تحليل أنواع المبردات للثلاجات والمجمدات

شهدت الثلاجات والمجمدات، كمعدات تخزين منخفضة الحرارة للاستخدام المنزلي والتجاري، تطورات مستمرة في اختيار مواد التبريد، تمحورت حول "كفاءة التبريد" و"متطلبات اللوائح البيئية". وتتوافق الأنواع والخصائص الرئيسية في مختلف المراحل بشكل كبير مع احتياجات المعدات.

الاتجاه السائد في وقت مبكر: استخدام مبردات الكلوروفلوروكربون "ذات الكفاءة العالية ولكن الضرر الكبير"

من خمسينيات إلى تسعينيات القرن الماضي، كان R12 (ثنائي كلورو ثنائي فلورو الميثان) هو المبرد السائد. من حيث قابلية تكيف المعدات، طابقت خصائصه الحرارية الديناميكية تمامًا احتياجات التخزين في درجات حرارة منخفضة - فمع درجة حرارة تبخر قياسية تبلغ -29.8 درجة مئوية، كان قادرًا على تلبية متطلبات درجة حرارة حجرات حفظ النضارة في الثلاجة (0-8 درجات مئوية) وحجرات التجميد (أقل من -18 درجة مئوية). علاوة على ذلك، تمتع بثبات كيميائي قوي للغاية وتوافق ممتاز مع أنابيب النحاس والأغلفة الفولاذية وزيوت التشحيم المعدنية داخل الثلاجات، ونادرًا ما يسبب التآكل أو انسداد الأنابيب، ويمكنه ضمان عمر خدمة المعدات لأكثر من 10 سنوات.

تبلغ قيمة قدرة استنفاد الأوزون لغاز R12 1.0 (معيار لإمكانية استنفاد الأوزون) وقيمة إمكانية الاحترار العالمي (GWP) حوالي 8500، مما يجعله غازًا دفيئًا قويًا. مع دخول بروتوكول مونتريال حيز التنفيذ، حُظر الاستخدام العالمي لغاز R12 في المُجمدات المُنتجة حديثًا تدريجيًا منذ عام 1996. حاليًا، لا تزال بعض المعدات القديمة فقط تحتوي على بقايا من هذه المُبردات، وتواجه معضلة عدم وجود مصادر بديلة أثناء الصيانة.

مرحلة الانتقال: حدود "الاستبدال الجزئي" بمبردات مركبات الهيدروكلوروفلوروكربون

لسدِّ الفراغ التدريجي لمادة R12، استُخدمت مادة R22 (ثنائي فلورو مونوكلور الميثان) لفترة وجيزة في بعض المُجمِّدات التجارية (مثل مُجمِّدات متاجر البقالة الصغيرة). تكمن ميزتها في أن أدائها الديناميكي الحراري يُقارب أداء مادة R12، دون الحاجة إلى تعديلات جوهرية في تصميم ضاغط المُجمِّد أو خط الأنابيب، كما أن قيمة استنفاد الأوزون (ODP) الخاصة بها مُنخفضة إلى 0.05، مما يُضعف قدرتها على استنفاد الأوزون بشكل كبير.

ومع ذلك، فإن عيوب R22 واضحة أيضًا: فمن ناحية، تبلغ قيمة GWP حوالي 1810، وهي لا تزال تنتمي إلى غازات الاحتباس الحراري العالية، وهو ما لا يتوافق مع توجهات حماية البيئة على المدى الطويل؛ ومن ناحية أخرى، فإن كفاءة التبريد (COP) لـ R22 أقل من كفاءة R12، مما سيؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة بنسبة 10%-15% تقريبًا عند استخدامه في الثلاجات المنزلية، ولذلك لم يصبح R22 الخيار السائد في الثلاجات المنزلية. ومع تسارع التخلص العالمي من مبردات مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية في عام 2020، انسحب R22 بشكل كبير من استخدامات الثلاجات والمجمدات.

أولاً: المبردات السائدة حاليًا: التكيف مع سيناريوهات محددة لمركبات الكربون الهيدروفلورية والأنواع ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي

في الوقت الحالي، يُظهر اختيار المبردات للثلاجات في السوق خصائص "التمييز بين الاستخدام المنزلي والتجاري، والتوازن بين حماية البيئة والتكلفة"، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى نوعين رئيسيين، تتكيف مع الاحتياجات الوظيفية للمعدات المختلفة:

1. المجمدات الصغيرة: "هيمنة مستقرة" للمبردات

يُعدّ R134a (رباعي فلورو الإيثان) أكثر مواد التبريد شيوعًا في الثلاجات الحالية (خاصةً الموديلات التي تقل سعتها عن 200 لتر)، حيث يُشكّل أكثر من 70% من احتياجات التبريد. تتجلى مزاياه الرئيسية في ثلاثة جوانب: أولًا، يُلبي معايير حماية البيئة، بقيمة ODP صفر، مما يُقلّل تمامًا من خطر تلف طبقة الأوزون ويُطابق المتطلبات الأساسية للوائح البيئية العالمية؛ ثانيًا، أداؤه الديناميكي الحراري مناسب، مع درجة حرارة تبخر قياسية تبلغ -26.1 درجة مئوية، والتي، مع ضاغط الثلاجة عالي الكفاءة، يُمكنها تحقيق درجة حرارة حجرة التجميد بثبات من -18 درجة مئوية إلى -25 درجة مئوية، كما أن كفاءته في التبريد (COP) أعلى بنسبة 8%-12% من R22، مما يُقلّل من استهلاك الطاقة للمعدات؛ ثالثًا، يتميز بسلامة موثوقة، وينتمي إلى فئة مبردات A1 ​​(غير سامة وغير قابلة للاشتعال)، حتى في حالة حدوث تسرب طفيف، فلن يسبب مخاطر أمنية على البيئة العائلية، كما أنه متوافق جيدًا مع الأجزاء البلاستيكية وزيت التشحيم للضاغط داخل الثلاجة، مع معدل فشل منخفض.

بالإضافة إلى ذلك، تستخدم بعض الثلاجات المنزلية متوسطة وعالية الجودة R600a (أيزوبيوتان، هيدروكربون) - وهو مبرد طبيعي، تبلغ قيمة استنفاد الأوزون فيه 0 وقيمة احتمال الاحترار العالمي فيه 3 فقط، مع أداء بيئي أفضل بكثير من R134a، وكفاءته في التبريد أعلى بنسبة 5%-10% من R134a، مما يُقلل استهلاك الطاقة بشكل أكبر. مع ذلك، ينتمي R600a إلى مبردات الفئة A3 (شديدة الاشتعال)، وعندما يصل تركيزه الحجمي في الهواء إلى 1.8%-8.4%، فإنه ينفجر عند تعرضه للهب المكشوف. لذلك، يقتصر استخدامه فقط على الثلاجات المنزلية (كمية الشحن محدودة بدقة إلى 50-150 جرام، أقل بكثير من المعدات التجارية)، ويجب أن تكون الثلاجة مجهزة بأجهزة كشف تسرب (مثل أجهزة استشعار الضغط) وضواغط مقاومة للانفجار، بتكلفة أعلى بنسبة 15٪ -20٪ من طرازات R134a، لذلك لم يتم تعميمها بالكامل.

2. المجمدات التجارية / الثلاجات الكبيرة: "الاختراق التدريجي" لمبردات ذات قدرة احترار عالمي منخفضة

تتطلب المُجمِّدات التجارية (مثل مُجمِّدات السوبر ماركت المُصمَّمة على شكل جزيرة) متطلبات أعلى فيما يتعلق بـ"حماية البيئة" و"كفاءة التبريد" للمواد المُبرِّدة، نظرًا لسعتها الكبيرة (عادةً ما تزيد عن 500 لتر) وحمل التبريد العالي. حاليًا، تُقسَّم الخيارات الشائعة إلى فئتين:

(1) مخاليط مركبات الكربون الهيدروفلورية: "التكيف مع الحمل العالي" لمادة R404A

يُعدّ R404A (مزيج من خماسي فلورو الإيثان، وثنائي فلورو الميثان، ورباعي فلورو الإيثان) المُبرّد الرئيسي في المُجمّدات التجارية منخفضة الحرارة (مثل مُجمّدات التجميد السريع عند درجة حرارة -40 درجة مئوية)، حيث يُشكّل حوالي 60% من مُكوّناته. يمتاز بأداء تبريد ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة - فعند درجة حرارة تبخر -40 درجة مئوية، تكون سعة التبريد أعلى بنسبة 25%-30% من سعة R134a، مما يُمكّنه من تلبية احتياجات التخزين في درجات الحرارة المنخفضة للمُجمّدات بسرعة؛ وهو يُصنّف ضمن مُجمّدات الفئة A1 (غير سامة وغير قابلة للاشتعال)، مع شحنة تصل إلى عدة كيلوغرامات (تتجاوز بكثير شحنة الثلاجات المنزلية)، دون القلق بشأن مخاطر الاشتعال، مُتكيّفًا مع تشغيل المُجمّدات الكبيرة بأحمال عالية.

ومع ذلك، فقد برزت تدريجيًا عيوب حماية البيئة في غاز R404A. تصل قيمة مؤشر الاحترار العالمي (GWP) الخاص به إلى 3922، مما يجعله من غازات الاحتباس الحراري العالية. حاليًا، أصدر الاتحاد الأوروبي ومناطق أخرى لوائح لتقييد استخدامه (مثل حظر استخدام المبردات التي تزيد قيمة مؤشر الاحترار العالمي لها عن 2500 في المجمدات التجارية المنتجة حديثًا بعد عام 2022). لذلك، يتم استبدال R404A تدريجيًا بمبردات ذات مؤشر منخفض للاحترار العالمي.

(2) الأنواع ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي: "البدائل البيئية" لـ R290 وCO₂

على خلفية اللوائح البيئية المشددة، أصبح R290 (البروبان) وCO₂ (R744) خيارات ناشئة للمجمدات التجارية، تتكيف مع احتياجات مختلفة في سيناريوهات مختلفة:

R290 (البروبان)يُستخدم بشكل رئيسي في المجمدات التجارية الصغيرة (مثل المجمدات الأفقية في المتاجر). تبلغ قيمة ODP الخاصة به 0، وقيمة GWP حوالي 3، مع حماية بيئية قوية للغاية؛ وكفاءة التبريد الخاصة به أعلى بنسبة 10%-15% من R404A، مما يُقلل من استهلاك الطاقة التشغيلي للمجمدات التجارية (تعمل المعدات التجارية لأكثر من 20 ساعة يوميًا، وتُمثل تكاليف استهلاك الطاقة نسبة عالية). ومع ذلك، ينتمي R290 إلى فئة A3 من المبردات (شديدة الاشتعال)، ويجب التحكم بدقة في كمية الشحن في حدود 200 غرام (لذا فهو يقتصر على المجمدات الصغيرة فقط). بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يعتمد المجمد على ضواغط مقاومة للانفجار، وأنابيب مانعة للتسرب (مثل أنابيب سبائك النحاس والنيكل)، وتصميمات تهوية وتبديد الحرارة. حاليًا، تجاوزت نسبته في مجمدات المتاجر الأوروبية 30%.

ثاني أكسيد الكربون (R744)يُستخدم بشكل رئيسي في المُجمِّدات التجارية ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية (مثل مُجمِّدات العينات البيولوجية عند درجة حرارة -60 درجة مئوية). تبلغ درجة حرارة تبخره القياسية -78.5 درجة مئوية، مما يُتيح تخزينًا في درجات حرارة منخفضة للغاية دون الحاجة إلى نظام تبريد مُتتالي مُعقَّد؛ وله قيمة استنفاد الأوزون 0 وقيمة احتمالية الاحترار العالمي 1، مع حماية بيئية لا غنى عنها، وهو غير سام وغير قابل للاشتعال، ويتمتع بسلامة أفضل من R290. مع ذلك، يتميز ثاني أكسيد الكربون بدرجة حرارة حرجة منخفضة (31.1 درجة مئوية). عندما تتجاوز درجة الحرارة المحيطة 25 درجة مئوية، يلزم استخدام تقنية "الدورة فوق الحرجة"، مما يؤدي إلى ارتفاع ضغط ضاغط المُجمِّد إلى 10-12 ميجا باسكال، مما يتطلب استخدام أنابيب من الفولاذ المقاوم للصدأ عالي القوة وضواغط مقاومة للضغط العالي، بتكلفة أعلى بنسبة 30%-40% من تكلفة مُجمِّدات R404A. لذلك، يتم استخدامه حاليًا بشكل أساسي في السيناريوهات ذات المتطلبات العالية للغاية لحماية البيئة ودرجات الحرارة المنخفضة (مثل المجمدات المستخدمة في الأبحاث الطبية والعلمية).

ثانيًا: الاتجاهات المستقبلية للمبردات: انخفاض احتمالية الاحترار العالمي وارتفاع مستوى السلامة يُصبحان توجهين أساسيين

وبالتزامن مع اللوائح البيئية العالمية (مثل لائحة غازات الفلور في الاتحاد الأوروبي، وخطة تنفيذ بروتوكول مونتريال في الصين) وتحديثات تكنولوجيا المعدات، فإن مبردات الثلاجات والمجمدات ستظهر ثلاثة اتجاهات رئيسية في المستقبل:

ثلاجات منزليةمع تطور تقنيات منع التسرب والانفجار (مثل شرائط الختم الجديدة وأجهزة قطع التسرب التلقائية)، ستنخفض تكلفة R600a تدريجيًا (من المتوقع أن تنخفض بنسبة 30% خلال السنوات الخمس المقبلة)، وستبرز مزاياه البيئية العالية وكفاءة التبريد العالية. ومن المتوقع أن تتجاوز نسبة R600a في الثلاجات المنزلية 50% بحلول عام 2030، ليحل محل R134a كخيار رئيسي.

المجمدات التجارية: "التطوير المزدوج المسار" لمخاليط ثاني أكسيد الكربون ومركبات الهيدروفلوروكربون - بالنسبة للمجمدات التجارية ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية (أقل من -40 درجة مئوية)، سيستمر النضج الفني لثاني أكسيد الكربون في التحسن (مثل ضواغط الدورة الحرجة عالية الكفاءة)، وستنخفض التكلفة تدريجيًا، مع توقع أن تتجاوز النسبة 40٪ بحلول عام 2028؛ بالنسبة للمجمدات التجارية ذات درجات الحرارة المتوسطة (-25 درجة مئوية إلى -18 درجة مئوية)، سيصبح R454C (مزيج من HFOs وHFCs، GWP ≈ 466) هو السائد، مع أداء تبريد قريب من R404A، وينتمي إلى مبردات الفئة A2L (سمية منخفضة وقابلية اشتعال منخفضة)، مع عدم وجود قيود صارمة على كمية الشحن، وموازنة الحماية البيئية والعملية.

معايير السلامة المحسنةمن "الحماية السلبية" إلى "المراقبة النشطة" - بغض النظر عن المعدات المنزلية أو التجارية، سيتم تجهيز أنظمة التبريد المستقبلية عمومًا بوظائف "مراقبة التسرب الذكية + المعالجة التلقائية للطوارئ" (مثل أجهزة استشعار التسرب بالليزر للثلاجات المنزلية وأجهزة إنذار التركيز وأجهزة ربط التهوية للمجمدات التجارية)، وخاصة بالنسبة للمبردات القابلة للاشتعال مثل R600a وR290، للقضاء على المخاطر المحتملة على السلامة من خلال الوسائل التقنية وتعزيز الترويج الشامل للمبردات ذات الاحتباس الحراري العالمي المنخفض.

ثالثًا. أولوية مطابقة السيناريوهات الأساسية

بالنسبة لاحتياجات المستخدمين المختلفين، يمكن اتباع المبادئ التالية عند اختيار مبردات الثلاجة:

المستخدمون المنزليون: تُعطى الأولوية لطرازات R600a (مع مراعاة الحفاظ على البيئة وتوفير الطاقة). إذا سمحت الميزانية (بسعر أعلى من طرازات R134a بـ 200-500 يوان)، تُعطى الأولوية للثلاجات التي تحمل علامة "مبرد R600a". استهلاكها للطاقة أقل بنسبة 8%-12% من طرازات R134a، وهي أكثر صداقة للبيئة. بعد الشراء، يُنصح بتجنب اقتراب الجزء الخلفي من الثلاجة (حيث يوجد الضاغط) من اللهب المكشوف، والتحقق بانتظام من إحكام غلق الباب للحد من خطر التسرب.

المستخدمون التجاريون:اختر وفقًا لاحتياجات درجة الحرارة (موازنة التكلفة وحماية البيئة) - يمكن للمجمدات متوسطة الحرارة (مثل مجمدات متاجر التجزئة) اختيار طرازات R290، مع تكاليف استهلاك طاقة تشغيلية أقل على المدى الطويل؛ بالنسبة للمجمدات ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية (مثل معدات التجميد السريع)، إذا كانت الميزانية كافية، يتم تفضيل نماذج CO₂، والتي تتوافق مع اتجاه اللوائح البيئية وتجنب خطر التخلص التدريجي في المستقبل؛ إذا كانت حساسية التكلفة على المدى القصير تشكل مصدر قلق، فيمكن اختيار طرازات R454C كعملية انتقالية، وموازنة الأداء وحماية البيئة.

الصيانة والاستبدالتأكد من مطابقة نوع سائل التبريد الأصلي بدقة - عند صيانة الثلاجات والمجمدات القديمة، لا تستبدل نوع سائل التبريد عشوائيًا (مثل استبدال R134a بـ R600a)، لأن كل سائل تبريد له متطلبات مختلفة من زيت تشحيم الضاغط وضغط الأنابيب. قد يؤدي الاستخدام المختلط إلى تلف الضاغط أو تعطل نظام التبريد. من الضروري التواصل مع فنيين متخصصين لإضافة سائل التبريد وفقًا للنوع الموضح على لوحة اسم الجهاز.