازهای برودتی مد نظر ما هستند. بنابراین، منظور از گاز برودتی ، گازی است که به سرعت با از دست دادن دما و انجام عمل میعان بتواند تبدیل به مایع شود و سپس سریعاً هم بتواند با جذب گرما و انجام عمل تبخیر مجدداً به گاز تبدیل شود. گازهای برودتی در طی چرخه خنک ساز بارها و بارها باید این دو عمل را انجام داده و به صورت مدام از گاز تبخیر به مایع و برعکس شوند.

به عنوان یک مثال برای مواد سرکننده، می توان به آب اشاره کرد. آب قادر است تخبیر و میعان انجام دهد و این کا را نسبتاً به آسانی و به صورت بدون خطر انجام می دهد. از آب در بسیاری از تجهیزات چیلر به عنوان ماده سردکننده استفاده می شود. دلیل اینکه استفاده از آب در سیستم های خنک کننده چندان متداول نیست، به دلیل آن است که عموماً این سیستم ها طوری طراحی شده اند تا مبردهای دیگری استفاده کنند که کارآیی و سرعت عمل بسیار بیشتری دارند. به عبارت دیگر، اگرچه می توان از آب هم به عنوان مبرد استفاده کرد، ولی کارایی بالایی نخواهد داشت.

کلرودی‌فلورومتان (R22)، ۱٬۱٬۱٬۲-تترافلوئورواتان (R134A) و گاز R410A (ترکیبی از گازهای پنتافلوئورواتان و دی‌فلورورمتان) برخی از متداول ترین گازهای برودتی مورد استفاده در تجهیزات سرمایشی هستند. این نکته را هم در نظر داشته باشید امروزه توصیه می شود که از استفاده از بسیاری از این گازها در بلند مدت پرهیز شود. این گازهای برودتی در مقایسه با آب نقطه جوش بسیار پایینی دارند و این یکی از دلایلی است که استفاده از آن ها متداول تر است. پایین تر بودن نقطه‌ی جوش این گازها به این معنا است که سریع تر به بخار تبدیل می شود و برای تبدیل به بخار به انرژی کمتری احتیاج دارند. به عبارت دیگر، این گازها قادر هستند گرمای محیط را بسیار سریع تر از آب جذب کنند.

حال بیایید نگاهی به چرخه خنک ساز و نحوه حرکت مبرد (گاز برودتی) در این سیستم داشته باشیم. بررسی خود را از کمپرسور شروع می کنیم، چراکه به عنوان قلب این سیستم شناخته می شود. همانطور که قلب در سیستم گردش خون بدن انسان مسئول حرکت و پمپاژ خون به اجزاء بدن است، در یک سیستم سرمایشی نیز کمپرسور مسئول حرکت و جابجایی مبرد به بخش های مختلف این سیستم است. گاز برودتی به شکل یک گاز اشباع شده و در دما و فشار پایین وارد این سیستم می شود. کمپرسور گاز برودتی را به سمت خود می کشد و این گاز را به سرعت متراکم و فشرده می کند، بنابراین فاصله‌ی بین مولکولی در بین این گازها کمتر می شود و فضای کمتری را اشغال می کنند. این امر باعث می شود که فضای بین مولکولی کاهش پیدا کرده و برخورد آن ها با یکدیگر بیشتر شود. در نتیجه، انرژی جنبشی آن ها تبدیل به گرما می شود. در همین زمان، تمام انرژی مکانیکی کمپرسور تبدیل به انرژی درونی مولکول های گازهای برودتی می شود. بنابراین، دما، فشار، انرژی داخلی و آنتالپی مبرد افزایش پیدا می کند. شبیه این رویداد را شاید هنگام استفاده از پمپ باد دوچرخه تجربه کرده باشید. با افزایش فشار، دمای پمپ هم افزایش پیدا می کند.

گاز برودتی در مرحله بعد وارد کندانسور می شود. کندانسور محلی است که در آن تمامی گرمای ناخواسته به محیط بازگردانده می شود. این گرما شامل گرمای محیط و همچنین گرمای حاصل از کمپرسور می شود. وقتی مبرد وارد کندانسور می شود،‌ دمای آن باید بیشتر از دمای محیط اطراف باشد تا اینکه تبادل انرژی (گرما) صورت پذیرد. بنابراین، هرچه اختلاف دما بیشتر باشد، تبادل گرما هم آسان تر انجام خواهد شد. گاز برودتی با دما و فشاری بسیار بالا وارد کندانسور می شود،‌ و با عبور از میله های پر پیچ و خم کندانسور، دمای خود را با محیط تبادل می کند. حین عبور از کندانسور، بسته به نوع سیستم سرمایشی، احتمالاً یک فن (هواکش) نیز به سمت کندانسور باد بدمد تا اینکه گاز برودتی داخل لوله های کندانسور سریع تر گرمای خود را از دست بدهند. این کار دقیقاً شبیه زمانی است که یک قاشق سوپ داغ را فوت می کنید تا اینکه سریع‌تر خنک شود! گاز برودتی حین عبور از کندانسور بالاخره آنقدر سرد می شود تا مجدداً تبدیل به مایع شود. زمانی که مبرد از کندانسور خارج می شود، تبدیل به مایعی اشباع شده و خنک شده است که کماکان فشار بالایی دارد.

گاز برودتی در ادامه‌ی مسیر خود به سمت شیر انبساط می رود. این شیر در واقع میزان جریان و عبود ماده مبرد به داخل بخش تبخیر کننده را کنترل می کند. این شیر قادر است فشار داخل تبخیر کننده را کنترل کند. در واقع، ترموستات یخچال به شیر انبساط دستور باز و بسته شدن را می دهد. هرچه میزان مبرد ورودی به بخش تبخیر بیشتر باشد، دمای یخچال نیز پایین تر خواهد آمد. گاز برودتی که اکنون عموماً به شکل مایع در آمده است، پس از عبور از شیر انبساط فضای بیشتری را پیش خود می بیند و فشار خود را از دست می دهد. بنابراین، در انتها وقتی گاز برودتی (مبرد) از شیر انبساط عبور می کند، فشار آن نزدیک به صفر خواهد بود و دمای آن نیز پایین‌تر از قبل می شود و سپس به سمت بخش تبخیر کننده می رود.

در مرحله‌ی بعد بخش تبخیر کننده گاز برودتی را دریافت می کند. یک هواکش، هوای گرم داخل محیط (یخچال، فریزر، فضای اتاق) را به سمت زغال های بخش تبخیر کننده هدایت می کند. از آنجایی که دمای محیط بیشتر از دمای ماده سرکننده‌ است، این ماده انرژی گرمایی را جذب می کند و از آنجایی که این مواد نقطه جوش پایینی دارند، سریعاً به مرحله جوش می رسند تا اینکه مجدداً‌ تبخیر شده و تبدیل به گاز شوند! در این لحظه است که در واقع گرمای داخل محیط جذب شده و محیط خنک می شود. در این زمان کمپرسور مجدداً وارد عمل شده و گاز داغ را مجدداً فشرده می کند و به سمت کنداسنور ارسال می کند تا چرخه ی خنک ساز مجدداً تکرار شود. همانطور که پیش تر بیان کرده بودیم، یکی از دلایلی که از آب به عنوان ماده مبرد استفاده نمی شود، نقطه جوش نسبتاً بالای آن است. چراکه آب در مقایسه با گازهای برودتی به کار رفته نقطه جوش بسیار بالایی دارد و این گازها تنها با جذب گرمای محیط می توانند به نقطه جوش و تبخیر برسند.

نکته ای که باید به آن توجه کرد آن است که ماده مبرد از بخش تبخیر کننده به عنوان گازی با دما و فشار پایین خارج می شود. دمای پایین ماده مبرد به این خاطر است که بخش زیادی از انرژی جذب شده توسط آن صرف تغییر حالت از مایع به گاز خواهد شد و بنابراین دمای آن چندان افزایش پیدا نخواهد کرد. ولی در ادامه کمپرسور فشار این گاز را بسیار بیشتر کرده و در نتیجه دمای آن را نیز بسیار بالا می برد.

انواع گاز برودتی

ساختار شیمیایی گازهای برودتی مبنای دسته بندی این گازها خواهند بود. به صورت کلی، گازهای برودتی را در ۴ دسته ی کلی می توان جای داد:

• گازهای CFS – کلروفلوئوروکربن ها
• گازهای HCFC – هیدرو کلروفلوئوروکربن ها
• گازهای HFC – هیدرو فلوئوروکربن ها
• گازهای طبیعی
• گازهای برودتی دوست دار محیط زیست

گازهایی از قبیل هیدروکربن و یا کربن دی اکسید در دسته گازهای طبیعی جای می گیرند. ولی گازهایی مانند کلروفلوئوروکربن ها، هیدرو کلروفلوئوروکربن ها، هیدرو فلوئوروکربن ها و برخی دیگر از گازها را باید به عنوان زیر مجموعه های گازهای مصنوعی دانست. در ادامه ی این متن به معرفی هرکدام از این گروه های گازهای برودتی، ویژگی های آن ها و انواع مختلف گازهای آن ها خواهیم پرداخت.

کلروفلوئوروکربن ها (CFS)

این دسته از گازهای برودتی حاوی کلر، فلوئور و کربن هستند. گازهای تری‌کلروفلوئورومتان (R11)، دی‌کلرودی‌فلوئورومتان (R12) و کلروپنتافلوئورواتان (R115) جزو این دسته از گازها هستند. از این دسته از گازهایی برودتی هم برای مصارف تجاری و صنعتی، و هم برای مصارف خانگی استفاده می شود. این گازها در دهه ۳۰ میلادی ساخته شدند و در آن زمان تصور می شد که گازهایی غیر سمی، غیر قابل اشتعال و واکنش ناپذیر باشند. ولی بعدها در دهه ۷۰ میلادی ثابت شد که این دسته از گازها برای لایه اوزون بسیار خطر دارند و تاثیرات مخربی را نیز در محیط زیست باقی خواهند گذاشت. زیرا این گاز با اتم اکسیژن آزاد شده از مولکول اوزون واکنش داده و منجر به تبدیل گاز اوزون به گاز اکسیژن می گردند . کلر به کار رفته در این گازهای برودتی باعث می شود که یک اتم اکسیژن اضافه در ساختار ازون جدا شده و به این ترتیب باعث از بین رفتن لایه ازون خواهند شد. بنابراین، به خاطر اثرات خطرناک و مخرب زیست محیطی، استفاده از گازهای برودتی CFC در دهه ۸۰ میلادی ممنوع اعلام شد.
گازهای تری‌کلروفلوئورومتان (R11)، دی‌کلرودی‌فلوئورومتان (R12)، کلروتری‌فلوئورومتان (R13)، ۱٬۱٬۲-تری‌کلرو-۲٬۲٬۱-تری‌فلورواتان (R113)، دی‌برموتترافلوئورواتان و ۱٬۲-دی‌کلروتترافلوئورواتان (R114)، ۱٬۱٬۱٬۲-تترافلوئورواتان (R134)، R404a، R407c، R410A، R417A، R507 و R508B جزو این دسته از گازها هستند که برخی از آن ها را به واسطه اثرات گلخانه ای آن ها می شناسیم.

هیدرو کلروفلوئوروکربن ها (HCFC)

این دسته از گازها در واقع جایگزین CFCها هستند. آن ها شامل هیدروژن، کلر، فلوئور و کربن هستند. البته، اگرچه HCFCها تاثیر کمتری روی تخریب لایه ازون می گذارند، ولی کماکان نمی توان آن ها  را بدون تاثیر  و تخریب دانست، چراکه به حدود ۱۰ درصد از تخریب لایه ازون دامن خواهند زد. البته این میزان به مراتب از CFC ها کمتر است.
گازهای هیدرو کلروفلوئوروکربن ها (HCFC) غیرسمی هستند و قیمت ارزانی دارند. ولی با این حال، اگرچه اثرات مخرب چندان زیادی ندارند، ولی کماکان به عنوان گازهای گلخانه ای شناخته می شوند. سرعت تخریب لایه ازون به خاطر این دسته از گازهای برودتی بسیار کمتر است، ولی تخریب آن مداوم و ادامه‌دار خواهد بود.
گازهای ۱-کلرو-۱٬۱-دی‌فلوئورواتان (R142b)، ۱٬۱-دی‌کلرو-۱-فلورواتان (R141b)، ۱-کلرو-۲،۲،۲،۱-تترافلوئورو اتان (R124)، ۲٬۲-دی‌کلرو-۱٬۱٬۱-تری‌فلوئورواتان (R123)، کلروفلوئورومتان (R31)، کلرودی‌فلورومتان (R22)، دی‌کلروفلوئورومتان (R21)، R401A، R401B، R402A، R403B، R408A، R409A، R414B، R416A جزو معروف و پرکاربردترین گازهای برودتی HCFC هستند.

هیدرو فلوئوروکربن ها (HFC)

در این نوع گاز برودتی ذرات کلر وجود ندارند. بنابراین، اصلاً به طبیعت آسیبی نمی رسانند و تهدیدی برای لایه ازون نیز محسوب نمی شوند. ولی شبیه تمام گازهای برودتی دیگر، HFC ها هم تاثیرات زیادی در گرمایش زمین دارند و از این حیث با گازهای برودتی طبیعی قابل قیاس نیستند.

در میان معروف ترین گازهای هیدرو فلوئوروکربن که به عنوان مبرد مورد استفاده قرار می گیرند، می توان به گازهای زیر اشاره کرد. ۱٬۱٬۱٬۳٬۳٬۳-هگزافلوروپروپان (R236FA)، ۱٬۱٬۱٬۳٬۳٬۳-هگزافلوروپروپان (R 236fa)، ۱٬۱٬۱٬۲٬۳٬۳٬۳-هپتافلوروپروپان (R-227ea)، ۱٬۱-دی‌فلورواتان (R-152a)، ۱٬۱٬۱-تری‌فلوئورواتان (R-143a)، ۱٬۱٬۱٬۲-تترافلوئورواتان (R-134a)، پنتافلوئورواتان (R-125)، فلوئورومتان (R-14)، دی‌فلورورمتان (R-32)، فلوئوروفرم (R-23)، R404A، R407C، R410A، R417A، R422A، R422B، R422D، R507، R508B اشاره کرد. از آنجایی که این دسته از گازهای برودتی آسیب خاصی به محیط زیست وارد نمی کنند، همیشه مورد استقبال شرکت های سازنده تجهیزات سرمایشی قرار می گیرند.

گازهای برودتی طبیعی

همانطور که از نام این دسته از گازها نیز می توان حدس زد، آن ها کاملاً طبیعی هستند. برخلاف انواع دسته بندی های گازهای برودتی که پیش تر به آن ها اشاره شد، این دسته از گازها توسط انسان ساخته نمی شوند. بنابراین، این گازها هیچ آسیبی به طبیعت، محیط زیست و یا لایه ازون وارد نمی کنند.
از سوی دیگر، گازهای برودتی طبیعی در مقایسه با سایر گازهای برودتی بسیار ارزان‌تر نیز هستند. هوا، هیدروکربن، آمونیاک (R-717)، دی اکسید کربن (R-744)، آب، ایزوبوتان (R-600A)، ایزوپنتان (R601a)، اتان (R-170)، پروپیلن (R- 1270) جزو معروف و پرکاربرترین گازهای برودتی طبیعی هستند.

گازهای برودتی دوست دار محیط زیست

آخرین دسته از گازهای برودتی، گازهایی هستند که به صورت طبیعی وجود ندارند و ساخته دست بشر هستند،‌ ولی کماکان تهدیدی برای محیط زیست محسوب نمی شوند. این گازها تنوع زیادی ندارند. در این میان می توان به ۲٬۳٬۳٬۳-تترافلوئوروپروپیلن (R1234yf) اشاره کرد.

حال احتمال دارد این سوال در ذهن شما شکل گرفته باشد که کدامیک از این گازهای برودتی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. لیست گازهای مبرد زیر امروزه بیشترین کاربرد را دارند:

• R134a (HFC)
• R-12 (CFC)
• R-410A (HFC)
• R-22 (CFC)
• R-404A (HFC)

قوانین مربوط به استفاده از گازهای برودتی

همانطور که پیش‌تر بیان شد، برخی از انواع گازهای برودتی می توانند تاثیرات منفی چشمگیری روی محیط زیست داشته باشند. از همین رو، برخی دولت ها قوانین و محدودیت هایی را در استفاده از گازهای برودتی قرار داده اند.

• هنگام نصب، جداسازی و یا شاژر سیستم های برودتی،‌حتماً باید از فیتینگ های مخصوص استفاده شود تا نشتی گاز به حداقل برسد.
• سیستم های برودتی معیوب باید حداکثر ظرف ۳۰ روز تعمیر شوند.
• شرکت و تکنسین های شاغل در آن شرکت باید گواهی نامه های معتبر داشته باشند.
• خالی کردن تعمدی گازهای برودتی شدیداً نهی می شود.
• هرگونه تخطی از قوانین محیط زیستی پیگیری قانونی خواهد شد.

آیا می توان گاز برودتی یک دستگاه را تعویض کرد؟

پاسخ به این سوال بستگی به دستگاه شما و گاز برودتی مورد استفاده در آن دارد. برای مثال،‌ مبرد R-410A را نمی توان تغییر داد، ولی مبرد R-22 قابل تعویض هست. اگر قصد تعویض گاز دستگاه خود را دارید، باید به موتور دستگاه (برای مثال کولر گازی) خود نگاه کنید. معمولاً مشخصات گاز برودتی به کار رفته روی موتور درج می شود.
اگر دستگاه شما از گاز برودتی R-12 استفاده می کند، باید بدانید که شما در واقع در حال استفاده از مضرترین، سمی ترین و خطرناک ترین گاز برودتی برای محیط زیست هستید. استفاده از گاز R-12 (کلرودی‌فلورومتان) در دستگاه های برودتی منسوخ و ممنوع شده است. برای درک بیشتر اثرات مخرب زیست محیطی این گاز، لازم به ذکر است که مقدار ضرر کلرودی‌فلورومتان برای محیط زیست ۱۸۱۰ برابر گاز کربن دی اکسید است. بنابراین، بنا به دلیل زیر امکان تعویض گاز R-12 وجود ندارد:

• هزینه تعمیر و تعویض دستگاه هایی که از R-12 استفاده می کنند بالا است و به عبارت صرفه اقصادی ندارد.
• استفاده از گاز R-12 باعث می شود دستگاه برودتی شما سروصدای بیشتری تولید کند.
• قابل تعویض نیستند و امکان بروز اختلال در آن ها بالا است.
• مادامی که دستگاه شما نشت گاز برودتی نداشته باشد، احتیاجی به تعویض گاز وجود ندارد.
• استفاده از R-12 ممکن است  به سایر بخش های سیستم تهویه و برودتی شما آسیب برساند.
• استفاده اشتباه از گاز R-12 ممکن است خطرناک باشد.
• پس از آنکه این گاز را از سیستم برودتی خود خارج کردید، باید آن را با دقت در خاک دفن کرد تا آسیب های زیست محیطی آن به حداقل برسد.

امیدواریم از این مقاله نهایت استفاده را ببرید.در صورتیکه هرگونه سوال درباره گاز های برودتی دارید ،میتوانید در پایین همین پست مطرح نمایید.