نظم ومعدات تبريد

الباب الأول
دورة التبريد بإنضغاط البخار البسيطة
1. 1 المكونات الأساسية لدورة التبريد بإنضغاط البخار البسيطة (Simple vapour-compression cycle)
تتم الدورة المثالية البسيطة للتبريد بإنضغاط البخار باستخدام أربعة أجزاء أساسية هى المبخر(evaporator) والضاغط (compressor) والمكثف (condenser) وصمام التمدد (expansion valve)، كما هو مبين بشكل (1.1).
1. 2 شرح مبسط لكيفية عمل الدورة
تعمل الدورة بمائع يعرف بمركب (أو مائع) التبريد (refrigerant) . وتعمل الدورة بين ضغطين أحدهما الضغط المنخفض بالمبخر والآخر الضغط العالى بالمكثف، وعليه تكون وظيفة الضاغط هى رفع ضغط بخار مركب التبريد الخارج من المبخر عند الضغط المنخفض إلى الضغط العالى بالمكثف، بينما يقوم صمام التمدد بالعملية العكسية أى خفض الضغط لسائل مركب التبريد الداخل إلى المبخر مما ينتج عنه سحب حرارة من حيز الحمل الحرارى خلال سطح المبخر فيتم تبريده. أما المكثف فيعمل على تكثيف بخار مركب التبريد - ذو الضغط العالى - الخارج من الضاغط.
1. 3 تمثيل دورة التبريد على احداثيات P-h
تتكون الدورة البسيطة المثالية للتبريد بإنضغاط البخار من أربع عمليات مثالية ويتضح ذلك من شكل (2.1) حيث تمثل هذه العمليات على خريطة الضغط(pressure) – الأنثالبى (enthalpy) لمركب التبريد المستخدم بالدورة.
وبفرض أن النقاط 1 ، 2 ، 3 ، 4 تمثل حالات اتزان ثرموديناميكى بين المكونات المختلفة بالدورة. فإن العمليات الأربعة بالدورة تكون عندئذ كما يلى:
العملية 12 : إنضغاط إيزنتروبى مع ثبوت الأنتروبيا.
العملية 23 : طرد حرارة (لتكثيف بخار مركب التبريد) بثبوت الضغط تنتهى عند نقطة 3 (سائل مشبع)
العملية 34 : خفض الضغط مع ثبوت الأنثالبى.
العملية 41 : اكتساب حرارة (لتبخير سائل مركب التبريد) مع ثبوت الضغط تنتهى عند نقطة 1 (بخارمشبع)
وتسمى هذه الدورة التى فيها النقطتان 1، 3 على خطى التشبع بدورة تبريد بانضغاط البخار ذات تشبع. فى هذه الحالة يكون الهدف من هذه الدورة هو سحب حرارة من الحيز المراد تبريده بواسطة المبخر. فى بعض التطبيقاتيكون المطلوب استخدام هذه الدورة فى التدفئة وحينئذ يكون الهدف هو اعطاء حرارة للحيز المراد تدفئته وفى هذه الحالة يسمى النظام مضخة حرارية (heat pump).






شكل (1.1) المكونات الأساسية لدورة التبريد بإنضغاط البخار البسيطة




شكل (2.1) تمثيل دورة التبريد على احداثيات الضغط- الأنثالبى
1. 4 حساب معامل أداء(coefficient of performance) دورة التبريد البسيطة
تعين قدرة الضاغط من المعادلة التالية:
Pc = m (h2 - h1) (1.1)
حيث m هى معدل سريان مركب التبريد بالدورة، وh هى أنثالبى مركب التبريد. ويقدر معدل الحرارة المطرودة بالمكثف (Qc) وحمل التبريد (Qe) كما يلى:
Qc = m (h2 - h3) (1.2)
Qe = m (h1 - h4) (1.3)
ومن اتزان الطاقة بالدورة نحصل على:
Pc = Qc - Qe (1.4)
ويقيم أداء الدورة بمعامل الأداء (COP) الذى يعرف بنسبة حمل التبريد بالمبخر إلى قدرة الضاغط، أى أن:
COP = Qe / Pc = Qe / (Qc - Qe) = (h1 - h4) / (h2 - h1) (1.5)
وبالتالى فكلما زادت قيمته تنخفض القدرة المطلوبة لإدارة الضاغط وذلك لنفس سعة التبريد المطلوبة مما يعنى تقليلا فى التكلفة الاقتصادية للوحدة. ويفضل عادة مقارنة معامل أداء الدورة بمعامل أداء دورة كارنوت العكسية، والتى تعمل عند نفس درجات الحرارة لدورة التبريد بإنضغاط البخار ولها أعلى معامل أداء يعرف بالعلاقة الآتية:
COPc = Te / (Tc - Te) (1.6)
حيث Te و Tc هى درجات الحرارة المطلقة بالمبخر والمكثف على التوالى، وتعرف الكفاءة النسبية لدورة التبريد بإنضغاط البخار بأنها النسبة بين معامل أداء الدورة (COP) ومعامل أداء دورة كارنوت العكسية (COPc) التى تعمل عند نفس درجات الحرارة أى أن:
 = COP / COPcr (1.7)
1. 5 تأثير درجتى حرارة التكثيف والتبخير على أداء الدورة
تؤثر درجتا حرارة التكثيف والتبخير إلى حد كبير فى أداء الدورة المثالية للتبريد بالانضغاط. وتتغير درجة حرارة التكثيف تبعا لدرجة حرارة الهواء المحيط (صيفا وشتاء) أو ماء التبريد المستخدم فى المكثف، أما درجة حرارة التبخير فتتغير تبعا لدرجة الحرارة المطلوبة داخل الحيز المراد تبريده والتى تتغير تبعا لنوع المنتجات أو نوع العملية (تكييف - تبريد - تجميد). يوضح شكل (3.1) دورتى تبريد عند درجتى حرارة تبخير مختلفتين وذلك عند درجة حرارة تكثيف ثابتة، كما يبين شكل (4.1) دورتى تبريد عند درجتى حرارة تكثيف مختلفتين لنفس درجة حرارة التبخير. من الشكلين يتضح أنه يتحسن أداء الدورة بارتفاع درجة حرارة التبخير وانخفاض درجة حرارة التكثيف حيث انه فى كلتا الحالتين يزيد التأثير التبريدى (q) ويقل الشغل النوعى(w) . لذا يجب على المختصين تصميم نظام التبريد عند درجة الحرارة المناسبة للتبخير طبقا للتطبيق المستخدم. كذلك يجب العمل دائما على خفض درجة حرارة التكثيف للحصول على أفضل أداء لدروة التبريد. ولذلك يكون معامل أداء دورة التبريد التى تستخدم مكثفات تبريد بالمياه أعلى من تلك التى تستخدم مكثفات تبريد بالهواء نظرا لانخفاض درجة حرارة المكثف. يلاحظ أن معامل أداء جهاز التكييف أعلى من الثلاجة نظرا لأن الأول يعمل عند درجة حرارة تبخير أعلى من الثانى.





شكل (3.1) تأثير درجة حرارة التبخير على أداء الدورة





شكل (4.1) تأثير درجة حرارة التكثيف على أداء الدورة
1. 6 امثلة تطبيقية
1- يستخدم مركب تبريد R134a كمائع تشغيل فى دورة تبريد بانضغاط البخار ذات تشبع بين ضغط مكثف قــــدره 10 bar مطلق وضغط مبخر قــــدره 2 bar مطلق. اذا كان خط المواسير الواصل بين المبخر والضاغط ذو قـطر داخلى 10 mm وسرعة مركب التبريد خلاله 4.5 m/sec أوجد درجة حرارة الطرد وسعة التبريد ومعدل طرد الحرارة من المكثف ومعامل الأداء.
الحـــــــــــل
Given data:
R134a  دورة تبريد لثلاجة منزلية
Pc = 10 bar = 10 105 Pa = 106 Pascal = 1MPa
Pe = 2 bar = 2 105 Pa = 0.2 MPa
d = 10 mm  قطر الماسورة
C = 4.5 m/sec  سرعة مركب التبريد
T2 = ?? (درجة حرارة الطرد)
= ?? (سعة التبريد)
COP = ?? (معامل الأداء)
= ?? (كمية الحرارة المطرودة من المكثف)

From R134a chart h1 = 395 kJ/kg, h2 = 435 kJ/kg and h¬3 = h4 = 255 kJ/kg

T2 = 60 C
= mref (h1-h4)
mref =  A C
mref = 1 A1 C1
From chart

mref = 10 7.85 10-5 4.5 = 3.5 10-3 kg/sec
= 3.5 10-3 (395-255) = 0.49 kW
= 3.5 10-3 (435-255) = 0.63 kW