سیکل تبرید (Refrigeration Cycle)

سیکل تبرید یک فرآیند مهم در صنعت تهویه مطبوع و تبرید است که برای انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر و تولید سرمای مورد نیاز در سیستم‌های کولر گازی، یخچال، یا تهویه مطبوع استفاده می‌شود. مانند قلب در بدن انسان که به گردش خون می‌پردازد و نقل و انتقال عناصر مختلف را امکان‌پذیر می‌کند، سیکل تبرید نیز به عنوان قلب صنعت HVACR عمل می‌کند.

مراحل سیکل تبرید

سیکل تبرید از چند مرحله اصلی تشکیل شده است:

1. فشردگی (Compression)

   در این مرحله، کمپرسور گازی را فشرده می‌کند. این فشردگی باعث افزایش دما و فشار گاز می‌شود.

2. مبردسازی (Condensation)

   گاز فشرده شده به یک شکل مایع تبدیل می‌شود و حرارتی که در مرحله فشردگی افزایش یافته بود، از گاز به مایع منتقل می‌شود. این مرحله در یک مبدل حرارتی به نام کندانسور انجام می‌شود.

3. گسترش (Expansion)

   مایع حاصل از مبردسازی به یک میکرونیزم خنثی‌سازی شده و فشار و دمای آن کاهش می‌یابد.

4. تبخیر (Evaporation)

   گاز حاصل از گسترش به شکل گازی باز می‌گردد و حرارت محیط را جذب می‌کند. این مرحله در یک مبدل حرارتی به نام اواپراتور انجام می‌شود.

سیکل تبرید با این دوره‌های مکرر امکان انتقال گرما از مکانی به مکان دیگر را فراهم می‌کند. این فرآیند به تهویه مطبوع در ساختمان‌ها، نگهداری مواد تازه در یخچال و یا تبرید محیط‌های صنعتی کمک می‌کند. افراد متخصص در حوزه HVACR مسئول اجرای سیکل تبرید به منظور انتقال گرما به خارج یا داخل ساختمان و ایجاد شرایط مطلوب حرارتی در آن هستند.

جریان دما

گرما به عنوان یک متغیر حیاتی در سیکل تبرید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به طور کلی، گرما از یک فضای گرمتر به فضای سردتر جریان می‌یابد. به منظور کارکرد بهینه کندانسور، دمای کندانسور باید بیشتر از دمای هوای اطراف باشد. در روزهای بسیار گرم تابستان، زمانی که دما بالاتر از حداقل دمای کندانسور (که معمولاً حدود 95 درجه فارنهایت است) است، ظرفیت خنک کننده کمتر می‌شود. این امر به افت فشار در کندانسور منجر می‌شود که باعث کاهش دما و کارایی کولر می‌شود

رابطه دما و فشار در سیکل تبرید

یکی از اصول اساسی در سیکل تبرید، رابطه بین دما و فشار است. این رابطه بسیار ساده است: اگر فشار را افزایش دهید، دما نیز افزایش می‌یابد، و اگر فشار را کاهش دهید، دما نیز کاهش می‌یابد. در واقع، این دو متغیر همچنین قاعده جهت حرکت دما در سیستم تبرید را تعیین می‌کنند.

در سیکل تبرید، دو طرف فشار وجود دارد: “لو ساید” و “های ساید” (Low Side & High Side) که توسط کمپرسور ایجاد می‌شوند.

فازهای مبرد

اکنون باید بدانیم که مبرد در چه فازهایی در سیستم وجود دارد. شما با آب آشنا هستید، بنابراین ما از آن به عنوان مثال اولیه خود در نظر خواهیم گرفت. آب اساساً دارای سه فاز است که می توان آن را به شرح زیر یافت:

• جامد: یخ
• مایع: آب
• گاز: بخار

مبرد در سیکل تبرید در دو فاز اساسی عمل می‌کند: فاز مایع و فاز گاز. در حقیقت، مبرد فقط در این دو فاز وجود دارد و تغییر مداوم حالت مبرد از گاز به مایع و بالعکس در طول انتقال گرما به اطراف اتفاق می‌افتد. این تغییرات حالت مبرد از گاز به مایع و بالعکس به مدار تبرید جریانی اصلی است که مبرد در آن به عنوان وسیله انتقال گرما عمل می‌کند

سمت فشار بالا مربوط به گرما است، در حالی که سمت فشار پایین مربوط به خنک کننده است.

اجزای سیکل تبرید

قبل از اینکه چرخه تبرید را توضیح دهیم، باید چهار جزء اساسی را درک کنیم .در سیکل تبرید، چهار جزء اصلی وجود دارد که هرکدام نقش خود را ایفا می‌کنند:

1. کمپرسور: کمپرسور مبرد را از فاز کم فشار به فاز فشار بالا منتقل می‌کند و این کار با ایجاد اختلاف فشار انجام می‌شود.
2. کندانسور: کندانسور، مبرد را از فاز گازی به مایع تبدیل می‌کند و گرما را به محیط خارجی منتقل می‌کند.
3. دستگاه اندازه‌گیری (شیر انبساط): این دستگاه به مبرد اجازه می‌دهد تا از سمت فشار بالا به سمت فشار پایین عبور کند و فشار مبرد را کنترل می‌کند.
4. اواپراتور: اواپراتور مبرد مایع را به گاز تبخیر تبدیل می‌کند و این امر با جذب گرمای از محیط اطراف انجام می‌شود.

• کمپرسور

کمپرسور یکی از اجزای اساسی در سیکل تبرید است. وظیفه اصلی کمپرسور افزایش فشار مبرد و تبدیل آن از فاز گازی به فاز مایع است. کمپرسور عملکردی مشابه با یک پمپ دارد. مبرد در واحد داخلی توسط کمپرسور جذب شده و به فشار بالا و دمای بالا فشرده می‌شود. این افزایش فشار باعث افزایش دمای مبرد نیز می‌شود. انواع مختلفی از کمپرسورها وجود دارد، اما هدف این است که مبرد را در سراسر سیستم جابجا کنیم. کمپرسور فقط با گاز بدون مایع کار می کند، بنابراین مهم است که فقط بخار وارد ورودی کمپرسور یا خط مکش شود. کمپرسور مبرد کم فشار را می گیرد و آن را به مبرد فشار قوی افزایش می دهد. و همانطور که فهمیدیم وقتی فشار بالا می رود، دمای مبرد نیز افزایش می یابد.

• کندانسور (Condenser)

کندانسور نقش مهمی در انتقال گرمای جذب شده توسط مبرد از واحد داخلی به محیط خارجی ایفا می‌کند. در این مرحله، مبرد از فاز گازی به فاز مایع تبدیل می‌شود. کندانسور معمولاً دارای لوله‌ها یا کویل‌هایی است که به آنها هوای خارجی عبور می‌کند. این هوا با تماس با کویل کندانسور، گرمایی که توسط مبرد حمل شده است را جذب می‌کند و مبرد را خنک کرده و به شکل مایع تبدیل می‌کند. این فرآیند باعث افزایش دمای هوای خارجی می‌شود.

هوای دمیده شده بر روی کندانسور با سطح داغ کویل مسی (لوله) همانطور که در تصویر نشان داده شده است در تماس است.

• دستگاه اندازه گیری (شیر انبساط)

دستگاه اندازه‌گیری، یا به عبارت دقیق‌تر شیر انبساط، نقش کنترل فشار و تخلیه مبرد از کندانسور به اواپراتور را دارد. این دستگاه به مبرد اجازه می‌دهد تا از فشار بالا به فشار پایین و از حالت مایع به گاز تبخیر تبدیل شود. تنظیمات شیر انبساط توسط تنظیم فشار و دمای مورد نیاز برای سیستم تعیین می‌شود.

شیر انبساط مانند پلیس پارکینگ در پارک حرفه‌ای است که تنها به تعداد خودروهایی که در آن محوطه پارکینگ موجود است، اجازه عبور می‌دهد.  شیر انبساط تنها به مبرد اجازه می دهد تا بر اساس نیازهای خنک کننده از آن عبور کند.

است. این باعث می شود که بخار مبرد در کویل کندانسور دوباره به مایع تبدیل شود.

• اواپراتور (Evaporator)

اواپراتور یا تبخیرگر، نقش مهمی در سیکل تبرید ایفا می‌کند. در این مرحله، مبرد به عنوان مایع به اواپراتور وارد می‌شود و با تماس با هوای گرم از محیط اطراف گرمایی را جذب می‌کند. این جذب گرما باعث تبخیر مبرد و تبدیل آن به فاز گازی می‌شود. اواپراتور عملکردی مشابه با یک چرخ‌گرمای معکوس دارد و به افزایش دمای هوای خروجی از واحد داخلی کمک می‌کند.

همانطور که هوای گرم از روی کویل اواپراتور عبور می کند، گرما توسط مبرد مایع جذب می شود و باعث می شود که مبرد به گاز تبدیل شود. هوای خروجی از کویل بسیار خنک تر خواهد بود زیرا مقداری از گرمای خود را به مبرد داده است.

همانطور که مبرد مایع از اواپراتور عبور می کند، هوای گرم عبوری از اواپراتور، گرمای خود را به مبرد مایع می دهد که از کویل اواپراتور عبور می کند و باعث تبخیر مبرد (تبدیل از مایع به گاز) می شود. هوا مقداری از گرمای خود را از دست می دهد و در نتیجه خنک تر می شود. به یاد داشته باشید تا زمانی که بین دو مورد اختلاف دما وجود دارد، قسمت گرمتر مقداری از گرمای خود را به قسمت دمای کمتر منتقل می کند.

این چهار اجزای اصلی به همکاری برای ایجاد یک چرخه تبرید کامل و مؤثر می‌پردازند. این چرخه به عنوان یک واحد تبادل حرارت کار می‌کند و گرما را از یک فضا به فضای دیگر منتقل می‌کند، بدین ترتیب در تهویه مطبوع و سیستم‌های تبریدی کاربرد دارد.

مزایا و معایب سیکل تبرید

سیکل تبرید، مانند هر فرآیند دیگر، مزایا و معایب خود را دارد که در زیر به تفصیل توضیح داده می‌شوند:

مزایای سیکل تبرید

1. تهویه مطبوع و خنکایش

   یکی از مزایای اصلی سیکل تبرید این است که امکان تهویه مطبوع در محیط‌های داخلی را فراهم می‌کند. با استفاده از سیستم‌های تبرید، می‌توان در فصول گرم تر از تهویه مطبوع استفاده کرد و محیط را خنک نمود.

2. حفاظت از محصولات و تجهیزات

   در بسیاری از صنایع، تبرید برای حفاظت از محصولات و تجهیزات بسیار حیاتی است. از مثال‌های این حفاظت می‌توان به نگهداری مواد غذایی تازه و اجزای الکترونیکی دستگاه‌ها اشاره کرد.

3. کارایی انرژی

   تبرید می‌تواند به کاهش دمای محیط بدون مصرف زیاد انرژی کمک کند. بسیاری از سیستم‌های تبرید از تکنولوژی‌های پیشرفته‌ای برای بهینه‌سازی مصرف انرژی استفاده می‌کنند.

معایب سیکل تبرید

1. هزینه نصب و نگهداری

   نصب و نگهداری سیستم‌های تبرید هزینه‌بر است. تجهیزات مانند کمپرسورها و کندانسورها نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه زیادی دارند و نیاز به نگهداری دقیق دارند.

2. مصرف انرژی

   در برخی موارد، سیستم‌های تبرید می‌توانند مصرف بالایی از انرژی داشته باشند، به ویژه در صنایع بزرگ. این مصرف انرژی می‌تواند به مشکلات مرتبط با تغییرات آب و هوا و مسائل محیط زیستی منجر شود.

3. تاثیرات محیط زیستی

   سیکل تبرید ممکن است به افزایش میزان گازهای گلخانه‌ای در محیط زیست منجر شود، به خصوص اگر سیستم‌ها به درستی مدیریت نشوند. از این رو، برخی از سیستم‌های تبرید باید با استفاده از فرآیندها و فناوری‌های محیط زیستی بهبود یابند.

در نهایت، استفاده از سیکل تبرید باید با توجه به نیازها و شرایط خاص هر مورد ارزیابی شود تا مزایا و معایب آن به درستی ارزیابی شوند و اقدامات مناسب انجام گیرد.

نتیجه گیری

در نتیجه، سیکل تبرید یکی از فرآیندهای مهم در دستگاه‌ها و سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع است که به انتقال گرما از یک محیط به محیط دیگر کمک می‌کند. این سیکل توسط چهار اجزای اصلی شامل کمپرسور، کندانسور، دستگاه اندازه‌گیری (شیر انبساط) و اواپراتور تشکیل شده است، هر کدام با وظایف خاص خود در انتقال گرما نقش دارند.

کمپرسور، به عنوان “قلب” سیکل تبرید، مبرد را فشرده کرده و افزایش فشار و دما را ایجاد می‌کند. سپس کندانسور گرمای جذب شده توسط مبرد را به محیط خارجی دفع می‌کند. دستگاه اندازه‌گیری نقش کنترلی در تنظیم فشار و دما دارد و به مبرد اجازه می‌دهد که از فاز مایع به فاز گاز تبخیر تبدیل شود. در نهایت، اواپراتور با تبخیر مبرد و جذب گرمای محیط اطراف، سردایی را در واحد داخلی فراهم می‌کند.

این فرآیند چرخه تبرید را ایجاد می‌کند و به کنترل دما و محیط در تهویه مطبوع و سیستم‌های تبریدی کمک می‌کند. توانایی انتقال گرما و تبدیل مبرد از فاز مایع به فاز گازی و بالعکس، این سیکل را به یکی از اصول اساسی در دنیای تبرید و تهویه مطبوع تبدیل کرده است.