مقدمه
سیستم‌های سرمایشی و تهویه مطبوع به‌شدت وابسته به عملکرد مبردها هستند. مبردها به‌عنوان سیالات عامل در چرخه تبرید، نقش اساسی در انتقال حرارت و تأمین سرمایش ایفا می‌کنند. اما همه مبردها به یک شکل عمل نمی‌کنند. برخی از آنها به‌صورت خالص وجود دارند و برخی دیگر ترکیبی از چند مبرد مختلف هستند که با یکدیگر ترکیب شده‌اند تا ویژگی‌های بهتری در عملکرد تبریدی ارائه دهند.
در این میان، مبردهای مخلوط به دو دسته مهم Azeotropic و Zeotropic تقسیم می‌شوند. این دو نوع مبرد، تفاوت‌های اساسی در نحوه تبخیر، تقطیر و تغییر فاز دارند که بر نحوه عملکرد سیستم‌های سرمایشی تأثیر می‌گذارد. مبردهای Azeotropic رفتاری مشابه مبردهای خالص دارند و در دمایی ثابت تغییر فاز می‌دهند، درحالی‌که مبردهای Zeotropic دارای نقطه جوش متغیر هستند و در بازه‌ای از دما تبخیر و تقطیر می‌شوند.
این تفاوت‌ها نه‌تنها بر انتخاب نوع مبرد تأثیر می‌گذارند، بلکه نحوه طراحی و نگهداری سیستم‌های تبریدی را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهند. به‌عنوان‌مثال، در سیستم‌هایی که از مبردهای Zeotropic استفاده می‌شود، چالش‌هایی مانند تغییر ترکیب مبرد در اثر نشتی یا نیاز به طراحی دقیق مبدل‌های حرارتی برای بهبود عملکرد وجود دارد. ازاین‌رو، شناخت ویژگی‌های این مبردها برای مهندسان و تکنسین‌های حوزه تبرید و تهویه مطبوع امری ضروری است.
در این مقاله، به بررسی تفاوت‌های بین مبردهای Azeotropic و Zeotropic، عملکرد آنها در فرآیند تبخیر و تقطیر، مشکلات احتمالی ناشی از استفاده از مبردهای Zeotropic و راهکارهای بهینه‌سازی عملکرد این نوع مبردها می‌پردازیم.
مبردهای مخلوط Azeotropic و Zeotropic
مبردها به دو دسته کلی خالص و مخلوط تقسیم می‌شوند. یک مبرد خالص تنها از یک ترکیب شیمیایی تشکیل شده است، درحالی‌که مبردهای مخلوط شامل ترکیبی از چندین مبرد مختلف هستند که برای دستیابی به ویژگی‌های ترمودینامیکی بهینه با یکدیگر ترکیب شده‌اند.
نمونه‌هایی از مبردهای خالص شامل R12 (CCl₂F₂)، R22 (CHClF₂) و R13 (CClF₃) هستند که هرکدام ویژگی‌های خاصی در سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع دارند. در مقابل، مبردهای مخلوط مانند R502 (ترکیب R22/R115) و R404A (ترکیب R125/R143a/R134a) از چندین ترکیب مختلف ساخته شده‌اند که عملکرد بهتری در شرایط خاص ارائه می‌دهند.
مبردهای مخلوط به دو دسته Azeotropic و Zeotropic تقسیم می‌شوند که هرکدام رفتارهای متفاوتی در تغییر فاز و تبخیر دارند. در ادامه، این دو نوع مبرد را بررسی می‌کنیم.
تفاوت مبردهای Azeotropic و Zeotropic
مبردهای مخلوط بسته به رفتارشان در تغییرات دما، به دو دسته Azeotropic و Zeotropic (Non-Azeotropic) تقسیم می‌شوند. تفاوت اصلی این دو نوع مبرد در نحوه تبخیر و تقطیر آنها است.
1. مبردهای Azeotropic :
اگر یک مبرد مخلوط هنگام تغییر دما رفتاری مشابه یک مبرد خالص داشته باشد، به آن مبرد Azeotropic گفته می‌شود. این مبردها در یک دمای خاص و ثابت شروع به تبخیر یا تقطیر می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر، این نوع مبرد در یک فشار معین دارای یک نقطه جوش مشخص است، بنابراین در سیستم‌های تبرید می‌توان آن را مانند یک مبرد خالص در نظر گرفت.
2. مبردهای Zeotropic (Non-Azeotropic) :
در مقابل، مبردهای Zeotropic رفتاری مشابه یک مخلوط واقعی دارند. زمانی که این مبردها شروع به تبخیر یا تقطیر می‌کنند، اجزای سبک‌تر مخلوط زودتر تبخیر شده و اجزای سنگین‌تر دیرتر تبخیر می‌شوند. به همین دلیل، این نوع مبردها یک نقطه جوش ثابت ندارند و در عوض، نقطه جوش آنها به‌صورت یک بازه دمایی تعریف می‌شود. به این بازه دمایی نقطه جوش میانگین (Avg. Boiling Point) گفته می‌شود.
• مبردهای Azeotropic مانند یک مبرد خالص عمل کرده و دارای یک نقطه جوش ثابت هستند.
• مبردهای Zeotropic در طول فرآیند تبخیر یا تقطیر، اجزای خود را به‌صورت مرحله‌ای از دست می‌دهند و نقطه جوش آنها به‌صورت یک بازه دمایی تعریف می‌شود. این تفاوت در عملکرد، باعث تفاوت در کاربرد و نحوه استفاده از این مبردها در سیستم‌های سرمایشی و تهویه مطبوع می‌شود.
فرآیند تقطیر در مبردهای Zeotropic
در فرآیند تقطیر، عملکردی معکوس تبخیر رخ می‌دهد. در این مرحله، ابتدا اجزای سنگین‌تر مخلوط زودتر میعان کرده و به مایع تبدیل می‌شوند، در حالی که اجزای سبک‌تر همچنان به‌صورت گاز باقی می‌مانند و در مرحله بعدی به مایع تبدیل خواهند شد. این رفتار باعث می‌شود که در مبردهای Zeotropic، در طول تقطیر یا تبخیر، دمای اشباع ثابت نماند و تغییرات دمایی و فشاری مشاهده شود.
همان‌طور که می‌دانیم، در یک سیستم تبریدی معمولی، فرآیندهای اواپراتور و کندانسور معمولاً در فشار ثابت انجام می‌شوند. اما در سیستم‌هایی که از مبرد Zeotropic استفاده می‌کنند، فشار مبرد در طول این فرآیندها دچار تغییرات جزئی می‌شود. به‌طور خاص :
• فشار ورودی به اواپراتور کمتر از فشار خروجی آن است.
• فشار ورودی به کندانسور بیشتر از فشار خروجی آن است.
بهینه‌سازی فرآیند تقطیر در مبردهای Zeotropic
برای کاهش تغییرات دما بین دو نقطه اشباع در یک مبرد Zeotropic، باید از یک مبدل حرارتی با جریان مخالف (Counter-flow) استفاده شود. در این روش، مسیری که مبرد طی می‌کند، برعکس مسیر جریان سیال خنک‌کننده است که باعث بهبود راندمان انتقال حرارت می‌شود.
علاوه بر این، در کندانسور، برای اطمینان از تبدیل کامل بخار به مایع، فرآیند تقطیر تا محدوده مایع سرد (Sub-cool) ادامه پیدا می‌کند. این کار باعث می‌شود که تمامی بخارات مبرد به مایع تبدیل شوند و از وجود هرگونه گاز ناخواسته در سیستم جلوگیری شود.
• در مبردهای Zeotropic، در طول تبخیر و تقطیر، دمای اشباع ثابت نمی‌ماند و تغییرات دمایی و فشاری رخ می‌دهد.
• استفاده از مبدل‌های حرارتی جریان مخالف (Counter-flow) کمک می‌کند که این تغییرات به حداقل برسند.
• در کندانسور، فرآیند باید تا مرحله مایع سرد (Sub-cool) ادامه پیدا کند تا از تبدیل کامل بخار به مایع اطمینان حاصل شود و راندمان سیستم بهینه گردد.
بروز مشکل در سیستم‌های دارای مبرد Zeotropic
یکی از مشکلاتی که در هنگام استفاده از مبردهای Zeotropic ممکن است رخ دهد، تجمع مبرد در بخش‌هایی از سیستم مانند مایع‌شکن‌ها، رسیورها و مخازن است. دلیل این مشکل، تبخیر غیریکنواخت اجزای مخلوط مبرد است. در مبردهای Zeotropic، همه اجزای تشکیل‌دهنده مخلوط هم‌زمان تبخیر نمی‌شوند؛ به همین دلیل، ممکن است برخی اجزا در مخازن باقی بمانند و باعث ایجاد اختلال در عملکرد سیستم شوند.
راهکار برای جلوگیری از این مشکل
• سیستم باید به‌گونه‌ای طراحی شود که تجمع مایع در بخش‌های مختلف به حداقل برسد.
• مبرد باید همواره در جریان باشد تا از تفکیک اجزا جلوگیری شود.
مشکل نشتی در سیستم‌های دارای مبرد Zeotropic
یکی دیگر از مشکلات مهم در سیستم‌های دارای مبرد Zeotropic، نشتی در بخش‌هایی مانند کندانسور و اواپراتور است. حتی پس از تعمیر نشتی، باز هم کارایی سیستم کاهش می‌یابد. دلیل این امر، جدا شدن اجزای سبک‌تر مخلوط از سیستم است.
ازآنجاکه مبردهای Zeotropic از چندین ترکیب با چگالی‌های مختلف تشکیل شده‌اند، در صورت نشتی، اجزای سبک‌تر که در فاز بخار قرار دارند، زودتر از سیستم خارج می‌شوند. درنتیجه، مبرد باقی‌مانده در سیستم دیگر همان ترکیب اولیه را نخواهد داشت و خواص ترمودینامیکی آن تغییر خواهد کرد که منجر به کاهش راندمان سیستم می‌شود.
• برای جلوگیری از مشکلات ناشی از تجمع مبرد، طراحی سیستم باید به‌گونه‌ای باشد که مایع در مخازن باقی نماند و همواره در جریان باشد.
• نشتی در سیستم Zeotropic، حتی پس از تعمیر، باعث کاهش عملکرد سیستم می‌شود؛ زیرا اجزای سبک‌تر مخلوط از بین می‌روند و ترکیب مبرد تغییر می‌کند.
• برای جلوگیری از این مشکل، باید کنترل‌های منظم برای جلوگیری از نشتی و شارژ صحیح مبرد در صورت نشت انجام شود.
نتیجه‌گیری
انتخاب مبرد مناسب در سیستم‌های سرمایشی و تهویه مطبوع نقش کلیدی در عملکرد، راندمان و طول عمر دستگاه دارد. مبردهای Azeotropic به دلیل داشتن یک نقطه جوش ثابت، رفتار پایدارتری دارند و عملکرد آنها مشابه مبردهای خالص است. از سوی دیگر، مبردهای Zeotropic که از ترکیب چند مبرد با خواص مختلف تشکیل شده‌اند، دارای نقطه جوش متغیر بوده و در طول تبخیر و تقطیر، تغییرات دمایی محسوسی را تجربه می‌کنند.
هرچند که مبردهای Zeotropic به دلیل ترکیب چندگانه خود، در برخی شرایط عملکرد بهینه‌تری نسبت به مبردهای Azeotropic دارند، اما استفاده از آنها چالش‌هایی را نیز به همراه دارد. به‌عنوان‌مثال، در صورت بروز نشتی، اجزای سبک‌تر این مبردها ممکن است سریع‌تر از سیستم خارج شوند که منجر به تغییر ترکیب شیمیایی مبرد و کاهش راندمان سیستم می‌شود. علاوه بر این، تغییر دمایی در فرآیند تبخیر و تقطیر می‌تواند باعث کاهش کارایی سیستم‌های سنتی تبرید شود، مگر اینکه طراحی مناسبی برای کاهش این اثرات در نظر گرفته شود.
برای رفع مشکلات مربوط به مبردهای Zeotropic، رعایت نکات زیر ضروری است :
✔ طراحی سیستم‌های تبریدی به‌گونه‌ای که از باقی‌ماندن مایع در مخازن جلوگیری شود.
✔ استفاده از مبدل‌های حرارتی Counter-flow برای بهینه‌سازی فرآیند انتقال حرارت.
✔ نظارت منظم بر سیستم جهت جلوگیری از نشتی و حفظ ترکیب صحیح مبرد.
✔ انجام شارژ صحیح مبرد برای اطمینان از حفظ نسبت اجزای تشکیل‌دهنده آن.
درنهایت، انتخاب بین Azeotropic و Zeotropic بستگی به شرایط عملیاتی، نوع کاربرد و الزامات سیستم دارد. درک صحیح از تفاوت‌های این دو نوع مبرد و رعایت اصول طراحی و نگهداری مناسب، می‌تواند منجر به افزایش کارایی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش طول عمر تجهیزات سرمایشی شود.