Was ist der Kältekreislauf und wie ist er definiert?

Evelyn Maitee Marin
Wirtschaftsingenieur, MSc in Physik und EdD

Ein Kältekreislauf bezieht sich auf den sich wiederholenden thermodynamischen Prozess, bei dem eine Substanz als Kältemittel verwendet wird Es ändert die Phasen durch einen Kreislauf, und seine Funktion besteht darin, Wärme aus einem zu klimatisierenden Raum zu absorbieren, um Wärme in einem anderen freizusetzen Region. Im Gegensatz zu anderen thermodynamischen Zyklen wie Strom ist der Zweck in Systemen, die zur Kühlung verwendet werden, nicht Gewinnung von Energie zum Verkauf oder Verbrauch, sondern die thermische Konditionierung eines Raumes, z. B. a Zimmer.

Mit einem Betriebsschema ähnlich dem von Kältekreisläufen gibt es Wärmepumpen, die im Gegensatz zu Luft Klimatisiert werden sie zum Heizen eines Raums verwendet, dh um Wärme aus der Außenumgebung zu extrahieren, um sie in den gewünschten Räumlichkeiten abzugeben Zustand.

Aus theoretischer Sicht können Kältekreisläufe unter Berücksichtigung der Komponenten untersucht werden bilden das System sowie die verschiedenen Stufen, die das Kältemittel in den verschiedenen Zuständen durchläuft. Die folgende Grafik zeigt die Klassifizierung von Kälteanlagen:

Arten von Kühlsystemen

Grundkomponenten eines Kältekreislaufs

Nach dem zweiten Gesetz des Thermodynamik, tritt der Wärmestrom spontan immer aus einem größeren Bereich auf Temperatur bei einer niedrigeren Temperatur, und ansonsten ist eine Vorrichtung oder ein Mechanismus erforderlich, um den Kühlprozess durchzuführen. Dazu benötigt jede Kälteanlage mindestens vier Komponenten:

• Kompressor: ist ein Gerät, das dafür verantwortlich ist, den Druck des Kältemittels zu erhöhen, sobald es verdampft ist. Unter idealen Bedingungen ist der Kompressionsvorgang bei konstanter Entropie, obwohl in der Praxis eine Zunahme der Entropie auftritt.

• Verdampfer: Dieses System ist im Grunde ein Wärmetauscher, durch den das Kältemittel zirkuliert Wärme aus dem zu klimatisierenden Raum zu absorbieren und als Folge ändert sich das Gemisch in einen Zustand von Dampf.

• Expansionsventil: auch Kapillarrohr oder Expander genannt. Unter Idealbedingungen arbeitet dieses Gerät isenthalpisch (at Enthalpie konstant), und seine Funktion besteht darin, den Kältemitteldruck in der Mischzone zu verringern.

• Kondensator: Er besteht aus einer Spule, durch die das Kältemittel in Dampfform bei einem Druck und einer Temperatur strömt, die höher sind als die Bedingungen im Verdampfer. Während des Durchgangs durch den Kondensator gibt das Kältemittel Wärme an die äußere Umgebung ab und kondensiert, bis es flüssig wird. Idealerweise ist der Prozess der Kondensation es tritt bei konstantem Druck auf, obwohl sich in Wirklichkeit normalerweise Druckabfälle manifestieren.

Grundkomponenten eines Kühlschranks

Leistungskoeffizient (COP)

Um einem Raum Wärme zu entziehen (zu kühlen) und das Kältemittel in einem Kreisprozess die Phasen wechseln zu lassen, sind, wie bereits erwähnt, Geräte erforderlich, die aufwendig arbeiten Energie (elektrisch bzw Kraftstoff), und dies stellt einen Aufwand dar, der zu minimieren versucht werden sollte, um die Funktion zu maximieren, die von ihnen innerhalb des Zyklus erwartet wird.

Bei Leistungskreisläufen wird die thermische oder elektrische Leistung üblicherweise aus dem Wirkungsgrad des Kreisprozesses oder bestimmt seiner Bestandteile, daher sollte dieser Wert immer zwischen 0 und 1 liegen (prozentual wäre er zwischen 0 und 100 %). Am gebräuchlichsten ist es jedoch in Kühlkreisläufen analysieren seine Leistung unter Verwendung des Leistungskoeffizienten, abgekürzt mit seinem Akronym im Englischen als COP, als Referenzparameter (Leistungszahl), deren Wert fast immer größer als Eins ist, ist immer positiv und wird aus der ermittelt folgender Ausdruck:

Idealer Dampfkompressionskältekreislauf

Mit dem Ziel, den Leistungskoeffizienten der Kältekreisläufe zu maximieren, wurden die meisten unterschiedlichen Verfahren entwickelt Die einfachste davon ist die Dampfkompressionskühlung, die durch vier Zustände gebildet wird, die im Folgenden gezeigt werden Bild):

• ein isentroper Verdichtungsprozess im Verdichter (Zustände 1 – 2),

• Ein Wärmeabgabeprozess mit konstantem Druck im Kondensator (Zustände 2 – 3),

• ein isenthalpischer Expansionsvorgang im Expansionsventil (Zustände 3 – 4),

• Ein Wärmeaufnahmeprozess im Verdampfer bei konstantem Druck (Zustände 4 – 1).

Das folgende Schema zeigt a Diagramm von Temperatur (T) vs. Entropie (s), wobei die verschiedenen Zustände angezeigt werden, die das Kältemittel durchläuft während seines Durchgangs durch die Systemkomponenten, um den Kältekreislauf durch Kompression zu vervollständigen Dampf:

Q_L ist die vom klimatisierten Raum absorbierte Wärme Q_H ist die nach außen abgegebene Wärme und W_Komp stellt die Arbeit des Kompressors dar.

Wie beschrieben, ist das Arbeitsmedium in den Kühlkreisläufen das Kältemittel, und es gibt eine große Vielfalt davon auf dem Markt. Kältemittel haben sich weiterentwickelt, und derzeit geht der Trend dahin, sich für solche zu entscheiden, die weniger umweltschädlich und ungiftig sind und die Eigenschaften aufweisen, die für das zu installierende System erforderlich sind.

Einige der am häufigsten verwendeten Arten von Kältemitteln

Diese Gruppe von Kältemitteln macht 90 % der in den Vereinigten Staaten verwendeten Kältemittel aus.