تبريد

1. مقدمة:

مجال التبريد والتكييف من المجالات ذات الازدهار المستمر ف العالم وبالأخص في البلاد النامية حيث انه غالبا لا يوجد مجال صناعي أو علمي لا يعتمد في ناحية من نواحي علم التبريد والتكييف فمنذ قرون طويلة استخدم قدماء المصريين اوعيه فخاريه لتبريد مياه الشرب. بعد ذلك اكتشف مجموعة من رجال الاسكيمو منه جثة حيوان منقرض منذ فترة مدفون في الجليد بحالة جيدة انتشر بعد ذلك استخدام الجليد في حفظ الاغذية في مناطق تواجدة.

• في آوئل القرن السابع تم وضع اسس علم الميكانيكا الحرارية الترموديناميكا Thermodynamic
• في عام 1820م انشأ فردريك تيودوز مستودعا لشحن الجليد لحفظ الاغذية في الولايات المتحدة الامريكية وراجت هذه التجارة ولكن لم يكن من الممكن تبريد حيز بهذه الطريقة لاقل من 2م5 وفي نفس العام تم وضع الثلج الأول مرة كتجربة معملية.
• في وسط القرن الـ19 تم صنع اول ضاغط ترددي وقد اشتق من الآلة البخارية.
• في عام 1850م صمم رجل فرنسي يدعى ادموند كاريه مكنات صغيرة للتبريد منها مهد الطريق لصناعة الثلج الصناعي مما اثر على تجارة الجليد الطبيعي

وفي عام 1876م استخرج ادموند كارية براءة اختراع لماكينة يمكنها التجميد حتى درجة –35م.

• في عام 1910م انتجت شركة كلفنتور الثلاجة المنزلية وطرحت للبيع بالاسواق.
• في عام 1930م اكتشف العالم الراحل توماس ميدجلي مركب التبريد الفريون حيث كان قبل ذلك يستعمل غاز النشادر في التبريد.
• في عام 1945م حدث تقدم كبير حيث تم استخدام الضواغط الصغيرة في أجهزة التبريد مما جعل الثلاجات متاحة للاستخدام المنزلي عن طريق شركتي كليفنتو وفريجيدير.

علم التبريد

هو العلم الذي يدرس درجات الحرارة المنخفضة جدا وتوليد درجات الحرارة المنخفضة. ويستخدم في ذلك غازات مسيلّة مثل النتروجين السائل أو الهيليوم السائل، ومن البديهي أن العملية تبدأ أولا بتسييل غاز النيتروجين وتسييل غاز الهيليوم.

قوانين التبريد

قبل أن نخوض في تفاصيل دورة التبريد يجب أن نتعرف أولا على بعض القوانين الأساسية والتي تعتمد عليها جميع أنظمة التبريد وهي خمسة قوانين أساسية وهي :

1. الموائع تمتص الحرارة عندما تتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (من سائل إلى بخار) وتطرد الحرارة عند تحولها من بخار إلى سائل.
2. يغير المائع حالته عند درجة حرارة وضغط ثابتين.
3. تنتقل الحرارة فقط من الجسم الذي درجة حرارته أعلى إلى الجسم الذي درجة حرارته أقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد).
4. الأجزاء المعدنية للمبخر والمكثف يجب أن تكون جيدة التوصيل للحرارة ويجب إختيار المعدن الذي لا يتفاعل مع وسيط التبريد ويعتبر النحاس الأصفر والنحاس الاحمر وألألومنيوم هي أكثر المعادن شيوعاً.
5. الطاقة الحرارية وأشكال الطاقة الأخرى قابلة للتحول من أى صورة إلى أخرى فعلى سبيل المثال، يمكن تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، والعكس صحيح أي يمكن تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية، وكذا تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية وهكذا.

للتبريد' دورة تسمى دورة تبريد تقوم بها آلة تبريد وتسمى بالإنجليزية Chiller وبالألمانية Kühlmaschine تعمل بمثابة طلمبة حرارية، تأخذ الحرارة من الغرفة المراد تبريدها وتطردها إلى الجو الخارجي.

دورة التبريد التبريد

دائرة التبريد الأساسية : كما ذكرنا أن أي سائل يتبخر ويتكثف وهو التغير ما بين الحالة السائلة والحالة الغازية فعند التبخر يجب أن يحصل السائل على الحرارة الكامنة للتبخر بينما عند التكثيف يتم طرد الحرارة الكامنة مرة أخرى. ويتكون أى دائرة تبريد ميكانيكية من اربعة أجزاء رئيسية هي :

• الضاغط Compressor

وظيفة الضاغط في دورة الانضعاط هي رفع ضغط البخار الجاف من الضغط المنخفض إلى الضغط العالى للمكثف، ويعتبر الضاغط أحد الأجزاء الرئيسية في أى دوؤة تبريد ميكانيكية فبدون الضاغط لايمكن حدوث دورة التبريد وإعادة سائل التبريد إلى حالته الأصلية من حيث المحتوى الحرارى. والغرض من استخدام الضاغط هو رفع ضغط وسيط التبريد القادم من المبخر لضغط مناظر لدرجة حرارة تشبع أعلى من درجة حرارة الجو المحيط أو الوسط المحيط وهذا يؤدي إلى حدوث التبادل الحرارى بين وسيط التبريد بالمكثف والوسط المحيط كما أنه يؤدي إلى تكثيف وسيط التبريد وتصنع الضواغط بأشكال وأحجام وتصميمات مختلفة وعموماً تنقسم الضواغط إلى :

• ضواغط ترددية.
• ضواغط دورانية.
• ضواغط طاردة مركزية.
• ضواغط حلزونية.
• المكثف Condenser

المكثف هو احد عناصر الرئيسية في أى دورة تبريد، ووظيفة المكثف في دورة انضغاط البخار هي استقبال بخار وسيط التبريد الساخن العالي الضغط والقادم من الضاغط، وتخليصه من الحرارة التي امتصها في المبخر وهذه الحرارة عبارة عن حرارة التحميض والحرارة الكامنه وكذلك الحرارة الناتجة عن شغل الضاغط وتطرد هذه الحرارة إلى الوسط المحيط فإذا كان الوسط المحيط هو الهواء سمي المكثف بالمكثف المبرد بالهواء (هوائياً) وإذا كان الوسط المحيط ماء سمى المكثف بالمكثف المبرد بالماء (مائيا) أما إذا كان التبريد بالمكثف وسيط التبريد مرة أخرى إلى سائل.

• صمام التحكم Control Valve

الغرض من صمام التحكم هو التحكم في سريان وسيط التبريد التبريد من جانب المكثف ذي الضغط العالى في الدورة إلى المبخر ذي الضاغط المنخفض. ففى هذا الصمام يتم خفض ضغط سائل التبريد القادم من المكثف وتبعاً لذلك درجة حرارة التشبع، حيث أن لكل ضغط توجد درجة حرارة تشبع معنية. ولكن بدون تغير في الانثالبى ومعنى ذلك أن كمية الحرارة الموجودة في سائل قبل دخولها صمام التحكم تساوى كمية الحرارة بعد خروجها من الصمام، ولكن سائل التبريد سيكون عند ضغط منخفض ودرجة حرارة منخفضة وهي درجة حرارة التشبع عند هذا الضغط. ويتحقق خفض الضغط باستخدام فوهة ذات سريان متغير إما من درجة التحكم أو ذات وضعين ويمكن تقسيم صمامات التحكم في سائل وسيط التريد إلى :

1. صمام التحكم اليدوي.
2. عوامة جانب الضغط المنخفض.
3. عوامة جانب الضغط العالى.
4. الأنبوية الشعرية.
5. صمام التمدد الاتوماتيكي.
6. صمام التمدد الثرموستاتى.

• المبخر Evaporator

الغرض من المبخرة في دورة التبريد هو استقبال وسيط التبريد ذي الضغط المنخفض ودرجة الحرارة المنخفضة، والقادم من صمام التحكم، وجعله في ملامس حرارى ملاصق مع الحمل ويستمد وسيط التبريد حرارته الكامنة للتبخر من الحمل وأى كمية حرارة تمتص في المبخر تحول جزءا من السائل عند درجة حرارة التشبع إلى بخار عند نفس الضغط ودرجة الحرارة وتنقسم المبخرات إلى نوعين رئيسيين هما :

1. نظام جاف.
2. نظام الغمر.

الأجزاء الاضافية في دورة التبريد : وهناك أجزاء أخرى في دورة التبريد ضرورية لسلامة عمل هذه الأجراء الرئيسية أو تمكينها من أداء عملها وسوف تجد هذه الأجزاء في أى وحدة تبريد سواء أكانت هذه الوحدة وحدة تبريد تجارية أو صناعية أو وحدة تبريد منزلية وهذه الأجزاء الإضافية هي :

1. المجتمع Accumulator وهو جهاز أمان لمنع سائل وسيط التبريد من المرورإلى خط السحب ومنه إلى الضاغط ويوجد في دائرة التبريد التي تستعمل الأنبوبة الشعرية.
2. فاصل الزيت Oil Separator ويوجد في وحدات التبريد التي تعمل في درجات حرارة منخفضة جداً كفريزرات التبريد العميق، حيث يوجد فاصل الويت بين خط الطرد للضاغط والمكثف، والغرض الأساسي من فاصل الزيت هو تخلص بخار وسيط التبريد الساخن ذو الضغط العالى من الزيت الزائد والغير مرغوب فيه بالنسبة لأجزاء الدائرة الأخرى مثل المكثف والمبخر، حيث يتم فصل الزيت وإعادته إلى علبة مرفق الضاغط عن طريق ماسورة وسوف نشرح ذلك بالتفصيل فيما بعد :
3. وهناك عناصر أخرى مهمة أيضا لازمة لسلامة عمل الأجزاء الرئيسية وهي المبادل الحرارى، والمجفف، وخزان السائل، وبالنسبة للدوائر الكهربائية فيوجد الثرموستات وهو ضابط الحرارة وضابط الضغط العالى، وضابط الضغط المنخفض وغيرها من العناصر الهامة.

مختلف الاجهزة التي تستعمل الية التبريد

أجهزة التبريد بالهواء: استعملت آلة التبريد بالهواء قديماً على نطاق واسع قبل أنتشار آلات التبريد البخارية العاملة على الأمونيا والفريونات، وسميت بالهوائية لأنها تستعمل الهواء وسيط تبريد، وتتألف الدورة المبسطة لآلة التبريد الهوائية من أربعة عناصر رئيسية وهي: براد (غرفة تبريد)ـ ضاغط ـ مبّرد ـ ممدد توربيني. ويستفاد من آلة التبريد بالهواء على نطاق واسع في عملية تكييف الهواء داخل الطائرات التجارية. وقد تم حالياً رفع أداء هذه الآلات بعد استعمال المبادلات الحرارية الإرجاعية فيها.

أجهزة التبريد بالامتصاص: يتم في آلة التبريد بالامتصاص نقل الحرارة من الوسط المبرد ذي درجة الحرارة المنخفضة إلى الوسط الخارجي ذي درجة الحرارة المرتفعة عن طريق صرف طاقة حرارية في حين يتم في آلة التبريد الضاغطة البخارية صرف قدرة ميكانيكية. ويستخدم في هذه الآلة جسما تشغيل على الأقل وهما وسيط التبريد والمادة الماصة له. ولقد انتشر في الوقت الحاضر استعمال آلات التبريد العاملة على الماء ومع الأمونيا أو الليثيوم. يبيّن، مكوّنات آلة التبريد بالامتصاص وهي: وعاء الامتصاص، المضخة، المكثف، صمام التمدد، المبخر، ومولد البخار. هناك عدة أنواع من آلات التبريد بالامتصاص منها ما يعمل بوجود مضخة كما في آلة التبريد بالامتصاص مع ضاغط ناظم بخاري التي تستعمل حين تكون درجة حرارة المنبع الحراري للمولد منخفضة. تستخدم دورات التبريد بالامتصاص التي تعمل من دون مضخة في البرادات المنزلية والمكيفات، وتمتاز هذه الآلات بعدم وجود أي أجزاء متحركة فيها، مما يساعدها على العمل مدداً طويلة من الزمن من دون الحاجة إلى أي صيانة تذكر.

آلات التبريد الكهروحرارية: يمكن إنتاج الأثر التبريدي باستخدام المزدوجة الحرارية التي تتألف من مادتين من أنصاف النواقل، تصل بينهما البعض صفيحتان معدنيتان تشكلان قطبي المزدوجة الحرارية، وذلك بإمرار تيار كهربائي بينهما. وتدعى الآلات التي تعمل وفق هذا المبدأ بآلات التبريد الكهروحرارية التي تمتص فيها كمية من الحرارة في القطب البارد (السالب)، وتنتشر كمية من الحرارة من القطب الموجب. تمتاز أجهزة التبريد (البرادات) العاملة على مبدأ المزدوجات الحرارية بأنها سهلة النقل والصيانة ولا تحتوي على أجزاء متحركة، إضافة إلى كون هذه المبردات تعمل من دون الحاجة إلى وسيط تبريد. إلا أن هذه الآلات غير اقتصادية بالمقارنة مع آلات التبريد البخارية عند فرق درجات حرارة بين القطبين كبير نسبياً.

أهم تطبيقات التبريد الكهروحراري: أجهزة التبريد وتكييف الهواء المستخدمة في الغواصات، والتحكم بدرجة حرارة الأجهزة الإلكترونية، وتبريد المعدات العلمية.

تطبيقات التبريد: يستعمل التبريد في مجالات كثيرة من أهمها: حفظ المواد الغذائية، وإنتاج الجليد، ونقل المواد المبردة والبرادات المنزلية والبرادات التجارية، وتكييف الهواء.

اقرأ أيضاً

• تكييف هواء
• ثلاجة
• تأثير جول-تومسون
• تسييل الغازات