یخچال و فریزر از جمله لوازم خانگی پرکاربرد در زندگی روزمره هستند که در هر خانه ای یافت می شوند. با پیشرفت تکنولوژی و صنعت، این وسایلنیز توسعه یافته و با تنوع زیادی در بازار تولید و عرضه می شوند اساس کار همه آن ها خنک نگه داشتن محفظه یخچال با طراحی یک سیکل تبرید منظم و دقیق است. در این مقاله به نحوه عملکرد سیستم خنک کننده یخچال و اجزای آن می پردازیم:

چرخه سیستم خنک‌کننده یخچال

چرخه سیستم خنک کننده یخچال بسیار ساده است؛ جذب گرمای یک منطقه و انتقال آن به منطقه دیگر. جالب است بدانید چرخه سیستم خنک کننده یخچال براساس قوانین ترمودینامیک طراحی شده است. طبق این قانون، در چرخه سیستم خنک کننده یخچال یک ماده طی فرآیندهای مختلف انرژی گرمایی جذب می کند و این انرژی را به محیط بیرون انتقال می دهد. این ماده در یخچال، مبرد نام دارد. مبرد نوعی گاز فریون است که خواص ترمودینامیکی ویژه ای دارد. گاز مبرد که با ساختار مولکولی مختلفی نیز تولید می شود انرژی گرمایی بالایی دارد؛ بدین معنی که برای تغییر یک درجه ای دمای مبرد یا تغییر فاز آن در یک دمای ثابت به انرژی گرمایی بسیار بالایی احتیاج است. این ماده مبرد در سیکل تبرید یخچال گردش می کند و در بخش های مختلف با جذب گرمای محیط، تغییر فاز می دهد و از حالت مایع به گاز تبدیل می شود. این فرآیند که تبخیر نام دارد، محیط اطراف را خنک می کند و باعث ماندگاری مواد غذایی در یخچال می‌شود.

برای شروع فرآیند تبخیر و تغییر فاز مبرد از مایع به گاز، باید فشار ماده مبرد از طریق قطعه ای به نام لوله مویی کاهش یابد. برای تکرار فرآیند عملکرد یخچال فریزر، مبرد گاز باید به حالت مایع خود برگردد، بنابراین گاز مبرد مجددا تا فشار بالاتر و درجه حرارت بیشتری فشرده می‌شود، این جایی است که یکی از مهم ترین قطعات یخچال یعنی کمپرسور  وارد عمل می‌شود و مشابه پمپ دوچرخه عمل می‌کند. هر بار که مبرد از کمپرسور یخچال عبور می کند، گاز مبرد با دما و فشار بالا ایجاد می کند و به سیکل تبرید می فرستد. برای کاهش دمای گاز مبرد، گاز از لوله های مارپیچ پشت یخچال که کندانسور نام دارد عبور می کند و حین عبور از کندانسور گرما از دست می دهد. موتور فن یخچال در قسمت کندانسور با دمیدن هوا روی لوله های کندانسور به خنک شدن گاز مبرد موجود در لوله ها کمک می کند. هنگامی که گاز در داخل کندانسور که هنوز تحت فشار زیاد است خنک می‌شود، دوباره به مایع تبدیل می شود. سپس مبرد مایع به اواپراتور برگشت داده می‌شود تا سیکل تبرید دوباره اتفاق بیفتد.

کمپرسور

کمپرسور مهم‌ترین جزء هر یخچال و اصطلاحا قلب یخچال که بدون آن یخچال کار نمی‌کند. این قطعه یک تجهیز الکترومکانیکی است که از یک موتور الکتریکی تک فاز و یک پیستون، سیلندر و میل لنگ در یک محفظه بسته تشکیل شده است. موتور الکتریکی با حرکت میل لنگ، پیستون را در سیلندر به حرکت در می آورد و گاز مبرد در سلیندر فشرده شده و با دما و فشار بالا از کمپرسور خارج می شود. کمپرسور سیال مبرد را در بخش های مختلف سیکل تبرید یخچال، پس از افزایش فشار ارسال می‌کند.

از کمپرسورها برای فشرده کردن گازها استفاده می‌شود. در حقیقت کمپرسورها تجهیزاتی هستند که با صرف انرژی مکانیکی، سیال را به داخل محفظه خود می‌مکند و سپس آن را فشرده می کنند. در اثر فشرده سازی گاز مبرد، دمای آن نیز افزایش می یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز دوباره به حد معمولی بازگردد. کمپرسورها با توجه به نوع کاربرد انواع مختلفی دارند که برای مصارف خانگی و صنعتی برودتی و تهویه مطبوع و مصارف عمومی طراحی شده‌اند. حتی پمپ آکواریوم که برای وارد کردن هوا به آکواریوم ماهی‌ها استفاده می‌شود نیز یک نوع کمپرسور است. فروشگاه اسپارت استور به عنوان بزرگترین تامین کننده انواع کمپرسور یخچال و کولرگازی و گاز مبرد در ایران، بهترین مرجع برای بررسی، انتخاب و خرید انواع قطعات یدکی لوازم خانگی است.

سیال مبرد از اواپراتور به کمپرسور انتقال می‌یابد. اصلی‌ترین عملکرد کمپرسور تخلیه سیال مبرد از تبخیرکننده است تا با حفظ دما و فشار پایین در آن، این تجهیز بتواند گرما را از محفظه یخچال خارج کند. در مرحله بعدی کمپرسور سیال مبرد را فشرده می‌کند؛ تا جایی که در کندانسور با از دست دادن دما تبدیل به مایع شود. دقت کنید که سیالی که وارد کمپرسور می‌شود یا از آن خارج می‌گردد باید در حالت گاز باشد تا به تجهیز آسیب نرسد.

انواع کمپرسور‌هایی یخچال استفاده می‌شوند را می‌توان به دو شیوه دسته‌بندی کرد:

• کمپرسور‌های نوع جابه‌جایی مثبت/ رفت ‌و برگشتی (/compressors)
• کمپرسور‌های نوع روتودینامیکی/سانترفیوژی (Roto-dynamic type/centrifugal compressors)

این کمپرسورها از نظر ساختار فیزیکی به سه دسته زیر تقسیم می شود:

• کمپرسورهای نوع باز
• نوع بسته یا هرمتیک (Hermetic)
• نوع نیمه بسته یا شبه هرمتیک (Semi-Hermetic)

کندانسور

کندانسور جزء مهمی از هر سیستم خنک ‌سازی و نوعی مبدل حرارتی است. همان‌طور که اشاره شد، سیال مبرد در حالت بسیار داغ یا (Superheat) از کمپرسور به کندانسور منتقل می‌گردد. ابتدا ماده از حال بسیار داغ خارج و سپس گرمای آن تا حد دمای محیط بیرون کاسته می‌شود. بسته به دمای محیط بیرون و طراحی کندانسور، سیال مبرد امکان دارد در حالت «اشباع» (Saturate) یا «مایع سرد» (Sub-cooled) از این مرحله خارج گردد.

کندانسور دمای سیال مبرد را توسط لوله‌های مسی که در بیرون از یخچال قرار دارد به محیط پیرامون آزاد می‌کند. این لوله‌های مسی به‌راحتی در پشت یخچال‌های خانگی قابل مشاهده هستند. سیال مبرد در دما و فشار بالا کمپرسور را ترک می‌کند و در کندانسور خنک می‌شود. بعد از خنک‌سازی این ماده به تجهیز فشارشکن انتقال می‌یابد.

کندانسور ها به طور کلی برای خنک کردن سیال در حال گردش در کویل طراحی شده اند که بر اساس شرایط قرارگیری کویل کندانسور، به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

کندانسور‌ خنک‌ شونده با هوا

در کندانسور خنک شونده با هوا که مشابه کندانسور یخچال و فریزر است، لوله های مسی یا همان کویل کندانسور در مجاورت هوای آزاد قرار دارد و سیال با عبور از کندانسور گرما را به محیط اطراف انتقال می دهد. در بعضی از انواع کندانسورهای خنک شونده با هوا، موتور فن کندانسور جریان هوا را روی کویل کندانسور به حرکت در می آورد تا مبرد در گردش، گرمای بیشتری را از دست بدهد.

کندانسور خنک‌ شونده با آب

محیط پیرامون لوله ‌های مسی که سیال مبرد با آن‌ در تبادل گرمایی است را آب تشکیل می‌‌دهد؛ بدین معنی که سیال مبرد گرما را به آب مجاور کندانسور انتقال می‌دهد. کندانسور خنک شونده با آب را می‌توان به دودسته «همرفتی طبیعی» (natural convection) و «همرفتی اجباری» (forced convection) تقسیم کرد. در نوع همرفتی اجباری برای افزایش بازده از وسایلی مثل فن برای جابه‌جایی سیال بیرونی که آب است استفاده می‌شود. این در حالی است که در همرفتی طبیعی چنین تجهیزاتی وجود نخواهد داشت.

اواپراتور یخچال

اواپراتور یخچال در داخل محفظه یخچال قرار دارد و بخشی است که باعث سرد شدن مواد درون یخچال می‌شود. سیال مبرد با دما و فشار پایین وارد اواپراتور می‌شود. در اواپراتور این ماده در لوله‌ های خنک‌کننده جاری و گرمای محیط یخچال توسط این ماده جذب می‌شود. سپس براثر جذب گرمای محیط، دمای سیال مبرد افزایش می‌یابد و به گاز تبدیل می شود. گاز تولیدی برای تکمیل چرخه به کمپرسور انتقال می‌یابد. در حقیقت اواپراتور مبدلی حرارتی است که گرمای فضای یخچال را جذب و به بیرون انتقال می دهد.

شیر انبساط یخچال(Expansion Device)

شیر انبساط یخچال یا فشار شکن که به آن «دستگاه کنترل‌کننده جریان» و «دریچه اختناق» هم گفته می‌شود، جریان مایع مبرد یا همان مایع خنک‌کننده را کنترل می‌کند. کار اصلی شیر انبساط در سیستم خنک‌سازی کاهش فشار ماده واسط تعریف می‌گردد. سیال مبرد که از کندانسور وارد و به تبخیر کننده می‌رود، شیر انبساط، میزان عبور جریان سیال مبرد را به تبخیر کننده تنظیم می‌کند. یکی دیگر از وظایف شیر انبساط یخچال این است که مقدار ماده ورودی را به‌اندازه میزان تبخیری سیال مبرد نگه می‌دارد؛ به عبارت دیگر به اندازه ای سیال از شیر انبساط یخچال عبور می کند که حتما به بخار تبدیل می شود. کنترل و تنظیم دمای یخچال با تغییر در ورودی سیال و مطابق با دمای محیط توسط فشار شکن انجام می شود.

دستگاه‌های فشارشکن استفاده شده در یخچال به دودسته ورودی ثابت و متغیر تقسیم‌بندی می‌شوند. در نوع ثابت، سطح جریان ثابت می‌ماند؛ این در حالی است که در ورودی متغیر، سطح جریان با تغییر نرخ جریان عوض می‌شود. در ادامه چند نوع دستگاه فشارشکن مورد استفاده در یخچال آورده شده است. فشار شکن ورودی ثابت که از دو قسمت لوله مویین یا Capillary  و اوریفیس یا Orifice تشکیل شده است و فشار شکن ورودی متغیر دو قسمت اصلی شیر دستی فشار شکن و شیرخودکار فشار شکن یا فشار ثابت دارد.

ورودی ثابت: 1- لوله مویین (capillary) 2- اوریفیس (Orifice)

ورودی متغیر: ۱- شیر دستی فشارشکن ۲- شیرهای فشارشکن خودکار یا فشار ثابت

ترموستات یخچال

ترموستات یخچال هم یکی دیگر از مهمترین قطعات یخچال است و درک نحوه عملکرد سیستم خنک کننده یخچال نیز تا حد زیادی به شناخت کار ترموستات بستگی دارد. همانطوری که در بخش‌های پیشین توضیح داده شد، وظیفه روشن و خاموش کردن کمپرسور یا همان موتور یخچال در فواصل معین برعهده ترموستات است. به بیان دیگر، ترموستات یخچال دمای محیط یخچال را با دمای تنظیم شده توسط کاربر مطابقت می دهد و بر اساس شرایط دمایی کمپرسور یخچال فریزر را خاموش یا روشن می کند تا به دمای تنظیم شده برسد.

سنسور موجود در ترموستات یخچال، پس از اندازه گیری دمای فضای داخلی یخچال و مقایسه آن با دمای تنظیم شده ، موتور یخچال را خاموش خواهد کرد. در صورتی که دما در این فضا از مقدار مشخصی بیشتر شود، موتور را روشن می‌کند تا فرآیند خنک ‌سازی از سر گرفته شود. برای انجام بهینه این عملکرد نیز اغلب ترموستات به فشارشکن متصل است.