خلاصه ای از تاریخچه فرآیند های سرد سازی

انسان همواره برای رسیدن به دمای مناسب مجبور است دمای موجود بر محیط را افزایش یا کاهش دهد.اما به طور کلی گرمسازی بسیار آسان تر از سردسازی ست.سردسازی بیشتر به وسیله تبخیر مایعات صورت می گیرد زیرا تبخیر یک فرآیند گرماگیر بوده و مایع در حال تبخیر از محیط اطراف خود گرما میگیرد و در نتیجه این گرما توسط مولکول های بخار از محیط خارج شده و محیط کم کم گرمایش را از دست داده و خنک و خنک تر می شود.

فرایندهای سردسازی در گذشته به دو صورت انجام می شد :

۱٫یخ طبیعی

۲٫مخلوط ها و ترکیبات سرد سازی

یخ طبیعی

انسان های ساکن مناطق معتدل و سرد سیر با گذشت زمان دریافتند که قابلیت نگهداری مواد فاسد شدنی _مخصوصا مواد غذایی فاسد پذیر _در فصل زمستان بسیار بیشتر از فصل تابستان است.لذا استفاده از سردسازی طبیعی از زمان های دور آغاز شده و حتی تا قرن ۲۰ میلادی نیز رواج داشته است.حتی در این زمان بازار یخ طبیعی از رونق بیشتری نسبت به یخ مصنوعی برخوردار بوده است.یخ طبیعی ( یخی که بدون تجهیزات سردسازی به وجود آید ) معمولا به شیوه های زیر در دسترس انسان قرار می گرفت :

۱٫پس از تولید در مناطق سردسیر و کوهستانی به مناطق دورتر حمل می شده است.

۲٫استفاده از یخ زدگی زمستانی آب رودخانه ها و دریاچه ها و برکه ها و سپس ذخیره سازی آن ها در انبار های ذخیره یخی

۳٫تولید یخ به صورت دستی و مصنوعی به وسیله سرمای هوا.این روش بیشتر در مناطقی با آسمانی صاف یا غیر ابری رایج بوده است.به این شکل که مخازن رو باز آب برای تهیه یخ ایجاد می شد و تحت شرایط جوی معینی به سبب تشعشع حرارتی آب امکان رسیدن به سرمای کافی جهت تولید یخ را میسر می کرد.( به طور مثال در قرن ۵ میلادی فلاسفه یونانی از تولید یخ توسط مردم مصر همجوار رود نیل توسط قرار دادن مخازنی بر روی بام خانه هایشان یاد کرده اند )

مخلوط ها و ترکیبات سرد سازی

در گذشته به طور کاملا اتفاقی اثرات سرمایشی نمک های معینی به آب کشف شد.از جمله افرادی که این اتفاق را کشف کردند می توان به ابن عصیبه در قرن چهارم و زپمارا _ پزشک ایتالیایی _ در سال ۱۵۳۰ میلادی وبلاس ویلا فرانکا پزشک اسپانیایی در سال ۱۵۵۰ اشاره کرد.در سال های بعد و توسط افرادی مانند پورتا و تانکردو کاشف به عمل آمد که امکان دستیابی به دماهای پایین تر با مخلوط کردن برف و نمک وجود دارد.

در دهه های بعد و در قرن ۱۷ محققانی مانند رابرت بویل،آمونتوس،نیوتن،دانیل فارنهایت،رومر و آندرس سلسیوس در زمینه گرمایش و سرمایش فعالیت کردند.همچنین در سال های بعد دانشمندانی نظیر ویلیام بویل،لوایز جوزف گی-لوزاک و سر بنجامین تامسون،راهی برای ایجاد علمی به  نام ترمودینامیک ایجاد کردند.بعد ها دانشمندی به نام سادی کارنو در سال ۱۸۲۴ در زمان انتشار مقاله مشهور خود،از علم ترمودینامیک برای اولین بار در زمینه مفاهیم علمی استفاده کرد و این علم از همان زمان به بعد به طور چشمگیری رشد و نمو پیدا کرد و دانشمندان و محققان بسیاری در جهت توسعه آن کوشیدند.

سامانه های سرد سازی

سامانه های سرد سازی به دو دسته اصلی تقسیم می شوند :

۱٫سامانه های سرد سازی حرارتی : سامانه هایی که از انرژی حرارتی بهره می برند.

۲٫سامانه های شرد سازی مکانیکی : سامانه هایی که برای راه اندازی به انرژی مکانیکی احتیاج دارند.

سامانه های سرد سازی حرارتی

سامانه های سرد سازی حرارتی را عمدتا به ۳ دسته زیر تقسیم بندی می کنند :

۱٫سامانه های جذبی

۲٫سامانه های جذب سطحی و ترموشیمیایی

۳٫سامانه های افشانکی ( نازلی )

سامانه های سرد سازی جذبی

این سامانه های سرد سازی کاربرد بسیار کمی دارند و تنها تنها سامانه های سرد سازی حرارتی ای هستند که تا امروز،تا حدودی توسعه یافته اند.روش کار این سامانه ها به این صورت است که از یک پمپ برای گردش مایع جاذب استفاده شده که مقدار این مایع جاذب بر حسب سرد سازی جذب شده،به دما و فشار وابسته است.کار مکانیکی این سامانه ها ( یا همان توان مورد نیاز پمپ ها ) بسیار کم است.بنیان گذار سامانه های جذبی،فردیناند کری می باشد.او در قرن ۱۹ اولین دستگاه سردسازی جذبی پیوسته آمونیاک/آب را تولید کرد.(در این دستگاه آب به عنوان جاذب عمل می کرد)همچنین در قرن ۲۰،تحقیقات ارزشمندی توسط وان پلاتن و مونترز در زمینه چرخه جذبی-پخشی یخچال های جذبی بدون پمپ انجام گرفت و یا تولید سامانه های جذبی آب/لیتیم برماید (آّب به عنوان سردساز و لیتیم به عنوان جاذب)بر مبنای چرخه اصلاحی فردیناند کری که در زمینه تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گرفت.اما با این که سامانه های سرد سازی جذبی غیر پیوسته جزو اولین سامانه های سرد سازی جذبی به حساب می آیند _مانند تولید سامانه آب سرد کن توسط ادموندکری در سال ۱۸۶۶_موفقیت چشم گیری نداشته اند.

سامانه های جذب سطحی و ترمو شیمیایی

این سامانه ها در اوایل قرن ۲۰ میلادی معرفی و مطرح شدند.نحوه کارکرد این سامانه ها بر مبنای تشکیل یا تجزیه ترکیبات شیمیایی به وسیله یک سرد ساز گازی و یا اثرات حرارت ناشی از جذب سطحی یا واجذبی فیزیکی یک گاز بر روی یک جامد است.کاربرد این سامانه نیز بسیار محدود و کم است اما به شکل وسیعی تحت مطالعه قرار دارد.

سامانه های سرد سازی افشانکی (نازلی)

در اولین سامانه های سرد سازی افشانکی از آب استفاده می شد؛با آنکه حتی آب تنها سردساز قابل استفاده در این سامانه نیست.این سامانه توسط آب سردی که در فشار پایین به بخار تبدیل می شود،کار می کند و سپس بخار به وسیله افشانک که توسط جت بخار تولیدی از یک دیگ بخار تغذیه می شود،افشانده می گردد.افشانک گفته شده دارای یک نازل داخلی بوده که این نازل نرخ جریان جت بخار را افزایش داده و سبب کم شدن فشار می شود،درجه و حد قابل قبولی از مکش را ایجاد کرده،سپس نازل تغذیه ای با قطر تدریجی رو به افزایش سبب کاهش نرخ جریان بخار شده و دوباره فشار را بالا می برد.این سامانه دارای کاربرد های ویژه ای می باشد اما کاربرد عمومی آن بسیار محدود است.

سامانه های سرد سازی مکانیکی

عمدتا این سامانه ها را به سه دسته تقسیم می کنند :

۱٫سامانه های ترمو الکتریک

۲٫سامانه های تراکمی بخار

۳٫سامانه های چرخه گازی

سامانه های ترمو الکتریک

در قرن ۱۹،دانشمندی به نام چارلز پلتی ار متوجه شد که عبور یک جریان یکنواخت از بین اتصال دو فلز رسانای مختلف سبب سرمایش یکی از فلز ها و افزایش دما در اتصال فلزی دیگر می شود.ترمو الکتریسیته برای مدتی به عنوان یک کشف علمی در نظر گرفته شده بود اما در اواسط قرن بیستم با رواج یافتن دانش نیمه رساناها،گسترش چشم گیری یافت.با اینکه این فناوری قابلیت های چشم گیری را  در ابتدای کار نشان می داد اما امروزه کاربرد آن بسیار محدود است.

سامانه های تراکمی بخار

در این سامانه ابتدا سیال عامل در تبخیر کننده بخار شده،سرمایش مورد نظر را تامین می کند و سپس کمپرسور سامانه با مکش بخار تولید شده در تبخیر کننده،بخار یاد شده را متراکم می کند.بعد از تراکم بخار،بخار تولیدی به درون چگالنده تخلیه می شود و به حالت مایع در آمده و در انتهای چرخه سرد سازی،همان مایع تولیدی در چگالنده مجددا به وسیله یک رگلاتور به تبخیر کننده برگردانده می شود.این سامانه،رایج ترین سامانه مصرفی در جهان به شمار می آید.اولین دستگاه سردسازی بر مبنای چرخه گفته شده توسط جاکوب پارکینز ساخته شد که این دستگاه توسط اتیل اتر کار می کرد.اما اولین دستگاه سردازی که در زمینه تجاری مورد تایید قرار گرفت توسط جیمز هریسون در نیمه قرن ۱۹ به ثبت رسید.دستگاه های هریسون می توانستند آب نمک سرد و یخ را تولید کنند.شایان ذکر است که سرد ساز به کار رفته در دستگاه های هریسون نیز اتیل اتر بود اما پس از مدتی سردساز های جدیدی وارد صنعت سردسازی شدند:

آمونیاک (NH₃):آمونیک اولین بار در سال ۱۸۶۲ توسط کارلس تلی ار مورد استفاده قرار گرفت اما در سال های بعد به خصوص در قرن ۲۰،کارل وان لیندی از آمونیاک به عنوان یک سردساز در زمینه تجاری استفاده فراوان کرد.امروزه آمونیاک هنوز هم در فرآیندهای سردسازی مورد استفاده قرار می گیرد.

دی متیل اتر (C₂H₆O):این سردساز نیز توسط کارلس تلی ار معرفی شد.

گوگرد دی اکسید(SO₂):گوگرد دی اکسید اولین بار توسط رائول پیر پیکتت مورد استفاده قرار گرفت اما کاربرد آن قبل از جنگ جهانی دوم متوقف شد.

کربن دی اکسید(CO₂):کربن دی اکسید در ابتدا توسط تادیوی لو مورد استفاده واقع شد اما پس از مدتی،کنارگذاشته شد.امروزه مجددا در سامانه های سرد سازی از این سرد ساز استفاده به عمل می آید.

سردساز های فلوئوروکربنی:این سرد ساز ها به عنوان سرد ساز هایی غیر رسمی و اشتعال ناپذیر توسعه یافتند.اولین سردساز کلروفلوئورو کربنی (CFC) یعنی سرد ساز R12 (CF₂C₁₂) در سال ۱۹۳۱ و پس از آن سرد ساز هیدرو کلروفلوئورو کربنی (HCFC) یعنی سردساز R22 (CHF₂Cl) در سال ۱۹۳۴ سپس سرد ساز R505 (R22/R115)،اولین مخلوط همجوش(ائزوتروپ) در سال ۱۹۶۱ پس از بررسی و مطالعه و تحقیق عده ای از محققان روانه بازار شدند.

سپس در سال ۱۹۷۴ اخبار نگران کننده ای در خصوص این سردسازها منتشر شد:کلر آزاد شده توسط هیدروکربن های هالوژنی تاثیرات نامطلوبی بر لایه ازون می گذارند.به همین سبب استفاده از سردسازهای CFC و HCFC منع شد و امروزه از سردسازهای هالوژنی و غیر کلری دیگری استفاده می شود.این سردسازها شامل HFCهای خالصی مانند R134a و مخلوط های HFC ای مانند R404A،R 407C، R410A و … می باشند.سردسازهای گفته شده دارای تاثیرات گرمایش جهانی متغیری هستند.سردسازهای طبیعی مانند آب،آمونیاک و کربن دی اکسید نیز امروزه مورد استفاده قرار می گیرند اما استفاده از آنها محدودیت بیشتری را در پی دارد.نکته قابل توجه در مورد این سردسازها این است که تاثیرات گرمایش جهانی آنها ناچیز است.

_واکنشی که سبب از بین بردن لایه اوزون می شد به شرح زیر است:

CFCl₃ + UV → CFCl₂ + Cl

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → ClO + O₂

سپس اتم آزاد کلر به مولکول اوزون دیگری حمله می کند:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → Cl + O₂

و به این ترتیب میلیون ها مولکول اوزون توسط این چرخه نابود می شدند.

متیل کلراید (CH₃Cl):این سردساز اولین بار در سال ۱۸۷۸ مورد استفاده قرار گرفت اما در سال ۱۹۶۰ استفاده از آن متوقف شد.

سامانه های چرخه گازی

در این سامانه ها،سیال عامل در طول چرخه سردسازی تغییر فاز نداده و در حالت گاز باقی می ماند؛بدین صورت که ابتدا گاز متراکم گرم شده و سپس تحت کاهش فشار (تا فشار محیط) خنک می شود و نهایتا با منبسط شدن گاز،سرمایش مورد نظر تامین می شود.از جمله کسانی که در توسعه این فناوری کوشیدند می توان به فرانزویندهوسن،پاول گیفارد و آلن اشاره کرد.کاربرد این سامانه در زمینه سردسازی به دلیل بازده پایین آن،در قیاس با سامانه تراکمی بخار محدود شده است.با این وجود از این سامانه در چرخه های کرایوژنیک (در دماهای بسیار پایین) برای مایع سازی گازها استفاده می شود.

تجهیزات و اجزای سامانه های سرد سازی امروزه بهبود یافته اند و در طول سالیان،سریع تر و سبک تر شده اند که از این میان می توان به کمپرسور های درزبند اشاره کرد.

یخ خشک

در سال ۱۸۵۳ یخ خشک توسط شیمیدانی فرانسوی به نام چارلز ایلوزیر کشف و ساخته شد.وی در آن سال ها به نتایجی در خصوص یخ خشک دست یافت که سال ها بعد دیگر دانشمندان از آن ها بهره بردند.

امکان تولید یخ خشک مرغوب ( یخ خشک بی رنگ) توسط گاز کربن دی اکسید می باشد که روش های تولید آن عبارت اند از:

۱٫مایع کردن دی اکسید کربن خالص زیر فشار و سرما؛

۲٫پایین آوردن دمای کربن دی اکسید مایع و تبدیل آن به جامد (در هنگام فشرده سازی بخشی از دی اکشید کربن مایع تبخیر می شود اما نهایتا با پایین آمدن دما،بقیه دی اکسید کربن به طور کامل فشرده و به جامد تبدیل می شود.)؛

۳٫قالب بندی کردن دی اکشید کربن جامد شده در قالب بندی های مختلف  مکعبی و سپس بسته بندی آن ها. (استاندارد این قالب های مکعبی حدود ۳۰ کیلوگرم است.)

_برای ساخت یخ خشک احتیاج به داشتن وسایل سرمایش قوی نیست.مثلا با در دست داشتن کپسولی از کربن دی اکسید با فشاری در حدود (حداقل) ۷۵ بار و دمایی در حدود ۳۱ درجه سانتی گراد و با برعکس کردن آن ( یعنی شیر خروجی به جای بالا،در قسمت پایین آن قرار گیرد) شاهد خروج یخ خشک از آن بود.علت این پدیده را فرایند اختناق یا به اصطلاح خفگی می نامند.از این فرایند در تولید یخ آبسرد کن یخچال های خانگی امروزی نیزاستفاده می شود.

نگاهی بر نحوه کارکرد چند سرد ساز

ازجمله سردساز های امروزی می توان به یخچال،کولر گازی و سردخانه اشاره کرد.در وسایل ذکر شده تبخیر یک مایع سبب عمل سردسازی می شود.به عنوان مثال در یخچال ها مایعی به نام فریون وجود دارد که در لوله های قسمت سردساز آن قرار دارد و با عمل تبخیر سبب سرد شدن فضای یخچال می شود.

نحوه عملکرد یخچال:در هر یخچال صرف نظر از اندازه یا نوع آن،قسمت های:

_موتور(کمپرسور)؛

_یخ ساز (اپراتور)؛

_سیستم های انتقال (شامل کندانسور یا رادیاتور) و

_مایع خنک کننده

وجود دارد.هم چنین در یخچال می توان از سه نوع مایع خنک کننده استفاده کرد:

فریون؛

دی اکسید سولفور

و آمونیاک.

از بین این سه ماده فریون مرغوب تر است و در اکثر یخچال هایی که مواد غذایی در آن ها نگه داری می شوند_مانند یخچال های خانگی_مورد استفاده قرار می گیرد.البته شایان ذکر است که فریون با اینکه از دو ماده گفته شده مرغوب تر و بهداشتی تر است اما بازهم مشابه آنچه در گذشته به آن اشاراتی شد،سبب تخریب لایه اوزون می شود که امروزه با اضافه کردن یک اتم هیدروژن سعی در مرتفع کردن این مشکل دارند.

زمانی که ماده ای در یخچال قرار می دهیم،گرمای آن به طرف بالا حرکت کرده تا به یخ ساز یخچال برسد (گرما به دلیل چگالی کمتر به سمت بالا حرکت می کند)در این هنگام گرما به وسیله دیواره یخ ساز_که خود رسانای گرماست_به فریون رسیده و آن را بخار می کند.بخار فریون به وسیله موتور یخچال به حرکت در آمده و از قسمت یخ ساز خارج شده و وارد لوله های سیاه رنگی که در پشت یخچال قرار دارند،می شود.علت استفاده از رنگ سیاه در این لوله ها این است که رنگ سیاه بیشترین تابش گرمایی را داراست و به همین دلیل نقش به سزایی در خنک شدن مجدد فریون ایفا می کند.هم چنین این لوله ها مارپیچ هستند که این مسئله،امر از دست دادن گرما را سرعت می بخشد.سپس گاز فریون که اکنون خنک شده است وارد کمپرسور شده،متراکم می شود و دوباره به مایع تبدیل می شود تا وارد قسمت یخ ساز شده و مججدا عمل سرد سازی صورت گیرد.باید توجه داشت که هرچه قدرت موتور و میزان فریون موجود بیبشتر باشد،سرعت سرد سازی و کیفیت آن بیشتر خواهد بود.

برفک:زمانی که هوای گرم از کنار جسمی سرد عبور کند،هوایی که با جسم سرد در تبادل است مقداری از رطوبت خود را به شکل قطرات آب از دست می دهد و هرچه این مقدار رطوبت بیشتر باشد،اختلاف دما بین جسم سرد و هوا هم بیشتر شده و باالطبع سرعت تشکیل قطرات آب نیز بیشتر می شود.این مسئله پیرامون اجزای یخچال که وظیفه خنک کردن را بر عهده دارند صادق است؛مانند جایخی یا صفحاتی که وظیفه خنک کردن را بر عهده دارند.زمانی که غذایی گرم در یخچال قرار دهیم یا درب یخچال را باز کنیم،هوای گرم وارد محیط یخچال شده و همانطور که گفته شد با اجزای خنک کن یخچال وارد تبادل شده و به دلیل از دست دادن مقداری رطوبت به شکل برفک ظاهر می شود.برفک تشکیل شده سبب ایجاد کندی در فرآیند سردسازی یخچال شده و باعث می شود که تبادل حرارتی مناسبی بین هوای یخچال و خنک کن آن صورت نگیرد و به طور مثال امر خنک کردن مواد غذایی دیرتر و با کیفیت کمتری انجام شود.به همین دلیل سازندگان یخچال به مشتریان خود پیشنهاد می کنند که تنها در صورت لزوم درب یخچال را باز کرده و از قرار دادن اغذیه گرم به درون یخچال خودداری کنند.البته امروزه سازوکاری طراحی شده که به طرق مختلف این برفک ها خود به خود از بین بروند و احتیاجی به خاموش کردن یخچال و تمیز کردن آن نباشد.

یخچال های نوفراست و دیفراست:

یخچال های نوفراست یخچال هایی هستند که به گونه ای طراحی شده اند که اصلا برفک نزنند.این یخچال ها با اینکه برفک نمی زنند اما بسیار گران قیمت هستند و استفاده از آن ها برای عموم صرفه اقتصادی ندارد.

یخچال های دیفراست یخچال هایی هستند که عمل برفک گیری آن ها به صورت دستی انجام می شود؛ یعنی زمانی که برفک موجود در یخچال زیاد شد،می توان به فشردن دکمه ای عمل برفک گیری را انجام داد تا برفک های موجود آب شوند.این یخچال ها از نظر اقتصادی باصرفه تر هستند و علاوه بر این،تعمیر آن ها راحت تر صورت می پذیرد.

بعضی یخچال ها نیز از نوع دیفراست اتوماتیک هستند؛یعنی علاوه بر ویژگی های یخچال های دیفراست،خود به صورت اتوماتیک برفک را آب کرده و از طریق یک لوله خروجی به ظرف تبخیر در بالای موتور هدایت می کنند.این آب توسط گرمای موتور تبخیر شده و از طرفی زمینه خنک سازی موتور نیز فراهم می آید.

نحوه عملکرد کولر گازی:

کولر گازی نیز عملکردی مشابه یخچال دارد؛قسمت سرد آن در داخل اتاق و قسمت گرم آن در بیرون از اتاق قرار دارد.هنگامی که کولر شروع به کار می کند،گرمای هوای درون اتاق را گرفته و به بیرون از اتاق انتقال می دهد.در نتیجه اتاق رفته رفته خنک می شود.

در کل وظیفه سیستم های سرمایشی،گرفتن گرما از محیط سرد و انتقال آن به بیرون می باشد.

منابع:

International Institute of Refrigeration

www.tahviehtehran.com

وبسایت تبیان

ویکی پدیا