مقایسه فنی مبردهای R134a، R404A، R407C و R22 در ایران

انتخاب مبرد مناسب در یک سیستم تبرید تراکمی نقش مهمی در عملکرد، بازده انرژی و سازگاری زیست محیطی آن دارد.

مبرد چیست؟

مبرد ماده ای سیال است که با گردش در سیکل تبرید و تغییر فاز پیوسته، وظیفه انتقال حرارت را بر عهده دارد.

چرخه تبرید و نقش مبرد

سیکل تبرید تراکمی شامل چهار فرایند اصلی تبخیر در اواپراتور(جذب حرارت از محیط توسط مبرد مایع و تبخیر آن)، تراکم در کمپرسور تبرید (افزایش فشار و دمای مبرد بخار)، چگالش در کندانسور (دفع حرارت مبرد به محیط و تقطیر آن به مایع) و انبساط در شیر انبساط(کاهش فشار مبرد و آماده سازی آن برای ورود مجدد به اواپراتور) است. مبرد به عنوان سیال عامل در طی این چرخه، حرارت را از اواپراتور به کندانسور منتقل می کند و مدام بین فاز مایع و گاز تغییر حالت می دهد.

مسیر بسته سیکل تبرید بر روی نمودار P-h از نقطه خروج مبرد مایع از کندانسور شروع شده و پس از گذر از شیر انبساط و ورود به اواپراتور (کاهش شدید فشار در فرآیند اختناق)، سپس تبخیر در فشار پایین، و نهایتاً تراکم تا فشار کندانس و چگالش در کندانسور کامل می شود. هر چه ویژگی های ترمودینامیکی مبرد (مانند فشار بخار، حرارت نهان تبخیر، دمای بحرانی و …) مناسب تر باشد، آن مبرد می تواند در سیکل بازده بالاتر و عملکرد بهتری داشته باشد. به طور خلاصه، نقش مبرد این است که به عنوان حامل انرژی حرارتی، با تغییر فاز مداوم در اواپراتور و کندانسور، عمل جذب و دفع حرارت را ممکن سازد.

چهار فرایند اصلی سیکل تبرید روی این دیاگرام به ترتیب عبارتند از: ۱-۲: تراکم آدیاباتیک بخار در کمپرسور (افزایش فشار و آنتالپی)، ۲-۳: چگالش مبرد در فشار بالا (کاهش آنتالپی در فشار ثابت)، ۳-۴: اختناق مبرد مایع در شیر انبساط (کاهش فشار در آنتالپی ثابت)، ۴-۱: تبخیر مبرد در فشار پایین (افزایش آنتالپی در فشار ثابت)

معرفی مبردها به صورت جداگانه

مبرد R134a:

این مبرد از خانواده  HFCهای فاقد کلر است. و به عنوان جایگزین اصلی مبرد R12 توسعه یافت و دارای نقطه جوش حدود 26.1- درجه سانتی گراد در فشار اتمسفر است.

ایمنی:

این مبرد گازی بی رنگ و بی بو، غیرسمی و غیرقابل اشتعال است(کلاس ایمنی A1 طبق استاندارد ASHRAE).

فشار کاری:

فشارهای کاری آن نسبت به R22 پایین تر است. به عنوان مثال در دمای کندانس یکسان، فشار R134a  حدود ۳۰–۴۰ درصد کمتر از R22 است که ایمنی بالاتر و نشتی کمتر را به همراه دارد اما به معنی نیاز به کمپرسور بزرگ تر برای ظرفیت مشابه است.

کارایی ترمودینامیکی :

در محدوده دماهای متوسط و بالا عملکرد خوبی دارد و ظرفیت تبرید ویژه و COP آن در کاربردهای تهویه مطبوع و تبرید متوسط قابل قبول است. هرچند ظرفیت سرمازایی حجمی R134a  از R22 کمتر است و برای دستیابی به ظرفیت برابر، کمپرسور باید دبی بیشتری گردش دهد. این مبرد عمدتاً در سیستم های دمای متوسط/بالا به کار می رود و برای دماهای بسیار پایین (زیر حدود 20 درجه سانتی گراد) چندان مناسب نیست.

موارد کاربرد R134a :

یکی از پرکاربردترین مبردهای حال حاضر است و به طور معمول در یخچال های خانگی و کولرهای خودرو استفاده می شود. همچنین در چیلرهای صنعتی دمای متوسط و برخی دستگاه های تهویه مطبوع تجاری به کار می رود.

نوع روغن:

با روغن های سنتتیک نظیر پلی اُل استر (POE) و در کمپرسورهای خودرو با روغن پلی آلکیل گلایکول (PAG) سازگاری دارد. به دلیل غیرقطبی بودن مبرد، روغن های معدنی سنتی (MO) در آن حل نمی شوند و باید حتماً از روغن های مصنوعی استفاده شود.

شاخص های زیست محیطی:

مبرد R134a از نظر تخریب لایه اوزون مشکلی ندارد، زیرا ODP آن صفر است. با این حال، این مبرد دارای پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) نسبتاً بالایی است که باعث نگرانی های زیست محیطی شده است. هرچند R134a در مقایسه با مبردهای قدیمی تر از خانواده CFC مانند R12 گزینه ای بسیار سازگارتر با محیط زیست محسوب می شود، اما به دلیل تأثیر قابل توجه آن بر گرمایش زمین، طبق اصلاحیه کیگالی برنامه ای برای کاهش تدریجی مصرف آن در سال های آینده در نظر گرفته شده است. به همین دلیل، در بسیاری از کشورها استفاده از این مبرد به تدریج با گزینه های جدیدتری مانند R1234yf در سیستم های خودرویی یا مبردهای ترکیبی HFO/HFC مانند R513A جایگزین می شود.

مبرد  R404A:

این مبرد جایگزین مبردهای قدیمی R502 و R22 در کاربردهای دمای پایین توسعه یافت و دارای خواص ترمودینامیکی مناسبی در شرایط تبرید زیرصفر است. محدوده عملکرد آن عمدتاً دمای پایین و متوسط است. به طوری که در تبخیرکننده ها می تواند تا حدود -40°C به خوبی عمل کند و کارایی سرمایشی خود را حفظ نماید. نقطه جوش نرمال R404A حدود -46°C  است و به دلیل آزئوتروپیک بودن، گِلاید دمایی بسیار ناچیز دارد(اختلاف دمای شروع و پایان تبخیر آن قدر کم است که تقریباً صفر حساب می شود).

ایمنی:

از نظر ایمنی، گازی بی رنگ، غیرسمی و غیرقابل اشتعال (رده A1) محسوب می شود.

فشار کاری:

فشارهای کاری R404A در محدوده متوسط قرار داشته و نسبتاً نزدیک به R22 است یا کمی بالاتر (مثلاً فشار تقطیر در °40C  حدود ۱۶–۱۷ بار). راندمان این مبرد در دماهای پایین بسیار خوب است و از این لحاظ بر R22 برتری دارد که در تبرید زیرصفر دمای تخلیه کمپرسور R22 بسیار بالا می رود، در حالی که R404A دمای تخلیه مناسب تری دارد و عملیات سیستم امن تر است. البته در کاربردهای دمای بالاتر (مثلاً تهویه مطبوع) R404A به اندازه R22 یا R407C کارا نیست و مصرف انرژی بیشتری دارد، از همین رو استفاده از آن عمدتاً به سردخانه ها و فریزرهای صنعتی محدود می شود.

موارد کاربرد R404A :

یکی از رایج ترین مبردها در سیستم های تبرید تجاری و صنعتی زیرصفر است. به طور گسترده در سردخانه های مواد غذایی زیرصفر، تونل های انجماد، فریزرهای فروشگاهی و یخچال های صنعتی به کار می رود. این مبرد تقریباً به استاندارد صنعت برای جایگزینی R502 (در دماهای پایین) تبدیل شد و در بسیاری از صنایع برودتی ایران نیز استفاده می شود.

نوع روغن:

مبرد R404A تنها با روغن های پلی اُل استر (POE) کار می کند و روغن معدنی یا آلکیل بنزن در آن قابل استفاده نیست. کمپرسورهای سازگار با R404A معمولاً از قبل با روغن POE شارژ شده اند.

شاخص های زیست محیطی:

این مبرد نیز همانند دیگر مبردهای HFC فاقد کلر و غیرمخرب اوزون (ODP=0) است. نقطه ضعف عمده R404A پتانسیل گرمایش جهانی بسیار بالای آن است. در واقع R404A یکی از بالاترین GWPها را بین مبردهای متداول دارد که حدود ۴ برابر R22 و ۳ برابر R134a است. به همین دلیل طبق مقررات جدید، استفاده از آن در بسیاری از کشورها در حال محدود شدن است و شرکت های سازنده مبرد، جایگزین هایی با GWP پایین تر (مانند R448A یا R449A ) را معرفی کرده اند.

مبرد R407C:

هدف از ارائه R407C، دستیابی به خواص ترمودینامیکی مشابه R22 بدون اثرات مخرب اوزون بود، به گونه ای که بتوان از آن به عنوان جایگزین مستقیم در سیستم های موجود R22 (پس از تعویض روغن) یا در تجهیزات جدید استفاده کرد. از نظر خواص، R407C بسیار به R22 نزدیک است. فشارهای کاری و دبی مبرد مورد نیاز تقریباً مشابه R22 بوده و ظرفیت سرمایشی و COP سیستم نیز در حد R22 گزارش شده است. البته دمای خروجی کمپرسور با R407C معمولاً اندکی کمتر از R22 است که برای طول عمر کمپرسور مزیت محسوب می شود.

موارد کاربرد R407C :

بیشتر در تجهیزات تهویه مطبوع مسکونی و تجاری (به خصوص اسپیلیت ها، داکت اسپیلیت ها و چیلرهای کوچک) و همچنین برخی سیستم های سردخانه بالای صفر استفاده شده است. این مبرد به دلیل شباهت عملکرد با  R22، در سال های گذشته برای بازسازی چیلرها و کولرهای گازی R22 نیز به کار رفته است. بازه دمایی تبخیر آن حدود -۱۰°C  تا +۱۰°C را پوشش می دهد و لذا برای کاربردهای تهویه مطبوع و سردخانه های بالای صفر مناسب است. در دماهای بسیار پایین از R407C استفاده نمی شود (به دلیل افت ظرفیت و گِلاید زیاد)، همان طور که برای دماهای بسیار بالا نیز ترجیحاً R134a یا R410A گزینه بهتری هستند.

نوع روغن:

مشابه دیگر مبردهای HFC، مبرد R407C تنها با روغن های پلی اُل استر (POE) سازگار است. پیش از جایگزینی R22 با R407C  در یک سیستم قدیمی، باید روغن معدنی کاملاً تخلیه و با POE  تعویض شود، زیرا R407C با روغن های معدنی/آلکیل بنزن به خوبی مخلوط نمی شود و گردش روغن در سیستم دچار مشکل خواهد شد.

شاخص های زیست محیطیR407C :

کلر ندارد (ODP=0) و GWP آن حدود 1770 است. که از R22  کمتر اما همچنان نسبتاً بالا محسوب می شود. در مقایسه با R404A این مبرد اثر گلخانه ای کمتری دارد (حدود نصف) و در بسیاری از کشورها هنوز مجاز به استفاده است. با این حال طبق برنامه کاهش  HFCها، انتظار می رود مصرف R407C نیز در درازمدت محدود گردد و مبردهای با GWP پایین تر مثل R32 خالص یا ترکیبات HFO جایگزین آن شوند. در حال حاضر R407C یکی از بهترین جایگزین های R22 در سیستم های تهویه مطبوع محسوب می شود که بدون نیاز به تغییر اساسی طراحی، کارایی تقریباً مشابهی ارائه می دهد.

مبرد R22:

مبرد R22 با نام شیمیایی کلرودی فلوئورومتان، فرمول CHClF₂ عضوی از خانواده HCFC (هیدروکلروفلوئورکربن ها) است که نسل قدیمی تر مبردهای مصنوعی را تشکیل می دادند. سال ها پرمصرف ترین مبرد در انواع سیستم های تبرید و تهویه مطبوع بوده و به دلیل خواص ترمودینامیکی مناسب و سازگاری خوب با اجزای سیستم، کاربرد گسترده ای در یخچال ها، سیستم های تهویه مطبوع خانگی و صنعتی، سردخانه ها و … پیدا کرد. نقطه جوش مبرد R22 حدود 40.7-°C در فشار یک اتمسفر است. که پایین تر از اغلب مبردهای جایگزین (مثلاً R134a) است و نشان دهنده قابلیت آن در دستیابی به دماهای تبخیر بسیار پایین می باشد. از نظر فشار کاری در دسته فشار متوسط قرار می گیرد. مثلاً در دمای تبخیر 10- درجه سانتی گراد و تقطیر 40 درجه سانتی گراد حدود ۱۴ بار فشار تخلیه و ۲.۵ بار فشار مکش دارد که بالاتر از R134a ولی کمی کمتر از R404A در همین شرایط است.

ویژگی های عملکردیR22 :

در ظرفیت سرمازایی بالا و هنگام نیاز به COP مناسب در گستره دمای وسیع کاربرد دارد. به طوری که هم در کاربردهای تهویه مطبوع بالای صفر و هم در سردخانه های زیرصفر (تا حدود 40-°C) به خوبی عمل می کند. البته در دماهای بسیار پایین (زیر 40-°C) حرارت دهش کمپرسور R22 بسیار بالا می رود و ایمنی کمپرسور را به خطر می اندازد، بنابراین برای برودت های فوق العاده پایین بهتر است از مبردهایی مثل R404A یا ترکیبات دما پایین استفاده شود.

ایمنی و سازگاری:

مبرد R22 بی رنگ و نسبتاً بی بو، غیرقابل اشتعال و کم سمّیت است و در رده A1  طبقه بندی می شود. البته وجود اتم کلر در ساختارش باعث شده اثر مخرب روی لایه اوزون (ODP ≈ 0.05) داشته باشد. این مبرد با انواع روغن های معدنی، آلکیل بنزن و نیز پلی اُل استر سازگار است. که یک مزیت بزرگ آن بود، زیرا در سیستم های قدیمی می شد بدون تعویض روغن از R22  استفاده کرد.

شاخص های زیست محیطیR22 :

جزء گازهای گلخانه ای و مخرب لایه اوزون به شمار می آید. هرچند ODP آن نسبت به مبردهای قدیمی تری مثل R11 و R12  بسیار کمتر است اما به دلیل همین اثر مخرب، مطابق پروتکل مونترال تولید و مصرف آن در کشورهای توسعه یافته از ۲۰۱۰ ممنوع شد و در دیگر کشورها نیز طبق برنامه زمان بندی تا سال 2030 باید به صفر برسد. از این رو R22 را یک مبرد در حال کنارگذاری می نامند. در حال حاضر بسیاری از سیستم های جدید به جای R22 از مبردهای بدون کلر نظیر R407C یا R410A استفاده می کنند.

با این وجود، به علت خواص ترمودینامیکی عالی و فراوانی موجودی در بازار، همچنان در برخی کشورها در تعداد قابل توجهی از تجهیزات قدیمی و حتی برخی کاربردهای جدید دیده می شود و تقاضای آن کاملاً از بین نرفته است. در جدول زیر به مقایسه فنی مبردها پرداخته شده است.

تحلیل بازار مبرد در ایران و آینده پیش رو

در بازار کنونی ایران، علی رغم ممنوعیت واردات رسمی بعضی مبردها، همچنان به خاطر انبوه تجهیزات قدیمی موجود در کشور، درصد قابل توجهی از مصرف را به خود اختصاص می دهد. بسیاری از سرویس کاران سیستم های تهویه مطبوع، جهت شارژ مجدد کولرهای گازی و چیلرهای قدیمی، ناچار به تأمین R22 از طریق موجودی های قبلی یا واردات غیرمستقیم هستند.

دلیل این امر طول عمر بالا و تعداد زیاد دستگاه هایی است که با R22 طراحی شده اند و هنوز در حال کارند. اما روند بازار نشان می دهد مصرف R22  سال به سال در حال کاهش است. پیش بینی می شود طی چند سال آتی با از کار افتادن تدریجی دستگاه های قدیمی و سخت تر شدن تامین  R22، نیاز به آن به حداقل برسد.

در این بین، R407C  به عنوان جایگزین R22 در برخی مصارف جا باز کرده است. هرچند کولرهای گازی جدید عمدتاً مستقیم به سمت R410A رفته اند، ولی پروژه های زیادی در صنعت انجام شده که طی آن ها گاز R22 موجود در چیلرها و سردخانه ها را خارج کرده و R407C شارژ کرده اند تا از مزایای ODP=0 آن بهره ببرند.

بنابراین، R407C  در بازار ایران یک مبرد روبه رشد طی یکی دو دهه اخیر بوده است، اما سرعت رشد آن محدود شده چون تجهیزات جدید بیشتر با R410A عرضه می شوند. از منظر سهم بازار، شاید R407C به اندازه سایر مبردهای این گزارش رایج نباشد، ولی حضور آن در برخی بخش ها (مثلاً تهویه مطبوع مرکزی) قابل توجه است و با نزدیک شدن به سال 2030 (مهلت نهایی پروتکل مونترال برای پایان مصرف R22) احتمالاً استفاده از آن بیشتر هم خواهد شد.

R134a وضعیت باثبات تری دارد. این مبرد ستون فقرات صنعت تبرید تجاری سبک و خودرویی بوده و همچنان هست. تقریباً تمام خودروهای سواری و سنگین فعلی کشور از R134a در کولر خود استفاده می کنند و هنوز مقرراتی برای تغییر آن ها اعمال نشده است. همچنین کارخانه های تولید یخچال فریزر داخلی عمدتاً تا همین اواخر از R134a استفاده می کردند. در بخش صنایع غذایی و فروشگاهی نیز، بسیاری از یخچال های ویترینی، دستگاه های سردکننده نوشیدنی و چیلرهای کوچک از R134a بهره می برند.

مجموع این موارد نشان می دهد R134a سهم قابل توجهی از بازار مبرد را در کشور ما دارد و احتمالاً تا چند سال آینده نیز حفظ خواهد کرد. البته باید توجه داشت که GWP بالای ~1300 این مبرد در درازمدت تحت فشار بین المللی است و ممکن است طی ۵ تا ۱۰ سال آینده مقررات واردات برای آن سخت تر شود. از این رو برخی صنایع احتمالاً به تدریج به سمت مبردهای آلترناتیو برای R134a  حرکت می کنند.

R404A در بازار صنعتی ایران طی دو دهه اخیر بسیار پرتقاضا بوده است. تقریبا تمام نصابان و مجریان سردخانه های زیرصفر پس از کنارگذاری R502 (به علت ممنوعیت تولید) به سراغ R404A آمده اند و اکنون سردخانه های بسیاری در صنایع پروتئینی، لبنی، دارویی و … با این گاز کار می کنند. به علاوه، واردات تجهیزات فروشگاهی برودتی نیز عمدتاً با R404A انجام شده است. بنابراین این مبرد سهم عمده ای در بخش تبرید کشور دارد. چالش بزرگ R404A  همان طور که گفته شد GWP بسیار بالای آن است.

هر چند در حال حاضر محدودیت قانونی جدی در ایران برای مصرف این گاز وجود ندارد، اما ممکن است در آینده با پیوستن کشور به برنامه های کاهش گازهای گلخانه ای، واردات و مصرف R404A نیز هدف گذاری شود. از اکنون برخی شرکت های پیشرو به فکر جایگزین های R404A هستند. در بازار جهانی، مبردهای جدیدی مانند R449A و R452A معرفی شده اند که GWP حدود نصف تا یک سوم R404A دارند و کارایی مشابه ارائه می دهند.

در اروپا حتی ممنوعیتی وضع شده که از سال 2020 به بعد استفاده از R404A در تجهیزات جدید ممنوع شود. چنین الزامات سخت گیرانه ای احتمالاً دیر یا زود در کشور ما نیز اجرایی خواهد شد. با توجه به این روند، انتظار می رود مصرف R404A در ایران طی ۵ سال آینده روند کاهشی پیدا کند و مبردهای نسل جدیدتر (و یا مبردهای طبیعی نظیر پروپان R290 یا  CO₂) به تدریج جای آن را در صنعت سردسازی بگیرند.

نتیجه گیری

برای انتخاب مبرد مناسب در هر پروژه، باید مجموعه ای از عوامل شامل محدوده دمای کاری، سازگاری قطعات، ملاحظات ایمنی و الزامات زیست محیطی را در نظر داشت. بر اساس مقایسه ای که انجام شد، می توان نتیجه گرفت:

در سیستم های تهویه مطبوع و تبرید دمای بالا/متوسط (مانند کولرهای گازی، چیلرهای بالای صفر، یخچال های صنعتی): مبرد های بدون کلر نظیر R134a و R407C گزینه های قابل اعتمادی بوده اند و عملکرد نزدیک R22 دارند. با این حال برای آینده، به دلیل کاهش GWP، استفاده از گزینه های جدیدتر مثل R513A یا R454B می تواند مدنظر قرار گیرد.

در ضمن در تجهیزات جدید خانگی، مبردهای طبیعی مثل R600a (در یخچال ها) و R290 (در کولرهای گازی اسپلیت کم ظرفیت) به شکل محدود معرفی شده اند که سازگاری خوبی با محیط زیست دارند و می توان انتظار داشت رواج بیشتری پیدا کنند.

در کاربردهای برودتی دمای پایین (سردخانه های زیرصفر، تونل انجماد، یخسازها و …): مبرد  R404A تاکنون انتخاب اصلی بوده و از نظر فنی نیز کارایی بالایی در این محدوده دما دارد. اما با توجه به GWP بسیار زیاد آن، توصیه می شود برای پروژه های جدید به دنبال جایگزین هایی مانند R449A  یا R452A (در صورت دردسترس بودن) بود که اثر گلخانه ای کمتری دارند.

برای سیستم های موجود حاوی R22 در کوتاه مدت مبرد R407C بهترین گزینه جایگزین است زیرا بدون تغییر سخت افزاری می تواند عملکرد نزدیک به R22 ارائه دهد. با تخلیه مبرد قدیمی، تعویض روغن به POE و شارژ R407C، می توان عمر مفید تجهیزات R22 را چند سال افزایش داد و از مزیت ODP=0 بهره برد. اما در میان مدت و بلندمدت، باید برنامه نوسازی این سیستم ها مدنظر باشد. چرا که بعد از ۲۰۲۵ تأمین R22 بسیار سخت و پرهزینه خواهد شد و منطقی است تجهیزات قدیمی با مدل های جدید حاوی مبردهای روزآمد جایگزین شوند. خوشبختانه اکثر سازندگان معتبر بین المللی، نسل جدید دستگاه های خود را مطابق مبردهای سازگار با محیط زیست عرضه می کنند و بازار کشور نیز به تدریج به آن سمت حرکت خواهد کرد.

در نهایت، شرایط ایران از نظر دسترسی به مبرد و قوانین در حال تغییر است. مهندسان و مدیران پروژه باید ضمن درنظر داشتن وضعیت فعلی (مثلاً موجودبودن نسبتاً آسان R134a و R404A و سختی تامین R22)، نیم نگاهی نیز به آینده داشته باشند تا درگیر بحران تأمین مبرد یا مشکلات عدم انطباق زیست محیطی نشوند.

توصیه می شود در طراحی سیستم های جدید، حتی الامکان مبردی انتخاب شود که هم با محدوده دمایی مورد نیاز سازگار باشد، هم کمترین اثر منفی زیست محیطی را داشته و هم طبق استانداردهای روز دنیا تایید شده باشد. به عنوان مثال، برای یک سردخانه زیرصفر بزرگ می توان به جای R22 از R404A استفاده کرد، اما بهتر آن است که از ابتدا R449A (در صورت موجودی) یا یک سیستم CO₂ مدنظر قرار گیرد. یا در یک چیلر تهویه مطبوع جدید، به جای R407C قدیمی، از R410A یا R32 استفاده شود که راندمان بیشتر و GWP کمتری دارند.

بدین ترتیب سیستم نصب شده در سال های آینده نیز قابل بهره برداری و مطابق مقررات خواهد بود. به طور خلاصه، انتخاب مبرد بهینه یک تصمیم چندبعدی است. در گذشته نزدیک بیشتر بر معیارهای فنی (ظرفیت و بازده) استوار بود، ولی اکنون ملاحظات زیست محیطی و قوانین بین المللی نقش پررنگ تری یافته اند.

مطلبی که مشاهده کردید حاصل تلاش کارشناسان ما در مجموعه صنایع برودتی و صنعتی فراستک بود. فراستک ارائه دهنده انواع محصولات برودتی و صنعتی و تهویه مطبوع شامل انواع کمپرسور تبرید، یونیت کندانسیگ، انواع مدل های چیلر و … میباشد. جهت مشاهده محصولات به صفحه اصلی وبسایت مراجعه نمایید.