الهندسة والآليات > كيف تعمل الأشياء
كيف يعمل المكيف؟
إذا طُلِبَ من سكان الشرق الأوسط والمناطق الجافة في العالم اختيار صاحب جائزة نوبل للفيزياء لقدموها إلى المهندس الأمريكي ويليس كارير" Willis Haviland Carrier”، الذي جعل شهور الصيف أكثر راحة وغير حياة الملايين.
لنتعرف على اختراعه في هذا المقال.
-----------------
تم تطوير أول مكيف بصورته الحديثة على يد المهندس الكهربائي الأمريكي الجنسية ويليس كارير
"” Willis Haviland Carrier عام 1902م. صُمِمَ المكيف في بادئ الأمر لمعالجة مشكلة الرطوبة في شركة للطباعة والنشر في مدينة نيويورك، حيث استعانت تلك الشركة ب "ويليس" الذي كان وقتها مهندساً في شركة صناعية في مدينة مانهاتن، بعد أن كانت الرطوبة في غرف تخزين المنشورات تفسدُ الحبر على المطبوعات جراء امتصاص الورق للرطوبة من الجو الحار.
في بادئ الأمر، عالج "كارير" المشكلة من خلال دفع الهواء إلى الغرفة ضمن أنابيب مملوءة بماء بارد، وعندما امتص الهواء البارد الحرارة من الهواء في غرف التخزين انخفضت الرطوبة في الجو مما أدى لخفض درجة الحرارة، وبذلك وُلِد في غرف تخزين إحدى شركات المنشورات في "بروكلين" الاختراع الذي سيغير حياة الكثير.
لم يدرك المهندس الشاب عندها أنه طوَّرَ شيئاً كبيراً ما لبثت بعدها أن انتشرت أجهزة التكييف من المسارح إلى المتاجر.
ولكن كيف يعمل المكيف وما هو مبدأ عمله؟
أولاً: آلية التبريد.
يعتمد مبدأ عمل المكيف على مبدأ بسيط في الترموديناميك، وهو أنَّه عندما يتحول الوسيط السائل بين الطورين السائل والغازي فإنه يقوم بسحب الحرارة من الهواء المراد تبريده؛ أي أن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد (ذو السعة الحرارية الأعلى) فيبرد الجسم الأول ويسخن الجسم الثاني.
لنقرّب ذلك أكثر، معظمنا قام بِرَش كحول طبي على جِلدِه ولكن بماذا شعرنا؟
شعرنا بالبرودة والسبب بسيط، الكحول من المواد سريعة التطاير (التحول إلى غاز)، عندما ملامسته للجلد قام بِسحب الحرارة من الجلد وذهبت هذه الحرارة لتتحول إلى الطور الغازي تاركةً الجلد في حرارة منخفضة، فشعرنا بالبرودة.
يمكن أن نعاين هذا المبدأ أيضاً من خلال الماء ولكن الفرق بدرجة حرارة التبخر، فالكحول يتطاير (يتبخر) أسرع من الماء. وهذه المبدأ ينسحب على عدد كبير من التطبيقات التي تعمل من حولنا مثل (الثلاجة).
إذاً ليكون لدينا مكيف هواء ويشعرنا بالبرودة (يسحب الحرارة من هواء الغرفة)، يجب أن يكون لدينا سائل وسيط يتبخر في داخل الغرفة لِيَمتص الحرارة من الهواء، وأن يُضغط ويعود إلى سائل خارج الغرفة.
لهذا السبب يوجد قطعتين للمكيف واحدة داخل الغرفة المراد تبريدها والثانية خارجها.
ومِن وسائط التبريد المستخدمة " الفريون"، وذلك لدرجة حرارة تبخره المنخفضة، فَدرجة غليان "الفريون 11" هي 24 درجة سيليسيوس عند الضغط الجوي النظامي.
مراحل عمل المكيف:
_ القطعة الخارجية:
يقوم الضاغط بِرفع ضَغط وسيط التبريد لصبح بالحالة السائلة، فَترتفع درجة حرارته لأنَّ عملية الضغط تُقَرِب الجزيئات من بعضها البعض وتزيد من الاحتكاكات فيما بينها، مما يؤدي لزيادة الطاقة الداخلية وبالتالي ترتفع درجة الحرارة.
يدخل وسيط التبريد ذو الحالة السائلة والضغط المرتفع الى "مِشعاع المكثف"، وهو عبارة عن أنابيب ملتوية وملتفة لكي تزيد من سطح التبادل بين وسيط التبريد والهواء في الوسط الخارجي لكي تنخفض درجة حرارة وسيط التبريد.
_ القطعة الداخلية
يخرج وسيط التبريد من المُشِع لِيَدخل إلى الصمام الخانق، وهو منطقة ذات تضييق جزئي لمجرى التيار.
تدعى عملية مرور الوسيط ضمن الصمام ب "الخنق"، وتكون مترافقة بانخفاض في درجة الحرارة والضغط.
يذهب بعدها الوسيط إلى "مشعاع التبريد"، حيث يتلامس وسيط التبريد ذو الحالة السائلة منخفض درجة الحرارة والضغط مع الهواء الساخن المدفوع من مروحة خلف "مشعاع التبريد"، حيث يسحب الحرارة من الهواء ويجعل الهواء بارداً ويتحول بذلك إلى غاز ليعود إلى القطعة الخارجية لينضغط في دورة مغلقة.
ثانياً: آلية التسخين.
بالإضافة لعملية التبريد خلال أشهر الصيف، يقوم مكيف الهواء بتسخين الهواء خلال الشتاء.
ولكن كيف تتم هذه العملية؟
يقوم المكيف هنا بعكس العملية التي تحصل عند التبريد. فكما ذكرنا سابقاً، إنَّ المكثف والمبخر مجموعة من الأنابيب المُلتفة التي تعمل كمبادل للحرارة أحدهما موجود في الداخل والآخر في الخارج، أي أنهما جهازين متطابقين تماماً بحيث يمكن أن يقوم المبخر بعمل المكثف، وأن يقوم المكثف بعمل المبخر.
فعند التدفئة:
يخرج الوسيط السائل ذو درجة الحرارة المرتفعة من الضاغط إلى المبادل الحراري الموجود في الداخل (المكثف في هذه الحالة).
يطرد المبادل الحراري حرارة الغاز الى هواء الغرفة البارد، وبالتالي تتم تدفئة الغرفة.
يتجه بعدها الوسيط السائل إلى صمام التمدد (الخانق) الذي يفقده ضغطه وحرارته المتبقية، ومن ثم يسري إلى المبادل الحراري الموجود في الخارج وهو المبخر (درجة الحرارة في الخارج منخفضة إلا انها ليست أقل من درجة حرارة سائل التبريد).
وبالتالي تنتقل الحرارة من الجو الخارجي إلى سائل التبريد بكمية بسيطة كافية لتعيده إلى حالته الغازية، ليعود مرة أخرى للضاغط.
يوجد الكثير من المفاهيم الخاطئة التي نتداولها عن المكيف، وهي:
سعة المكيف:
ماذا نعني عند القول بأنَّ مكيف " 1 طن" أو "1.5 طن"؟
تُقَدر معظم المكيفات بِ " سعة المكيف"، فعلى سبيل المثال " 1 طن" تساوي "12.000 BTU".
حيث BTU هي الوحدة الحرارية البريطانية وتمثل كمية الحرارة اللازمة لرفع واحد باوند " 0.45kg”، درجة فهرنهايت واحدة "0.56˚C".
ترتبط سعة المكيف بالوحدات الحرارية بمفهوم "معدل كفاءة الطاقة أو (Energy Efficiency Rating (EER)).
حيث:
معدل كفاءة الطاقة= سعة المكيف بالوحدات الحرارية BTU / الاستطاعة الكهربائية.
EER= BTU/Wattage
مثال:
بفرض لدينا مكيف ذو سعة 10.000 BTU، واستطاعته 1200 [W]. فإنَّ معدل كفاءة الطاقة هي:
EER= BTU/Wattage=10000/ (1200) =8.3
ومنه نلاحظ أنه كلما كانت السعة BTU أكبر كلما كان معدل كفاءة الطاقة أكبر، أي توفير أكثر للمستهلك.
وسيط التبريد:
يعد "الفريون" من أكثر وسائط التبريد انتشاراً، واسم "الفريون" هو اسم تجاري وليس اسم علمي، حيث أن اسمه العلمي هو "كلوروفلوروكربون".
وهو عبارة عن مركب عضوي يحتوي في تركيبته (الكلور والفلور والكربون)، وهو غاز قابل للاشتعال مؤذي ومدمر لطبقة الأوزون. لذلك يعمل العلماء جاهدين لإيجاد مواد تكافئ عمل الفريون وغير مضرة بالبيئة.
والآن سنترككم لتتابعوا هذا المقطع الذي يبين آلية عمل مُكيف الهواء.
مقطع يبين عملية تجميع القطعة الداخلية لمكيف الهواء:
ما رأيكم بعمل المكيف؟ وما هي وسائط التبريد الجديدة التي يتم استخدامها في وقتنا الحالي؟
-------------------------------------------------
المصدر: هنا
مصدر الصور:
مصدر الإنفوغراف: هنا
