Isı pompası ve soğutma çevrimi - Heat pump and refrigeration cycle

Termodinamik ısı pompası çevrimleri veya soğutma çevrimleri , ısı pompası , klima ve soğutma sistemleri için kavramsal ve matematiksel modellerdir . Bir ısı pompası, ısının bir yerden ("kaynak") daha düşük bir sıcaklıkta başka bir yere ("lavabo" veya "soğutucu") daha yüksek bir sıcaklıkta iletilmesine izin veren mekanik bir sistemdir . Bu nedenle, amaç ısı emiciyi ısıtmaksa (soğuk bir günde bir evin içini ısıtırken olduğu gibi) bir ısı pompası "ısıtıcı" veya amaç ise "buzdolabı" veya "soğutucu" olarak düşünülebilir. ısı kaynağını soğutmak için (bir dondurucunun normal çalışmasında olduğu gibi). Her iki durumda da çalışma prensipleri birbirine yakındır. Isı, soğuk bir yerden sıcak bir yere taşınır.

termodinamik çevrimler

Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı daha soğuk bir yerden daha sıcak bir alana kendiliğinden akamaz; bunu başarmak için çalışmak gerekir. Bir klima, bir yaşam alanını soğutmak için çalışma gerektirir, ısıyı soğutulmakta olan iç kısımdan (ısı kaynağı) dışarıya (soğutucu) taşır. Benzer şekilde, bir buzdolabı, soğuk buz kutusunun (ısı kaynağı) içindeki ısıyı mutfağın daha sıcak oda sıcaklığındaki havasına (soğutucu) taşır. İdeal ısı motorunun çalışma prensibi, 1824 yılında Sadi Carnot tarafından Carnot çevrimi kullanılarak matematiksel olarak tanımlanmıştır. İdeal bir soğutma veya ısı pompası sistemi, ters Carnot çevriminde çalışan ideal bir ısı motoru olarak düşünülebilir .

Isı pompası ve soğutma çevrimleri, buhar sıkıştırma , buhar emme , gaz çevrimi veya Stirling çevrimi türleri olarak sınıflandırılabilir .

Buhar sıkıştırma döngüsü

Buhar sıkıştırmalı soğutma

Karşılaştırma için, bir ısı pompasının buhar sıkıştırmalı soğutma döngüsünün basit bir stilize şeması : 1) kondansatör , 2) genleşme valfi , 3) buharlaştırıcı , 4) kompresör

Buhar sıkıştırma döngüsünün Sıcaklık-Entropi diyagramı .

Buhar sıkıştırma çevrimi birçok soğutma, iklimlendirme ve diğer soğutma uygulamaları tarafından ve ayrıca ısıtma uygulamaları için ısı pompası içinde kullanılır. Biri daha sıcak olan ve ısı veren yoğuşturucu , diğeri ise daha soğuk olan ve ısı alan evaporatör olmak üzere iki ısı eşanjörü vardır . Hem ısıtma hem de soğutma modunda çalışması gereken uygulamalar için bu iki ısı eşanjörünün rollerini değiştirmek için bir ters çevirme valfi kullanılır.

Termodinamik çevrimin başlangıcında , soğutucu akışkan kompresöre basıncın arttığı düşük basınçlı ve düşük sıcaklıktaki bir buhar olarak girer ve daha yüksek sıcaklıkta ve daha yüksek basınçlı kızgın gaz olarak çıkar. Bu sıcak basınçlı gaz daha sonra soğudukça ve tamamen yoğunlaşırken çevreye ısı verdiği kondansatörden geçer . Soğutucu yüksek basınçlı sıvı daha sonra genleşme valfinden (kısma valfi) geçer ve bu da basıncı aniden düşürerek sıcaklığın önemli ölçüde düşmesine neden olur. Soğuk düşük basınçlı sıvı ve buhar karışımı daha sonra, çevrimi yeniden başlatmak için düşük basınçlı düşük sıcaklıklı bir gaz olarak kompresöre geri dönmeden önce çevreden ısı alırken tamamen buharlaştığı evaporatörden geçer.

Ev tipi buzdolabı gibi sabit çalışma sıcaklıklarına sahip bazı basit uygulamalar, sabit hızlı kompresör ve sabit açıklıklı genleşme valfi kullanabilir. Dış sıcaklıkların ve iç ısı talebinin mevsimlere göre önemli ölçüde değiştiği ısı pompalarında olduğu gibi, çok çeşitli koşullarda yüksek bir performans katsayısında çalışması gereken uygulamalar, kontrol etmek için tipik olarak değişken hızlı bir inverter kompresör ve ayarlanabilir bir genleşme valfi kullanır. çevrimin basınçlarını daha doğru bir şekilde

Yukarıdaki tartışma, ideal buhar sıkıştırmalı soğutma döngüsüne dayanmaktadır ve sistemdeki sürtünme basıncı düşüşü , soğutucu buharın sıkıştırılması sırasında hafif termodinamik tersinmezlik veya ideal olmayan gaz davranışı gibi gerçek dünya etkilerini hesaba katmaz ( varsa).

Buhar emme döngüsü

Yirminci yüzyılın ilk yıllarında, su-amonyak sistemlerinin kullanıldığı buhar absorpsiyon çevrimi popülerdi ve yaygın olarak kullanılıyordu, ancak buhar sıkıştırma çevriminin geliştirilmesinden sonra, düşük performans katsayısı (yaklaşık bir) nedeniyle önemini büyük ölçüde yitirdi. buhar sıkıştırma çevriminin beşte biri). Günümüzde, buhar emme döngüsü ısı endüstriyel olarak, elektrik daha kolayca kullanılabilir ancak burada kullanılan atık ısı , güneş termal enerjisi ile güneş kolektörleri veya off-the-ızgara soğutma olarak eğlence araçları .

Absorpsiyon döngüsü, soğutucu buharın basıncını yükseltme yöntemi dışında sıkıştırma döngüsüne benzer. Absorpsiyon sisteminde kompresörün yerini bir absorber ve bir jeneratör alır. Absorber, soğutucuyu uygun bir sıvıda (seyreltik solüsyon) çözer ve bu nedenle seyreltik solüsyon güçlü bir solüsyon haline gelir. Daha sonra, bir sıvı pompası, güçlü çözeltiyi absorberden, ısı eklenmesiyle sıcaklık ve basıncın arttığı bir jeneratöre taşır. Daha sonra, seyreltik çözeltiye dönüşen ve sıvı pompası tarafından absorbere geri taşınan güçlü çözeltiden soğutucu buharı salınır. Sıvı pompası için bir miktar iş gereklidir, ancak belirli bir soğutucu akışkan miktarı için, buhar sıkıştırma çevriminde kompresörün ihtiyaç duyduğundan çok daha küçüktür. Ancak jeneratör, atık ısı kullanılmadığı sürece ısıtma enerjisini tüketecek bir ısı kaynağına ihtiyaç duyar. Bir absorpsiyonlu buzdolabında, uygun bir soğutucu ve emici kombinasyonu kullanılır. En yaygın kombinasyonlar amonyak (soğutucu) ve su (emici) ve su (soğutucu) ve lityum bromürdür (emici).

Absorpsiyonlu soğutma sistemleri, fosil enerjiler (yani kömür , petrol , doğal gaz vb.) veya yenilenebilir enerjiler (yani, atık ısı geri kazanımı, biyokütle , güneş enerjisi ) ile güçlendirilebilir .

Gaz döngüsü

Ne zaman çalışma sıvısı sıkıştırılmış ve genişletilmiş ancak değişim aşamasını yapar bir gazdır, soğutma çevrimi bir denir gaz çevrimi . Hava çoğunlukla bu çalışma sıvısıdır. Bir gaz çevriminde amaçlanan yoğuşma ve buharlaşma olmadığından, bir buhar sıkıştırma çevriminde kondenser ve evaporatöre karşılık gelen bileşenler, sıcak ve soğuk gazdan gaza ısı eşanjörleridir .

Belirli aşırı sıcaklıklar için, bir gaz çevrimi, bir buhar sıkıştırma çevriminden daha az verimli olabilir, çünkü gaz çevrimi , ters Rankine çevrimi yerine ters Brayton çevrimi üzerinde çalışır . Bu nedenle, çalışma sıvısı sabit sıcaklıkta asla ısı almaz veya vermez. Gaz çevriminde, soğutma etkisi, gazın özgül ısısı ile düşük sıcaklık tarafındaki gazın sıcaklığındaki artışın çarpımına eşittir. Bu nedenle, aynı soğutma yükü için, gaz soğutma çevrimli makineler daha büyük bir kütle akış hızı gerektirir ve bu da boyutlarının artmasına neden olur.

Daha düşük verimlilikleri ve daha büyük hacimleri nedeniyle, hava döngüsü soğutucuları genellikle karasal soğutmada uygulanmaz. Hava döngüsü makinesi ile, ancak çok yaygındır gaz türbini Destekli püskürtme uçakları basınçlı hava motorları kompresörü bölümden kolayca temin edilebilmektedir. Bu jet uçakların soğutma ve havalandırma üniteleri aynı zamanda uçak kabininin ısıtılması ve basınçlandırılması amacına da hizmet etmektedir .

Stirling motoru

Stirling çevrimi ısı motoru ters doğrultuda ısı transferi (örneğin, bir ısı pompası veya buzdolabı) sürmek için bir mekanik enerji girişi kullanarak, ters olarak tahrik edilebilir. Bu tür cihazlar için oluşturulabilecek çeşitli tasarım konfigürasyonları vardır. Bu tür birkaç kurulum, sürtünme kayıpları ve soğutucu akışkan sızıntısı arasında zorlu ödünleşimler oluşturabilen döner veya kayar contalar gerektirir.

Ters Carnot döngüsü

Carnot döngüsü onu oluşturan dört proses, iki izotermal ve iki eşit entropi, tersine de çevrilebilir, böylece bir geri dönüşümlü bir döngüdür. Bir Carnot çevrimi tersine çalıştığında, buna ters Carnot çevrimi denir . Ters Carnot döngüsüne etki eden bir buzdolabı veya ısı pompasına sırasıyla Carnot buzdolabı veya Carnot ısı pompası denir. Bu döngünün ilk aşamasında, soğutucu emmekte düşük sıcaklı derecesinde bir kaynaktan gelen izotermal ısı $T L$ miktarında, $S L$ . Daha sonra, soğutucu izentropik sıkıştırılır ve sıcaklığı, yüksek sıcaklık kaynağı, bu yükselir $, T, H$ . Daha sonra bu yüksek sıcaklıkta, soğutucu $Q H$ miktarında ısıyı izotermal olarak geri verir . Yine bu aşamada, soğutucu akışkan, yoğunlaştırıcıda doymuş buhardan doymuş sıvıya dönüşür. Son olarak, soğutucu akışkan sıcaklığı düşük sıcaklık kaynağının sıcaklığına düşene kadar izentropik olarak genleşir, $T L$ .

performans katsayısı

Bir buzdolabının veya ısı pompasının verimliliği, performans katsayısı (COP) adı verilen bir parametre ile verilir .

Denklem:

{\rm {COP}}={\frac {Q}{W}}

nerede

${\ ekran stili Q}$ dikkate alınan sistem tarafından sağlanan veya uzaklaştırılan faydalı ısıdır .
${\görüntüleme stili W}$ olan eser dikkate alınan sistemin ihtiyaç duyduğu.

Bir buzdolabının Ayrıntılı COP'si aşağıdaki denklemle verilir:

{\rm {COP_{R}}}={\frac {\text{(İstenen Çıktı)}}{\text{(Gerekli Girdi)}}}={\frac {\text{(Soğutma Etkisi) }}{\text{(İş Girişi)}}}={\frac {Q_{L}}{W_{\text{net,in}}}}

Bir ısı pompasının COP'si (bazen amplifikasyon COA katsayısı olarak adlandırılır), aşağıdaki denklemle verilir, burada $Q H = Q L + W net,in$ :

{\rm {COP_{HP}}}={\frac {\text{(İstenen Çıktı)}}{\text{(Gerekli Girdi)}}}={\frac {\text{(Isıtma Etkisi) }}{\text{(İş Girişi)}}}={\frac {Q_{H}}{W_{\text{net,in}}}}=1+{\frac {Q_{L}}{W_ {\text{net,içinde}}}}

Hem bir buzdolabının hem de bir ısı pompasının COP'si birden büyük olabilir. Bu iki denklemin birleştirilmesi sonucu:

{\rm {COP_{HP}}}={\rm {COP_{R}}}+1

Q H

ve

Q L'nin

sabit değerleri için .

Bu, $COP$ $R'nin$ pozitif bir miktar olacağı için $COP HP'nin$ birden büyük olacağı anlamına gelir . En kötü senaryoda, ısı pompası tükettiği kadar enerji sağlayarak rezistanslı ısıtıcı görevi görür. Ancak gerçekte, ev ısıtmasında olduğu gibi, $Q$ $H'nin bir$ kısmı borular, yalıtım vb. yoluyla dış havaya kaybolur ve böylece dış hava sıcaklığı çok düşük olduğunda $COP$ $HP'nin$ birliğin altına düşmesine neden olur. Bu nedenle evleri ısıtmak için kullanılan sistem yakıt kullanır.

Carnot buzdolapları ve ısı pompaları için COP, sıcaklık cinsinden ifade edilebilir:

{\rm {COP_{R,Carnot}}}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}={\frac {1}{(T_{H} /T_{L})-1}}

{\rm {COP_{HP,Carnot}}}={\frac {T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}={\frac {1}{1-(T_{ L}/T_{H})}}

Referanslar

Notlar

Döner, Stephen (2006). Termodinamik: Kavramlar ve Uygulamalar . Cambridge Üniversitesi Yayınları. P. 756. ISBN'si 0-521-85042-8.
Dinçer, İbrahim (2003). Soğutma Sistemleri ve Uygulamaları . John Wiley ve Oğulları. P. 598. ISBN 0-471-62351-2.
Whitman, Bill (2008). Soğutma ve İklimlendirme Teknolojisi . Delmar.

Dış bağlantılar

"Temel Soğutma Döngüsü"

Languages

In other projects