مقدمة في التبريد

أنظمة التبريد منتشرة في كل مكان ، ولها تأثير هائل على حياتنا اليومية. في أي وقت تقوم فيه بتخزين الطعام في الثلاجة أو الفريزر ، أو تشغيل مكيف الهواء ، فإنك تستخدم أنظمة التبريد. في الأساس ، تتمثل مهمة هذه الأنظمة في إزالة الحرارة من الخزان البارد وإيداعها في خزان دافئ ، عكس الاتجاه الطبيعي لتدفق الحرارة. التكنولوجيا السائدة المستخدمة لتحقيق ذلك هي دورة ضغط البخار. سيوضح هذا الفيديو كيفية عمل دورة ضغط البخار ، ثم يوضح كيفية استخدامها في نظام تبريد بسيط يتم ضخه يدويا. في النهاية ، سيناقش بعض التطبيقات الإضافية.

دورة ضغط البخار هي دورة ديناميكية حرارية يتم إجراؤها على سائل عامل ، أو غاز تبريد ، بحيث تتدفق الحرارة إلى المبرد من الخزان البارد ومن المبرد إلى الخزان الساخن. يتطلب ذلك دورانا ميكانيكيا لغاز التبريد بالإضافة إلى التحولات المنسقة لحالته الديناميكية الحرارية. تستفيد الدورة من قبة البخار ، وهي منطقة من مساحة طور المبرد يمكن رؤيتها في مخططات إنتروبيا درجة الحرارة والمحتوى الحراري للضغط. في هذه المخططات ، تشير المنطقة اليسرى إلى الطور السائل ، الذي يحده جزئيا خط السائل المشبع ، وتشير المنطقة اليمنى إلى طور البخار ، والذي يحده بالمثل خط البخار المشبع. تلتقي خطوط التشبع عند النقطة الحرجة ، والتي يكون السائل فوقها حرجا للغاية. بين خطوط التشبع ، يكون السائل على مرحلتين ودرجة الحرارة هي دالة للضغط كما هو موضح في متساوي الحرارة في مخطط المحتوى الحراري للضغط. في هذه المنطقة ، لا يمكن تغيير درجة الحرارة والضغط بشكل مستقل عن بعضهما البعض ، لذلك تحدد كل قيمة ضغط درجة الحرارة. لذلك ، يمكن ضبط درجة حرارة خليط ثنائي الطور عن طريق تغيير الضغط. مع وضع ذلك في الاعتبار ، دعنا نفحص دورة ضغط البخار. لأغراض التوضيح ، افترض أن R-134a هو المبرد ومعدل التدفق الكتلي 0.01 كجم في الثانية. هناك أربع مراحل في الدورة: الضغط والتكثيف والتمدد والتبخر. يصف كل منها الانتقال بين نقاط البقاء الرئيسية لغاز التبريد. أثناء الضغط ، يدخل بخار الضغط المنخفض إلى الضاغط ويتم استخدام مدخلات العمل إلى الضاغط لضغط المبرد. بعد مغادرة الضاغط ، يمر بخار الضغط العالي إلى المكثف ، وهنا ، يتم رفض الحرارة إلى الخزان الساخن المحيط حيث يتكثف المبرد متساوي الضغط المبرد عالي الضغط الآن في الطور السائل ، ثم يتدفق عبر جهاز تمدد الاختناق. يتمدد السائل متساوي الخواص عند المرور ، وعندما ينخفض الضغط ، يومض إلى حالة ثنائية الطور ، وينخفض إلى درجة حرارة منخفضة. في المرحلة الأخيرة ، يدخل المبرد ذو درجة الحرارة المنخفضة إلى المبخر ويمتص الحرارة من الخزان البارد. هذا يؤدي إلى التبخر متساوي الضغط مع تدفق المبرد من خلاله. تكتمل الدورة عندما يعود بخار المبرد منخفض الضغط إلى الضاغط. في هذا المثال ، تبلغ سعة تبريد المبخر 1.67 كيلووات ، ومدخلات عمل الضاغط 0.31 كيلووات ، وبالتالي فإن معامل الأداء أو كفاءة النظام هو 5.4. الآن بعد أن فهمت كيفية عمل الدورة ، دعنا نبني ونحلل ثلاجة بسيطة لإظهار هذه المبادئ أثناء العمل.

} تحذير ، تتضمن هذه التجربة أنظمة ذات ضغوط مرتفعة واستخدام المبردات ، والتي يمكن أن تكون خطرة عند التركيزات العالية. اتبع دائما احتياطات السلامة المعقولة وارتد معدات الحماية الشخصية المناسبة. تأكد من التهوية الكافية عند العمل مع المبردات. ابدأ في بناء نظام الثلاجة باستخدام ضاغط البخار. قم بتثبيت صمام Schrader على منفذ واحد من أسطوانة هوائية مزدوجة الحركة ، ثم قم بتوصيل نقطة الإنطلاق المناسبة للأنابيب بالمنفذ الآخر. قم بتوصيل صمامات الفحص على المنفذين المتبقيين من نقطة الإنطلاق ، بحيث يشير أحدهما إلى الداخل والآخر يشير إلى الخارج. سيسمح هذا التكوين بسحب المبرد من المبخر وطرده إلى المكثف عند الضغط العالي. سيتم تشغيل الضاغط بواسطة مضخة أرضية دراجة عالية الضغط معدلة. قم بإزالة مكون صمام فحص الخرزة المطاطية من سباكة مضخة الدراجة. سيسمح ذلك للضاغط بالتمدد وسحب المبرد بين ضربات الضخ. قم بتركيب المحملات الملائمة للأنابيب بمقاييس الضغط على جانبي الضاغط ، بحيث يمكن مراقبة ضغط المنبع والمصب يتم توصيل تركيبات نقطة الإنطلاق من خلال صمامات الفحص ، والتي تسمح بالتدفق في اتجاه واحد فقط. عندما يتم تمديد المكبس ، يسمح صمام الفحص الأيسر بالتدفق من مبخر الضغط المنخفض إلى حجم الضاغط. عندما يتم ضغط المكبس ، يتم ضغط البخار وإجباره عبر صمام الفحص الأيمن إلى مكثف الضغط العالي. من خلال تدوير المكبس ، يمكن سحب تيار مستمر من بخار الضغط المنخفض من المبخر وتوصيله إلى المكثف عند ضغط عال. المرحلة التالية من النظام هي المكثف ، والذي سنبنيه من طول أنابيب الألومنيوم. قم بتشكيل الأنبوب في ملف ، عن طريق لفه حول قلب مطاطي صلب قطره 2.5 سم لأربع لفات ، ثم استخدم تركيبات ضغط لربط أحد طرفيه بالمنفذ المفتوح للنقطة الإنطلاق ، في اتجاه مجرى الضاغط. تأكد من تثبيت التركيبات وتشديدها وفقا لإرشادات الشركة المصنعة. بعد ذلك ، قم بتثبيت طول قصير من الأنابيب البلاستيكية الشفافة بين مرفقين للاختزال. سيكون هذا بمثابة خزان لغاز التبريد عالي الضغط ، المتصل بمخرج أنبوب المكثف بتركيب ضغط آخر. المرحلة التالية هي الموسع ، ولكن هذا أيضا مكان مناسب لإضافة منفذ شحن لملء وتصريف المبردات. قم ببناء منفذ الشحن من خلال الجمع بين موصل تركيب مضيئة A.N.S.A.E. مع صمام كروي ونقطة الإنطلاق الأنبوبية الأخرى. قم بتوصيل صمام إبرة بجانب واحد من نقطة الإنطلاق للأنبوب لجهاز التمدد. أخيرا ، استخدم قسما آخر من أنابيب الألمنيوم لتوصيل المنفذ الثالث من نقطة الإنطلاق بالنقطة المنخفضة للخزان. القسم الوحيد المتبقي هو المبخر. قم بتشكيل ملف ثان من أنابيب الألومنيوم باستخدام نفس التقنية كما كان من قبل ، وقم بتوصيله بين مخرج صمام الإبرة ومدخل الضاغط ، لإكمال حلقة التبريد. الآن بعد أن تم تجميع النظام ، املأه بالهواء المضغوط من خلال منفذ الشحن لاختبار أي تسرب. استخدم رذاذ الماء والصابون لتحديد أي وصلات متسربة وإجراء الإصلاحات حسب الضرورة. أخيرا ، قم بتوصيل المزدوجات الحرارية بملفات المكثف والمبخر لقياس درجة الحرارة. أنت الآن جاهز لشحن الثلاجة وتشغيلها.

الشحن هو عملية من خطوتين. يتم إخلاء الهواء أولا من النظام ثم يضاف المبرد. قم بتوصيل المنفذ الأوسط لمشعب شحن غاز التبريد بمنفذ الشحن في الثلاجة. ثم قم بتوصيل مضخة تفريغ بمنفذ الضغط المنخفض للمشعب ، وعلبة من المبردات بمنفذ الضغط العالي. أغلق جميع الصمامات ثم قم بتشغيل مضخة التفريغ. افتح جميع صمامات النظام تدريجيا لتفريغ الهواء من النظام. بعد إخلاء الهواء من النظام ، افتح صمام علبة التبريد لفترة وجيزة لتنظيف أي هواء من خط التبريد ، ثم أغلقه مرة أخرى. الآن بعد أن تم إخلاء كل الهواء ، قم بعزل مضخة التفريغ عن طريق إغلاق منفذ الضغط المنخفض على مشعب شحن غاز التبريد. اقلب علبة التبريد وحقن المبرد السائل في النظام حتى يصبح المستوى في خزان الضغط العالي أعلى قليلا من مستوى صمام الإبرة. تتمثل الخطوة الأخيرة في ضبط صمام الإبرة حتى يفتح بالكاد ، ثم توصيل خرطوم مضخة الدراجة بصمام شريدر على الضاغط. قم بتشغيل الثلاجة عن طريق ضخ مضخة الدراجة ، كما تفعل ، تتبع الضغوط الجانبية العالية والمنخفضة بالإضافة إلى درجات حرارة المبخر والمكثف. عند الوصول إلى ظروف الحالة المستقرة ، سجل هذه الضغوط وقيم درجة الحرارة. إذا كانت المقاييس تبلغ عن قياس الضغط ، أي الضغط بالنسبة إلى الغلاف الجوي ، فقم بتحويل القراءات إلى ضغط مطلق عن طريق إضافة غلاف جوي واحد إلى القراءة.

ألق نظرة على نتائج أداء ثلاجتك. أولا ، قارن درجات الحرارة المقاسة بدرجات حرارة التشبع المقابلة لغاز التبريد عند الضغوط المنخفضة والعالية المقاسة. في هذه الحالة ، تتطابق القياسات بشكل وثيق. قد يكون التناقض في درجة حرارة المبخر ناتجا عن انتقال الحرارة من الهواء المحيط إلى السطح الخارجي للمزدوج الحراري. تتطابق درجة حرارة المكثف مع التسامح التجريبي ، ولكن قد يبدو هذا أيضا أكثر دفئا مما كان متوقعا إذا تم وضع المزدوجة الحرارية بالقرب من الجزء فائق السخونة من المكثف. قم بإنهاء التحليل من خلال الإشارة إلى نقاط الحالة ومنحنيات التوصيل التقريبية على مخططات إنتروبيا درجة الحرارة والمحتوى الحراري للضغط. يمكنك أن ترى أن النظام البسيط ينتج أداء محدودا مع قدرة تبريد منخفضة ورفع منخفض ، مقارنة بالأنظمة التجارية. نظرا لأن الكثير من أعمال الإدخال يتم إنفاقها على ضغط الهواء في مضخة الدراجة ، يمكن تحسين الأداء باستخدام غاز تبريد منخفض الضغط. بالإضافة إلى ذلك ، سيكون استخدام صمام التمدد الذي يمكنه الحفاظ على فرق ضغط أكبر مفيدا. تستخدم معظم الأنظمة التجارية صمام تمدد يتم التحكم في درجة حرارته ، والذي يضبط فتحه ديناميكيا للحفاظ على درجة حرارة المبخر المطلوبة. الآن بعد أن قمنا بتحليل العملية الأساسية ، دعنا نلقي نظرة على بعض التطبيقات النموذجية الأخرى.

دورة ضغط البخار هي تقنية التبريد المهيمنة المستخدمة في العديد من أجهزة الأماكن الشائعة. أصبحت الإدارة الحرارية للإلكترونيات ذات أهمية متزايدة مع انخفاض حجم المكونات بشكل مطرد ، بينما نمت الطلب على الطاقة والسرعة. يتميز تبريد أجهزة الكمبيوتر الفائقة وغيرها من الإلكترونيات عالية الطاقة باستخدام دورة ضغط البخار بالعديد من المزايا مقارنة بالتقنيات الأخرى. يمكن أيضا استخدام دورة ضغط البخار كمضخة حرارية. في هذا الوضع ، يتم الحصول على الحرارة في المبخر من محيط منخفض الحرارة ثم يتم توصيلها إلى مكان مكيف أكثر دفئا. يمكن أن يكون هذا وضعا فعالا للتسخين مقارنة بالتسخين بالمقاومة المباشرة ، لأن معظم الحرارة التي يتم توصيلها يتم سحبها من المناطق المحيطة ، ويتم توفير جزء صغير فقط للضاغط كعمل ميكانيكي.

لقد شاهدت للتو مقدمة جوف عن التبريد وقبة البخار. يجب أن تفهم الآن كيفية تنفيذ دورة ضغط البخار في أنظمة التبريد ، وكيفية تحليل الأداء باستخدام إنتروبيا درجة الحرارة ومخططات المحتوى الحراري للضغط. شكرا للمشاهدة.