تبرید یا سرمایش — از صفر تا صد

به فرایند انتقال گرما از یک فضای بسته یا یک ماده به خارج از آن با هدف کاهش دما و حفظ آن در نقطه‌ای پایین‌تر «تبرید یا سرمایش» (Refrigeration) می‌گویند. همچنین فرایندی را که برای رسیدن به دماهای خیلی پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد، «کرایوژنیک» (cryogenics) می‌خوانند.

سرما در واقع وجود ندارد؛ سرما یعنی نبود گرما. در نتیجه برای کاهش دما باید گرما را خارج کرد. با در نظر گرفتن «قانون دوم ترمودینامیک» (the Second Law of Thermodynamics)، هنگام دفع گرما مقداری کار نیز باید انجام شود. این کار عموما به شکل مکانیکی انجام می‌شود اما می‌تواند در صورت‌های مغناطیسی یا لیزر نیز باشد.

تفاسیر بسیاری از قانون دوم ترمودینامیک مطرح شده و شناخته شده‌ترین نظرات در مورد این قانون، توسط «پلانک» (Planck)، «کلوین» (Kelvin) و «کلازیوس» (Clausius) ارائه شده است. بیان کلوین-پلانک می‌گوید:

ساخت دستگاهی که تنها هدف آن، دریافت حرارت از یک منبع و تبدیل تمامی آن، به کار خالص باشد، غیر‌ممکن است.

کلازیوس نیز قانون دوم را از دیدگاه خود به این صورت تفسیر می‌کند:

هیچ‌گاه نمی‌توان دستگاهی ساخت که تنها هدف آن، انتقال حرارت از منبع دما پایین به منبع دما بالا باشد.

کاربردهای تاریخی

در این بخش به روش‌های استفاده از سرمایش در گذشته می‌پردازیم.

برداشت یخ

استفاده از یخ برای فریز کردن و حفظ غذا به زمان‌های ماقبل تاریخ باز می‌گردد. در طول قرن‌ها برداشت فصلی برف و یخ حرفه‌ای عادی در میان فرهنگ‌های مختلف باستانی بوده است: چینی‌ها، عبرانیان، یونانی‌ها، رومی‌ها و پارس‌ها.

یخ و برف در غارها یا حفره‌ها جمع‌آوری و سپس با مواد عایق مانند کاه پوشانده می‌شد. پارس‌ها یخ را در گودال‌هایی با نام «یخچال» (yakhchals) ذخیره می‌کردند. ذخایر یخ به مردم اجازه می‌داد در طول فصول گرم غذا را سالم نگاه دارند. قرن‌ها این روش برای حفظ غذا کارآمد بود و حتی در قرن بیستم نیز کاربرد خود را حفظ کرد.

در قرن شانزدهم، کشف فناوری «تبرید شیمیایی» (chemical refrigeration) یکی از اولین قدم‌ها در راه رسیدن به تبرید مصنوعی بود. هنگامی که سدیم نیترات یا پتاسیم نیترات در آب حل می‌شوند، دمای آن را پایین می‌آورند. آب سرد حالا به عنوان حمامی برای کاهش دمای موادی مانند نوشیدنی‌ها در ایتالیا استفاده می‌شد.

در طول نیمه‌ی اول قرن نوزدهم، برداشت یخ به حرفه‌ای بزرگ در امریکا تبدیل گشت. «فردریک تودر» (Frederic Tudor) که به پادشاه یخ معروف شد، تلاش می‌کرد تا عایق بهتری برای حمل‌ونقل یخ در فواصل زیاد و به ویژه به مناطق گرمسیر تولید کند.

اولین سیستم‌های تبرید

اولین روش مصنوعی تبرید توسط «ویلیام کولن» (William Cullen) در دانشگاه گلاسکوی اسکاتلند در سال ۱۷۵۶ معرفی شد. کولن از یک پمپ برای ایجاد خلأ نسبی بالای ظرفی شامل دی‌اتیل اتر استفاده کرد. همان‌طور که می‌دانید با کاهش فشار روی مایع، مایع در دمای پایین‌تری شروع به جوشش می‌کند. دی‌اتیل اتر به همین ترتیب با گرفتن گرما از محیط اطراف می‌جوشید. با این روش کولن حتی توانست مقداری یخ تولید کند، اما کار او کاربرد عملی در آن زمان پیدا نکرد.

در سال ۱۸۰۵، مخترع امریکایی «الیور اوانز» (Oliver Evans) سیستم تبریدی بر اساس فشرده‌سازی بخار طراحی کرد اما هیچ‌گاه طرح خود را نساخت.

در سال ۱۸۲۰، دانشمند بریتانیایی «مایکل فارادی» (Michael Faraday) توانست با افزایش فشار و کاهش دما آمونیاک مایع تولید کند.

در سال ۱۸۳۴، «ژاکوب پرکینز» (Jacob Perkins) توانست اختراع «سیستم تبرید تراکمی» (vapor-compression refrigeration system) را به نام خود ثبت کند. پرکینز حتی نمونه‌ای عملیاتی ساخت اما نتوانست این دستگاه را در مقیاس گسترده به فروش برساند.

در سال ۱۸۴۲، فیزیک‌دان امریکایی «جان گاری» (John Gorrie) اولین سیستم را برای تولید یخ از آب ساخت. او حتی به سرمایش فضای منزل یا ساختمان‌های اداری نیز با این روش می‌اندیشید. سیستم جان ابتدا هوا را فشرده می‌کرد. هوای گرم فشرده در این مرحله با آب قبل از انبساط خنک می‌شد. در مرحله‌ی بعد، «انبساط هم‌آنتروپی یا آيزنتروپیک» (isentropic expansion) هوا، دمای آن را تا حد زیاد پایین می‌آورد که می‌توانست منجر به تولید یخ از آب گردد. گرچه جان نیز توانست نمونه‌ای از دستگاه خود بسازد، اما موفقیت اقتصادی خاصی به دست نیاورد.

«الکساندر تویینیگ» (Alexander Twining) نیز شروع به انجام آزمایش‌هایی با سیستم تراکمی تبرید کرد و در نهایت توانست در سال ۱۸۵۴ به نخستین تولید کننده اقتصادی یخچال در آمریکا تبدیل گردد.

در همین بین، «جیمز هریسون» (James Harrison) که در اسکاتلند به دنیا آمد و به استرالیا مهاجرت نمود، شروع به بهره‌برداری از ماشین یخ‌ساز مکانیکی در سال ۱۸۵۱ کرد. در سال ۱۸۶۱ تعداد زیادی از سیستم‌های او در سردخانه‌های گوشت و کارخانه‌های تولید نوشیدنی مورد استفاده قرار گرفت.

مهندسان استرالیایی، آرژانتینی و امریکایی در فکر سیستمی برای سردخانه‌های کشتی بودند تا این که در میانه‌‌های دهه‌ی ۱۸۷۰ میلادی، اولین موفقیت اقتصادی توسط «ویلیالم سولتائو داویدسون» (William Soltau Davidson) رقم خورد. او توانست یک یخچال بزرگ در کشتی «Dunedin» در سال ۱۸۸۲ نصب کند. اختراع او منجر به حمل‌و‌نقل راحت گوشت و مواد لبنیاتی شد.

اولین «سیستم تبرید جذبی گاز» (gas absorption refrigeration system) با استفاده از آمونیاک حل شده در آب توسط «فردیناند کاری» (Ferdinand Carré) از فرانسه در سال ۱۸۶۰ به ثبت رسید. با توجه به خاصیت سمی آمونیاک، از این سیستم در خانه‌ها استفاده نشد اما برای تولید یخ در کارخانه‌های یخ‌سازی مورد استفاده قرار گرفت. حتی در همین زمان هم بسته‌های یخ تولیدی به روش برداشت یخ رایج بود.

«تادس لو» (Thaddeus Lowe) یکی از خلبانان بالن در جنگ داخلی امریکا سال‌ها روی خواص گازها مشغول به کار بود. یکی از اصلی‌ترین کارهای او تولید گاز هیدروژن در مقیاس بالا به شمار می‌رود. وی همچنین اختراعاتی در مورد ماشین تولید یخ به ثبت رساند. ماشین یخ تراکمی او انقلابی در سردخانه‌های صنعتی به پا کرد.

در سال ۱۸۶۹ او و سرمایه‌گذاران دیگر یک کشتی بخار را خریداری و روی آن یکی از یخچال‌های خود را نصب کردند. گروه تادس با در اختیار داشتن یک یخچال روی کشتی شروع به تجارت میوه‌ها و گوشت تازه نموند. البته به دلیل دانش ناکافی این گروه در مورد کشتیرانی و عدم تمایل مردم به مصرف گوشتی که مدت‌ها در یخچال نگه‌داری شده بود، تجارت به سختی شکست خورد.

یخچال‌های مکانیکی در حدود سال ۱۹۱۱ در ایالات متحده به خانه‌های مسکونی و ساختمان‌های اداری / تجاری راه خود را پیدا کردند.

کاربردهای تجاری گسترده

در سال ۱۸۷۰، سازندگان نوشیدنی به بزرگ‌ترین مصرف‌کنندگان واحدهای تبرید تبدیل شدند؛ البته بسیاری از این واحدها هنوز از یخ‌های برداشتی در فصول سرما استفاده می‌کردند. با این‌ که نیاز به مصرف یخ روز‌به‌روز در قرن بیستم افزایش می‌یافت، آلودگی و پساب‌های شهری و صنعتی با پیشرفت انقلاب صنعتی به ذخایر طبیعی یخ راه پیدا کرد؛ در نتیجه برداشت یخ در بسیاری از کلان‌شهرها دیگر یک گزینه‌ی مناسب نبود.

کارخانه‌های مصرف‌کننده‌ی یخ کم‌کم به کیفیت آن اعتراض می‌کردند و به همین دلیل تقاضا برای سردخانه‌های صنعتی بالا رفت. در سال ۱۸۹۵، مهندس آلمانی «کارل ون لینده» (Carl von Linde) فرایندی در مقیاس بالا برای مایع‌سازی هوا طراحی کرد و ساخت. در ادامه امکان استفاده از اکسیژن مایع در یخچال‌های خانگی به صورت امن به وجود آمد.

خودروهای ریلی با یخچال در دهه‌ی منتهی به سال ۱۸۴۰ در امریکا برای انتقال محصولات لبنیاتی در فواصل کوتاه مورد استفاده قرار گرفت.

تا سال ۱۹۰۰، کشتارگاه‌های شیکاگو به سیستم تبرید چرخه‌‌ی آمونیاک مجهز شدند. در سال ۱۹۱۴، تقریبا در جای‌جای ایالات متحده از تبرید مصنوعی استفاده می‌شد.

کاربردهای خانگی

با اختراع فرایند تبرید بر اساس «کلرو فلورو کربن» (chlorofluorocarbon) یا به اختصار «CFC»، یخچال‌های مناسب و امن به خانه‌های مردم نیز راه خود را باز کرد. «فریون» (Freon) برند تجاری شرکت «DuPont Corporation» است که به CFC یا «هیدرو کلرو فلورو کربن» (hydro chlorofluorocarbon) و «هیدرو فلورو کربن» (hydrofluorocarbon) اطلاق می‌شود.

در اواسط سال 1970 میلادی، دانشمندان «Molina» و «Rowland» در دانشگاه «Irvine» کالیفرنیا تشخیص دادند که CFC عامل اصلی تخریب لایه‌ی اوزون هستند. آن‌ها این مطلب را در ژورنال Nature در سال 1974 به چاپ رساندند و به خاطر این کار موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل شیمی در سال 1995 گردیدند. این مطلب بعدها توسط مطالعات ماهواره‌ای تائید شد.

فریون‌ها به عنوان گازهای خنک‌کننده در یخچال‌ها، کولرها و همچنین در مواد پلاستیکى مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مواد، اتم‌های کلر ناپایدار و واکنش پذیرند. هنگامى که گازهای CFC به لایه‌های بالای جو می‌روند، بر اثر برخورد با نور خورشید، گازهای کلر آزاد می‌شوند. اتم‌های کلر در لایه استراتوسفر با مولکول‌های اوزون واکنش می‌دهند. هر اتم کلر به تنهایى می‌تواند 100.000 مولکول اوزون را از بین ببرد. به همین دلیل در گستره جهانى، در سازمان ملل متحد، در معاهده‌ای بنام «معاهده مونترال» (The Montreal Protocol) کشورها متعهد شدند که از تولید و فروش گازهای CFC خوددارى کنند.

این یخچال‌ها برای استفاده در منازل از یخچال‌هایی با سیال عملیاتی متیل‌ فرمات، آمونیاک، متیل کلرید و سولفور دی‌اکسید امن‌تر بودند. استفاده از این مواد شیمیایی با هدف تولید یخچال‌هایی بی‌خطر برای منازل گسترش یافت.

معاهده‌ی مونترال

همان‌طور که اشاره شد در سال ۱۹۸۹، تولید و استفاده از یخچال‌ّ‌های مبتنی بر CFC در این معاهده ممنوع اعلام شد. بیشتر تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان ‌گازهای فریون در مونترال و کبک معاهده را امضا کردند. البته تعدادی از فعالان محیط زیستی به دلیل توصیه معاهده مونترال به استفاده از هیدرو فلورو کربن به جای CFC، با آن مخالف بودند؛ این گروه می‌گفتند گرچه ماده جدید باعث تخریب لایه‌ی ازون نمی‌گردد، با این حال یکی از دلایل اصلی گرمایش جهانی است.

در تلاش برای ساخت یک یخچال جایگزین، «dkk Scharfenstein» از آلمان توانست ماد‌ه‌ی CFC را بر اساس پروپان بسازد. او همچنین توانست یخچالی بدون استفاده از هیدرو فلورو کربن تولید کند.

مفاد معاهده‌ی مونترال در ایالات متحده نیز در سال ۱۹۸۸ ذیل قانونی با نام «Clean Air Act legislation» به تصویب رسید.

کاربردهای کنونی سیستم تبرید

احتمالا مهم‌ترین و رایج‌ترین کاربرد سیستم‌های تبرید در حال حاضر تهویه‌ی مطبوع یا سرمایش خانه‌های مسکونی و ساختمان‌های تجاری به همراه یخچال‌ها باشد. این سیستم به ما اجازه می‌دهد تا همیشه‌ میوه تازه داشته باشیم و بتوانیم در طول سال در تمام دنیا ماهی و گوشت مصرف کنیم.

در مقیاس‌های کلان کاربردهای متعددی برای سرمایش وجود دارد؛ از تبرید برای مایع‌ کردن گازهایی مانند اکسیژن، نیتروژن، پروپان و متان استفاده می‌گردد. در خالص‌سازی هوای فشرده، دمای آن تا حد زیادی پایین آورده می‌شود تا بخارات موجود، میعان و جدا شوند. در پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها از تبرید برای حفظ دمای پایین بخشی از فرایند بهره می‌گیرند. همچنین در جابه‌جایی مواد خوراکی در مسافت‌های زیاد با خودرو، کامیون، قطار و هواپیما، سرمایش عنصری کلیدی است.

محصولات لبنیاتی باید در یخچال نگاه داشته شوند. جالب است بدانید در چند دهه‌ی اخیر به این نکته پی بردند که تخم‌مرغ باید هنگام حمل نیز در یخچال نگاه‌داری شود. گوشت، ماهی و مواد این‌چنینی باید در محیط‌های با دمای کنترل شده تا نقطه‌ی مصرف حفظ گردند. سرمایش می‌تواند زمان قابل مصرف بودن سبزی‌ها را افزایش دهد.

یکی از کاربردهای شگفت‌انگیز سیستم تبرید در توسعه‌ی صنعت سوشی / ساشیمی مشاهده شده است. قبل از کشف سیستم‌های سرمایشی، سلامت متخصصان این حوزه به دلیل ابتلا به بیماری‌هایی مانند هپاتیت به خطر می‌افتاد و بسیاری از آن‌ها تلف می‌شدند. البته به دلیل عدم تحقیقات جامع و ضعف سیستم بهداشتی در مناطق روستایی ژاپن، دلیل اصلی این امراض مشخص نبود.

ساشیمی یک نوع غذای ژاپنی است که بیشتر از خوراک دریایی خام که به صورت ورقه‌های باریک بریده شده است، تشکیل می‌شود. این غذا را اغلب با سس سویا یا واسابی می‌خورند. سوشی نیز خوراکی برنجی در آشپزی ژاپنی و آمیزه‌ای است از برنج پخته‌ی ژاپنی با چاشنی سرکه، چندین گونه خوراک دریایی (بیشتر خام)، سبزی‌ها و تخم مرغ که به صورت سرد خورده می‌شود.

روش‌های نوین تبرید

در ادامه به روش‌‌های تبرید از نظر ترمودینامیکی می‌پردازیم.

تبرید غیرچرخه‌ای (بدون چرخه‌ی ترمودینامیکی)

در «روش غیر‌چرخه‌ای» (Non-cyclic refrigeration)، سردسازی با ذوب یخ یا تصعید یخ خشک انجام می‌شود. این راه‌ها در مقیاس کوچک برای نمونه در آزمایشگاه‌ها یا یخچال‌های مسافرتی مناسب است. یخ برای ذوب شدن در دمای ثابت صفر درجه‌ی سانتی‌گراد به میزان ۳۳۳.۵۵ کیلوژول در کیلوگرم گرما جذب می‌کند. در یخچال‌های مسافرتی، مواد غذایی در این دما یا چند درجه بالاتر، طول عمر و سلامت بیشتری دارند.

کربن‌ دی‌اکسید جامد یا همان یخ خشک نیز به عنوان «مبرد» (refrigerant) مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مبرد بدون آن‌ که در فشار اتمسفر به مایع تبدیل گردد، با جذب گرما تصعید می‌شود. دمای تصعید یخ خشک ۷۸.۵- درجه‌ی سلسیوس است که آن را برای حفظ مواد در دماهایی کمتر از صفر درجه مناسب می‌نماید.

تبرید چرخه‌ای

هنگامي كه مبرد در سيستمي می‌چرخد از تعدادی حالت يا شرايط ترمودینامیکی عبور می‌کند. مبرد از يك حالت اوليه شروع می‌نمايد و پس از عبور از يك سری تحولات كه چرخه ناميده می‌شود مجددا به حالت اوليه برمی‌گردد. جهت ايجاد برودت چرخه‌های گوناگونی مورد استفاده قرار می‌گیرند از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان سيستم تبريد تراكمی، «سيستم تبريد جذبی» (Vapor absorption refrigeration) و «سيستم تبريد ترموالكتريك» (Thermoelectric refrigeration) را نام برد.

هر چرخه سردسازی نیاز به چهار بخش دارد. سیستم‌های سردسازی از جمله تجهیزات بسیار مهم در سرمایش هستند که به طور کلی می‌توان آن‌ها را به دو دسته چیلرهای تراکمی و چیلرهای جذبی تقسیم کرد. چیلرهای تراکمی از انرژی الکتریکی و چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به عنوان منبع اصلی براي ایجاد سرمایش استفاده می‌کنند. چنانچه شرایط طرح به‌گونه‌ای باشد که بخواهیم از سیستم تبرید تراکمی استفاده کنیم از یک کمپرسور مکانیکی و چنانچه از سیستم جذبی استفاده کنیم از یک کمپرسور گرمایی استفاده می‌کنیم.

سيكل تبريد تراكمی

شکل زیر يك چرخه ايده‌آل تبريد تراكمی بخار را نشان می‌دهد.

اين چرخه شامل چهار فرايند زير است:

1. جذب حرارت در فشار ثابت در تبخیرکننده
2. تراكم آيزنتروپيك در كمپرسور
3. دفع حرارت در فشار ثابت در كندانسور
4. اختناق در يك وسيله انبساط

در يك چرخه ايده‌آل تبريد تراكمی بخار، مبرد در حالت اول به صورت بخار اشباع وارد كمپرسور می‌شود و به صورت ايزونتروپيك تا فشار كندانسور تراكم می‌یابد. دمای مبرد طی اين فرآيند تراكمی با آنتروپی ثابت به حد كافی بالاتر از دمای محيط اطراف افزايش می‌یابد. مبرد سپس به صورت «بخار فوق داغ» (super heat vapor) در حالت دوم وارد كندانسور می‌شود و در نتيجه تخلیه‌ی حرارت به محيط اطراف به صورت مايع اشباع در حالت سوم، آن را ترك می‌کند.

مبرد به صورت مايع اشباع در حالت سوم با عبور از يك شير انبساط/ اختناق يا لوله مويين، به فشار تبخيركننده اختناق می‌یابد. دماي مبرد طی اين فرايند به زير دمای فضای سرد شونده افت می‌کند. مبرد در حالت چهارم به صورت يك مخلوط اشباع با كيفيت پايين وارد تبخیرکننده می‌شود و با جذب حرارت از فضای سرد شده كاملا تبخير می‌گردد. مبرد تبخير كننده را به صورت بخار اشباع ترك و با وارد شدن به كمپرسور چرخه را تكميل می‌کند.

در ادامه نمودار ترمودینامیکی دما بر حسب آنتروپی مبرد در یک چرخه تراکمی را مشاهده می‌نمایید.

فناوري تبرید جذبی

فناوری تبرید جذبی روشی عالی براي تهویه مطبوع مرکزی در تأسیساتی است که ظرفیت دیگ اضافی داشته و می‌توانند بخار یا آب داغ مورد نیاز براي راه‌اندازی چیلر را تأمین نمایند. چیلرهای جذبی ظرفیت بین 25 تا 1200 تن برودتی را به راحتی تأمین می‌کنند. در این تجهیزات از آب به عنوان مبرد استفاده می‌شود. گرمای مورد نیاز برای کارکرد این چیلرها به طور مستقیم از گاز طبیعی یا گازوئیل تأمین می‌گردد. منابع غیر مستقیم گرما در چیلرهای جذبی عبارتند از آب داغ، بخار پرفشار و کم‌فشار. بر این اساس تولیدکنندگان مختلف در جهان سه نوع اصلی چیلر جذبی ارائه می‌نمایند که عبارتند از: شعله مستقیم، بخار و آب داغ.

در یک تقسیم‌بندی عمومی می‌توان چیلرهای جذبی را در دو دسته چیلرهای جذبی آب و آمونیاك و چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید و آب طبقه‌بندی نمود. در واقع در هر چرخه تبرید جذبی یک سیال جاذب و یک سیال مبرد وجود دارد که تقسیم بندی فوق بر این مبنا انجام شده است.

در سیستم آب و آمونیاك، سیال مبرد آمونیاك و سیال جاذب آب است. در سیستم لیتیوم بروماید و آب، سیال مبرد آب و سیال جاذب، محلول لیتیوم بروماید است؛ با این حال بر حسب اجزای سیستم هم می‌توان تقسیم‌بندی‌های دیگری ارائه کرد. مثلاً می‌توان چرخه‌های تبرید جذبی را به چرخه‌های تبرید یک اثره، دو اثره و سه اثره طبقه‌بندی کرد. امروزه چرخه‌های تبرید جذبی تک اثره و دو اثره در مقیاس بسیار وسیع و در اشکال متنوع ساخته می‌شوند و چرخه‌های سه اثره همچنان در دست مطالعه هستند.

سيستم تبريد جذبي سيستمی است كه به كمك حرارت و گرما كار می‌کند. اين سيستم به سيستم تبريد تراكمی شباهت زیادی دارد (در سيستم تراكمي از كمپرسور گريز از مركز يا رفت و برگشتی يا دوار استفاده می‌شود). همچنین در هر دو سيستم، تبخيركننده و کندانسور مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآيندی كه در تبخيركننده و کندانسور در هر دو سيستم اتفاق می‌افتد در دو فشار متفاوت است تا بتوان به تبريد در هر دو مورد دست‌ یافت.

تفاوت اين دو سيستم در نحوه ايجاد اين دو فشار برای تبخير كننده و تقطير كننده است. اين دو سيستم در نحوه چرخش مبرد نيز متفاوت هستند. در سيستم تبريد تراكمی، مبرد در فشار پايين در تبخيركننده تبخير می‌شود و حرارت مورد نياز برای تبخير خود را از محيط اطراف می‌گیرد. كمپرسور بخار خروجی از تبخيركننده را در ورودی می‌گیرد و فشار آن را بالا می‌برد و به سمت کندانسور هدايت می‌کند. در کندانسور بخار با فشار بالا تقطير می‌شود و به مايع تبديل می‌گردد. در يك سيستم جذبی عملكرد كمپرسور به وسيله تركيبی از واحد «جاذب» (Absorbent) و «مولد» (Generator) بخار جايگزين شده است. محلولی كه به عنوان جاذب، تمايل زيادی به حل مبرد در خود دارد توسط يك پمپ محلول بين مولد بخار و واحد جاذب حركت می‌کند. در واحد جاذب محلول رقيق، بخار مبرد را در خود حل كرده و باعث می‌شود فشار پايينی در تبخيركننده حاكم باشد تا مبرد بتواند در فشار پایین‌تری تبخير شود.

در مولد بخار محلول جاذب و مبرد حرارت داده می‌شوند تا مبرد محلول در محلول جاذب و مبرد از آن جدا شود و به صورت بخار با فشار بالا به سمت کندانسور رود تا در آنجا تقطير گردد. بنابر اين عمل مكش در كمپرسور با عمل جذب در واحد جاذب جايگزين شده و پمپ كاری مثل بالا بردن فشار مبرد در كمپرسور و مواد بخار، تحويل آن به کندانسور را به عهده دارد. محلول جاذب، بخار مبرد فشار پايين را در سمت تبخيركننده و واحد جاذب، به سمت فشار بالا يعني کندانسور و مولد بخار می‌برد. مايع مبرد در خروجی از تقطير كننده به خاطر اختلاف فشار بين دو پوسته بالايی و پايينی به سمت تبخير كننده جريان يافته و بدين ترتيب چرخه حركتی مبرد در داخل سيستم تبريد جذبی تكميل می‌شود.

در سيستم تبريد تراكمی، بخار مبرد به‌وسیله كمپرسور مستقيما مبرد را از سمت فشار پایین اوپراتور به سمت (فشار بالا) كندانسور هدایت می‌کند، در حالی كه در سيستم جذبی بخار مبرد در واحد جاذب جذب می‌شود و محلول جاذب و مبرد به سمت پوسته فشار بالای كندانسور مولد بخار به كمك يك پمپ فرستاده می‌شود. مبرد محلول در جاذب به وسيله گرمايی كه در مولد بخار می‌گیرد از محلول جدا می‌شود. در واقع به جاي اينكه فشار گاز، با كمپرسور بالا رود آن را در يك ماده جاذب حل می‌کنیم و فشار محلول را با پمپ بالا برده و سپس با حرارت دادن جدا می‌کنیم. بنابراين ورودی انرژی برای اين سيستم، انرژي گرمايی است كه در مولد بخار به محلول داده می‌شود. اين انرژی می‌تواند به صورت آب داغ، بخار يا شعله مستقيم به جاي استفاده از موتور الكتريكی يا موتور احتراق داخلی در سيستم تبريد تراكمی باشد.

چرخه‌ی گازی تبرید

هنگامی که سیال عملیاتی، گازی باشد که مرتبا فشرده و منبسط گردد اما تغییر فاز ندهد، چرخه‌ی تبریدی را «چرخه‌ی گازی» (gas cycle) می‌نامند. به دلیل این که هیچ نوع چگالش یا تبخیری در این نوع چرخه وجود ندارد، به جای کندانسور و تبخیر کننده به ترتیب از مبدل‌های حرارتی گاز – گاز گرم و مبدل‌های حرارتی گاز – گاز سرد استفاده می‌کنند. هوا رایج‌ترین سیال عامل در این دسته است.

به دلیل این که این چرخه بر اساس معکوس «چرخه‌ی برایتون» (reverse Brayton cycle) کار می‌کند، بازده کمتری نسبت به نوع تراکمی که بر اساس معکوس «چرخه‌ی رانکین» (reverse Rankine cycle) کار می‌کند، دارد. همچنین به دلیل این که در این نوع تبرید، تنها از افزایش گرمای محسوس برای انتقال گرما استفاده می‌گردد، دبی گاز عامل باید زیاد و در نتیجه تجهیزات بزرگ باشند.

به دلیل حجم بالا و بازده پایین، خنک‌کننده‌هایی از این دست عموما در خنک‌کننده‌های زمینی مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. با این حال برای مثال در فضا‌پیماهایی جت با توربین، به دلیل وجود هوای فشرده در قسمت کمپرسور، استفاده از این خنک‌کننده‌ها رایج است.

تبرید ترموالکتریک

در سیستم «تبرید ترموالکتریک» (Thermoelectric refrigeration) از «اثر پلتیر» (Peltier effect) برای ایجاد یک شار حرارتی در نقطه‌ی اتصال دو ماده متفاوت بهره می‌برند. اثر ترموالکتریک تبدیل مستقیم اختلاف دما به ولتاژ الکتریکی یا برعکس آن است. یک دستگاه ترموالکتریک وسیله‌ای است که در صورت وجود اختلاف دما در دو سر آن، یک اختلاف پتانسیل پدید می‌آورد و برعکس در صورت اعمال ولتاژ به دو سر آن اختلاف دما ایجاد می‌کند. در ابعاد اتمی، گرادیان دمای اعمال شده سبب می‌شود تا حامل‌های بار در ماده از سر گرم به سر سرد حرکت کنند. اثر پلتیر بیان می‌کند که وقتی جریان الکتریکی از مداری با دو رسانای غیرهم‌جنس عبور می‌کند، انرژی گرمایی از یک اتصال گرفته و در اتصال دیگر جذب می‌شود که باعث می‌گردد اولی سردتر و دومی گرم‌تر شوند. این نوع تجهیزات برای خنک کردن ابزارها و قطعات الکتریکی کوچک و قابل حمل مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تبرید مغناطیسی

«مغناطیس‌زدایی بی‌دررو» (adiabatic demagnetization) یا «تبرید مغناطیسی» (Magnetic refrigeration) نوعی از سرمایش است که بر اساس «اثر مگنتوکالریک» (magnetocaloric effect) که یک ویژگی ذاتی جامدات با خاصیت مغناطیسی است، کار می‌کنند. مبرد این مجموعه عموما یک «نمک پارامغناطیس» (paramagnetic salt) مانند سریم منیزیم نیترات است. دوقطبی مغناطیسی در این مورد، پوسته‌های الکترون اتم‌های پارامغناطیس هستند.

در این فرایند نوعی میدان مغناطیسی بسیار قوی به مبرد اعمال می‌شود. این میدان دوقطبی‌های مغناطیسی را مجبور به جهت‌گیری مشابه می‌کند. این امر باعث قرار گرفتن «درجه‌ی آزادی» (degrees of freedom) مبرد در حالتی با انتروپی پایین‌تر می‌شود. در ادامه یک «منبع گرماگیر» (heat sink) دمای آزاد شده از مبرد را – به دلیل پایین رفتن انتروپی – جذب می‌کند. در مرحله‌ی بعد تماس گرمایی با منبع گرماگیر قطع و میدان مغناطیسی خاموش می‌گردد. این امر باعث افزایش ظرفیت حرارتی مبرد و در نتیجه کاهش دمای آن به پایین‌تر از دمای منبع گرما‌گیر می‌شود. به دلیل این که مواد محدودی چنین ویژگی‌هایی از خود نشان می‌دهند، از این سیستم تنها در کاربردهای محدودی مانند تحقیقات و حالت‌های دماپایین استفاده می‌گردد.

روش‌های دیگر

از دیگر روش‌های سرمایش می‌توان به «ماشین چرخه هوا» (air cycle machine) مورد استفاده در فضاپیما، «لوله‌ی ورتکس» (vortex tube) مورد استفاده برای سرمایش نقطه‌ای (هنگامی هوای پرفشار در دسترس باشد) اشاره کرد. همچنین روش «سرمایش ترمواکوستیک» (thermoacoustic refrigeration) از امواج صدا در یک گاز فشرده برای انتقال حرارت بهره می‌برد.

واحد سرمایش

توان یخچال‌های خانگی و تجاری ممکن است با واحد «kJ/s» و «Btu/h» مشخص شود. البته در یخچال‌های تجاری در ایالات متحده از «تن تبرید» (tons of refrigeration) و در کشورهای دیگر از «kW» استفاده می‌شود. یک تن توان تبرید می‌تواند یک تن کوچک (۱۰۱۶.۰۵ کیلوگرم) آب را در دمای صفر درجه‌ی سانتی‌گراد در ۲۴ ساعت به یخ تبدیل کند. می‌توانید از جدول زیر برای تبدیل و فهم واحدهای سرمایش استفاده کنید.

مبرد

مبرد ماده‌‌ی عاملی‌ است که مرتبا با جذب و دفع گرما از فاز گاز به مایع و برعکس تغییر فاز می‌دهد. از مبردها عموما در یخچال‌ها، یخ‌زن‌ها و کولرهای گازی استفاده می‌شود. در سیستم‌های ابتدایی از سولفور دی‌اکسید یا آمونیاک خشک به عنوان مبرد استفاده می‌کردند. این مواد در ادامه همان‌طور که توضیح داده شد با کلروفلروکربن‌ّها جایگزین گشتند.

خواص ایده‌آل یک مبرد

یک مبرد مناسب باید خواص ترمودینامیکی مناسبی از خود نشان دهد، خاصیت خورندگی نداشته و کار با آن ایمن باشد. خواص ترمودینامیکی مناسب به این معنا است که نقطه جوش این ماده باید زیر دمای هدف قرار بگیرد، گرمای تبخیر آن بالا باشد، چگالی کمی در حالت مایع از خود نشان دهد و چگالی آن در حالت گاز بالا باشد. از آنجا که نقطه‌ی جوش و چگالی حالت گازی تحت تأثیر فشار تغییر می‌کند، انتخاب مبرد در هر شرایط عملیاتی متفاوت خواهد بود.

کلاس مبردها

مبردها را با توجه به رفتارشان در جذب و دفع حرارت می‌توان به سه دسته تقسیم کرد.

• کلاس ۱: این مبردها با استفاده از گرمای نهان خود و جذب گرما منجر به سرمایش می‌شوند.
• کلاس ۲: دما این دسته از مبردها بعد از دریافت گرمای محصولات، بالا می‌رود. به این معنا که از ظرفیت گرمایی محسوس خود بهره می‌گیرند. از این دست مبردها می‌توان به هوا، محلول آبی کلسیم کلراید، محلول آبی سدیم کلراید، الکل و محلول‌های ضد یخ دیگر اشاره کرد. هدف مبردهای کلاس دو این است که در تماس غیر مستقیم با مبردهای کلاس یک، کاهش دما پیدا کنند و سپس جهت سرمایش به محیط مورد نظر انتقال یابند.
• کلاس ۳: این گروه شامل محلول‌هایی است که حاوی عوامل قابل میعانی در حالت بخار هستند. این بخارات با دفع گرما میعان می‌شوند.

امیدواریم این مقاله برایتان مفید واقع شده باشد؛ اگر به یادگیری موضوعات مشابه علاقه‌مند هستید، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آشنایی با برج خنک کننده و انواع آن — از صفر تا صد
• یخچال چگونه کار می‌کند؟
• اصول انتقال حرارت — بخش اول: هدایت حرارتی
• تعریف گرما و دما در ترمودینامیک — به زبان ساده

^^