مراحل بنیادی تبرید

تبرید عبارت است از جذب حرارتی از مواد و رفع آن به محیط خارج و درکلیه سیستم های عملی تبرید، حفظ سرما مستلزم گرفتن حرارت از موادی با درجه حرارت پایین تر و خارج کردن این حرارت به محیطی با رویه حرارتی بالاتر می باشد.

در این قسمت مراحل بنیادی و اساسی تبرید مورد بحث قرار می گیرد که آن مراحل عبارتند از:

۱ – افزایش درجه حرارت مبرد ۲- تغییر فاز ۳- انبساط مایع ۴- انبساط گاز ایده آل ۵- تولید خلا ۶- انبساط گاز حقیقی ۷- عملیات الکتریکی

در مراحل ۱ و ۲ عمل جذب کردن از مواد و ایجاد تبرید بوسیله ماده مبرد در درجه حرارت پائین بوجود می آید و بقیه عملیات سیکل برای حفظ برودت لازم است.

مراحل بنیادی تبرید 1.1افزایش درجه حرارت مبرد: Rise in temperatued of coolant

یکی از روش های جذب حرارت از ماده، تماس دادن آن با یک ماده سرد دیگر است که اینجا مبرد نامیده می شود. بعنوان مثال: برای سرد کردن وسایل داخل ساختمان می توان هوای سرد تهیه کرده و به داخل ساختمان برای اینکه مقداری شیر در درجه حرارت پایین نگهداری می شود، با افزایش درجه حرارت آب سرد یا آب نمک که مجاور ظرف است، این کار عملی می گردد که در اینجا مبرد آب سرد یا آب خنک خواهد بود. مقدار حرارتی که در اثر تغییر فاز یا تغییر حالت از جامد به مایع، از مایع به بخار یا از جامد به بخار به وسیله مبرد جذب می گردد معمولا برای ایجاد برودت بکار می رود. تغییر حالت از جامد به مایع را ذوب و مقدار حرارت جذب شده بوسیله مبرد را، حرارت نهان دون گویند و بهترین مثال برای این حالت ذوب یخ است. احتیاج بشر بوجود یخ ها به سال ها پیش بر می گردد و کاربرد آن در منازل رستوران ها، فروشگاه ها برای سرد کردن مواد و استفاده آن در صنایع، ضروری است از محاسن استفاده از یخ به منظور ایجاد برودت عدم احتیاج بوسایل و ماشین های مکانیکی است ولی از عیوب عدمه آن یکی ذوب آن و باقی گذاشتن آب بوده و دیگری محدود بودن درجه حرارت پایین آن تا است. یک روش فنی که درجه ذوب و انجماد آنرا تقلیل می دهد اضافه کردن نمک به آب است. تغییر فاز از حالت مایع به بخار را )تبخیر( و مقدار حرارت جذب شده را )حرارت نهان تبخیر( گویند. ایجاد برودت بوسیله این تغییر حالت معمول ترین روش در تبرید بوده و اساس کار سیکل های تبرید تراکمی تبخیری را تشکیل می دهد. در این سیکل ها کنترل فشار تبخیر در تنظیم درجه برودت مبرد موثر می باشد. نوع دیگر تغییر فاز که باعث ایجاد برودت می گردد تغییر حالت از جامد به بخار است که آن را )تصعید( نامیده و مقدار حرارت جذب شده را )حرارت نهان تصعید( گویند. در تصعید جسم از حالت جامد بدون گذشتن از مرحله مایع مستقیما به حالت بخار می آید. معمولا عمل حالت، جهت ایجاد برودت یخ خشک می باشد که همان انیدریک کربنیک جامد بوده و در اثر گرم شدن در فشار اتمسفر، مستقیما از جامد به بخار تبدیل می شود. یخ خشک در

تصعید مقدار حرارتی که در تغییر فاز یک مبرد جذب می شود از رابطه اصلی زیر بدست می آید.

Q=M.L 2

که در آن Q = مقدار حرارت انتقالی بر حسب BIV

M= جرم مبرد بر حسب lb یا

L= تغییرات انتقالی بر حسب )ممکن است حرارت ذوب تبخیر و یا تصعید باشد(.

مراحل بنیادی تبرید 1.2 انبساط مایع Expansion of a liquid

انبساط مایعات باعث تقلیل درجه حرارت آنها می شود. بخصوص اگر انبساط با تغییر حالت مایع به بخار همراه باشد. نقصان درجه حرارت قابل توجهی حاصل می گردد. قبلا موضوع انبساط آیزونتروپیک یک مایع خیلی سرد شده ) )Subcooled را به یک فشار کمتر در نظر داشته باشید.

مراحل بنیادی تبرید 1.3انبساط گاز ایده آل در جریان ثابت: Sleudy-flow expansion a

در یک جریان ثابت وقتی یک گاز ایده آل منبسط می شود، کاهش درجه حرارت بوجود می آید. مقدار افت درجه حرارت ممکن است جزئی و یا قابل توجه باشد که بستگی به وضعیت محل انبساط خواهد داشت. رابطه گازهای ائده آل عبارت است از:

P.V=R.T

که در آن:

P= فشار گاز بر حسب ) نیرو(

V= حجم مخصوص بر حسب ) lb جرم/ )lt3

R= عدد ثابت گازها بر حسب

T= درجه حرارت مطلیق بر حسب

مقدار حرارت مخصوص ها ثابت بوده و عبارت است از:

که در آن، Cv , Cp : به ترتیب حرارت های مخصوص در فشار ثابت و حجم ثابت

مراحل بنیادی تبرید 1.4انبساط یک گاز حقیقی: Expansion of an actual gas

وقتی یک گاز حقیقی منبسط می شود، حتی اگر انتالپی ثابت بماند، تغییری در درجه حرارت بوجود می آید. در گازهای کامل در تحول انتالپی ثابت درجه حرارت نیز ثابت می ماند. با یک گاز حقیقی درجه حرارت ممکن است، زیاد یا کم و یا اینکه ثابت بماند. مرحله ای که شامل تغییرات زیاد و موثر درجه حرارت باشد، بنام ضریب ژول تامسون نامیده شده و به صورت زیر بیان می شود:

Youl e Themson Coefficient که عبارت است تغییرات درجه حرارت نسبت به فشار در انتالپی ثابت. مناسب ترین راه برای حفظ انتالپی ثابت در عملیات انبساط، ایجاد خفگی است و تا زمانی که افت فشار در این حالت روی منحنی انتالپی ثابت و از چپ به راست بوده و حالت خفگی از حالت نقطه ۱ به ۲ باشد، درجه حرارت افزایش می یابد، در نقطه ۲ درجه حرارت ماکزیمم بوده و ضریب ژول تامسون از صفر است. این نقطه را نقطه معکوس می نامند. زیرا از آن به بعد از نقطه ۲ به ۳ حتی از ۱ به ۳ درجه حرارت کاهش خواهد یافت. از این روش با مقدار مثبت ضریب ژول تامسون برای تولید بعضی از گازها مثل ازت و اکسیژن در درجه حرارت خیلی پائین تهیه می شوند، استفاده می گردد. آن را اثر Pelfier نامند. البته عکس قضیه هم صادق است. یعنی اگر در مدار یک ترموکوپل، اختلاف ولتاژ ایجاد شود، در یکی از نقاط اتصال افزایش درجه حرارت و در نقطه دیگر کاهش درجه حرارت حاصل می گردد. با قرار دادن اتصال گرم در خارج از محفظه و دفع حرارت به خارج و عایق کاری اتصال دیگر با توجه به حرارت کمتر در داخل محفظه می توان برودت ایجاد کرد و از برودت حاصل در تبرید استفاده کرد. از این روش در آزمایشگاهها و وسایل غیر تجارتی استفاده می شود.

مراحل بنیادی تبرید عملیات الکتریکی Electric Process

با استفاده از الکتریسته یا مغناطیس به دو طریق می توان برودت ایجاد کرد. یکی با قرار دادن ملکولها در یک میدان مغناطیسی و دیگر با استفاده از عکس عمل ترموکوپل می باشد. تبرید مغناطیسی عملی است که برای رسیدن به درجه حرارت صفر مطلق بسیار مفید بوده و به کار می رود. اگر جسمی با خواص مغناطیسی خاص در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد درجه حرارت جسم افزایش می یابد و اگر اطراف این جسم را هلیوم احاطه کرده باشد، حرارت بوسیله هلیوم دفع شده و در درجه حرارت می جوشد. از آن پس جسم مذکور از نظر حرارتی بوسیله هلیوم و میدان مغناطیسی اثر خود را پس می گیرد و جسم در درجه حرارت صفر مطلق غوطه می گردد. طریقه دوم ایجاد برودت با استفاده از اثر معکوس ترموکوپل هاست. یکی ترموکوپل عبارت است اتصال دو فلز غیر همجنس در دو نقطه که اگر این دو نقطه را در دو درجه حرارت مختلف قرار دهیم، جریان الکتریکی ضعیفی برقرار می شود.