به خواننده عزيز پيشنهاد مي شود قبل از خواندن اين مطلب، پست مربوط به چرخه معکوس کارنو را مطالعه فرمایید.

چرخه ايده آل تبريد تراکمي بخار

بسياري از مشکلات مربوط يه غير عملي بودن چرخه معکوس کارنو را مي توان با تبخير مبرد ، به طور کامل با گذاشتن يک وسيله انبساط همانند يک شير انبساط و يا لوله مويين به جاي توربين ، قبل از تراکم مبرد حل کرد . چرخه حاصل چرخه تبريد تراکمي بخار ناميده مي شود . چرخه تبريد تراکمي بخار وسيعترين کاربرد را در يخچال ها ، سيستم هاي تهويه هوا و مبدل هاي حرارتي دارند . در شکل هاي زير نمايي از نمودار T-S و همچنين شکل شماتيک اين چرخه نشان داده شده است .

با توجه به نمودار بالا اين چرخه را مي توان به چهار قسمت تقسيم بندي کرد :

1 – جذب حرارت در فشار ثابت در اواپراتور ( سرد کننده )

2 – تراکم آيزنتروپيک ( آنتروپي ثابت ) در کمپرسور

3 – دفع حرارت در فشار ثابت در کندانسور

4 – خفقان در يک وسيله انبساط

در يک چرخه ايده آل تبريد تراکمي بخار، مبرد در فرايند 1 به صورت بخار اشباع وارد کمپرسور مي شود و به صورت آيزنتروپيک به فشار کندانسور تراکم مي يابد. دماي مبرد در طي اين فرايند تراکمي آنتروپي ثابت به حد کافي بالاتر از دماي محيط اطراف مثلا هواي اتمسفر افزايش مي يابد. مبرد به صورت بخار سوپر هيت ( مافوق گرم ) در حالت 2 وارد کندانسور مي شود و در نتيجه دادن حرارت به محيط اطراف به صورت مايع اشباع در حالت 3 ،آن را ترک مي کند.

مبرد به صورت مايع اشباع در حالت 3 با عبور از يک شير انبساط يا لوله مويين به فشار اواپراتور خفقان مي يابد . دماي مبرد در اين حالت به زير دماي فضاي سرد شده افت مي کند . مبرد در حالت 4 به صورت يک مخلوط اشباع با کيفيت پايين وارد اواپراتور مي شود و با جذب حرارت از فضاي سرد شده کاملا تبخير مي شود . مبرد ، اواپراتور را به صورت بخار اشباع ترک مي کند و با وارد شدن به کمپرسور چرخه را تکميل مي نمايد .

در يک يخچال خانگي قسمت سرد کننده که حرارت در آن به وسيله مبرد جذب مي شود ، نقش اواپراتور را ايفا مي کند . لوله هاي مارپيچي شکل در پشت يخچال که از آنها حرارت به هواي آشپزخانه وارد مي شود ، نقش کندانسور را دارد .

به ياد داشته باشيد که سطح زير منحني در نمودار T-S نشان دهنده حرارت انتقالي براي فرايند هاي برگشت پذير داخلي است . سطح زير فرايند 1 – 4 نشانگر حرارت جذب شده در کندانسور مي باشد . يک قاعده معمول اين است که COP ، براي هر ^OC که دماي اواپراتور افزايش يا دماي کندانسور کاهش مي يابد ، به اندازه 2 تا 4 درصد افزايش مي يابد .

نمودار ديگري که در تحليل چرخه هاي تبريد تراکمي بسيار استفاده مي شود نمودار P-h است که در پايين نشان داده شده است . در اين نمودار سه فرايند از چهار فرايند به صورت خط راست ظاهر مي شوند ؛ ور انتقال حرارت در کندانسور و اواپراتور با طولهاي منحني هاي فرايند متناسب است .

بايد توجه داشت که چرخه تبريد تراکمي بر خلاف ديگر چرخه هاي ايده آل يک چرخه برگشت پذير داخلي نيست. زيرا شامل يک فرايند بازگشت ناپذير ( خفقان يا دريچه اي مي باشد ) . اين فرايند در چرخه هاي گذاشته مي شود تا مدل واقعي تري از چرخه تبريد تراکمي واقعي بخار باشد . اگر وسيله انبساط خفقان با توربين ايزنتروپيک جايگزين شد مبرد در حالت جديد فرايند 4 وارد اواپراتور مي شد ؛

در نتيجه ظرفيت تبريد افزايش مي يافت . ( به اندازه سطح زير منحني ^–4 – 4 ) ، و کار خالص ورودي کاهش مي يافت ( به اندازه کار خروجي توربين ) . اما جايگزين کردن يک شير انبساط با يک توربين عملي نيست زيرا فوايد اضافه شده نميتوانند پيچيدگي و هزينه اضافي حاصل از اين جابه جايي را جبران کنند .

تمام چهار فرايند مربوط به چرخه تبريد تراکمي بخار وسايل جريان پايدار مي باشند و لذا هر چهار فرايندي که چرخه را تشکيل مي دهند ، مي توان به عنوان فرايند هاي جريان پايدار تحليل کرد . تغييرات انرژي جنبشي و پتانسيل مبرد در مقايسه با عبارات کار و حرارت معمولا کوچک مي باشند . لذا مي توان از آنها صرفنظر کرد .  پس معادله جريان انرژي يکنواخت بر مبناي واحد جرم به صورت زير مي باشد :

کندانسور و اواپراتور هيچ نوع کاري را شامل نمي شوند و کمپرسور را مي توان تقريبا آدياباتيک در نظر گرفت. در نتيجه COP هاي سرد کن ها و پمپ هاي حرارتي را که براساس چرخه تبريد تراکمي بخار کار مي کنند مي توانند به صورت زير بيان گردد :

که در آن h₃=h_f@P3 , h₁=h_g@P1 براي حالت ايده آل مي باشد.

سابقه تبريد تراکمي به سال 1834 بر ميگردد. زماني که ژاکوپ پرکينز انگليسي ماشين يخ سازي با چرخه بسته را اختراع کرد . او از اتر يا ديگر مواد فرار به عنوان ماده مبرد استفاده مي کرد . يک نمونه عملي از اين دستگاه ساخته شد اما هيچ گاه به صورت تجاري و انبوه توليد نشد . در سال 1850 الکساندر توينينگ ماشين هاي يخ سازي تراکمي بخاري را طراحي کرد و ساخت که در سيستمهاي تبريدشان از اتيل الکل که اقتصادي تر بود استفاده مي شد . در ابتدا سيستمهاي تبريد تراکمي بخار بزرگ بودند و صرفا براي يخ سازي نوشابه سازي و سردخانهخ ها مورد استفاده قرار مي گرفتند . آهنا فاقد کنترل اتوماتيک بودند و به وسيله موتور هاي بخار کار مي کردند . در سالهاي 1890 جايگزيني موتور هاي الکتريکي کوچک که مجهز به کنترل اتوماتيک بودند با واحد هاي قديمي آغاز شد و کم کم سيستمهاي سرد کن به خانه ها و قصابيها راه يافتند . در سال 1930 ادامه پيشرفت ها اين امکان را فراهم ساخت که سيستم هاي تبريد تراکمي بخار را به صورت کاري تر ، مطمئن تر ، کوچکتر و ارزانتر در اختيار داشته باشيم .

منبع: کتاب علم ترموديناميک : رهيافتي در علم مهندسي نوشته يونس سنجل