در سری آموزش های مهندسی مکانیک در تیم علمی و آموزشی دایا قصد داريم در مورد چرخه کارنو و معکوس آن توضيحاتي را ارئه دهيم .

مقدمه ای بر چرخه کارنو:

چرخه کارنو يک چرخه کاملا برگشت پذير مي باشد که شامل دو فرايند برگشت پذير هم دما و دو فرايند آيزنتروپيک است . اين چرخه داراي بيشترين بازده حرارتي براي محدوده معين دمايي را دارا مي باشد . چرخه کارنو يک چرخه بسيار مفيد براي مقايسه با سيستم هاي واقعي توان و همچنين مطالعه چرخه هاي توان بخاري و گازي مي باشد .

لازم به ذکر است که چرخه کارنو يک چرخه کاملا برگشت پذير است به طوري که تمام چهار فرايند موجود در اين چرخه مي تواند در خلاف مسير اوليه معکوس شوند . در نتيجه اين معکوس شدن فرايند ، چرخه معکوس کارنو به وجود مي آيد که در آن جهت هاي کار و گرما عکس حالت اوليه هستند . به سردکن يا پمپ حرارتي که براساس چرخه معکوس کارنو کار ميکند سرد کن کارنو و مبدل حرارتي کارنو گفته مي شود .

لازم است که قبل از توضيح درباره اين چرخه ، درباره برخي اصطلاحات استفاده شده در متن توضيحاتي داده شود تا خواننده کاملا درک کاملي از مطالب داشته باشد :

اصطلاحات مهم مقاله:

چرخه هاي توان : دو هدف بسيار مهم ترموديناميک توليد نيرو و سرمايش است . هر دو اين اهداف از سيستم هايي به دست مي آيند که به آن چرخه هاي توان گفته مي شود .

چرخه هاي تبريد يا سرمايش : به چرخه اي که تجهيزات سرد سازي مانند يخچال و پمپ حرارتي از آنها براي سرد سازي استفاده ميکنند چرخه تبريد گفته مي شود .

فرآيند آيزنتروپيک : فرايندي که مقدار آنتروپي موجود در آن صفر باشد .

بازده حرارتي : نسبت مقدار انرژي ورودي به انرژي کل داده شده به سيستم .

چرخه توان بخار : چرخه اي که سيال عامل داخل آن در طول فرايند تقطير يا تبخير مي شود .

چرخه توان گازي : چرخه اي که سيال عامل در آن در طول فرايند به صورت گازي مي ماند .

سيال عامل : سيالي که داخل چرخه به گردش در آمده و عامل تبادل انرژي است.

ناحيه اشباع : ناحيه اي که در آن سيال در آستانه تبديل از حالتي به حالت ديگر است .

مبرد يا سرد کننده : ماده اي است به صورت گاز يا مايع که سيستم هاي تبريد براي کاهش دماي سطحي مشخص ( سرد کننده ) عمل ميکند .

کندانسور : دستگاهي است که سيال را از حالت گاز به مايع تبديل ميکند .

کمپرسور : وسيله اي است که با ايجاد اختلاف فشار لازم سيال عامل را از طرفي به طرف ديگر انتقال دهد .

ضرايب عملکرد : ضريبي است براي مشخص کردن راندمان و بازده سيستم هاي سرمايشي و گرمايشي .

حال يک چرخه معکوس را که در ناحيه اشباع را در نظر بگيريد ( همانند شکل 1 ).

مبرد مقدار حرارت Q_L را به صورت همدما از يک منبع با دماي پايين در T_L ( فرايند 2-1 )

دريافت کرده و سپس به صورت آنتروپي ثابت به حالت 3 متراکم مي شود که در جا دما به T_H افزايش مي يابد . سپس همين مبرد مقدار حرارت Q_H را به يک دريافت کننده با دماي بالا ( T_H ) ميدهد و در آخر نيز به صورت آنتروپي ثابت به حالت 1 انبساط مي يابد که در طي اين انبساط ، دما نيز به T_L کاهش پيدا مي کند . لازم به ذکر است که در طي فرايند 4-3 درون کندانسور مبرد از حالت بخار اشباع به حالت مايع اشباع تغيير مي کند .

در پايين مي توانيم ضرايب عملکرد سرد کن کارنو و منبع حرارتي را ببينيم .

در عمل رسيدن به دو فرايند هم دما چندان مشکل نيست زيرا با ثابت نگه داشتن فشار به صورت خودکار مي توانيم دماي دو فاز مخلوط در مقدار اشباع را ثابت نگه داريم.

بنابراين دو فرايند 2-1 و 4-3 را مي توان با تقريب خوبي در اواپراتور و کنداسور اجرا کرد اما فرايند هاي 3-2 و 1-4 به سادگي انجام پذير نيست. زيرا فرايند 3-2 شامل يک تراکم بخار – مايع مي باشد که نيازمند يک کمپرسور است که در دو فاز توانايي توانايي انجام کار داشته باشد!

از طرفي فرايند 4-1 نيز شامل انبساط مبرد با مقدار مايع بالا است. چرخه کارنو با وجود اينکه يکي از کارآمد ترين چرخه هاي سرد سازي بين دو دما مشخص مي باشد ولي به دلايل ذکر شده براي چرخه هاي سردسازي مدل نامناسبي مي باشد. البته به نظر مي رسد که مي توان با اجراي چرخه معکوس کارنو در بيرون از ناحيه اشباع اين مشکلات را برطرف کرد اما بايد در اين حالت نيز به اين نکته توجه داشت که براي ايجاد و نگهداري شرايط لازم براي فرايند هاي جذب و پخش حرارت به صورت هم دما به مشکل خواهيم خورد.

بنابراين چرخه کارنو در واقعيت توان پياده سازي نداشته و يک مدل واقع گرايانه نيست اما از چرخه معکوس کارنو مي توان به عنوان يک معيار مناسب براي مقايسه چرخه هاي واقعي استفاده نمود.