ثلاجة امتصاصية

الثلاجة الامتصاصية هي ثلاجة تستخدم مصدراً حرارياً لتوفير الطاقة اللازمة لعملية التبريد. ومن أمثلة مصادر الحرارة التي يمكن استخدامها: الطاقة الشمسية ، وحرق النفط، والحرارة المهدرة من المصانع، وأنظمة التدفئة المركزية .

تستخدم ثلاجة الامتصاص مادتين تبريديتين، حيث تقوم الأولى بالتبريد التبخيري قبل أن تُمتص في الثانية. ثم يلزم استخدام الحرارة لإعادة المادتين إلى حالتهما الأولية.

تُستخدم الثلاجات الامتصاصية بشكل شائع في المركبات الترفيهية ، والمقطورات ، والقوافل ، لأن الحرارة اللازمة لتشغيلها يمكن توفيرها إما عن طريق موقد غاز البروبان، أو سخان كهربائي منخفض الجهد يعمل بالتيار المستمر (من بطارية أو النظام الكهربائي للمركبة)، أو سخان كهربائي يعمل بالتيار الكهربائي الرئيسي . كما يمكن استخدام الثلاجات الامتصاصية لتكييف المباني باستخدام الحرارة المهدرة من توربينات الغاز أو سخانات المياه الموجودة في المبنى. إن استخدام الحرارة المهدرة من توربينات الغاز يجعلها عالية الكفاءة، لأنها تُنتج الكهرباء أولاً ، ثم الماء الساخن، وأخيراً، التكييف - أي أنها تُنتج الطاقة الثلاثية .

بخلاف أنظمة التبريد بضغط البخار الأكثر شيوعًا ، فإن ثلاجة الامتصاص لا تحتوي على أجزاء متحركة وتعمل بصمت تقريبًا.

في أوائل القرن العشرين، كانت دورة امتصاص البخار باستخدام أنظمة الماء والأمونيا شائعة الاستخدام، ولكن بعد تطوير دورة ضغط البخار، فقدت الكثير من أهميتها بسبب انخفاض معامل أدائها (حوالي خُمس معامل أداء دورة ضغط البخار). تُعدّ ثلاجات الامتصاص بديلاً لثلاجات الضاغط في الأماكن التي يكون فيها التيار الكهربائي غير موثوق أو مكلفًا أو غير متوفر؛ كما أن تشغيل ثلاجة الامتصاص بهدوء يُعدّ ميزةً في الأماكن التي يُشكّل فيها ضجيج الضاغط مشكلة، أو في الأماكن التي يتوفر فيها فائض من الحرارة.

في عام ١٧٤٨ في غلاسكو، ابتكر ويليام كولين أساس التبريد الحديث، مع أنه لم يُنسب إليه تطبيق عملي. للمزيد حول تاريخ التبريد، يُرجى الاطلاع على فقرة " أبحاث التبريد" في صفحة "التبريد" .

يستخدم التبريد بالامتصاص نفس مبدأ التبريد بالامتزاز ، الذي اخترعه مايكل فاراداي في عام 1821. بدلاً من استخدام مادة ماصة صلبة، يقوم الممتص في نظام الامتصاص بامتصاص بخار المبرد وتحويله إلى سائل.

اخترع العالم الفرنسي فرديناند كاريه التبريد بالامتصاص عام 1858. ^{[ 1 ]} استخدم التصميم الأصلي الماء وحمض الكبريتيك. وفي عام 1922، قام بالتزار فون بلاتن وكارل مونترز ، وهما طالبان في المعهد الملكي للتكنولوجيا في ستوكهولم ، بتطوير هذا المبدأ باستخدام نظام ثلاثي السوائل . يتميز تصميم "بلاتن-مونترز" هذا بقدرته على العمل دون الحاجة إلى مضخة.

بدأ الإنتاج التجاري في عام 1923 من قبل شركة AB Arctic التي تم تشكيلها حديثًا ، والتي اشترتها شركة Electrolux في عام 1925، واستمرت شركة Electrolux في تصنيع الثلاجات المنزلية التي تعتمد على مبدأ الامتصاص حتى تسعينيات القرن الماضي، مشيرة إلى عملها الصامت كنقطة بيع رئيسية مقارنة بثلاجات الضغط التي هيمنت على السوق، على الرغم من أن هذه الميزة قد تآكلت بسبب كفاءتها الأقل بكثير.

شهدت تقنية التبريد بالامتصاص انتعاشًا ملحوظًا في ستينيات القرن الماضي، نظرًا للطلب المتزايد على الثلاجات المخصصة للعربات المتنقلة . أسست شركة إلكترولوكس لاحقًا شركة تابعة لها في الولايات المتحدة، تحت اسم دوميتيك سيلز كوربوريشن، والتي سوّقت ثلاجات مخصصة للمركبات الترفيهية تحت العلامة التجارية دوميتيك . في عام ٢٠٠١، باعت إلكترولوكس معظم منتجاتها الترفيهية لشركة رأس المال الاستثماري EQT ، التي أنشأت دوميتيك كشركة مستقلة. واستمرت دوميتيك في بيع ثلاجات الامتصاص حتى يوليو ٢٠٢٥. ^{[ ٢ ]}

في عام 1926، اقترح ألبرت أينشتاين وطالبه السابق ليو زيلارد تصميمًا بديلًا يُعرف باسم ثلاجة أينشتاين . ^{[ 3 ]}

في مؤتمر تيد لعام 2007 ، قدّم آدم غروسر بحثه حول وحدة تبريد اللقاحات بتقنية "الامتصاص المتقطع" لاستخدامها في دول العالم الثالث. هذه الوحدة عبارة عن ثلاجة صغيرة توضع فوق نار المخيم، ويمكن استخدامها لاحقًا لتبريد 15 لترًا من الماء (3.3 جالون إمبراطوري ؛ 4.0 جالون أمريكي ) إلى ما فوق درجة التجمد بقليل لمدة 24 ساعة في بيئة درجة حرارتها 30 درجة مئوية (86 درجة فهرنهايت) . ^{[ 4 ]} كان المفهوم مشابهًا لجهاز تبريد قديم يُعرف باسم " آيسيبول" .      

تستخدم ثلاجات الامتصاص الشائعة مادة تبريد ذات نقطة غليان منخفضة جدًا (أقل من -18 درجة مئوية (0 درجة فهرنهايت) )، تمامًا مثل ثلاجات الضاغط . تستخدم ثلاجات الضاغط عادةً مركبات الهيدروكلوروفلوروكربون (HCFC) أو الهيدروفلوروكربون (HFC) ، بينما تستخدم ثلاجات الامتصاص عادةً الأمونيا أو الماء ، وتحتاج إلى سائل ثانٍ على الأقل قادر على امتصاص مادة التبريد، وهو المادة الماصة ، والتي تكون على التوالي الماء (للأمونيا) أو محلول ملحي (للماء). يستخدم كلا النوعين التبريد التبخيري : فعندما تتبخر مادة التبريد (تغلي)، فإنها تمتص معها بعض الحرارة، مما يوفر تأثير التبريد. يكمن الاختلاف الرئيسي بين النظامين في طريقة تحويل مادة التبريد من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة حتى تتكرر الدورة. تُحوّل ثلاجة الامتصاص الغاز إلى سائل باستخدام طريقة لا تحتاج إلا إلى الحرارة، ولا تحتوي على أجزاء متحركة باستثناء السوائل.  

يمكن وصف دورة التبريد بالامتصاص بثلاث مراحل:

• التبخر: يتبخر سائل التبريد في بيئة ذات ضغط جزئي منخفض ، مما يؤدي إلى سحب الحرارة من محيطه (مثل حجرة الثلاجة). وبسبب انخفاض الضغط الجزئي، تكون درجة الحرارة اللازمة للتبخر منخفضة أيضاً.
• الامتصاص: يقوم السائل الثاني، في حالة استنفاد، بامتصاص غاز التبريد، مما يوفر ضغطًا جزئيًا منخفضًا. ينتج عن ذلك سائل مشبع بغاز التبريد، والذي يتدفق بعد ذلك إلى الخطوة التالية:
• التجديد: يتم تسخين السائل المشبع بمادة التبريد، مما يؤدي إلى تبخر مادة التبريد.
  1. يحدث التبخر في الطرف السفلي لأنبوب ضيق؛ تدفع فقاعات غاز التبريد السائل المستنفد من غاز التبريد إلى حجرة أعلى، ومنها يتدفق بفعل الجاذبية إلى حجرة الامتصاص.
  2. يمر غاز التبريد الساخن عبر مبادل حراري، ناقلاً حرارته إلى خارج النظام (مثلاً إلى الهواء المحيط ذي درجة الحرارة العادية)، ويتكثف في مكان أعلى. ثم يتدفق غاز التبريد المتكثف (السائل) بفعل الجاذبية لتغذية مرحلة التبخر.

وبذلك، يوفر النظام دورانًا ميكانيكيًا للسائل دون الحاجة إلى مضخة تقليدية. وعادةً ما يُضاف سائل ثالث، غازي، لتجنب مشاكل الضغط عند حدوث التكثيف (انظر أدناه).

بالمقارنة، تعمل المضخة الحرارية التي تعمل بالضاغط عن طريق ضخ غاز التبريد من المبخر إلى المكثف. يؤدي ذلك إلى خفض الضغط ودرجة غليان الغاز في المبخر، ورفع الضغط ودرجة تكثيفه في المكثف. يتطلب تشغيل المضخة طاقة من محرك كهربائي أو محرك احتراق داخلي. يستخدم ضغط غاز التبريد هذه الطاقة لإنجاز شغل عليه، مما يزيد من درجة حرارته. ثم يدخل الغاز الدافئ ذو الضغط العالي إلى المكثف حيث يتحول إلى سائل ويطلق حرارة إلى محيطه. ينتقل سائل التبريد الدافئ من المكثف ذي الضغط العالي إلى المبخر ذي الضغط المنخفض عبر صمام التمدد، المعروف أيضًا بصمام الخنق أو صمام جول-طومسون. يعمل صمام التمدد على تبخير غاز التبريد جزئيًا، مما يؤدي إلى تبريده عن طريق التبريد التبخيري، ثم يتم تبريد البخار الناتج عن طريق التبريد التمددي. هذا مزيج من تبريد جول-طومسون والعمل الذي يقوم به الغاز المتمدد، وكلاهما على حساب الطاقة الداخلية للغاز. سيمتص سائل التبريد البارد ذو الضغط المنخفض الحرارة من محيط المبخر ويتبخر. يدخل الغاز الناتج إلى الضاغط، وتبدأ الدورة من جديد.

التبريد بالامتصاص باستخدام رذاذ الماء

يستخدم نوع آخر الهواء والماء ومحلول ملحي. يُمرر الهواء الدافئ الرطب عبر محلول ملحي مُرشوش، مما يُقلل الرطوبة دون تغيير ملحوظ في درجة الحرارة. ثم يُمرر الهواء الدافئ الأقل رطوبة عبر مُبرد تبخيري ، يتكون من رذاذ ماء عذب، يُبرد الهواء ويُعيد ترطيبه. تُزال الرطوبة من الهواء المُبرد برذاذ آخر من المحلول الملحي، ليخرج هواء بارد وجاف.

يتم تجديد المحلول الملحي بتسخينه تحت ضغط منخفض، مما يؤدي إلى تبخر الماء. ثم يُعاد تكثيف الماء المتبخر من المحلول الملحي، ويُعاد توجيهه إلى المبرد التبخيري.

التبريد بالامتصاص أحادي الضغط

تستفيد ثلاجة الامتصاص أحادية الضغط من حقيقة أن معدل تبخر السائل يعتمد على الضغط الجزئي للبخار فوقه، ويزداد بانخفاض هذا الضغط. وبينما يكون الضغط الكلي متساوياً في جميع أنحاء النظام، تحافظ الثلاجة على ضغط جزئي منخفض للمبرد (وبالتالي معدل تبخر مرتفع) في الجزء الذي يسحب الحرارة من داخل الثلاجة ذي درجة الحرارة المنخفضة، بينما تحافظ على ضغط جزئي مرتفع للمبرد (وبالتالي معدل تبخر منخفض) في الجزء الذي يطرد الحرارة إلى الهواء المحيط خارج الثلاجة.

تستخدم الثلاجة ثلاثة مواد: الأمونيا ، وغاز الهيدروجين ، والماء . الدورة مغلقة، حيث يتم تجميع الهيدروجين والماء والأمونيا وإعادة استخدامها باستمرار. يُضغط النظام لرفع درجة غليان الأمونيا إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة ملف المكثف (الملف الذي ينقل الحرارة إلى الهواء خارج الثلاجة، لكونه أكثر سخونة من الهواء الخارجي). يبلغ هذا الضغط عادةً 14-16 ضغطًا جويًا قياسيًا (1400-1600 كيلو باسكال) ، مما يجعل نقطة تكثف الأمونيا حوالي 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) .   

تبدأ دورة التبريد بدخول الأمونيا السائلة بدرجة حرارة الغرفة إلى المبخر. حجم المبخر أكبر من حجم السائل، ويشغل الحيز الزائد خليط من غاز الأمونيا والهيدروجين. يؤدي وجود الهيدروجين إلى خفض الضغط الجزئي لغاز الأمونيا، وبالتالي خفض درجة تبخر السائل إلى ما دون درجة حرارة الجزء الداخلي للثلاجة. تتبخر الأمونيا، ممتصةً كمية ضئيلة من الحرارة من السائل، مما يخفض درجة حرارته. يستمر التبخر، بينما تنتقل حرارة التبخر العالية من الجزء الداخلي الأكثر دفئًا للثلاجة إلى الأمونيا السائلة الأكثر برودة، ثم إلى المزيد من غاز الأمونيا.

في الخطوتين التاليتين، يتم فصل غاز الأمونيا عن الهيدروجين بحيث يمكن إعادة استخدامه.

1. يتدفق خليط الأمونيا (غاز) والهيدروجين (غاز) عبر أنبوب من المبخر إلى الممتص. في الممتص، يتلامس هذا الخليط من الغازات مع الماء (أو بالأحرى، محلول مخفف من الأمونيا في الماء). تذوب الأمونيا الغازية في الماء، بينما يتجمع الهيدروجين، الذي لا يذوب، في أعلى الممتص، تاركًا محلول الأمونيا والماء المركز في الأسفل. وهكذا، يصبح الهيدروجين منفصلاً بينما تذوب الأمونيا في الماء.
2. تتمثل الخطوة التالية في فصل الأمونيا عن الماء. يتدفق محلول الأمونيا والماء إلى المولد (الغلاية)، حيث يُسخّن لتبخير الأمونيا، تاركًا معظم الماء (الذي يتميز بنقطة غليان أعلى). يبقى بعض بخار الماء والفقاعات مختلطًا بالأمونيا؛ يُزال هذا الماء في خطوة الفصل النهائية، بتمريره عبر الفاصل، وهو عبارة عن سلسلة من الأنابيب الملتوية المتصاعدة ذات عوائق صغيرة لتفجير الفقاعات، مما يسمح لبخار الماء بالتكثف والعودة إلى المولد.

يدخل غاز الأمونيا النقي بعد ذلك إلى المكثف. في هذا المبادل الحراري ، ينقل غاز الأمونيا الساخن حرارته إلى الهواء الخارجي، الذي تقل درجة حرارته عن درجة غليان الأمونيا تحت الضغط الكامل، وبالتالي يتكثف. يتدفق الأمونيا المكثف (السائل) إلى أسفل ليختلط بغاز الهيدروجين المنطلق من مرحلة الامتصاص، لتتكرر الدورة.

• التبريد بالامتصاص
• كرة جليدية
• ثلاجة الامتصاص الكمي

• ليفي، أ.؛ كوسلوف، ر. (2012). "مبرد الامتصاص الكمي". مجلة Physical Review Letters، المجلد 108 ( 7 )، العدد 070604. arXiv : 1109.0728 . Bibcode : 2012PhRvL.108g0604L . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.070604 . PMID: 22401189. S2CID: 6981288 .  

• مضخات الحرارة الامتصاصية ( مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة ).
• شرح الطاقة في أريزونا مع الرسوم البيانية
• دورة الليثيوم-بروميد / الماء - التبريد بالامتصاص لتبريد الحرم الجامعي في جامعة بريغهام يونغ.
• المعهد الوطني الأمريكي للمعايير . "معيار AHRI 560-2000 لثلاجات الامتصاص" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 31 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 مارس 2012 .