Kjølemaskin

En kjølemaskin (på engelsk : Chiller ) er en syklisk enhet som overfører termisk energi fra et område med lav temperatur til et annet med høy temperatur, takket være arbeidet som ytes utenfra, [ 1 ] vanligvis av en elektrisk motor . Syklusene de opererer i kalles kjølesykluser , hvorav den mest brukte er dampkompresjonskjølesyklusen . En annen mye brukt syklus er gasskjølingssyklusen og også absorpsjonskjølesyklusen .

Arbeidsvæskene som brukes i disse syklusene kalles kjølemiddel eller kjølevæsker, som i forskjellige deler av maskinen gjennomgår transformasjoner av trykk , temperatur og fase (væske eller gass) og gjennom hvilke overføringen av energi utføres.

En annen enhet med identiske egenskaper er varmepumpen . I virkeligheten er begge i hovedsak de samme enhetene, som bare skiller seg i mål. Hensikten med kjølemaskinen er å trekke ut varme fra et kaldt rom, for å opprettholde den lave temperaturen, overføre den eller kaste den i et annet område med høyere temperatur. Hensikten med en varmepumpe er å gi varme til et rom for å holde det varmt, ved å ta den fra en lavtemperaturkilde, for eksempel kald uteluft eller vann fra en brønn. [ 2 ]

Kompresjonskjølesyklus

Den mest brukte kjølesyklusen er dampkompresjonssyklusen , som er det motsatte av Carnot -motoren . Carnot-syklusen er fullt reversibel, derfor kan alle prosessene den omfatter reverseres. Syklusen forblir nøyaktig den samme, bortsett fra at retningene til eventuelle varme- og arbeidsinteraksjoner er reversert.

Teoretisk maksimal CoP

Varme absorberes i en mengde fra den kalde kilden og avsettes i mengden i den varme kilden, som det gis arbeid for . Prinsippene forklart av Carnot [ 3 ] kan uttrykkes her som følger:

1.- Effektiviteten til en irreversibel kjølemaskin er alltid mindre enn effektiviteten til en reversibel en som opererer mellom de samme kildene. 2.- Effektiviteten til alle de reversible kjølemaskinene som opererer mellom de samme to kildene er den samme.

Effektiviteten [ 4 ]​ for denne maskinen, tatt i betraktning at fordelen som oppnås er mengden varme som trekkes ut fra den kalde kilden, er:

For varmepumpen er fordelen som oppnås mengden varme som avsettes i varmepunktet, derfor:

Dette er den maksimale teoretiske effektiviteten eller CoP [ 5 ]​ til en kjølemaskin eller en varmepumpe som opererer mellom to kilder med temperaturer og , som gjør at ekte maskiner kan sammenlignes med reversible maskiner som jobber mellom de samme temperaturene;

Teoretisk CoP for operasjon

Når maskinen er ekte og arbeider i en syklus med et bestemt kjølemiddel, kan syklusen representeres i det tilsvarende diagrammet: Punkt 1, som kan sees i diagrammet, er plassert ved utløpet av kondensatoren som kjølemediet kommer ut fra i tilstand av mettet væske, så det er på den kurven i diagrammet . Fra dette punktet passerer væsken gjennom ekspansjonsventilen , der det oppstår et trykkfall uten varmeveksling, det vil si ved konstant entalpi . Av denne grunn representerer linje 1-2 utviklingen av væsken når den passerer gjennom lamineringsventilen .

Fra punkt 2 kommer kuldemediet inn i fordamperen. Når den gjør det, er noe av kjølevæsken allerede i damptilstand; ved den raske ekspansjonen og av varmen som den tar i rørseksjonen fra ventilen til fordamperen. Linje 2-3 representerer utviklingen av væsken inne i fordamperen , derfor er forskjellen mellom entalpien til punkt 3 og den til punkt 2, som avleses på abscisseaksen, mengden varme som kjølemediet har absorbert for å fordampe , eller hva som er det samme, mengden varme som har blitt trukket ut av omgivelsesluften, som er formålet med en kjølemaskin, det er derfor denne verdien kalles kjøleeffekten . Linjen er horisontal fordi under denne faseendringsprosessen forblir trykket konstant.

Punkt 3 er utløpet av fordamperen , derfor vil kjølemediet være i form av mettet damp, som er grunnen til at det er over den tilsvarende kurven. Etter det punktet trekkes dampen inn og komprimeres av kompressoren til kondenseringstrykket. Utviklingen av kjølemediet i kompressoren anses å være ved konstant entropi og er representert på linje 3-4. Entalpiforskjellen mellom disse to punktene er det teoretiske arbeidet som leveres av kompressoren.

Punkt 4 tilsvarer kompressorutløpet og kondensatorinntaket. En faseendring fra damp til væske vil skje i kondensatoren. Som i tilfellet med fordamperen, er den representative linjen horisontal, siden den vil bli produsert ved konstant temperatur og trykk. Entalpiforskjellen mellom punkt 4 og punkt 1 er varmen som overføres til miljøet i kondensatoren, som er formålet med varmepumpen . Det kan sees at denne varmen er summen av det som er absorbert i fordamperen pluss det som tilsvarer arbeidet til kompressoren, noe logisk å gå tilbake til startpunktet og lukke syklusen.

Hvis CoP beregnes med disse dataene, vil det være:

For kjølemaskinen: For varmepumpen:

Denne verdien uttrykker den teoretiske CoP for drift av en ekte kjølemaskin eller varmepumpe , som arbeider med et gitt kjølemedium, også opererer mellom to temperaturer og . Denne effektiviteten er fortsatt teoretisk, gitt at syklusen som er tegnet i diagrammet også er teoretisk, siden irreversibilitetene til prosessen ikke er tatt i betraktning.

faktisk CoP

Hvis verdiene for trykket og temperaturen til kjølevæsken tas til diagrammet når de utvikler seg under driften av en ekte maskin, blir den teoretiske syklusen forvrengt. [ 7 ] På den ene siden forblir ikke trykket eller temperaturene som passerer gjennom fordamperen og kondensatoren konstante, men får et fall tilsvarende trykktapene på grunn av friksjon i spolene til begge vekslerne. Ved punkt 3 er det et lite, men kraftig tilleggsfall i trykk, på grunn av passasje av kjølevæske forbi begrensningen i inntaksventilen. Det samme skjer ved punkt 4 med eksosventilen. Trykket som nås av kompressoren må være høyere enn det teoretiske for å kompensere for disse lasttapene.

Den reelle kompresjonsadiabatikken er heller ikke akkurat isentropisk, men tilsvarer en polytropisk transformasjon med en eksponent lavere enn den adiabatiske og det samme skjer med den adiabatiske ekspansjonen i ventilen, som avviker fra vertikalen avhengig av tilstanden til dampen som er igjen i ventilen. skadelig plass i kompressoren ved slutten av utløpsslaget. Driften av syklusen i et vått eller tørt regime har stor innflytelse på avviket til disse linjene i forhold til de teoretiske.

Med alle disse omstendighetene er CoP som kan forventes fra en ekte maskin mye lavere enn de som ble oppnådd tidligere. Påvirkningen av hver av irreversibilitetene i tapet av effektiviteten til syklusen er vist i sektordiagrammet. Det er sett at det største tapet oppstår på grunn av effektiviteten til varmeveksling. Dette kan forbedres betraktelig med bruk av vifter, men de innebærer høyere forbruk som må tas hensyn til. Som angitt, forblir den reelle CoP innenfor 15 % av det teoretiske maksimum oppnådd av Carnot -ligningen . Ved å bruke syklusoptimaliseringsteknikker kan opptil 20 % oppnås.

Den virkelige CoP for en ekte maskin som opererer under visse forhold, kan oppnås ved forholdet mellom den termiske energien som faktisk utvinnes [ 8 ]​ på en gitt tid (kjølekraft), og energien som forbrukes på samme tid (strømforbruk), det vil si målingen med en meter (wattmeter).

Sesongbestemt CoP

Når det gjelder varmepumpen , avhenger CoP mye av forholdene til det ytre miljøet, som er kuldekilden som varmen hentes ut fra. Ettersom den ytre temperaturen varierer med de klimatiske forholdene, er den øyeblikkelige CoP eller av et kort tidsintervall ikke representativt for ytelsen vi vil oppnå gjennom vinterperioden, som til syvende og sist er det som betyr noe. For å dempe dette benyttes sesongbasert CoP , som er en kvotient mellom den termiske energien maskinen leverer gjennom vinteren og den elektriske energien som forbrukes i samme periode, det vil si den som tilsvarer oppvarming i sesongens strømregning. vinterlig.

Se også

Referanser

  1. ↑ Çengel, Yunus A. & Michael A. Boles. Termodynamikk , side 583. McGraw-Hill. isbn 970-10-0911-8
  2. ↑ Hvordan velge en kjøler for å avkjøle vannet?
  3. ↑ Yunus A. Çengel og Michael A. Boles. Termodynamikk. side.
  4. ↑ I alle typer varmemotorer endres navnet ytelse til effektivitet for å unngå forvirring, siden verdien som oppnås i de fleste tilfeller er mye høyere enn 100 %, noe som ville være overraskende for en ytelse som normalt uttrykker effektiviteten i å generere energi. Termiske maskiner er dedikert til å transportere energi, ikke generere den, og i denne funksjonen kan en effektivitet større enn enhet oppnås. På denne måten betyr en CoP = 3 at det transporteres 3 kW for hver forbrukt kW.
  5. ↑ CoP er et akronym for Coefficient of Performance. Det er heller ingen enstemmighet om dette begrepet. I mange tekster kalles effektivitetskoeffisienten til kjølemaskinen CEE (Coefficient of Energy Efficiency) og CoP kun for varmepumpen. Men i reversible maskiner, det vil si at de har begge funksjonene, snakker vi om vinter CoP og sommer CoP.
  6. ↑ Hvis CoP er veldig nær det teoretiske maksimum, kan maskinen eksistere, selv om det er tvilsomt om slik effektivitet kan oppnås
  7. ↑ Zamaro, LT Teknikk for industrielle kjøleinstallasjoner . Gustavo Gili Editions.
  8. ↑ Når det gjelder varmepumpen vil det være energien som tilføres lokalene i en gitt tid (varmeeffekt) i forhold til energien som forbrukes i samme intervall

Bibliografi