تبريد يکي از موارد مهم کاربرد علم ترموديناميک است و در طي آن انتقال گرما از ناحيه دما پايين به ناحيه دما بالا انتقال مي يابد. به وسايلي که عمل تبريد در آنها صورت مي گيرد يخچال يا پمپ گرما گويند و سيکل هايي اجزاي آن بر اين مبنا کار مي کنند سيکل هاي تبريد گويند. متداول ترين آنها سيکل هاي تبريد با تراکم بخار است که مبرد در آن به متناوب تبخير و چگاليده مي شود و در فاز بخار متراکم مي شود. سيکل تبريد گازي نيز سيکل رايجي است که مبرد در آن در تمام سيکل در فاز گازي باقي مي ماند. سيکل هاي تبريد ديگري که بررسي خواهند شد عبا رتند از تبريد زنجيره اي که در آن بيش از يک سيکل تبريد به کار مي رود. تبريد جذبي که مبرد در آن قبل از تراکم در مايعي حل مي شود و تبريد ترموالکتريکي که در آن با عبور جريان از دو ماده ناهمجنس تبريد به وجود مي آيد.

يخچال و پمپ گرما

مي دانيم که گرما در جهت کاهش دما جريان مي يابد. يعني از ناحيه دمابالا به ناحيه دما پايين انتقال مي يابد. اين فرايند در طبيعت بدون نياز به هيچ وسيله اي روي مي دهد. ولي فرايند معکوس آن نمي تواند خود به خود روي دهد.انتقال گرما از ناحيه دما پايين به ناحيه دما بالا نيازمند وسيله خاصي به نام يخچال مي باشد. يخچال ها وسايل سيکي مي باشند و سيال عامل در سيکل هاي تبريد به کار مي رود مبرد ناميده مي شود.

در شکل 1-1 الف طرحواره يخچال نشان داده شده است. در اين شکل QL مقدار گرماي جذب شده از فضاي سرد با دماي TL و QH مقدار گرماي دفع شده به فضاي گرم با دماي  TH است و W  کار خالص داده شده به يخچال است. وسيله ديگري که گرما را از محيط دما پايين به محيط دما بالا انتقال مي دهد پمپ گرما مي با شد.

يخچال ها و پمپ هاي گرما اساسا وسايل يکساني هستند و فقط وظيفه آنها با هم فرق دارد. کار يخچال اين است که فضاي تبريد شده را با جذب گرما از آن در دماي پايين نگه دارد ولي کار پمپ گرما اين است که فضاي گرم را در دماي بالا نگه دارد. عملکرد يخچال و پمپ گرما بر حسب ضريب عملکرد COP بيان مي شود.

سيکل کار نو معکوس

چون سيکل کارنو يک سيکل برگشت پذير کلي مي باشد و شامل دو فرايند تک دماي برگشت پذير و دو فرايند تک انتروپي است. بازده گرمايي ان براي حدود دماي مشخص مقدار ماکزيممي دارد و به عنوان استاندارد عمل مي کند که بازده سيکل هاي قدرت واقعي را با آن مي توان مقايسه کرد. چون سيکل کارنو يک سيکل برگشت پذير است تمام چهار فرايند آن را مي توان معکوس کرد. معکوس کردن سيکل باعث باعث معکوس شدن بر هم کنش هاي کار و گرما شود. در نتيجه سيکلي بدست مي آيد که در جهت پادساعت گرد کار خاهد کرد. و به آن سيکل کار نو معکوس گويند. يخچال يا پمپ گرما بر اساس سيکل کارنو معکوس کار ميکند.

از ميان تمام سيکل هاي تبريدي که حدود دماي يکسان کار مي کنند سيکل تبريد کارنو کار آمدترين سيکل مي باشد. بنابراين بديهي است که بخواهيم سيکل کارنو را به عنوان سيکل ايده آالي براي يخچال و پمپ گرمايي در نظر بگيريم. اما همانطور که در زير توزيح داده شده است سيکل کارنو معکوس مدل مناسبي براي سيکل هاي  تبريد نمي باشد. انجام دو فرايند انتقال گرماي تک دما عملا کار مشکلي نمي با شد زيرا با ثابت نگهداشتن فشار مخلوط دماي مخلوط دو فازي در دماي ثابت باقي مي ماند. بنابراين در اپراتور و کندانسور واقعي مي توان به فرايند هاي 1-2 و3-4 نزديک شد ولي در عمل نمي توان به فرايندهاي 2-3 با تراکم مخلوط  مايع-بخار  سر وکار دارد و احتياج به کمپرسوري دارد که به دو فاز کار کند وفرايند 4-1 با انبساط مبردي سر وکار دارد که داراي رطوبت  بالايي است. به نظر مي رسد که با انجام سيکل کارنو معکوس در خارج از ناحيه اشباع مي توان اين مشکل را رفع کرد اين حالت براي حفظ شرايط تک دما در فرايند هاي جذب ودفع گرما مشکل خواهيم داشت. بنابراين نتيجه ميگيريم که سيکل کار نو معکوس را در وسايل واقعي نمي توان حتي به طور تقريبي اجرا کرد واين سيکل مدل مناسبي براي سيکل هاي تبريد نمي باشد.

سيکل تبريد تراکمي ايده ال

جاگزيني توسط يک وسيله فشار شکن مانند شير انبساط يا لوله مويين براي تبخير کامل مبرد قبل از تراکم آن ميتوان بسياري از مشکلات عملي مربوط به سيکل کار نو معکوس را حل کند. سيکل تبريد تراکمي متداول ترين سيکلي است در يخچال ها سيستمهاي تهويه مطبوع وپمپ ها به کار مي رود.

اين سيکل از چهار فرايند تشکيل شده است :

1-2 تراکم تک انتروپي در کمپرسور

2-3 دفع گرما با فشار ثابت در کندانسور

3-4 فشار شکني در وسيله انبساط

4-1 جذب گرما با فشار ثابت در اوپراتور

در سيکل تبريد تراکمي ايده الي مبرد در حالت يک به صورت بخار اشباع وارد کمپرسور مي شود و به صورت تک آنتروپي تا فشار کندانسور متراکم مي شود. در اين تراکم تک آنتروپي دماي مبرد خيلي زياد تر از دماي محيط اطراف مي شود. مبرد سپس در حالت دو به صورت بخار فوق گرم وارد کندانسور مي شود وبر اثر دفع گرما به اطراف در حالت سه به صورت مايع اشباع از کندانسور خارج مي شود. دماي مبرد در اين حالت هنوز در زيادتر از دماي محيط مي باشد. مبرد مايع اشباع در حالت سه بار عبور از شير انبساط يا لوله مويين تا فشار اپراتور دستخوش کاهش فشار مي شود. دماي مبرد در اين حالت به کمتر از دماي محيط سرد شده مي رسد. مبرد در حالت چهار به صورت مخلوط اشباع با کيفيت کم وارد اپراتور مي شود و با جذب گرما از محيط تبريد شده کامل تبخير مي شود. مبرد به صورت بخار اشباع از از اپراتور خارج و دوباره وارد کمپرسور شده وسيکل ترکيبي تکميل مي شود.

سيکل تبريد تراکمي واقعي

سيکل تبريد تراکمي واقعي با سيکل ايده ال چند تفاوت دارد و اين تفاوتها عمدتا ناشي از برگشت ناپذيري هايي که در اجزائ مختلف روي ميدهند. دو تا از عوامل بر گشت ناپذري عبارت اند از اصطکاک سيال(که باعث افت فشار مي شود) و انقال به (يا از) محيط. نمودار T-s  سيکل تراکمي واقعي در شکل1-7 نشان داده شده است. در سيکل ايده ال مبرد به صورت بخار اشباع از اپراتور خارج و وارد کمپرسور مي شود. ولي در عمل نمي توان حالت مبرد را دقيقا کنترل کرد. بلکه بهتر است سيستمي طراحي شود که مبرد را در ورودي کمپرسور تا اندازه اي فوق گرم کند. مبرد قبل از ورود به کمپرسور کاملا تبخير مي شود همچنين خط اتصال بين اپراتور و کمپرسور تا اندازهاي فوق گرم کند. مبرد قبل از ورود به کمپرسور کاملا تبخير مي شود همچنين خط اتصال بين اپراتور و کمپرسور خيلي بلند است. از اين رو افت فشار حاصل از اصطکاک سيال و انتقال گرما از اطراف به مبرد ميتواند خيلي زياد باشد. تاثير فوق گرمايش، جذب گرما در خط اتصال، افت فشار در اپراتور وخط اتصال اين است که حجم مخصوص افزايش مي يابد و از اين رو قدرت مورد نياز کمپرسور افزايش مي يا بد کار جريان پايا متناسب با حجم مخصوص است. فرايند تراکم در سيکل ايده الي از نوع بر گشت پذير داخلي و ادياباتيک(تک انتروپي) است ولي فرايند تراکم واقعي شامل اثرات اصطکاکي است، که آنتروپي را افزايش مي دهد و همچنين باعث افزايش انتقال گرما خواهد شد و اين افزايش بر اساس اين که در چه جهتي رخ دهد  باعث کاهش يا افزايش آنتروپي خواهد شد. بنابراين در فرايند تراکم واقعي انتروپي مبرد بر اساس اين که کدام اثر غالب باشد ممکن است افزايش يابد (فرايند 1-2) يا کاهش يابد(فرايند 1-2 ). فرايند تراکم 1-2  حتي ميتواند مطلوبتر از فرايند تراکم تک انتروپي باشد زيرا حجم مخصوص مبرد واز اين رو کار ورودي مورد نياز ، در اين حالت کوچکتر است.بنابراين در صورتي که عملي واقتصادي باشد، مبرد را بايد در فرايند تراکم خنک کرد.

در حالت ايده آلي فرض مي شود که مبرد به صورت مايع اشباع در فشار خروجي کمپرسور از کندانسور خارج مي شود ولي در حالت واقعي، مقداري افت فشار در کندانسور – کمپرسور – شير انبساط وجود دارد. همچنين نمي توان به سهولت فرايند چگالش را با آن دقتي انجام داد که مبرد در انتهاي فرايندبه صورت مايع اشباع باشد و فرستادن مبرد به شير انبساط قبل از چگالش کامل کار مطلوبي نمي باشد. بنابراين مبرد قبل از ورود به شير انبساط کمي فروسرد مي شود ولي هيچ وقت اهميتي به اين مو ضوع نمي دهيم زيرا مبرد در اين حالت با انتالپي کمتر وارد اپراتور مي شود و مي تواند گرماي کمتري از تبريد جذب کند. شير انبساط و اپراتور معمولا خيلي نزديک به هم قرار مي گيرند بنابراين افت فشار در خط اتصال کوچک خواهد بود.

سيالات عامل براي سيکل هاي تبريد تراکمي

تعداد سيالات عامل که در سيستمهاي تبريد تراکمي به کار ميروند در مقايسه با سکل هاي قدرت بخاري خيلي زيادتر است.آمونياک ودي اکسيد گوگرد در اوايل ابداع تبريد تراکمي بسيار اهميت داشتند، ولي سمي و خطر ناک بودند. امروزه مبرد هاي اصلي را هيدرو کربن هاي هالوژنه تشکيل مي دهند.نام تجاري اين مواد فريون وژناترون است.مثلا دي کلرو دي فلرو متان (CCL2F2) را فريون 12 و ژناترن 12 ميگويند وبا R-12 نشان مي دهند.اين گروه مواد که معمولا به آنها کلرو فلوئور کربن يا CFC ميگويند ، از نظر شميايي در دماي محيط بسيار پايدارند ، به خصوص انهايي که اتم هيدروژن ندارند. اين مشخصه براي مبرد ها ضرورت دارد.البته ، در صورتي گاز از وسيله به بيرون نشت کند ، با توجه به پايداري شيميايي اش سالها طول مي کشد تا آهسته به طرف بالا در اتمسفر پخش شود. در آنجا تجزييه مي شود وکلر آزاد مي کند.اين کلر باعث تخريب محافظ لايه اوزن جو مي شود. لذا بايد از کاربرد وسيع CFC  هاي خطر ناک ، خصوصا R-11  وR-12  پرهيز وجايگزين مناسبي در نظر گرفت.  CFC  هاي هيدروژن دار (که اغلب انها را HCFC ميگويند) مانند R-12 ، عمر کوتاه تري در جو دارند و قبل از تجزيه به استراتسفر نمي رسند و خطر کمتري دارند. مطلوبترين سيالات به نام HFC  ، اتم کلر ندارند.

هنگام انتخاب مبرد ها به دو نکته بايد توجه کرد: دمايي که در ان مبرد نياز است و نوع وسيله اي که از اين مبرد استفاده مي کنند. با تغيير فاز مبرد در فرايند انتقال گرما، فشار مبرد در ضمن در يافت گرما و دفع گرما برابر با فشار اشباع است. فشار زياد يه معني وسيله کوچکتر است، اما اين وسيله بايد در برابر فشار زياد مقاوم باشد. ضمنا فشار بايد کمتر از فشار بحراني باشد. در کاربرد با ماهاي بسيار کم، از سيتمهاي زنجيره دو سيالي مي توان استفاده کرد.

نوع کمپر سور مورد استفاده بستگي به نوع مبرد دارد. کمپرسور رفت و برگشتي براي حجم مخصوص کم، يعني براي فشار زياد، مناسب اند و کمپرسور هاي ساتر فيوژ براي فشار کم و حجم مخصوص زياد به کار مي رود.

همچنين بايد توجه داشت که مبرد هايي که در وسايل خانگي به کار مي رود سمي نباشد. مبرد ها، علاوه بر اينکه براي محيط زيست قابل قبول باشد، مشخصه ديگري مانند قابليت اختلات با روغن کمپرسور بدون از دست دادن خواص مقاومت دي الکتريک، پايداري و هزينه کم را نيز بايد دارا ياشد. متاسفانه مبرد ها باعث خوردگي مي شوند. براي دماهاي معين تبخير و چگالش در يک سيکل ايده آلي تمام مبرد ها داراي ضريب عملکرد يکسان نمي باشند، و با در نظر گرفتن ساير پارامتر ها، بايد مبرد با بيشترين ظريب عملکرد را انتخاب کرد.

آمونياک که يک مبرد صنعتي و تجاري است که خيلي مورد استقبال قرار گرفته است، ولي سمي است. مزاياي آمونياک بر ساير مبرد ها عبارت اند از : قيمت کم ضريب عملکرد بالا( واز اين رو هزينه کمتر براي انرژي) ، خواص ترمو ديناميکي مطلوبتر و ضرايب انتقال گرماي زيادتر( در نتيجه، مبدل گرمايي کوچکتر و ارزانتر مورد نياز است) ، آشکار سازي بهتر در موقع نشست، و عدم تاثير بر لايه اوزن.

عيب عمده آمونياک سمي بودن آن است ، که باعث مي شود در مصارف خانگي به کار نرود. آمونياک در وسايل تبريد خوراکي ها مانند ميوه جات تازه ، سبزي جات، گوشت ، ماهي، در تبريد نوشيدني از قبيل آبجو، شراب،  شير  و فراورده هاي لبني مانند پنير، در فريزر کردن بستني و ساير مواد غذايي، در توليد يخ، و در ايجاد سرما با دماي پايين در صنايع دارو سازي و ديگر فرايندها خيلي به کار مي رود.

در چيلر هاي آب با ظرفيت زياد که در سيستم هاي تهويه مطبوع د رساختمانها عمدتا از R-11  استفاده مي شود. از  R-12 در يخچال ها و فريزر هاي خانگي، و در سيتم هاي تهويه اتومبيل استفاده مي شود.  R-22  در سيتم هاي تهويه مط بوع پنجره اي ، در پمپ هاي گرما ، در سيتم هاي تهويه مطبوع ساختمان هاي تجاري ، و در سيستم هاي بزرگ تبريد صنعتي به کار ميرود و رقيب مهمي براي آمونياک به کار مي رود .

پمپ هاي گرما

قيمت و هزينه خريد پمپ هاي گرما معمولا بيشتر از ساير سيتم هاي گرمايشي است، اما در طولاني مدت در بعضي مناطق صرفه جويي مالي را به همراه خواهد داشت زيرا هزينه گرمايشي را پايين مي آورد. متداولترين منبع انرژي براي پمپ هاي گرما هواي اتمسفر است(سيتم هوا به هوا)، ولي از آب و خاک نيز استفاده مي شود. مسئله اصلي در سيتم هاي هوايي برفک ميبا شد، که وقتي دما در آب و هواي مربوطه کمتر از 2 تا  °5 سا نتي گراد مي رسد تشکيل مي شود. برفک روي کويل ها ي اپراتور خيلي نامطلوب است زيرا شديدا مانع انتقال گرما مي شود.

البته با معکوس کردن سيکل پمپ گرما ( با راه اندازي آن به عنوان تهويه مطبوع ) مي توان برفک زدايي کرد. تشکيل برفک با عث مي شود بازده سيستم کاهش يابد.

سيستم هاي آبي معمولا از چاه آبي با عمق هاي تا 80 متر با دماي 5 تا 18 درجه ساتي گراد  استفاده ميکنند(شکل1-8)، و مشکل برفک را ندارند. آنها عموما داراي cop هاي بالاتري هستند اما پچيده ترند ونيازمند منابع بزرگ آب مانند آب هاي زير زميني هستند. سيستم هاي خاکي نيز تقريبا پيچيده مي با شند cop  پمپ هاي گرمايي معمولا از 1.5 تا 4 مي باشد. اخيرا پمپ هاي گرمايي توليد شده اند که با موتور هاي الکتريکي با سرعت متغيير کار مي کنند ودو برابر قبل در انرژي صرفه جويي ميکنند. ظرفيت و بازده پمپ هاي گرما در دماي پائين افت مي کنند. بنابراين اغلب پمپ هاي گرما ي هوايي احتياج به سيستم گرمايش کمکي، مانند گرمکن هاي مقاومتي و کوره هاي نفتي ويا گازي دارند. چون دماي خاک وآب خيلي افت وخيز ندارند، براي سيتم هاي آبي و خاکي نيازي به سيتم هاي کمکي گرمايشي نمي باشد. اما پمپ گرما بايد به اندازه کافي بزرگ باسد تا ماکزيمم بار گرمايي را توليد کند.

پمپ هاي گرما و سيتم هاي تهويه مطبوع داراي اجزاي مکانيکي يکسان هستند بنابراين، داشتن دو سيستم جداگانه براي گرمايش و سرمايش ساختمان اقتصادي نمي باشد. از يک سيتم تنها ميتوان در زمستان به عنوان پمپ گرما و در تابستان به عنوان سيتم تهويه مطبوع استفاده کرد. اين کار با افزودن يک شير معکوس کن به سيکل انجام مي شود.

بر اثر اين تغيير، کندانسور پمپ گرما که در داخل قرار دارد در تابستان به صورت اوپراتور سيستم تهويه مطبوع کار مي کند. همچنين، اپراتور گرما که در خارج قرار دارد به عنوان کندانسور سيستم تهويه مطبوع کار مي کند. چنين مشخصه اي باعث مقبوليت پمپها مي شود.

سيستم هاي تبريد تراکمي صنعتي

سيکل ساده تبريد تراکمي که در بالا برسي شد متداول ترين سيکل تبريد است، و در بيشتر کاربرد هاي تبريد کفايت مي کند. سيتم هاي تبريد تراکمي معمولا ارزان و مطمئن اند، و عملا هيچ احتياجي به تعمير و نگه داري ندارد ولي، بازده در کاربرد هاي صنعتي بزرگ پارامتر مهمي مي باشد و در بعضي موارد سيتم تبريد تراکمي ساده سيکل مناسبي نمي باشد و احتياج به تغييراتي دارد. اکنون درباره اين تغييرات و اصلا حات بحث مي کنيم.

سيتم هاي تبريد زنجيرهاي

بعضي کاربرد هاي صنعتي احتياج به دماهاي نسبتا متوسطي دارند وگستره دما در آنها ممکن است بزرگتر از آن باشد که توسط يک سيکل تراکمي تنها بتوان آن را ايجاد کرد. يکي از راه حل هاي غلبه بر اين مشکل اين است که فرايند تبريد در چند مرحله انجام شود، يعني دو يا تعداد بيشتري سيکل تبريد سري تشکيل داده شود. اين سيکل هاي تبريد را سيکل هاي تبريد زنجيره اي گويند. در شکل(2-1) سيکل تبريد زنجيرهاي نشان داده شده است.دو سيکل توسط مبدل گرمايي که در وسط آنها قرار دارد و به عنوان اپراتور سيکل فوقاني (سيکلA  ) و به عنوان کندانسور سيکل تحتاني (سيکلB ) عمل مي کند به هم متصل شده اند. اگر مبدل گرمايي کاملا عايق و انرژي جنبشي و پتانسيل ناچيز با شد، انتقال گرما از سيکل در سيکل تحتاني با انتقال گرما به سيال در سيکل فوقاني برابر است.

از اين رو نسبت آهنگ جرمي در هر سيکل برابر است با:

همچنين :

در سيستم زنجيرهاي نشان داده شده در شکل، مبرد در هر دو سکل از يک نوع گرفته شده است.البته لزومي ندارد که اين طور باشد، زيرا در مبدل گرمايي هيچ اختلاطي روي نمي دهد. بنابراين، در هر سيکل از مبرد ها با مشخصه هاي مطلوبتري ميتوان استفاده کرد. در اين حالت براي هر سيکل گنبدي اشباع گنبدي اشباع جداگانهاي وجود دارد، و نمودار T-s دو شکل با هم تفاوت خواهند داشت. همچنين در سيتم هاي تبريد زنجيرهاي واقعي، دو سيکل کمي همپوشند زيرا وجود اختلاف دما بين دو سيکل ضرورت دارد. از نمو دار T-s در شکل(2-2) واضح است که، در سيکل زنجيره اي، کار کمپرسور کاهش مي يابد و مقدار جذب گرما از فضاي تبريد شده افزايش مي يابد. بنابراين زنجيره اي کردن باعث افزايش cop سيستم تبريد خواهد شد، ودر بعضي سيتم هاي تبريد از سه يا چهار زنجيره استفاده مي شود.

2-2 سيستم هاي تبرد با تراکم چند مرحله اي

وقتي سيال عامل در تمام سيتم تبريد يکسان است، مبدل گرمايي بين مراحل را با محفظه مخلوط کن مي توان جايگزين کرد. زيرا مشخصه انتقال گرماي بهتري دارند. اين سيستم هاي تبريد(شکل2-3)  را سيستم هاي تبريد با تراکم چند مر حله اي گويند.در اين سيستم، مبرد مايع در شير انبساط اول تا فشار محفظه آني، که با فشار ميانطبقه کمپرسور برابر است، منبسط مي شود. قسمتي از مايع در اين فرايند تبخير مي شود.اين بخار اشباع(حالت 3)  با بخار فوق گرم حاصل از يک کمپرسور فشار پائين(حالت2) مخلوط ميشود و مخلوط در حالت 9  وارد کمپرسور فشار بالا مي شود. اين اساس يک فرايند تبريد است. مايع اشباع(حالت 7)  از طريق شير انبساط دوم در اوپراتور منبسط مي شود، ودر آنجا از فضاي سرد گرما ميگيرد. فرايند تراکم در اين سيستم شبيه تراکم با خنک کن مياني است، و کار کمپرسور کاهش مي يابد. در تغيير مساحت هاي زير نمودار T-s  در اين حالت بايد دقت کرد زيرا آهنگ جرمي جريان در قسمت هاي مختلف سيکل با هم فرق مي کند.