مبردها، ضد یخ ها و مایعات خنک کننده

مبردها، ضد یخ ها و مایعات خنک کننده شامل مبردهای اولیه، مبردهای ثانویه، خنک کننده های گردشی، افزودنی های ضد یخ و سایر مایعات خنک کننده هستند. آنها خنک کننده یا انتقال حرارت را در ماشین آلات، تجهیزات فرآیند یا موتورهای احتراقی فراهم می کنند.
 

مبردهای اولیه

یک مبرد اولیه از یک فرآیند ترمودینامیکی یا آدیاباتیک (سیکل های تبخیر-تراکم) برای حذف گرما و خنک کردن یک منطقه استفاده می کند. سیال ایده آل دارای خواص ترمودینامیکی مطلوب است، غیر خورنده، غیر قابل اشتعال، غیر سمی، پایدار، از نظر زیست محیطی ایمن و مقرون به صرفه برای تولید است. معاوضه بین این خواص فیزیکی و ملاحظات زیست محیطی نقش زیادی در انتخاب مبرد دارد.

  عنوان مبرد "R-"شماره

تعیین و طبقه بندی ایمنی مبردهای اولیه بر اساس استاندارد 34 انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) است . ASHRAE یک عدد R به مبردهای شیمیایی اختصاص می دهد که به صورت سیستماتیک به شرح زیر تعیین می شوند:

مبردهای متشکل از فلوئوروکربن های خالص (FC) با کاراکتر آلفا "R-" و به دنبال آن عدد HFC مربوطه شناسایی می شوند. عدد HFC تعداد اتم های فلوئور، اتم های هیدروژن و اتم های کربن را در فرمول مولکولی توصیف می کند. سمت راست ترین مقدار تعداد اتم های فلوئور را نشان می دهد، در سمت چپ تعداد اتم های هیدروژن به اضافه 1 و دو مکان سمت چپ تعداد اتم های کربن کمتر از یک است. (به عنوان مثال R-134 نشان دهنده تترافلوئورواتان CHF 2 - CHF 2 است )

مبردهای FC شامل سایر ترکیبات هالوآلکانی مانند کلروفلوئوروکربن (CFC) است که یک فلوروکربن کلردار است. هیدروفلوئوروکربن (HFC)، یک فلوروکربن هیدروژنه. و هیدروکلرو فلوئوروکربن (HCFC)، که یک جایگزین CFC است که سازگارتر با محیط زیست است، زیرا تمام هیدروژن با اتم های کلر یا فلوئور جایگزین نشده است. 

ایزومرها ترکیبات شیمیایی با تعداد HFC یکسان، اما ساختار شیمیایی متفاوت هستند. آنها با حروف کوچک مشخص می شوند. (به عنوان مثال R-134a نشان دهنده CH 2 F-CF 3 است ). اگر بیش از یک ایزومر وجود داشته باشد، حروف آلفای کوچک به ترتیب با توجه به افزایش عدم تقارن افزایش می یابد. (به عنوان مثال R-xxx، R-xxxa، Rxxxb، و غیره)

ترکیبات مبرد با نامگذاری پذیرفته شده ASHRAE تعیین می شوند. آنها شامل مخلوط های زئوتروپیک و همچنین مخلوط های آزئوتروپیک هستند. مخلوط هایی که دارای اجزای خالص یکسان با ترکیبات مختلف هستند با حروف بزرگ مشخص می شوند. (به عنوان مثال 404A)

• مخلوط‌های زئوتروپیک که با R-4xxx مشخص می‌شوند، مخلوط‌هایی هستند که هرگز ترکیب فاز بخار و فاز مایع یکسانی ندارند. این به دلیل وضعیت تعادل بخار- مایع اجزای مختلف است.

• مخلوط‌های آزئوتروپیک که با R-5xxx مشخص می‌شوند، به عنوان مخلوط‌های جوش ثابت نیز شناخته می‌شوند. آنها را نمی توان با تقطیر جزئی از هم جدا کرد زیرا جوشاندن فاز بخار تولید می کند که نسبت ترکیبات مشابه فاز مایع دارد.

ترکیبات معدنی با سری R-7xx مشخص می شوند. کد عددی با اضافه کردن مجموع جرم مولکولی نسبی اجزا به 700 تشکیل می شود. (مثلا آمونیاک (جرم مولکولی 17) = R717

طبقه بندی ایمنی مبرد

تعیین و طبقه بندی ایمنی استانداردها بر اساس استاندارد ASHRAE 34 است. این استاندارد بر اساس یک کد الفبایی دو مکان است که اشتعال پذیری و سمیت را به شرح زیر توصیف می کند:

مبردهای ثانویه

مبردهای ثانویه، مانند ضد یخ، خنک کنندگی را صرفاً از طریق انتقال حرارت فراهم می کنند. آنها یک وسیله انتقال حرارت هستند که گرما را با استفاده از مبدل حرارتی دفع می کنند. محیط سیال مورد استفاده به عنوان مبرد ثانویه شامل آب، هوا، هیدروکربن ها، آمونیاک و دی اکسید کربن است. افزودنی های ضد یخ در سیستم های آبی که در آن خوردگی یا یخ زدگی یک نگرانی است استفاده می شود.

خنک کننده های در گردش

خنک کننده های گردشی نوعی مبرد ثانویه هستند که در فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. سیالات انتقال حرارت تک فاز ممکن است از سیالات مصنوعی یا غیر مصنوعی تشکیل شده باشند

محصولات غیر مصنوعی از نفت یا روغن های معدنی تشکیل شده اند و ممکن است شامل آب باشند. روغن معدنی و سیالات مبتنی بر نفت به عنوان خنک کننده در چرخ دنده ها و مجموعه های مکانیکی استفاده می شود زیرا روانکاری می کنند.

محصولات مصنوعی شامل ترکیبات استر و دی استر، پلی گلیکول ها و مایعات آب گلیکول، فلوئوروکربن ها و گریس ها و روغن های مبتنی بر سیلیکون هستند. آنها از ترکیبات آلی و معدنی قلیایی فرموله می شوند و به شکل رقیق شده با غلظت های مختلف از 3٪ تا 10٪ استفاده می شوند. محصولات مصنوعی گرانتر از سیالات غیر مصنوعی هستند، اما مقاومت در برابر آتش و عملکرد خنک کنندگی بهتری دارند.

کاربردها

مبردها، ضد یخ ها و مایعات خنک کننده در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، دریایی، غذا و نوشیدنی، پزشکی و هوافضا استفاده می شوند. معمولاً کاربردها شامل سیستم های تبرید، خنک کننده موتورهای احتراقی و خنک کننده فرآیندی برای تجهیزاتی مانند چرخ دنده ها، درایوها، پیستون ها و کمپرسورها می باشد.

سیستم های تبرید

سیستم های تبرید مبتنی بر کمپرسور از خواص ترمودینامیکی یا یک مبرد برای خنک کردن یک منطقه استفاده می کنند. فرآیند آدیاباتیک از کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور برای تکمیل چرخه استفاده می کند.

• مبردها در حالت بخار فشرده شده و وارد کندانسور می شوند.

• کندانسور به عنوان یک مبدل حرارتی عمل می کند و گرما را از بین می برد، در حالی که میعانات مبرد جمع آوری شده و فاز مایع را تشکیل می دهد.

• سپس از شیر انبساط برای کاهش فشار سیال در حال تبخیر فاز مایع استفاده می شود و بخار فوق سرد شده در سیم پیچ اواپراتور را تشکیل می دهد.

• اواپراتور قبل از اینکه مبرد از طریق سیستم بسته بازگردد، گرما را از ناحیه ای که قرار است خنک شود می گیرد.

خنک کننده های موتور احتراقی

ضد یخ، یک مبرد ثانویه، محلولی از مواد شیمیایی مبتنی بر گلیکول در آب است و می تواند دمای کمتر از 0 درجه سانتیگراد را تحمل کند. ضد یخ برای خنک کردن بلوک موتور در موتورهای احتراقی استفاده می شود. در یک محفظه خنک کننده به گردش در می آید که در آنجا با بلوک موتور تماس برقرار می کند و آن را خنک می کند. یک ترموستات، دریچه حرارتی فعال، زمانی باز می شود که دمای ضد یخ از دمای آستانه ای که در سیم پیچ رادیاتور تغذیه می شود، بیشتر شود. رادیاتور سیال را قبل از پمپاژ مجدد در سیستم خنک می کند.

خنک کننده های فرآیندی

خنک کننده های فرآیندی سیالات انتقال حرارت هستند که برای دفع گرما از دستگاه یا سیستم استفاده می شوند. طیف گسترده ای از کاربردها برای خنک کننده های فرآیندی از جمله عملیات ماشینکاری، راکتورهای هسته ای، ترانسفورماتورهای الکتریکی، محرک های مکانیکی و پردازش مواد غذایی وجود دارد. در اغلب موارد، سیالات انتقال حرارت، گرما را به منظور جلوگیری از اثرات نامطلوب ناشی از دما، پراکنده می کنند. گرما یا توسط یک هیت سینک دفع می شود یا در غیر این صورت از طریق یک مبدل حرارتی از طریق یک پمپ حرارتی به گردش در می آید. 

ملاحظات زیست محیطی 

CFC ها

بسیاری از مبردها، ضدیخ‌ها و مایعات خنک‌کننده مبتنی بر فلوئوروکربن‌ها در بسیاری از کاربردهای تبرید به دلیل تأثیرشان بر محیط‌زیست حذف می‌شوند. CFC ها به ازن آسیب می زنند. HCFC ها و HFC ها برای ازن ایمن تر هستند، اما به گازهای گلخانه ای نیز کمک می کنند.

آمونیاک (NH3)

آمونیاک بی آب به طور گسترده ای به عنوان مبرد در سیستم های تبرید مبتنی بر کمپرسور در صنایع غذایی و نوشیدنی استفاده می شود. همچنین به عنوان جایگزینی برای CFC استفاده شده است، با این حال مزایای زیست محیطی استفاده از آمونیاک باید در برابر خطرات ایمنی بالاتر سنجیده شود. این یک گاز سمی در شرایط محیطی و زمانی که خطر قرار گرفتن در معرض تحت فشار افزایش می یابد، یک گاز سمی است. سطح مجاز قرار گرفتن در معرض سازمان ایمنی و بهداشت حرفه ای (OSHA) 50 قسمت در میلیون (ppm) است و موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی (NIOSH) سطح خطر فوری برای زندگی و سلامت (IDLH) را 300 تعیین کرده است. (ppm). 

مبردهای هیدروکربنی

مبردهای هیدروکربنی غیر سمی هستند، ODP (پتانسیل تخریب ازن) صفر و GWP (پتانسیل گرمایش جهانی) بسیار پایین دارند. نگرانی های مربوط به اشتعال پذیری با تأثیر کم محیطی و خواص ترمودینامیکی عالی آنها بیشتر است.

استانداردها

BRE IP18/00 - این استاندارد راهنمایی اولیه در مورد چگونگی غلبه بر مشکلات مرتبط با مفروضات ایجاد شده برای مکان های امن برای سیستم های تبرید آمونیاکی را ارائه می دهد.

ISO 817 - این استاندارد بین المللی یک سیستم بدون ابهام برای تعیین نام های مبرد ارائه می دهد. همچنین سیستمی برای تخصیص یک طبقه بندی ایمنی به مبردها بر اساس داده های سمیت و اشتعال پذیری ایجاد می کند و ابزاری برای تعیین حد غلظت مبرد فراهم می کند. جداول فهرست نام‌گذاری مبرد، طبقه‌بندی ایمنی و محدودیت‌های غلظت مبرد بر اساس داده‌های موجود گنجانده شده‌اند.

منابع

ویکی پدیا

انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE)

https://www.globalspec.com/