تبرید چیست (تعریف تبرید)؟

اصطلاح تبرید (چرخه تبرید) به معنای خنک کردن یک فضا، ماده یا سیستم برای کاهش و یا حفظ دمای آن در زیر دمای محیط است (در حالی که گرمای برداشته شده در دمای بالاتر رد و بدل می شود). به عبارت دیگر ، تبرید خنک کننده مصنوعی (ساخت بشر) است. انرژی به صورت گرما از مخزن دمای پایین خارج شده و به مخزن دمای بالا منتقل می شود.

کار انتقال انرژی به طور سنتی توسط ابزار مکانیکی انجام می شود، اما همچنین می تواند توسط گرما، مغناطیس، برق، لیزر و یا سایر وسایل انجام شود. تبرید کاربردهای زیادی دارد از جمله یخچال های خانگی، فریزرهای صنعتی، برودتی و تهویه مطبوع. پمپ های حرارتی ممکن است از خروجی گرمای فرآیند تبرید استفاده کنند، همچنین ممکن است قابل برگشت باشد، اما در غیر این صورت مشابه واحدهای تهویه مطبوع می باشند. تبرید تأثیر زیادی در صنعت ، سبک زندگی ، کشاورزی و الگوی استقرار داشته است.

تبرید و پیشرفت جهان

ایده حفظ مواد غذایی حداقل به امپراتوری های روم و چین باستان برمی گردد. با این حال ، فناوری تبرید مکانیکی در قرن گذشته ، از برداشت یخ گرفته تا اتومبیل های ریلی کنترل شده با دما، به سرعت در قرن اخیر پیشرفت کرده است. اتومبیل های ریلی یخچال دار  امکان سکونت در مناطقی را که در کانال های اصلی حمل و نقل مانند رودخانه ها، بندرها یا مسیرهای دره نبودند، فراهم کرد.

سکونت گاه ها نیز در مناطق نابارور کشورها، پر از منابع طبیعی تازه کشف شده، در حال توسعه بودند. این الگوی اسکان جدید باعث ایجاد شهرهای بزرگی شد که می توانند در مناطقی رونق بگیرند که در غیر این صورت مهمانپذیر نیستند. در بیشتر کشورهای پیشرفته، شهرها به شدت به یخچال در سوپرمارکت ها وابسته هستند تا غذای خود را برای مصرف روزانه تهیه کنند.

افزایش منابع غذایی منجر به تمرکز بیشتر فروش محصولات کشاورزی از درصد کمتری از مزارع شده است. امروزه مزارع در مقایسه با اواخر دهه 1800 برای هر نفر تولید بسیار بیشتری دارند. این امر منجر به ایجاد منابع غذایی جدید در دسترس کل جمعیت شده است که تأثیر زیادی در تغذیه جامعه داشته است.

تاریخچه تبرید

برداشت فصلی برف و یخ عملی قدیمی است که تخمین زده می شود زودتر از 1000 سال قبل از میلاد آغاز شده باشد. یک مجموعه شعر چینی از این دوره زمانی معروف به شیجینگ ، مراسم مذهبی برای پر کردن و تخلیه انبارهای یخ را توصیف می کند. با این حال ، اطلاعات کمی در مورد ساخت این انبارهای یخ و یا استفاده از این یخ ها وجود دارد.

جامعه باستانی بعدی که ثبت برداشت یخ را ثبت کرده است ممکن است یهودیان در کتاب امثال باشند ، که می گوید: “همانطور که برف در زمان برداشت ، پیام آور وفاداری برای کسانی که او را فرستاده اند نیز هست.” مورخان این شعر را به این معنی تفسیر کرده اند که یهودیان به جای نگهداری غذا از یخ برای خنک کردن نوشیدنی استفاده می کردند. فرهنگهای باستانی دیگر مانند یونانیان و رومیان گودالهای برفی بزرگی را كه با علف ، چاله یا شاخه های درختان عایق بندی شده اند به عنوان سردخانه حفر كردند.

یونانی ها و رومی ها مانند یهودیان از یخ و برف برای نگهداری غذا استفاده نمی کردند ، بلکه در درجه اول به عنوان وسیله ای برای خنک سازی نوشیدنی استفاده می کردند. مصری ها روش هایی برای خنک سازی نوشیدنی ها نیز ایجاد کردند ، اما به جای استفاده از یخ برای خنک کردن آب، مصری ها با قرار دادن آب جوش در کوزه های سفالی کم عمق و قرار دادن آنها روی سقف خانه های خود در شب، آب را خنک کردند. برده ها در خارج شیشه ها را مرطوب می کنند و در نتیجه تبخیر باعث خنک شدن آب می شود.

مردم باستان هند از همین مفهوم برای تولید یخ استفاده می کردند. پارسی ها یخ را در گودالی به نام یاخچال ذخیره می کردند و ممکن است اولین گروهی از افراد باشند که از سردخانه برای نگهداری مواد غذایی استفاده می کردند. در مناطق استرالیایی پیش از تأمین برق مطمئن که هوا در آن گرم و خشک باشد ، بسیاری از کشاورزان از گاو صندوق Coolgardie استفاده می کردند.

این اتاق شامل یک اتاق با پرده های حسی (آهکی) بود که از سقف آغشته به آب آویزان شده بود. آب تبخیر می شود و در نتیجه پرده های هسیان خنک می شود و در نتیجه هوای موجود در اتاق گردش می کند. این امر باعث می شود بسیاری از مواد فاسد شدنی مانند میوه ، کره و گوشت های پخته شده که معمولاً در گرما خراب می شوند ، سالم بمانند.

فرآیند از بین بردن گرما و رطوبت از فضای داخلی برای بهبود راحتی ساکنان است. از تهویه هوا می توان در محیط های خانگی و تجاری استفاده کرد. این فرآیند معمولاً برای دستیابی به محیط داخلی راحت تر، معمولاً برای انسان و سایر حیوانات مورد استفاده قرار می گیرد. در مقاله ” کولر گازی چیست؟ ” نکاتی را در مورد کولر گازی گفتیم که بهتون پیشنهاد می کنیم مطالعه کنید

قبل از سال 1830 ، به دلیل کمبود انبار یخ و جعبه های یخ ، تعداد کمی از آمریکایی ها از یخ برای یخچال مواد غذایی استفاده می کردند. با در دسترس قرار گرفتن بیشتر این دو مورد ، افراد از تبر و اره برای ذخیره یخ برای انبارهای خود استفاده می کردند. این روش دشوار ، خطرناک و مطمئناً شبیه چیزی نبود که بتوان در مقیاس تجاری کپی کرد.

یخ در اوایل دهه 1830 با کاهش قیمت یخ از شش سنت در هر پوند به نیم سنت در هر پوند ، به کالایی در بازار انبوه تبدیل شد. برداشت یخ “فرهنگ خنک سازی” را ایجاد کرد زیرا اکثر مردم از یخ و جعبه های یخ برای ذخیره محصولات لبنی ، ماهی ، گوشت و حتی میوه ها و سبزیجات خود استفاده می کردند. این شیوه های ذخیره سازی اولیه، راه را برای فن آوری تبرید که به زودی همه جا را تصاحب می کرد هموار کرد.

تاریخچه یخچال مصنوعی از زمانی شروع شد که پروفسور اسکاتلندی ویلیام کالن در سال 1755 یک ماشین برودتی کوچک طراحی کرد. کالن با استفاده از پمپ خلا جزئی را بر روی ظرف دی اتیل اتر ایجاد کرد ، سپس جوشانده شد و گرما را از هوای اطراف جذب کرد. این آزمایش حتی مقدار کمی یخ ایجاد کرد ، اما در آن زمان کاربرد عملی نداشت.

در سال 1758 ، بنجامین فرانکلین و جان هادلی ، استاد شیمی ، در پروژه ای با هدف بررسی اصل تبخیر به عنوان وسیله ای برای خنک کردن سریع یک جسم(تبرید) در دانشگاه کمبریج انگلیس همکاری کردند. آنها تأیید کردند که می توان از تبخیر مایعات بسیار فرار مانند الکل و اتر برای پایین آوردن درجه حرارت یک جسم از نقطه انجماد آب استفاده کرد.

آنها آزمایش خود را با لامپ دماسنج جیوه به عنوان هدف خود و با یک دم که برای سرعت بخشیدن به تبخیر استفاده می شود ، انجام دادند. آنها دمای لامپ دماسنج را به -14 درجه سانتیگراد (7 درجه فارنهایت) کاهش دادند ، در حالی که دمای محیط 18 درجه سانتیگراد (65 درجه فارنهایت) بود. آنها متذکر شدند که بلافاصله پس از عبور از نقطه انجماد آب 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) ، یک لایه نازک از یخ روی سطح لامپ دماسنج تشکیل شد و جرم یخ آن حدود 6.4 میلی متر بود.

هنگامی که آزمایش را با رسیدن به 14 − درجه سانتیگراد (7 درجه فارنهایت) متوقف کردند . در سال 1805 ، الیور ایوانز ، مخترع آمریکایی ، چرخه تبرید فشرده سازی بخار بسته برای تولید یخ توسط اتر در خلا را توصیف کرد. در سال 1820 ، دانشمند انگلیسی مایکل فارادی با استفاده از فشارهای بالا و دمای پایین ، آمونیاک و گازهای دیگر را مایع کرد و در سال 1834 ، جیکوب پرکینز ، یک تبعیدی آمریکایی به بریتانیا ، اولین سیستم تبرید فشرده سازی بخار را در جهان ساخت. این یک چرخه بسته بود که می توانست به طور مداوم کار کند.

در سال 1842 ، تلاش مشابهی توسط پزشك آمریكایی ، جان گوری انجام شد كه نمونه اولیه آن را ساخت ، اما این یك موفقیت تجاری بود. مانند بسیاری از متخصصان پزشکی در این مدت ، گوری فکر کرد قرار گرفتن بیش از حد در معرض گرمای گرمسیری منجر به انحطاط روحی و جسمی و همچنین شیوع بیماری هایی مانند مالاریا می شود.

او ایده استفاده از سیستم تبرید خود را برای خنک کردن هوا برای راحتی در خانه ها و بیمارستان ها برای جلوگیری از بیماری تصور کرد. اولین سیستم عملی تبرید فشرده سازی بخار توسط جیمز هریسون ، روزنامه نگار انگلیسی که به استرالیا مهاجرت کرده بود ، ساخته شد. حق ثبت اختراع وی در سال 1856 برای سیستم فشرده سازی بخار با استفاده از اتر ، الکل یا آمونیاک بود. وی در سال 1851 در سواحل رودخانه بارون در راکی ​​پوینت در جیلونگ ، ویکتوریا یک ماشین یخ ساز مکانیکی ساخت و اولین دستگاه یخ ساز تجاری وی در سال 1854 به دنبال آن ساخته شد. 

اولین سیستم تبرید جذبی گاز با استفاده از آمونیاک گازی محلول در آب (که به آن ” آمونیاک آبی” می گویند) توسط فردیناند کاره از فرانسه در سال 1859 ساخته شد و در سال 1860 ثبت اختراع شد. تادئوس لوو ، بالونیست آمریکایی ، چندین حق ثبت اختراع در دستگاه های یخ ساز را در اختیار داشت. “دستگاه یخ فشرده سازی شده” وی انقلابی در صنعت سردخانه ایجاد کرد. در سال 1869 سرمایه گذاران دیگر و او یک کشتی بخار قدیمی خریداری کردند که در آن یکی از واحدهای تبرید لوو را بارگیری کردند و شروع به حمل میوه های تازه از نیویورک به سواحل خلیج فارس کردند.

این بود بخش بزرگی از تاریخچه تبرید در جهان  برای آشنایی بیشتر و درک بهتر از مطالب، مبانی تبرید را  توضیح می دهیم:

مبانی تبرید

1. تبرید: ایجاد برودت یا سرما
2. برودت: سرما (از دست دادن گرما)
3. گرمای محسوس: افزایش دمای قابل مشاهده که برای تمام مواد یکسان است.
4. گرمای ویژه: مقدار گرمای لازم برای گرم کردن یک کیلوگرم از هر ماده به اندازه یک درجه سلسیوس را گرمای ویژه آن ماده می نامند.
5. گرمای نهان: مقدار گرما یا انرژی است که یک ماده می گیرد یا از دست می دهد تا تغییر فاز دهد.
6. گرمای نهان تقطیر: مقدار گرمایی که ماده از دست می دهد تا از حالت مایع به بخار تبدیل شود.
7. گرمای نهان ذوب: مقدار گرمایی است که ماده می گیرد تا از حالت جامد به مایع تبدیل شود.
8. گرمای نهان انجماد: مقدار گرمایی که ماده از دست می دهد تا از حالت مایع به جامد تبدیل شود.
9. تن تبرید: عبارتست از مقدار برودتی که یک تن آب صفر درجه سانتی گراد را طی یک شبانه روز به یک تن یخ صفر درجه سانتی گراد تبدیل می کند.

انواع سیکل های تبرید

•  تبخیری
• تراکمی
• جذبی

تبرید تبخیری

در این روش مبرد (معمولاً آب) برای تبخیر، گرما را از پیرامون می گیرد و سبب ایجاد سرما می شود و در ضمن این روش با سرعت باد است که باعث سرعت بیشتر تبخیر سطحی می شود. سیکل تبرید چیست؟

سیکل تبرید جذبی را در مقالات بعدی مورد بررسی قرار خواهم داد. در ادامه به بررسی سیکل تبرید تراکمی می پردازیم.

معرفی سیکل تبرید تراکمی به همراه نمودار سیکل تراکمی (نمودار سیکل تبرید تراکمی)

هدف از استفاده کمپرسورهای تبرید در سیکل های تراکمی، بالا بردن فشار بخار مبرد از فشار اواپراتور به فشار کندانسور می باشد. بخار مبرد در فشار و درجه حرارت اواپراتور وارد کمپرسور شده و پس از خروج از کمپرسور وارد کندانسور می شود.

بررسی چرخه تبرید تراکمی با استفاده از نمودار فشار- آنتالپی

نقطه A: مبرد سود وارد اواپراتور می شود. (مخلوط کم فشار مایع و بخار مبرد)

نقطه B: گرمای دریافت شده از طریق اواپراتور به مبرد انتقال یافته و مبرد را به جوش در آورده و معمولاً منجر به سوپرهیت شدن مبرد می گردد.

نکته: سوپرهیت اختلاف دمای نهایی مبرد با دمای تبخیر مبرد می باشد.

در اینجا کمپرسور مبرد را متراکم می کند (فشرده می کند (B)) که طی این فرایند محتوای حرارت (آنتالپی) افزایش خواهد یافت. در اینجا انرژی مکانیکی برای افزایش فشار به انرژی گرمایی تبدیل می شود که به این گرما، گرمای فشرده سازی نیز می گوییم.

درضمن با بالا رفتن فشار مبرد، دمای آن نیز افزایش می یابد. در نقطه C مبرد با فشار و دمای بالا وارد کندانسور شده و گرمای آن به هوای محیط (کندانسور هوایی) یا آب با دمای پایین تر (کندانسور آبی) انتقال می یابد.

جالب است که از C تا D گاز سوپرهیت می شود و از D تا E کندانس شده و به مایع تبدیل می گردد و در بیشتر موارد از E تا F ساب کولد می گردد.

نکته: سایکول اختلاف دمای تقطیر گاز و دمای نهایی مایع می باشد.

فشار کندانسور به میزان بسیار بالا، توسط مقداری هوا یا آبی که به کندانسور منتقل می گردد تا دمای گاز تغییر کند، تعیین می گردد. مایع متراکم بعد از کندانسور در نقطه F وارد شیر انبساطی می گردد. وظیفه این قطعه کاهش فشار از فشار کندانسور به فشار اواپراتور می باشد. این کاهش فشار مقداری از مایع را به بخار تبدیل می کند ولی حجم عمده به صورت مایع باقی می ماند.

نکته: هرچه میزان بخار در خروجی شیر انبساط کمتر باشد، راندمان سیکل بالاتر است. به این بخار Flash GAS نیز می گویند. در آخر، مبرد در درجه حرارت نقطه A وارد مبدل می شود و چرخه تکمیل می گردد.

مفاهیم سیکل تبرید تراکمی (ضریب عملکرد سیکل تبرید)

اختلاف آنتالپی نقاط B و A را سرمای مفید می نامند.

اختلاف آنتالپی نقاط C و B را کار خالص می نامند.

ضریب عملکرد COP

حاصل تقسیم سرمای مفید به کار خالص را ضریب عملکرد سیکل تبرید می نامند. این تعریف، کیفیت سیکل را بر اساس این نسبت بیان نموده و به نوعی می توان گفت هرچه این عدد بالاتر باشد، دستگاه تبریدی بازده بالاتری دارد. روابط محاسبه با توجه به روابط قبلی:

تحلیل COP در سیکل تبرید: هرگاه گرمای دفعی سیستمی بالاتر باشد، واضح است که کار بیشتری در سیکل انجام شده، بنابراین مخرج کسر بزرگتر شده و COP کاهش می یابد. هرگاه سیستمی سرمای مفید بیشتری در اختیار بگذارد، مصرف انرژی پایین تری خواهد داشت؛ بنابراین صورت کسر بزرگتر و COP بالاتر خواهد بود.

ضریب عملکرد بر اساس سیکل کارنو

 

برخی از سوالات رایج:

تبرید چیست

اصطلاح تبرید (چرخه تبرید) به معنای خنک کردن یک فضا، ماده یا سیستم برای کاهش و یا حفظ دمای آن در زیر دمای محیط است (در حالی که گرمای برداشته شده در دمای بالاتر رد و بدل می شود). به عبارت دیگر ، تبرید خنک کننده مصنوعی (ساخت بشر) است.

چرا از کمپرسور در سیکل تبرید تراکمی استفاده می شود؟

هدف از استفاده کمپرسورهای تبرید در سیکل های تراکمی، بالا بردن فشار بخار مبرد از فشار اواپراتور به فشار کندانسور می باشد. بخار مبرد در فشار و درجه حرارت اواپراتور وارد کمپرسور شده و پس از خروج از کمپرسور وارد کندانسور می شود.