مبادئ التبريد Refrigerators

من خلال المحاضرات السابقة التي شرحنا فيها فكرة عمل المحرك الحراري Heat Engine نجد أن المحرك هو عبارة عن آلة تقوم بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية من خلال نظام يؤخذ في دورة من العمليات الثيرموديناميكية بحيث يمتص حرارة من المستودع الحار وطرد حرارة إلى المستودع البارد ويبذل النظام شغلاً على المحيط الخارجي.

يوضح الشكل المقابل فكرة عمل المحرك الحراري وتوضح الأسهم انتقال الحرارة والشغل المبذول بواسطة النظام.

أما فكرة عمل الثلاجة Refrigerator فهي عكس فكرة عمل المحرك الحراري حيث تقوم الثلاجة باستخدام الشغل الخارجي الذي يبذل على النظام ليقوم النظام من خلال دورة ثيرموديناميكية بامتصاص الحرارة من المستودع البارد وفقد حرارة إلى المستودع الساخن. وبهذا تقوم الثلاجة بتبريد المستودع الحار من خلال امتصاص الحرارة منه وهو الجزء الموجود داخل الثلاجة المنزلية.

ويسمى النظام الذي يقوم بدورة التبريد في الثلاجة باسم refrigerant.

ولتوضيح فكرة عمل الثلاجة سنقوم باستخدام محرك ستيرلنج ولكن من

خلال عكس دورة عمله التي سبق وأن شرحناها في المحاضرة السابقة.

ثلاجة ستيرلينج Sterling Refrigerator

تعتمد فكرة عمل ثلاجة ستيرلنج على الاسطوانتين والمكبس الذي تم استخدامهما في محرك ستيرلنج ولكن من خلال عكس دورة الغاز لتكون على النحو التالي:

المرحلة من 1 إلى 2 بينما يكون المكبس الأيمن ثابتاً يتحرك المكبس الأيسر للأعلى ضاغطاً الغاز في عملية عند درجة حرارة ثابتة ويفقد النظام كمية حرارة Q_h إلى المستودع الحار.

المرحلة من 2 إلى 3 كلاً من المكبسين يتحركان في اتجاهين متعاكسين حيث يستمر المكبس الأيسر في الحركة للأعلى والمكبس الأيمن يتحرك للأسفل وهنا يكون التغير في الحجم ثابتاً، وينتقل الغاز من الاسطوانة على اليسار إلى الأسطوانة على اليمين حيث المستودع البارد وتنخفض درجة الحرارة من T_h إلى T_c ويقل الضغط.

المرحلة من 3 إلى 4 يثبت المكبس الأيسر إلى أعلى مستوى له بينما يستمر المكبس الأيمن في الحركة للأسفل نتيجة لتمدد الغاز في المكبس ويمتص الغاز حرارة من المستودع البارد وتكون العملية تحت درجة حرارة ثابتة، وفي هذه العملية ينخفض الضغط ويزداد الحجم.

المرحلة من 4 إلى 1 يتحرك المكبسين في اتجاهين ممتعاكسين وتكون العملية في هذه المرحلة تحت حجم ثابت بحيث ينتقل الغاز من الأسطوانة اليمنى إلى الاسطوانة اليسرى، يزداد الضغط وترتفع درجة الحرارة من T_c إلى T_h.

يوضح المنحنى المقابل المراحل الأربعة لدورة الغاز في ثلاجة ستيرلينج والتي يتم فيها امتصاص الحرارة من المستودع البارد وطرد حرارة إلى المستودع الحار. مع العلم بأنه تم اهمال الاحتكاك والتسرب للغاز والحرارة.

استخدمت شركة فيلبس ثلاجة ستيرلينج لخفض درجات الحرارة لتصل إلى 12 كلفن.

الثلاجة المنزلية Home Refrigerator

تعمل الثلاجة المنزلية بالحفاظ على درجة حرارة منخفضة للمواد داخل الثلاجة حيث يكون داخل الثلاجة هو المستودع البارد وطرد الحرارة إلى المستودع الحار وهنا هو خارج الثلاجة وهذا يفسر ارتفاع درجة حرارة الوسط المحيط بالثلاجة من الخارج. وتقوم فكرة عمل الثلاجة المنزلية من خلال دورة الغاز وهو غاز الفريون والذي تم اختياره لمواصفاته المناسبة للتبريد حيث أن غاز الفريون النقطة الحرجة له عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي.

يوضح الشكل المقابل فكرة عمل الثلاجة من خلال دورة ثيرموديناميكية لغاز الفريون ويكون في البداية غاز الفريون في الحالة السائلة ومتواجد في Liquid storage وعند تشغيل الثلاجة فإن الـ Compressor يقوم ببذل شغل على الغاز لدفعه من خلال صمام الـ Throttling الذي يحول السائل إلى رزاز ليساعد على تبخيره عندما يصل إلى الـ Evaporator حيث يكتسب رزاز الفريون حرارة Qc من المستودع البارد (داخل الثلاجة) وتحت تأثير المضخة Compressor ينتقل الغاز إلى المكثف Condenser حيث يتكثف غاز الفريون على سطح المكثف ويطرد حرارة Qh إلى المستودع الحار ويتحول الغاز إلى سائل ويعود السائل إلى Liquid storage لتتكرر الدورة السابقة.

يوضح الشكل المقابل غاز الفريون في الثلاجة المنزلية على منحنى الضغط والحجم والتي تتكون من المراحل التالية:

المرحلة من 1 إلى 2 عملية تحويل السائل إلى رزاز throttling process والتي ينخفض فيها الضغط ودرجة الحرارة.

المرحلة من 2 إلى 3 تبخر السائل عند درجة حرارة ثابتة وضغط ثابت حيث يمتص الغاز كمية حرارة Qc من المستودع البارد يؤدي إلى تبريد المواد داخل الثلاجة.

المرحلة من 3 إلى 4 ضغط الغاز في عملية اديباتيكية ترتفع درجة حرارة الغاز إلى درجة أعلى من Th.

المرحلة من 4 إلى 1 عند ضغط ثابت تنخفض درجة حرارة الغاز نتيجة تكثفه إلى Th.

معامل الإنجاز للثلاجة Coefficient of Performance

حيث أن دورة الثلاجة هي عكس دورة الماكنة الحرارية فلا يمكن احتساب كفاءة الثلاجة ولذلك سنقوم بتعريف كمية فيزيائية جديدة وهي معامل الإنجاز والذي يعرف على النحو التالي:

Example: If the coefficient of performance of a refrigerator is 5 find the ration of the heat rejected to the work done on the refrigerant.

وهذا يعني أن لكل جول شغل ينطلق 6 جول من الحرارة وهذا يعني ان فكرة عمل الثلاجة يمكن استخدامها في التدفئة والتبريد وهذا الفمرة هي التي استخدمت لتصنيع أجهزة التكييف.