مبانی و اصول سردخانه

در فیزیک و ترمودینامیک، گرما انرژی جابجا شده از یک جسم به جسم دیگر یا از ناحیهای به ناحیهای دیگر، طی برهمکنشهای گرمایی است. انتقال انرژی از راههای گوناگون مانند ( رسانش گرمایی )حالتی از جابجایی انرژی درون یا بین بدنه اجسام است که بر اثر شیو دما به انگلیسی temperature gradient رخ میدهد(، تابش، و همرفت )یکی از روشهای انتقال گرما است.در ادامه در مورد سردخانه خواهیم یافت :

همرفت نه تنها در داخل یک سیال، بلکه بین دو جسم که یکی از آنها سیال باشد نیز اتفاق میافتد. فرایند رسانش بین یک سطح جامد و یک سیال در حال حرکت، همرفت نامیده میشود( انجام میشود. گرما یکی از ویژگیهای سیستم یا جسم نیست، بلکه معمولاً به یک نوع فرایند مربوط است، و با جریان گرما و انتقال گرما هم معنا است .

در کل، گرما انتقال انرژی از یک جسم یا از یک سامانه ترمودینامیکی (قسمتی از جهان گفته میشود که در حال بررسی است)به دیگری است در هنگامی که دو سامانه در دو دمای متفاوت باشند. این انرژی در اثر تماس حرارتی منتقل میشود. همچنین از انتقال گرما به عنوان یکی از فرایندهای بنیادی انتقال انرژی بین اجسام فیزیکی یاد میشود. انتقال گرما یکی از راههای جابجایی انرژی است که در آن کاری صورت نمیگیرد.

واحد و نماد گرما :

  • واحد گرما در دستگاه SI ، ژول است .
  • گرما را با نماد Q نمایش میدهیم .

حرارت محسوسبه انگلیسی Sensible heat یا گرمای محسوس، گرما یا انرژی حرارتی منتقل شده، میان سطح جسم یا یک سیستم ترمودینامیکی و هوای پیرامونش است، زمانی که با هم اختلاف دما داشته باشند. به این فاصله دما، گرادیان دمایی گفته میشود. گرادیان دمایی عمودی میان یک سطح و هوای بالای آن جریان دارد و ما میتوانیم کاهش یا افزایش دمای هوا را حس کنیم. زمانی که گرمای جسم بیشتر از محیط اطرافش باشد انتقال حرارت اتفاق میافتد که میتواند از طریق هدایت، همرفت و تابش باشد.

حرارت معمولاً به طریق هدایت و برخورد مولکولهای هوا با سطح منتقل میشود، همزمان همانطور که هوا گرم میشود به روش همرفت بالا میرود، بنابراین انتقال حرارت محسوس در دو مرحله انجام میگیرد. از آنجایی که هوا هادی گرمای خوبی نیست لذا همرفت بیشترین حرارت محسوس را منتقل میکند.
گرمای نهان به انگلیسی Latent heat گرمایی است که ماده در هنگام تبدیل از حالتی به حالت دیگر از دست است. این لفظ در سال » گذار فازی « داده یا جذب میکند. نام دیگر گرمای نهان ۱۷۵۰ میلادی توسط جوزف بلک برگزیده شد. این کلمه از لفظ لاتین Latere به معنای پنهان کردن گرفته شدهاست. اکنون این لغت به آنتالپی تبدیل نیز تعبیر شدهاست .

اثر گرما در چنین دگرگونیهایی برگشت پذیر است. گرمای جذب شده توسط یک جامد در هنگام مایع شدن در نقطه ذوب را گرمای نهان ذوب و گرمای جذب شده توسط یک مایع برای تبدیل شدن به بخار در فشار یک اتمسفر و در نقطه جوش را گرمای نهان تبخیر میگویند. این تغییر زمانی که تغییر فاز جامد به مایع داریم گرماگیر و در جهت عکس گرماده است.

برای مثال در اتمسفر زمانی که یک مولکول آب از سطح آب بخار میشود، انرژی توسط مولکولهای آب به بسته هوایی با دمای کمتر منتقل میگردد. این بسته هوایی آب بخار شده کمتری نسبت به اطراف خود دارد. از آنجایی که باید بر نیروهای جاذب بین ذرات آب غلبه کنیم، مرحله تبدیل یک بسته آبی به یک بسته بخاری نیازمند گرفتن انرژی است.

اگر آب بخاری فشرده شده و به شکل مایع یا جامد تبدیل گردد، انرژی ای که قبلاً برای تبخیر شدن گرفته شده بود به صورت گرمایی محسوس آزاد میشود. انرژی زیاد آنتالپی انقباض بخار آب موجب میگردد که بخار آب از آب جوش در گرمادهی بهتر باشد .

معادله گرمای نهان ذوب به این صورت است:

  • Q مقدار انرژی دریافتی یا آزاد شده هنگام تغییر فاز ( ژول)
  • m جرم ماده مورد نظر
  • L گرمای نهان ویژه یک ماده مشخص ( J/kg )

گرماهای نهان را معمولاً بر حسب واحد ژول بر مول می سنجند. گرماهای نهان انتروپیهای تغییر فاز هستند .

سَرما پدیدهای است که بر اثر کاهش گرما روی میدهد. در دانشفیزیک چیزی به نام سرما دادن وجود ندارد،بلکه گرفتن گرما از ماده باعث عدم وجود گرما شده که به اصطلاح سرما میگویند. سرما را نمیشود وجه مقابل گرما دانست چرا که گرما از  وجود دلالت میکند اما سرما امریست عدمی. در حقیقت سرما وجود ندارد و این عدم وجود گرما است که ما را بر آن داشته که اسمی به نام سرما به آن لقب بدهیم . همچنین میتوان از راههای تولید سرما عدم گرما تبخیر سطحی و اعمالی همچون چگالش و سرمایش نام برد .
چگالش به انگلیسی Deposition یا Desublimation یک فرایند ترمودینامیکی است که در آن ماده از حالت گاز به جامد تبدیل میشود. همچنین چگالش یک نوع تغییر شیمیایی است.

مثال چگالش: تبدیل گازکربن دی اکسید به کربن دی اکسید جامد (یخ خشک) به فرایند کاهش دادن دما، سرمایش میگویند. سامانه ها و دستگاههای گوناگونی وجود دارد مانند یخچالها، سرماسازها، سردکنها، یخزنها، یخسازها، خنککنها و جز اینها که به وسیله آنها فرایند سرمایش انجام میگیرد.

سرد کردن یا ایجاد سرما واژه نادرستی میباشد چراکه معیاری برای سنجش آن وجود ندارد و سرما وجود خارجی ندارد در حقیقت اگر از جسمی گرما گرفته شود به اصلاح آن جسم سرد تر شده است اما ممکن است همین جسم سرد در مقابل جسمی سردتر با عنوان جسم گرم خوانده شود.

Btu/h : مقدار انرژی گرمایی برحسب Btu که از مادهای با دمای بیشتر به مادهای با دمای کمتر در زمان یک ساعت منتقل میشود.

در آحاد متریک واحد نرخ جریان گرمایی کیلوکالری و کیلووات است. هر یک کیلووات معادل یک کیلوژول بر ثانیه است. بنابراین هر کیلووات مقدار انرژی گرمایی برحسب کیلوژول است که از یک ماده با دمای بیشتر به مادهای با دمای کمتر در مدت یک ثانیه منتقل میشود.

تن تبرید: نرخ انتقال گرما برای کاربردهای سرمایشی با واحد بزرگتری به نام تن تبرید سنجیده میشود که برابر با Btu/h ۱2۰۰۰ یا Kw 3.۵۱۷ است.

مبرد به انگلیسی Condenser یکی از ابزارهای آزمایشگاهی میباشد که به منظور سرد کردن بخارات وتبدیل آنها به مایع استفاده میشود. این وسیله بیشتر در فرایند تقطیر و برای سرد کردن بخارات حاصل از تقطیر مخلوط چند مایع به منظور جداسازی آنها به کار میرود .

بررسی انواع مبرد و کاربرد آن:

  • R-12 دی کلرودی فلورو متان (CCl2F2) : مادهای است بیرنگ تقریباً بی بو و در فشار اتمسفر دارای نقطه جوشی معادل ۷ / 2۱ درجه فارنهایت است. مادهای غیر سمی و غیرقابل اشتعال است و خورنده نیست. از نظر شیمیایی این مبرد در حرارتهای عملیاتی بیاثر است  و از نظر حرارتی تا ۱۰22 درجه پایدار باقی میماند .
  • R-12 دارای گرمای نهان نسبتا پایین است و برای مصرف در دستگاههای کوچک تر مناسب میباشد. زیرا گردش مقدار زیادی ماده سرما زا امکان استفاده از مکانیزمهای عملیاتی و تنظیم دقیق تر و در عین حال با حساسیت کمتر را میسر میکند . از این مبرد در کمپرسورهای پیستونی و دورانی و انواع بزرگ گریز از مرکزی استفاده میشود .

این ماده در فشارهای سر. و معکوس پس فشار کم . ولی مثبت با یک بازدهی حجمی خوب کار میکند. در ۵ درجه فارنهایت . فشاری معادل ۵ / 2۶ پوند بر اینچ مربع مطلق. و در ۸۶ درجه فارنهایت دارای فشاری مطلق معادل ۸ / ۱۰۸ پوند بر اینچ مربع است

گرمای نهان آن در ۵ درجه فارنهایت 2 / ۶۸ بی-تی- یو است و نشت آن به سهولت و با استفاده از نشت یاب الکترونیکی یا مشعل هالاید مشخص می گردد . در حرارت صفر درجه مقدار کمی آب در -R ۱2 حل میشود که نسبت آن بر حسب وزن ۶ در ملیون است . مایعی که تولید میشود تا حدودی بر روی اکثر فلزات معمولی که در ساختمان دستگاههای سردکننده استفاده میشود ایجاد زنگ میکند .

اضافه کردن روغنهای معدنی هیچگونه اثری در ایجاد رنگ بوسیله مایع ندارد ولی احتمالا کم رنگ شدن مایع به وسیله آب را کاهش میدهد . حساسیت ماده R-12 نسبت به آب در مقایسه با R-22/R-50 بیشتر است . تا ۹۰ درجه قابل حل شدن در روغن است. در این حرارت روغن شروع به جدا شدن میکند و به علت سبک تر بودن وزن در سطح آن جمع میشود .

به کار بردن 3۰ پوند از این ماده به ازای هر ۱۰۰۰ فوت مکعب فضای تهویه شده کاملاً بیخطر است . این ماده در سیلندرهای به اندازه مختلف عرضه میشود و احتمالا در قوطیهای سر بسته و محکم نیز یافت میشود . کد رنگی مخصوص R-12 سفید است

R-22 منوکلرودی فلورو متان (CHCLF2) R-22 یک ماده سرمازای مصنوعی است که انحصارا برای دستگاههای تبریدی که درجه تبخیر پایینی دارند ساخته شده است. یکی از موارد استفاده آن در دستگاههای انجماد سریع است که حرارت آنها بین 2۰ تا ۴۰ درجه فارنهایت حفظ می گردد

همچنین در دستگاههای تهویه مطبوع و یخچالهای خانگی نیز بهطور موفقیت آمیزی مورد استفاده قرار گرفتهاست . R-22 فقط در کمپرسورهای پیستونی به کار گرفته میشوند و فشار عملیاتی آن به نحوی است که برای نیل به درجات پایین. نیازی به کار کردن در فشارهای کمتر از جو نیست.

گرمای نهان آن به ازای هر پوند در ۵ درجه فارنهایت 2۱ / ۹3 بی-تی-یو است . فشار عادی سر کمپرسور در ۸۶ درجه ۸2 / ۱۷2 پوند بر اینچ مربع مطلق است . R-22 مادهای پایدار. غیر سمی .بدون اثر اکسید کنندگی . بی آزار و غیرقابل اشتعال است. فشار اواپراتور در ۵ درجه فارنهایت ۴3 پوند بر اینچ مربع است. حلالیت آن در آب 3 برابر R-22 است. بنابراین رطوبت در این ماده باید حداقل باشد.

به همین دلیل استفاده از رطوبت گیر و خشک کن در این مورد بیشتر است . به علت تمایل شدیدتر R-22 به آب تعداد بیشتری رطوبت گیر برای خشک کردن آن لازم است. R-22 تا حرارت ۱۶ درجه فارنهایت در روغن حل میشود و پس از ان روغن شروع به جدا شدن نموده و چون از مایع سبک تر است در سطح آن جمع میشود. وجود نشت را میتوان به وسیله نشت یاب الکترونیکی و یا مشعل هالاید تیین کرد.

مواد سرمازای مخلوط :

همانطور که از نامشان پیداست. این مواد مخلوطی از دو یا چند ماده سرما زا هستند. ولی مانند یک ماده سرمازای واحد عمل میکنند .

چهار نوع متداولتر آنها عبارتند از :

  • R500 که مخلوطی است از ۸ / ۷3 درصد R12 و 2 / 2۶ درصد
  • R152a R502 که مخلوطی است از ۸ / ۴۸ درصد R22 و 2 / ۵۱ درصد
  • R11 R410a که مخلوطی از R32 ۵۰% و R125 ۵۰%

این مواد سرما زا موادی ثبت شده هستند که مراحل ترکیب آنها پیچیده است و متصدی سرویس نباید با اختلاط مواد مبرد اقدام به ساختن مادهای مخصوص بنماید

ارائه شده توسط تیم نسیم سرمایش زاگرس