آلة تبريد

مقالات عن آلات التبريد

الثلاجة عبارة عن محرك حراري يعمل في الاتجاه المعاكس. أي أنه يسحب الحرارة من منطقة منخفضة الحرارة ويطردها إلى منطقة مرتفعة الحرارة. ولكي تحدث هذه العملية، يجب أن يبذل المحرك شغلاً. مع ذلك، فإن الحرارة تتدفق بشكل طبيعي من منطقة مرتفعة الحرارة إلى منطقة منخفضة الحرارة فقط. لا يمكن للحرارة أن تتدفق من تلقاء نفسها من منطقة منخفضة الحرارة إلى منطقة مرتفعة الحرارة. وهذا يتوافق مع قانون كلاوزيوس الذي نوقش سابقًا. بالنسبة للعملية التي تحدث في الثلاجة، يمكن صياغة قانون كلاوزيوس السابق على النحو التالي:

من المستحيل على آلة التبريد (التي تعمل في دورة) أن تنقل الحرارة من مكان ذي درجة حرارة منخفضة إلى مكان ذي درجة حرارة عالية، دون القيام بعمل ( القانون الثاني للديناميكا الحرارية - بيان كلاوزيوس).

النص المائل هو بيان خاص للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ينطبق هذا البيان فقط على أجهزة التبريد. عملية تغيير شكل الطاقة ونقلهاالطاقة على تبدو آلة التبريد كما في الرسم التخطيطي أدناه.

تبذل الآلة شغلاً (W) لامتصاص الحرارة من مكان ذي درجة حرارة منخفضة (Q_{_L}) وتطلقها إلى مكان ذي درجة حرارة عالية (Q_{_H} ). وبناءً على قانون حفظ الطاقة، يمكن استنتاج أن Q_{_L} + W = Q_{_H}.

إذا استُخدم مصطلح الكفاءة في المحركات الحرارية، فإنه يُستخدم في آلات التبريد مصطلح معامل الأداء (KK). معامل الأداء (KK) لآلة التبريد هو النسبة بين كمية الحرارة المنتقلة من منطقة ذات درجة حرارة منخفضة (Q_{_L} ) والشغل (W) المبذول لنقل هذه الحرارة. رياضياً، يمكن التعبير عن ذلك كما يلي:

إذا أردت التعبير عن معامل أداء آلة التبريد كنسبة مئوية، فما عليك سوى ضرب هذه المعادلة في 100%. معامل أداء آلة التبريد المثالية (معامل كارنو لأداء آلة التبريد):

هناك العديد من أجهزة التبريد التي نستخدمها بشكل شائع، بما في ذلك الثلاجات ومكيفات الهواء ومضخات الحرارة.

ثلاجة

المكثف = يحول البخار إلى سائل، الضاغط = يضغط. عادةً ما توجد ملفات التبريد داخل الثلاجة، بينما توجد ملفات المكثف خارج الثلاجة (في الجزء الخلفي منها).

يوجد داخل الملفات سائل في حالة توازن طوري (يتواجد في حالتي السائل والبخار). يُعرف هذا السائل باسم المُبرِّد. كان الفريون هو المُبرِّد الشائع الاستخدام في الماضي، ولكنه لم يعد يُستخدم اليوم لأن انبعاثه يُمكن أن يُلحق الضرر بطبقة الأوزون.

يسحب محرك الضاغط (الذي يعمل بالكهرباء) غاز التبريد (في صورة بخار) ويضغطه ضغطًا أديباتيًا. وبسبب هذا الضغط الأديباتي، ترتفع درجة حرارة البخار. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يرتفع ضغط البخار أيضًا. ويؤدي فرق درجة الحرارة بين الضاغط (درجة حرارة عالية) والمكثف (درجة حرارة منخفضة) إلى تدفق البخار ذي درجة الحرارة والضغط العاليين عبر ملفات المكثف الموجودة في الجزء الخلفي من الثلاجة.

تكون درجة حرارة البخار أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط، لذا عندما يمر عبر ملف المكثف، يُطلق البخار حرارةً إلى الهواء المحيط. وبسبب تكثفه في المكثف، يبرد البخار ويتحول إلى سائل. وعندما يمر عبر صمام التمدد، يتمدد سائل التبريد المتحول إلى سائل تمددًا أديباتيًا. ويؤدي هذا التمدد الأديباتي إلى انخفاض درجة حرارة السائل. يتدفق السائل البارد داخل ملفات التبريد في الثلاجة. ولأن السائل في الملفات أبرد من الهواء في الثلاجة، يمتص السائل الحرارة حتى يتحول سائل التبريد إلى بخار (يمتص السائل الحرارة في الثلاجة). ثم يسحب محرك الضاغط سائل التبريد المتحول إلى بخار ويضغطه تمددًا أديباتيًا. وهكذا دواليك... (تتكرر العملية). وبسبب انتقال الحرارة من داخل الثلاجة إلى السائل داخل الملفات، تصبح الثلاجة باردة.

مكيف الهواء

على الرغم من اختلاف تصميم الجهاز، إلا أن مبدأ عمل مكيف الهواء الأساسي مشابه لمبدأ عمل الثلاجة. في هذه الحالة، الثلاجة هي الغرفة. عادةً ما توجد ملفات التبريد داخل الغرفة، بينما توجد ملفات التكثيف خارجها. خلف ملفات التكثيف توجد مروحة. وظيفة المروحة هي تنظيم دوران الهواء ودفع ملفات التكثيف، مما يُسرّع انتقال الحرارة بين ملفات التكثيف والهواء المحيط. في المقابل، خلف ملفات التبريد توجد منفاخ هواء. وظيفته مشابهة لوظيفة المروحة. فبينما تدفع المروحة ملفات التكثيف إلى الخارج، موجهةً الحرارة إلى الهواء المحيط، يدفع منفاخ الهواء ملفات التبريد إلى الداخل، موزعًا الهواء البارد في جميع أنحاء الغرفة.

مضخة حرارية

تُستخدم المضخات الحرارية عادةً في فصل الشتاء البارد. مبدأ عملها مشابه لمبدأ عمل الثلاجة، إلا أن الثلاجة تُستخدم لتبريد الغرفة، بينما تُستخدم المضخة الحرارية لتدفئتها. فبينما تمتص الثلاجة الحرارة من الغرفة (QL ₎ وتُطلقها إلى الخارج (QH ₎ ، تمتص المضخة الحرارية الحرارة من الخارج (QL ₎ وتُطلقها إلى داخل الغرفة (QH ₎ . وتؤدي الحرارة المُضافة إلى ارتفاع درجة حرارة الغرفة. وعند حلول فصل الصيف، يُمكن عكس عمل المضخة الحرارية لتتحول إلى مكيف هواء.