سیکل تبرید تراکمی یا تبرید تراکمی بخار ۲۰۰ ساله شد و هنوز هم به همان قوت سابق در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، هر چند روش‌ها و ابزارهای کار روز به روز تغییر می‌کنند اما همچنان با یک مکانیزم مشخص و فرایندهای ترمودینامیکی اثبات شده، برودت تراکمی صورت می‌گیرد.
به چه چیزهایی می توان تبرید گفت
تا بیش از قرن نوزدهم میلادی تبرید تنها به حمل و نقل یخ از مناطق سردسیر به مناطق گرم سیر و نگهداری آن در محفظه های مخصوص و یا زیر زمین و همچنین ساخت یخ در زیرزمین و نیز نگهداری برف فشرده در مکانه ای مخصوص برای استفاده از فصول گرم سال محدود بود. در سال ۱۸۳۴ اولین ماشین تبرید دستی در انگلستان تحولی در صنعت تبرید به وجود آورد، قبل از آن در سال ۱۸۲۴ یک سلسله آزمایش ها برای تبدیل بعضی گازهای پایدار به مایع انجام داد که مبنای کار ماشین های جذبی قرار گرفت اگر چه فاراده در زمان خودش توانست از این آزمایش ها برای تولید برودت بهره بگیرد ولی مقدمه ای شد برای آیندگان.
در سال ۱۸۵۱ یک مخترع آمریکایی یک ماشین یخ ساز با مبرد هوا ساخت و در سال ۱۸۵۹ سیکل جذبی با استفاده از آمونیاک به عنوان ماده مبرد و آب به عنوان جاذب توسط فردیناندکاره مورد استفاده قرار گرفت این سیستم اولین بار در ایالات متحده آمریکا برای ساخت چیلرهای جذبی استفاده شد.سپس در سال ۱۸۶۰ اولین ماشین اتر سولفوریک برای ایجاد برودت در صنایع نوشابه سازی در استرالیا ساخته شد بعدها در سال ۱۸۸۰ اولین کارخانه یخ مصنوعی ساخته شد و این کارخانه اولین قدم در عمومی سازی صنعت تبرید بود.
در سال ۱۸۹۰ تبرید تراکمی و جذبی رواج یافت البته در اوایل پیدایش تبرید تراکمی، دستگاه های موجود حجیم و گران بودند و راندمان زیادی نداشتند و می بایست فردی متخصص از آنها نگهداری می نمود به همین دلیل تبرید مکانیکی صرفا به چند کاربرد بزرگ محدود می شد.یکی از دلایل عدم پیشرفت در دهه های اولیه استفاده از بخار برای چرخاندن کمپرسور بود، با اختراع و پیشرفت موتور های الکتریکی و همچنین تهیه مبردهای بی خطر تولیدات صنایع تبرید و تهویه مطبوع به نقطه اوج خود رسید و دستگاهای هواساز کوچک و یخچال ها و فریزرهای خانگی به میزان قابل توجهی تولید گردید. و هنوز هم تکامل و پیشرفت ادامه دارد. اساس کارکرد سیستم های تبرید جذبی در آزمایش میشل فاراده که در سال ۱۸۲۴ م صورت گرفت استوار می باشد. در آن زمان دانشمندان عقیده داشتند که گاز های مانند آمونیاک تنها به شکل بخار وجود دارند. فاراده آزمایش هایی را به منظور مایع ساختن آمونیاک انجام داد. او می دانست که بخار آمونیاک می تواند به مقدار زیاد جذب کلرید نقره شود، فاراده کلرید نقره را در دمای بالا در معرض بخار آمونیاک قرار داد. پس از جذب بخار آمونیاک توسط کلرید نقره، فاراده ماده حاصل را درون یک لوله آزمایش به شکل عدد ۸ قرار داد سپس انتهای لوله را که حاوی کلرید نقره بود حرارت و در همان حال انتهای دیگر لوله را در یک ظرف آب سرد قرار داد.
بخار آمونیاک تحت اثر حرارت داده شده از کلرید نقره جدا شده و در یک طرف دیگر لوله که درون آب سرد قرار داشت تقطیر شد. پس از این عمل فاراده لوله آزمایش را از ظرف آب و از نزدیکی شعله خارج کرد و پس از مدت کوتاهی، مایع آمونیاک در داخل لوله آزمایش به شدت شروع به جوشیدن کرد. سپس تمامی مایع در مدت کوتاهی تبخیر شده و مجددا جهت کلرید نقره شده. فاراده با لمس کردن لوله آزمایشی که آمونیاک در آن جوشیده بود متوجه شد که این لوله به مقدار زیادی سرد شده است. در واقع آمونیاک ضمن تغییر فاز از مایع به بخار گرمای محیط را جذب کرده و سبب ایجاد سرما شده بود در واقع این آزمایش نقطه آغازین پیدایش سیستم های تبرید جذبی بود. سیستم تبرید جذبی اولین بار در سال ۱۸۶۰ به وسیله فردیناند کاره فرانسوی اختراع شد بدین ترتیب که اگر در سیستم تراکمی بخار، بجای کمپرسور یک ژنراتور و یک جذب کننده و یک پمپ قرار دهیم نتیجه یک سیستم جذبی ساده خواهد شد( البته در شرایط خاص می توان پمپ را نیز از سیکل حذف کرد.)
نیروگاه‌های گازی، صنایع پتروشیمی و شیمیایی و اکثر صنایع مواد غذایی و نوشیدنی‌ها و همچنین تجهیزات تهویه و سردخانه‌ای و مواردی از این دست از تبرید تراکمی استفاده می‌کنند و تولید این تجهیزات بیش از پیش رونق یافته و بخش عظیمی از مهندسی مکانیک را تشکیل می‌دهد.
تعریف سیستم تبرید تراکمی
ساده‌ترین توضیح و تعریف برای این سیستم این است: یک موتور حرارتی که در جهت عکس عمل می‌کند یا به طور اختصاصی به آن موتور کارنو معکوس نیز گفته می‌شود. به عبارت دیگر سیستم تبرید تراکمی حرارت را از منبع سرد به منبع گرم انتقال می‌دهد. و تابع بیان کلازیوس از قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید: نمی توان یک دستگاه مکانیکی ساخت که بدون دریافت کار حرارت را از منبع دما پایین به منبع دما بالا انتقال دهد.
پس سیکل تبرید تراکمی باید کار دریافت کند و این کار توسط الکتریسیته و یا سایر انواع کار می‌تواند صورت بگیرد.
اجزای سیستم برودت تراکمی
سیکل تراکم بخار ۴ بخش اصلی دارد:
- کمپرسور
- کندانسور
- شیر انبساط
- اواپراتور
در داخل کمپرسور یک فرایند افزایش فشار رخ می‌دهد تا فشار مبرد خروجی از اواپراتور را بالا ببرد. این مبرد فشار بالا، از یک کندانسور یا مبدل گرمایی عبور می‌کند تا حرارت مبرد را به بیرون انتقال دهد تا دوباره برگردد و با عبور از شیر انبساط فشار آن مجددا کاهش پیدا کند و دوباره به اواپراتور انتقال یابد تا حرارت محیط را جذب کند.
شمایی کلی از این سیکل در ادامه آورده شده است و مراحل آن در قسمت بعدی به طور کامل توضیح داده می‌شود.
مراحل سیکل تبرید تراکمی
سیکل تبرید تراکمی ۴ مرحله دارد
-
متراکم شدن
مبرد (به طور مثال R-717) در یک فشار پایین وارد کمپرسور می‌شود و متراکم سازی برای بالا بردن فشار و دمای آن انجام می‌شود. برای متراکم کردن مبرد کار نیاز است و این کار توسط یک موتور الکتریکی ایجاد می‌شود. کمپرسورها در انواع اسکرو، اسکرال، سانتریفیوژی و رفت و برگشتی موجود هستند.
-
تقطیر
کندانسور یک مبدل گرمایی است. حرارت از مبرد به محیط بیرون و یا سیالی نظیر آب منتقل می‌شود. آب معمولا در خنک‌سازی استفاده می‌شود و همیشه در برج خنک‌کن وجود دارد تا با کمترین دما به کندانسور برسد و دمای مبرد را کاهش دهد. معمولا از آب دریاچه یا چاه برای این کار استفاده می‌شود. فرایند تقطیر در فشار ثابت انجام می‌گیرد.
-
انبساط
وقتی مبرد وارد شیر انبساط می‌شود منبسط می‌شود و فشار آن مجددا کاهش می‌یابد و به فشار کاری اواپراتور می‌رسد، در ضمن دمای مبرد هم طی این فرایند کاهش می‌یاید و به همین دلیل مبرد از شیر انبساط به صورت ترکیبی از مایع و بخار خارج می‌شود تا در اواپراتور به کار گرفته شود.
-
تبخیر
در این مرحله از سیکل برودت تراکمی دمای مبرد که بسیار پایین‌تر از محیط (داخل یخچال یا سردخانه) است وارد اواپراتور می‌شود و با دریافت گرمای نهان تبخیر کاملا به بخار تبدیل می‌شود. این کار در فشار و دمای پایین اتفاق می‌افتد و قدرت مکش کمپرسور، قابلیت حرکت مبرد در داخل سیکل را فراهم می‌کند.
این ۴ مرحله در تمام سیکل‌های تبرید تراکمی تکرار می‌شوند و صرفا تکنولوژی ابزارهای کار را توانسته است تغییر بدهد و مکانیزم کار کاملا ثابت است.
چند مشکل در سیستم تبرید تراکمی
سیکل تبرید تراکمی فواید زیادی در صنعت دارد و در حال حاضر یکی از اصلی‌ترین راه‌های سردسازی در صنایع مختلف است اما گاهی مشکلاتی در این سیستم پیش می‌آید که نیازمند بهبود است.
- نشتی یا خراب شدن کمپرسور: کمپرسور تنها جزء از سیکل تبرید است که دارای موتور است و حرکت می‌کند از این رو امکان شکسته شدن و یا خراب شدن برخی قطعات آن و در نتیجه نشتی آن وجود دارد.
- رسوب: رسوب یکی از مشکلات سیکل‌های تبرید تراکمی است و مانند عایقی در برابر انتقال حرارت چه از داخل اواپراتور و چه کندانسور قرار می‌گیرد.
- خنک‌کاری موتور: موتوری که برای ایجاد کار در سیکل تبرید کار می‌کند توان مصرفی بالایی دارد و خنک‌کاری آن هم یکی از مسائلی است که در حین طراحی سیکل تبرید باید به فکر آن بود.
- محدودیت خط مایع: فشار پایین در اواپراتور گاهی باعث می‌شود تا حرکت مبرد در داخل سیکل متوقف شود و سیستم کاملا از کار بیفتد و باید قدرت مکش کمپرسور یا فشار کاری اواپراتور تغییر کند.
جمع بندی
سیکل تبرید تراکمی یکی از پرکاربرد‌ترین سیکل‌ها در صنعت سردسازی است و در ۴ مرحله‌ی اساسی و با استفاده از تجهیزات کاری این کار را انجام می‌دهد. این سیکل در سردخانه‌ها، تاسیسات و نیروگاه‌ها کاربرد دارد و مصارف صنعتی آن بسیار زیادند. سیکل تبرید جذبی نوع دیگری از تبرید است که مکانیزم آن با برودت تراکمی کاملا متفاوت است. گاهی اوقات مشکلاتی در سیستم تبرید تراکمی به وجود می‌آید که می‌تواند ناشی از عملکرد ضعیف یکی از اجزای سیستم باشد.
منابع:
http://web.mit.edu/2.972/www/reports/compression_refrigeration_system/compression_refrigeration_system.html
https://www.araner.com/blog/vapor-compression-refrigeration-cycle/
