یخچال و فریزر از جمله وسایلی هستند که در زندگی روزمره کاربرد های زیادی دارند و در هر منزلی یافت می شوند. با پیشرفت تکنولوژی و صنعت، این وسایل نیز تغییرات زیادی نموده و پیشرفته تر شدند و مدل های مختلفی از آن ها در بازار یافت می شود. کاربرد یخچال در زندگی روزانه پیشگیری از خراب شدن مواد غذایی می باشد که این امر به وسیله پایین بودن دمای داخل آن رخ می دهد. این کاهش دادن دما توسط سیستم خنک کننده یخچال اتفاق می افتد که در این مقاله به چگونگی کار این سیستم و اجزای آن می پردازیم:

اصول چرخه خنک‌کنندگی یخچال

اصول کار یخچال (به طور کلی یخچال و فریزر) بسیار ساده است؛ این کار مستلزم از بین بردن گرمای یک منطقه و انتقال آن به منطقه دیگر است، جالب است بدانید اصول کار یخچال ها بر مبنای قانون دوم ترمودینامیک است. چرخه‌ی ترمودینامیکی، چرخه‌ی بسته‌ای است که ماده‌ای تحت فرآیند‌های مختلف قرار می‌گیرد و سپس به حالت اولیه باز‌می‌گردد. یخچال ها با ایجاد گردش مبرد در داخل آنها کار می‌ کنند تا مبرد از مایع به گاز تبدیل شود. این فرآیند که تبخیر نام دارد، محیط اطراف را خنک می کند و اثر مطلوبی ایجاد می کند و باعث ماندگاری مواد غذایی در فضای یخچال می‌شود.

برای شروع فرآیند تبخیر و تغییر مبرد از مایع به گاز، باید فشار بر روی مبرد از طریق یک خروجی به نام لوله مویین کاهش یابد. برای ادامه فرایند کار یخچال فریزر، مبرد گاز باید به حالت مایع خود برگردد، بنابراین گاز مجددا تا فشار و درجه حرارت بیشتری فشرده می‌شود، این جایی است که کمپرسور یخچال وارد عمل می‌شود و مشابه پمپ دوچرخه عمل می‌کند. هر بار که کمپرسور یخچال کار خود را انجام می‌دهد، گاز باید داغ و تحت فشار زیاد باشد. حالا خازن که در قسمت پشتی یخچال نصب شده است، خنک می‌شود. هنگامی که گاز در داخل کندانسور که هنوز تحت فشار زیاد است خنک می‌شود، دوباره به مایع تغییر می‌کند. سپس مبرد مایع به اواپراتور برگشت داده می‌شود تا فرآیند در آن دوباره آغاز شود.

کمپرسور

کمپرسور مهم‌ترین جزء هر یخچالی است که بدون آن یخچال کار نمی‌کند. این قطعه تجهیزی مکانیکی است که انرژی مکانیکی را سیال عملیاتی یا همان مبرد انتقال می‌دهد. طرز کار کمپرسور مشابه قلب انسان است؛ به این شکل که قلب خون را به سراسر بدن می‌فرستد. به شکل مشابه کمپرسور سیال مبرد را در تمامی یخچال با افزایش فشار آن تنظیم و جاری می‌کند.

از کمپرسورها برای فشرده کردن گازها استفاده می‌شود. در حقیقت کمپرسورها وسایلی هستند که با صرف انرژی مکانیکی، سیال را با سرعت به درون خود می‌مکند و سپس آن را فشرده می‌سازند. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده می‌شود نیز افزایش می‌یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز دوباره به حد معمولی بازگردد.

انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که برای مصارف صنعتی و عمومی طراحی شده‌اند. بد نیست بدانید که حتی پمپ آکواریوم که برای وارد کردن هوا به آکواریوم ماهی‌ها استفاده می‌شود نیز یک نوع کمپرسور است.

سیال مبرد از تبخیر‌کننده 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 فاز گاز باشد تا به تجهیز آسیب نرسد.

کمپرسور‌هایی که در یخچال استفاده می‌شوند را می‌توان به دو شیوه دسته‌بندی کرد.

بر اساس اصول کار کردن

• «کمپرسور‌های نوع جابه‌جایی مثبت/ رفت‌وبرگشتی»
  (Positive displacement type/reciprocating compressors)
• «کمپرسور‌های نوع روتودینامیکی/سانترفیوژی» (Roto-dynamic type/centrifugal compressors)

بر اساس نوع چینش موتور

• کمپرسورهای نوع باز
• نوع «هرمتیک» (Hermetic) / «سیلد» (Sealed)
• نوع شبه هرمتیک / شبه سیلد

کندانسور

کندانسور جزء مهمی از هر سیستم خنک‌سازی و نوعی مبدل حرارتی است. همان‌طور که اشاره شد، سیال مبرد در حالت «فوق داغ» (Superheat) از کمپرسور به کندانسور منتقل می‌گردد. ابتدا ماده مذکور از حال فوق داغ خارج و سپس گرمای آن تا حد دمای محیط بیرون گرفته 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.

بر اساس نوع سیال پیرامون کندانسور این تجهیز به دسته‌های زیر طبقه‌بندی می‌شود:

کندانسور‌ خنک‌ شونده با هوا

همان‌طور که اسمش پیداست، محیط پیرامون لوله‌های مسی که سیال مبرد با آن‌ در تبادل گرمایی است را هوا تشکیل می‌‌دهد؛ بدین معنی که سیال مبرد گرما را به هوای محیط انتقال می‌دهد. این نوع کندانسور‌ها را می‌توان به دودسته همرفتی طبیعی و همرفتی اجباری تقسیم کرد. در نوع همرفتی اجباری برای افزایش بازده از وسایلی مثل فن برای جابه‌جایی سیال بیرونی استفاده می‌شود. این در حالی است که در همرفتی طبیعی چنین وسایلی وجود نخواهد داشت.

کندانسور خنک‌ شونده با آب

همان‌طور که از اسمش پیداست، محیط پیرامون لوله‌های مسی که سیال مبرد با آن‌ در تبادل گرمایی است را هوا تشکیل می‌‌دهد؛ بدین معنی که سیال مبرد گرما را به هوای محیط انتقال می‌دهد. این نوع کندانسور‌ها 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 استفاده می‌شود. این در حالی است که در همرفتی طبیعی چنین وسایلی وجود نخواهد داشت.

کندانسور خنک‌ کننده با آب

در این کندانسور‌ها سیال بیرونی آب است؛ بنابراین آب گرما را از سیال مبرد می‌گیرد.

تبخیرکننده (Evaporator) یخچال

اواپراتور در داخل یخچال قرار دارد و بخشی است که باعث سرد شدن مواد درون یخچال می‌شود. سیال مبرد از فشارشکن با دما و فشار پایین به تبخیرکننده وارد می‌گردد. در تبخیرکننده این ماده در لوله‌های خنک‌کننده جاری و گرمای محیط یخچال توسط این ماده جذب می‌شود. سپس براثر جذب گرمای محیط دمای سیال مبرد افزایش می‌یابد و این ماده تبدیل به بخار می‌گردد. بخار تولیدی برای تکمیل چرخه به کمپرسور انتقال می‌یابد. در حقیقت تبخیرکننده مبدلی حرارتی است که بین فضای یخچال و لوله‌های خنک‌کننده قرار دارد.

فشارشکن (Expansion Device) یخچال

شیر انبساط که به آن «دستگاه کنترل‌کننده جریان» و «دریچه اختناق» هم گفته می‌شود، جریان مایع مبرد یا همان مایع خنک‌کننده را کنترل می‌کند.
کار اصلی فشارشکن در سیستم خنک‌سازی کاهش فشار ماده واسط تعریف می‌گردد. سیال مبرد که از کندانسور وارد و به تبخیر کننده می‌رود، فشارشکن، میزان عبور جریان سیال مبرد را به تبخیر کننده تنظیم می‌کند.
یکی دیگر از وظایف فشارشکن این است که مقدار ماده ورودی را به‌اندازه میزان تبخیری سیال مبرد نگه می‌دارد؛ به این معنی که تنها مقداری از سیال عبور می‌کند که حتما بخار می‌شود. کار کنترل و تنظیم دمای یخچال توسط فشارشکن با تغییر ورودی‌های آن و بر اساس نیاز ما انجام می‌گیرد. برای مثال در تابستان دمای کمتری نسبت به زمستان نیاز داریم؛ بنابراین فشارشکن را بر اساس شرایط موجود و نیاز خود تنظیم می‌کنیم.

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.

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

ورودی متغیر: 1- شیر دستی فشارشکن 2- شیرهای فشارشکن خودکار یا فشار ثابت

ترموستات یخچال

ترموستات هم یکی دیگر از قطعات مهم در هر یخچالی است که درک روش کار یخچال نیز تا حد زیادی بستگی به این دارد که با ترموستات آشنا شد. همانطوری که در بخش‌های پیشین توضیح داده شد، وظیفه روشن و خاموش کردن کمپرسور یا همان موتور یخچال در فواصل معین برعهده ترموستات است. در واقع این قطعه با نظارت داشتن بر دما و خاموش و روشن کردن کمپرسور، روند خنک سازی در یک یخچال را به صورت کامل می‌کند.

زمانی که سنسور موجود در ترموستات  احساس کرد که فضای داخلی یخچال در حد نیاز و به اندازه کافی خنک است، موتور یخچال را خاموش خواهد کرد. در صورتی هم که احساس شود گرما در این فضا بسیار زیاد شده، موتور را روشن می‌کند تا فرآیند خنک‌سازی از سر گرفته شود. برای انجام بهینه این عملکرد نیز اغلب به فشارشکن متصل است.