المكانيكا العامة

علم الحركة
علم الحركة أو الكينماتيكا Kinematics (بالإغريقية κινειν,kinein, أي يتحرك أو حركة) هو أحد فروع علم الميكانيك الذي يصف مفهوم الحركة الفيزيائي للأجسام بدون أي اعتبار للكتل أو القوى التي تسبب الحركة. بالتالي هو عكس علم التحريك أو الديناميكا dynamics الذي يهتم بالقوى و التآثرات التي تنتج أو تؤثر على الحركة.
يدرس علم الحركة كيف يتغير موقع الجسم مع الزمن . يتم قياس الموقع بالنسبة لمجموعة إحداثيات coordinate. أما السرعة فهي معدل تغير الموقع (بالنسبة للزمن طبعا). التسارع هو معدل تغير السرعة. تعتبر السرعة و التسارع الكميتين الرئيسيتين اللتين يصفان كيفية تغير الموقع مع الزمن.
علم السكون
علم السكون (الإستاتيكا) هو فرع من الميكانيكا يهتم بدراسة وتحليل الأحمال (مثل القوى، وعزوم الفتل والدوران) في الأنظمة الفيزيائية في حالة التوازن السكوني، وهي الحالة التي لا تتغير فيها أماكن أجزاء النظام بمرور الوقت، أو أن عناصر النظام ذات سرعة ثابتة. ففي حالة التوازن السكوني، يكون النظام إما ساكنا أو يكون مركز ثقله متحركا بسرعة ثابتة. ودراسة الأجسام المتحركة تسمى بالديناميكا. يستخدم علم السكون بصورة أساسية في الهندسة الإنشائية وفي علوم و تطبيقات الهندسة الميكانيكية.
وبحسب القانون الأول لنيوتن، فإن هذا الوضع يفرض أن القوة الصافية والعزم الصافي (يسمى أيضا بعزم القوة) على أي جسم في النظام مساوية للصفر. ووفق هذا القانون يمكن إهمال بعض القوى مثل الإجهادات الداخلية والضغط. إذن، مجموع القوى الصافية مساوية للصفر يسمى الشرط الأول للتوازن، ومجموع العزوم الصافية مساوي للصفر يسمى الشرط الثاني للتوازن.
الاتزان
القوانين التي تحكم الحركة والسكون هي القوانين المعروفة باسم نيوتن والقانونان الأول و الثالث لهما التحكم المطلق في دراسة الإستاتيكا. و بما أن المبدأ الأساسي لعلم الإستاتيكا هو الإتزان، وحسب القانون الأول لنيوتن فإنه إذا تلاشت محصلة القوى المؤثرة على جسم فإنه يسير بسرعة منتظمة أي أن تسارعه يساوي الصفر. وعلى هذا يجوز لنا أن نقول أن الجسم متزن. و ينطبق القول أيضا على الجسم الذي تساوي سرعته صفراً. فنجد أن خاصية الإتزان لها وجهان : الأول تلاشي محصلة القوى المؤثرة على الجسم والثاني أن تكون السرعة منتظمة أو تساوي صفراً.
ميكانيكا المواد
ميكانيكا المواد هو حقل دراسة مجالين, الأول الميكانيكا التطبيقية و المواد الهندسية, مركزا على العلاقة بين التصرف الميكانيكي للمواد و بين خصائصهم الداخلية.
الميكانيكا الهندسية تهتم بدراسة التأُير النظري و المعملي للقوة و الاجهاد و الحركة مطبقا على المواد الهندسية و البنائية. المواد العلمية تهتم بدراسة تطور المادة, تصنيعها و تركيبها الكيميائى و خصائصها و تركيبها الميكروسكوبى.
ودراسة المواد تعتمد بشكل رئيسى على دراسة التركيب البنائى لهذه المواد لذلك انصح كل زملائى بالاهتمام بتعلمها وخاصة قسم ميكانيكا الإنتاج والمواد تقسم إلى خمس أنواع
1. المعادن:تتميز بالقدرة العالية على توصيل الكهرباءوسهولة التشكيل
2. الزجاج والسيراميك: تتميز بعدم توصيل الكهرباءويتميز السيراميك بالصلادة العالية ويتميز الزجاج بالهشاشة
3. البوليمرات :سهلة التشكيل وتتميز بخفة الوزن
4. والمواد المؤتلفه:تعتمد خواصهأعلى المواد الداخلة في المؤتلف
5. اشباه الموصلات:اسمها يدل عليها

ميكانيكا الموائع
ميكانيكا الموائع (بالإنجليزية: Fluid Mechanics) هو تخصص فرعي من ميكانيكا المواد المتصلة (بالإنجليزية: Continuum Mechanics) وهو معني أساسا بالموائع، التي هي أساسا السوائل والغازات، ويدرس هذا التخصص السلوك الفيزيائي الظاهر الكلي لهذه المواد، ويمكن تقسيمه من ناحية إلى إستاتيكا الموائع- أو دراستها في حالة عدم الحركة، أو ديناميكا الموائع أو دراستها في حالة الحركة، ويندرج تحتها تخصصات أخرى معينة، فهناك الديناميكيات الهوائية (أيروديناميك) والديناميكيات المائية (هيدروديناميك). يسعى هذا التخصص إلى تحديد الكميات الفيزيائية الخاصة بالموائع، وذلك مثل السرعة ، الضغط ، الكثافة ، و درجة الحرارة، واللزوجة ومعدل التدفق، وقد ظهرت تطبيقات حسابية حديثة لإيجاد حلول للمسائل المتصلة بميكانيكا الموائع، ويسمى التخصص المعني بذلك ديناميكيات الموائع الحسابية (بالإنجليزية: Computational Fluid Dynamics) (CFD).
العلاقة بين ميكانيكا الموائع وميكانيكا المواد المتصلة
تعتبر ميكانيكا الموائع غالبا أحد التخصصات الفرعية لميكانيكا المواد المتصلة، كما هو موضح في الجدول التالي

ومن الناحية الميكانيكية، فإن الموائع هي مواد لا تتأثر بوجود إجهاد ميكانيكي في اتجاه مواز لسطحها، وهذا هو السبب الذي يجعل الموائع الموجودة في حالة عدم حركة تتخذ شكل الوعاء الذي يحتويها.
أساسيات الانتقال الحرارى وسريان الموائع
المعادلات الأساسية
نظام المعادلات الآتية للانتقال الحراري وسريان الموائع تتكون أساسا من معادلة الاتصال (معادلة حفظ الكتلة) ومعادلة حفظ كمية الحركة ومعادلة حفظ كمية الطاقة. سوف لا نعتبر الظواهر المعقدة التي ليست وثيقة الصلة بمناقشتنا، وسوف نتقيد بالظواهر الفيزيائية تحت الشروط الأتية:
1. الموائع تكون غير قابلة للانضغاط وتكون نيوتونية (Newtonian). وسوف لا نأخذ في الاعتبار عدم تغير الكثافة إلا في حالة توليد قوى الطفو. وتكون خصائص الاستقرار وعدم الاستقرار مرتبطة معا.
2. الخصائص الفيزيائية للموائع تكون ثابتة.
3. في الصيغ المختلفة للطاقة سوف نعتبر فقط الطاقة الحرارية. وسوف نهمل الإخماد الذي هو تحويلة عكسية من طاقة حركيةإلى طاقة حرارية إلا في حالة سريان أو جريان مضطربة.
تحت هذه الشروط نريد أن نصل إلى فيزياء إضافية مثل التنامي في الموجات السمعية. تحت هذه الشروط يمكن الحصول على المعادلات التالية:
1. معادلة حفظ المادة (أو الاتصال):


1. معادلة حفظ كمية الحركة:

1. معادلة حفظ الطاقة:

حيث أن هي متجه السرعة وp هو الضغط، و ρ هي الكثافة و هي الطاقة و هي متجه الجاذبية الأرضية ترمز للزوجة المائع (كجم/م.ث) و هي الحرارة النوعية تحت ضغط ثابت (جول/كجم.كلفن) و هي النفاذية الحرارية (شغل/م.كلفن). ومعدل توليد الحرارة الحجمى لوحدة الحجوم يمثل بـ . اما معادلات بقاء كمية كمية الحركة تعرف بمعادلات نافير- ستوكس. يمكن للقارىء الرجوع إلى أى كتاب في أساسيات ميكانيكا الموائع لاشتقاق هذه المعادلات.
سوف نحلل السريانات ثنائية البعد وان هناك موضعيين ممكنين:
(1) مركبة السرعة في اتجاه تهمل لصغرها اذا ما قورنت بمركبات السرعة هي الاتجاهين الاخريين . وبالتالى لا تعتبر دالة في .
(2)التغيرات في بالنسبة لاتجاه مثلا يفترض انها معلومة. وبمعنى اخر يمكن اعتبار عمليات الانتقال دوال في فقط.
سريان الموائع
المائع هو المادة التي ليس لها شكل معين بل تأخذ شكل الإناء الحاوي لها و تتميز بقدراتها على الانسياب و لهذا فإن التعبير يشمل السوائل و الغازات و تنقسم إلى قسمين:
• موائع قابلة للانضغاط و هي الموائع التي تتغير كثافتها بتغير الضغط الواقع عليها مثل الغازات
• موائع غير قابلة للانضغاط و هي الموائع التي لا تتغير كثافتها بتغير الضغط الواقع عليها مثل السوائل.
تحتفظ المادة في حالة الصلابة بشكل ثابت ؛ بعكس المادة في حالة السيولة و الحالة الغازية . فما السبب في ذلك؟ إن قوى التماسك بين جزيئات المادة الصلبة تكون كبيرة، لدرجة أنه ليس من السهل أن تغادر مواضعها؛ في حين أنه في حالة السيولة تكون قوى التماسك بين جزيئاتها ضعيفة نسبيا، بحيث تسمح لجزيئات المادة بالحركة داخل المادة. أما في الحالة الغازية، فتكاد قوى التماسك بينها أن تكون معدومة. لذلك، لا يكون للمادة في حالة السيولة والحالة الغازية شكل ثابت ؛ بل يعتمد شكلها على شكل الوعاء الذي توجد فيه.
إن الترابط الضعيف أو شبه المنعدم بين جزيئات السوائل والغازات، يجعلها قابلة للاستجابة بسهولة للقوى الخارجية التي تحاول تغيير شكلها ، كما أنها تسلط قوة عمودية على أسطح الأوعية الحاوية لها، بحيث أنها إذا وجدت منفذاً فيها، فإنها تنساب وتجري خارجاً. من هنا سميت السوائل والغازات "الموائع".
• ) توجد حالة رابعة للمادة، يطلق عليها اسم البلازما. وفي هذه الحالة، تفقد ذرات المادة بعض إلكتروناتها بسبب درجة الحرارة الشديدة. وعندها، تكون المادة مزيجاً من الأيونات ، و الإلكترونات وذرات ، و جزيئات متعادلة؛ إضافة إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي (أو الفوتونات. ويعتقد أن أكثر من 99% من المادة في الكون توجد في حالة البلازما ؛ فكل النجوم الساطعة (بما فيها الشمس) أمثلة على هذه الحالة. ومع أن معظم المادة الأرضية ليست بلازما، فإن أمثلة عديدة من البلازما توجودة في الصواعق واللهب ، والشفق القطبي ، و مصابيح التفريغ الغازي (النيون).
السريان الثابت و غير الثابت
يوجد نوعان من الانسياب أو السريان:
• النوع الأول و هو السريان الثابت تكون سرعة المائع عند نقطة معينة ثابتة لا تتغير بمرور الزمن و يمكن ان تتغير من نقطة إلى أخرى حسب مقطع الأنبوبة
• النوع الثانى و هو السريان غير الثابت فتتغير السرعة عند نفس النقطة من لحظة إلى أخرى.
السريان الانسيابى و الدوامى
في السريان الانسيابى يكون لكل جزىء من السائل مسار محدد و لا تتقاطع المسارات المختلفه و هذا عكس ما يحدث في السريان الدوامى حيث تتقاطع المسارات.
خطوط السريان
خط السريان هو خط وهمى داخل المائع بحيث يعطى المماس له عند أى نقطة اتجاه السريان.
أنبوبة السريان
لرسم أنبوبة السريان داخل المائع في حالة السريان المنتظم نتصور مساحة صغيرة عمودية على اتجاه السريان و يرسم من كل نقطة على محيط هذه المساحة خط سريان المائع المار بهذه النقطة و بذلك يتكون ما يسمى بأنبوبة السريان و هي أنبوبة وهمية جدرانها خطوط السريان و من خواصها أن المائع لا يخترق جدرانها لأن اتجاه الجدار عند أى نقطة هو اتجاه السريان عند هذه النقطة.
] معادلة الاستمرار
إذا مر مائع في أنبوبة مختلفة المقطع فإن سرعته تتغير من مقطع لآخر و لكن كتلة المائع التي تمر خلال كل مقطع في الثانية تكون ثابتة.حيث
ديناميكا حرارية

ديناميكا حرارية أو تحريك حراري أو ثرموديناميك (Thermodynamics) تعبر عن أحد فروع الميكانيكا الإحصائي الذي يدرس خواص انتقال الشكل الحراري للطاقة بشكل خاص و تحولاته إلى أشكال أخرى من الطاقة. يقوم هذا العلم باستخدام الميكانيك الإحصائي لصياغة القوانين التي تحكم تحول الطاقة من شكل إلى شكل، والإتجاه الذي تفضله الطاقة الحرارية في انتقالها، والطاقة المتاح تحويلها إلى عمل (Work).
معظم هذه الدراسات تعتمد على فكرة أن أي جملة، أو نظام، معزولة في أي مكان من الكون تحتوي كمية فيزيائية قابلة للقياس ندعوها الطاقة الداخلية للجملة (System) ويرمز لها بالرمز (U). وتمثل هذه الطاقة الداخلية مجموع الطاقة الكامنة (Potential Energy) والطاقة الحركية (Kinetic Energy) للذرات والجزيئات ضمن الجملة، أي جميع الأنماط التي يمكن أن تنتقل مباشرة كالحرارة، وبالتالي يتم أستثناء الطاقة الكيميائية (المختزنة ضمن الروابط الكيميائية)أو الطاقة النووية (الموجودة ضمن نوى الذرات) بإعتبارها أشكال طاقية لا يمكن نقلها ضمن الشروط الطبيعية. تبقى الطاقة الداخلية (U) ثابتة حتى يتم فك العزل عن الجملة فتصبح قادرة على تبادل الطاقة أو المادة من الجملة و إليها، عندئذ يمكن للطاقة الداخلية أن تتغير عن طريق انتقال المادة أو انتقال الحرارة أو انجاز عمل .
أسهل التراجم هي الديناميكا الحرارية ، وهي مأخوذة من الأصول اليونانية therme و dynamics والأولي تعني حرارة والثانية طاقة . ورغم أن أي إنسان لديه إحساس ما بما تعنيه كلمة الطاقة إلا أنه من الصعب إعطاء تعريف جازم لهذه الكلمة ، إلا أنه يمكن تصورها علي أنها القدرة علي بذل عمل.
مقدمة
يهتم علم الديناميكا الحرارية كما يدل الاسم بالحرارة أو الطاقة الحرارية بدرجة أولى وبكل الظواهر التي تظهرأو تتعلق بهذه الطاقة كعملية انتقال الحرارة من جسم لآخر أو كيفية تخزين هذه الطاقة أو توليدها، يبنى كل علم على مفاهيم أساسية سوف نتعرف عليها بدقة ثم نستعرض القوانين التي تربط هذه المفاهيم بعضها البعض. يقوم علم الديناميكة الحرارية على 3 قوانين كبرى وهي القانون صفر و القانون الأول و القانون الثاني. المفاهيم الأساسية للحرارة هي كمية الحرارة ودرجة الحرارة والحرارة النوعية.
1- كمية الحرارة : الحرارة إحدى صور الطاقة وتنتقل من نقطة لأخرى أو من جسم لآخر إذا كان هناك فرق في درجات الحرارة ، وتقاس كمية الحرارة بوحدة الطاقة وهي الجول.
2- درجة الحرارة : كان هناك خلط بين مفهومي درجة الحرارة وكمية الحرارة، ولكن تعرف درجة الحرارة الآن بأنها مقياس الإتزان الحراري ونعني بهذا الحالة التي عندها لا تنتقل الحرارة من نقطة لأخرى وذلك لعدم وجود فارق في درجات الحرارة. وتقاس الحرارة بوحدات مئوية أو فهرنهتية أو مطلقة. وتقاس درجات الحرارة بأنواع مختلفة من مقاييس الحرارة أهمها مقياس الحرارة السائلي، ومقياس الحرارة الغازي، ومقياس الحرارة البلاتيني، ومقياس الحرارة ذو المزدوجة الحرارية، وأخيراً مقياس الحرارة المسمى بالبيومتر الضوئي.
3- الحرارة النوعية : تعرف بأنها كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة أو مطلقة وبذا تكون وحدتها هي سعرة حرارية لكل كيلوجرام لكل درجة. القانون الأساسي في الحرارة: لنربط الكميات السابقة في القانون التالي Q = M C dt أي أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من المادة فرق في درجات الحرارة dt هو حاصل الضرب الكتلة في الحرارة النوعية في فرق درجات الحرارة ويكون الناتج بالطبع بالجول.
انتقال الحرارة

تنتقل الحرارة بثلاثة طرق هي التوصيل ، والحمل ، والاشعاع.
1. انتقال الحرارة بالتوصيل:
لنتصور قضيباً مساحة مقطعة A مزوداً من الجوانب ودرجات الحرارة عند طرفيه هما T1 ، T2 وقد وجد أن : Q/T = q` ~ A*(T1-T2)/L or q = K dT/dX حيث q = q`/A من هنا يمكن تعريف معامل التوصيل K بإنه كمية الحرارة التي تنتقل عبر وحدة المساحات في وحدة الزمن إذا كان فارق درجات الحرارة الوحدة وطول القضيب الوحدة ، وواضح أن وحدات K هي وات /متر.درجة
1. انتقال الحرارة بالحمل :
كلنا نعلم أن الحرارة في السوائل والغازات تنتقل
القانون صفر
إذا كانت حرارة الجسم أ تساوي حرارة الجسم ب وحرارة ب تساوي حرارة س فإن حرارة أ تساوي حرارة س
القانون الأول
أو ان الطاقة في النظام= الشغل المبذول+ الطاقه الداخليه مفاده أن تغير الطاقة في نظام ما يساوي الطاقة الحرارية ( المضافة أو المنتزعة) زائد الشغل (المضاف أو المنتزع)
القانون الثاني
يتعلق القانون الثاني بالإعتلاج أو الأنتروبية وينص على مبدأ أساسي يقول بأن تغيرا تلقائيا في نظام فيزيائي لا بد و ان يترافق بازدياد في مقدار إعتلاج هذا النظام . ويفيد بأن تدفق الإعتلاج إلى داخل النظام ناقص تدفق الإعتلاج إلى خارج النظام زائد الإعتلاج المتكون داخل النظام تساوي صفرا .
القانون الثالث للترموديناميك
من المستحيل تبريد نظام إلى درجة الصفر المطلق .
هذا القانون يحدد درجة الصفر المطلق كحد طبيعي لا يمكن تعديتها إلى أقل منها. حقيقة أنه يمكن بأداء شغل كبير الاقتراب من درجة الصفر المطلق ، مثلما يحدث عند دراسة الميوعة الفائقة للهيليوم-3 حيث تصل درجته الحرجة للميوعة الفائقة عند 0026و0 كلفن .
قوانين أخرى
من أهم الخصائص المدروسة
• الحرارة T
• الضغط P
• الحجم V
• طاقة داخلية U
• الإعتلاج أو إنتروبية S
• السخانة H (التغير في الانثالبى تساوى التغير في الطاقه عند ثبوت الضغط لان H=pv+U)
• السرعة
• العلو
و يمكن تقسيم هذه الخصائص إلى :
• حالية حرارية(كالحرارة و الضغط و الحجم) أو حالية كالورية (كالطاقة الداخلية و الإعتلاج و السخانة)
• حالية ( أي انها تعبر عن حالة للمادة وهي كل الخصائص المذكورة أعلاه) و عملياتية ( أي أنها لا تو جد إلا بو جود عملية كعملية انتقال الحرارة من جسم للآخر، وعلى ذلك فهي تمثل تغير حالة المادة. من هذه الخصائص الشغل)
المعادلة الحرارية
من أهم القوانين التي ترسم العلاقة بين الضغط و الحرارة و الحجم و الكتلة في الغازات:
PV=mRiT
حيث Ri هو ثابت الغازات ولكن هذه العلاقة ليست الوحيدة وهي كذلك ليست صحيحة صحة مطلقة حيث أنه أعتمد في إشتقاقها على بعض المسلمات التي تمثل تبسيطا للواقع. حيث تم الحساب بالغازات المثالية أي أن ذرات أو جزيئات الغاز ليس لها حجم و أنه لا توجد قوى بين الجزيئات كما أن الجزيئات لا تغير شكلها أي بمعنى في حالة تصادم جزيئان يكون التصادم مرنا ، أي لا يحدث أن يمتص جزيئا جزءا من الطاقة خلال التصادم .
معادلة فان دا فالس
معادلة فان دا فالس هي أيضا معادلة حرارية ( معادلة تحتوي على خصائص حرارية تسمى معادلة حرارية).
(p+(a/v²)*(v-b)=Ri*T
حيث a و b تصحيح للمسلمات الخاطئة أعلاه.
أنواع تغير الحالة
تحول عكوس: تحول لا متناه في البطء يمكن للنظام (الجملة الترموديناميكية) في أي نقطة منه العودة في الاتجاه المعاكس معيدة وبدقة تامة جميع الشروط التي قد مرت بها في التحول الأصلي المباشر.
تحول لاعكوس: تحول سريع غير قابل للعكس و تتصف جميع التحولات الطبيعية بأنها لاعكوسة.
الدورة المغلقة: تحول تعود فيه الجملة إلى نقطة البدء بعد أن تكون قد مرت بعدة مراحل.

تكنولوجيا الغازات المنضغطة
من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
المراجعة الحالية (غير مراجعة)
اذهب إلى: تصفح, البحث
تسمى نيومتك - Pneumatics
و هو علم حديث نسبيا يقوم بدراسة استخدام قوة الغازات المنضغطة للتأثير على الحركات الميكانيكية وتستخدم هذه القوى فى المصانع حيث تكون الالات تستقى حركتها بالهواء المضغوط او باستخدام غازات اخرى . ويتم استخدام هذه القوى فى التعدين والانشاءات والعديد من المجالات الاخرى .
الغازات المستخدمة
معظم هذه الانظمة تستخدم الهواء لانه يمكن الحصول عليه بسهولة من ضغط الهواء الجوى واستخدامه فى العملية الصناعية , يتم اولا تنقيته من الرطوبة التى يحتوى على نسبة منها واضافة القليل من الزيت قبل ادخاله على الضاغط للتشحيم منعا لحدوث تأكل للاجزاء الميكانيكية .
مميزات الانظمة المضغوطة
• الاعتمادية
o يمكن لهذه الانظمة العمل مدد طويلة بدون الحاجة لصيانة.
• الامان
o فرصة الاشتعال نادرة بالمقارنة بالانظمة الهيدروليكية.

التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
المراجعة الحالية (غير مراجعة)
اذهب إلى: تصفح, البحث


التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء (بالإنجليزية: heating, ventilating, and air conditioning) ويطلق عليها اختصارًا HVAC. وهو فرع مهم بشكل خاص من تصميم الأبنية الصناعية والمكاتب مثل ناطحات السحاب، وفي البيئات البحرية مثل أحواض السمك، حيث يجب أن تكون الحرارة والرطوبة مضبوطة بشكل جيد مع تجنب أعراض الانزعاج الناتج عن الإقامة في بيئة مكيفة بالهواء (Sick building syndrome). في بعض المناطق (مثل بريطانيا) يستخدم مصطلح خدمة الأبنية (Building Services)، ولكنها قد تشمل أنظمة الصرف الصحي والأنظمة الكهربائية. قد يضاف حقل التبريد إلى المصطلح فيصبح HVAC&R أو HVACR، أو قد تهمل التهوية فيصبح HACR.
تعتمد التدفئة والتهوية وتكييف الهواء على مبادئ الديناميكا الحرارية (التيرموديناميك)، وميكانيكا الموائع، وانتقال الحرارة، مع اختراعين واكتشافين قام بهما مايكل فاراداي، ويليس كارير، روبن ترين، جيمس بريسكوت جول، ويليم رانكين، سادي كارنوت، وآخرون. أتت اختراعات مكونات أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف مع قيام الثورة الصناعية، وأدخلت أنظمة التحكم عالية الفعالية المتطورة من قبل الشركات حول العالم.
إن وظيفة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء مترابطة إلى حد بعيد. فالجميع يبحث عن الراحة الحرارية (Thermal confort)، وعن نوعية الهواء الداخلي المقبولة (indoor air quality)، والكلفة المعقولة للتركيب والتشغيل والصيانة. يمكن لأنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء أن تزودنا بالتهوية، وتقليل تسرب أو ارتشاح الهواء، وضبط علاقة الضغط بالأجواء والفراغات. يعرف توصيل الهواء وسحبه من حجرة ما بتوزيع الهواء في الغرفة (room air distribution). .[1]
في الأبنية الحديثة يكون التصميم والتركيب وأنظمة التحكم لهذه الوظائف (التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء) مدمجة في نظام واحد أو أكثر. يقوم متعهد البناء في الأبنية الصغيرة باختيار استطاعة ونوع أجهزة وأنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء. وفي الأبنية الكبيرة يقوم المهندسين، مثل مهندسي الميكانيك، أو المهندسين المعماريين بتحليل وتصميم وتحديد أنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء، ويتعهدها مقاولون ميكانيكيون متخصصون. وتخضع رخص البناء في جميع الأبنية إلى المعايير (Norm) المتعارف عليها.
لقد نظمت صناعة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء من قبل مصنعين الأجهزة، لكن منظمات المعايير والتنظيم مثل الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (ASHRAE)، و المنظمة العالمية لمتعهدي تكييف الهواء و الصفائح المعدنية (SMACNA)، ومتعهدي تكييف الهواء في أمريكا (ACCA)، والقانون الميكانيكي الموحد (Uniform Mechanical Code)، و قانون الأبنية العالمي (International Building Code). أسست هذه المنظمات لدعم الصناعة وتشجيع المعايير الأساسية.
التدفئة
تصنف أنظمة التدفئة إما مركزية أو محلية. تستخدم التدفئة المركزية غالبًا في الأقاليم البارد ة لتدفئة المنازل الخاصة والأبنية العامة. يتألف نظام التدفئة هذا من مرجل أو فرن أو مضخة حرارية لتسخين الماء، أو البخار أو الهواء، في محطة مركزية كحجرة المراجل في المنزل أو الغرفة الميكانيكية في الأبنية الكبيرة. يحتوي النظام أيضًا على مجاري لأنظمة الهواء المقاد، أو أنابيب لوزيع السائل الساخن و المشعات لنقل الحرارة إلى الهواء. تركب المشعات على الجدران أو تكون مركبة تحت أرضية الغرفة. جميع الأنظمة ذات المرجل أو التسخين بالإشعاع، ما عدا البسيطة منها، تكون مزودة بمضخة لتدوير الماء وضمان التساوي في تزويد الحرارة إلى جميع المشعات. يمكن للماء المسخن أن يغذى عن طريق مبادل حراري ثانوي داخل اسطوانة التخزين لتعطي ماء جاري ساخن.
ترسل أنظمة الهواء المقاد الهواء المسخن خلال المجاري. وفي الجو الدافئ يمكن استعمال نفس المجاري للهواء المكيف. يمكن تنقية الهواء وترشيحه من خلال منقيات الهواء. يمكن التدفئة عن طريق التسخين الكهربائي أو عن طريق وشيعة تستعمل سلك رفيع يصبح ساخنًا عندما تمر من خلاله الكهرباء. هذا النوع من التدفئة شائع في المدافئ الكهربائية الجدارية، أو المحمولة، أو كتسخين إضافي في نظام المضخة الحرارية.
يجب أن توضع عناصر التسخين، كالمشعات أو فوهات المجاري، في الأماكن الأبرد في الغرفة، وعادة بجانب النوافذ لتقليل التكاثف وتعويض تيار الهواء المتشكل في الغرفة بسبب أن الهواء قرب النافذة يصبح أثقل بسبب الزجاج البارد. يوجد تجهيزات توجه تيار الهواء بعيدًا عن النوافذ لتمنع ضياع الحرارة. تعطي تيارات الهواء الباردة شعورًا بجو أبرد من معدل درجة حرارة الغرفة، لذلك من الضروري ضبط تسرب الهواء من الخارج بالإضافة إلى تصميم نظام التدفئة.
التهوية
هي عملية تغيير أو استبدال الهواء في حيز ما لضبط الحرارة، أو إزالة الرطوبة، و الرائحة، و الدخان، و الحرارة، و الغبار، و البكتريا المحمولة جوًا. تشمل التهوية استبدال الهواء مع الخارج وتدويره داخل المبنى. والتهوية إحدى أهم العوامل في الحفاظ على نوعية الهواء الداخلي في المباني. تقسم طرق تهوية المباني إلى تهوية ميكانيكية مقادة، وتهوية طبيعية. [2]. تستخدم التهوية لإزالة الروائح الكريهة والرطوبة الزائدة، وتجديد الهواء، والحفاظ على حركة للهواء داخل المباني لمنع فساد الهواء الداخلي في المباني.
التهوية الميكانيكية أو المقادة
تستخدم في ضبط نوعية الهواء الداخلي. يمكن ضبط الرطوبة والروائح والملوثات الزائدة في الهواء بتمديدها أو استبدالها بالهواء الخارجي. ولكن نحتاج إلى طاقة إضافية في الجو الرطب لإزالة الرطوبة الزائدة من هواء التهوية.
يوجد في المطابخ والحمامات مراوح تهوية ميكانيكية لضبط الروائح والرطوبة في بعض الأحيان. بعض عناصر التصميم في هذه الأنظمة تشمل معدل الجريان (وهو تابع لسرعة المروحة وحجم مخرج الهواء) ومستوى الضجيج. إذا مرّت مجاري الهواء ضمن مناطق غير مسخنة (مثل عليّة المنزل)، يجب عندها أخذ الحذر من تكائف الهواء على هذه المجاري (Ducts). تستخدم المراوح السقفية ومراوح الطاولات والأرضيات لتدوير الهواء داخل الغرفة بغرض تخفيف درجة الحرارة الموضعية بسبب تبخر العرق على جلد الشخص المعرض لتأثير التيار الهوائي. نتيجة ارتفاع الهواء الساخن إلى الأعلى، قد تستخدم المراوح السقفية في إبقاء الغرفة دافئة في الشتاء بتدويرها طبقات الهواء الساخن من السقف إلى الأرضية. والمراوح السقفية لا تقدم تهوية كما في تعريف التهوية بجلب الهواء من الجو الخارجي.
[عدل] التهوية الطبيعية
هي تهوية المباني بالهواء الخارجي بدون استخدام مروحة أو أي نظام ميكانيكي آخر. وتتم هذه التهوية عن طريق نافذة، عندما يكون الجو المراد تهويته صغيرًا مع إمكانية وجود هذه النافذة معماريًا. في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، يسمح للهواء الساخن بالارتفاع في المبنى، ليخرج عاليًا من فتحات إلى الجو الخارجي (مبدأ المدخنة) ساحبًا الهواء الخارجي البارد فيدخل إلى المباني بشكل طبيعي من خلال فوهات في المناطق السفلية من المبنى. لا تحتاج هذه الأنظمة إلى الكثير من الطاقة، ولكن يجب على التأكد من راحة القاطنين. إن الحفاظ على الراحة الحرارية في الشهور الحارة أو الرطبة باستخدام التهوية الطبيعية فقط قد يكون غير ممكن، ولذلك تستخدم أنظمة تكييف الهواء المساندة. (Air-side economizers) تنجز نفس وظيفة التهوية الطبيعية، ولكنها تستخدم أنظمة مبكانيكية تشمل المراوح والمجاري والمرطبات وأنظمة التحكم لتقديم وتوزيع الهواء الخارجي البارد عندما يكون ذلك مناسبًا.
تكييف الهواء


مجاري الهواء في وحدات التكييف المركزي
يتم تكييف الهواء والتبريد بإزالة الحرارة. إن تعريف البرودة ينص على انعدام الحرارة، وجميع أنظمة تكييف الهواء تعمل على هذا المبدأ البسيط. يمكن أن تزال الحرارة بعملية الإشعاع الحراري، والتوصيل الحراري باستخدام أوساط مثل الماء، والهواء، والثلج، ومواد كيميائية تعرف بالمبردات. ولكي نزيل الحرارة من شيء ما، نحتاج ببساطة إلى ننقل هذه الحرارة إلى وسط آخر أبرد. وهذا مبدأ عمل كل مكيفات الهواء وأنظمة التبريد. تزود أنظمة تكييف الهواء، أو مكيفات الهواء المستقلة، البرودة، والتهوية، وضبط الرطوبة لجميع أجزاء المنزل أو البناء. يعطي الفريون أو المبردات الأخرى، البرودة خلال عملية تسمى دورة التبريد. تتألف دورة التبريد من أربع عناصر أساسية لإحداث تأثير التبريد. يعطي الضاغط الضغط للنظام. يسبب هذا الضغط تسخين بخار التبريد. ثم يبرد البخار المضغوط نتيجة التبادل الحراري مع الهواء الخارجي، فيتكاثف البخار إلى سائل في المكثف. يضخ بعدها هذا السائل إلى داخل المبنى، حيث يدخل المبخر. في هذا المبخر، يتم بخ سائل التبريد من فوهات رش صغيرة داخل حجرة، حيث يهبط الضغط ويتبخر السائل. تمتص عملية التبخر الحرارة من الجو المحيط، فيبرد، وبالتالي يمتص المبخر أو يضيف حرارة إلى النظام. يعاد بعدها البخار إلى الضاغط. يوجد جهاز قياس يعمل كخانق (restriction) في النظام عند المبخر لضمان أن الحرارة الممتصة من قبل النظام قد امتصت بمعدل مناسب.
تركب أنظمة تكييف الهواء المركزية غالبًا في المساكن الحديثة، والمكاتب، والأبنية العامة، ولكنها صعبة التعديل (أي تركيبها في أبنية غير مصممة لتركيبها) لأنها ذات مجاري هواء ذات أحجام كبيرة. يجب صيانة نظام المجاري بحذر لمنع نمو البكتريا الممرضة في المجاري. يمكن استخدام أنظمة مزودة بمروحة (fan coils systems) أو أنظمة مجزئة (Split systems) كبيدل للمجاري الكبيرة التي تحمل الهواء المطلوب لتسخين أو تبريد منطقة ما.
هذه الأنظمة، بالرغم من أنها تستخدم في التطبيقات السكنية، فقد اكتسبت شعبية في المباني التجارية. توصل وحدة الملف إلى وحدة تكثيف بعيدة عبر أنابيب بدلا من المجاري.
نزع رطوبة الهواء في نظام تكييف الهواء يتم بواسطة المكثف. وبما أن المكثف يعمل عند درجة حرارة تحت نقطة الندى، فإن الرطوبة تتجمع في المبخر. هذه الرطوبة المجتمعة في أرضية المبخر في صينية التجميع التي تزال بتصريفها إلى البلاعة إو إلى الخارج. نازع الرطوبة هو جهاز يشبه مكيف الهواء، يضبط رطوبة الغرفة في المباني. وتوضع عادة في الأقبية التي تتمتع برطوبة نسبية عالية بسبب درجة حرارتها المنخفضة.
تسد نوافذ المباني المكيفة بإحكام لأن النوافذ المفتوحة تؤدي إلى اضطراب عمل نظام التدفئة والتهوية والتكييف لحفظ ظروف الهواء الداخلي.
الكفاءة
نحصل على الكفاءة في دورة التبريد بإيجاد النسبة بين كمية الحرارة الممتصة في المبخر والعمل المبذول في الضاغط.