یخچال ها در ترمودینامیک

[amirhossein toranjian]

یخچال ها در ترمودینامیک
«یخچال» 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 چرخه های 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»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»،‌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»، «شیر فشارشکن یا انبساط» ، 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»

«کمپرسور‌های نوع روتودینامیکی/سانترفیوژی»

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» 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» یا «مایع سرد» 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»  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 کننده با آب

در این کندانسور‌ها سیال بیرونی آب است؛ بنابراین آب گرما را از سیال مبرد می‌گیرد.

«فشارشکن»

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.

از شرایط یک سیال مبرد خوب می‌توان به غیر سمی بودن، خورنده نبودن، اشتعال‌ و انفجار ناپذیری اشاره کرد. همچنین ویژگی این ماده باید طوری باشد که در صورت نشتی آتش نگیرد. مواد خنک‌کننده مختلف بر اساس نیاز چرخه انتخاب می‌گردند.

به‌عنوان مثال ماده R-12 ماده‌ای بانام دی‌ کلرو دی فلورو متان و بانام تجاری فرون-۱۲ است که در سیستم‌های تبرید کوچک تا سیستم‌های خنک‌کننده صنعتی کاربرد دارد. البته در سال ۱۹۹۵ در کشورهای پیشرفته استفاده از این ماده به علت اثر تخریبی بر لایه ازن ممنوع گردید.

تجهیزات کنترل دما

این تجهیزات برای کنترل دمای یخچال استفاده می‌شوند. معمولا تجهیزات کنترل دما به دستگاه فشارشکن متصل هستند. برای دستیابی به دمای مشخص در یخچال ترموستاتی به تبخیرکننده متصل می‌شود.

کاربرد‌های یخچال

همان‌طور که از متن بالا مشخص شد، یخچال وسیله‌ای است که محیطی را در دمایی کمتر از محیط پیرامون نگه می‌دارد. در حقیقت یخچال گرما را از محفظه خاصی می‌گیرد و در محیط اطراف آزاد می‌سازد تا دمای محفظه خنک‌تر شود. درگذشته از یخچال فقط برای تولید یخ استفاده می‌شد ولی امروزه با پیشرفت فنّاوری کاربرد یخچال روزبه‌روز برای اهداف متفاوتی گسترش می‌یابد. برخی از کاربردهای گسترده یخچال به شرح ذیل است.

استفاده در فرآورش و نگهداری مواد غذایی مثل نگهداری میوه و سبزیجات خام

استفاده از یخچال در کاربرد‌های صنعتی همانند صنایع شیمیایی و نفت مثل جداسازی گاز‌ها

استفاده‌های خاص همانند نگهداری از خون‌ در بیمارستان و مراکز درمانی یا اسکیت روی یخ

ذخیره میوه و سبزیجات

برخی از مواد همانند میوه و سبزیجات در دمای بالا به دلیل فعالیت باکتری‌ها سریعا فاسد می‌شوند. رشد این‌گونه باکتری‌ها در دمای پایین کاهش می‌یابد؛ بنابراین نگهداری مواد فاسد شونده در یخچال باعث افزایش عمر آن‌ها خواهد شد.

گوشت و مرغ: مواد غذایی حاصل از ماهی، مرغ و گوشت نیز در دمای بالا محیط مناسبی برای رشد باکتری فرآهم می‌نمایند؛ لذا استفاده از یخچال برای نگهداری آن‌ها عمل مناسبی است. برای نگهداری کوتاه‌مدت و بلندمدت این مواد به ترتیب دماهای صفر و ۲۵ درجه سلسیوس پیشنهاد می‌گردد.

لبنیات: محصولات لبنیاتی همانند شیر، ماست، کشک و بستنی نیز برای نگهداری به یخچال نیاز دارند. سرعت رشد باکتری در شیر بعد از قرار دادن در یخچال طوری کاهش می‌یابد که تا ۳ روز بعد از فرآیند پاستوریزه‌کردن می‌توان از آن با خیال راحت استفاده کرد. یکی از روش‌های تضمین‌کننده کیفیت دیگر محصولات لبنی همانند کره، ماست، کشک و بستنی استفاده از یخچال است.

شکلات: شکلات و آب‌نبات باید برای نگهداری در یخچال قرار گیرند؛ چراکه عدم نگهداری آن‌ها در یخچال باعث آب شدن و از دست رفتن طعم خوشایند آن‌ها می‌گردد.

کاربرد‌های صنعتی

میعان گاز‌ها: گازها بعد از عبور از فرآیند خنک‌سازی،‌ میعان یا تبدیل به مایع می‌گردند. ذخیره و انتقال گاز‌ها به شکل مایع آسان‌تر و کم‌هزینه‌تر خواهد شد. علاوه بر این گاز مایع‌شده حجم بسیار کمتری اشغال می‌کند.

برای نگهداری مواد خاص: بسیاری از مواد همانند دارو‌ها،‌ مواد شیمایی، مواد منفجره و کائوچو در دمای محیط تجزیه یا تبخیر می‌شوند؛ لذا می‌توان با قرار دادن آن‌ها در محیط یخچال برای مدت طولانی‌تری از آن‌ها نگهداری کرد.

ساخت‌وساز: ساخت بتن فرآیندی گرمازا است. اگر حرارت تولیدی سریعا حذف نشود،‌ گرمای موجود باعث انبساط و ترک‌خوردگی سازه خواهد گردید. برای این کار می‌توان شن و آب استفاده شده را خنک یا آب سرد را درون لوله‌هایی درون بتن جاری نمود.

برخی از کاربردهای دیگر

تولید یخ: رایج‌ترین کاربرد یخچال تولید یخ بوده است. برای تولید یخ ظروف آب را در آب‌شور بسیار سرد قرار می‌دادند. در این کارخانه‌ها یخ به شکل انبوه برای مصارف مختلف تولید می‌گشت ولی هم‌اکنون می‌توان یخ را به‌سادگی تولید کرد؛ مثلا با قرار دادن آب در فریزر یخچال‌های خانگی، یخ برای مصرف داخل خانه تامین می‌شود.

علم پزشکی: پلاسمای خون و بعضی از آنتی‌بیوتیک‌ها در دمای پایین تولید و ذخیره می‌گردند. برخی از دارو‌ها نیز برای نگهداری به دمای پایین‌تر از سطح محیط نیاز دارند.