منبع: ماهنامه خانه تاسیسات – شماره ۱۰ – آبان ماه ۱۳۹۲
استفاده از این مقاله با ذکر منبع مجاز است.
در صورت افزایش شارژ مبرد در سیستمهای تبرید آمونیاکی، کارفرمایان و اپراتورها با عواقب قانونی روبهرو خواهند بود. در ایالات متحده، تاسیساتی که (۵۰۰lb (227kg یا بیشتر آمونیاک داشته باشند، به کمیته برنامهریزی اضطراری محلی گزارش میشوند. تاسیساتی که میزان آمونیاک آنها از حد آستانه (TQ1) بیشتر شود، موظف هستند یک برنامه مدیریت خطر۲ به سازمان حفاظت محیط زیست ایالات متحده ارایه دهند. در کالیفرنیا حد آستانه آمونیاک تنها (۵۰۰lb (227kg است اما حد آستانه در حالت کلی (۱۰,۰۰۰lb (۴,۵۳۶kg میباشد. افت بیش از (۱۰۰lb (45kg آمونیاک در سیستمهای مبرد آمونیاکی۳، صرف نظر از شارژ، باید ظرف پانزده دقیقه پس از آگاهی، به سازمانNational ResponseCenter گزارش داده شود. رعایت موارد قانونی تنها شامل آمونیاک نمیشود.
شرکتهایی که به علت بیدقتی، متهم به آزادسازی مبردهای فلوروکربن در اتمسفر هستند نیز تحت پیگرد قانونی قرار گرفته و جریمه میشوند. صنعت نانوایی و شیرینیپزی همچنان از R22 استفاده میکند و به تازگی با مشکلاتی روبهرو شده است، شرکت فرآوری ماهی West House نیز به علت آزادسازی مداوم R22 تحت پیگرد قرار گرفته است. واضح است که کاهش شارژ، موجب از بین رفتن احتمال نشت عمده هرگونه مبرد میشود. این مقاله راهکارهایی را معرفی میکند که میتوان به کمک آنها بدون کاهش بازدهی، شارژ مبرد را کاهش داد.
مبردهای ثانویه۴
مبردهای ثانویه از اولین روزهای ظهور سیستمهای تبرید مکانیکی مورد استفاده بودهاند. به طور معمول کاهش شارژ مبرد اولیه۵ موجب کاهش بازدهی میشود، زیرا برای انتقال گرما به مبرد ثانویه، به اختلاف دمای بیشتری نیاز است. با ورود مبردهای غیر سمی و اشتعالناپذیر هالوکربن، مبردهای ثانویه از دور خارج شدند. با این حال امروزه به علت تاثیر بد مبردهای هالوکربن بر محیط زیست، مبردهای ثانویه بار دیگر مورد توجه قرار گرفتهاند. مبردهای ثانویه، مانند راهحلهای نمک طبیعی و گلیکول، در ابعاد وسیعی مورد استفاده قرار گرفتهاند، اما Forbes Pearson (نویسنده این مقاله) روش بهتری را برای تبرید پیشنهاد کرده است که در آن از دیاکسیدکربن استفاده میشود. پس از معرفی این روش، دیاکسیدکربن مجددا هم به عنوان یک مبرد ثانویه فرار۶ و هم به عنوان سمت دمای پایین۷ در سیستمهای متوالی مورد استفاده قرار گرفته است. در سمت دمای بالا اغلب از آمونیاک استفاده میشود اما سایر مبردها نیز قابل استفاده هستند.
همانطور که Hans Quack اشاره کرده است، دیاکسیدکربن به عنوان یک سیال منتقلکننده گرما، دارای ویژگیهای قابل توجهی است. تصویر (۱) بازدهی مقابلهای دیاکسیدکربن، R-134a و آب را به عنوان مبردهای ثانویه نشان میدهد. Andy Pearson با تاکید بر مزایای دیاکسیدکربن، فاکتَور Quak را اصلاح کرد تا تاثیرات افت فشار برابر۸ را در نظر بگیرد. از این حیث، دیاکسیدکربن از هر سیال دیگری بهتر است. بسیاری از سوپرمارکتهای اروپا در حال حاضر از دیاکسیدکربن به عنوان مبرد اولیه و ثانویه استفاده میکنند. رایجترین ساختار، استفاده از یک سیستم Transciritical برای دماهای بالا و کمپرسورهای دیاکسیدکربن اضافه برای تبرید در دماهای پایین است. برای جلوگیری از مشکلات روانسازی، این دو سیستم اغلب جدا از هم نگهداری میشوند و مبرد دیاکسیدکربن کمدما، به وسیله تبادل حرارت با یک تبخیرکننده از سیستم فشار بالا، تقطیر میشود. بازدهی سیستم در زمان استفاده به عنوان مبرد ثانویه فرار را میتوان با بازدهی سیستمهای هالوکربن انبساط مستقیم مقایسه کرد. درباره این که کدام مبرد اولیه مناسبتر است هنوز توافقی وجود ندارد. سیستمها با استفاده از (R-290پروپان)، R-404A و R-717 (آمونیاک) راهاندازی شدهاند. شارژ مبرد اولیه را میتوان با فاکتور ۵۰ یا بالاتر، کاهش داد.قدرت پمپ مورد نیاز برای گردش دیاکسیدکربن به عنوان یک مبرد ثانویه فرار، حدود پنج درصد قدرت مورد نیاز برای گردش یک مبرد ثانویه غیر فرار مانند آب یا پروپیلن گلیکول است. اولین بار در سال ۱۹۹۳ شرکت Nestle برای خشک کردن سرمایی قهوه، از دیاکسیدکربن برای کاهش شارژ مبرد استفاده کرد، پس از آن ایالات متحده، ژاپن و اروپا نیز برای کاهش شارژ مبرد در سیستمهای تبرید صنعتی از دیاکسیدکربن استفاده کردهاند. سیستمهای متوالی دیاکسیدکربن۹ به استانداردهای غیر رسمی این فناوری در سطح جهانی تبدیل شدهاند. از سیستمهای متوالی دیاکسیدکربن برای سیستمهای انجماد و فروشگاههای با دمای پایین نیز استفاده میشود. سیستمهای متوالی، در دمای تبخیر بین –۳۵°C) و (–۴۰°C –۳۱°F و –۴۰°F نسبت به سیستم آمونیاک دو مرحلهای بازدهی بیشتری دارند، زیرا عملکرد آمونیاک به عنوان مبرد در دماهای تبخیری پایین به نسبت ضعیف است. به این ترتیب خطر نشت آمونیاک در فضای محصول نیز به حداقل میرسد زیرا سیستم آمونیاک به فضای باز و یک موتورخانه مخصوص محدود شده است.
دیاکسیدکربن در فریزرهای صفحهای
برای منجمد کردن محصولات بدون پوشش (بستهبندی) از فریزرهای صفحهای عمودی۱۰ استفاده میشود. تبرید به طور سنتی از طریق گردش پمپاژی مبرد با نسبتهای بسیار زیاد تغذیه اضافه و یا گردش پمپاژی آب نمک صورت میگیرد. برای خلاصی از آب نمک یا سایر مبردهای مرسوم، در فریزرهای صفحهای کشتیهای ماهیگیری از دیاکسیدکربن استفاده شد. با این روش علاوه بر کاهش شارژ مبرد اولیه، زمان انجماد نیز حدود پنجاه درصد کاهش یافت، زیرا استفاده از مبردهای اولیه معمولی با تغذیه اضافه موجب افت فشار شدید از طریق اتصالات شیلنگی منعطف۱۱ میشود. در زمان گردش دیاکسیدکربن نیز افت فشار بالا است، اما تعادل دمای افت فشار دیاکسیدکربن بسیار کمتر از تعادل مبردهای کمفشارتر میباشد. دیاکسیدکربن به تغذیه اضافه نیز نیاز ندارد زیرا ویژگیهای انتقال گرمای آن بسیار بهتر هستند. دیاکسیدکربن باید مبرد منتخب در تمامی فریزرهای صفحهای باشد.
دیاکسیدکربن در فریزرهای فندار
به روز کردن یک کارخانه انجماد گوشت در ایرلند شمالی منجر شد تا فریزرهای صفحهای که با دیاکسیدکربن کار میکنند جایگزین فریزرهای وزشی دستهای R-2212 شوند. برای طراحان جای تعجب بود که عملکرد این فریزرها به طور قابل ملاحظهای از عملکرد مورد انتظار، حتی در فریزرهای آمونیاکینیز، بهتر بوده است. متخصصین به این نتیجه رسیدند که این دستاورد، یاحداقل بخشی از آن، به علت عملکرد ارتقایافته دیاکسیدکربن حین دوره تخریباست، زمانی که تفاوتهای دمایی خنککننده بالا بودند. میزان بالای انتقال گرما توسط آمونیاک میتواند منجر به افت فشار شدید و بالا رفتن دماهای تبخیردر خنککننده شود. در هر حال، اثر گرمایی افت فشار افزایش یافته در استفادهاز دیاکسیدکربن قابل چشمپوشی است. اگر گوشت دارای بستهبندی نبود، این تاثیر بیشتر میشد.
مبدلهای حرارتی صفحهای۱۳
حجم داخلی تبخیرکنندههای صفحهای، به نسبت سطح آنها، بسیار پایین است. استفاده از تبخیرکنندههای صفحهای به جای تبخیرکننده پوسته و لوله۱۴یا تبخیرکنندههای مستغرق میتواند منجر به کاهش چشمگیر شارژ شود. یک ویژگی جالب تبخیرکنندههای صفحهای متداول این است که زاویههای حاده تشکیل شده بین صفحهها، در جایی که با یکدیگر برخورد دارند، میتواند حبابهای سیال را به دام بیندازد و تاثیر پسماند را قبل از آغاز جوشش هستهای۱۵ کاهش دهد. برخی از پردازندههای مرکزی کامپیوترهای بزرگ به وسیله یک سیستم سرمایش مستقل، خنک میشوند و وقتی دمای محیط بیرونی گونهای است که نیاز به راهاندازی کمپرسور نباشد، با وزش طبیعی کار میکند. سیستمهای ابتدایی از خنککننده پوسته و لوله استفاده میکردند. این سیستمها شامل لولههایی بودند که به طور خاص برای توسعه جوشش هستهای در تفاوتهای دمایی بسیار پایین روکش شده بودند. سیستمهای جدید از مبدلهای گرمایی صفحهای با آمونیاک استفاده میکنند. عملکرد سیستمهای جدید با استفاده از لولههای عملآوری شده خاص، مشابه سیستمهای اولیه است. میانگین ضریب عملکرد این سیستمها در آب و هوای متعادل در حدود ۱۵ است. مصرف برق در این سیستمها آنچنان پایین است که استفاده از یک سیستم دیگر توسط مشاوران عجیب به نظر میرسد. زمانی که مبرد، آمونیاک باشد، فشار سیستمها نسبت به زمانی که از R-404A یا R-410A استفاده شود، کمتر است.
واحدهای یکپارچه
در صورت محدود کردن مبرد اولیه به یک واحد یکپارچه با مبدلهای گرمایی صفحهای به عنوان تبخیرکننده و کندانسور، شارژ مبرد به حداقل میرسد. به این ترتیب باید از گرم شدن مایع گردشی جلوگیری شود و گرمای مایع گردشی بیرون کشیده شود. ممکن است در صورت خارج کردن گرما از طریق خنککننده هوای پرهدار، شارژ مبرد اندکی افزایش یابد. اما بازدهی این سیستم، از سیستمی که برای خنک کردن هوا از مبرد ثانویه استفاده میکند، بیشتر است. به برخی از دلایل، قیمت مبدلهای حرارتی صفحهای که با برنج لحیم شدهاند، نسبت به سایر مبدلهای حرارتی کمتر است. در تبخیرکنندههای صفحهای متداول، تبخیرکنندههای پوسته و لوله و کندانسورهای پوسته و لوله نیز از دیاکسیدکربن استفاده شده است. این کار، شارژ دیاکسیدکربن و نیز شارژ مبرد اولیه مورد استفاده برای تقطیر دیاکسیدکربن را به حداقل میرساند.
استفاده از دیاکسیدکربن در پیستهای یخی
عملکرد اکثر پیستهای یخی شامل پمپاژ کردن آب نمک دمای پایین به زیر سطح یخی است. این سیستم ساده، اما در عین حال ناکارآمد است. پیستهای انبساط مستقیم۱۶ با استفاده از مبرد هالوکربن توسعه یافتند، اما آشکار شد که به علت افت فشار درون تبخیرکنندههای با لوله بلند، کارآیی این زمینها مشابه زمینهای آب نمک گردشی است. به علت نگرانیهای محیط زیستی، دوران استفاده از پیستهای یخی انبساط مستقیم با مبرد هالوکربنی سر آمده است. پیستهای یخی با استفاده از پمپاژ گردشی آمونیاک ساخته شدند و عملکرد موفقی داشتهاند. این پیستهای جدید از سیستمهای هالوکربنی کارآمدتر بودند اما احتمال نشت لولههای فولادی زیر میدان یخی را به همراه داشتند. بسیاری از پیستهای یخی روباز در سوییس به علت نگرانیهای امنیتی، در آستانه بسته شدن بودند. متخصصین به این نتیجه رسیدند که نمیتوان به طور رضایتبخش این پیستها را به سیستمهای آب نمک معمولی تبدیل کرد، زیرا بخشی از سطح زمین در معرض تابش مستقیم آفتاب و بخش دیگر سایه بود و سیستم آب نمک نمیتوانست با این شرایط سازگار شود. شرکت Wettstein پیمانکار سیستمهای تبرید سوییسی، پیشنهاد کرد که، دیاکسیدکربن در فرآیند تبادل حرارت با آمونیاک تبخیری تقطیر شده و سپس درون شبکه لولههای فولادی زیر میدان یخی به گردش درآید. این پیشنهاد اجرایی شد و سیستم اصلاح شده بسیار رضایتبخش بود. مصرف انرژی در این سیستم، نسبت به حالتی که آمونیاک در لولهها به گردش درآید، چندان بیشتر نیست و نسبت به زمانی که از آب نمک استفاده شود، بسیار کمتر است. این سیستم با موفقیت در کشورهای دیگر نیز کپی شده است. یک زمین هاکی در سوئد با استفاده از لولهکشی مسی با قطر داخلی کم و سیستم ثانویه دیاکسیدکربن و سیستم اولیه R-404A تاسیس شده است. از افت دمای بسیار کم در مجاورت سیستم دیاکسیدکربن استفاده شده است تا افت دمای بیشتری از لوله بتن به لوله مسی کوچک ایجاد شود. این زمین برای هاکی روی یخ و اسکیت با حرکات نمایشی مناسب بوده است. اما در رابطه با موفقیت آن برای اسکیت با حرکات سنگین اطلاعاتی در دست نیست. یک مسیر مدور بسیار بزرگ برای اسکی صحرانوردی در فنلاند ساخته شده است که از گردش دیاکسیدکربن در مدارهای بسیار طولانی استفاده میکند. یک زمین کرلینگ با استفاده از سیستم دیاکسیدکربن Transcritical در کانادا راهاندازی شده است. این سیستم در بیشتر فصول بازی، تحت شرایط Subcritical عمل میکند و باید به نسبت کارآمد باشد.
تهویه مطبوع با استفاده از دیاکسیدکربن
تهویه مطبوع در ساختمانهای بزرگ به طور معمول با استفاده از گردش آب خنک شده اجرا میشود. ازمزایای این روش سادگی و قابلیت استفاده از خنککنندههای ساده، ارزان و یکپارچه است. معایب این روش عبارتند از بازدهی پایین و حجم بسیار زیاد آب خنک شده که باید در سراسر ساختمان به گردش درآید. انرژی لازم برای گردش آب خنک شده در ساختمان نیز مورد توجه است. اگر به جای آب از دیاکسیدکربن استفاده شود، قطر لولهکشی مورد نیاز، دو سوم قطر دایره کمتر خواهد بود و در صورت استفاده از دیاکسیدکربن به عنوان مبرد ثانویه سیال، قدرت مورد نیاز برای پمپاژ، معادل پنج درصد قدرت مورد نیاز برای به گردش درآوردن آب خواهد بود. فشار بالای دیاکسیدکربن مزیت محسوب میشود زیرا به لولههای با قطر بسیار کم نیاز دارد. لولههای مدور کوچک، در برابر فشار بسیار مقاوم هستند. به همین دلیل، اگرچه در هنگام استفاده از دیاکسیدکربن، افزایش ضخامت لولههای مسی، الزامی است، میتوان ضخامت لولههای فولادی ضد زنگ را نسبت به اندازه متداول توصیه شده برای تسهیل در کار و خم کردن افزایش نداد. بهکارگیری یک سیستم اتصال۱۷ معتبر الزامی است. برای به حداقل رساندن جوشکاری در محل، از اتصال فشاری خاص استفاده شده است و فولاد ضد زنگ اعتبار آن را تضمین میکند. در تمامی فضاهای مسکونی که سیستم دیاکسیدکربن از آنها عبور میکند، حسگرهای دیاکسیدکربن تعبیه شدهاند. تاکنون موردی مبنی بر فعال شدن این حسگرها به دلیل نشت دیاکسیدکربن گزارش نشده است. با این حال، از آنجایی که این حسگرها طوری تنظیم شدهاند که در غلظتی کمتر از غلظت هوای بازدمی کار میکنند، آزمایش و جدا کردن آنها توسط سایر ابزارها آسان است. ممکن است این موضوع به ذهن برسد که هزینه استفاده از دیاکسیدکربن با فشار بالا بسیار بیشتر از آب است و دیگر این که این شیوه هنوز آزمایش نشده است. با این حال استفاده از این فناوری در تهویه مطبوع سرورهای تیغهای۱۸ و تهویه مطبوع مراکز تجاری آغاز شده است. عکس (۱) یک سیستم دیاکسیدکربن یکپارچه را نشان میدهد که به کمک جرثقیل در حال انتقال به سقف یک ساختمان در هنگکنگ است. عکس (۲)، اتصالات لوله دیاکسیدکربن به سیستمهای خنککننده نصب شده روی در یک اتاقک سرور تیغهای را نشان میدهد. اثبات شده که این تاسیسات، معتبر و از لحاظ اقتصادی به صرفه هستند. هزینههای سرمایهگذاری برای این فناوری نسبت به تجهیزات تهویه مطبوع معمولی بسیار بالاتر است اما این گرانی به این دلیل است که این سیستمهای دیاکسیدکربن هنوز در مرحله طراحی هستند و از تولید انبوه محصولات استاندارد بهره نبردهاند. ابعاد کم لولهکشی و عدم آسیبرسانی نشتهای اندک دیاکسیدکربن به تجهیزات الکترونیکی از دلایل اصلی هستند که از دیاکسیدکربن با پمپاژ گردشی به عنوان مبرد ثانویه فرار در خنککننده سرور تیغهای و مراکز تجاری استفاده میشود. با این حال، نشت در حالت کلی غیر قابل پذیرش است، زیرا خرابی تجهیزات عواقب سنگینی به همراه دارد. به نظر میرسد که استفاده از لولههای فولادی با قطر کم و اتصالات فشاری مخصوص منجر به کاهش نشت در زمان عملکرد سیستمها میشود.عکس (۳).
عکس (۲) دهانه خروجی هوا از اتاقک سرور
هزینه تهیه و نصب لولههای فولادی ضد زنگ با قطر کم نسبت به هزینه تهیه و نصب سیستمهای لولهکشی فولادی نرم بزرگتر، بسیار ارزانتر است. ظرفیت ساختمان لولهکشی شده نیز مهم بوده و بر هزینه تاثیر میگذارد. اگر برای تهویه مطبوع، به جای آب خنک شده از دیاکسیدکربن استفاده شود، گنجاندن یک طبقه اضافه در یک ساختمان بزرگ چند طبقه ممکن میشود. مناسب بودن دیاکسیدکربن در تیرهای سرد۱۹، اولین انگیزههای استفاده از دیاکسیدکربن در تهویه مطبوع بود. تیرهای سرد به علت جلوگیری از میعان، در اختلاف دماهای پایین کار میکنند. بالا رفتن دما نیز موجب میعان میشود و به منظور جلوگیری از بالا رفتن دما، جریان آب زیاد است. استفاده از دیاکسیدکربن در دمای تبخیر نسبتا ثابت دو مزیت دارد، یکی افزایش دمای تبخیر مبرد اولیه، که باید یک هالوکربن باشد و دیگری کاهش چشمگیر انرژی مورد نیاز برای پمپهای گردشی. متاسفانه تا به امروز کسی متقاعد نشده است تا سیستم تیر سردی را نصب کند که از دیاکسیدکربن استفاده میکند. در مقایسه با سیستمهایی که آب سرده شده را به گردش در میآورند، استفاده از دیاکسیدکربن در تهویه مطبوع، کاهش شارژ مبرد اولیه را چندان کم نمیکند. با این حال در مقایسه با سیستمهای انبساط مستقیم از نوع جریان متغیر تبرید، که در آنها مبرد به تمامی فضاهایی که به تهویه مطبوع نیاز داشته باشند، ارسال میشود، این کاهش شارژ چشمگیر است.
عکس (۳) لولههای حامل دیاکسیدکربن به همراه اتصالات مربوطه
نتیجهگیری
دلایل بسیاری برای کاهش شارژ مبرد در سیستمهای خنککننده وجود دارد.این دلایل عبارتند از ارتباط شارژ مبرد با احتمال نشت، هزینه مبردهایترکیبی۲۰، خطرات احتمالی نشت مبرد برای محیط زیست و به خطر افتادن سلامتی به واسطه نشت مبردهای سمی.
سیستمهای تبرید ثانویه میتوانند منجر به کاهش شارژ مبرد اولیه شوند.این فرآیند در سوپرمارکتهایی دیده میشود که سیستم انبساط مستقیم متعارف، مبرد را در ساختمان بزرگ به گردش در میآورد.
دیاکسیدکربن، موثرترین و کارآمدترین مبرد ثانویه کشف شده است.
در حال حاضر برای تهویه مطبوع از دیاکسیدکربن ثانویه استفاده میشود.
به علت اثرات افت فشار اطراف سیستم، سیستمهای دیاکسیدکربن ثانویه میتوانند نسبت به سیستمهای انبساط مستقیم کارآمدتر باشند.
منابع
- EPA. 1990. Clean Air Act. Section 112 (r)( 7). U.S. Environmental Protection Agency.
- EPA. 1986. Emergency Planning and Community Right-to-Know Act 40 CFR 355. U.S. Environmental Protection Agency.
- Pearson, S.F. 1993. “Development of improved secondary refrigerants.”Proceedings of the Institute of Refrigeration.
- Quack, H., et al. 2007. “The Extraordinary Properties of Carbon Dioxideas a Secondary Refrigerant.” Proceedings International Congress of Refrigeration.
- Pearson, A.B. 2007. “Possibilities and pitfalls in carbon dioxide ” Proceedings of the Institute of Refrigeration.
- Clodic, D. 2008. “Latest HVAC&R development trends in Europe in response to HFC regulations.” ۱۲th International Refrigeration and Air Conditioning Conference.
پینوشت:
- Total Quantity
- Risk Management Plan
- Ammonia Refrigerating Systems
- Secondary Refrigerants
- Primary Refrigerants
- Volatile Secondary Refrigerant
- Low-temperature Stage
- Equivalent Pressure Drop
- Carbon Dioxide Cascade Systems
- Vertical Plate Freezers
- Flexible Hose Connections
- R-22 Batch Blast Freezer
- Plate-Type Heat Exchangers
- Shell-and-Tube Evaporators
- Nucleate Boiling
- Direct Expansion
- Jointing System
- Blade Servers
- Chilled Beams
- Synthetic Refrigerants
منبع: ماهنامه خانه تاسیسات – شماره ۱۰ – آبان ماه ۱۳۹۲
استفاده از این مقاله با ذکر منبع مجاز است.