بخشی از مقاله
1- مقدمه Introduction
با توجه به آنچه كه در گزارش اول ، اسفند 1381 ( بررسي و چگونگي تعويض مبرد R-22 در چيلرهاي مجتمع پتروشيمي اصفهان) به آن اشاره شد و پروژههاي انجام شده در خصوصتعويضCFC ها در اين مجتمع، PROPOSAL حذف براي مبردهاي R-11 ، R-13 ، R-502 و R-12 صادر شده است و در طي سال گذشته و جاري دستگاههاي سبك مجتمـع كه با R-12 كار ميكردند ، در زمـان تعميرات و در واحد تهويه گاز آنها با مبرد R-134a با موفقيت تعويض شد كه در اين زمينه ميتوان به دو دستگاه آبسرد كن و دو دستگاه فريزر اشاره نمود.
واحد تهويه اميدوار است بتواند با انجام پروژه تعويض HCFC R-22 كه براي اولين بار در كشور در اين مجتمع انجام ميگيرد ، رسالت خود را در خصوص تعهدات زيست محيطي و پروتكل مونترال تكميل نموده و بدين ترتيب در كارنامة خود در خصوص RETROFIT تجربه جديد ( تعويض HCFC ها ) را به دستاوردهاي خود اضافه نمايد.
البته با توجه به تماسها و مكاتباتي كه از طريق اينترنت بعمل آمده است، از مبرد R-507 بجاي فرئون R-22 فقط در دستگاههاي سرد كنندهاي كه دماي آنها زير صفر است (LOW AND MEDIUM TEMPERATURE) استفاده ميشود و اين مسئله هم اخيراً و آنهم بصورت يك پروژة تحقيقاتي كه از طرف ASHRAE هزينه شده است ، عنوان گرديده و در واقع استفاده از R-507 بجاي R-22 در سيستمهاي سرد كننده با دماي بالاي صفر (HIGH TEMPERATURE) و آنهم به كمك BRINE ( ضد يخ – اتيلن گلايكول ) براي اولين بار در اين مجتمع صورت ميگيرد كه در صورت موفقيت علاوه بر تعويض HCFC ، مسئله بهينهسازي در مصرف انرژي نيز مدنظر قرار خواهد گرفت.
نكته : استفاده از گلايكول اتيلن و پائين آوردن دماي آب چيلر از 8°C به 1°C ، از سيستم ميتوان بعنوان ICE CHILLER STORAGE بهره برد. ( بايد در نظر داشت كه مكانيزمها و سيستمهاي بكار برده شده از نظر دما و فشار محدوديتي نداشته باشند )
استفاده از دستگاههاي ICE STORAGE در طراحيهاي جديد و آتي با دماي (1°C) 36°F علاوه بر بهينه كردن مصرف انرژي ، هزينههاي لولهكشي ، داكت و كانال كشي ، پمپها و وسايل برقي را بدليل كوچك شدن سايزشان كاهش داد.
2- مبردها Refrigerants
مبرد مادهايست كه با جذب حرارت از يك ماده و يا يك محيط و انتقال آن به محيط ديگر بصورت عامل خنك كننده عمل ميكند. در يك سيكل تراكمي تبخيري ، ماده مبرد با تبخير و تقطير تناوبي ، به ترتيب حرارت را در اواپريتور جذب و در كاندنسر دفع مينمايد.
مبرد ميبايستي داراي خواص شيميائي ، فيزيكي و ترموديناميكي ويژهاي باشد كه استفاده از آن مطمئن و از نظر اقتصادي به صرفه باشد.
البته مبردي وجود ندارد كه براي همه كاربردها مناسب باشد ، بهمين دليل ميبايستي در انتخاب يك مبرد شرايطي را در نظر گرفت كه بتواند نيازهاي يك كاربرد بخصوص را تأمين نمايد.
3- مبردهاي جايگزين و معيارهاي انتخاب
Retrofit Refrigerants & The Guide Lines Of Choise
با شرايط خاصي كه در سالهاي اخير براي كرة زمين ايجاد شده است ومسئله صدمه ديدن لاية اوزن ، سازمانهاي بينالمللي استفاده از HCFC ها را نيز همانند CFCها محدود و براي حذف (PHASE OUT) كردن آنها برنامه زمان بندي شدهاي را در نظر گرفتهاند و شركتهاي توليد كنندة اينگونه مواد سعي بر اين دارند كه جايگزينهاي مناسبي را توليد و در دسترس مشتريها و مصرف كنندهها قرار دهند.
البته همانگونه كه در گزارش اول به آن اشاره شده است واحد تهويه در نظر دارد كه مسئله بهينه سازي انرژي را در زمان تعويض و انتخاب مبرد جايگزين ، مد نظر قرار داده تا بدين ترتيب در كاهش مصرف سوختهاي فسيلي قدم مؤثري برداشته باشد. در نتيجه نسبت به تعويضهاي گذشته ميتوان اصل ششم يعني ارزيابي انرژي مصرفي را به پنج اصل گذشته اضافه نمود.
الف ) عملكرد Performance
ب) ايمني Safety
ج) اطمينان Reliability
د) ملاحظات زيست محيطي Environmental Consideration
هـ) ملاحظات اقتصادي Economic Consideration
و) مصرف انرژي Power Consumption
3-1- عملكرد Performance
ظرفيت برودتي (COOLING CAPACITY) ، ضريب عملكرد (COP) ، گرماي نهان تبخير مبرد ، چگالي گاز و نقطة جوش مبرد فاكتورهائي است كه عملكرد سيستم را مشخص مينمايد.
3-2- ايمني Safety
غير سمي بودن ، غير قابل اشتعال بودن و فشار كاركرد مبرد بعنوان مهمترين شاخصهاي ايمني مبرد در نظر گرفته ميشود.
3-3- اطمينان Reliability
پايداري شيميائي و سازش و تطابق آن با اجزاي مختلف سيستم و مخصوصاً با روغن كمپرسور يكي از ويژگيهاي مهم يك مبرد به حساب ميآيد. قابليت حل شدن مبرد در روغن آنهم در دماهاي كاركرد مختلف بايد مورد قبول بوده و در برگشت روغن به كارتل كمپرسور خللي بوجود نيايد.
3-4- ملاحظات زيست محيطي Environmental consideration
در انتخاب مبرد جايگزين دو فاكتور مهم زيست محيطي مدنظر است
1- پتانسيل تخريب لايه اوزن OZON DEPLETION POTENTAIL
2- پتانسيل گرمايش گلخانهاي GLOBAL WARMING POTENTAIL
3-5- ملاحظات اقتصادي Economic Consideration
با توجه به مقررات جديد EC REQULATION 2037/2000 واضح است كه در آيندهاي نزديك حذف و از رده خارج شدن CFC ها و بدنبال آنها HCFC ها حتمي است. در نتيجه علاوه بر گران شدن مبردهاي قديمي و نيز به سبب مقررات گمركي كه در واردات و صادرات اينگونه مواد در نظر گرفته شده است ، چنانچه در بازار هم يافت شوند ، بصورت قاچاق و گران خواهند بود ، علاوه بر اين ، انتخاب يك مبرد جايگزين نيز در بعضي مواقع ميتواند منجر به تعويض كامل كمپرسور ، روغن و يا تمام اتصالات لوله كشي شود بهمين دليل در انتخاب يك مبرد جايگزين ميبايستي مسائل اقتصادي و هزينهها را در نظر گرفت.
3-6- مصرف انرژي Power Consumption
با توجه به مقايسه دقيق خصوصيات مبردها و اطلاعاتي كه از طريق اينترنت دريافت شده است ميتوان با لحاظ كردن
1) COP Of Refrigerants
2) Surface Coefficient Of Heat Transfer Of Refrigerants
3) Surface Coefficient Of Heat Transfer Of Oils
و حلاليت روغنهاي POLYOIL ESTER كه نسبت به روغنهاي معدني و الكالين بنزني شرايط بهتري را دارا هستند ، مسئله مصرف انرژي به ازاي هر تن برودت را كاهش و بدين ترتيب علاوه بر انتخاب مبرد ايدهآل از نظر سازگاري آن با سيستم در بهينه كردن مصرف انرژي ميتوان اقدام نمود.
البته استفاده از گلايكول اتيلن بعنوان ضد يخ در آب چيلر اين فرصت را به صاحب دستگاه خواهد داد كه دماي آب چيلر را پائينتر آورده و زمان استراحت دستگاه را بيشتر نمايد. بديـن تـرتيـب تعـداد ON و OFF هـاي سيستـم در 24 ساعـت كاهش يافته و در ديماند و آمپرهاي راه اندازي كه خود باعث افزايش هزينههاي الكتريكي ميگردد ، صرفهجوئي نمايد.
4- انواع مبردها Kinds Of Refrigerants
بطور كلي مبردها ( مبردهاي قديم و جديد ) به سه دسته تقسيم ميشوند :
1- مادة خالص (SINGLE FLUID) مانند R-22 , R-134a
2- مخلوط آزئوتروپ (AZEOTROPIC) مانند R-502 , R-507
3- مخلوط زئوتروپ (ZEOTROPIC) مانند R-404 A , R-407 C
البته بهترين مبردها ، مبردهائي هستند كه از يك ماده خالص تشكيل شده باشند ( به دليل ايجاد دما و فشار ثابت در اواپريتور و كاندنسر ) ، ولي با توجه به موارد گوناگون و تنوع در كاربرد سيستمهاي تبريد ، استفاده از يك مبرد خالص (SINGLE FLUID) هميشه امكان پذير نبوده و با محدوديتهائي مواجه است اما لزوم جايگزيني (RETROFITTING) استفاده از مبردهاي مخلوط را هم اجتناب ناپذير مينمايد.
به دلايل زير انتخاب آزئوتروپها نسبت به زئوتروپها بعنوان جايگزين و تعويض مبردهاي تخريب كنندة لاية ازون بهتر است.
1- ضريب انتقال حرارت
2- دماي گلايد TEMPERATURE GLIDE
3- مسئله نشتي و تغيير در غلظت يكي از عناصر تشكيل دهندة مخلوط
از نظر ضريب انتقال حرارت آزئوتروپها از زئوتروپها بهتر عمل ميكنند همچنين در صورت نشتي ، در نسبت وزني عناصر تشكيل دهنده زئوتروپها تغييرات فاحشي ايجاد ميشود كه نهايتاً منجر به تغيير ضريب عملكرد (COP) دستگاه شده و حتي ممكن است نياز باشد كه كل گاز دستگاه تخليه و دوباره شارژ مجدد شود در صورتيكه آزئوتروپها در اين مورد تقريباً همانند مادة خالص عمل ميكنند ( بدليل صفر بودن و يا پائين بودن دماي گلايد )
- دماي گلايد TEMPERATURE GLIDE
برخلاف مادة خالص ، براي مخلوط ها دماي تبخير تعريف نميشود بلكه دماي ديگري بنام گلايد مورد مطالعه قرار ميگيرد چرا كه مخلوط از چند مادة مختلف با خصوصيات فيزيكي متفاوت تشكيل شده است و عمل تبخير و تقطير آنها در شرايط يكسان انجام نميگيرد. در نتيجه در موقع انتخاب مبردهاي مخلوط دماي گلايد را مدنظر قرار ميدهند.
اختلاف بين دماي نقطه حباب (BUBBLE POINT) و نقطه شبنم (DEW POINT) تحت فشار ثابت را دماي گلايد (TEMPERATURE GLIDE) ميگويند و هر چه اين دما كمتر باشد رفتار مادة مورد نظر به رفتار يك مادة خالص نزديكتر است و بهمين دليل در موقع انتخاب مبردهاي مخلوط ، اين دما ، نقش تعيين كننده دارد و آزئوتروپها از اين نظر بهتر ميباشند.
5- انتخاب مبرد جايگزين R-22 در مجتمع پتروشيمي اصفهان
الف) گزينههاي معرفي شده از طرف شركتهاي توليد كننده خارجي براي جايگزيني R-22 گازهاي R-407C و R-507 ميباشد كه البته گاز R-507 اخيراً بعنوان جايگزين در دستگاههائي كه دماي OPERATION آنها زير صفر ميباشد توصيه شده است. لذا واحد تهويه مجتمع در نظر دارد با اضافه كردن گلايكول اتيلن ( ضد يخ ) به آب چيلر از مبرد R-507 در دستگاههاي تهويه مطبوع بنا به دلايل زير استفاده نمايد :
1- دماي گلايد آن صفر است.
2- نسبت به R-407 C از ضريب انتقال حرارت بيشتري برخوردار است.
3- سازگاري با كمپرسورهاي COPELAND به دليل تجربه استفاده در سردخانه زير صفر
4- مصرف انرژي الكتريكي در اين سيستم كمتر خواهد بود
5- بدليل سرما سازي سريع R-507 و طولاني شدن OFF دستگاه ضايعات آن كمتر و عمر قطعات مكانيكي بيشتر خواهد شد.
6- بدليل اينكه دماي ديسچارج كمپرسور پائينتر است سالم ماندن روغن تضمين خواهد شد.
6- مبرد R-22
فرئون 22 يكي از مبردهاي فلوروكلر داريست كه در سطح وسيعي در سيستمهاي سرد كننده و تهويه مطبوع استفاده ميشود.
فرمول شيميائي آن CHCLF2 ميباشد. نقطه جوش آن در فشار يك آتمسفر -41.4°C است. گرماي نهان تبخير فرئون 22 در دماي 5°F برابر با 93.58 B.T.U/ lb ميباشد. محل نشت آن در سيستمها به كمك ليك ياب الكترونيكي ، چراغ هالايد و يا با كف صابون مشخص ميشود.
آثار زيست محيطي اين نوع مبرد تخريب لايه ازون و ميزان آن بين 0.01 تا 0.05 است. بدليل داشتن هيدروژن در فرمول شيميائي ميزان تخريب آن نسبت به R-12 كمتر است.
درمجتمعپتروشيمياصفهانازايننوعمبرد در سيستمهاي تهويه مطبوع (WATER CHILLER) كولرهاي گازي پنجرهاي ، سيستم سرد كنندة واحد ازت و در سيكل كمپرسور C-321 در واحد H.P.U. استفاده ميشود.
7- محاسبات سيستم سرد كننده ساختمان سايت آفيس در شرايط موجود با گاز R-22
7-1- محاسبات ترموديناميكي سيكل با مبرد R-22 ( سيكل ايدهآل)
سيكل مبرد R-22 را ميتوان در نمودار فشار – انتالپي (p-h) مطابق شكل زير نمايش داد. سيكل ، ايدهآل بوده و راندمان كمپرسور و افت فشار در لولهها در نظر گرفته نشده است. مقادير فشار و دما در نقاط مختلف سيكل براساس استاندارد تبريد تراكمي صورت ميگيرد. (مخصوص چيلرها)
فرآيندهاي مختلف در اين سيكل عبارتند از :
فرآيند 1-2 : تراكم بخار مبرد در كمپرسور كه در شرايط ايدهآل و بصورت آيزونتروپيك است.
فرآيند 2-3 : كاهش دماي مبرد در تحول فشار ثابت ( در لوله ديسچارج و كاندنسر)
فرآيند 3-4 : تقطير يا كاندنس كامل مبرد در يك تحول فشار و دما ثابت
فرآيند 4-5 : تحـول خفقان يا انتالپي ثابت كه در وسيله انبساطي صورت ميگيـرد (اكسپنشن ولو )
فرآيند 5-6 : تحول تبخير در اواپريتور (CHILLER) كه بصورت دما و فشار ثابت انجام ميگيرد.
فرآيند 6-1 : ناحيهسوپرهيت است كه در واقعبرايجلوگيري از صدمهرسيدن به كمپرسور ، بخار اشباع در اواپريتور را قبل از ورود به كمپرسور كمي گرم ميكنند تا بصورت بخار داغ (SUPERHEAT) وارد كمپرسور شود.
در محاسبة سيكل تبريد مورد نظر با مبرد R-22 و بصورت ايدهآل از دادههاي موجود در مركز اسناد و كاتالوگ شركت سازنده چيلر (CLIMAVENTA) استفاده شده است. البته لازم به ذكر است كه بار حرارتي كاندنسر در محاسبات انجام شده براساس اختلاف دماي 6 درجه (INLET 29°C , OUTLET 35°C) صورت گرفته است درصورتيكه طبق LOG SHEETهاي پيوست اختلاف دماي آب ورودي و خروجي كاندنسر چيزي در حدود 10 درجه است كه اين مسئله باعث افزايش ظرفيت كاندنسر خواهد شد. ( مشخصات فني و دادههاي سيستم در پايان گزارش پيوست ميباشد )
7-2- جزئيات محاسبات سيكل تبريد R-22 ( سيكل واقعي )
از آنجائي كه جريان سيال در دو مبدل كاندنسر و اواپريتور دو فازي ( اشباع SATURATION ) ميباشد ، افت فشار ناچيزي ايجاد مي شود كه تأثير آن در محاسبات قابل اغماض و ناچيز است. همچنين افت فشار لولههاي رابط نيز در موازنة حرارتي سيكل قابل چشمپوشي است.
و تنها عامل مهم در محاسبات سيكل بصورت واقعي ، راندمان ((ηC كمپرسور است.، كه ميبايستي در نظر گرفته شود.