مبادئ وعمليات التبريد في التخزين البارد

تشرح هذه المقالة مبادئ التبريد لأنظمة التخزين البارد باستخدام الرسوم البيانية وتحليل العمليات. ويكمن سبب التأكيد المتكرر على مبادئ التبريد في أن فهم المنطق الكامن وراءها هو السبيل الوحيد لربط المشكلات التشغيلية بأسبابها بدقة في الواقع العملي، مما يسمح بتحليل الأعطال بشكل أكثر شمولاً وإيجاد حلول دقيقة لها. وتستخدم هذه المقالة لغة بسيطة قدر الإمكان لشرح العملية.

سواءً كان نظام تبريد أو مكيف هواء، فإن أياً منهما لا يُنتج البرودة فعلياً. بل إن التبريد هو في جوهره نقل للحرارة. ويتحقق ذلك من خلال التحويل المستمر وتدوير مادة التبريد بين حالتيها السائلة والغازية، مما يُنجز عملية تبادل الحرارة. تتكون الدورة الكاملة من أربع مراحل: الضغط، والتكثيف، والتحكم في التدفق، والتبخير، لتشكل حلقة مغلقة مستمرة. أثناء الدوران، تمتص مادة التبريد الحرارة وتطلقها باستمرار، وذلك بالتنسيق مع المكونات الأساسية الأربعة والأجهزة المساعدة لنقل الحرارة.

لكن خلال هذه العملية، متى يكون المبرد في الحالة السائلة؟ ومتى يتحول إلى غاز؟ ومتى يكون تحت ضغط عالٍ، ومتى يكون تحت ضغط منخفض؟ ما هي المبادئ الكامنة وراء هذه التغيرات؟

عملية الضغط

يقوم الضاغط بضغط غاز التبريد ذي درجة الحرارة المنخفضة والضغط المنخفض إلى بخار ذي درجة حرارة عالية وضغط عالٍ

والآن، لنبدأ بـ"قلب" نظام التبريد - الضاغط. وكما يوحي الاسم، فإن الوظيفة الأساسية للضاغط هي الضغط. مع ذلك، يجب أن يكون الجسم المراد ضغطه غازًا دائمًا، لأن السوائل غير قابلة للانضغاط تقريبًا. وإذا دخل سائل التبريد إلى الضاغط، فقد يتسبب ذلك في حدوث دفقة سائلة.

تخيل سائلاً يُضغط بقوة داخل حجرة الضاغط - إنه يعمل كالمطرقة التي تضرب المكونات الداخلية. إذا استمر هذا الوضع، فسيتعطل الضاغط سريعاً ويتعرض لتلف دائم. لذلك، يُركّب عادةً فاصل غاز-سائل قبل الضاغط. يعمل هذا الفاصل كحارس مرمى، يفصل أي مادة تبريد لم تتبخر بالكامل ويسمح فقط بدخول الغاز إلى الضاغط.

بعد دخول الغاز إلى الضاغط، ينخفض ​​حجمه بسرعة بينما يرتفع ضغطه ودرجة حرارته بشكل حاد، ليصبح في النهاية غازًا عالي الحرارة والضغط يُصرّف من الضاغط. تُعرف هذه العملية عادةً باسم التفريغ.

تُعدّ درجة حرارة التفريغ معيارًا بالغ الأهمية لأنها تعكس بشكل مباشر حالة تشغيل الضاغط وكفاءة نظام التبريد. ولذلك، تُجهّز وحدات التبريد عادةً بأجهزة عرض درجة حرارة التفريغ.

في الوقت نفسه، يتم توصيل مقياس الضغط العالي مباشرةً بخط أنابيب التفريغ لمراقبة قيم الضغط لحظيًا. كما يتم توصيل جانب الضغط العالي لجهاز التحكم بالضغط العالي والمنخفض هنا أيضًا. عند تجاوز ضغط التفريغ النطاق الآمن، يتم تفعيل نظام الحماية من الضغط العالي، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الضاغط تلقائيًا لمنع تلف المعدات.

بالإضافة إلى ذلك، عندما يخرج الغاز ذو درجة الحرارة والضغط العاليين من الضاغط، فإنه يحمل معه جزءًا من زيت الضاغط. وهنا، يلعب فاصل الزيت دورًا هامًا، حيث يفصل الزيت ويعيده إلى الضاغط، مما يحافظ على التزييت ويضمن التشغيل السليم.

رسم تخطيطي لضاغط مثال

عملية التكثيف

يتدفق البخار ذو درجة الحرارة العالية عبر المكثف، ويطلق الحرارة إلى الخارج، ويتكثف إلى سائل عالي الضغط.

يعمل المكثف كمحطة تبريد للغاز ذي درجة الحرارة العالية. بعد ضغطه بواسطة الضاغط، يدخل غاز التبريد ذو درجة الحرارة والضغط العاليين إلى المكثف كمحطته التالية. هنا، يخضع لتحول هام - يتحول من غاز إلى سائل.

تشبه هذه العملية تكثف بخار الماء إلى ماء عند تبريده. ولتسريع عملية تبريد المُبرِّد وتسييله، زُوِّد المكثف بمراوح خاصة به. مع ذلك، لا تعمل هذه المراوح باستمرار، بل يتم التحكم في تشغيلها بدقة وفقًا لضغط النظام.

وذلك لأنه إذا بدأت المراوح بالعمل مبكراً جداً، فقد يتحول سائل التبريد إلى سائل قبل إطلاق كمية كافية من الحرارة، مما يقلل من كفاءة التبريد. من ناحية أخرى، إذا بدأت المراوح بالعمل متأخراً جداً، فقد يرتفع ضغط النظام بشكل مفرط.

لذا، يستخدم النظام وحدة تحكم متصلة بخط أنابيب التصريف أو خزان السائل لرصد الضغط والتحكم الذكي في تشغيل مروحة المكثف. وبمجرد اكتمال عملية تسييل غاز التبريد بنجاح، يتدفق إلى خزان السائل وينتظر المرحلة التالية من مساره.

بعد خروج سائل التبريد من خزان الاستقبال، يمر أولاً عبر مجفف المرشح، الذي يعمل كمرحلة تنقية عن طريق إزالة الشوائب والرطوبة والمواد الحمضية من سائل التبريد.

صُممت بعض مجففات المرشحات التي تحتوي على الكربون النشط خصيصًا لامتصاص شمع البارافين، لأن زيت التبريد قد يُرسب الشمع عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون -35 درجة مئوية. ولا تتطلب أنظمة التبريد ذات درجات الحرارة المتوسطة والعالية عمومًا هذا النوع من إزالة الشمع.

بعد عملية التنقية، يدخل المبرد إلى نافذة الرؤية.

يُعدّ زجاج الرؤية عنصرًا أساسيًا لتقييم حالة نظام التبريد. يستطيع الفنيون مراقبة زجاج الرؤية لتحديد مدى جفاف الأنابيب، وكذلك تحديد ما إذا كانت كمية غاز التبريد كافية أم لا، أو ما إذا كان الهواء قد دخل النظام عن طريق فحص وجود فقاعات داخل غاز التبريد.

في هذه المرحلة، لا يزال غاز التبريد في حالة سائلة تحت ضغط عالٍ. ولمنع استمرار تدفق غاز التبريد إلى المبخر بعد إيقاف التشغيل، يتم تركيب صمام لولبي بعد نافذة الرؤية لتحقيق تحكم دقيق في التدفق.

رسم تخطيطي لمثال المكثف

عملية التقييد

يمر سائل عالي الضغط عبر صمام التمدد، فينخفض ​​ضغطه فوراً، ويصبح خليطاً من الغاز والسائل منخفض الحرارة والضغط.

بعد مرور غاز التبريد عبر الصمام اللولبي، يصل إلى صمام التمدد. يعمل صمام التمدد كمركز لخفض الضغط في نظام التبريد. عند مرور غاز التبريد السائل عالي الضغط عبر صمام التمدد، تعمل فتحة الخنق على خفض الضغط بسرعة، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في كل من ضغط ودرجة حرارة غاز التبريد. عندها يتحول غاز التبريد إلى خليط غازي سائل منخفض الحرارة والضغط.

لا تُغيّر عملية الخنق بحد ذاتها المحتوى الحراري الكلي للمبرد. ومع ذلك، فإن الانخفاض المفاجئ في الضغط يُخفّض درجة الحرارة ويُكوّن خليطًا من الغاز والسائل قادرًا على امتصاص الحرارة من داخل غرفة التبريد.

وفي الوقت نفسه، يمكن لصمام التمدد أن يضبط تدفق المبرد تلقائيًا وفقًا لحمل التبريد لغرفة التخزين البارد، مما يضمن كفاءة التبريد واستقرار درجة الحرارة.

رسم تخطيطي توضيحي لصمام التمدد

عملية التبخر

يدخل غاز التبريد إلى المبخر، ويمتص الحرارة من غرفة التخزين الباردة، ثم يتبخر مرة أخرى، ويبرد الهواء، ويعود إلى الضاغط لإكمال الدورة.

بعد ذلك، يدخل خليط الغاز والسائل ذو درجة الحرارة المنخفضة إلى المبخر، وهو مبرد الهواء الموجود داخل غرفة التخزين البارد.

المبخر هو المكون الذي ينتج فعلياً تأثير التبريد. هنا، يمتص المبرد الحرارة من داخل غرفة التخزين البارد ويتحول تدريجياً من سائل إلى غاز منخفض الحرارة والضغط.

مع إزالة الحرارة من هواء التخزين، تنخفض درجة حرارة الهواء، مما يسمح لغرفة التخزين البارد بتحقيق حالة درجة الحرارة المنخفضة المطلوبة.

عندما يغادر المبرد المبخر، يكون قد تحول تمامًا إلى غاز مشبع ويعود إلى الضاغط لبدء دورة التبريد التالية.

رسم تخطيطي لمثال المبخر