Какво представлява хладилният цикъл и как се определя?

Евелин Майте Марин
Индустриален инженер, магистър по физика и EdD

Хладилният цикъл се отнася до повтарящ се термодинамичен процес, при който вещество, използвано като хладилен агент той променя фазите през верига и неговата функция е да абсорбира топлина от пространство, за да бъде кондиционирано, за да освободи топлина в друго регион. За разлика от други термодинамични цикли като мощността, в системите, използвани за охлаждане, целта не е такава получаване на енергия за продажба или потребление, а по-скоро топлинно кондициониране на пространство, например, a стая.

Със схема на работа, подобна на тази на хладилните цикли, има термопомпи, които за разлика от възд Кондиционирани, те се използват за отопление на пространство, тоест за извличане на топлина от външната среда, за да се освободи в желаните помещения състояние.

От теоретична гледна точка хладилните цикли могат да бъдат изследвани, като се вземат предвид компонентите, които съставляват системата, както и различните етапи, през които хладилният агент преминава в различните състояния. Следващата графика показва класификацията на хладилните системи:

Видове хладилни системи

Основни компоненти на хладилния цикъл

Според второто закон от Термодинамика, топлинният поток възниква спонтанно винаги от област с по-голяма температура при по-ниска температура, а в противен случай е необходимо някакво устройство или механизъм за извършване на процеса на охлаждане. За целта всяка хладилна система изисква поне четири компонента:

• Компресор: е устройство, отговорно за повишаване на налягането на хладилния агент, след като той се изпари. При идеални условия процесът на компресия е при постоянна ентропия, въпреки че на практика се получава увеличение на ентропията.

• Изпарител: тази система е основно топлообменник, през който циркулира хладилният агент да абсорбира топлината от пространството, което трябва да се кондиционира и в резултат на това сместа преминава в състояние на пара.

• Разширителен вентил: наричан още капилярна тръба или разширител. При идеални съображения това устройство работи изенталпично (при енталпия постоянно), а неговата функция е да намалява налягането на хладилния агент в зоната на смесване.

• Кондензатор: формира се от намотка, през която хладилният агент преминава в състояние на пара, при налягане и температура, по-високи от условията в изпарителя. По време на преминаването през кондензатора хладилният агент отделя топлина във външната среда и кондензира, докато стане течност. В идеалния случай процесът на кондензация възниква при постоянно налягане, въпреки че в действителност обикновено се проявяват спадове на налягането.

Основни компоненти на хладилника

Коефициент на ефективност (COP)

Както вече споменахме, за извличане на топлина от пространство (охлаждане) и извършване на фазите на смяна на хладилния агент в цикличен процес, са необходими устройства, които работят с консумация енергия (електрически или гориво), и това представлява цена, която трябва да се опита да бъде сведена до минимум, максимизирайки функцията, която се очаква от тях в рамките на цикъла.

В енергийните цикли топлинната или електрическата ефективност обикновено се определя от ефективността на цикъла или неговите компоненти и като такава тази стойност винаги трябва да варира между 0 и 1 (в процентно изражение тя ще бъде между 0 и 100 %). Въпреки това, в хладилните цикли, най-често срещаният е анализирам неговата производителност, използвайки като референтен параметър коефициента на ефективност, съкратен от акронима си на английски като COP (коефициент на ефективност), чиято стойност почти винаги е по-голяма от единица, винаги е положителна и се определя от следния израз:

Идеален хладилен цикъл с компресия на пара

С цел максимизиране на коефициента на ефективност на хладилните цикли са проектирани различни методи, най-много Най-простият от тях е охлаждането с компресия на пара, което се формира от четири състояния, които са показани в следващия изображение):

• Изентропичен процес на компресия в компресора (състояния 1 – 2),

• Процес на отхвърляне на топлина с постоянно налягане в кондензатора (състояния 2 – 3),

• Изенталпичен процес на разширение в разширителния вентил (състояния 3 – 4),

• Процес на поглъщане на топлина в изпарителя при постоянно налягане (състояния 4 – 1).

Следващата схема показва a диаграма на температура (T) спрямо ентропия (s), където са посочени различните състояния, през които хладилният агент преминава по време на преминаването му през компонентите на системата за завършване на цикъла на охлаждане чрез компресиране на пара:

Q_Л е топлината, абсорбирана от кондиционираното пространство, Q_ч е топлината, отхвърлена навън и W_комп представя работата на компресора.

Както беше описано, работният флуид в хладилните цикли е хладилният агент и на пазара има голямо разнообразие от тях. Хладилните агенти са еволюирали и в момента тенденцията е да се избират тези, които са по-малко замърсяващи, нетоксични и които имат характеристиките, изисквани в системата, която трябва да бъде инсталирана.

Някои от най-често използваните видове хладилни агенти

Тази група хладилни агенти съставлява 90% от хладилните агенти, използвани в Съединените щати.