Mis on külmutustsükkel ja kuidas seda määratletakse?

Evelyn Maitee Marin
Tööstusinsener, MSc füüsikas ja EdD

Jahutustsükkel viitab korduvale termodünaamilisele protsessile, milles ainet kasutatakse külmutusagensina see muudab ahela kaudu faase ja selle ülesanne on neelata soojust konditsioneeritavast ruumist, et eraldada soojust teises piirkond. Erinevalt teistest termodünaamilistest tsüklitest, nagu võimsus, ei ole külmutussüsteemides eesmärk energia hankimine müügiks või tarbimiseks, vaid pigem ruumi termiline konditsioneerimine, näiteks a tuba.

Külmutustsüklitega sarnase tööskeemiga on soojuspumbad, mis erinevalt õhust Konditsioneerituna kasutatakse neid ruumi soojendamiseks, st väliskeskkonnast soojuse eraldamiseks, et see soovitud ruumidesse vabastada tingimus.

Teoreetilisest vaatenurgast saab külmutustsükleid uurida, võttes arvesse komponente, mis moodustavad süsteemi ning ka erinevad etapid, mille kaudu külmutusagens erinevates olekutes läbib. Järgmine graafik näitab külmutussüsteemide klassifikatsiooni:

Külmutussüsteemide tüübid

Külmutustsükli põhikomponendid

Teise järgi seadus selle Termodünaamika, soojusvoog toimub spontaanselt alati suuremast piirkonnast temperatuuri madalamal temperatuuril ja muul juhul on jahutusprotsessi läbiviimiseks vaja mõnda seadet või mehhanismi. Selleks on iga jahutussüsteemi jaoks vaja vähemalt nelja komponenti:

• Kompressor: on seade, mis vastutab külmutusagensi rõhu suurendamise eest, kui see on aurustunud. Ideaalsetes tingimustes on tihendusprotsess konstantse entroopia juures, kuigi praktikas toimub entroopia suurenemine.

• Aurusti: see süsteem on põhimõtteliselt soojusvaheti, mille kaudu külmutusagens ringleb neelama konditsioneeritavast ruumist soojust ja selle tulemusena muutub segu olekusse aur.

• Paisuventiil: nimetatakse ka kapillaartoruks või ekspanderiks. Ideaalsetel kaalutlustel töötab see seade isenthalpic (at entalpia konstantne) ja selle ülesanne on vähendada külmutusagensi rõhku segamistsoonis.

• Kondensaator: selle moodustab spiraal, mille kaudu kulgeb külmutusagens auru kujul, rõhul ja temperatuuril, mis on kõrgem kui aurusti tingimustes. Kondensaatori läbimise ajal eraldab külmutusagens soojust väliskeskkonda ja kondenseerub, kuni see muutub vedelikuks. Ideaalis protsess, kondensatsioon see toimub konstantsel rõhul, kuigi tegelikkuses avalduvad tavaliselt rõhulangused.

Külmkapi põhikomponendid

Toimivuskoefitsient (COP)

Nagu juba mainitud, on ruumist soojuse eraldamiseks (jahedaks) ja külmutusagensi vahetamise faaside tegemiseks tsüklilises protsessis vaja seadmeid, mis töötavad tarbivalt. energiat (elektriline või kütust) ja see kujutab endast kulusid, mida tuleks püüda minimeerida, maksimeerides neilt tsükli jooksul eeldatavat funktsiooni.

Võimsustsüklites määratakse soojus- või elektriline jõudlus tavaliselt tsükli kasuteguri või selle komponendid ja sellisena peaks see väärtus alati jääma vahemikku 0 kuni 1 (protsentides oleks see vahemikus 0 kuni 100 %). Külmutustsüklites on aga kõige levinum analüüsida selle jõudlus, kasutades võrdlusparameetrina jõudluskoefitsienti, mida inglise keeles lühendatakse selle akronüümiga COP (jõudluskoefitsient), mille väärtus on peaaegu alati suurem kui ühtsus, on alati positiivne ja määratakse kindlaks järgmine väljend:

Ideaalne aurukompressiooniga külmutustsükkel

Külmutustsüklite jõudlusteguri maksimeerimiseks on välja töötatud erinevad meetodid, kõige rohkem Lihtsaim neist on aurukompressioonjahutus, mille moodustavad neli olekut, mis on näidatud järgmises pilt):

• isentroopiline kokkusurumisprotsess kompressoris (olekud 1–2),

• Kondensaatoris pideva rõhuga soojuse hülgamise protsess (olekud 2–3),

• isentalpiline paisumisprotsess paisuventiilis (olekud 3–4),

• Soojuse neeldumisprotsess aurustis konstantsel rõhul (olekud 4–1).

Järgmine skeem näitab a diagramm temperatuur (T) vs entroopia (s), kus on näidatud erinevad olekud, millest külmutusagens läbib selle läbimise ajal süsteemi komponentidest, et lõpetada jahutustsükkel kokkusurumisega aur:

K_L on konditsioneeritud ruumist neeldunud soojus, Q_h kas soojus lükatakse väljapoole ja W_komp esindab kompressori tööd.

Nagu kirjeldatud, on külmutustsüklite töövedelikuks külmutusagens ja neid on turul väga palju. Külmutusagensid on arenenud ja praegu on suund valida vähem saastavate, mittetoksiliste ja paigaldatavas süsteemis nõutavate omadustega.

Mõned kõige sagedamini kasutatavad külmutusagensi tüübid

See külmutusagensirühm moodustab 90% Ameerika Ühendriikides kasutatavatest külmutusagensidest.