فرادرسیخچال چگونه کار می‌کند؟
«یخچال» (refrigerator) وسیله‌ای برای خنک‌سازی است؛ بدین معنی که با استفاده از آن محوطه یا جسمی را در دمایی کمتر از دمای اطراف نگه می‌دارند.
اصول و مبانی
یخچال بر اساس اصول چرخه‌های ترمودینامیکی و قانون دوم ترمودینامیک، کار می‌کند. چرخه‌ی ترمودینامیکی الزاما چرخه‌ی بسته‌ای است که ماده‌ای تحت فرآیند‌های مختلف قرار می‌گیرد و سپس به حالت اولیه باز‌می‌گردد. معمولا در یخچال خنک‌سازی از طریق «سیستم تبرید با فشرده‌سازی بخار» (vapor compression refrigeration system) انجام میشود.
در این سیستم خنک‌سازی هنگامی انجام می‌گردد که «سیال مبرد» (refrigerants) با جذب گرما از «تبخیر کننده» - این قسمت در فضایی که قرار است سرد شود قرار دارد - به بخار تبدیل میشود.
ورودی سیستم برای فشرده‌سازی توسط «کمپرسور» (compressor)، انرژی مکانیکی است؛ درنتیجه این سیستم را سیستم خنک‌سازی مکانیکی نیز می‌نامند. مواد بسیار زیادی را می‌توان با توجه به ظرفیت و کاربرد‌های مختلف به‌عنوان سیال مبرد مورد استفاده قرار داد.
نحوه ساخت و بهره‌برداری
یخچال از اجزای مختلفی همچون کمپرسور، «کندانسور یا چگالنده» (condenser)، «شیر فشارشکن یا انبساط» (Expansion devices)، تبخیر کننده و دیگر وسایل کمکی که برای بهره‌برداری بهتر به کار می‌رود از جمله: کنترل‌کننده‌ها، فیلتر‌ها و سیستم ضد یخ‌زدگی تشکیل میشود. هماهنگ کردن مناسب اجزای یخچال بر اساس نوع عملکردشان و الزامات مربوطه برای کار کردن مفید یخچال ضروری است. هر جزئی کار خودش را انجام میدهد، پس نیاز است تا همه‌ی آن‌ها را در مکانی مناسب قرار داد.
کمپرسور
کمپرسور مهم‌ترین جزء هر یخچالی است که بدون آن یخچال کار نمی‌کند. این قطعه تجهیزی مکانیکی است که انرژی مکانیکی را سیال عملیاتی یا همان مبرد انتقال میدهد. طرز کار کمپرسور مشابه قلب انسان است؛ به این شکل که قلب خون را به سراسر بدن می‌فرستد. به شکل مشابه کمپرسور سیال مبرد را در تمامی یخچال با افزایش فشار آن تنظیم و جاری می‌کند.
از کمپرسورها برای فشرده کردن گازها استفاده میشود. در حقیقت کمپرسورها وسایلی هستند که با صرف انرژی مکانیکی، سیال را با سرعت به درون خود می‌مکند و سپس آن را فشرده می‌سازند. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده میشود نیز افزایش می‌یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز دوباره به حد معمولی بازگردد.
انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که برای مصارف صنعتی و عمومی طراحی شده‌اند. بد نیست بدانید که حتی پمپ آکواریوم که برای وارد کردن هوا به آکواریوم ماهی‌ها استفاده میشود نیز یک نوع کمپرسور است.
سیال مبرد از تبخیرکننده به کمپرسور انتقال می‌یابد. اصلی‌ترین عملکرد کمپرسور تخلیه سیال مبرد از تبخیرکننده است تا با حفظ دما و فشار پایین در آن، این تجهیز بتواند گرما را از محفظه یخچال خارج کند. در مرحله بعدی کمپرسور سیال مبرد را فشرده می‌کند؛ تا جایی که در کندانسور با از دست دادن دما تبدیل به مایع شود.
دقت کنید که سیالی که وارد کمپرسور میشود یا از آن خارج می‌گردد باید در فاز گاز باشد تا به تجهیز آسیب نرسد.
کمپرسور‌هایی که در یخچال استفاده می‌شوند را می‌توان به دو شیوه دسته‌بندی کرد.
بر اساس اصول کار کردن
- «کمپرسورهای نوع جابه‌جایی مثبت/ رفت‌وبرگشتی»
(Positive displacement type/reciprocating compressors) - «کمپرسورهای نوع روتودینامیکی/سانترفیوژی» (Roto-dynamic type/centrifugal compressors)
بر اساس نوع چینش موتور
- کمپرسورهای نوع باز
- نوع «هرمتیک» (Hermetic) / «سیلد» (Sealed)
- نوع شبه هرمتیک / شبه سیلد
کندانسور
کندانسور جزء مهمی از هر سیستم خنک‌سازی و نوعی مبدل حرارتی است. همان‌طور که اشاره شد، سیال مبرد در حالت «فوق داغ» (Superheat) از کمپرسور به کندانسور منتقل می‌گردد.
ابتدا ماده مذکور از حال فوق داغ خارج و سپس گرمای آن تا حد دمای محیط بیرون گرفته میشود. بسته به دمای محیط بیرون و طراحی کندانسور، سیال مبرد امکان دارد در حالت «اشباع» (Saturate) یا «مایع سرد» (Sub-cooled) از این مرحله خارج گردد.
کندانسور دمای سیال مبرد را توسط لوله‌های مسی که در بیرون از یخچال قرار دارد به محیط پیرامون آزاد می‌کند. این لوله‌های مسی به‌راحتی در پشت یخچال‌های خانگی قابل مشاهده هستند. سیال مبرد در دما و فشار بالا کمپرسور را ترک می‌کند و در کندانسور خنک میشود. بعد از خنک‌سازی این ماده به تجهیز فشارشکن انتقال می‌یابد.
بر اساس نوع سیال پیرامون کندانسور این تجهیز به دسته‌های زیر طبقه‌بندی میشود:
کندانسور خنک شونده با هوا
همان‌طور که اسمش پیداست، محیط پیرامون لوله‌های مسی که سیال مبرد با آن در تبادل گرمایی است را هوا تشکیل میدهد؛ بدین معنی که سیال مبرد گرما را به هوای محیط انتقال میدهد. این نوع کندانسور‌ها را می‌توان به دودسته همرفتی طبیعی و همرفتی اجباری تقسیم کرد. در نوع همرفتی اجباری برای افزایش بازده از وسایلی مثل فن برای جابه‌جایی سیال بیرونی استفاده میشود. این در حالی است که در همرفتی طبیعی چنین وسایلی وجود نخواهد داشت.
کندانسور خنک شونده با آب
همان‌طور که از اسمش پیداست، محیط پیرامون لوله‌های مسی که سیال مبرد با آن در تبادل گرمایی است را هوا تشکیل میدهد؛ بدین معنی که سیال مبرد گرما را به هوای محیط انتقال میدهد. این نوع کندانسور‌ها را می‌توان به دودسته «همرفتی طبیعی» (natural convection) و «همرفتی اجباری» (forced convection) تقسیم کرد. در نوع همرفتی اجباری برای افزایش بازده از وسایلی مثل فن برای جابه‌جایی سیال بیرونی استفاده میشود. این در حالی است که در همرفتی طبیعی چنین وسایلی وجود نخواهد داشت.
کندانسور خنک کننده با آب
در این کندانسور‌ها سیال بیرونی آب است؛ بنابراین آب گرما را از سیال مبرد می‌گیرد.
«فشارشکن» (expansion device)
یکی دیگر از اجزای اساسی سیستم خنک‌سازی، شیر فشارشکن است. کار اصلی فشارشکن در سیستم خنک‌سازی کاهش فشار ماده واسط تعریف می‌گردد. سیال مبرد از کندانسور وارد و به تبخیر کننده می‌رود. همچنین فشارشکن، میزان عبور جریان سیال مبرد را به تبخیر کننده تنظیم می‌کند.
یکی دیگر از وظایف این تجهیز این است که مقدار ماده ورودی را به‌اندازه میزان تبخری سیال مبرد نگاه می‌دارد؛ به این معنی که تنها مقداری از سیال عبور می‌کند که حتما بخار میشود. کار کنترل و تنظیم دمای یخچال توسط فشارشکن با تغییر ورودی‌های آن و بر اساس نیاز ما انجام می‌گیرد. برای مثال در تابستان دمای کمتری نسبت به زمستان نیاز داریم؛ بنابراین فشارشکن را بر اساس شرایط موجود و نیاز خود تنظیم می‌کنیم.
دستگاه‌های فشارشکن استفاده شده در یخچال به دودسته ورودی ثابت و متغیر تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع ثابت سطح جریان ثابت می‌ماند؛ این در حالی است که در ورودی متغیر سطح جریان با تغییر نرخ جریان عوض میشود. در ادامه چند نوع دستگاه فشارشکن مورد استفاده در یخچال آورده شده است.
- شیر دستی فشارشکن
- لوله «مویین» (capillary)
- «اوریفیس» (Orifice)
- شیرهای فشارشکن خودکار یا فشارثابت
لوله مویین و اوریفیس در گروه ورودی ثابت و بقیه در گروه ورودی متغیر دسته‌بندی می‌شوند.
«تبخیر کننده» (Evaporator)
محیط داخل یخچال یا فریز را تبخیر کننده گویند. سیال مبرد از فشارشکن با دما و فشار پایین به تبخیرکننده وارد می‌گردد. در تبخیرکننده این ماده در لوله‌های خنک‌کننده جاری و گرمای محیط یخچال توسط این ماده جذب میشود. سپس براثر جذب گرمای محیط دمای سیال مبرد افزایش می‌یابد و این ماده تبدیل به بخار می‌گردد. بخار تولیدی برای تکمیل چرخه به کمپرسور انتقال می‌یابد. در حقیقت تبخیرکننده مبدلی حرارتی است که بین فضای یخچال و لوله‌های خنک‌کننده قرار دارد و چرخه خنک‌سازی یخچال مرتبا تکرار میشود.
سیال مبرد
مواد خنک‌کننده یا مبرد سیالاتی هستند که در یخچال تحت فرآیند یا چرخه‌ی ترمودینامیکی قرار می‌گیرند و به حفظ دمای تبخیرکننده یا همان محیط داخلی یخچال کمک می‌نمایند. وقتی‌که سیال مبرد وارد تبخیرکننده میشود، گرما را از محیط یخچال می‌گیرد و تبدیل به بخار میشود. یکی از مراحل این فرآیند تغییر فاز است که اثر خنک‌سازی را بیشینه می‌کند.
