در سال ۱۸۰۶، تجارت یخ آغاز شد. تجارت یخ در شمال امریکا یک کسب و کار پر رونق تلقی می شد. یخ در محفظه­ی قطارهای عایق شده توسط عایق های چوب پنبه به قطر۳۰ سانتی­متر به ایالت های جنوبی امریکا منتقل می­شد. معاملات یخ در چند کشور دیگر از جمله بریتانیا، روسیه، کانادا، نروژ و فرانسه نیز محبوب بود. در این کشورها یخ یا از مناطق سردتر منتقل می شد و یا در فصل زمستان برداشت و در خانه های یخ ذخیره شده تا در تابستان استفاده شود. تجارت یخ در سال ۱۸۷۲ به اوج خود رسید هنگامی که امریکا به تنهایی ۲۲۵٫۰۰۰ تن یخ به کشورهای مختلف از جمله چین و استرالیا صادر می کرد. با این حال، با ظهور تبرید مصنوعی تجارت یخ به تدریج کاهش یافت.
۱-۱-۱ تبرید مصنوعی
تاریخ تبرید مصنوعی در سال ۱۷۵۵ آغاز شد، اساس سیستم تبرید مدرن، توانایی مایعات برای جذب مقدار زیادی حرارت (گرمای نهان) به عنوان جوش و تبخیر می باشد. ویلیام کولن (William Cullen) از دانشگاه ادینبورگ این روش را در سال ۱۷۵۵ با قرار دادن آب در تماس حرارتی با اتر تحت یک گیرنده از یک پمپ خلاء نشان داد. میزان تبخیر اتر با توجه به پمپ خلاء افزایش یافته و آب می تواند منجمد شود. این فرایند شامل دو مفهوم ترمودینامیکی، فشار بخار و گرمای نهان است. مایع در تعادل گرمایی با بخار خود، در فشاری به نام فشار اشباع، که بستگی به درجه حرارت دارد، قرار دارد. به عنوان مثال اگر فشار آب روی اجاق گاز افزایش بیابد، آب نیز در دمای بالاتری به جوش می ­آید. مفهوم دوم این است که تبخیر مایع نیاز به گرمای نهان بالایی در طول تبخیر دارد. اگر گرمای نهان از مایع گرفته شود، مایع سرد می شود. تا زمانی که پمپ خلاء فشار را در فشار اشباع حفظ کند درجه حرارت اتر مورد نظر ثابت باقی خواهد ماند. این امر مستلزم حذف تمام بخارات تشکیل شده به علت تبخیر می­باشد. وقتی درجه حرارت پایین مورد نظر باشد، باید فشار اشباع پایین تر بیاید که توسط پمپ خلاء انجام می شود. جزئی از سیستم تبرید مدرن که امروزه در آن خنک کنندگی انجام می شود با این روش تولید شده است که اواپراتور (Evaporator) نام دارد. در این فرایند خنک سازی بخارات باید به صورت سیکل بسته به حالت مایع بازیافت شود تا به طور مداوم چرخه انجام شود. فرایند تراکم نیاز به دفع گرما به محیط اطراف دارد، این امر را می توان در درجه حرارت محیط با افزایش فشار تراکم انجام داد. فرایند تراکم در نیمه دوم قرن هجدهم کشف شد. یو. اف. کلوت و جی. مونگ اسید سولفوریک مایع (So2) را در سال ۱۷۸۰ کشف نمودند در حالی که ون ماروم و ون تروستویک آمونیاک مایع را در سال ۱۷۸۷ کشف کردند. نکته مهم این است که، بخارهای تبخیر شده می تواند در درجه حرارت بیشتر از محیط اطراف متراکم شود. در نتیجه کمپرسور نیاز دارد در فشار بالا بماند. اولیور ایوانز یک سیکل تبرید بسته برای تولید یخ بوسیله اتر تحت مکش توصیف کرد. شکل (۱-۱) سیکل تبرید بسته برای تولید یخ به وسیله اتر تحت مکش را نشان می دهد[۱].

شکل (۱- ۱) سیکل تبرید بسته برای تولید یخ به وسیله اتر تحت مکش
در شکل بالا سیال سرد کننده (اتر و یا مایع فرار دیگر) در اواپراتور (B) گرما را از آب اطرافش در ظرف (A) گرفته، پمپ © بخار دور تساوی و آن را فشرده به فشار بالاتر که در آن می توانید به مایعات در لوله های متراکم D، دادن حرارت به آب در رگ مایع E. چگال جریان از طریق وزن لود H شیر، که حفظ اختلاف فشار بین کندانسور و اواپراتور. پمپ کوچک در بالای H برای شارژ دستگاه با مبرد استفاده.
الکساندر توینگ (Alexander Twining) در سال ۱۸۵۰ اختراعی را ثبت کرد که برای سیستم فشرده سازی بخار از اتر و آمونیاک (NH3) و دی اکسید کربن (CO2) استفاده می کند. جیمز هریسون در سال ۱۸۵۶ مسئول ساخت یک سیستم تبرید تراکم بخار عملی بود. وی سیستم فشرده سازی بخار با بهره گرفتن از اتر، الکل و آمونیاک را در آن زمان ساخت. چارلز تیلیر از فرانسه در سال ۱۸۶۴، یک سیستم تبرید با بهره گرفتن از دی متیل اتر ساخت که نقطه جوش نرمال آن ۲۳٫۶- درجه سانتیگراد بود[۲]. دیوید بویل (David Boyle)، اولین سیستم آمونیاک را در سال ۱۸۷۱ در سان فرانسیسکو ساخت. همچنین جان انریت یک سیستم مشابه در سال ۱۸۷۶ در بوفالو نیویورک ساخت. فرانتس ویلهانسون در آلمان در سال ۱۸۸۶ با دی اکسید کربن (CO2) و بر اساس سیستم فشرده سازی بخار سیستم تبریدی ایجاد کرد. کمپرسور دی اکسید کربن نیاز به فشار حدود ۸۰ اتمسفر داشت و در نتیجه ساخت و ساز آن بسیار سنگین بود. لینده در سال ۱۸۸۲ و لاو در سال ۱۸۸۷ تلاش کردند تا سیستم های مشابهی در ایالات متحده آمریکا بسازند. سیستم دی اکسید کربن یک سیستم بسیار امن است و تا سال ۱۹۶۰ در کشتی ها برای تبرید مورد استفاده قرار می گرفت. رائول پیکتت با بهره گرفتن از مبرد گوگرد دی اکسید (SO2) در همان زمان این سیکل را درست کرد اما فشار آن به اندازه ای بود که هوا به درون آن نشت می کرد. پالمر در سال ۱۸۹۰ از اتیل کلرید (C2H5Cl) در کمپرسور های دوار استفاده کرد. او برای کاهش اشتعال پذیری اتیل کلرید ، آن را با برومو اتان (C2H5Br) مخلوط کرد. ادموند کپلند و هری ادواردز در سال ۱۹۲۰ از ایزو بوتان در یخچال فریزرهای کوچک استفاده کرد. آنها در سال ۱۹۳۰ مبرد را با مبرد متیل کلرید (CH3Cl) جایگزین کردند[۳].
یخچال فریزر خانگی با بهره گرفتن از یخ طبیعی (جعبه یخ خانگی) در سال ۱۸۰۳ اختراع شد و برای تقریبا ۱۵۰ سال بدون تغییر زیادی مورد استفاده قرار گرفت. تلاش ها، به منظور توسعه یخچال و فریزر خانگی با بهره گرفتن از سیستم های مکانیکی از سال ۱۸۸۷ شروع شد. یخچال و فریزر مکانیکی خانگی اولیه پر هزینه بودند، و نیز به صورت خودکار نبودند و خیلی قابل اعتماد نبودند. با این حال، توسعه یخچال فریزر مکانیکی خانگی در مقیاس بزرگ بود ولی توسعه کمپرسورهای کم بود. شرکت جنرال الکتریک برای اولین بار یخچال و فریزر های خانگی را در سال ۱۹۱۱ معرفی کرد، یخچال های مکانیکی خانگی در سال ۱۹۱۸ در ایالات متحده آمریکا به طور گسترده راه اندازی شد. در سال ۱۹۲۵ ، ایالات متحده آمریکا حدود ۲۵ میلیون یخچال و فریزر های خانگی تولید کرد که تنها ۷۵۰۰۰ عدد از آنها مکانیکی بودند. در یخچال و فریزرهای اولیه به طور عمده از دی اکسید گوگرد به عنوان مبرد استفاده می شد. ولی با این حال در بعضی ها نیز از کلرید متیل و کلرید متیلن استفاده می شد. در سال ۱۹۳۰ این مبرد توسط فریون۱۲ (R-12) جایگزین شد،. در ابتدا، کمپرسور این یخچال ها از نوع کمپرسور باز بود که به تسمه مجهز بودند. شرکت جنرال الکتریک در سال ۱۹۲۶ برای اولین بار از یخچال و فریزری با یک کمپرسور بسته و غیر قابل نفوذ (هرمتیک) رونمایی کرد. خیلی زود کمپرسور باز به طور کامل توسط کمپرسور های غیر قابل نفوذ جایگزین شد. ابتدا کندانسور یخچال و فریزرها از آب سرد استفاده می کردند، اما خیلی زود با کندانسورهایی که با هوا، سرد می شود جایگزین شدند.
یخچال فریزر های خانگی بر اساس اصل جذب برای اولین بار توسط شرکت الکترولوکس در سال ۱۹۳۱ در سوئد، ساخته شده است. در ژاپن یخچال های مکانیکی برای اولین بار در سال ۱۹۲۴ ساخته شد. اولین بار یخچال و فریزر های خانگی جداگانه در سال ۱۹۳۹ معرفی شدند. استفاده از یخچال و فریزر مکانیکی پس از جنگ جهانی دوم به سرعت در سراسر جهان گسترش یافت. در حال حاضر در یخچال و فریزر مدرن از مبرد HFC ، R-134A ( تترا فلورو کربن ) و یا ایزو بوتان استفاده می شود. ولی تعداد کمی از یخچال و فریزر خانگی هنوز از همان مبرد های قدیمی مخرب لایه اوزن استفاده می کنند.
ایستمن کداک (Eastman Kodak) اولین سیستم تهویه مطبوع را در سال ۱۸۹۱ در نیویورک برای ذخیره سازی فیلم عکاسی استفاده کرد. سیستم تهویه مطبوع در یک ماشین چاپ در سال ۱۹۰۲ و در یک تلفن در هامبورگ در سال ۱۹۰۴ استفاده شد. این سیستم در کارخانجات تنباکو و کارخانجات نساجی در حدود سال ۱۹۰۰ استفاده شد. اولین سیستم تهویه مطبوع در یک خانه در فرانکفورت در سال ۱۸۹۴ نصب شد. یک کتابخانه خصوصی در سنت لوئیس آمریکا در سال ۱۸۹۵ نیز از تهویه مطبوع استفاده کرد.
توسعه گسترده تهویه مطبوع را به دانشمند و صنعتگر آمریکایی ویلیس کریر (Willis Carrier) نسبت می دهند. کریر کنترل رطوبت را در سال ۱۹۰۲ مورد مطالعه قرار داد و یک نیروگاه تهویه مطبوع مرکزی بوسیله تمیز کردن هوا در سال ۱۹۰۴ طراحی کرد. در حال حاضر تهویه مطبوع به طور گسترده در مناطق مسکونی، ادارات، ساختمان های تجاری، فرودگاه، بیمارستان ها، اتومبیل، هواپیما و غیره استفاده می شود. صنعت تهویه مطبوع تا حد زیادی مسئول رشد صنایع مدرن الکترونیکی، دارویی، شیمیایی و غیره است. امروزه اکثرا از سیستم های تهویه مطبوع تبرید تراکمی و یا تبرید جذبی استفاده می شود، که ظرفیت آنها از چند کیلو وات تا چند مگاوات متفاوت است.
شکل (۱-۲) اجزای اصلی یک سیستم تبرید تراکمی را نشان می دهد. همانطور که از شکل پیدا است سیستم پایه ای شامل اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط می باشد. اثر تبرید در منطقه سرد به صورت گرماگیری و تبخیر مبرد، در اواپراتور استخراج می شود. بخار مبرد از اواپراتور به کمپرسور رفته و فشار آن بالا می رود. از این رو زمانی که فشار بالا می رود، درجه حرارت مبرد بالا رفته و از طریق کندانسور دفع می شود، و تقطیر بخار به مایع صورت می گیرد. برای تکمیل این چرخه، مایع فشار بالا با عبور از شیر انبساط دچار کاهش فشار و افت دمای شدید می شود. مبرد با فشار کم و دمای کم به اواپراتور رفته و با گرفتن گرما از منطقه سرد، تبخیر می شود. باید توجه کرد که این سیستم در یک چرخه بسته است و نیاز به ورودی کار به صورت مکانیکی دارد که دوباره کمپرسور آن را تامین می کند.
شکل (۱- ۲) شماتیک پایه ای و اولیه از سیستم تبرید تراکمی
سیستم تبرید همچنین می تواند به عنوان یک پمپ گرما استفاده شود، که در خروجی آن گرما به وسیله ی کندانسور می شود. روش دیگر، سیستم تبرید می تواند برای خنک کنندگی در فصل تابستان و گرم کردن در فصل زمستان استفاده می شود. این سیستم ساخته شده است و در حال حاضر در دسترس می باشد[۴].
شکل (۱-۳) اجزای اساسی سیستم تبرید جذبی را نشان می دهد. در سال ۱۹۲۲، بالزار فون و کارل مونترز سیستم سه سیالی اختراع کردند که نیاز به پمپ ندارد. گرمای بر مبنای پمپ حبابی برای به گردش در آوردن محلول های ضعیف و قوی مورد استفاده قرار می­گرفت، و هیدروژن به عنوان گاز غیر قابل میعان به منظور کاهش فشار جزئی آمونیاک در اواپراتور استفاده شد.
سیستم های تبرید با گیره - مونترز هنوز به طور گسترده ای در برنامه های کاربردی خاص مانند اتاق های هتل استفاده می شود. شکل (۱-۴) طرح کلی از سیستم تبرید جذب بخار مایع سه گانه را نشان می دهد[۵] .
شکل (۱- ۳) اجزای ضروری سیستم تبرید جذبی
شکل (۱- ۴)اجزای ضروری سیستم تبرید جذبی
تلاش هایی برای اجرای سیستم جذب بخار توسط انرژی خورشیدی با بهره گرفتن از صفحه تخت خورشیدی شده است. چندین سیستم های تبرید جذب انرژی خورشیدی کوچک در حدود سال ۱۹۵۰ در چندین کشور ساخته شده است. سیستم تبرید خورشیدی در تاشکند، اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۵۳ نصب شد که می توانست ۲۵۰ کیلوگرم یخ در هر روز تولید کند. در این سیستم از یک آینه سهموی به مساحت ۱۰ متر مربع برای تمرکز تابش خورشیدی استفاده می شود.
توجه جدی به سیستم های تبرید خورشیدی از سال ۱۹۶۵، با توجه به کمبود منابع انرژی سوخت های فسیلی زیاد شده است. سیستم های مبتنی بر لیتیم برمید و آب برای اهداف تهویه مطبوع توسعه یافته اند. اولین سیستم تهویه مطبوع خورشیدی در یک خانه خورشیدی آزمایشی در دانشگاه کوئینزلند، استرالیا در سال ۱۹۶۶ نصب شد. بعد از آن، از سیستم انرژی خورشیدی در بسیاری از نقاط جهان از جمله هند استفاده شد. در سال ۱۹۷۶، حدود ۵۰۰ سیستم جذب انرژی خورشیدی در آمریکا وجود داشت. تقریبا تمام این سیستم به لیتیم برمید و آب استوار بود که به درجه حرارت بسیار بالا نیاز ندارند. این سیستم به طور عمده برای تهویه فضا مورد استفاده قرار گرفت. اگر چه بهره وری از این سیستم های بدلیل محدودیت فضا و همچنین کم بودن ظرفیت پنل های خورشیدی ضعیف است، ولی آنها را می توان در مناطق دور افتاده و روستایی که در آن فضای زیادی وحود دارد و محدودیت وحود برق دارند استفاده کرد. به علاوه ، این سیستم سازگار با محیط زیست است و همچنین انرژی خورشیدی پاک و تجدید پذیر است.
از سال ۱۹۵۰ در سیستم خورشیدی جذب تبرید از آمونیاک ، تیوسیانات سدیم، کربن فعال، زئولیت به عنوان جاذب و از آمونیاک، الکل و یا فلورو کربن به عنوان مبرد نیز مورد استفاده قرار گرفت. این سیستم همچنین به کمپرسور نیاز ندارند. بخار مبرد توسط جذب پتانسیل جاذب ذخیره شده دربستر جاذب هدایت می شود. و آن به اواپراتور یا کندانسور، که متشکل از مبرد خالص است متصل می شوند. در سیستم جذب متناوب، در طول شب مبرد تبخیر شده و در زغال چوب و یا زئولیت اثر خنک کننده فعال جذب می شود. در طول روز، بستر جاذب تابش خورشیدی را جذب کرده و مبرد در بستر مناسب ذخیره می شود. این بخار مبرد متراکم برای استفاده در شب در مخزن کندانسور ذخیره می شود. بنابراین، این سیستم شامل یک بستر جاذب و یک مبدل حرارتی است، که به عنوان یک کندانسور یا اواپراتور در طول شب عمل می کند. از جفت آنها می­توان برای به دست آوردن یک خنک کننده به طور مداوم استفاده شود.
اگر هوا در فشار بالا گسترش یابد دمای آن کاهش خواهد یافت. این واقعیت در اوایل قرن۱۸ شناخته شد. دالتون و گی جوساک آن را در سال ۱۸۰۷ مورد مطالعه قرار دادند. سعدی کارنو آن را به عنوان یک پدیده شناخته شده در سال ۱۸۲۴ ذکر کرد. با این حال، دکتر جان گوری یک پزشک در فلوریدا یک دستگاه توسعه یافته در سال ۱۸۴۴ برای تولید یخ برای تسکین بیماران مبتلا به تب خود ساخت. این دستگاه برای هوای فشرده تا ۲ اتمسفر استفاده می شود. فشار و آب نمک برای تولید یخ در دمای۷- درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار گرفت. الکساندر کارنگی کرک در سال ۱۸۶۲ یک دستگاه خنک کننده چرخه هوا ساخت. در این سیستم از موتور بخار برای اجرای کمپرسور آن استفاده می شود. با بهره گرفتن از افزایش نسبت تراکم از ۶ تا ۸ ، آقای کرک توانست درجه حرارت را به میزان کمی کاهش دهد. پل گیفورد در سال ۱۸۷۵ به نوع کامل باز ماشین آلات دست یافت. و بیشتر توسط تی بی، پلیسی، ای، هاسلم، هنری بل و جیمز کلمن بهبود یافته است. فرانک آلن (Frank Allen) در نیویورک یک ماشین توسعه یافته چرخه بسته با بهره گرفتن از فشار بالا به منظور کاهش میزان حجم جریان ساخت. این دستگاه “ماشین تراکم هوا” نامگذاری شد. امروزه چرخه تبرید هوا تنها در هواپیمایی که کمپرسور توربو می تواند نرخ حجم جریان زیادی تحمل کنند استفاده می شود. شکل (۱-۵) طرح کلی یک سیستم تبرید چرخه هوا نوع باز را نشان می دهد. سیستم اولیه ای که در اینجا نشان داده شده است شامل یک کمپرسور، منبسط کننده و مبدل های حرارتی می باشد. هوای اتاق سرد از فشرده سازی کمپرسور بوجود می آید. گرما و فشار بالای هوا، گرما را به آب سرد در مبدل حرارتی رد می کند. اما گرما از هوای فشار بالا به منبسط کننده گسترش می یابد. هوای سرد پس از انبساط به اتاق برای تامین سرما ارسال می شود. گسترش این کار تا حدودی کار فشرده سازی را جبران می کند. از این رو منبسط کننده و کمپرسور در یک محور مشترک نصب شده ­اند[۶].
شکل (۱- ۵) شماتیک اولیه ای از نوع باز سیستم تبرید چرخه هوا
اگر آب را به یک اتاق که در فشار کم نگهداری می شود، اسپری کنیم، بخشی از آب بخار می شود. به دلیل آنتالپی تبخیر، آب باقی مانده در محفظه در دمای و فشار اشباع خنک خواهد شد. بدیهی است که درجه حرارت پایین تر فشار کمتری مورد نیاز است. انجماد آب در ۰ درجه سانتیگراد است از این رو درجه حرارت پایین تر از ۴ درجه سانتیگراد را نمی توان با آب به دست آورد. در این سیستم، برای کشیدن بخار تبخیر شده، از بخار با سرعت بالا استفاده می­ کنند. فشار بالای بخار محرکه از طریق نازل همگرا و یا واگرا عبور می کند، جایی که سرعت آن سرعت صوت یا مافوق صوت بوده و با فشار ۰٫۰۰۹ کیلو پاسکال در ناحیه کم فشار است و دمای آن ۴درجه سانتیگراد می­باشد. بخار با سرعت بالا از کندانسور عبور می کند که کندانسور تحت فشار ۵٫۶ تا ۷٫۴ کیلو پاسکال و درجه حرارت ۳۵ تا ۴۵ درجه سانتیگراد است. بخار محرکه و بخار تبخیر هر دو در حال فشرده سازی و بازیافت هستند. این سیستم با عنوان سیستم تبرید جت بخار شناخته شده است. شکل زیر یک طرح کلی از سیستم را نشان می دهد. این سیستم نیاز دارد در خلاء مناسبی نگه داری شود. گاهی اوقات، تقویت کننده ی اجکتور برای این منظور استفاده می شود. این سیستم ها با انرژی درجه پایینی که بخار فرایند در کارخانه های شیمیایی یا یک دیگ بخار دارد هدایت می شود. شکل (۱-۶) شماتیک سیستم تبرید جت بخار را نشان می­دهد.
شکل (۱- ۶) شماتیک سیستم تبرید جت بخار
در سال ۱۸۳۸ ، پلتان طرحی برای فشرده سازی بخار با بهره گرفتن از جت بخار ارائه شد. در حدود سال ۱۹۰۰، توسط چارلز پارسونز انگلیسی امکان کاهش فشار توسط اثر افزودنی حباب از جت بخار مورد مطالعه قرار گرفت. با این حال، اعتبار ساخت سیستم تبرید جت بخار به مهندس، موریس لیبلانس (Maurice Leblanc) بخاطر توسعه سیستم در سال ۱۹۰۷-۱۹۰۸ داده می شود. در این سیستم، برای تولید جت بخار با سرعت بالا ( حدود ۱۲۰۰ متر بر ثانیه) از یک پرتاب کننده استفاده می شود. که بر اساس طراحی لیبلانس در اولین سیستم های تجاری توسط وستینگهاوس در سال ۱۹۰۹ در پاریس ساخته شد. اگر چه بهره وری از جت بخار سیستم تبرید کم بوده، اما آن هنوز هم به عنوان آب بی ضرر مورد توجه است و سیستم با بهره گرفتن از بخار خروجی از یک موتور بخار می تواند اجرا شود. از سال ۱۹۱۰ به بعد، این سیستم تبرید به طور عمده در کارخانه های لبنی مورد استفاده قرار گرفت، در سال ۱۹۲۶ در کارخانه های شیمیایی، کشتی های جنگی استفاده شد، فولان دستگاه ها را با معرفی چند مرحله ای تبخیر و تراکم مکش بخار بهبود داد. بین سال های ۱۹۲۸-۱۹۳۰ ، توجه زیادی به این نوع سیستم ها در ایالات متحده آمریکا شد. در آمریکا به طور عمده برای تهویه و سرمایش کارخانه ها، سالن های سینما، کشتی ها و حتی واگن قطارها مورد استفاده قرار گرفت. شرکت های متعددی مانند وستینگهاوس، اینگرسول رند و کریر تولید تجاری این سیستم ها را از سال ۱۹۳۰ آغاز کردند. با این حال، به تدریج این سیستم ها توسط سیستم جذبی کارآمدتر با بهره گرفتن از لیتیم برمید و آب جایگزین شد. ولی برخی از کشورهای شرقی اروپا مانند چکسلواکی و روسیه تولید این سیستم ها را تا اواخر سال ۱۹۶۰ ادامه دادند.
۱-۱-۲ سیستم های تبرید حرارتی
در سال ۱۸۲۱ فیزیکدان آلمانی تی.جی. سیبک گزارش داد که هنگامی که دو فلز غیر مشابه در دو دمای مختلف به هم متصل می شوند، نیروی محرکه الکتریکی (EMF) نگهداری شده توسعه می یابد، و در نتیجه جریان الکتریکی EMF متناسب با اختلاف دما تولید می شود. در سال ۱۸۳۴، یک دانشمند فرانسوی، به نام جی پلتیر اثر معکوس را مشاهده کرد، به عنوان مثال، سرمایش و گرمایش بوجود آمده از اتصال دو موادی غیر مشابه وقتی جریان مستقیم از آنها عبور می کند، میزان انتقال حرارت با جریان متناسب است.
شکل (۱- ۷) سیستم تبرید حرارتی به وسیله مواد نیمه هادی
۱-۱-۳ سیستم های لوله گردابی
در سال ۱۹۳۱، ژرژ رنگو (Georges Ranque) یک پدیده جالب به نام “اثر رنگو ” یا ” اثر گردابی” را کشف کردند. تزریق مماس هوا در لوله استوانه ای وادارمان می­کندتصریح این جمله که :"یک حرکت چرخشی با تولید همزمان فرار هوای داغ به هوای سرد و فرار هوای سرد به هوای داغ توسعه پیدا می کند. رودلف هیلش (Rudolph Hilsch) ، فیزیکدان آلمانی، نیز این اثر را مورد مطالعه قرار داده است. اگر چه بهره وری از این سیستم بسیار کم است، ولی به دلیل سادگی قسمت های مکانیکی و خنک کنندگی فوری آن، بسیار جالب توجه است. و حتی برای قسمت­ هایی که در آن منبع هوای فشرده وجود دارد مناسب است. امروزه لوله­های گردابی به عنوان منبع توان برای فشرده سازی هوا مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا اجزاء متحرک ندارد، و از یک طرف هوای گرم و از طرف دیگر هوای سرد تولید می­ کند. حجم و دمای هوای گرم اگزوز با دریچه­ای قابل تنظیم است. تنظیم درجه حرارت از ۴۶- درجه سانتیگراد تا ۱۲۷ درجه سانتیگراد امکان پذیر است. هوای فشرده از لوله های پیچ خورده عبور کرده و پس از عبور از نازل از سوراخ داخلی آن می گذرد. این نازل هوا را به صورت حرکت گردابی تنظیم می­ کند. این جریان با چرخش هوا و عبور کردن از لوله های آب گرم در یک پوسته، شبیه به یک گردباد است. شیری در انتهای لوله تعبیه شده که اجازه می دهد تا قسمتی از هوای گرم فرار کنند. و قسمی که فرار نمی­کند، از لوله عبور کرده وارد گرداب دوم در داخل منطقه کم فشار می­ شود. گرما و دود از طریق انتهای دیگر تخلیه می­ شود. در حال حاضر از این سیستم برای خنک کردن قطعات ماشین، خنک کننده های الکترونیکی و همچنین در لباس کارگران معدن و آتش نشان­ها استفاده می شود[۷].
با پیشرفت جوامع بشری و عوض شدن ساختار معماری و تغییر سبک زندگی انسان ها از سنتی به مدرن نیازهای جدیدی نیز پدید آمدند. بشر جدید برای در امان ماندن از شرایط جوی و طبیعت دست به اختراع وسایل و ابزار آلات متنوعی نموده است. یکی از وسایل ابداعی بشر برای در امان ماندن از تغییرات دمایی و جوی کولر است که این وسیله نیز از زمان پدید آمدن تا به امروز تغییرات عمده ای نموده است. کولر علاوه بر تغییر ساختاری در انواع مختلفی نیز وجود دارد که از مهمترین و مشهورترین آن می توان به کولر آبی و کولرگازی اشاره نمود .باید توجه داشت که هریک از انواع کولرگازی و کولر آبی برای شرایط جو ی و اقلیمی مخصوصی مناسب هستند مثلا کولرگازی برای محیط های شرجی مناسب تر از کولر های آبی می باشند. در واقع هدف اصلی در همه انواع کولرها سرد نگه داشتن و یا به عبارتی خنک نگه داشتن محیط زندگی است. کولر آبی به شکلی که امروزه استفاده می شود را یک آمریکایی در سال ۱۹۰۰ ساخت[۸].
کولر گازی را ولیس کریر در سال ۱۹۰۲ میلادی اختراع کرد. بعد از آقای کریر که پایه گذار کولر گازی ها بودند کار های متنوع زیادی در رابطه با بهتر کردن آنها انجام گرفت اما همه ی آنها از اصول اولیه سیستم تبرید تراکمی استفاده می کردند و تا کنون نیز این سیستم ها با همان روند و تغییرات ساختاری به کارشان ادامه می دهند[۹].
۱-۱-۴ اصول کار سیستم های تراکمی
در کولر گازی مانند یخچال از تبدیل گاز به مایع با افزایش فشار و سپس از سرمای ایجاد شده به هنگام تبدیل گاز مایع به حالت گاز (بصورت فوران) برای رسیدن به هدف مورد نظر که همان خنک نمودن فضای داخل ساختمان است استفاده می شود.بر اثر کار کمپرسور، گاز تحت فشار قرار گرفته (قدری گرم شده)و وارد لوله رفت می شود .برای کاستن از دمای گاز تحت فشار قرار گرفته ، آن را وارد کندانسور نموده و هوایی که توسط پروانه کندانسور به آن می وزد،گرمای لوله ها که در واقع از گرمای گاز جاری در آن ها ایجاد شده را به خارج از محیط هدایت می کند. در این مرحله گاز تا حدودی خنک می شود. پس از کندانسور، گاز از درایر عبور می کند تا رطوبت ویا رسوباتی را که احتمالا” از جداره های داخلی لوله های کندانسور جدا شده از آن سلب شود. گاز خشک و تمیز پس از درایر وارد لوله مویی می شود. از آن جا که سطح مقطع لوله مویی بسیار کمتر از سطح مقطع کندانسور و یا ورودی درایر است، گاز تحت فشار زیاد به حالت مایع تبدیل می شود، کمپرس کمپرسور، گاز مایع را از لوله مویی عبور داده و وارد اوپراتیور می کند. تفاوت سطح مقطع دو محیط (سطح مقطع لوله های اواپریتور بسیار بیشتر از لوله مویی است)به گاز جاری اجازه فوران داده و گاز در حال فوران تولید سرما می کند. سرما، سطح اواپراتور را در اختیار گرفته و هوایی که توسط پروانه از اواپراتور به آن برخورد می کند، این سرما را وارد محیط می سازد. فریون ۲۲ پس از اواپراتور به لوله بر گشت کمپرسور باز می گردد تا مجددا"مسیر قبلی را طی نماید. به این ترتیب و به تدریج سرمای ایجاد شده در اواپریتور، دمای محیط را تحت تاثیر قرار داده و محیط را معتدل و خنک می سازد]۱۱[.
وظایفی که کولر گازی بر عهده دارد به شرح زیر است:
الف)کنترل دما : هدف بالا بردن، پایین آوردن و به عبارت دیگر کنترل دما در درجه حرارت مورد نیاز فضا می باشد.
ب)کنترل میزان و سرعت وزش هوا : با توجه به شرایط موجود میزان هوای مورد نیاز جهت تهویه، اگزوست، هوای تازه و سرعت وزش آن تعیین می گردد.
ج)کنترل رطوبت: با توجه به رطوبت مورد نیاز عمل رطوبت زنی یا رطوبت گیری انجام میشود.
د)گرفتن گرد و غبار و به عبارتی تصویه هوا: این عمل باعث محافظت کویل و اواپراتور از گرفتگی توسط ذرات موجود در هوا از ذرات آلاینده پاک می گردد.
مصرف انرژی این سیستم تبرید بالا بوده، اما طی این مدت کارهایی برای پیشرفت و کم کردن مصرف آن انجام شده که به اختصار توضیح داده می شود.
۱-۱-۵ تکنیک های بکار رفته در سیستم های تبرید برای کاهش مصرف انرژی
۱-۱-۵-۱ اینورتر (Invertor) دار کردن سیستم های تهویه مطبوع
اینورتر به معنای وارونه گردان یا معکوس کننده می باشد و در سیستم های کمپرسوری به معنای دور متغیر بوده به طوری که چرخش کمپرسور دورانی و سرعت آن متغیر است و بسته به دما و رطوبت تنظیمی توسط کاربر دورکمپرسورکم یا زیاد می شود و هیچ وقت کمپرسور در زمانی که به دمای دلخواه کاربر برسد خاموش کامل نمی شود فقط دور آن کم شده و با حداقل مصرف برق کارمی کند و بسته به نیاز مجدد شروع به کار با دور بالا می کند پس همیشه دور کمپرسور زیاد یا در جهت عکس کم شده و به اصطلاح کمپرسور استارت اضافه نمی کند و عمل اتومات کردن و استارت کردن کمپرسور که علت اصلی مصرف زیاد برق است در این سیستمهای اینورتر اتفاق نمی افتد.
همانطور که می دانیم، کولر گازی دستگاهی پر مصرف است و سیکل ساده ای دارد، یعنی از یک موتور، کمپرسور و بدنه توزیع هوا در فضا یا همان صفحات تشکیل شده است. آنچه که شرکت ها را به سمت تولید اینورتر کشاند، رفع نقیصه کولرهای گازی در مصرف بالای انرژی بود. اینورتر در واقع با تغییر فرکانس و ولتاژ برق باعث کاهش مصرف شده و تمام عملکرد دستگاه هوشمند می باشد. کمپرسورهای اینورتر عمدتا” با مبرد جدید۴۱۰R- که سازگار با محیط زیست است کار می کند و در نتیجه راندمان دستگاه بالاتر می باشد. کولرهای گازی اسپلیت مدل اینورتر بین ۳۰ الی ۵۰ درصد کم مصرف تر می باشند هرچند قیمت بالاتری دارند.
مزایای اصلی سیستم اینورتر به شرح ذیل است:
صرفه جویی در مصرف انرژی از ۳۰% تا ۵۰%
سرمایش سریع به وسیله بازده بالا