آمونیـاک (R-717) به‌عنوان یک مبرد طبیعی با تاریخچه‌ای بیش از یک سده، هنوز یکی از گزینه‌های برتر در سردخانه‌های صنعتی بزرگ است. در این مقاله تاریخچه، عملکرد، اجزا، مزایا و معایب و مقایسه آن با سیستم‌های فریونی به‌صورت ساخت‌یافته ارائه شده است.
آمونیاک که نخستین‌بار در سال 1823 سنتز شد، اولین استفاده‌اش به‌عنوان مبرد به سال 1858 بازمی‌گردد؛ زمانی که فردیناند کاره (Ferdinand Carré) مهندس و مخترع فرانسوی، یک سامانه‌ی تبرید جذبی با تولید یخ طراحی کرد. در دستگاه کاره از محلول آبی آمونیاک استفاده می‌شد، به‌طوری‌که آب نقش جاذب و آمونیاک نقش مبرد را ایفا می‌کرد. این نوع سامانه‌های تبرید جذبی هنوز هم در حال استفاده هستند.
پس از آن، استفاده از آمونیاک در سامانه‌های تراکمی بخار گسترش یافت. در سال 1873، دیوید بویل (David Boyle) یک کارخانه تولید یخ در جفرسون، تگزاس راه‌اندازی کرد که در آن از طراحی بهبودیافته‌ی کمپرسور استفاده شده بود. او بعدها در سال 1878 شرکت Boyle Ice Machine Co. را در شیکاگو، ایلینوی تأسیس کرد. همچنین با حمایت مالی چندین کارخانه آبجوسازی، پروفسور کارل فون لینده (Carl von Linde) از مونیخ، آلمان، بین سال‌های 1875 تا 1881 تعداد 30 دستگاه یخ‌ساز با طراحی خود ساخت.
اولین تولید تجاری آمونیاک سنتزی در سال ۱۹۱۳ آغاز شد. تولید سالانه جهانی آمونیاک حدود ۱۳۵ میلیون تن متریک است که از این مقدار، در سال ۲۰۱۱ تقریباً ۴/۹ میلیون تن در ایالات متحده تولید شد. بیش از ۸۰٪ آمونیاک تولیدی در کشاورزی به‌عنوان کود مصرف می‌شود، درحالی‌که کمتر از ۲٪ آن به‌عنوان مبرد استفاده می‌شود (ASHRAE 2017).
از میان سه مبرد اولیه‌ی نسل اول که در دهه‌ی 1920 به کار می‌رفتند، آمونیاک (R-717) کلرومتان (R-40) و دی‌اکسید گوگرد (R-764)تنها آمونیاک است که همچنان به‌عنوان مبرد استفاده می‌شود. آمونیاک یک مبرد طبیعی به‌شمار می‌رود، زیرا ترکیبی رایج و موجود در طبیعت است و به‌طور طبیعی به هیدروژن و نیتروژن تجزیه می‌شود.
با توجه به ویژگی‌های یادشده، آمونیاک همچنان یکی از پایدارترین و کارآمدترین مبردها برای سردخانه‌های صنعتی محسوب می‌شود. بازده بالای ترمودینامیکی، هزینه پایین، و سازگاری با محیط زیست باعث شده است که در سردخانه‌های نگهداری گوشت، ماهی، لبنیات و همچنین در انبارهای توزیع مواد غذایی منجمد، به‌طور گسترده از سیستم‌های تراکمی آمونیاکی استفاده شود. علاوه بر این، به دلیل گستره‌ی وسیع دمای کاری (از بالای صفر تا دماهای بسیار پایین زیر صفر)، آمونیاک امکان ایجاد چندین سطح دمایی در یک سردخانه را فراهم می‌کند. به همین دلیل، سردخانه‌های آمونیاکی همچنان انتخاب اول صنایع غذایی و کشاورزی در مقیاس بزرگ هستند.
کمپرسورهای قابل استفاده در سامانه‌های تک‌مرحله‌ای و چندمرحله‌ای عبارت‌اند از:
کمپرسور رفت و برگشتی (Compressors Reciprocating)
کمپرسور اسکرو (Screw Compressors)
کمپرسور رفت و برگشتی متداول‌ترین نوع کمپرسور در سامانه‌های کوچک، با ظرفیت ۷۵ کیلووات یا کمتر، در حالت تک‌مرحله‌ای یا چندمرحله‌ای است. در مقابل، کمپرسور اسکرو نوع غالب برای ظرفیت‌های بالای ۷۵ کیلووات است و هم در سامانه‌های تک‌مرحله‌ای و هم چندمرحله‌ای کاربرد دارد. در سامانه‌های چندمرحله‌ای، ترکیب‌های مختلفی از کمپرسورها ممکن است مورد استفاده قرار گیرد.
انتخاب کمپرسور و تجهیزات سردخانه آمونیاکی بر اساس عوامل کلیدی انجام می‌شود، از جمله اندازه سامانه و نیازهای ظرفیت، محل نصب (فضای داخلی یا خارجی، در سطح زمین یا روی بام)، سطح صدای تجهیزات، شرایط عملکرد در بار جزئی یا بار کامل و عملکرد در تابستان و زمستان. توجه دقیق به این مولفه‌ها باعث افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.
همان‌طور که در همه‌ی سامانه‌های تبرید دیده می‌شود، کندانسور در یک سیستم آمونیاکی گرمای جذب‌شده در اواپراتور و همچنین گرمای اضافه‌شده توسط فرآیند تراکم و سایر ورودی‌های متفرقه را به یک منبع دفع گرما (Sink) منتقل می‌کند. این دفع گرما معمولاً به جو (Atmosphere) انجام می‌شود، اما می‌تواند به حوضچه‌ها یا منابع آب نیز منتقل شود (با رعایت محدودیت‌های زیست‌محیطی محلی).
رایج‌ترین نوع کندانسور، کندانسور تبخیری (Evaporative) است که از کویل سطحی اولیه استفاده می‌کند و جریان‌های هوا و آب بر روی کویل عبور می‌کنند. یک نوع دیگر، هوا را قبل از عبور از کویل خنک می‌کند تا مصرف آب کاهش یابد. همچنین از مبدل‌های حرارتی نوع شل‌اند-تیوب (Shell-and-Tube) یا صفحه‌ای (Plate) نیز استفاده شده است؛ این مبدل‌ها معمولاً نیاز به برج خنک‌کن دارند تا آب مورد نیاز مبدل‌ها را تأمین کنند. این مبدل‌ها همچنین می‌توانند گرمای سامانه تبرید را به سایر فرآیندهای کارخانه منتقل کنند که از منبع گرمای با دمای نسبتاً پایین (۲۴ تا ۸۲ سانتی‌گراد) استفاده می‌کنند، مانند پیش‌گرمایش آب بویلر یا گرم کردن آب فرآیند و شست‌وشو.
کندانسورهای هواخنک می‌توانند در مناطقی که آب کم یا گران است استفاده شوند، اما تنها خنک‌کاری محسوس (Sensible Cooling) ارائه می‌دهند و طراحی سامانه تبرید باید اجازه دهد که فشار تخلیه افزایش یافته را تحمل کند.
انتخاب کندانسورها اغلب بر اساس کل گرمای دفع‌شده در حداکثر بار تبرید سیستم انجام می‌شود، اما این فرض بر عملکرد نسبتاً پایدار موجود در اکثر کارخانه‌های تبرید استوار است. در تاسیساتی که راه‌اندازی فصلی یا عملیات متناوب دارند، باید بارهای پول‌داون (Pulldown Load) در نظر گرفته شود، زیرا گرمای دفع‌شده در ابتدای پول‌داون معمولاً چند برابر گرمای دفع‌شده در شرایط عملکرد عادی است.
برای محدود کردن حداکثر مقدار گرمای دفع‌شده در زمان پول‌داون می‌توان از باربرداری کمپرسور (Compressor Unloading) یا گلوگاه مکش Suction Throttling استفاده کرد. اگر کندانسور برای شرایط پول‌داون به‌درستی اندازه‌گیری نشده باشد و ظرفیت کمپرسور در این دوره محدود نشود، فشار کندانسینگ ممکن است به اندازه‌ای افزایش یابد که باعث خاموش شدن سیستم شود.
اواپراتور سردخانه آمونیاکی در واقع بخش اصلی سیستم تبرید آمونیاکی است که وظیفه جذب گرمای داخل اتاق سردخانه و انتقال آن به مبرد (آمونیاک) را بر عهده دارد. انتخاب نوع اواپراتور در سردخانه‌های آمونیاکی بستگی به دمای مورد نیاز، ظرفیت سرمایشی، نوع محصول، و شرایط بهره‌برداری دارد.
از مزایای سیستم‌های سردخانه آمونیاکی می‌توان به بازده انرژی بالا، هزینه عملیاتی پایین‌تر در مقایسه با برخی مبردهای سنتی، و سازگاری با محیط زیست اشاره کرد.
اما در عین حال، آمونیاک سمی است و در غلظت بالا خطرات سلامتی دارد؛ بنابراین باید تدابیر امنیتی قوی (ردیابی نشت، تهویه مناسب، حسگرهای آمونیاک) رعایت شود.
از محدودیت‌های دیگر می‌توان به هزینه اولیه نصب، نیاز به تعمیرات حرفه‌ای و نیاز به طراحی دقیق برای مدیریت فشارها، ایمنی و کنترل دقیق فرآیند اشاره کرد. با رعایت استانداردهای ایمنی و نظارت دقیق، سیستم‌های آمونیاکی می‌توانند گزینه‌ای بسیار مقرون‌به‌صرفه و پایدار برای سردخانه‌های بزرگ باشند.
سردخانه‌های آمونیاکی به دلیل ظرفیت بالا و صرفه‌جویی در انرژی، بیشتر در صنایع بزرگ و تولیدی استفاده می‌شوند. مهم‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:
به طور کلی، هر صنعتی که نیاز به نگهداری طولانی‌مدت محصولات در دماهای زیر صفر یا نزدیک صفر داشته باشد، می‌تواند از سیستم‌های سردخانه آمونیاکی استفاده کند.
جدول زیر دید کلی و مقایسه‌ای بین دو نوع متداول سیستم برودتی را نشان می‌دهد.
| ویژگی‌ها | سیستم آمونیاکی (NH₃) | سیستم فریونی (CFC / HCFC / HFC) |
|---|---|---|
| راندمان انرژی | راندمان بالا — مناسب برای ظرفیت‌های بزرگ و صنعتی. | راندمان متوسط — بیشتر مناسب برای ظرفیت‌های کوچک و متوسط. |
| هزینه اولیه | بالا — نیاز به تجهیزات صنعتی، طراحی و نصب تخصصی. | پایین‌تر — نصب سریع‌تر و تجهیزات ساده‌تر. |
| هزینه بهره‌برداری | معمولاً پایین‌تر (مصرف انرژی کمتر در مقیاس بزرگ). | معمولاً بالاتر به‌خصوص در پروژه‌های بزرگ. |
| ایمنی | آمونیاک سمی و قابل اشتعال در شرایط خاص — نیاز به حسگرها، تهویه و پروتکل‌های دقیق ایمنی. | فریون‌ها غالباً غیرسمی و غیرقابل اشتعال — ریسک کمتری برای افراد اما خطرات زیست‌محیطی وجود دارد. |
| سازگاری زیست‌محیطی | ODP = 0، GWP تقریباً بسیار پایین — سازگارتر با محیط زیست. | برخی انواع (CFC/HCFC) ODP و GWP بالا؛ HFCها ODP=0 ولی GWP بالا. |
| کاربرد اصلی | صنایع بزرگ: گوشت، ماهی، لبنیات، تولید و ذخیره‌سازی صنعتی، زنجیره سرد. | سردخانه‌های کوچک و متوسط، تهویه مطبوع، یخچال‌های خانگی و فروشگاهی. |
| عمر مفید تجهیزات | طولانی‌تر در صورت نگهداری و سرویس درست. | کوتاه‌تر و وابسته به نوع مبرد و نگهداری. |
| نگهداری و سرویس | نیاز به اپراتورهای متخصص و برنامه سرویس دقیق. | نسبتاً ساده‌تر و در دسترس‌تر برای تکنسین‌های عمومی. |
نکته: انتخاب بین این دو سیستم بستگی به مقیاس پروژه، ملاحظات ایمنی محلی، هزینه‌های بلندمدت و مقررات زیست‌محیطی دارد.
قیمت یک سردخانه آمونیاکی به عوامل مختلفی بستگی دارد؛ از جمله نوع و ظرفیت کمپرسور و یونیت‌های اصلی، انتخاب و ابعاد کندانسور و اواپراتور، کیفیت تابلوهای کنترل و اتوماسیون، گستردگی سیستم لوله‌کشی و اتصالات فشار قوی، نوع عایق‌کاری و پانل‌های ساختمانی، سطح پیش‌بینی‌شده برای سیستم‌های ایمنی و تشخیص نشت، هزینه‌های مربوط به نصب و راه‌اندازی، نیازهای خاص در ساخت‌وساز پایه و تأسیسات جانبی، همچنین حمل، ترخیص تجهیزات، قطعات یدکی و شارژ مبرد اولیه. هر یک از این مولفه‌ها بر اساس ظرفیت سردخانه، دمای هدف و شرایط پروژه بر برآورد نهایی اثرگذار است.
برای برآورد دقیق هزینه و دریافت راهکار فنیِ اختصاصی با در نظر گرفتن نیازهای تولید و الزامات ایمنی، از شما دعوت می‌کنیم تا با شرکت مانا سبز بنیان تماس بگیرید.
تیم مهندسین ما پس از بررسی اولیه و بازدید محل، یک گزارش شفاف شامل هزینه‌های تفکیکی، گزینه‌های بهینه‌سازی انرژی و برنامه زمان‌بندی اجرای پروژه را در قالب یک پیش‌پیشنهاد حرفه‌ای در اختیار شما قرار خواهد داد.