مبادئ التبريد

مبادئ التبريد
يزيل التبريد الحرارة من المواد الصلبة والسوائل والغازات. ويعتمد التبريد أساسًا على القانون الثاني للدينامية الحرارية. الدينامية الحرارية. وينص هذا القانون على أن الحرارة تنتقل فقط من أجسام أدفأ إلى أجسام أبرد، أو من مادة عند درجة حرارة معينة إلى مادة عند درجة حرارة أقل. ولا تنتقل الحرارة من مادة أبرد إلى مادة أدفأ من نوعها نفسه. يسمى انسياب الحرارة من الأجسام الأدفأ إلى الأجسام الأبرد، انتقال الحرارة. وأثناء التبريد، يحدث انتقال حرارة عندما نضع المادة التي نرغب في تبريدها قريبة من مبرِّد (وسيط تبريد).



انتقال الحرارة.
يحدث انتقال حرارة بسيط عندما تصبح مادة أبرد في ملامسة مع مادة أدفأ. وترتفع درجة الحرارة في المادة الأبرد وتنخفض في المادة الأدفأ كلما أخذت الحرارة في الانتقال. يحدث هذا النوع البسيط من التبريد عندما نُبرد زجاجة دافئة من الماء في مجرى ماء. ويعمل المجرى مبرِّدًا، فهو يمتص الحرارة وترتفع درجة حرارته كلما تدفق فوق الزجاجة.

وجميع المواد لها القدرة على امتصاص الحرارة ولكن وسائط التبريد تمتص الحرارة بسرعة وبمقادير كبيرة. تتضمن معظم الأنواع الشائعة من وسائط التبريد، الهواء والماء ومحلول الملح، والثلج وغاز النشادر وثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت وتلك المواد المجهزة خصيصًا مثل غاز الفريون وغاز الكارين.



تأثيرات انتقال الحرارة.
يُحدث انتقال الحرارة تأثيرات متعددة. فهو يبرد الجسم الأدفأ ويسخن الجسم الذي يمتص الحرارة في آن واحد ،ويمكن أيضًًا أن يُغيّر انتقال الحرارة من الحالة الفيزيائية للمادة. فعلى سبيل المثال، تسبب إزالة حرارة كافية تحول الغاز إلى سائل، وتسُمَّى هذه العملية تكثفًا. وعكس التكثف هو التبخر (عملية تحويل السائل إلى بخار). وتَفقد الغازات الحرارة عندما تتكثف، وتمتص السوائل الحرارة عندما تتبخر. وتُسمَّى درجة الحرارة التي عندها تتكثف مادة، أو تتبخر عند ضغط معين نقطة الغليان. وتتسبب إزالة حرارة كافية من سائل تجمده (يصبح صلبًا) وتُسمى درجة الحرارة التي تتجمدعندها مادة نقطة التجمد. وعكس التجمد الانصهار ، وهو عملية التحول من الصلب إلى السائل. وتفقد السوائل حرارتها عندما تتجمد. وتكتسب المواد الصلبة حرارة عندما تنصهر.

تعتمد جميع أساليب التبريد على اكتساب أو فقد الحرارة التي تحدث خلال التكثف أو التبخر أو التجمد أو الانصهار. وتُسمَّى الحرارة المكتسبة أو المفقودة خلال هذه العمليات الفيزيائية الحرارة الكامنة. الحرارة.


التبريد بالثلج
يبرِّد الناس الطعام ومواد أخرى باستخدام الثلج، إذا ما فقدوا القدرة الملائمة لإنتاج وسائل أخرى للتبريد. فالجليد الطبيعي المقطوع شتاء من البحيرات والبرك، أتاح التبريد لفترات طويلة في مواسم الدفء. ويبرد بعض المُعَسكرين والمزارعين طعامهم في صناديق ثلجية تشبه تلك التي استخدمت قبل تطوير التبريد الآلي. تحمل عربات السكك الحديدية وبعض الشاحنات المبردة ثلجًا لتحفظ الأغذية باردة خلال عملية الشحن.




الثلج كان يمثل الطريقة الوحيدة للتبريد المنزلي حتى أصبح التبريد الآلي منتشرًا خلال الثلاثينيات من القرن العشرين. وكانت الكتل الثلجية توزع على الصناديق الثلجية في المنازل عدة مرات في الأسبوع.

الثلج.
واحد من أقدم طرق التبريد، فقد قطع الصينيون الجليد وخزنوه منذ القدم منذ ألف عام قبل الميلاد. يُبرد الثلج لأنه يمتص حرارة عندما ينصهر. فعلى سبيل المثال، يحدث هذا الامتصاص عندما نُبرد شرابًا دافئًا بوضع مكعبات الثلج في الكوب. ويعمل الثلج وسيط تبريد نافعًا لأن درجة حرارة انصهاره تساوي الصفر المئوي. ويمتص الثلج كميات كبيرة من الحرارة عندما ينصهر. وفي كل الأحوال، فإن الثلج غير المنصهر يحافظ على هذه الدرجة نفسها. ويستخدم الثلج لتبريد الأغذية في الصناديق الثلجية أو لتجميد السوائل بوساطة التفاعلات الخافضة للحرارة. وتمكن هذه التفاعلات الخافضة للحرارة الثلج من توليد درجات حرارة أقل من درجات حرارة التجميد.

الصناديق الثلجية. تؤدي عملها اعتماداً على نظرية أن الهواء الدافئ يصعد إلى أعلى. ويمتص قرص الثلج الموضوع في الجزء العلوي من الصندوق الثلجي الحرارة من الهواء الدافئ. وهذا يُبرد الهواء الدافئ ويزيد من كثافته. وينساب الهواء الأثقل إلى أسفل إلى مُقسمات الأغذية. ويصير الهواء أكثر دفئًا وأخف كلما امتص حرارة من الأغذية. ويصعد الهواء الأدفأ والأخف وزناً ويفقد حرارته مرة أخرى في الثلج.

التفاعلات الخافضة للحرارة. الثلج، بمفرده، لا يمكنه إطلاقًا امتصاص حرارة كافية لتخفيض درجة حرارة مادة أقل من نقطة انصهاره عند الصفر المئوي. ولكن التفاعلات الخافضة للحرارة التي تحدث مع امتصاص الحرارة تمكن الثلج من توليد درجات حرارة للتجميد. تُنتج مركبات كيميائية معينة، خاصة الأملاح، فعلاً تجميديًا عند خلطها مع الجليد أو الثلج، أو حتى مركبات أخرى. الملح الكيميائي. وتُسمَّى مثل هذه التوليفات الكيميائية المخاليط الماصة للحرارة. وتولد بعض المخاليط المكونة من الثلج والكيميائيات درجات حرارة تصل إلى -40°م أو أقل. وتتضمن المخاليط الماصة للحرارة توليفات كيميائية مثل كلوريد الكالسيوم والجليد؛ والثلج وكلوريد الصوديوم ونترات النشادر؛ وكبريتات الصوديوم وكلوريد الأمونيوم، ونترات البوتاسيوم وحمض النتريك المخفف. وكل هذه المواد تمتص الحرارة أثناء تفاعلاتها الكيميائية.

تعتبر آلة تجميد الآيس كريم التي تُشَغل باليد مثالاً لاستخدام المخاليط الماصة للحرارة. ويبدأ الآيس كريم في التجمد عند حوالي -2°م. ولتجميد الآيس كريم، تُخلط المكونات في وعاء محاط بثلج مجروش وملح. ويمتص الخليط (الثلج والملح) الحرارة الكامنة من المكونات فيسبب لها التجمد.

واستخدام الكيميائيات لخفض درجة الحرارة ليس بجديد. ففي حوالي عام 1550م، اكتشف الإيطاليون أن خليطًا من نترات البوتاسيوم والماء يمكن أن يُستخدم لتبريد زجاجات المشروبات.

الثلج (الجليد) الجاف.
هو ثاني أكسيد الكربون الصلب. وبوصفه وسيط تبريد، فإن له ميزتين مهمتين على الثلج المصنوع من الماء. يحدث تحول للثلج الجاف عند درجة حرارة ثابتة كما في الثلج المائي. ولكن، بدلاً من التحول إلى سائل، فإن الثلج الجاف يتسامى (يتبخر) مباشرة إلى غاز. التسامي. ولهذا السبب فإن الصناديق التي تحوي غذاءً مُعبأ داخل ثلج جاف لا ترشح سائلاً، مثلما يحدث لو عُبئت مع الثلج المائي. وتعطي هذه الخاصة للثلج الجاف اسمه المعروف.

يتسامى الثلج الجاف عند درجة حرارة -78,5°م وهي أقل بكثير من درجة حرارة انصهار الثلج المائي. وقد تجد الشركات المرتبطة بتصنيع الأغذية الثلج الجاف قيمًا على وجه الخصوص للمحافظة على درجة حرارة التجميد للأغذية والآيس كريم، لأنه يُنتج درجات حرارة أقل من الثلج المائي. ويجب أن يُتناول الثلج الجاف بشيء من الحذر، لأنه يسبب لسعة الصقيع وأضرارًا شديدة تشبه الحرق.


التبريد الآلي
يعمل التبريد الآلي على أساس أن السوائل تمتص الحرارة عندما تتبخر. ويمكن توضيح ذلك بأن تبلل يديك ثم تلوّح بهما بحركة سريعة، فيتبخر الماء بسرعة ويُسبب إحساسًا بالبرودة عن طريق خفض درجة حرارة الجلد. وتُبردك مروحة لأنها تبخر النداوة الطبيعية فوق جلدك.

نظاما الانضغاط والامتصاص. يسببان البرودة عن طريق تحول وسيط التبريد من السائل إلى الغاز ثم تحوله مرة أخرى إلى السائل. وتُنشئ هذه العمليات المتكررة دورة التبريد. وفي نظام الانضغاط يولد الضاغط دورة التبريد. ويُستخدم هذا النظام بتوسع في الصناعة وفي معظم الثلاجات المنزلية الكهربائية. أما في نظام الامتصاص، فتحدث دورة التبريد بتطبيق الحرارة الناتجة من الاستخدام المباشر للغاز، أو بخار الماء، أو بعض مصادر أخرى. تستخدم جميع ثلاجات الغاز في المنازل والمخيمات، وبعض الوحدات الصناعية نظم الامتصاص. وقد طور المكتشف الأمريكي جاكوب بيركنز أول آلة للتبريد بالانضغاط في عام 1834م. وخلال الخمسينيات من القرن التاسع عشر، طور المهندس الفرنسي فرديناند كاريه أول نظام للتبريد بالامتصاص مستخدمًا غاز النشادر. ثم قدم الألماني كارل فون ليند أول نظام ناجح للتبريد بالانضغاط مستخدمًا غاز النشادر فيما بين 1873 و1875م.

والثلاجات المنزلية الكهربائية والغازية وحدات تبريد محكمة السد، أو مانعة للهواء والتسرب، وهي تحافظ على درجات حرارة تبريد بين الصفر المئوي وأربع درجات مئوية. ومعظمها بها حيز تجميد لدرجات حرارة بين – 18°م و-12°م.



التبريد بالنَّفْث البخاريّ.
يستخدم الماء وسيط تبريد. وينشئ البخار ذو السرعة العالية دورة التبريد. والتبريد بالنفث البخاري أقل شيوعًا من نظام الانضغاط لأن درجة حرارة التبريد تكون محددة بحوالي 2°م فأعلى.




الثلاجة الكهربائية يمر وسيط تبريد خلال مواسير بواسطة ضاغط يدار بموتور يعمل بالكهرباء. ويلتقط وسيط التبريد الحرارة في المبخر داخل الثلاجة. وعندئذ يضخ الضاغط بخار وسيط التبريد إلى داخل المكثف، حيث يلفظ البخار حرارته خارج الحيز المبرد.

الثلاجة الكهربائية.
وحدة تبريد تعمل بنظام الانضغاط وتدار بوساطة محرك كهربائي. وتتكون الثلاجة المنزلية الكهربائية من خمسة أجزاء أساسية: 1- المستقبِل 2- نبيطة التحكم في وسيط التبريد 3- المبخِّر 4- الضاغط 5- المكثِّف.

عند بداية دورة التبريد، يترك وسيط التبريد، (فريون 12 في معظم الأحوال) المستقبل وهو (صهريج تخزين) تحت ضغط عال. ثم ينتقل الفريون خلال مواسير إلى نبيطة التحكم في وسيط التبريد. وهذه الآلية تخفض ضغط وسيط التبريد، عندما يدخل المبخِّر. والمبخِّر هو أبرد موضع في الثلاجة ويعمل بمثابة وحدة تجميد. ويتكون المبخر من مواسير أو ملفات على جدران أو جوانب جسم الثلاجة، أو مُحيطة بحيز صينية الثلج. ويتبخر وسيط التبريد السائل عند ضغط منخفض داخل هذه الملفات ويمتص الحرارة، وهذا يسبب حدوث التبريد. ويضخ الضاغط وسيط التبريد من وحدة التجميد على هيئة بخار، ويرفع ضغطه. وعندئذ يُصرف الغاز ذو الضغط العالي إلى داخل مكثف الهواء البارد. وهنا يفقد الغاز الحرارة التي اكتسبها داخل المبخر ويتكثف إلى سائل عند ضغط عالٍ. ويتدفق وسيط التبريد السائل، إلى صهريج التخزين.




الثلاجة الغازية يمرر النشادر كوسيط تبريد، باستخدام حرارة من لهب غاز، وجهاز امتصاص، ومولد، وجهاز عزل. يفقد بخار النشادر حرارة في المكثف ويصبح سائلاً. ويلتقط عندئذ حرارة من الحيز المبرد ويصبح بخارًا مرة ثانية في المبخر.

الثلاجة .
تعمل بنظام الامتصاص وتَستخدم الطاقة الحرارية مصدرًا للقدرة، وليس لها أجزاء متحركة. وتتكون الثلاجة المنزلية الغازية من خمسة أجزاء أساسية هي: 1- المولد 2- جهاز العزل 3- المكثف 4- المبخِّر 5- جهاز الامتصاص. ويخدم النشادر السائل وسيط تبريد في معظم ثلاجات الغاز المنزلية.

وخلال دورة التبريد، تستخدم الحرارة من لهب غازي في المولِّد. ويحوي هذا الصهريج محلولاً مركَّزًا من غاز النشادر المذاب في الماء. وتجعل الحرارة هذا المحلول يَغلي. ويصعد بخار النشادر وبعض من المحلول إلى جهاز العزل، الذي يُزيل السائل. ويستمر الغاز الساخن في صعوده إلى المكثف، حيث يتم تبريده وإسالته. وحيث إنه قد تم فصل الماء عن النشادر، فيصبح السائل الآن نُشادرًا نقيًا. ويتدفق النشادر السائل خلال أنبوب إلى داخل المبخِّر أو وحدة التجميد، حيث يتبخَّر مع غاز الهيدروجين. ويوازن الهيدروجين الضغط بين المكثف والمبخِّر. ويمتص البخار الحرارة وينتج التبريد. يمر الخليط الثقيل إلى أسفل إلى داخل جهاز الامتصاص المبَّرد بالهواء، حيث يمتص النشادر بوساطة الماء. وينفصل غاز الهيدروجين الخفيف عن المحلول، ويرتفع خلال ماسورة فوق جهاز الامتصاص، ويعود إلى المبخر. ويتدفق محلول النشادر والماء المبرد مرة ثانية إلى المولِّد.



التبريد بالنّفْث البخاريّ.
يستخدم الماء فقط وسيطًا للتبريد. وتعمل أنظمة التبريد بالنفث البخاريّ على أساس أن الماء يتبخر بسهولة عندما يكون تحت ضغط منخفض. وعندما يتبخر الماء، تهبط درجة حرارته. وكلما كان الضغط على الماء أقل، كان التبخر أسرع، ونتيجة لذلك تكون درجة الحرارة المنتجة أقل.

ينساب الماء خلال حُجَيرة لها فتحة يمر عبرها نفث بخاري من الماء ذو سرعة عالية. ويُحدث البخار مصًّا في الفراغ فوق الماء، ويخفض الضغط في الحُجيرة. ويتبخر بعض الماء ويمتص الحرارة من السائل في الحُجيرة. ويُضخ الماء البارد إلى الخارج خلال مواسير تحمِلُه إلى حيث يتم استخدامه. ويتحد بخار الماء الصاعد من الحجيرة مع البخار ويُزال من الجهاز.

ولا تُحدث الأجهزة التي تعمل بنظام النفث البخاريّ في الواقع أي ضوضاء أو أية اهتزازات، كما أنها تشغل حيزًا صغيرًا، وليس لها أجزاء متحركة سوى مضخة. وتتطلب الأنظمة التي تعمل بنظام النفث البخاريّ تزويدًا مستمرًا ببخار الماء، ولكن من الممكن أن يأتي هذا البخار من عادم آلات أخرى. والتبريد بالنفث البخاري له استخدامات واسعة في الصناعة وعلى ظهر السفن. وبالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة التخمير والتقطير تستخدم هذا الطراز من التبريد الآلي.



التبريد لدرجة الحرارة المنخفضة.
يعمل بطريقة تُشبه إلى حد كبير جدًا أنظمة الانضغاط الأخرى، عدا أنه يستخدم وسائط تبريد مختلفة. وتُسمى الثلاجات ذات درجات الحرارة المنخفضة الثلاجات القرِّية أو المبردات القرِّية. وتستطيع هذه الأجهزة أن تنتج درجة حرارة منخفضة حتى -273°م، والقريبة جدًا من الصفر المطلق. والثلاجات القرية لها استخدامات مهمة جدًا في العلوم وفي الصناعة. فمثلاً، يستخدمها الأطباء لتجميد أجزاء حيّة من الجسم لاستخدامها مستقبلاً. كما يستخدمها الصانعون لتبريد الأجهزة الإلكترونية المصغرة جدًا.

تستخدم الثلاجات القرِّية الهيليوم، أو النتروجين أو غازًا آخر وسيط تبريد. وتعمل بوساطة تحويل وسيط التبريد من غاز إلى سائل وبالعكس إلى غاز مرة أخرى. ويُستخدم الهيليوم وسيط تبريد في التبريد لدرجة الحرارة الأقل، لأنه المادة الوحيدة التي يمكن أن تظل سائلة تحت درجة – 259ْم. وتتكون ثلاجة درجات الحرارة المنخفضة من أربعة أجزاء أساسية: 1- الضاغط 2- المبادل الحراري 3- صمام التمدد 4- المبخر.

خلال دورة التبريد، يُتْرَك الغاز الضاغط تحت الضغط العالي ويمر خلال أنبوب إلى المبادل الحراري. وفي هذا المبادل الحراري، ينقل الغاز جزءًا من حرارته إلى تيار من الغاز الأبرد. ويمر عندئذ وسيط التبريد خلال صمام التمدد. ويخفض هذا الإجراء ضغط الغاز بدرجة كبيرة. وحينما يتمدد الغاز، تهبط درجة حرارته حتى يتكثف جزء من الغاز. ويتدفق عندئذ وسيط التبريد السائل خلال أنبوب إلى داخل المبخر، الذي يعمل بمثابة وحدة تبريد. وعندما يتم مروره خلال المبخر، يمتص وسيط التبريد الحرارة ويتحول إلى غاز مرة أخرى. ويعود الغاز خلال المبادل الحراري، وتتكرر الدورة.


إزالة الصقيع
تعد إزالة الصقيع الجزء المهم جدًا للعناية بالثلاجة. فالطبقة الخارجية من الصقيع التي تتجمع على وحدة التجميد، تعمل عازلاً وتؤثر في مقدرة الثلاجة على التبريد. ومن أجل ذلك يجب أن يُزال الصقيع من الثلاجة بانتظام. وقد تكون عملية إزالة الصقيع أوتوماتية أو شبه أوتوماتية، أو يدوية.



إزالة الصقيع الأوتوماتية.
تتم بوساطة ساعات توقيت، أو بوساطة أجهزة تحسب عدد مرات فتح الباب. وتتم إزالة الصقيع في وقت معين كل يوم، أو بعد أن يكون قد تم فتح الباب عددًا معينًا من المرات. تفتح أجهزة التحكم صمامًا يسمح للغاز الساخن أن يتدفق من الضاغط خلال ملفات التبريد ويصهر الصقيع. وخلال هذا الوقت، يتوقف التبريد. وفي بعض الثلاجات، تُنشّط أجهزة التحكم مُسخنًا كهربائيًا قريبًا من ملفات التبريد. وفي كثير من الثلاجات المزودة بنظم الصقيع الأوتوماتية، يتم تصريف تقطُّر الماء من سطح ملفات التبريد إلى خارج الكابينة من خلال فتحة قريبة من الضاغط، وتبخر حرارة الضاغط هذه المياه.

والثلاجات الأخرى المزودة بنظم إزالة الصقيع الأوتوماتية، ومعظم الوحدات شبه الأوتوماتية واليدوية، تكون مزودة بصواني قَطْر أسفل وحدة التجميد. ويتجمع الماء في هذه الصواني التي يجب أن تُفرغ بعد إزالة الصقيع. تستغرق إزالة الصقيع الأوتوماتية وقتًا قليلاً، ولذا لا يفسد الطَّعام حينما يُوقف التبريد.



إزالة الصقيع شبه الأوتوماتية واليدوية.
يمكن إزالة الصقيع في الثلاجات عن طريق إيقاف عملها. وفي الطراز اليدوي، يُطفئ مفتاح يدار باليد وحدة التجميد. وعندما يتم إزالة الصقيع، يبدأ المفتاح المُدار باليد عمل وحدة التجميد مرة أخرى. ويجب أن تُطفأ الثلاجة شبه الأوتوماتية يدويًا، غير أنها تبدأ عملها مرة أخرى أوتوماتيًا، عندما تتم إزالة الصقيع. ويمكن الإسراع في إزالة الصقيع بوضع مياه ساخنة في الصواني المخصصة للثلج