logo

logo

logo

logo

logo

البراد

براد

-

البرَّاد

محمود إبراهيم

الأساس الفيزيائي لعملية التبريد برادات غاز البروبان
دورة عمل البراد البرادات التجارية وبرادات النقل
الأجزاء الرئيسية للبراد الشاحنة البراد
الأجزاء الإضافية في البراد استخدامات البرادات والجمادات
أقسام حفظ الأغذية في البراد  
 

البرَّاد أو الثلاجة refrigeratore جهاز مصمم لحفظ الأطعمة باردة عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة (3-5 °س)، فالتبريد يحافظ على نضارة المواد الغذائية مدة طويلة بخفض درجة حرارتها إلى درجة تثبط نشاط البكتريا الموجودة فيها، فيجعلها غير قادرة على إفساد الطعام. أما المجمّدة freezer فتعد جزءاً من البراد المنزلي وتستخدم لتجميد الأطعمة بحيث يتوقـف عمل البكتريا تماماً، وبذلك يحفظ الطعام صالحاً لعدة شهور. تحفظ الأغذية المجمدة بدرجـة حرارة -18 و -23 °س، وهناك أنواع من المجمدات المنزلية المستقلة عن البراد تنخفض درجات الحرارة داخلها إلى ما يقارب -34 °س.

كان القدماء يشربون الماء البارد في أوانٍ فخارية ذات مسام، حيث يعمل النسيم في الليل على تبخير الماء المتسرب من مسامها فيتبرد الماء في الداخل. كذلك كانوا يخزنون الثلج الطبيعي في حفر أو كهوف يجلبونه من الجبال لاستعماله عند الحاجة. ولصعوبة الحصول على الثلج الطبيعي وحفظه مدة طويلة، سعى العلماء إلى ابتكار أجهزة لإنتاج الثلج صناعيّا،ً وكان من أوائلهم مايكل فاراديMichael Faraday الذي ابتكر طريقة التبريد بامتصاص الحرارة.

في عام 1834 صنع المهندس الأمريكي جاكوب بركنز Jacob Perkins أول آلة لإنتاج الثلج لحفظ اللحوم. وفي عام 1853 صنع الأمريكي ألكسندر تويننغ Alexander C. Twinning من كليفلاند (أوهايو) آلة لإنتاج الثلج بطريقة الامتصاص. وفي عام 1885 أنتجت ألمانيا أول آلة لصنع الثلج بطريقة الامتصاص التي ابتكرها فاراداي، غير أن الثلج الطبيعي ظل حتى القرن العشرين مرغوباً فيه أكثر من الثلج الصناعي. ومع تطور الكهرباء تقدمت صناعة التبريد وتكييف الهواء تقدماً عظيماً. ففي عام 1913 ابتكر فرد وولف Fred Wolf البراد المنزلي مع فراغ معزول في قسمه العلوي لتجميد الماء. وفي عام 1918 صنع وليم دورانت William Durant أول براد تجاري يستخدم ضاغطاً في أسفله، وفي عام 1922 ابتكر كل من بلتزار ڤون بلاتنBaltzar von Platen وكارل مونتيز Carl Munters من السويد البراد الامتصاصي. أما الغاز الذي كان يستخدم وسيطاً في عمليات التبريـد فهو غاز ثنائي أكسيد الكبريت sulfur dioxide أو غاز فورمات المتيل methyl formate أو الأمونيا ammonia، كما اسـتخدم أيضاً الهليوم والآزوت. وفي ثلاثينيات القرن العشرين أدخل غاز الفريون Freon-12 في صناعة البرادات، وتبع ذلك إنتاج المجمدات المستقلة بدءاً من الأربعينيات.

الأساس الفيزيائي لعملية التبريد:

تتلخص آلية الحصول على درجة حرارة قريبة من الصفر المئوية أو أقل من ذلك في سحب الطاقة الحرارية من المادة عن طريق ملامستها مادة أخرى مبردة سلفاً بدرجة حرارة منخفضة جدّاً. يستخدم لهذه الغاية غازات مميعة مثل الآزوت (النتروجين) أوالهليوم أوالفريون، حيث يقوم الغاز المميع - الذي يتبخر بدرجة حرارة منخفضة جدّاً -بامتصاص الطاقة الحرارية من المنطقة المراد تبريدها بالتبادل الحراري، وبعد أن تنتقل الحرارة إلى الغاز المميع يتبخر ويعود إلى طبيعته الغازية بعد أن يكون قد خفض درجة حرارة الجو المحيط به إلى درجة قريبة من التجمد. ولاستثمار هذه الظاهرة صناعيّاً تستخدم ضواغط تعيد تمييع الغاز المتبخر من جديد ليعاود دورة عمله في التبريد (الشكل 1).

الشكل (1) دارة التبريد في البراد. 

دورة عمل البراد

يستمر عمل البراد بالتبريد بتكرار عملية تبخر الغاز المميع في أنابيب التبريد فتمتص الحرارة من حجرة البراد ومحتوياتها؛ ليعاد تمييعه من جديد خارج البراد بوساطة ضاغط خارجي وتبديد الحرارة الناتجة من ضغطه إلى الخارج عن طريق مكثف. تستمر حركة الغاز عبر شبكة أنابيب التبريد إلى الضاغط فالمكثف فالشبكة من جديد في دورة مغلقة وعبر صمام التمدد الذي يتحكم في دخول الغاز المميع إلى البراد في عملية تبادل حراري مستمر.

الأجزاء الرئيسية للبراد

 يتكون البراد من الأجزاء الرئيسية التالية : الضاغط والمكثف والمبخر وصمام التمدد: (الشكل 2)

 
 

الشكل (2) أجزاء البراد تخطيطياً وعملياً.

1 - الضاغط: هو آلة تضغط غاز التبريد لإعادته إلى الحالة السائلة، والضواغط على أنواع يختلف بعضها عن بعض بطريقة الضغط فيوجد:

  • الضاغط المكبسي piston compressor: وقد يكون ذا مرحلة واحدة أو ذا مراحل متعددة ومتتابعة.
  • الضاغط الدوراني rotary compressor: يوجد منه نوعان:

    أ- ضاغط دوراني بشفرات منزلقة.

    ب- ضاغط دوراني بأسطوانة دوارة منزلقة.

  • الضاغط العنفي turbo compressor: يستخدم في برادات الطائرات.
  • الضاغط الحلزوني screw compressor : يستخدم للحصول على استطاعات تبريدية كبيرة.
  • ضاغط تيار مستمر مع قلاب DC compressor with inverter

    2 - المكثّف: هو مجموعة الأنابيب الموجودة خارج البراد والتي يتعرض فيها الغاز الوارد من المبخر للضغط ليتكاثف ويعاد تمييعه، حيث يفقد الغاز المميع حرارته خلال شبكة الأنابيب بالتبادل الحراري مع الوسط الخارجي. وهناك عدة أنواع من المكثفات: مكثف مائي ومكثف هوائي ومكثف تبخري.

    3 - المبخِّر: هو شبكة الأنابيب الممددة داخل البراد على شكل ملتف ومتعرج لتغطي أكبر مساحة ممكنة من حجرة التبريد لامتصاص أكبر قدر ممكن من حرارة الغاز في أثناء تبخره والمحافظة على البرودة. في هذه الأنابيب يتحول الغاز المميع إلى الحالة الغازية، ليعود منها إلى الضاغط حيث يعاد تمييعه من جديد. وتُقسم المبخرات إلى ثلاثة أنواع بحسب الوسط الذي تقوم بتبريده:

    أ- المبخرات التي تمتص الحرارة من وسيط ثانوي.

    ب- المبخرات الصفائحية.

    جـ- المبخرات الهوائية.

    4 - صمام التمدد: هو صمام يفصل بين منطقتين مختلفتين في الضغط؛ أي بين منطقة المكثف ذات الضغط المرتفع ومنطقة المبخر ذات الضغط المنخفض، كذلك يتحكم الصمام في كمية الغاز المميع الداخل إلى المبخر.

    5 - الغاز المميع: تستخدم في الثلاجات مُركّبات ذات درجات تبخر منخفضة جدّاً للوصول إلى درجة التجمد داخل البراد. يسـتخدم كثير من الشركات المصنعة للبرادات غاز الأمونيا النقي، الذي يتبخر عند درجة حرارة -32 °س، ولكن هذا الغاز خطر بسبب سميته؛ إذا ما حدث أي تسـرب للغاز من الأنابيب المغلقة التي يمر خلالها، وقد استبدل به في البرادات المنزلية غاز الكلوروفلوروكربون CFC) chlorofluorocarbon) الذي جرى تطويره عام 1930، وهو غاز غير سام، وله درجة حرارة غليان الأمونيا المميع. وفي الفترة الزمنية نفسها استخدم أيضاً غاز الفريون -12 وهو ثاني فلوروميتان، وهو عديم اللون والرائحة، ولا يتسبب بحدوث صدأ لمعظم المعادن، ولا يشتعل ولا يسبب أي انفجار .

    وقد تبين منذ سبعينيات القرن العشرين أن الغاز CFC وغاز الفريون -12 خطران على طبقة الأوزون، واستخدمت عوضاً عنهما بدائل مختلفة غير ضارة بالإنسان أو بطبقة الأوزون في كل البرادات المنزلية بدءاً من 1990 مثل غاز الفريون R134a- بديلاً من الفريون -21R.

    الأجزاء الإضافية في البراد

    هناك عناصر أخرى لها دور في دورة عمل البراد، وهي ضرورية لسلامة عمل الأجزاء الرئيسية أو لتمكينها من أداء عملها، ولا يستغنى عنها في أي وحدة تبريد، سواء كانت تجارية أم صناعية أم منزلية، وهي:

  • مذيب الجليد:

    تزود البرادات الحديثة بجهاز لإذابة الجليد الذي يتراكم داخل المجمدة نتيجة تجمد بخار الماء في غرفة التبريد، وكانت هذه المشكلة كبيرة في البرادات القديمة، حيث يجب إيقاف عمل البراد وإذابة الجليد المتراكم فيه ثم إعادة تشغيله؛ لأن تراكم الجليد داخل البراد يعمل كعازل يعوق عملية التبادل الحراري بين أنابيب المبخر وحجرة التبريد، ولهذه الغاية تزود البرادات الحديثة بجهاز يعمل على إذابة الجليد أتماتيّاً. يشتمل هذا الجهاز على ثلاثة أجزاء هي: ساعة توقيت وسخان ومقياس حرارة. تقوم ساعة التوقيت في فترة زمنية معينة (كل ست ساعات أو أكثر) بتشغيل السخان، وهو مؤلف من وشيعة حرارية تحيط بأنابيب التبريد الداخلية (أنابيب المبخر) لإذابة الجليد المتراكم عليها. يعمل مقياس الحرارة على إيقاف عمل السخان عندما تصل درجة الحرارة إلى الدرجة صفر مئوية.

  • المجمِّع: هو جهاز أمان يعمل على منع الغاز المميع من المرور إلى خط السحب ومنه إلى الضاغط، ويستخدم في وحدات التبريد التي تعمل بالأنابيب الشعرية.
  • فاصل الزيت: يكون في وحدات التبريد التي تعمل في درجات الحرارة المنخفضة جدّاً في مجمدات التبريد العميق. يوجد فاصل الزيت بين خط الطرد بين الضاغط والمكثف، والغرض الأساسي من فاصل الزيت هو تخليص بخار الغاز الساخن ذي الضغط المرتفع من الزيت الزائد المتسرب من الضاغط وغير المرغوب فيه في أجزاء دارة التبريد الأخرى مثل المكثف والمبخر، حيث يُفصل الزيت ويعاد إلى حوض المجمع المرفق بالضاغط عن طريق أنبوب خاص.
  • هناك أيضاً عناصر أخرى إضافية هي: المبادل الحراري، المجفف، خزان المائع، ميزان الحرارة وهو جزء من الدارة الكهربائية للبراد؛ ويقوم بضبط درجة الحرارة والتشغيل أو الإيقاف.

    أقسام حفظ الأغذية في البراد

    هناك برادات مقسمة إلى أربعة مقاطع تبريد مختلفة درجة الحرارة لتناسب نوع الأغذية المراد حفظها، وهي كما يلي:

    أ- منطقة التجميد ودرجة حرارتها -18 °س.

    ب- منطقة حفظ اللحوم ودرجة حرارتها 0 °س.

    ج- منطقة التبريد ودرجة حرارتها 5 °س.

    د- منطقة حفظ الخضراوات ودرجة حرارتها 15 °س.

    برادات غاز البروبان:

    يُستخدم هذا النوع من البرادات في الأماكن التي لا تتوفر فيها الكهرباء، وهي تعمل على غاز البروبان، ولا تحتوي على أجزاء متحركة. يُستخدم غاز البروبان مصدراً للطاقة الحرارية لإنتاج البرودة المطلوبة، ويستخدم غاز الأمونيا مادة مبردة كما يستخدم الماء في دارة التبريد، تتكون برادات البروبان من خمسة أجزاء رئيسية (الشكل 3):

    الشكل (3) دارة براد غاز البروبان

    - المولد: لتوليد غاز الأمونيا.

    - الفاصل: لفصل الماء عن غاز الأمونيا.

    - المبخر: لامتصاص الحرارة من داخل البراد وتحويل الأمونيا المائع إلى غاز من جديد.

    - المكثِّف

    - الماص

    تعمل دورة براد البروبان على النحو الآتي:

    1 - تولّد الحرارة داخل المولد من احتراق غاز البروبان.

    2 - ترتفع درجة حرارة مزيج الماء والأمونيا داخل المولد بسبب احتراق البروبان وتصل درجة الحرارة إلى درجة غليان الأمونيا.

    3 - يفصل الأمونيا عن الماء بتمرير المحلول على الفاصل.

    4 - يتدفق الأمونيا المفصول إلى المكثف المكون من ألواح رقيقة من المعدن حيث يفقد حرارته بالتكثيف ويتحول إلى سائل.

    5 - عند وصول سائل الأمونيا إلى المبخر- وهو الجزء الموجود داخل البراد- يختلط بغاز الهدروجين ويتبخر مؤدياً إلى خفض درجة الحرارة داخل البراد.

    6 - يتدفق في هذه المرحلة الأمونيا والهدروجين إلى الماص absorber حيث يختلط الماء والأمونيا والهدروجين.

    7 - يكوِّن الأمونيا مع الماء محلولاً، ويتحرر الهدروجين ويعود إلى المبخر، في حين يتدفق مزيج الماء والأمونيا إلى المولد مرة أخرى، ليكرر الدورة نفسها من جديد.

    البرادات التجارية وبرادات النقل

    وضعت البرادات التجارية ووحدات التجميد في الخدمة منذ أكثر من 40 عاماً، وكانت تستخدم غاز الأمونيا الجاف R717) anhydrous ammonia) أو ثاني أكسيد الكبريت R-764) sulfur dioxide) الذي قد يتسرب؛ مما يجعله غير آمن للأعمال المنزلية ولأغراض الصناعة.

    وقد استبدل حديثاً بالغاز المستخدم في منظومات التبريد القديمة نوع جديد من غاز الفريون المحسن طراز R134a.

    تُصنع وحدات التبريد للأغراض التجارية والصناعية بأشكال وأحجام مختلفة ومتعددة لتلبية حاجة الاستخدامات المختلفة المطلوبة منها وغير المتماثلة مع برادات المطابخ المنزلية. ومن هذه الاستخدامات برادات خاصة بالمطاعم ومطاعم القطارات وبرادات المتاجر. والبرادات التجارية بوجه عام أكبر بكثير من البرادات المنزلية ولها قدرة تبريد أكبر بكثير من البرادات المنزلية.أما وسيط التبريد في البرادات التجارية فهوغاز الفريون R404a غير الضار بطبقة الأوزون، ودرجة رطوبته أقل من 0.001 % فلا يتسبب بصدأ المعادن. وهو يستخدم في البرادات داخل الأسواق المركزية ومخازن التبريد ومكنات صناعة الثلج (الشكل 4).

     

    الشكل (4) براد الأسواق المركزية.

    الشاحنة البراد:

    هي شاحنة مصممة خصوصاً لنقل البضائع المعرضة للتلف بسبب الحرارة، ولها أنواع؛ فمنها ماهو معزول ومهوى ومبرد لنقل الخضار والفواكه؛ وثمة أنواع أخرى مجهزة بتجهيزات ذات منظومات تبريد ميكانيكية تعمل بطاقة محرك الشاحنة وتصل درجة حرارة التبريد فيها إلى درجة التجمد. يستخدم في هذه الأنواع غاز ثنائي أكسيد الكربون أوغاز الفريون R404a لتبريد أغلب البضائع التي تنقل إلى مسافات طويلة بشاحنات مبردة مقطورة برأس قطر، تعمل هذه التجهيزات على الكهرباء التي يولدها محرك الديزل الخاص برأس القطر مع وجود خلايا مساعدة خاصة بالقدرة الكهربائية اللازمة لعملية التبريد (الشكل 5).

     

    الشكل (5) شاحنة براد.

    استخدامات البرادات والجمادات

    تستخدم البرادات والجمادات في مجالات كثيرة ومتعددة منها:

  • حفظ المواد الغذائية وإنتاج مكعبات الجليد.
  • حفظ المواد الغذائية في المتاجر وفي المستودعات التابعة لها.
  • نقل الخضار والفواكه واللحوم والألبان.
  • تخزين الخضار والفواكه واللحوم والألبان.
  • حفظ الأمصال واللقاحات وبلاسما الدم.
  • صناعة البنسلين وأنواع أخرى من الأدوية.
  • تصنيع الثلج على شكل شرائح ومكعبات وألواح.
  • توفير ماء الشرب المبرد عن طريق برادات خاصة في أماكن العمل والمعامل والمنازل والأماكن العامة أيضاً.
  • تصنيع المثلجات والمنتجات المثلجة الأخرى.
  • صناعة المطاط وزيوت التزليق وغيرها.
  • صنع الجليد اللازم لحلبات التزلج على الجليد.

    مراجع للاستزادة:

    - Andrew D. Althouse, Carl H., Turnquist, Alfred F. Bracciano,

    Modern Refrigerator and Air Conditioning, Goodheart-Wilcox Publishing, 2003.

    - Richard Myers, The Basics of Chemistry, Green wood, 2003.


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الرابع
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1082
الكل : 45375474
اليوم : 64246