انواع تبرید | طرز کار، اجزا و مزایای آن ها

معرفی سیستم تبرید

تبرید به عنوان فرآیند دستیابی و حفظ دمای کمتر از محیط، با هدف خنک کردن یک محصول یا فضا تا دمای مورد نیاز تعریف می شود. به آن خنک کننده مصنوعی نیز می گویند. یکی از مهم ترین کاربردهای سیستم تبرید، حفظ مواد غذایی فاسد شدنی با نگهداری آنها در دمای نسبتا پایین تر است.

به طور کلی تبرید عمل سرد سازی است، این امر مستلزم حذف گرما از یک محیط و تخلیه آن در دمای بالاتر است. بنابراین تبرید وسیله انتقال حرارت از دمای پایین تر به دمای بالاتر است.

علاوه بر کاربردهای خنک کننده، تبرید در تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی نیز استفاده می شود. اصول اولیه آن فیزیک و ترمودینامیک هستند و این اصول برای همه کاربردها اعمال می شود.

یکی از معروف ترین کاربردهای تبرید، محافظت از محصولات غذایی فاسد شدنی با نگه داری در دمای پایین است. همچنین سیستم های تبرید به طور گستردهبرای تامین آسایش دمایی انسان از طریق تهویه مطبوع استفاده می شود.

تبرید چگونه کار می کند؟

یخچال دستگاهی است که برای استخراج گرما از یک جسم با دمای پایین استفاده می شود و سپس این گرما را به جسم با دمای بالا می دهد. اگر هدف اصلی دستگاه خنک کردن جسم باشد، آن را یخچال می نامند.

بر اساس قانون دوم ترمودینامیک ( به بیان کلازیوس)، گرما بدون کمک کار خارجی از یک جسم با دمای پایین به یک جسم با دمای بالا نمی رود. از این رو برای عمل کردن یخچال کار خارجی لازم است.

یک موتور حرارتی می تواند در یک سیکل برگشت پذیر با کمک یک منبع خارجی کار کند. در این سیکل گرما از جسم سرد گرفته شده و به جسم گرم پس داده می شود. به همین دلیل، این موتور را پمپ حرارتی می نامند.

در یخچال نیز گرما از جسم سرد گرفته شده و به جسم گرم داده می شود. بنابراین، یخچال با سیکل موتور حرارتی معکوس کار می کند.

انواع تبرید

• سیستم تبرید تراکمی مکانیکی
• سیستم تبرید تبخیری
• تبرید جذبی
• تبرید ترموالکتریک
• تبرید تراکم بخار
• تبرید جذب بخار

1. سیستم تبرید تراکمی مکانیکی

سیستم های تبرید تراکمی مکانیکی معمولا برای تبرید تجاری و صنعتی و همچنین تهویه مطبوع استفاده می شوند. در این نوع از سیستم های تبرید، بخار مبرد به وسیله کمپرسور گریز از مرکز، پیچی (اسکرو) یا رفت و برگشتی فشرده می شود.

سیستم های تبرید مکانیکی توان مصرفی بالایی برای کمپرسور و پمپ های مدار آب خنک کننده دارند. پس از فشرده سازی، بخار به یک کندانسور می رود و در آنجا متراکم می شود، سپس این بخار در یک شیر انبساط منبسط می شود و اثر خنک کنندگی می دهد.

2. سیستم تبرید تبخیری

سیستم های تبرید تبخیری از آب برای خنک کردن هوایی که از بیرون وارد خانه شده استفاده می کنند. آب بر روی پدی که هوا از آن عبور می کند پمپ می شود و هوا گرمای خود را با آب از دست می دهد، این فرآیند به عنوان تبرید تبخیری شناخته می شود.

یک سیستم تبرید تبخیری ساده تر از مبرد مبتنی بر تهویه مطبوع است زیرا برای خنک کردن هوا انرژی کمتری مصرف می کند. همچنین از مزیت هوای تازه و افزایش رطوبت در شرایط خشک برخوردار است.

3. تبرید جذبی

تبرید جذبی سیستمی است که از یک منبع گرما (که ممکن است انرژی خورشیدی یا سوخت فسیلی باشد) برای تامین انرژی مورد نیاز برای اجرای فرآیند سرمایش استفاده می کند. از دو نوع خنک کننده استفاده می کند، خنک کننده اول تبرید تبخیری را انجام می دهد و سپس جذب خنک کننده دوم می شود.

اکنون برای بازگرداندن دو خنک کننده به حالت اولیه، به گرما نیاز است. این اصل همچنین برای تهویه مطبوع ساختمان ها با استفاده از گرمای زاید توربین های گازی یا آبگرمکن ها استفاده می شود. سیستم های تبرید جذبی معمولاً در وسایل نقلیه تفریحی، کمپرها و کاروان ها استفاده می شود.

4. تبرید ترموالکتریک

سیستم تبرید ترموالکتریک معمولا بر اساس اثر پلتیه کار می کند. این اثر با انتقال گرما بین دو اتصال رسانا باعث تغییر دما می شود. برای تولید جریان الکتریکی بین هادی های متصل ولتاژ اعمال می شود.

هنگامی که جریان از محل اتصال دو هادی عبور می کند، گرما در یک اتصال از بین می رود و سرمایش اتفاق می افتد. اکنون گرما در محل اتصال دوم جمع آوری می شود. با این حال، عملا کاربرد اصلی اثر پلتیه خنک کردن است. همچنین می توان از آن به عنوان کنترل کننده دما (چه سرد و چه گرم) استفاده کرد.

تبرید بخار

تبرید بخار را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• تبرید تراکم بخار
• تبرید جذب بخار

5. تبرید تراکم بخار (VCR)

این نوع تبرید از یک مبرد مایع در یک سیستم بسته استفاده می‌کند که مبرد را در چهار مرحله به گردش در می‌آورد، در آن مبرد فشرده و منبسط می‌شود تا به طور متناوب به حالت بخار و مایع بدون خروج از منطقه سرمایش حرکت کند.

در طی فرآیند تبخیر، گرما را از جسم سرد جذب می کند و از این گرما به عنوان گرمای نهان آن برای تبدیل از مایع به بخار استفاده می شود. در فرآیند چگالش، گرما به اجسام خارجی دفع می شود و در نتیجه اثر خنک کنندگی در سیال عامل ایجاد می شود.

این روش به طور گسترده ای برای تهویه مطبوع ساختمان ها و خودروها استفاده می شود. علاوه بر این پالایشگاه‌های نفت، کارخانه‌های فرآوری شیمیایی و کارخانه‌های فرآوری گاز طبیعی انواعی از کارخانه‌های صنعتی هستند که اغلب از سیستم‌های تبرید تراکم بخار استفاده می‌کنند.

6. تبرید جذب بخار (VAR)

این نوع تبرید شامل اواپراتورها، جاذب ها (ابزوربر)، ژنراتورها، کندانسورها، شیرهای انبساط، پمپ ها و شیرهای فشارشکن می باشد. سیستم‌های تبرید جذب بخار (VARS) عمدتا در مواردی استفاده می‌شوند که توان بالا به راحتی در دسترس نباشد.

سیستم‌های VAR از مجموعه‌ی آب-لیتیوم بروماید استفاده می‌کنند که به طور گسترده در سیستم‌های تهویه مطبوع با ظرفیت بالا به کار می رود. در این سیستم ها از آب به عنوان مبرد و محلول لیتیوم بروماید موجود در آب به عنوان جاذب استفاده می شود.

روش های تبرید

• تبرید با یخ
• تبرید با یخ خشک
• تبرید جت بخار
• تبرید اختناقی
• تبرید نیتروژن مایع
• تبرید هوا

1. تبرید یخ

یخ در یخچال نگهداری می شود و به عنوان وسیله خنک کننده عمل می کند. از یخ برای سرمایش در یخچال و در نتیجه نگهداری مواد غذایی استفاده می شد. برای قرن‌ها، جمع‌آوری فصلی برف و یخ رویه منظم اکثر فرهنگ‌های باستانی مانند چینی‌ها، یونانی‌ها، رومی‌ها و ایرانی‌ها بود.

برف و یخ را با کاه یا مواد عایق دیگر در غارها قرار می دادند و ایرانیان یخ را در گودال ذخیره می کردند. سهمیه یخ امکان نگهداری غذاها را در دوره های گرمتر فراهم می کرد.

یخ به عنوان یک عامل خنک کننده تا نقطه ذوب 0 درجه سانتیگراد (32 فارنهایت) در سطح دریا کارایی خاص خود را دارد. برای ذوب شدن، یخ نیاز به جذب 333.55KJ/kg بر کیلوگرم گرما دارد. غذاهایی که در حدود این دما نگه داری می شوند، عمر طولانی تری دارند.

2. تبرید یخ خشک

سیستم تبرید یخ خشک برای کاربردهای کوچک مانند آزمایشگاه ها، کارگاه ها یا کولرهای قابل حمل استفاده می شود.

دی اکسید کربن جامد در فشار معمولی اتمسفر حالت مایع ندارد و در دمای 78.5- درجه سانتیگراد (109.3- فارنهایت) مستقیما از جامد به بخار تبدیل می شود. برای نگه داری محصولات در دماهای پایین در حین تصعید موثر است. چنین سیستم هایی که در آن مبرد تبخیر می شود و به اتمسفر می رود، به عنوان «تلفات کلی تبرید» شناخته می شود.

3. تبرید جت بخار

در این سیستم، بخار از یک اجکتور خلا با راندمان بالا عبور می‌کند تا از یک مخزن بسته و جداگانه که بخشی از یک مدار آب خنک‌کننده را تشکیل می‌دهد، خارج شود. خلا جزئی در مخزن بسته، آب را تبخیر می کند، بنابراین گرما را از طریق سرمایش تبخیری آزاد می کند.

آب سرد شده اکنون از طریق مدار به خنک کننده هوا پمپ می شود، در حالی که آب تبخیر شده از اجکتور در یک کندانسور جداگانه جمع آوری شده و سپس به مدار سرمایش بازگردانده می شود.

4. تبرید اختناقی

اثر اختناق با سیستم تبرید در ارتباط است و فرآیند کاهش فشار مبرد مایع در هنگام عبور از دستگاه انبساط می باشد. با کاهش فشار، که باعث می شود مبرد مایع تبدیل به بخار شود و یک اثر خنک کنندگی ایجاد می کند.

5. تبرید نیتروژن مایع

از آنجایی که نیتروژن مایع در دمای °196C- بسیار پایین تر از نقطه انجماد آب به جوش می آید، به عنوان یک خنک کننده فوق العاده برای اورکلاک کوتاه مدت عالی است. در طرح های تبخیر از هیت سینک (گرماگیر) های خودکار با لوله های متصل به محفظه مسی برای جذب نیتروژن و همچنین جلوگیری از تغییرات زیاد دما استفاده می شود.

با این حال، پس از تبخیر نیتروژن، در تاسیسات معمولی مایع خنک کننده نیتروژن باید جایگزین شود. یک لوله مسی یا آلومینیومی در بالای پردازنده یا کارت گرافیک نصب شده است. پس از عایق شدن در برابر تراکم، نیتروژن مایع به لوله تخلیه می شود و در نتیجه دمای آن 100 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.

6. تبرید هوا

سیستم های تبرید هوا از هوا به عنوان مبرد خود استفاده می کنند که منقبض و منبسط می شود تا ظرفیت گرمایش و سرمایش ایجاد کنند.

استفاده از چرخه هوا یکی از این مواردی است که جایگزین خوبی برای مبردهای CFC و همچنین مصرف انرژی پایین و هزینه اولیه برای کاربردهای موردنظر است. این نوع سیستم های تبرید معمولا برای مقاصد علمی، صنعتی و تجاری استفاده می شوند.

کاربردهای تبرید

1. سیستم های تبرید معمولا در صنایع شیمیایی برای جداسازی و مایع سازی گازها و بخارات کاربرد دارند.

2. برای تولید یخ مناسب هستند.

3. کاربرد اصلی از تبرید برای نگهداری مواد غذایی فاسد شدنی در سردخانه است.

4. در صورت نیاز به خنک کردن آب از سیستم تبرید استفاده می شود.

5. برای کنترل رطوبت هوا در ساخت و عملیات حرارتی فولادها استفاده می شود.

6. خنک کردن نفت برای حذف موم در پالایشگاه های نفت.

7. برای نگهداری از قرص ها و داروها در صنایع داروسازی.

8. برای حفظ خون، بافت ها و در زمینه های پزشکی استفاده می شود.

9. تهویه مطبوع در بیمارستان ها، تئاترها و غیره.

مزایای سیستم های تبرید

• در بیشتر موارد از هوا به عنوان مبرد استفاده می شود که به راحتی در دسترس و ارزان است.
• طراحی و ساخت سیستم های تبرید ساده است، قطعات پیچیده ای ندارد و هزینه نگه­داری پایین است.
• مبرد مورد استفاده غیر سمی، غیر قابل اشتعال و غیر خورنده است.
• اگر سیستم تبرید بسیار فراتر از شرایط طراحی آن کار کند، تغییر قابل توجهی در عملکرد سیستم تبرید ایجاد نخواهد شد.
• می توانند اختلاف دمای زیادی بین مناطق گرم و سرد ایجاد کنند. بنابراین همین سیستم هم برای اثر سرمایش و هم برای گرمایش استفاده می شود.

معایب سیستم های تبرید

• سیستم تبرید نسبت به سایر سیکل های تبرید ضریب عملکرد پایین تر دارد.
• هزینه کار سیستم تبرید بسیار زیاد است.
• هزینه کار سیستم تبرید بسیار زیاد است.
• اجزای این سیستم سنگین و نیازمند به فضای زیاد است.
• هوا حاوی آلاینده هاست، بنابراین باید به طور مرتب فیلتر هوا را در سیستم های باز تمیز کنید.