تبرید تراکمی

*چرخه تبرید تراکمی
*مبرد
*اجزای اصلی سیکل تبرید تراکمی
*کمپرسور
*انواع کمپرسورها ازنظر بدنه
* انواع کمپرسورها ازنظر ساختمان داخلی
*واحد تقطیر
*کندانسور
*برج خنک‌کننده
*وسیله انبساطی کاهش فشار
*شیر انبساط
*لوله مویین
*اواپراتور
*اجزای فرعی سیکل تبرید تراکمی
*شیرها
*انواع دستگاه‌های تهویه مطبوع تراکمی
*چیلر تراکمی
*دستگاه تهویه مطبوع اتاقی
*دستگاه تهویه مطبوع یکپارچه
*دستگاه‌های تهویه مطبوع مجزا
*دستگاه تهویه مطبوع قابل‌حمل
*سیستم پمپ حرارتی

 

سیکل تبرید تراکمی (Vapor Compression Refrigeration Cycle)

این سیکل یا چرخه که به آن سیکل تراکمی بخار نیز گفته می‌شود، از چهار جزء اصلی تشکیل‌شده است عبارت‌اند از:
• کمپرسور یا متراکم کننده (Compressor):
وسیله ایست جهت متراکم کردن انواع گازها. در سیکل تبرید تراکمی، درواقع اصلی‌ترین قسمت سیکل و به‌منزله قلب سیستم می‌باشد، چراکه وظیفه تراکم و افتاد فشار گاز مبرد را بر عهده دارد.
• کندانسور یا تقطیرکننده (Condenser):
یک مبدل حرارتی می‌باشد که گاز مبرد را توسط تبادل حرارتی با سیالی دیگر مانند آب یا هوا تقطیر کرده و تبدیل به مایع می‌کند.
• وسیله انبساطی کاهش فشار (Pressure Reducer):
این وسیله جهت افت فشار و کنترل حجم مایع مبرد در مسیر سیکل بکار می‌رود. در برخی سیستم‌ها از شیر انبساط و در برخی از یک لوله مویین استفاده می‌شود.
• اواپراتور یا تبخیرکننده (Evaporator):
همانند کندانسور، یک مبدل حرارتی می‌باشد که با جذب حرارت از یک سیال دیگر مانند آب یا هوا، مایع مبرد را تبخیر کرده و به بخار یا گاز مبرد تبدیل می‌کند.

 

بخار با گاز مبرد، پس از ورود به کمپرسور در اثر کارکرد کمپرسور متراکم شده و فشار و دمای آن افزایش می‌یابد. سپس وارد کندانسور شده و با از دست دادن حرارت، تبدیل به مایع می‌شود.
مایع مبرد پس از خروج از کندانسور، وارد شیر انبساط یا لوله مویین شده و با کاسته شدن فشار، وارد اواپراتور می‌شود.
سپس با گرفتن حرارت محیط، تبدیل به گاز می‌شود. گاز مبرد در ادامه سیکل دوباره وارد کمپرسور شده و این چرخه دائما جهت ایجاد تبرید تکرار می‌شود.
کندانسور و اواپراتور در سیکل، نقشی عکس یکدیگر دارند، همین‌طور کمپرسور و شیر انبساط.
ازاین‌جهت همیشه در یک سیکل تبرید اجزای آن کار یکدیگر را خنثی کرده و به همین دلیل است که این سیکل دائمی بوده و کار آن متوقف نمی‌شود.

 

سیکل دما در تبرید تراکمی:

در سیکل تبرید تراکمی، دما دائما در حال تغییر است و در هر قسمت از سیکل، دمایی متفاوت وجود دارد. سردترین قسمت سیکل از اواپراتور تا کمپرسور و گرم‌ترین قسمت سیکل از کمپرسور تا کندانسور می‌باشد.

سیکل فشار در تبرید تراکمی:

در سیکل تراکمی، فشار نیز دائما در حال تغییر بوده و قسمت‌های مختلف آن دارای فشارهای مختلفی است. یک سیکل تبرید تراکمی، ازنظر فشار به دو قسمت کم‌فشار و پرفشار تقسیم می‌شود:
-قسمت کم‌فشارLow Pressure): از شیر انبساط تا ورودی کمپرسور که فشارثابت است، قسمت کم‌فشار نامیده
می‌شود.
مقدار فشار این قسمت، به دمای ورودی اواپراتور و محیط سرد، بستگی دارد.
-قسمت پرفشار (High Pressure): کمپرسور، لوله خروج گاز از کمپرسور، کندانسور، مخزن مایع مبرد و لوله حامل مایع مبرد که قسمت باقیمانده از سیستم تبرید می‌باشد، قسمت پرفشار نامیده می‌شود.

 

مبرد (Refrigerant):

مبردها موادی هستند که در یک سیکل تبرید، حرارت را از منبع با دمای پایین به منبع با دمای بالا منتقل می‌کنند.

تاریخچه‌ای کوتاه از مبردها: برای اولین بار در سال ۱۸۳۴ میلادی، اتر به‌عنوان مبرد در یک سیستم تبرید تراکمی استفاده شد و دی‌اکسید کربن (CO2) در سال ۱۸۶۶ و آمونیاک (NH3) در سال ۱۸۷۳ اولین مبردهایی بودند که در صنعت بکار گرفته‌شده‌اند. مبردهای دیگری نیز در این سالها بکار برده می‌شدند، ازجمله دی‌اکسید گوگرد (SO2) و متیل اتر. درسال ۱۹۲۶، مبرد ۱۲-R ابداع‌شده که سمی و قابل اشتعال نبوده و دارای بازدهی بیشتری بود.

خواص مهم مبردها:
۱- ازلحاظ ترکیب شیمیایی: باید به‌گونه‌ای باشد که در دماهای مختلف خواص ثابتی را از خود نشان دهند.
۲- ازلحاظ سلامتی و ایمنی: سمی و قابل اشتعال نبوده و اثرات مخربی بر روی هوا و محیط پیرامون ما نگذارد.
۳- ازلحاظ خواص گرمایی: باید دارای نقطه‌جوش و نقطه بحرانی و ظرفیت گرمایی مناسبی باشد. همچنین دارای دمای انجماد پایین و ویسکوزیته کم و رسانایی گرمایی زیادی باشد.
۴- دیگر خواص: قابلیت اختلاط و حل شدن در روغن را به مقدار لازم داشته باشد. همچنین تولید و از مبرد ارزان و مقرون‌به‌صرفه باشد.

 

ترکیبات شیمیایی مبردها:
بردهایی که در سال‌های اخیر مورداستفاده قرار می‌گیرند با نام شیمیایی کلروفلروکربن شناخته‌شده و معروف به CFC هستند.
ماده پایه این مبردها متان (CH4) است.
معروف‌ترین این نوع مبردها ۱۲ R و ۱۱ R هستند. از این نوع مبردها در انواع چیلرهای تراکمی، یخچال‌های خانگی و صنعتی و کولرهای اتومبیل استفاده می‌شود.
خطرات زیست‌محیطی مبردهای CFC: نشتی این مواد از دستگاه‌های برودتی باعث می‌شود، مبرد وارد هوا شود. این ترکیبات، اصولاً ترکیباتی پایدار هستند و هنگامی‌که وارد هوای محیط می‌شوند به‌تدریج به سطوح بالایی جو می‌رسند.

در آنجا در مجاورت با ازن در یک واکنش شیمیایی‌اتم کلر، دواتم ازن را گرفته و ترکیب جدید تشکیل می‌دهد. به این صورت به‌مرورزمان اتم‌های ازن از بین رفته، ضخامت لایه ازن کاهش‌یافته و به‌اصطلاح لایه ازن سوراخ خواهد شد.

نوع دیگری از مبرد ها که نسبت به مبردهای CFC آسیب کمتری به لایه ازن می‌رسانند، مبردهایی هیدروکلروفلروکربن یا HCFC هستند.
پایه این مبردها نیز متان است، اما تعداد اتم‌های کلروفلوئور کمتر بوده و به‌جای آنها اتم هیدروژن در مولکول ماده قرار دارد. این مبردها ترکیبات ناپایداری هستند، به همین جهت با ورود به هوا سریعاً تجزیه‌شده و در نتیجه‌اتم های کلر، فرصت کمتری برای رسیدن به لایه‌های بالای جو دارند. این وضعیت باعث می‌شود اثر تخریبی این مواد کمتر از CFC شود. معروف‌ترین مبرد این گروه،R22 است. کپسول این مبرد، با رنگ سبز روشن ساخته می‌شود.

 

تاریخچه حفاظت از لایه ازن:
-در سال ۱۹۷۴ خاطرنشان شد که لایه ازن توسط CFC و HCFC فرسوده می‌شود.
– در سال ۱۹۸۷ معاهده مونترال جهت کنترل تولید و مصرف CFC و HCFC منعقد گردید.
– منع کامل استفاده از CFC در پایان سال ۱۹۹۵ و شروع کنترل میزان مصرف HCFC.

معاهده مونترال به همت دو شیمیدان به نام‌های فرانک شروود و رولند ماریو مولینا (از اساتید شیمی دانشگاه کالیفرنیا) در شهر مونترال کانادا بین نمایندگان کشورهای بزرگ صنعتی جهان منعقد گردید. این دو دانشمند در سال ۱۹۹۵ به خاطر حرکت بزرگ خود درزمینه حفظ محیط زیست موفق به دریافت جایزه نوبل شیمی شدند. هرساله نمایندگان کشورهای امضاء کننده این معاهده در کشور کانادا دورهم جمع شده و گزارشی از عملکرد خود در یک سال ارائه می‌نمایند.

از کشورهای فعال عضو معاهده می‌توان به آمریکا، ژاپن و چین اشاره نمود.

اما نسل جدید مبردها HFC نام دارند که فاقد اتم کلر هستند. این مواد هیچ‌گونه اثر تخریبی بر محیط زیست ندارند، چراکه تنها از اتم‌های هیدروژن، کربن و فلوئور تشکیل‌شده‌اند. این مبردها مخلوطی از مبردهای CFC و HCFC هستند و به نحوی ساخته‌شده‌اند که کارایی آنها بیشتر از مبردهای CFC بوده و درعین‌حال اثر تخریبی بر لایه ازن ندارند.
معروف‌ترین این مبردها R407C و R410A می‌باشند که در تجهیزات جدید برودتی مورداستفاده می‌گیرند.

 

R410A

ماده ترکیبی است مشتمل بر ۵۰ درصد HFC125 و ۵۰ درصد HFC32 که جهت فشارها و ظرفیت‌های لبالا (نسبت به مبرد R22) مناسب است و در صورت جایگزینی در سیستم R22، سیستم نیازمند طراحی مجدد است. به دلیل کارکرد این گاز در فشار بالاتر، کمپرسوری که برای R22 طراحی می‌شود مناسب کار با R410A در همان شرایط نیست. این گاز برای کمپرسورهای سانتریفوژ، اواپراتور شناور و سیستم‌های تبرید پمپی مناسب است. هرچند R410A ظرفیتی حدود ۵۰ درصد بالاتر از R22 دارد اما فشار تقطیر آن نیز تقریباً ۵۰ درصد بالاتر است و به همین دلیل اجزای سیکل تبرید باید برای چنین فشاری طراحی مجدد شوند.
کپسول این مبرد، بارنگ صورتی ساخته می‌شود.

 

مشخصه‌های R410A:

مزایا:
۱- نقش این مبرد در کارایی سیستم بسیار عالی است. با این مبرد EER دستگاه تهویه مطبوع بهبود می‌یابد.
۲- با این مبرد طراحی دستگاهی کوچک‌تر (ازلحاظ اندازه) از دستگاه با مبرد R407C امکان‌پذیر می‌باشد.
۳- افت فشار کمتر: با این مزیت کاهش سایز لوله‌ها امکان‌پذیر می‌باشد.

معایب:
۱- فشار کاری ۱٫۶ برابر بیشتر از فشار R22 می‌باشد که در مناطق گرمسیری به دلیل فشار بالا قابل‌استفاده نمی‌باشد.
۲-به دلیل ترکیبی بودن مبرد، شارژ، تعمیرات و کنترل مبرد مشکل تراز HCFC ها می‌باشد.

 

R407C

ماده ترکیبی است مشتمل بر ۲۳ درصد HFC32، ۲۵ درصد HFC125 و ۵۲ درصد HFC134a که برای کارکرد در شرایط دمای تبخیر بین ۲۰ تا ۵۰ درجه فارنهایت مناسب بوده و در یک سیکل با دمای معین، ظرفیت تبرید آن مطابق R22 است.
در جایگزینی این گاز به‌جای R22 نیاز به طراحی مجدد سیستم نبوده و فقط روغن کمپرسور، فیلتر درایر و احتمالاً سایز شیر انبساط تغییر می‌کند. این گاز برای استفاده در اواپراتور شناور و کمپرسورهای سانتریفوژ و برای دمای تبخیر بین ۲۰ تا ۵۰ درجه فارنهایت توصیه نمی‌گردد.
رنگ کپسول این مبرد قهوه‌ای ملایم (مایل به نارنجی) می‌باشد.

 

مشخصه‌های R407C:

مزایا:
فشار کاری آن شبیه R22 می‌باشد. (در حدود ۱/۱ برابر)
معایب:
کنترل و حفظ ترکیب مبرد جهت شارژ مشکل می‌باشد.

 

 

 

اجزای اصلی سیکل تبرید تراکمی:

یک سیکل تبرید نسبت به نوع دستگاه و یا نوع طراحی آن از اجزای مختلفی تشکیل می‌شود، اما همان‌طور که گفته شد، چهار جزء اصلی بهار جزء اصلی که همیشه در یک سیکل تبرید تراکمی وجود دارد عبارت‌اند از:

*متراکم کننده یا کمپرسور (Compressor):
همان‌طور که گفته شد، کمپرسور قلب یک سیستم تبرید بوده و وظیفه آن در سیستم، متراکم نمودن بخار حاصل از تبخیر مبرد و رساندن آن به درجه حرارت بسیار بالا می‌باشد.

انواع کمپرسورها ازنظر بدنه:

الف) کمپرسور باز (Open Compressor): در این کمپرسورها قسمت مکانیکی و نیروی محرکه کمپرسور در دو پوسته جدا از هم قرار دارد و انتقال انرژی توسط پولی و تسمه و یا یک شفت انجام می‌گیرد. از این کمپرسورها بیشتر در تبرید صنعتی، سردخانه‌های بزرگ و همچنین در کولرهای اتومبیل استفاده می‌گردد.

ب) کمپرسور بسته (Hermetic Compressor): در این کمپرسورها قسمت مکانیکی کمپرسور و الکتروموتور آن در یک پوسته مشترک که غیرقابل باز کردن و تعمیر می‌باشد قرار می‌گیرد. بدنه این کمپرسورها معمولاً از یک کپسول دو تکه ساخته‌شده که به هم جوش داده‌شده است. از این کمپرسورها معمولاً در سیستم‌های متوسط و سبک تبرید خانگی و تجاری استفاده می‌گردد.

ج) کمپرسور نیمه بسته (Semi Hermetic Compressor): بدنه این کمپرسورها کاملاً مشابه کمپرسورهای بسته هستند با این تفاوت که قابل باز کردن و دسترسی به داخل پوسته می‌باشند.
بدین‌صورت که کلیه قسمت‌های بدنه توسط پیچ‌هایی بازشده و امکان هرگونه تعمیرات را میسر می‌سازد.
کاربرد این کمپرسورها بیشتر در سیستم‌های متوسط تبرید مانند چیلرها و سردخانه‌های کوچک می‌باشد.

 

انواع کمپرسورها ازنظر ساختمان داخلی:

انواع کمپرسورها عبارت‌اند از کمپرسورهای سیلندر پیستونی (تناوبی یا رفت و برگشتی)، کمپرسورهای گریز از مرکز، کمپرسورهای دورانی (حلزونی، مارپیچی، غلتکی و پره‌ای)، کمپرسورهای دیافراگمی و کمپرسورهای دارای پمپ گردان.

پنج نوع کمپرسوری که در مقیاس وسیعی در صنایع تبرید و تهویه مطبوع مورداستفاده قرار می‌گیرند، عبارت‌اند از:
الف) کمپرسور رفت و برگشتی (Reciprocate Compressor): اغلب کمپرسورهایی که برای تبرید صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند، از نوع کمپرسور سیلندر پیستونی با رفت و برگشتی می‌باشند و قدرت این کمپرسورها از چند دهم اسب بخار تا چند صد اسب بخار است.

برای فشردن بخار وارده، پیستون بالا رفته و از دریچه‌ای که تعبیه گردیده است، بخار فشرده‌شده به بیرون رانده می‌شود. درزمانی که پیستون به‌عقب حرکت می‌کند، خلا پیش‌آمده، سبب می‌شود که بخار با سرعت وارد سیلندر شود.
وقتی پیستون بالا می‌رود، بخار را فشرده و از دریچه خروجی به خارج از سیلندر هدایت می‌نماید.

برای تبدیل حرکت دورانی موتور الکتریکی، به حرکت خطی قطعاتی نظیر یک چرخ لنگ یا میل‌لنگ و یک شاتون (رابط پیستون و میل‌لنگ) لازم است.

 

تمام این مکانیزم در داخل محفظه آب‌بندی‌شده به نام کارتل (Crankcase)، جا داده‌شده است
کمپرسورهای رفت و برگشتی را معمولاً، از روی تعداد سیلندرها طبقه‌بندی می‌کنند.
اغلب کمپرسورهای سیستم‌های سردکننده، تک سیلندر هستند، ولی کمپرسورهای دو سیلندری بیشتر در سیستم‌های بسته بکار می‌روند. این نوع کمپرسور آرامتر کار می‌کند و روی‌هم‌رفته جمع و جورتر است.

کمپرسورهای رفت و برگشتی را ازنقطه‌نظر ترتیب و طرز قرار گرفتن سیلندرها نیز، طبقه‌بندی می‌کنند. کمپرسور تک سیلندر عمودی، افقی، ۴۵ درجه یا مایل و کمپرسورهای دو سیلندر عمودی، دو سیلندر V شکل، سه سیلندر W شكل، سه سیلندر ستاره‌ای، چهار سیلندر عمودی، چهار سیلندر ۷ شکل و غیره از آن جمله‌اند.

 

*سیلندر (Cylinder):

سیلندر کمپرسورها، معمولاً از چدن ریخته‌گری ساخته می‌شود و در بسیاری از موارد، کارتل کمپرسور، جزئی از سیلندر ست. (یکپارچه)
این طرز ساختمان به خاطر نداشتن اتصالات زیاد، خوب آب‌بندی می‌شود.

 

*پیستون (Piston):

معمولاً پیستون‌ها، از چدن ساخته می‌شوند و سطوح خارجی آن تراش و صیقلی می‌گردد. پیستون‌های کوچک، دارای شیار مخصوص روغن هستند و پیستون‌های بزرگ‌تر ممکن است دارای چند شیار در سطح خارجی خود باشند. در این شیارها رینگ (Ring) سوار می‌شود.
فضای باز یا لقی بین سیلندر و پیستون، تقریباً معادل ۰٫۰۰۰۲ اینچ برای هر اینچ قطر پیستون در نظر گرفته می‌شود، البته در پیستون‌هایی که رینگ دارند، ممکن است این فاصله بیشتر باشد. جنس رینگ‌های پیستون، معمولاً چدنی می‌باشد، گرچه بعضی رینگ‌ها برنزی ساخته می‌شوند. رینگ‌های بکار رفته در پیستون‌های بزرگ دو نوع‌اند: رینگ روغنی و رینگ کمپرسی.

*دستک یا شاتون (Piston Rod):
شاتون، رابطی است که پیستون را به میل‌لنگ وصل می‌کند. دستک‌ها از فولاد سخت و بعضی‌اوقات از چدن ساخته می‌شوند.

*میل‌لنگ (Crank shaft):
میل‌لنگ یک محور چرخنده است که برای انتقال نیرو از آن استفاده می‌شود. اگر توسط یک رابط شاتون به پیستون وصل شود، حرکت دورانی محور را به حرکت رفت و برگشتی تبدیل می‌کند. این نوع میل‌لنگ معمولاً از آهن یا کربن متوسط ساخته می‌شود. قسمت‌های اصلی یک میل‌لنگ عبارت‌اند از: تکیه گاه (حمال)، محل اتصال دستک (یاتاقان‌های متحرک)، بلبرینگ یا تکیه گاه باز طولی، کاسه‌نمد و قطعه نگه‌دارنده چرخ لنگر.
درجایی که میل‌لنگ از کارتل کمپرسور خارج می‌شود، از کاسه‌نمد استفاده می‌شود. این کاسه‌نمد به دلیل جلوگیری از نشتی و سائیدگی به‌کار می‌رود. سیلندر برنجی موجداری که حلقه لاستیکی کاسه‌نمد و حلقه فنری نگه‌دارنده آن را در خود جای‌داده، فانوس نامیده می‌شود.

*سوپاپ (Valve):
مجموعه تشکیل‌دهنده سوپاپ، عبارت است از: صفحه سوپاپ (Valve Plate)، سوپاپ مکش (Suction Valve)، سوپاپ رانش (Discharge Valve) و نگه‌دارنده های سوپاپ‌ها. صفحه سوپاپ معمولاً از چدن ساخته می‌شود، اما امروزه صفحه سوپاپ‌ها از صفحات فولاد آبدیده بیشتر استفاده می‌شود.
سوپاپ‌های ورودی و خروجی به‌وسیله یک خار کوچک و بست اتصالی که بین سر سیلندر کمپرسور و صفحه سوپاپ نصب گردیده است، در جای خود نگه‌داشته می‌شود. در بعضی موارد سوپاپ‌های تخلیه را به‌وسیله یک پیچ کوچک، همراه با فنر در محفظه‌ای قفس مانند سوار می‌کنند.

*واشر (Gasket):
در موقع جمع‌آوری و مونتاژ قطعات کمپرسور، محل‌های اتصالی که به بیرون راه دارند، باید آب‌بندی گردند و هیچ‌گونه نشتی نداشته باشند. برای این منظور از واشر استفاده می‌گردد. واشرها ممکن است از چوب‌پنبه، کاغذ، پنبه نسوز، سرب، لاستیک و آلومینیوم ساخته شوند که در این میان واشرهای سربی و کاغذی مصارف بیشتری دارند. مهم‌ترین واشر بین سر سیلندر و بلوک سیلندر بکار رفته است.

 

*صدا خفه کن (Muffler):
بیشتر کمپرسورهای کوچک، دارای وسیله صدا خفه کن در لوله ورودی و خروجی هستند. صداهای ناهنجار کمپرسور را می‌گیرد. این صدا خفه کن از یک استوانه جوشی برنجی که دارای پره‌های داخلی است، تشکیل‌شده است و بر مبنای اصل برنولی کار می‌کند.

*الکتروموتور (Electromotor):
در برخی کمپرسورها، بلوک سیلندر و الکتروموتور یکپارچه ساخته می‌شوند. میل‌لنگ کمپرسور نیز بخشی از روتور محسوب می‌گردد. جهت محافظت سیم‌پیچ از سوختگی، یک محافظ حرارتی روی سیم‌پیچ نصب می‌گردد که در صورت بالا رفتن حرارت عمل می‌کند.