Co to jest cykl chłodniczy i jak się go definiuje?

Evelyn Maitee Marin
Inżynier przemysłowy, magister fizyki i EdD

Cykl chłodniczy odnosi się do powtarzalnego procesu termodynamicznego, w którym substancja jest używana jako czynnik chłodniczy zmienia fazy w obwodzie, a jego funkcją jest pochłanianie ciepła z pomieszczenia, które ma być klimatyzowane, w celu oddania ciepła w innym region. W przeciwieństwie do innych cykli termodynamicznych, takich jak zasilanie, w systemach stosowanych w chłodnictwie cel nie jest pozyskiwanie energii na sprzedaż lub konsumpcję, a raczej termiczne klimatyzowanie przestrzeni, np pokój.

Ze schematem działania podobnym do cykli chłodniczych istnieją pompy ciepła, które w przeciwieństwie do powietrza Kondycjonowane służą do ogrzewania pomieszczeń, czyli do wydobywania ciepła z otoczenia zewnętrznego w celu oddawania go wewnątrz pomieszczeń stan: schorzenie.

Z teoretycznego punktu widzenia cykle chłodnicze można badać, biorąc pod uwagę komponenty, które je tworzą składają się na system, jak również różne etapy, przez które przechodzi czynnik chłodniczy w różnych stanach. Poniższy wykres przedstawia klasyfikację systemów chłodniczych:

Rodzaje systemów chłodniczych

Podstawowe elementy cyklu chłodniczego

Według drugiego prawo z Termodynamika, przepływ ciepła zachodzi spontanicznie zawsze z obszaru większego temperatura w niższej temperaturze, a poza tym do przeprowadzenia procesu chłodzenia wymagane jest jakieś urządzenie lub mechanizm. Aby to zrobić, każdy system chłodniczy wymaga co najmniej czterech elementów:

• Sprężarka: jest urządzeniem odpowiedzialnym za zwiększenie ciśnienia czynnika chłodniczego po jego odparowaniu. W idealnych warunkach proces kompresji przebiega ze stałą entropią, chociaż w praktyce następuje wzrost entropii.

• Parownik: ten system jest zasadniczo wymiennikiem ciepła, przez który krąży czynnik chłodniczy absorbować ciepło z klimatyzowanej przestrzeni, w wyniku czego mieszanina przechodzi w stan para.

• Zawór rozprężny: zwany także rurką kapilarną lub ekspanderem. Przy idealnych rozważaniach to urządzenie działa izentalpicznie (at entalpia stała), a jej zadaniem jest obniżenie ciśnienia czynnika chłodniczego w strefie mieszania.

• Skraplacz: składa się z wężownicy, przez którą czynnik chłodniczy przepływa w postaci pary, pod ciśnieniem iw temperaturze wyższej niż panujące w parowniku. Podczas przejścia przez skraplacz czynnik chłodniczy oddaje ciepło do otoczenia zewnętrznego i skrapla się, aż stanie się cieczą. Idealnie, proces kondensacja występuje przy stałym ciśnieniu, chociaż w rzeczywistości zwykle występują spadki ciśnienia.

Podstawowe elementy lodówki

Współczynnik wydajności (COP)

Jak już wspomniano, do odbioru ciepła z pomieszczenia (chłodzenia) i spowodowania cyklicznej zmiany faz czynnika chłodniczego potrzebne są urządzenia zużywające energia (elektryczne lub paliwo), a to oznacza koszt, który należy starać się minimalizować, maksymalizując oczekiwaną od nich funkcję w cyklu.

W cyklach zasilania wydajność cieplna lub elektryczna jest zwykle określana na podstawie wydajności cyklu lub jego składowych i jako taka wartość ta powinna zawsze mieścić się w przedziale od 0 do 1 (w procentach będzie to przedział od 0 do 100 %). Jednak w cyklach chłodniczych najczęściej występuje analizować jego wydajność przy użyciu jako parametru odniesienia współczynnika wydajności, w skrócie jego akronimem w języku angielskim jako COP (współczynnik wydajności), którego wartość jest prawie zawsze większa od jedności, jest zawsze dodatnia i jest wyznaczana z następujące wyrażenie:

Idealny cykl chłodniczy ze sprężaniem pary

W celu maksymalizacji współczynnika wydajności obiegów chłodniczych zaprojektowano różne metody, z których najbardziej Najprostszym z nich jest chłodzenie ze sprężaniem pary, które składa się z czterech stanów pokazanych poniżej obraz):

• Izentropowy proces sprężania w sprężarce (stany 1 – 2),

• Proces stałego ciśnieniowego oddawania ciepła w skraplaczu (stany 2 – 3),

• Izentalpiczny proces rozprężania w zaworze rozprężnym (stany 3 – 4),

• Proces pochłaniania ciepła w parowniku przy stałym ciśnieniu (stany 4 – 1).

Poniższy schemat przedstawia a diagram temperatury (T) vs entropia (s), gdzie wskazane są różne stany, przez które przechodzi czynnik chłodniczy podczas jego przechodzenia przez elementy systemu, aby zakończyć cykl chłodzenia przez sprężanie para:

Q_Ł jest ciepłem pochłoniętym z klimatyzowanej przestrzeni, Q_H to ciepło odprowadzane na zewnątrz, a W_komp reprezentuje pracę sprężarki.

Jak opisano, płynem roboczym w obiegach chłodniczych jest czynnik chłodniczy, którego na rynku jest bardzo dużo. Czynniki chłodnicze ewoluowały i obecnie istnieje tendencja do wybierania tych, które są mniej zanieczyszczające, nietoksyczne i mają właściwości wymagane w instalowanym systemie.

Niektóre z najczęściej używanych rodzajów czynników chłodniczych

Ta grupa czynników chłodniczych stanowi 90% czynników chłodniczych stosowanych w Stanach Zjednoczonych.