تأثیر نوع مبرد بر راندمان کمپرسور پیستونی بیتزر

مقدمه

نوع مبرد یکی از عوامل تعیین‌کننده در عملکرد و راندمان یک کمپرسور پیستونی است. خواص ترمودینامیکی مبرد (نمودار فشار-دما، چگالی، ظرفیت حرارتی نهان، گِلیو/غیرآزئوتروپ بودن، ویسکوزیته و سازگاری با روغن) مستقیماً روی:

• نسبت تراکم (compression ratio)،
• دمای گاز تخلیه (discharge temperature)،
• جریان جرمی و در نتیجه ظرفیت حجمی (volumetric capacity)،
• مصرف برق و COP،
• و نیز رفتار روغن و برگشت روغن به کارتل تأثیر می‌گذارد.

پارامترهای مبرد که بیشترین اثر را روی کمپرسور دارند

 1. منحنی P-T (فشار در برابر دما)

هر مبرد در یک دمای معین، فشار اشباع مشخصی دارد. فشار‌هایِ مکش و دهشِ کمپرسور که از روی شرایط تبخیر/کندانس‌ شدن حاصل می‌شوند، تعیین‌کنندهٔ نسبت تراکم و کار مکانیکی مورد نیاز کمپرسور هستند. بنابراین مبردهایی با فشار کندانس بالاتر یا فشار تبخیر متفاوت، نیاز به کار مکانیکی (و در نتیجه مصرف برق) متفاوتی ایجاد می‌کنند.

 2. ظرفیت حجمی (Volumetric capacity / چگالی بخار)

مبردهایی با چگالی بخار بالاتر (در شرایط مشابه) حمل جرمی بیشتری را در یک حجم مشخص ممکن می‌سازند؛ یعنی برای یک دور موتور، «برودت بیشتری» جابجا می‌شود. این پارامتر تعیین می‌کند که برای یک بار مشخص چه حجم کمپرسور (displacement) یا چه سرعتی لازم است. R404A / R507 معمولاً در دماهای پایین، جریان جرمی و ظرفیت حجمی بالاتری نسبت به R134a دارند.

 3. نسبت تراکم و دمای تخلیه

نسبت فشار تخلیه به مکش (pressure ratio) با افزایش نسبت، کار فشرده‌سازی و دمای تخلیه بالا می‌رود — دمای تخلیه بالا می‌تواند روی روغن، یاتاقان‌ها و عایق سیم‌پیچی موتور اثر منفی بگذارد و عمر قطعات را کم کند. انتخاب مبردی که نسبت تراکم را کاهش دهد (در همان شرایط کاری) می‌تواند به بهبود عمر کمپرسور کمک کند.

 4. سازگاری با روغن و ویسکوزیته

بعضی مبردها با روغن‌های معدنی یا POE سازگاری متفاوتی دارند. بیتزر در دیتاشیت‌هایش توصیه‌های مشخصی برای نوع روغن بسته به مبرد دارد — مثلاً برای R22 نوع روغن و برای HFCها (R134a, R404A, R507) انواع POE/BSE توصیه می‌شود. سازگاری نامناسب روغن و مبرد باعث مشکلات برگشت روغن، تغییر ویسکوزیته و کاهش روانکاری می‌شود.

 5. گِلیو (Glide) در بِلِندها / رفتار غیرآزئوتروپیک

بعضی بِلِندها (مثلاً R404A) دارای کمی گلیو هستند و برخی (مثل R507) نزدیک به آزئوتروپیک یا آزئوتروپیک‌اند. گلیو می‌تواند در تبرید‌های تحت تغییر (چرخه شارژ/نشتی/ترمیم) باعث تغییر ترکیب و افت ظرفیت نسبت به حالت اولیه شود و در مواردی نیاز به شارژ مایع دارد تا فِراکشنیشن رخ ندهد. این رفتار توزیع دما و نقطهٔ تبخیر موضعی را تغییر می‌دهد و روی عملکرد سیستم اثر می‌گذارد.

نگاه دقیق‌تر: مقایسهٔ مبردها (R22, R134a, R404A, R507) و پیامد برای کمپرسور بیتزر

R22 (HCFC) — ویژگی‌ها و اثرات عملی

• ویژگی‌ها: HCFC، فشار/دمای کار قابل‌قبول و سابقهٔ طولانی در سردخانه و تهویه؛ اما به‌دلیل ODP و قوانین محیط‌زیستی رو به حذف است.
• تأثیر روی کمپرسور: در بسیاری از شرایط R22 نسبت تراکم و دمای تخلیه‌ای در سطح متوسط تولید می‌کند، ولی مطالعات نشان داده‌اند که R22 در برخی شرایط دمای تخلیه بالاتری دارد (که می‌تواند استرس حرارتی روی کمپرسور ایجاد کند). برای R22 بیتزر نوع روغن مخصوص (مثلاً B5.2 در بعضی دیتاشیت‌ها) را ذکر می‌کند؛ بنابراین مراقبت از سازگاری روغن ضروری است.

 R134a — ویژگی‌ها و اثرات عملی

• ویژگی‌ها: HFC تک‌کامپوننت، COP خوب در شرایط دمایی متوسط؛ در چیلرهای متوسط-بالا کاربرد گسترده دارد.
• تأثیر روی کمپرسور: در بسیاری از مطالعات R134a در شرایط مرجع COP بهتری نسبت به R404A نشان داده، اما رفتار دمای تخلیه وابسته به شرایط کاری است و در برخی مطالعات دمای تخلیه R134a بالاتر از R404A گزارش شده — بنابراین نمی‌توان حکم کلیِ واحدی داد؛ باید بر اساس دمای تبخیر/کندانس و نمودار عملکرد کمپرسور تصمیم گرفته شود. بیتزر در کاتالوگ‌هایش پشتیبانی و تنظیمات خاصی برای R134a قید کرده است.

 R404A — ویژگی‌ها و اثرات عملی

• ویژگی‌ها: بِلِند سه‌جزئی (R125/R143a/R134a)؛ برای کاربردهای دمای پایین/متوسط طراحی شده و در یخچال‌های فریزر تجاری بسیار مرسوم بوده است.
• تأثیر روی کمپرسور: R404A به‌خاطر چگالی بخار بالاتر در شرایط پایین دما ظرفیت حجمی بیشتری فراهم می‌کند (برای همان دور موتور، برودت بیشتری نقل و انتقال می‌یابد)؛ این یعنی می‌توان از کمپرسور با displacement کمتر یا سرعت کمتر استفاده کرد تا همان ظرفیت حاصل شود. در عوض COP در برخی شرایط پایین‌تر از R134a است (به‌خصوص در دماهای میانه) و دمای تخلیه معمولاً در محدوده‌ای مطمئن برای کمپرسور قرار دارد. با این حال بِلِندها نیاز به شارژ مایع هنگام سرویس دارند تا fractionation رخ ندهد.

 R507 — ویژگی‌ها و اثرات عملی

• ویژگی‌ها: مخلوط آزئوتروپیک R125/R143a (معمولاً 50/50) — خواص نزدیک به R404A، اما آزئوتروپیک بودن باعث پایداری ترکیب در چرخه می‌شود.
• تأثیر روی کمپرسور: گزارش‌ها نشان می‌دهند R507 در برخی شرایط نسبت به R22 و R404A دارای ظرفیت حجمی برابر یا اندکی بالاتر است و تغییر ترکیب کمتری در اثر نشتی/شارژهای مکرر دارد؛ به عبارت ساده‌تر، عملکرد پایدارتر از نظر ترکیبِ بِلِند و ظرفیت ارائه می‌دهد. همچنین برای مبردهای HFC مانند R507 بیتزر نوع روغن POE/ BSE را مشخص می‌کند.

پیامدهای عملی برای کمپرسورهای پیستونی بیتزر (چه چیزهایی را باید در طراحی/عملیات در نظر گرفت)

 1 — انتخاب مبرد = انتخاب بازده و ابعاد کمپرسور

اگر سیستم شما با R404A/R507 کار کند، ممکن است به جا گذاشتن ظرفیت حجمی کمتر یا دور موتور پایین‌تر برای همان سطح برودت ممکن باشد؛ اما اگر با R134a کار می‌کنید و نیاز به ظرفیت بالا در دماهای پایین دارید، ممکن است مجبور شوید از کمپرسور با displacement بزرگ‌تر استفاده کنید. این یعنی انتخاب مبرد باید از مرحلهٔ مهندسی بار (load calculation) شروع شود و دیتاشیت کمپرسور (capacity maps) برای مبرد انتخابی بررسی شود.

 2 — دمای تخلیه و گرم‌شدن روغن

مبردهایی که نسبت تراکم یا دمای تخلیه بالاتری تولید می‌کنند می‌توانند روغن را گرم‌تر کنند؛ بالا رفتن دمای روغن روی ویسکوزیته و روانکاری تأثیر منفی دارد و ممکن است نیاز به یخچال روغن (oil cooler) یا تزریق مایع (liquid injection) باشد تا دمای گاز تخلیه کاهش یابد و عمر کمپرسور حفظ شود.

 3 — انتخاب روغن و نگهداری روغن

برای مبردهای HFC معمولاً روغن‌های POE یا BSE توصیه می‌شوند؛ برای R22 (HCFC) روغن‌های معدنی خاصی استفاده می‌شد. هنگام تغییر مبرد یا تعمیرات دقت کنید روغن در مدار باقیمانده با مبرد جدید سازگار باشد؛ اختلاط روغن‌های متفاوت یا باقی‌ماندن روغن نامتناسب می‌تواند باعث کاهش روانکاری و آسیب شود. دیتاشیت‌های بیتزر توصیهٔ صریح برای نوع روغن هر مبرد را دارد.

 4 — تاثیر بِلِندها و گلیو (شارژ صحیح)

برای بلندهای غیرازئوتروپیک (دارای glide) باید شارژ را معمولاً در فاز مایع انجام داد و حواس‌تان به fractionation در صورت نشت/شارژهای مکرر باشد؛ تغییر ترکیب می‌تواند ظرفیت و فشارها را تغییر دهد و در نتیجه عملکرد کمپرسور متاثر شود. R507 به‌علت آزئوتروپیک بودن مشکل ترکیب کمتری نسبت به R404A در شرایط نشتی/شارژ دارد.

نکات اجرایی و توصیه‌های عملی برای مهندسان و اپراتورها

1. مستندات بیتزر را مبنا قرار دهید: قبل از انتخاب مبرد یا تعویض مبرد در یک سیستم موجود، دیتاشیت و توصیهٔ سازندهٔ کمپرسور را چک کنید (Bitzer فهرستی از مبردهای پشتیبانی‌شده و روغن‌های پیشنهادی دارد).
2. تحلیل بار و مقایسه ظرفیت با مبردهای مختلف: از نمودار ظرفیت کمپرسور (performance map) برای مبرد انتخابی استفاده کنید تا بدانید آیا displacement/سرعت فعلی کافی است یا باید تغییراتی اعمال شود.
3. مراقب دمای تخلیه و روغن باشید: در صورت افزایش دمای تخلیه پس از تعویض مبرد، با استفاده از خنک‌کن روغن، liquid injection یا تغییر تنظیمات راه‌اندازی، دما را کنترل کنید.
4. از روغن مناسب استفاده کنید و آن را آنالیز کنید: برای مبرد جدید روغن مناسب انتخاب و پس از راه‌اندازی نمونه‌برداری روغن و آنالیز (oil analysis) انجام دهید تا آلودگی یا اسیدیته مشخص شود.
5. اگر retrofit مدنظر است، ریسک‌ها را بسنجید: تغییر مبرد در یک سیستم قدیمی (مثلاً از R22 به R404A یا R134a) نیازمند بررسی کامل اجزا، شیرها، فیلترها و تطبیق روغن است و ممکن است نیاز به تعویض قطعات باشد

نتیجه‌گیری خلاصه

• نوع مبرد به‌طور مستقیم بر نسبت تراکم، دمای تخلیه، ظرفیت حجمی و در نتیجه مصرف برق و عمر کمپرسور تأثیر می‌گذارد
• R404A و R507 در دماهای پایین ظرفیت حجمی بالاتری نسبت به R134a دارند؛ اما R134a در بسیاری از شرایط COP بالاتری نشان می‌دهد. انتخاب بین آن‌ها باید براساس دمای تبخیر/کندانس و هدف عملکرد (ظرفیت یا کارایی) انجام شود.
• سازگاری روغن و نیازهای سرویس (شارژ مایع، اجتناب از fractionation) را دست‌کم نگیرید — بیتزر در دیتاشیت‌ها راهنمای روغن و مجازیت هر مبرد را مشخص کرده است.