دمای هوای زمین متناسب با فصول سال و مناطق جغرافیایی، مدام در حال تغییر است. این تغییرات عمدتاً به نفع انسان نبوده و انسان‌ها دايماً به دنبال راهی برای کنترل دما بوده‌اند. با کشف آتش، تولید گرما امکان‌پذیر شد و با پیشرفت فناوری این امر ساده‌تر و بهتر انجام می‌شود. اما برای نگهداری مواد غذایی و یا در مناطقی که دمای هوا بالاست برای راحتی، نیاز به کم شدن دمای هوا یا همان برودت وجود دارد. لذا از دیرباز انسان‌ها در پی راهی برای برودت یا سرماسازی بوده‌اند. در این مقاله قصد داریم با انواع سیستم برودتی و روش کار آن‌ها آشنا شویم.
برودت یا سرماسازی
در ابتدا باید به این موضوع بپردازیم که گرما و سرما چیست تا بعد به دنبال راهی باشیم که آن را کنترل کنیم. گرما یا حرارت (Heat) نوعی انرژی است و دما (Temperature) مقدار گرم یا سرد بودن جسم را نشان می‌دهد. یعنی اگر جسمی دارای گرما زیادی باشد، دمای آن بالاتر است. و بالعکس اگر دمای جسمی پایین است، نشان‌دهنده آن است که آن جسم گرمای کمتری دارد.
همان طور که در درس فیزیک به یاد داریم، انرژی از بین نمی‌رود بلکه تنها می‌توان آن را منتقل کرد. پس دستگاه‌های برودتی چگونه سرما تولید می‌کنند؟ جواب دقیق آن است که هیچ دستگاهی سرما تولید نمی‌کند، بلکه فقط گرما را از جسم مورد نظر جذب و به جسم دیگری منتقل می‌کند. این کار باعث کاهش مقدار گرمای آن جسم شده و در نتیجه دمای آن کاهش می‌یابد.
انتقال گرما از جسمی به جسم دیگر در طبیعت تنها در صورتی انجام می‌شود که دمای آن دو جسم مساوی نباشد. در این صورت گرما از جسم گرم به طور خودکار به جسم سرد منتقل می‌شود تا جایی که دو جسم هم‌دما شوند. طبیعت همواره به دنبال تعادل است. به طور مثال اگر مقداری یخ در لیوان نوشابه قرار بگیرد چون نوشابه گرم‌تر است، گرمای خود را به یخ سرد می‌دهد. به این ترتیب نوشابه سردتر و یخ گرم‌تر می‌شود.
با این تفاسیر برای آنکه بتوانیم دمای محیط و یا جسمی را کاهش دهیم، باید یک جسم را که دمای آن کم است در مجاورت آن قرار دهیم تا انتقال حرارت صورت گیرد. و پس از آنکه آن دو به تعادل دما رسیدند، جسم خنک کننده یا جاذب گرما باید مجدداً سرد شود. این کاری است که در سیستم‌های برودتی انجام می‌شود، از قدیم یخ را به عنوان سردکننده استفاده می‌کردند. مقداری یخ در یک محفظه در کنار مواد غذایی قرار می‌گرفت تا آن مواد خنک بمانند. هرگاه یخ آب می‌شد، به عبارتی گرما را جذب می‌کرد، آن را با یخ تازه جایگزین می‌کردند. این کار مشکلات خاص خود را داشت، عدم در دسترس بودن یخ در همه فصول بزرگترین مشکل بود، پس انسان به دنبال راهی بهتر برای عمل برودت بود. در ادامه ضمن معرفی انواع سیستم های برودتی ، به بررسی روش کار آن‌ها خواهیم پرداخت.
سیستم‌های برودتی تبخیری
همان طور که می‌دانیم، هر مایعی برای تبخیر نیاز به حرارت دارد. پس اگر شرایطی ایجاد شود که مایعی مثل آب بر روی جسم مورد نظر پاشیده شود، برای تبخیر از آن جسم گرما را جذب می‌کند. در نتیجه آن جسم سرد می‌شود. این روش کار سیستم تبخیری است.
کولر آبی معروفترین مثال برای سیستم تبخیری است. آب بر روی پوشال‌ها پاشیده می‌شود. یک فن هوای بیرون را به داخل می‌کشد. با عبور هوا از لابه‌لای پوشال، گرمای خود را به آب منتقل می‌کند. به این شکل هوا سرد شده و در ادامه توسط کانال‌ها به اتاق هدایت و باعث خنک شدن هوای اتاق می‌گردد.
سیستم تبخیری را می‌توان یکی از قدیمی‌ترین سیستم برودتی ساخت انسان به شمار آورد، که اولین نسخه‌های آن در ایران دیده شدند. بادگیرهای مناطق کویری نوعی سیستم تبخیری هستند. سازه‌ای بلند نقش کانال، برای هدایت باد را ایفا می‌کند. در زیر آن حوضچه‌های آب، یا آب انبار قرار دارد. با عبور باد از روی آب، دمای آن کم شده و سپس وارد اتاق می‌شود. بادگیر باغ دولت‌آباد در استان یزد نمونه پا برجای این سیستم برودتی باستانی است.
امروزه اما برای این کار از روش‌های پیشرفته‌تری استفاده می‌شود. کولر آبی، ایرواشر، اکونوپک و زنت از نمونه‌های سیستم تبرید تبخیری است. سیستم‌های تبخیری را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد :
سیستم تبخیری مستقیم
کولر آبی و ایرواشر از این دسته است، در این نوع از سیستم تبخیری آب و هوا در تماس مستقیم با یکدیگر قرار دارند. در این روش رطوبت هوا به میزان زیادی افزایش می‌یابد، که برای مناطقی با روطوبت هوای بالا کارایی مناسبی ندارد و همچنین افزایش رطوبت ممکن است برای ساکنین ناراحت کننده باشد.
سیستم تبخیری غیر مستقیم
در این روش ابتدا مقداری هوا مطابق روش مستقیم سرد می‌شود. سپس توسط یک مبدل حرارتی هوای دیگری را سرد می‌کند. آن دو هرگز با یکدیگر تماس ندارند. با این روش دیگر مشکل افزایش رطوبت به وجود نمی‌آید. این روش کارایی لازم را ندارد، زیرا در مقابل قیمت بالا مقدار ظرفیت آن بسیار کم است. و همچنین اگر منطقه مورد نظر رطوبت بالایی داشته باشد، همچنان کارایی سیستم پایین‌تر خواهد بود.
سیستم‌های برودتی تراکمی
با پیشرفت علم خصوصاً علم ترمودینامیک، روش‌های کارامدتری برای برودت ساخته شدند. در سال 1805 مخترع آمریکایی الیور اوانس یک دستگاهی را طراحی کرد که با یک سیکل بسته می‌توانست یخ تولید کند. این دستگاه با اعمال انرژی بر روی اتر، باعث می‌شد که ابتدا اتر گرمای آب را جذب کند و آب تبدیل به یخ شود، سپس در قسمت دیگر سیکل، گرمای خود را به محیط بیرون دفع کند. این دستگاه هرگز ساخته نشد.
اما در سال 1834 جاکوب پرکینس، مختر بریتانیایی اولین سیستم تبردی تراکمی را ساخت. وی دستگاه خود را چنین توصیف کرد:
با استفاده از مواد فرار، قادر به سردکردن و تولید یخ شده‌ام. در حالی که همان ماده بعد از تبخیر شدن مجدداً تقطیر شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در ادامه سیستم تبریدی تراکمی پیشرفته‌تر شد. و امروزه بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. کولرهای گازی، کولر خودرو، سردخانه‌های صنعتی، یخچال های فروشگاهی و خانگی همگی از این سیستم بهره می‌برند.
در این سیستم به طور خلاصه یک سیال با تبخیر و تقطیر گرما را جذب و دفع می‌کند. ابتدا آن سیال که مبرد یا گاز خنک‌کننده نام دارد، توسط کمپرسور افزایش فشار پیدا کرده و وارد کندانسور می‌شود. در آنجا با دفع گرما مایع شده و وارد شیر انبساط می‌شود. در آنجا با افت فشار آماده ورود به اواپراتور و جذب گرما شده و به نقطه ابتدایی سیکل می‌رسد.
از مزایای این سیستم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سیال مبرد هرگز از بین نمی‌رود و همواره مورد استفاده قرار می‌گیرد
- رطوبت افزایش نمی‌یابد
- برای ظرفیت‌های مختلف می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد
- بازدهی بسیار بالایی دارد
از معایب آن نیز می‌توان گفت:
- استفاده از مبردهای CFC باعث آسیب به لایه اوزون می‌شود
در سیستم‌های تراکمی که از کندانسور آبی یا تبخیری استفاده می‌کنند، مشکل مصرف آب وجود دارد.
سیستم‌های برودتی جذبی
این نوع سیستم برودتی در اوایل قرن بیستم بسیار مورد توجه بود. اما بعد از توسعه سیستم‌های تراکمی به واسطه ضریب عملکردشان کمتر مورد استفاده قرار گرفت. ضریب عملکرد جذبی 1/5 تراکمی است. یخچال‌های نفتی قدیمی از معروفترین دستگاه‌های جذبی هستند.
در سیستم های برودتی جذبی بر خلاف سیستم های برودتی تراکمی که از انرژی مکانیکی (کمپرسور) استفاده می شود، از منابع حرارتی به عنوان انرژی ورودی به سیستم استفاده می کنند. از آنجایی که این انرژی مکانیکی توسط برق تامین می‌شود، در شرایطی که دسترسی آسان و کم هزینه به منابع برق وجود نداشته باشد و در مقابل انرژی حرارتی مانند انرژی خورشیدی یا گرمای تلف شده در دیگر سیستم‌های حرارتی وجود داشته باشد، استفاده از سیستم‌های برودتی جذبی مقرون به صرفه‌تر است.
روش کار سیستم برودتی جذبی به این شکل است توسط یک ژنراتور محلول آب و آمونیاک در فشار بالا گرم شده، و دو ماده از یکدیگر جدا می‌شوند. این کار باعث ایجاد دو محلول می‌شود از یک طرف، بخار با غلظت بالای آمونیاک که محلول غلیظ نام دارد و از طرف دیگر، یک محلول مایع با غلظت پایین آمونیاک که محلول رقیق نام دارد.
بخار آمونیاک غلیظ با عبور از کندانسور ، خنک شده و به حالت مایع می‌رسد. محلول با غلظت بالای آمونیاک وارد مبدل حرارتی می شود تا فشار آن در ورود به اواپراتور کاهش یابد. به دلیل این اختلاف فشار ایجاد شده، آمونیاک در دمای پایین بخار می شود و گرما را جذب می‌کند به این ترتیب عمل تبرید انجام می‌گیرد.
از مزایای سیستم رودتی جذبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مصرف برق ناچیز
- عمر مفید بالا
- قابلیت استفاده از انرژی خورشیدی
- قابلیت بازیابی انرژی حرارتی هدر رفته در دیگر سیستم‌ها
- عدم استفاده از گازهای CFC
و از معایب آن نیز :
- بازدهی کمتر
- هزینه نصب و راه‌اندازی بالاتر
جمع‌بندی
در این مقاله ابتدا آموختیم که سرما قابل تولید شدن نیست. سرما یعنی نبود گرما و برای آنکه بتوانید فضایی را خنک کنیم باید گرمای آن را جذب کنیم. سیستم‌های برودتی بر این اساس کار می‌کنند. و بر حسب مکانیزم عملکرد خود به سه دسته تقسیم می‌شوند: تبخیری، تراکمی، جذبی. در ادامه با هر یک به طور مختصر آشنا شدیم و معایب و مزایای آن‌ها را دیدیم. امیدواریم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد.
جهت خرید انواع قطعات برودتی با ما تماس بگیرید.