أنظمة التبريد

هناك حالات كثيرة يكون المطلوب فيها تبريد مادة ما بدون خلطها مع مادة أخرى أبرد منها، وليس استخلاص الشغل من الطاقة الحرارية. والقانون الثاني لا يسمح بحدوث ذلك تلقائياً لأن هذه العملية تتطلب أن يصبح الجسم البارد أكثر برودة من الوسط المحيط به. ومع أن القانون الثاني يجرم انسياب الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن، يمكننا بذل شغل على النظام لإجبار الحرارة على "صعود تل" درجات الحرارة، وهو ما يشبه إلى حد كبير ضخ الماء إلى أعلى ضد الجاذبية وتسمى العملية التي يستخدم فيها الشغل لخفض درجة حرارة المادة بدورة التبريد، وهذه في الحقيقة هي أساس عمل العديد من أنظمة التبريد كالمبردات ( الثلاجات) وأجهزة تكييف الهواء والمضخات الحرارية.

الشكل 1)): (أ) انسياب الحرارة في نظام تبريد. (ب) رسم تخطيطي لمبرد (ثلاجة).

وفي دورة التبريد يتم انسياب الطاقة أساسياً في عكس اتجاه انسيابها في المحرك الحراري، كما هو مبين بالشكل  1)أ). فإذا كانت دورة التبريد تتم بين درجتي الحرارة العالية T_h والمنخفضة T_c سنجد أن دخل الشغل W سوف يسمح للجهاز بانتزاع كمية من الحرارة Q_c عند درجة الحرارة العالية. ومرة ثانية فإن القانون الأول للديناميكا الحراري يتطلب أن تتساوى كمية الطاقة الداخلة مع كمية الطاقة الخارجة، أو:

(1)            

يمثل الشكل  1)ب) رسماً تخطيطياً لثلاجة منزلية. ويتم التبريد في مثل هذا النوع من الأجهزة باستخدام سائل ذي نقطة غليان منخفضة كالفريون الذي يغلى عند درجة -30^oC عند الضغط الجوي. لنتبع الآن دورة التبريد في هذه الثلاجة. في بداية الدورة يقوم الضاغط الموجودة بالجزء السفلي من وحدة التبريد بضغط غاز الفريون إلى ضغط عال بدرجة تكفى لإسالته عند تبريده قليلاً. وأثناء هذا الانضغاط الأدياباتي تقريباً يسبب الشغل W المبذول على الغاز تسخينه بدرجة كبيرة. وبعدئذ يمر الفريون الساخن في ملفات المكثف، حيث يفقد بعضاً من حرارته عند درجة الحرارة العالية إلى الهواء المحيط. (عندما تقترب من ظهر الثلاجة يمكنك الإحساس بسخونة الهواء قرب الملفات). وتؤذي عملية تبريد الفريون هذه إلى تحوله إلى الطور السائل نتيجة فقده لحرارة تبخيره إلى الهواء المحيط. لاحظ أن الحرارة المفقودة أثناء التبريد وأثناء التحول الطوري تمثل جزءاً من Q_h. وبعد انخفاض درجة حرارة الفريون السائل إلى ما يقرب من درجة الغرفة يمر هذا الفريون السائل خلال ملف الخنق حيث يتبخر لتمدده في منطقة منخفضة الضغط تسمى المبخر. وبمرور الفريون الغازي، الذي أصبح الآن بارداً جداً، في الانابيب الملتوية للمبخر سوف تنساب كمية من الحرارة Q_c من محتويات المبرد الدافئة إلى الفريون، مما يؤدي إلى تبريد داخل الثلاجة. وأخيراً يترك الفريون الغازي (بعد أن أصبح دافئاً)، أنابيب المبخر عائداً مرة أخرى إلى الضاغط حيث تتكرر دورة التبريد مرة أخرى.

وتعمل أجهزة تكييف الهواء بنفس هذه الطريقة. ولكن ملفات التبريد توجد في هذه الحالة داخل المنزل. بينما توجد ملفات التكثيف في الخارج. وبذلك تنتقل الحرارة من دخل المنزل إلى خارجه، وهذا يؤدي إلى تبريد الداخل وتسخين الخارج. ( ضع يدك بالقرب من جهاز التكييف خارج المنزل وسوف تشعر بالحرارة المنصرفة Q_h)

تبين المعادلة (1) أن Q_h > Q_c بمكية تساوي الشغل المبذول بواسطة الضاغط:     

 Q_c - W = Q_h

ولقياس فاعلية المبرد سوف نعرف معامل الأداء COP بأنه النسبة بين كمية الحرارة المنتزعة عند درجة الحرارة المنخفضة ودخل الشغل اللازم:

(2)              

لحذف W نحصل على:

(3)            

لاحظ من المعادلة (3) أن قيمة COP ــ نسبة الحرارة المنتزعة إلى دخل الشغل ــ أكبر دائماً من 1. هذا يوضح أن كمية صغيرة من الشغل يمكنها انتزاع كمية أكبر من الحرارة.

وكما فعلنا في حالة المحرك الحراري، يمكننا استخدام اعتبارات الأنتروبيا بالقانون الثاني للتعبير عن كميتي الحرارة المتنقلتين بدلالة درجتي حرارة الخزانين الحراريين اللتين يتم عندها التبادل الحراري. وعندئذ سنجد أن معامل الأداء الأقصى لمبرد يعطي بالعلاقة:

(4)     

لاحظ أن أفضل أداء ( أعلى COP) يتحقق عندما يكون الفرق بين درجتي الحرارة صغيراً. وهذا معقول لأن الشغل اللازم لإجبار الحرارة على الأنسياب إلى خزان حراري ذي درجة حرارة أعلى قليلاً سيكون أصفر مما في حالة انتقال الحرارة إلى خزان حراري ذي درجة حرارة أعلى بكثير.

تعتبر المضخات الحرارية مثالاً آخر لاستخدام دورة التبريد. وتصنع هذه بحيث تحتوي على مجموعتين من ملفات التبريد، مما يسمح باستخدام المضحة الحرارية كمكيف للهواء، حيث توجد ملفات المبخر داخل المنزل، أو كوحدة تدفئة حيث توجد ملفات المكثف داخل المنزل وبالتالي يصرف العادم الحراري داخل الغرفة. وفي الحالة الأخيرة يتم تسخين المبنى بواسطة الطاقة الحرارية المنتزعة من الجو الخارجي البارد بعد رفع درجة حرارتها تحت تأثير الشغل المبذول بواسطة الضاغط.

ويختلف الغرض من استخدام المضخات الحرارية للتدفئة اختلافاً بسيطاً عن جهاز تكييف الهواء. ذلك أن وظيفة المضحة الحرارية هي نقل الحرارة Q_h إلى المنزل بدلاً من انتزاع الحرارة .Q_c وحيث أن COP مؤشر ومقياس لفاعلية اداء الجهاز للوظيفة المطلوبة منه، يجب تعريف COP للمضخة الحرارية بالطريقة الآتية:

(5)        

وبذلك يأخذ COP الأقصى للمضخة الحرارية الصورة:

(6)