الديناميكا الحرارية في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)


Dec 12, 2023

تصف الديناميكا الحرارية عمل الحرارة وأنواع الطاقة الأخرى والعلاقة بينهما. إنه موضوع يبدو شاقًا بعض الشيء للوهلة الأولى. ومع ذلك، إذا فهمت نظرية الديناميكا الحرارية في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، فستتمكن على الفور من فهم كيفية عمل الأنظمة ولماذا، وكيف يتم تطبيقها بشكل أفضل.

6 أساسيات نقل الحرارة

لفهم مبادئ الديناميكا الحرارية يجب علينا أولاً فهم ستة مفاهيم حول الحرارة وانتقال الحرارة.

1) البرودة تعني غياب الحرارة. لجعل شيء باردًا، عليك إزالة الحرارة منه.

2) الحرارة ودرجة الحرارة شيئان مختلفان:

  • الحرارة هي تدفق الطاقة من جسم أو نظام أو مكان إلى آخر.
  • درجة الحرارة تقيس الطاقة الحركية الداخلية للجسم.

3) تنتقل الحرارة بشكل طبيعي من المنطقة الساخنة إلى المنطقة الباردة.

4) تتحرك الحرارة بثلاث طرق.

  • التوصيل هو نقل الحرارة من جسم إلى آخر عن طريق الاتصال المباشر.
  • الحمل الحراري هو انتقال الحرارة من جسم ما إلى البيئة، من خلال غاز أو سائل، من درجة حرارة عالية إلى درجة حرارة منخفضة.
  • الإشعاع هو نقل الحرارة عن طريق الإشعاع الكهرومغناطيسي.

5) تغيير الطور هو عندما يتغير شيء من حالة إلى أخرى على سبيل المثال. يذوب الجليد (الصلب) في الماء (السائل) والذي يمكن أن يتبخر إلى بخار (غاز).

6) كلما زاد الفرق في درجة الحرارة بين وسطين، كلما كان معدل انتقال الحرارة أسرع.

قوانين الديناميكا الحرارية

والخبر السار هو أنك لا تحتاج إلى شهادة علمية لفهم كيفية عمل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). هناك أربعة قوانين للديناميكا الحرارية في المجموع؛ القوانين الصفرية والأولى والثانية والثالثة. كان القانون الصفري هو القانون الأخير الذي تم اكتشافه، لكنه يدعم القوانين الثلاثة الأخرى، ومن هنا اسمه وترتيب أسبقيته.

في حين أن القانونين صفر والأول من السهل فهمهما، فإن القانونين الثاني والثالث يتعلقان بشيء يسمى الإنتروبيا، وهو مقياس اضطراب النظام. في حين أن كل هذا يبدو معقدًا حقًا، إلا أن الإنتروبيا هي مقياس لمدى انتشار الطاقة. تكون الطاقة مفيدة عندما تتركز معًا، ولكن عندما يتم صرفها وانتشارها، فهي غير مفيدة مثلاً. إذا قمنا بحرق جذع شجرة، فإن الطاقة المركزة داخل الجذع تنطلق إلى الهواء المحيط. تلك الطاقة لا تزال موجودة (في الغلاف الجوي) لكنها الآن بلا فائدة.
 

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

مضمونه: ينص القانون الصفري على أنه إذا كان هناك نظامان ديناميكيان حراريان في حالة توازن حراري مع نظام ثالث، فإنهما يكونان في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض.

ماذا يعني: إذا كان هناك جسمان لهما نفس درجة الحرارة فلن يتبادلا الحرارة.

مثال: الطعام والشراب في الثلاجة سيكون بنفس درجة حرارة الهواء في الثلاجة. جميعها في حالة توازن حراري ولا يوجد انتقال للحرارة بين المواد.
 

القانون الأول للديناميكا الحرارية

مضمونه: ينص القانون الأول على أن الطاقة لا تفنى ولا تفنى.

ماذا يعني: المعروف أيضًا باسم قانون الحفاظ على الطاقة، وهو يوضح أن الطاقة لا يمكن نقلها أو تغييرها إلا من شكل إلى آخر.

مثال: يقوم الفرن الكهربائي بتحويل الكهرباء إلى طاقة حرارية. ستتحول 100 وحدة من الطاقة الكهربائية إلى 100 وحدة من الطاقة الحرارية لطهي طعامك.
 

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

مضمونه: ينص القانون الثاني على أن إنتروبيا أي نظام معزول ستزداد دائمًا بمرور الوقت.

ماذا تعني: الطاقة تنتشر دائمًا. ستنتقل الحرارة دائمًا من المنطقة الأكثر دفئًا إلى المنطقة الأكثر برودة، لكنها لن تتدفق تلقائيًا من البارد إلى الساخن.

مثال: في اللحظة التي تقوم فيها بإخراج وجبة مطبوخة طازجة من الفرن، ستفقد الحرارة. تنتقل الحرارة من الطعام الساخن إلى طبق التبريد، والهواء البارد المحيط به.
 

القانون الثالث للديناميكا الحرارية

مضمونه: عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق*، تقترب إنتروبيا النظام من الحد الأدنى الثابت.

ماذا يعني: عندما تصل إلى الصفر المطلق، لا تبقى طاقة حرارية. لا يمكن للحرارة أن تنتقل إلى مادة أخرى، كما أنه لا توجد طاقة تنتشر. وبالتالي تصل الإنتروبيا إلى نقطة الصفر أيضًا.

مثال: تتحرك الجزيئات الموجودة في البخار بسرعة ولها إنتروبيا عالية. إذا تم تبريد البخار إلى أقل من 100 درجة مئوية فإنه سيخضع لمرحلة تغيير من الغاز إلى الماء السائل. يحتوي الماء على حركة أقل للجزيئات مقارنة بالبخار و إنتروبيا أقل. قم بتبريد الماء إلى درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية ويخضع لمرحلة أخرى من التحول من الجليد السائل إلى الجليد الصلب. تنخفض حركة الجزيئات بشكل أكبر، وكذلك الإنتروبيا. إذا تم تبريد هذا الجليد إلى الصفر المطلق، فإن الإنتروبيا ستصبح صفرًا أيضًا.

*0 درجة كلفن، -273.15 درجة مئوية أو -459.67 درجة فهرنهايت.
 

لقد تعلمنا أن:

  1. يمكن تحويل أنواع مختلفة من الطاقة إلى بعضها البعض.
  2. تنتقل الحرارة بشكل طبيعي من منطقة ساخنة إلى منطقة أكثر برودة، ولكن إذا كانت درجة حرارة الأجسام متساوية، فلن تنتقل أي حرارة.
  3. تتأثر كمية الطاقة المفيدة التي تفقدها المادة بدرجة الحرارة.

وباستخدام هذه المبادئ في الدورة الديناميكية الحرارية، يمكن التحكم في حركة الحرارة واستخدامها لصالحنا.

المبردات والدورة الديناميكية الحرارية

المبرد مادة مفيدة للغاية. له نقطة غليان منخفضة ويمكن التلاعب به بسهولة لامتصاص الحرارة وإطلاقها. عند زيادة الضغط على مادة التبريد، ستزداد أيضًا درجة حرارتها ونشاطها الحركي الداخلي. عند تقليل الضغط على مادة التبريد، تنخفض درجة حرارتها وطاقة حركتها الداخلية.

في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، سوف يدور سائل التبريد من خلال المكونات التي لا تغير ضغطه ودرجة حرارته فحسب، بل أيضًا حالته الفيزيائية. سيتغير سائل التبريد من السائل إلى الغاز والعكس، حيث يمتص الحرارة ويطلقها أثناء ذلك.

الديناميكا الحرارية في المبردات وأنظمة المضخات الحرارية

الدورة الديناميكية الحرارية لأنظمة التبريد والمضخات الحرارية هي نفسها تمامًا. يمكن استخدام الدورة للتدفئة أو التبريد باستخدام دورة ضغط البخار. في نظام بسيط، يتكون هذا من أربعة مكونات أساسية:

الضاغط: الضاغط هو قلب النظام ويحرك عملية التبريد بأكملها. يدخل غاز التبريد منخفض الضغط (بخار مشبع) إلى الضاغط ويتم ضغطه إلى غاز ساخن عالي الضغط (بخار شديد السخونة). ثم يتدفق غاز التبريد الساخن نحو العنصر التالي في النظام، وهو المكثف.

المكثف: المكثف عبارة عن مبادل حراري يعمل أيضًا على تغيير حالة مادة التبريد من الغاز إلى السائل. في المكثف، يتم تكثيف البخار المسخن إلى سائل عالي الضغط (سائل مشبع)، عندما يتبادل الحرارة غير المرغوب فيها عبر الماء أو الهواء. يؤدي تغيير الحالة هذا إلى إطلاق حرارة كامنة، وتبريد مادة التبريد.

💡 جيد ان تعلم

في عملية التبريد في نظام التبريد، يعمل المكثف كمبادل حراري لإطلاق الحرارة غير المرغوب فيها إلى الغلاف الجوي عن طريق الهواء أو الماء.
في عملية التسخين في نظام المضخة الحرارية، يتم تبادل هذه الحرارة للاستخدام داخل دوائر التدفئة والماء الساخن للمبنى.


صمام التمدد: يمر سائل التبريد عالي الضغط عبر صمام التمدد. وهذا يقلل الضغط، مما يقلل درجة الحرارة، مما يؤدي إلى سائل تبريد بارد منخفض الضغط.

المبخر: يدخل سائل التبريد ذو الضغط المنخفض إلى المبخر. مثل المكثف، المبخر هو أيضًا مبادل حراري يؤدي إلى تغيير حالة مادة التبريد. يمتص المبرد الحرارة من الهواء أو الماء، مما يؤدي إلى غليانه وتبخره إلى غاز منخفض الضغط (بخار مشبع). يمتص هذا التغير في الحالة الحرارة، مما يترك الهواء أو الماء باردًا.

ينتقل الغاز ذو الضغط المنخفض من المبخر إلى الضاغط وتبدأ الدورة مرة أخرى.

💡 جيد ان تعلم

في عملية التبريد في نظام التبريد، يتم تبادل الحرارة بين مادة التبريد الموجودة في المبخر ودوائر التبريد (حلقة الماء المبرد).br /> في عملية التسخين في نظام المضخة الحرارية، يتم تبادل الحرارة بين مادة التبريد والهواء المحيط أو الماء.


نأمل أن يكون لديك الآن فهم أفضل للديناميكا الحرارية للمضخات الحرارية وأنظمة التبريد. ولكن قبل أن تذهب، هناك شيء آخر يجب أن تعرفه، وهو كيفية اختيار أفضل منتج للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) يناسب متطلباتك.

فوائد الشهادة

هل تعلم أن الشهادة تمكنك من مقارنة المنتجات بموضوعية لاتخاذ قرار مستنير؟ تشمل فوائد اختيار منتج معتمد ما يلي:

  • يتم تقييم أداء المنتج وفق نفس المعايير، ويتم التعبير عن النتائج بنفس وحدة القياس، بغض النظر عن البلد الذي يتم فيه تصنيع المنتجات أو تسويقها
  • يتم التحقق من أداء المنتج المعتمد من قبل هيئة معتمدة محايدة ومستقلة ومختصة
  • تتوافق المنتجات المعتمدة مع المعايير
  • المنتج الذي تم اعتماد أدائه سيعمل وفقًا للمواصفات التي حددتها الشركة المصنعة.

إذا كنت ترغب في عرض ومقارنة المنتجات المعتمدة مثل المبردات والمضخات الحرارية، تفضل بزيارة دليل منتجاتنا المعتمد