سیکل تبرید چیست؟

سیکل تبرید چیست

در ساخت و طراحی دستگاه‌های سرمایشی مانند چیلرها، یخچال‌ها، کولرهای گازی یا داکت اسپلیت‌ و سایر سیستم‌های سرمایشی از فرایندی ترمودینامیکی به نام سیکل تبرید استفاده می شود. جالب است بدانید از دویست سال پیش تاکنون از سیکل تبرید تراکمی Refrigeration cycle در صنایع مختلف استفاده شده است.

اساس طراحی چرخه تغییر فاز سیال از مایع به گاز و بالعکس است، برای انجام پذیر بودن این کار لازم است تا از سیال دارای توان گرمایشی و سرمایشی بالایی باشد و قادر به کار در دستگاه‌های صنعتی با دماهای مختلف باشد. اسم دیگر این سیکل موتور گرمای معکوس است چرا که در این سیکل انگار ماشین‌های گرمایی بر عکس شده‌اند.

اگر برای شما نیز جالب است که بدانید سیکل تبرید تراکمی چیست، اجزای به کار رفته در آن چه هستند و چطور به کمک این سیکل سیستم‌های برودتی طراحی می‌شوند ادامه این مطلب را از دست ندهید.

سیکل تبرید تراکمی چیست؟

برای پاسخ دقیق و درست به این سوال لازم است تا سیکل تبرید تراکمی را کلمه به کلمه توضیح دهیم تا کلیت آن برای شما واضح باشد.

  • سیکل

سیکل به معنای چرخه یا روندی است که به صورت پیاپی تکرار می‌شود و در سیستم تبرید به این معنی است که در واقع در یک لاین یا خط مشخص سیال مبرد صورت متوالی رفت و آمد کرده و در جریان باشد و از این طریق گرما را از محیطی به محیط دیگر انتقال دهد.

  • تبرید

تبرید به معنای سردسازی است و از کلمه برودت گرفته شده، در فرایند تبرید است که سیکل‌های سرماسازی شکل می‌گیرند. این سیکل‌ها به منظور سرد کردن یک محیط طراحی شده‌اند که در آنها سیالی که به آن سیال مبرد می‌گویند عمل تبرید یا سردسازی را انجام می‌دهد. این محیط می‌تواند هر جایی اعم از داخل یخچال، یک اتاق و یا حتی داخل یک ساختمان باشد.

  •  تراکمی

اما منظور از تراکم چیست؟ منظور تراکم سیال مبرد است که به کمک کمپرسور رخ می‌دهد و در واقع به کمک این تراکم انرژی جنبشی که سیال مبرد برای گردش در سیکل نیاز دارد تأمین می شود.

پیش تر گفتیم که نام دیگر سیکل تبرید تراکمی موتور گرمایی معکوس است، در موتورهای گرمایی چرخه‌ای وجود دارد به نام چرخه کارنو که در آن با منتقل کردن گرما از محیطی با دمای بیشتر به محیطی با دمای کمتر کار معینی صورت می‌پذیرد.

با معکوس کردن این فرایند یعنی ایجاد چرخه‌ای برای انتقال گرما از محیط با دمای کمتر و سردتر به محیطی با دمای بالاتر و گرم‌تر موتور معکوس کارنو ایجاد کرده‌ایم؛ نام دیگر این موتور معکوس کارنو یخچال است و اساس طراحی سیکل های تبرید تراکمی نیز بر همین مبنا بوده است و با کمک فرایند چرخۀ ترمودینامیکی یخچال صورت گرفته است.

سیکل تبرید تراکمی

فرایند سیکل تبرید تراکمی

فرایند سیکل تبرید تراکمی چهار مرحله دارد. اگر بخواهیم به طور مختصر آن را توضیح دهیم باید بگوییم که اولین مرحله از این چرخه متراکم شدن سیال مبرد است. در مرحله دوم سیال چگالش پیدا می‌کند. در ادامه در مرحله سوم سیال انبساط یافته و اختناق پیدا می‌کند و در آخرین مرحله نیز سیال وارد فاز تبخیر می‌شود تا سیکل به پایان برسد.

همانطور که از نامش هم پیدا است این یک سیکل و چرخه متناوب است پس قطعا نقطه پایان کار به نقطه اول آن متصل است تا چرخه ادامه پیدا کند. در ادامه به توضیح هر یک از این مراحل خواهیم پرداخت:

مرحله اول: تراکم سازی سیال (Compression)

همانطور که گفتیم اولین مرحله در سیکل تبرید تراکمی مرحله متراکم ساختن سیال است که این عمل با استفاده از یک کمپرسور صورت می‌گیرد. سیال در فاز گازی و با دما و فشار پایین وارد کمپرسور می‌شود و در کمپرسور دما و فشار هر دو بالا می‌روند تا سیال را برای مرحله بعدی چرخه آماده کنند.

همانطور که پیشتر ذکر شد چرخه یخچال خلاف چرخه کارنو بوده و معکوس شده آن است بنابراین این چرخه به خودی خود کار نخواهد کرد و نیاز به یک موتور محرک دارد چیزی نظیر موتور الکتریکی یا احتراقی دارد تا سیال را به جریان انداخته و آن را متراکم سازد. پس در این فرآیند ما کاری را به سیستم انتقال می‌دهیم که کار مورد نیاز برای این سیکل در نقطه متراکم سازی سیال به مبرد منتقل می‌شود.

مرحله دوم: وارد شدن سیال به کندانسور (Condensation)

در دومین مرحله سیال مبرد چگالش پیدا می‌کند. گفتیم که دما و فشار سیال در کمپرسور افزایش پیدا می‌کند پس سیال خارج شده از کمپرسور دما و فشار بالایی دارد و به همین علت وارد یک کندانسور می شود. طراحی کندانسورها به صورت خط لوله‌های پیچی شکل است. در دستگاه چیلر، کندانسورها را به شکل مبدل‌های حرارتی طراحی می‌کنند.

سیال با وارد شدن به کندانسور وارد عملیات چگالش و خنک شدن می‌شود. در کندانسور دمای سیال به شدت پایین می‌آید به قدری که سیال از فاز گازی به فاز مایع وارد می‌شود، اما فشار سیال بدون تغییر باقی می‌ماند. اما این پایین آمدن دما در سیال چطور اتفاق می‌افتد؟ در اطراف خط لوله‌های کندانسور جریان آب وجود دارد یا هوا در گردش است که به کمک آن دمای سیال پایین می‌آید.

کندانسور در سیکل تبرید

مرحله سوم: منبسط شدن سیال و کم شدن فشار(Throttling and Expansion)

گفتیم در مرحله دوم صرفا دمای سیال پایین می‌آید اما فشار تغییری نخواهد کرد پس در مرحله سوم سعی در پایین آوردن فشار سیال است که این اتفاق به کمک یک شیر انبساط انجام می‌شود.

در این مرحله سیال مبرد که اکنون کاملا حالت مایع دارد وارد یک شیر انبساط می‌شود و در آنجا حجم سیال افزایش پیدا کرده و به تبع از فشار آن کاسته می‌شود و می‌دانیم که بر اثر قوانین فیزیک در این مرحله قسمتی از سیال که مایع بوده و حالت اشباع دارد به حالت گازی تغییر فاز داده و بخار می‌شود. پس می‌توان نتیجه گرفت که در نهایت سیال به صورت مخلوطی از دو فاز گاز و مایع از شیر انبساط خارج می‌شود.

مرحله چهارم: تبخیر (Evaporation)

این مرحله آخرین مرحله از سیکل تبرید است که در آن عمل اصلی که از این چرخه انتظار داریم اتفاق می‌افتد. هدف از ایجاد این چرخه این بود که گرمای محیطی که در آن از این سیکل استفاده شده را جذب کند و موجب برودت هوا شود و این اتفاق درست در همین مرحله تبخیر رخ می‌دهد. در یک مثال این مطلب را بهتر برای شما توضیح خواهیم داد.

در یک یخچال فریزر در محفظه یخچال روند تبخیر سیال صورت می‌پذیرد، در این نقطه چون فشار سیال پایین است پس متعاقبا دمای بسیار پایینی نیز خواهد داشت پس این دما به قدری پایین است که از دمای محیط مورد نظر ما که در آن این سیستم را به کار بسته‌ایم هم کمتر خواهد بود.

مثلا از دمای محفظه دخل یخچال فریزر نیز کمتر خواهد بود. این اختلاف دما دقیقا همان چیزی است که باعث انتقال گرما می‌شود. در این چرخه نیز تفاوت دمایی که ما بین سیال مبرد و محیطی که چرخه را در آن به کار بسته‌ایم وجود دارد منجر به انتقال گرما از قسمت مورد نظر به سیال مبرد می‌شود.

اتفاقی که در اثر این انتقال می‌افتد این است که به خاطر حرارت موجود سیال به طور کامل به بخار تبدیل شده و وارد فاز گازی می‌شود یعنی نهایتا ما مجدد یک مبرد تک فازی خواهیم داشت که فاز آن گازی است. حال این سیال گازی بعد از اینکه از قسمت اواپراتور عبور کرد یا به بیان بهتر مرحله تبخیر را پشت سر گذاشت دوباره آمادگی ورود به کمپرسور را پیدا می‌کند.

پس در همین نقطه می‌توان گفت که سیکل تبرید تراکمی اتمام یافته و سیال تمامی مراحل را پشت سر گذاشته است، و می‌تواند موجب برودت محیط به کار رفته در آن شود اما می‌دانیم برای آنکه این جریان ادامه یابد و محیط توسط سیستم سرمایشی دائما خنک نگه داشته شود. این چرخه دائما باید تکرار شود، پس نقطه آخر این سیکل به نقطه ابتدایی آن متصل است تا چرخه قطع نشود.

در سیکل تبرید از انواع کمپرسورها، شامل روتاری، اسکرال، پیستونی، اسکرو و سانتریفیوژ استفاده می‌شود.

نتیجه گیری

سیکل تبرید تراکمی در واقع یک چرخه ترمودینامیکی است که بر اساس چرخه کارنو طراحی شده و در واقع معکوس آن است به همین خاطر به آن موتور گرمایی کارنو نیز گفته می‌شود.

پس به همین خاطر این سیکل تبرید تراکمی نیاز به نیروی محرک دارد تا در اثر آن چرخه کار کرده و گرما از محیط سردتر به گرم‌تر انتقال یابد. بنابراین ما حدی از انرژی را به سیستم وارد می کنیم تا در اثر این انرژی بتوانیم کاری خلاف جهت چرخه طبیعی همرفت را انجام دهیم.

یعنی به جای انتقال گرما از محیط سردتر به گرم‌تر که عملی طبیعی و در راستای ایجاد تعادل است ما با کمک موتور هایی که در این سیکل به کار می‌بریم گرما را از محیط سردتر دائما به محیط گرم‌تر منتقل کنیم تا محیط خنک نگه داشته شود.

پس این سیکل تبریدی تراکمی اساس کار همه دستگاه‌های سرمایشی و سیستم‌های برودتی نظیر یخچال، داکت اسپیلت، چیلر و کولر گازی است. این سیکل هم چهار مرحله دارد که در طی آن فشار و دمای یک سیال پایین آمده و تغییر فاز می‌دهد تا بتواند محیط را خنک نگه دارد و از دمای آن دائما بکاهد. این اتفاق به کمک یک کمپرسور رخ می‌دهد که انرژی لازم برای این چرخه را فراهم می‌کند.

۴.۵/۵ - (۲ امتیاز)

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

4 × دو =