Vad är kylcykeln och hur definieras den?

Evelyn Maitee Marin
Industriingenjör, MSc i fysik och EdD

En kylcykel hänvisar till den repetitiva termodynamiska processen där ett ämne används som köldmedium den ändrar faser genom en krets, och dess funktion är att absorbera värme från ett utrymme som ska konditioneras för att frigöra värme i ett annat område. Till skillnad från andra termodynamiska cykler som kraft, i system som används för kylning, är syftet inte det erhålla energi för försäljning eller konsumtion, utan snarare termisk konditionering av ett utrymme, till exempel en rum.

Med ett driftschema som liknar det för kylcykler finns det värmepumpar, som till skillnad från luft Konditionerade används de för att värma ett utrymme, det vill säga att extrahera värme från den yttre miljön för att frigöra den inuti önskade lokaler skick.

Ur en teoretisk synvinkel kan kylcykler studeras med tanke på komponenterna som utgör systemet såväl som de olika stegen genom vilka köldmediet går igenom i de olika tillstånden. Följande graf visar klassificeringen av kylsystem:

Typer av kylsystem

Grundläggande komponenter i en kylcykel

Enligt den andra lag av Termodynamikvärmeflödet sker spontant alltid från ett område som är större temperatur vid en lägre temperatur, och annars krävs någon anordning eller mekanism för att utföra kylningsprocessen. För att göra detta kräver alla kylsystem minst fyra komponenter:

• Kompressor: är en anordning som ansvarar för att öka trycket på köldmediet när det har avdunstat. Under ideala förhållanden är kompressionsprocessen vid konstant entropi, även om i praktiken en ökning av entropin inträffar.

• Förångare: detta system är i grunden en värmeväxlare genom vilken köldmediet cirkulerar att absorbera värme från utrymmet som ska konditioneras och som en konsekvens ändras blandningen till ett tillstånd av ånga.

• Expansionsventil: även kallad kapillärrör eller expander. Under idealiska överväganden fungerar denna enhet isenthalpic (kl entalpi konstant), och dess funktion är att minska köldmedietrycket i blandningszonen.

• Kondensor: den bildas av en spole genom vilken köldmediet passerar i ångtillstånd, vid ett tryck och en temperatur som är högre än förhållandena i förångaren. Under passagen genom kondensorn avger köldmediet värme till den yttre miljön och kondenserar tills det blir en vätska. Helst processen av kondensation det sker vid konstant tryck, även om tryckfall i verkligheten vanligtvis manifesteras.

Grundläggande komponenter i ett kylskåp

Prestandakoefficient (COP)

Som redan nämnts, för att utvinna värme från ett utrymme (svalt) och få köldmediet att byta faser i en cyklisk process, krävs anordningar som arbetar förbrukande energi (elektrisk eller bränsle), och detta representerar en kostnad som bör försökas minimeras, vilket maximerar den funktion som förväntas av dem inom cykeln.

I effektcykler bestäms vanligtvis den termiska eller elektriska prestandan från cykelns effektivitet eller dess komponenter, och som sådant bör detta värde alltid ligga mellan 0 och 1 (i procentuella termer skulle det vara mellan 0 och 100 %). Men i kylcykler är det vanligaste analysera dess prestanda med användning av prestandakoefficienten som referensparameter, förkortad med dess akronym på engelska som COP (prestationskoefficient), vars värde nästan alltid är större än enhet, är alltid positiv och bestäms utifrån följande uttryck:

Idealisk kylcykel med ångkompression

I syfte att maximera prestandakoefficienten för kylcyklerna har olika metoder utformats, de mest Den enklaste av dessa är ångkompressionskylning, som bildas av fyra tillstånd som visas i nästa bild):

• En isentropisk kompressionsprocess i kompressorn (tillstånd 1 – 2),

• En konstant tryckvärmeavvisningsprocess i kondensorn (tillstånd 2 – 3),

• En isentalpisk expansionsprocess i expansionsventilen (tillstånd 3 – 4),

• En värmeabsorptionsprocess i förångaren vid konstant tryck (tillstånd 4 – 1).

Följande schema visar en diagram av temperatur (T) vs entropi (s) där de olika tillstånden genom vilka köldmediet passerar indikeras under dess passage genom systemkomponenterna för att slutföra kylcykeln genom komprimering av ånga:

Q_L är värmen som absorberas från det konditionerade utrymmet, Q_h är värmen avvisad till utsidan och W_komp representerar kompressorns arbete.

Som beskrivits är arbetsvätskan i kylcyklerna köldmediet, och det finns en stor variation av dem på marknaden. Köldmedier har utvecklats, och för närvarande är trenden att välja de som är mindre förorenande, giftfria och som har de egenskaper som krävs i systemet som ska installeras.

Några av de mest använda typerna av köldmedier

Denna grupp av köldmedier utgör 90 % av de köldmedier som används i USA.