Τι είναι ο Κύκλος Ψύξης και πώς ορίζεται;

Έβελιν Μέιτ Μάριν
Βιομηχανικός Μηχανικός, MSc στη Φυσική, και EdD

Ένας κύκλος ψύξης αναφέρεται στην επαναλαμβανόμενη θερμοδυναμική διαδικασία κατά την οποία μια ουσία χρησιμοποιείται ως ψυκτικό αλλάζει φάσεις μέσω ενός κυκλώματος και η λειτουργία του είναι να απορροφά θερμότητα από ένα χώρο που θα ρυθμιστεί ώστε να απελευθερώνει θερμότητα σε έναν άλλο περιοχή. Σε αντίθεση με άλλους θερμοδυναμικούς κύκλους όπως η ισχύς, στα συστήματα που χρησιμοποιούνται για την ψύξη, ο σκοπός δεν είναι την απόκτηση ενέργειας για πώληση ή κατανάλωση, αλλά μάλλον τη θερμική ρύθμιση ενός χώρου, για παράδειγμα, α δωμάτιο.

Με ένα σχήμα λειτουργίας παρόμοιο με αυτό των κύκλων ψύξης, υπάρχουν αντλίες θερμότητας, οι οποίες, σε αντίθεση με τον αέρα Προετοιμασμένα, χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση ενός χώρου, δηλαδή για την εξαγωγή θερμότητας από το εξωτερικό περιβάλλον για την απελευθέρωση της μέσα στις επιθυμητές εγκαταστάσεις κατάσταση.

Από θεωρητική άποψη, οι κύκλοι ψύξης μπορούν να μελετηθούν λαμβάνοντας υπόψη τα συστατικά που αποτελούν το σύστημα καθώς και τα διάφορα στάδια μέσω των οποίων περνά το ψυκτικό στις διάφορες καταστάσεις. Το παρακάτω γράφημα δείχνει την ταξινόμηση των συστημάτων ψύξης:

Τύποι συστημάτων ψύξης

Βασικά συστατικά ενός κύκλου ψύξης

Σύμφωνα με το δεύτερο νόμος απο Θερμοδυναμική, η ροή θερμότητας εμφανίζεται αυθόρμητα πάντα από μια περιοχή μεγαλύτερη θερμοκρασία σε χαμηλότερη θερμοκρασία και διαφορετικά, απαιτείται κάποια συσκευή ή μηχανισμός για την εκτέλεση της διαδικασίας ψύξης. Για να γίνει αυτό, κάθε σύστημα ψύξης απαιτεί τουλάχιστον τέσσερα εξαρτήματα:

• Συμπιεστής: είναι μια συσκευή που είναι υπεύθυνη για την αύξηση της πίεσης του ψυκτικού μετά την εξάτμισή του. Υπό ιδανικές συνθήκες, η διαδικασία συμπίεσης βρίσκεται σε σταθερή εντροπία, αν και στην πράξη εμφανίζεται αύξηση της εντροπίας.

• Εξατμιστήρας: αυτό το σύστημα είναι βασικά ένας εναλλάκτης θερμότητας μέσω του οποίου κυκλοφορεί το ψυκτικό να απορροφήσει θερμότητα από τον χώρο που πρόκειται να ρυθμιστεί και κατά συνέπεια το μείγμα αλλάζει σε κατάσταση ατμός.

• Εκτονωτική βαλβίδα: ονομάζεται επίσης τριχοειδής σωλήνας ή διαστολέας. Υπό ιδανικές εκτιμήσεις, αυτή η συσκευή λειτουργεί isenthalpic (στο ενθαλπία σταθερό) και η λειτουργία του είναι να μειώνει την πίεση του ψυκτικού στη ζώνη ανάμειξης.

• Συμπυκνωτής: σχηματίζεται από ένα πηνίο από το οποίο διέρχεται το ψυκτικό σε κατάσταση ατμού, σε πίεση και θερμοκρασία υψηλότερη από τις συνθήκες στον εξατμιστή. Κατά τη διέλευση από τον συμπυκνωτή, το ψυκτικό απελευθερώνει θερμότητα στο εξωτερικό περιβάλλον και συμπυκνώνεται μέχρι να γίνει υγρό. Στην ιδανική περίπτωση, η διαδικασία του συμπύκνωση εμφανίζεται σε σταθερή πίεση, αν και στην πραγματικότητα συνήθως εκδηλώνονται πτώσεις πίεσης.

Βασικά συστατικά ενός ψυγείου

Συντελεστής Απόδοσης (COP)

Όπως ήδη αναφέρθηκε, για την εξαγωγή θερμότητας από ένα χώρο (ψύξη) και την αλλαγή φάσεων του ψυκτικού μέσου σε μια κυκλική διαδικασία, απαιτούνται συσκευές που λειτουργούν καταναλώνοντας ενέργεια (ηλεκτρικό ή καύσιμα), και αυτό αντιπροσωπεύει ένα κόστος, το οποίο θα πρέπει να προσπαθήσουμε να ελαχιστοποιήσουμε, μεγιστοποιώντας τη συνάρτηση που αναμένεται από αυτούς μέσα στον κύκλο.

Στους κύκλους ισχύος, η θερμική ή ηλεκτρική απόδοση καθορίζεται συνήθως από την απόδοση του κύκλου ή τα συστατικά του, και ως εκ τούτου, αυτή η τιμή θα πρέπει πάντα να κυμαίνεται μεταξύ 0 και 1 (σε ποσοστιαίες τιμές, θα είναι μεταξύ 0 και 100 %). Ωστόσο, στους κύκλους ψύξης, το πιο συνηθισμένο είναι αναλύει η απόδοσή του χρησιμοποιώντας ως παράμετρο αναφοράς τον συντελεστή απόδοσης, που συντομεύεται από το ακρωνύμιό του στα αγγλικά ως COP (συντελεστής απόδοσης), του οποίου η τιμή είναι σχεδόν πάντα μεγαλύτερη από τη μονάδα, είναι πάντα θετικός και καθορίζεται από το παρακάτω έκφραση:

Ιδανικός κύκλος ψύξης συμπίεσης ατμών

Με σκοπό τη μεγιστοποίηση του συντελεστή απόδοσης των κύκλων ψύξης, έχουν σχεδιαστεί διαφορετικές μέθοδοι, οι περισσότερες Η απλούστερη από αυτές είναι η ψύξη με συμπίεση ατμού, η οποία σχηματίζεται από τέσσερις καταστάσεις που φαίνονται στην επόμενη εικόνα):

• Μια διαδικασία ισεντροπικής συμπίεσης στον συμπιεστή (καταστάσεις 1 – 2),

• Μια διαδικασία απόρριψης θερμότητας σταθερής πίεσης στον συμπυκνωτή (καταστάσεις 2 – 3),

• Μια διαδικασία ισενθαλπικής εκτόνωσης στη βαλβίδα εκτόνωσης (καταστάσεις 3 – 4),

• Μια διαδικασία απορρόφησης θερμότητας στον εξατμιστή σε σταθερή πίεση (καταστάσεις 4 – 1).

Το παρακάτω σχηματικό δείχνει α διάγραμμα θερμοκρασίας (T) έναντι εντροπίας (s) όπου υποδεικνύονται οι διαφορετικές καταστάσεις από τις οποίες διέρχεται το ψυκτικό κατά τη διέλευσή του από τα εξαρτήματα του συστήματος για να ολοκληρωθεί ο κύκλος ψύξης με συμπίεση του ατμός:

Q_μεγάλο είναι η θερμότητα που απορροφάται από τον κλιματιζόμενο χώρο, Q_η είναι η θερμότητα που απορρίπτεται προς τα έξω και το W_συνθ αντιπροσωπεύει το έργο του συμπιεστή.

Όπως περιγράφεται, το ρευστό εργασίας στους κύκλους ψύξης είναι το ψυκτικό και υπάρχει μεγάλη ποικιλία από αυτά στην αγορά. Τα ψυκτικά έχουν εξελιχθεί και επί του παρόντος, η τάση είναι να επιλέγονται εκείνα που είναι λιγότερο ρυπογόνα, μη τοξικά και που έχουν τα χαρακτηριστικά που απαιτούνται στο σύστημα που πρόκειται να εγκατασταθεί.

Μερικοί από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους τύπους ψυκτικών

Αυτή η ομάδα ψυκτικών αποτελεί το 90% των ψυκτικών που χρησιμοποιούνται στις Ηνωμένες Πολιτείες.