مبردهای خالص هیدروکربنی

پی بردن به اهمیت لایه ازن زمین و شدت کاهش ازن اتمسفر ناشی از اتم‌های هالوکربن، به ویژه کلر در اواسط دهه 1980، جستجوی مبردهای سازگار با محیط زیست را برانگیخت، بخصوص مبردهایی با حداقل GWP (پتانسیل گرم شدن کره زمین). یکی از محصولاتی که برای کاربردهای خنک کننده و تهویه مطبوع مناسب است، خانواده هیدروکربن‌های خالص می‌باشد.

هیدروکربن‌های خالص قبلاً در صنعت به عنوان منابع سوخت پاک از محصولات نفتی حاصل از فسیل‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با این حال مدتی طول کشید تا این سوخت برای مصارف خانگی به عنوان سوخت پخت و پز در خانه‌ها استفاده شود. ذخیره‌سازی در مقادیر بیشتر خطرات احتمالی را به همراه دارد. گاز مایع(LPG)  متشکل از پروپان و بوتان به عنوان سوخت پخت و پز  و جایگزینی برای ذغال سنگ، نفت سفید و چوب تنها پس از قرار گرفتن ویژگی‌های ایمنی مناسب در گاز و همچنین در سیستم‌های ذخیره‌سازی و خط لوله، در خانه ها معرفی شد. اکنون ما نمی‌توانیم زندگی را بدون LPG تصور کنیم.

جستجوی مبردهای جایگزین منجر به استفاده از هیدروکربن‌های خالص به عنوان مبرد شد.

مبرد مبتنی بر هیدروکربن چیست؟

مبردهای حاوی هیدروکربن می‌توانند به عنوان جایگزینی برای مبردهای فلوروکربن در برخی از کاربردهای برودتی و تهویه مطبوع استفاده شوند.

اصطلاح "هیدروکربن" موارد زیر را شامل می شود:

- اتان (R170)
- پروپان (R290)
- بوتا (R600)
- ایزوبوتان (R600a)
- پروپیلن (R1270)

خواص:

- هیدروکربن ها بسیار اشتعال پذیر هستند.
- سمیت کمی دارند.
- R600a و R290 سنگین‌تر از هوا هستند و غلظت آنها همیشه نزدیک زمین خواهد بود.
- R600a فقط باید در ظروف تأییدشده ذخیره و حمل شود و طبق دستورالعمل‌های موجود باید با آن کار شود.
- مبردهای هیدروکربنی تقریباً با تمام روان کننده‌هایی که معمولاً از سیستم‌های خنک کننده و تهویه مطبوع استفاده می‌شوند کاملاً سازگار است، بجز آن دسته از کننده‌هایی که حاوی سیلیکون و سیلیکات هستند.

اشتعال‌پذیری مبردهای هیدروکربنی

اشتعال‌پذیری خاصیت مخلوطی است که طی آن شعله قادر است خود را در یک مسافت خاص تکثیر کند. اشتعال‌پذیری به عنوان توانایی در سوختن یا اشتعال ماده، ایجاد آتش‌سوزی یا احتراق تعریف می‌شود. درجه سختی لازم برای ایجاد احتراق یک ماده از طریق آزمایش آتش تست شده و به پارامترهای ذکر شده در زیر بستگی دارد.

قابل اشتعال بودن ماده به محدودیت های قابل اشتعال بالاتر و پایین و همچنین انرژی تامین شده برای احتراق بستگی دارد. عواقب ناشی از قابلیت اشتعال به میزان سوزش، گرمای تخلیه شده و محصولات جانبی احتراق بستگی دارد.

مخلوط مبرد و هوا می‌توانند احتراق ایجاد کنند، زیرا غلظت سوخت در محدوده پایین‌تر و کاملاً مشخص تعریف شده است و محدودیت‌های تعیین شده توسط آزمایش به عنوان محدودیت‌های اشتعال‌پذیری تعیین می‌شود.

حد اشتعال‌پذیری پایین (LFL ، درصد حجمی یا گرم در متر مکعب):

حداقل غلظت مورد نیاز مبرد که قادر به انتشار شعله از طریق یک مخلوط همگن مبرد و هوا در شرایط آزمایش، 23 درجه سانتیگراد و 101.3 کیلو پاسکال است. در غلظت هوای پایین تر از LFL، مخلوط‌های گاز برای سوزاندن بسیار ضعیف هستند. گاز متانLFL  4.4 درصد دارد. در جو کمتر از 4.4 درصد متان، حتی در صورت وجود منبع اشتعال، احتراق نمی‌تواند رخ دهد.

حد اشتعال فوقانی( UFL)  بالاترین غلظت گاز یا بخار در هوا است که می‌ تواند در حضور یک منبع اشتعال، شعله آتش ایجاد کند. غلظت‌های بیش از UFL برای سوزاندن "بیش از حد غنی" در نظر گرفته شده اند.

سرعت سوختن، سرعت نسبی به گاز نسوخته (به طور معمول در سانتیمتر بر ثانیه) است، که در آن یک شعله ورقه‌ای در جهت نرمال از جلوی شعله گسترش می‌یابد، در غلظت مبرد با هوا که حداکثر سرعت را ارائه می‌دهد.

گرمای احتراق به عنوان گرمای حاصل از واکنش مشخص یک ماده با اکسیژن تعریف می‌شود.

علائم ایمنی هیدروکربن‌های خالص

استانداردها و طبقه بندی

استانداردها، محدودیت‌ها و روش‌های پیشنهادی را در راه مدیریت صحیح مبردهای مختلف از جمله مواد قابل اشتعال ارائه می‌دهند.

استاندارد 34 ASHRAE  ، " طراحی و طبقه‌بندی ایمنی مبردها"، مبردها را بر اساس ویژگی‌های قابل اشتعال و سمیت آنها طبقه‌بندی می‌کند. بسته به مقدار LFL مبرد، گرمای احتراق و حداکثر سرعت سوختن، چندین کلاس اشتعال‌پذیری را از A1 غیر قابل اشتعال تا A3 بسیار قابل اشتعال تشخیص می‌دهد.

استاندارد ISO817 "مبردها – طبقه‌بندی و تعیین ایمنی" سیستمی روشن و بدون ابهام را برای تعیین محل‌های مبرد و قابلیت اشتعال آن فراهم می‌کند.

استاندارد اروپایی EN378 "الزامات ایمنی و زیست محیطی برای سیستم‌های برودتی و پمپ‌های حرارتی" با هدف کاهش خطرات موجود برای افراد، اموال و محیط زیست ناشی از سیستم‌های برودتی و مبرد است. بنابراین استفاده از مبردهای قابل اشتعال را در سیستم‌ها بر اساس موقعیت سیستم، سطح اشغال، نوع سیستم و مبرد استفاده شده تنظیم می‌کند. نسخه فعلی استاندارد EN378 در سال 2008 منتشر شد و مبردهای قابل اشتعال A2L را به طور مستقیم تشخیص نمی‌دهد.

در کشورهای مختلف سطح ایمنی مبرد توسط استاندارد 15 ASHRAE  "کد ایمنی برای تبرید مکانیکی" (ایالات متحده)، ISO5149 "سیستم‌های برودتی و پمپ‌های حرارتی - الزامات ایمنی و محیطی" (در سطح بین المللی) تنظیم می‌شود. در سطح تجهیزات، ایمنی توسط استانداردهای اروپایی EN60335-2-34 و EN60335-2-40 و غیره تنظیم می‌شود.

هیدروکربن‌ها و محیط زیست

هیدروکربن‌ها به تخریب لایه ازن متصل نیستند و بنابراین اکثر مبردهای هیدروکربن دارای درجه GWP (پتانسیل گرم شدن کره زمین) 3 هستند، در مقایسه با مبرد شیمیایی R404A که دارای درجه GWP 3260 است!

نقش سیستم‌های مبرد هیدروکربن در کاهش گازهای مضر گلخانه‌ای دو برابر است: اولاً، انتشار مستقیم گازهای گلخانه‌ای به دلیل پایین بودن امتیاز GWP  هیدروکربن‌ها بطور قابل توجهی کاهش می‌یابد. با استفاده از یک فروشگاه مواد غذایی معمول، به عنوان مثال، جایی که حدود 5 تا 10 درصد کل مبردها در جو تخلیه می‌شوند، استفاده از هیدروکربن‌ها به عنوان مبرد جایگزین، انتشار سالانه گاز را چندین تن کاهش می‌دهد. ثانیا، یک سیستم هیدروکربن معمولی با نقطه چگالش کمتر، ویژگی‌های ترمودینامیکی مثبت و COP (ضریب عملکرد) برتر برای بهینه‌سازی عملکرد مصرف با هم عمل می‌کنند. به طور معمول، استفاده از گاز پروپان (R290) به عنوان جایگزینی تهویه هوا برای سیستم HFC-134a منجر به صرفه‌جویی در انتشار گازهای گلخانه‌ای به میزان 80 درصد می‌شود.