تبرید چیست و چه کاربردی دارد؟

سردسازی با روش‌های بسیار گوناگونی از گذشته تا به حال مورد استفاده بشر بوده است. سردسازی به فرآیند کاهش دمای یک ماده گفته می‌شود. این فرآیند کاربردهای فراوانی در زندگی بشر دارد، از جمله نگهداری مواد غذایی و دارویی، ایجاد هوای مطبوع در محیط‌های مسکونی، تجاری و صنعتی و استفاده در صنایع مختلف، مانند صنایع غذایی، دارویی، شیمیایی و پتروشیمی. بشر از دیرباز از روش‌های مختلف برای سردسازی استفاده می‌کرده است. یکی از قدیمی‌ترین روش‌های سردسازی، استفاده از یخ طبیعی بود. یخ طبیعی از کوه‌ها جمع آوری می‌شد و برای سرد کردن مواد غذایی و نوشیدنی‌ها استفاده می‌شد.

در اوایل قرن نوزدهم، روش‌های جدیدی برای سردسازی ابداع شد. این روش‌ها بر اساس چرخه تبرید کار می‌کردند. چرخه تبرید یک فرآیند ترمودینامیکی است که از آن برای انتقال گرما از یک محیط به محیط دیگر استفاده می‌شود. در چرخه تبرید، یک ماده مبرد، مانند آمونیاک یا فریون، از طریق یک سیستم بسته جریان می‌یابد. این ماده مبرد تحت فشار قرار گرفته و گرما را از محیط جذب می‌کند. سپس، ماده مبرد منبسط شده و گرما را در محیط آزاد می‌کند.

در این مقاله تصمیم داریم در رابطه با چرخه یا سیکل تبرید صحبت کنیم و جزئیات آن را برای شما شرح داده و به تمام سوالات در این زمینه پاسخ دهیم. پس در ادامه با تهویه آسمان همراه باشید.

چرخه یا سیکل تبرید چیست؟

تبرید یک سیکل یا چرخه است که معمولاً آن را با نام سیکل تبرید (refrigeration cycle) می‌شناسیم. چرخه تبرید یک فرآیند ترمودینامیکی است که از یک مبرد برای حذف گرما از یک مکان و انتقال آن به مکان دیگر استفاده می‌کند. این فرآیند در یخچال، فریزر، تهویه مطبوع و سایر سیستم‌های HVAC استفاده می‌شود. چرخه تبرید چهار مرحله اصلی دارد:

1. مرحله Compression: مبرد توسط کمپرسور فشرده شده که باعث افزایش دما و فشار آن می‌شود.
2. مرحله Condensation: مبرد فشرده از یک کندانسور عبور می کند و در آنجا خنک می شود و به مایع تبدیل می شود.
3. مرحله Expansion: مبرد مایع از یک شیر انبساط عبور می کند که باعث کاهش فشار و دمای آن می شود.
4. مرحله Evaporation: مبرد در اواپراتور تبخیر می شود و گرما را از ناحیه اطراف جذب می کند.

چرخه تبرید را می‌توان با عکس زیر نشان داد:

به زبان ساده‌تر؛ به جذب حرارت از یک سیال که می‌تواند هوا، آب، هر نوع گاز یا مایع دیگری باشد و دفع آن به سیال دیگر تبرید می‌گویند. در تمامی سیستم‌های تبريد، حفظ سرما مستلزم جذب حرارت از موادی با درجه حرارت کمتر و خارج کردن این حرارت به محیطی با درجه حرارت بالاتر می‌باشد.

به عبارتی سیکل تبرید به فرآیند سردسازی گفته می‌شود که در آن یک سیال مانند هوا یا آب به وسیله سیالی دیگر مانند مبرد، سرد شده و برای کاربردهایی چون سرمایش هوای یک ساختمان یا خنک کاری مدار یک دستگاه صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

معنای لغوی تبرید

تبرید در لغت به معنای سرد کردن است. تبرید در اصطلاح به فرآیند کاهش دمای یک ماده گفته می‌شود. این فرآیند کاربردهای فراوانی در زندگی بشر دارد.

چرا از کلمه سیکل یا چرخه برای تبرید استفاده می‌شود؟ زیرا فرآیند تبرید، چرخه‌ای سرمایشی است که به‌طور دائم تکرار می‌شود تا عمل سردسازی را انجام دهد.

کاربرد چرخه تبرید

چرخه تبرید در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود، از جمله:

• یخچال و فریزر: یخچال و فریزر از چرخه تبرید برای حذف گرما از مواد غذایی و نوشیدنی‌ها استفاده می‌کند و آن‌ها را تازه و سرد نگه می‌دارد.
• تهویه مطبوع: دستگاه‌های تهویه مطبوع از چرخه تبرید برای حذف گرما از هوا استفاده می‌کنند و آن را خنک‌تر می‌کنند.
• پمپ‌های حرارتی: پمپ‌های حرارتی بسته به جهت جریان گرما می‌توانند از چرخه تبرید برای گرم کردن یا خنک کردن فضا استفاده کنند.

انواع سیکل تبرید

سیکل تبرید تراکمی

سیکل تبرید تراکمی یک فرآیند ترمودینامیکی است که از آن برای تولید سرما استفاده می‌شود. این فرآیند از یک ماده شیمیایی به نام مبرد استفاده می‌کند که در چهار مرحله زیر کار می‌کند:

1. فشرده سازی: مبرد مایع در کمپرسور فشرده می‌شود و دما و فشار آن افزایش می‌یابد.
2. تقطیر: مبرد فشرده شده در کندانسور گرمای خود را به محیط اطراف منتقل می‌کند و به مایع تبدیل می‌شود.
3. انبساط: مبرد مایع در شیر انبساط فشار خود را کاهش می‌دهد.
4. تبخیر: مبرد مایع با فشار کاهش یافته در اواپراتور گرمای خود را از محیط اطراف جذب می‌کند و به گاز تبدیل می‌شود.

این چرخه به طور مداوم تکرار می‌شود و باعث می‌شود که مبرد گرما را از محیط اطراف جذب کند و آن را به محیط اطراف منتقل کند. سیکل تبرید تراکمی از اجزای اصلی با نام‌های کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور تشکیل شده است.

سیکل تبرید تراکمی در کاربردهای مختلفی از جمله در تهویه مطبوع، یخچال‌ها و فریزر‌ها، یخ سازها، سیستم‌های تبرید هوا و تولید داروها و مواد شیمیایی استفاده می‌شود.

سیکل تبرید جذبی

سیکل تبرید جذبی یک نوع سیکل تبرید است که از یک ماده جاذب برای جذب مبرد استفاده می‌کند. این سیکل در چهار مرحله زیر کار می‌کند:

1. جذب: مبرد در ماده جاذب جذب می‌شود و دما و فشار آن کاهش می‌یابد.
2. تبدیل فاز: مبرد جذب شده در ماده جاذب تبخیر می‌شود و دما و فشار آن افزایش می‌یابد.
3. انبساط: مبرد بخار شده در شیر انبساط فشار خود را کاهش می‌دهد.
4. تبخیر: مبرد بخار شده با فشار کاهش یافته در اواپراتور گرمای خود را از محیط اطراف جذب می‌کند و به گاز تبدیل می‌شود.

این چرخه به طور مداوم تکرار می‌شود و باعث می‌شود که مبرد گرما را از محیط اطراف جذب کند و آن را به محیط اطراف منتقل کند. تفاوت اصلی بین سیکل تبرید تراکمی و سیکل تبرید جذبی در این است که در سیکل تبرید تراکمی از یک کمپرسور برای فشرده کردن مبرد استفاده می‌شود، در حالی که در سیکل تبرید جذبی از یک ژنراتور برای گرم کردن مبرد جذب شده استفاده می‌شود.

سیکل تبرید آبشاری

سیکل تبرید آبشاری یک سیستم تبرید است که از دو یا چند سیکل تبرید تراکمی با مبردهای مختلف استفاده می‌کند. این سیستم‌ها برای تولید دماهای بسیار پایین، مانند دماهای مورد نیاز برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، کاربرد دارند. سیکل تبرید آبشاری می‌تواند با راندمان بالایی کار کند و از انواع مبرد استفاده کند که این امر انعطاف پذیری آن را افزایش می‌دهد.

سیکل تبرید آبشاری در کاربردهای مختلفی از جمله آزمایشگاه‌های تحقیقاتی، تولید مواد غذایی، صنایع داروسازی و تولید مواد شیمیایی که نیاز به تولید دماهای بسیار پایین دارند، استفاده می‌شود.

سیکل تبرید آمونیاکی

سیکل تبرید آمونیاکی یک سیستم تبرید تراکمی است که از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده می‌کند. این سیستم‌ها برای کاربردهای مختلفی از جمله سردخانه‌های صنعتی، یخچال‌ها و فریزر‌ها و سیستم‌های تبرید هوا استفاده می‌شوند. سیکل تبرید آمونیاکی به صورت زیر کار می‌کند:

1. آمونیاک مایع در کمپرسور فشرده می‌شود و دما و فشار آن افزایش می‌یابد.
2. آمونیاک فشرده شده به کندانسور منتقل می‌شود و در آنجا گرمای خود را به محیط اطراف منتقل می‌کند و به مایع تبدیل می‌شود.
3. آمونیاک مایع به شیر انبساط منتقل می‌شود و در آنجا فشار آن کاهش می‌یابد.
4. آمونیاک مایع با فشار کاهش یافته به اواپراتور منتقل می‌شود و در آنجا گرمای خود را از محیط اطراف جذب می‌کند و به گاز تبدیل می‌شود.
5. آمونیاک گازی به کمپرسور بازمی‌گردد و چرخه مجدداً تکرار می‌شود.

معایب سیکل تبرید آمونیاکی عبارتند از سمی بودن آمونیاک، قابلیت اشتعال این ماده و نیاز به نگهداری بیشتر آن.

سیکل تبرید آمونیاکی در کاربردهای مختلفی از جمله در سردخانه‌های صنعتی، یخچال‌ها و فریزر‌ها و سیستم‌های تبرید هوا استفاده می‌شود.

سیکل تبرید آمونیاکی باید به گونه‌ای طراحی و اجرا شود که از نشت آمونیاک جلوگیری کند. نشت آمونیاک می‌تواند باعث مسمومیت و سوختگی شود. برای جلوگیری از نشت آمونیاک، باید از لوله‌های مناسب و تجهیزات ایمنی استفاده شود. همچنین، باید سیستم به طور منظم توسط یک متخصص سرویس شود.

سیکل تبرید پروپان
سیکل تبرید پروپیلن

انواع کمپرسورهای تبرید

کمپرسور قلب یک سیستم تبرید است. این دستگاه ماده مبرد را فشرده کرده و آن را به کندانسور می‌فرستد. انواع مختلفی از کمپرسور تبرید وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. انواع کمپرسور تبرید عبارتند از کمپرسور رفت و برگشتی، کمپرسور اسکرال، کمپرسور اسکرو و کمپرسور سانتریفیوژ.

ویژگی‌های کمپرسورهای تبرید عبارتند از:

• ظرفیت: ظرفیت کمپرسور میزان ماده مبرد را که می‌تواند در واحد زمان فشرده کند را تعیین می‌کند. ظرفیت کمپرسور باید متناسب با نیاز سیستم تبرید باشد.
• راندمان: راندمان کمپرسور میزان کارایی آن را تعیین می‌کند. راندمان بالاتر به معنای مصرف انرژی کمتر است.
• صدا: کمپرسور تبرید می‌تواند صدای زیادی تولید کند. کمپرسورهای جدیدتر معمولاً صدای کمتری نسبت به مدل‌های قدیمی‌تر تولید می‌کنند.
• عمر مفید: عمر مفید کمپرسور مدت زمانی است که کمپرسور بدون نیاز به تعمیر یا تعویض کار می‌کند.

قانون تبرید نیوتن

قانون تبرید نیوتن (Newton’s law of cooling) بیان می‌کند که نرخ سرد شدن یک جسم گرم شده در مجاورت یک محیط سرد، تقریباً متناسب با اختلاف دمای جسم و محیط است. این قانون اولین بار توسط آیزاک نیوتن در سال 1687 مطرح شد. قانون تبرید نیوتن به صورت زیر بیان می‌شود:

Q = k * A * (T_1 – T_2) * dt

در این رابطه:

• Q مقدار گرمای منتقل شده در واحد زمان است.
• k ضریب انتقال گرما است.
• A مساحت سطح جسم است که گرما از آن منتقل می‌شود.
• T_1 دمای اولیه جسم است.
• T_2 دمای محیط است.
• dt زمان است.

ضریب انتقال گرما، k، یک مقدار ثابت است که به ویژگی‌های جسم و محیط بستگی دارد. مساحت سطح، A، نیز یک مقدار ثابت است. قانون تبرید نیوتن یک قانون تجربی است که برای طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله یخچال‌ها، تهویه مطبوع، و تجهیزات آزمایشگاهی استفاده می‌شود. قانون تبرید نیوتن یک قانون مهم در مهندسی تبرید است. این قانون به مهندسان کمک می‌کند تا سیستم‌های تبرید را برای کاربردهای مختلف طراحی کنند.

اما این قانون محدودیت‌هایی نیز دارد. برخی از محدودیت‌های قانون تبرید نیوتن عبارتند از:

1. این قانون فقط برای شرایطی که اختلاف دما بین جسم و محیط کوچک باشد، معتبر است.
2. این قانون برای شرایطی که انتقال گرما به صورت همرفتی یا تابشی باشد، معتبر است.
3. این قانون برای شرایطی که جسم در حال حرکت باشد، معتبر نیست.

پرسش و پاسخ

اثر تبرید چیست؟

اثر تبرید به کاهش دمای یک ماده در اثر انتقال گرما از آن به ماده دیگری گفته می‌شود. این اثر بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است که بیان می‌کند گرما همیشه از محیط گرم‌تر به محیط سردتر جریان می‌یابد. در چرخه تبرید، ماده مبرد در اواپراتور تبخیر می‌شود و گرما را از محیط جذب می‌کند. این گرما باعث می‌شود که دمای محیط کاهش یابد. سپس، ماده مبرد فشرده شده و گرمای جذب شده را در محیط آزاد می‌کند. این گرما باعث می‌شود که دمای محیط افزایش یابد.

تبدیل تن تبرید به کیلووات چگونه است؟

تبدیل تن تبرید به بی تی یو چگونه است؟

برای تبدیل تن تبرید به بی تی یو، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

تن تبرید * 12000 BTU/hr = بی تی یو

به عنوان مثال، یک تن تبرید برابر با 12000 بی تی یو بر ساعت است. بنابراین، یک دستگاه تهویه مطبوع با ظرفیت 1 تن تبرید، در هر ساعت می‌تواند 12000 بی تی یو گرما را از محیط بگیرد. در سیستم‌های تبرید، معمولاً از واحد تن تبرید برای بیان ظرفیت دستگاه‌ها استفاده می‌شود. این واحد در ایالات متحده آمریکا و کانادا رایج است. در سایر کشورها، معمولاً از واحد بی تی یو بر ساعت استفاده می‌شود.

برای تبدیل بی تی یو به تن تبرید، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

بی تی یو / 12000 = تن تبرید

به عنوان مثال، یک دستگاه تهویه مطبوع با ظرفیت 12000 بی تی یو بر ساعت، برابر با 1 تن تبرید است.

هر تن تبرید چند اسب بخار است؟

هر تن تبرید معادل با 4.781 اسب بخار است. این معادله بر اساس استاندارد بین‌المللی ISO 8573-1 است.

برای تبدیل تن تبرید به اسب بخار، از فرمول زیر استفاده می‌شود:

تن تبرید * 4.781 = اسب بخار

هر تن تبرید چند cfm است؟

تبدیل تن تبرید به cfm مستقیماً امکان‌پذیر نیست. cfm واحد اندازه‌گیری جریان هوا است و به میزان هوای عبوری از یک مقطع در هر دقیقه اشاره دارد. در مقابل تن تبرید نیز به میزان گرمایی که یک دستگاه تهویه مطبوع می‌تواند از محیط بگیرد اشاره دارد. این دو واحد با یکدیگر مرتبط نیستند و نمی‌توان آنها را به صورت مستقیم تبدیل کرد.