سیکل تبرید تراکمی چیست و چگونه کار می کند؟

سیکل تبرید تراکمی یکی از اصلی ترین روش های تولید سرما در تجهیزات برودتی و تهویه مطبوع است. این چرخه با گردش پیوسته یک سیال به نام مبرد، گرمای فضای مورد نظر را جذب می کند و آن را به محیط بیرون انتقال می دهد. یخچال خانگی، فریزر، کولر گازی، سردخانه و بسیاری از چیلرها بر پایه همین روش کار می کنند. شناخت این فرایند کمک می کند علت سرد شدن اواپراتور، گرم شدن کندانسور و مصرف برق کمپرسور را بهتر درک کنیم. در طراحی و اجرای تاسیسات، علاوه بر انتخاب درست تجهیزات مکانیکی، هزینه های ساختمانی مانند قیمت آهن نیز بر بودجه نهایی پروژه اثر دارند؛ اما عملکرد واقعی سیستم سرمایشی بیشتر به انتخاب ظرفیت مناسب، نوع مبرد، کیفیت اجزا و شرایط بهره برداری وابسته است.

سیکل تبرید در نوع تراکمی از چهار بخش اصلی کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور تشکیل می شود. مبرد پس از جذب گرما در اواپراتور به صورت بخار کم فشار وارد کمپرسور می شود، در آنجا فشار و دمایش افزایش می یابد، سپس در کندانسور گرمای خود را پس می دهد و به مایع تبدیل می شود. این مایع بعد از عبور از شیر انبساط با افت فشار و دما روبرو می شود و دوباره به اواپراتور می رسد تا گرمای تازه ای جذب کند. به همین دلیل، تولید سرما در واقع به معنای ساختن سرما نیست، بلکه به معنای انتقال گرما از محیط سردتر به محیط گرم تر با مصرف انرژی است. در این مقاله مرکزآهن، اجزای سیکل تبرید تراکمی، مراحل کار، انواع چرخه، نمودارهای فشار و آنتالپی، روش های تحلیل و محاسبات، کاربردها، مزایا و محدودیت های آن را بررسی می کنیم. همچنین تفاوت میان مدل واقعی و سیکل تبرید تراکمی ایده آل توضیح داده می شود تا بدانید چرا عملکرد دستگاه های واقعی همیشه با محاسبات ساده اولیه یکسان نیست.

سیکل تبرید تراکمی چیست؟

سیکل تبرید تراکمی چیست؟ این چرخه یک فرایند بسته و تکرارشونده برای انتقال گرما است که در آن مبرد با تغییر فشار و تغییر حالت میان مایع و بخار، انرژی حرارتی را از یک محیط می گیرد و در محیط دیگری آزاد می کند. نام رایج سیکل تبرید تراکمی به انگلیسی Vapor Compression Refrigeration Cycle است. واژه تراکمی به این دلیل به کار می رود که کمپرسور، بخار مبرد را فشرده می کند و اختلاف فشار لازم میان بخش سرد و بخش گرم سیستم را به وجود می آورد. بدون این اختلاف فشار، مبرد نمی تواند در اواپراتور در دمای پایین تبخیر شود و در کندانسور در دمای بالاتر تقطیر شود. بنابراین کمپرسور قلب چرخه است، اما به تنهایی سرما تولید نمی کند و برای کامل شدن فرایند به سه جزء اصلی دیگر نیاز دارد.

در بخش کم فشار، مبرد وارد اواپراتور می شود و با جذب گرمای هوا، آب یا ماده مورد نظر، تبخیر می شود. بخار تولید شده به کمپرسور می رود و پس از فشرده شدن، به بخار داغ و پرفشار تبدیل می شود. این بخار در کندانسور گرما را به هوای بیرون یا آب خنک کننده تحویل می دهد و مایع می شود. سپس مایع پرفشار از شیر انبساط عبور می کند. این قطعه با محدود کردن جریان، فشار مبرد را به سرعت کاهش می دهد و شرایط ورود دوباره آن به اواپراتور را فراهم می کند. در نتیجه، مبرد در یک مسیر بسته بارها گردش می کند و در هر دور مقداری گرما را جابه جا می سازد.

این روش در سیکل تبرید تراکمی یخچال، سیکل تبرید تراکمی کولر گازی و سیکل تبرید تراکمی چیلر دیده می شود، اما ظرفیت، نوع کمپرسور، نوع کندانسور، روش کنترل و دمای کاری آنها با هم متفاوت است. در یخچال خانگی هدف نگهداری مواد غذایی در دمای پایین است، در کولر گازی گرمای هوای اتاق گرفته می شود و در چیلر معمولا آب سرد برای ساختمان یا فرایند صنعتی تولید می شود.

اجزای سیکل تبرید تراکمی

اجزای سیکل تبرید تراکمی در ساده ترین حالت شامل کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور است. این چهار جزء در یک مدار بسته به وسیله لوله های مسی یا فولادی به هم متصل می شوند و مبرد به صورت پیوسته میان آنها گردش می کند. هر جزء وظیفه مشخصی دارد و اگر یکی از آنها درست کار نکند، کل چرخه دچار افت راندمان یا توقف می شود. کمپرسور بخار کم فشار را می گیرد و آن را به بخار پرفشار و داغ تبدیل می کند. کندانسور گرمای این بخار را به محیط بیرون می دهد و مبرد را به مایع تبدیل می کند. شیر انبساط فشار مایع را کاهش می دهد و اواپراتور با جذب گرمای محیط، مبرد را دوباره بخار می کند. این ترتیب همیشه حفظ می شود و مبرد پس از خروج از اواپراتور دوباره به کمپرسور باز می گردد.

در کنار این چهار قطعه اصلی، تجهیزات کمکی دیگری هم در سیستم های واقعی استفاده می شوند. فیلتر درایر رطوبت و ذرات آلوده را از مدار می گیرد. سایت گلس به تکنسین اجازه می دهد وضعیت جریان مبرد را بررسی کند. آکومولاتور مانع ورود مایع به کمپرسور می شود و رسیور مایع، مقداری مبرد مایع را در سمت فشار بالا ذخیره می کند. شیر برقی، شیر یک طرفه، کنترل فشار بالا و پایین، سنسور دما، ترموستات و جداکننده روغن نیز بسته به نوع دستگاه به مدار اضافه می شوند. این قطعات ممکن است جزو اجزای پایه چرخه نباشند، اما ایمنی، کنترل و پایداری عملکرد را بهتر می کنند. در دستگاه های کوچک مثل یخچال خانگی، ساختمان مدار ساده تر است؛ در حالی که چیلرهای بزرگ ممکن است چند کمپرسور، چند مدار مستقل، کنترلر پیشرفته و تجهیزات حفاظتی بیشتری داشته باشند.

نحوه عملکرد سیکل تبرید تراکمی

نحوه عملکرد سیکل تبرید تراکمی بر پایه ایجاد دو ناحیه فشار بالا و فشار پایین است. کمپرسور این اختلاف فشار را ایجاد می کند و باعث می شود مبرد در بخش سرد سیستم در دمای پایین بجوشد و در بخش گرم سیستم در دمای بالاتر تقطیر شود. مبرد در ابتدای ورود به کمپرسور معمولا بخار کم فشار و کمی فوق گرم است. کمپرسور روی این بخار کار انجام می دهد و فشار، دما و آنتالپی آن را بالا می برد. بخار داغ سپس وارد کندانسور می شود و گرمای خود را به هوا یا آب بیرون می دهد. با ادامه دفع گرما، بخار به مایع پرفشار تبدیل می شود و ممکن است کمی زیر سرد نیز شود.

مایع پرفشار پس از کندانسور به شیر انبساط می رسد. شیر انبساط مسیر عبور را محدود می کند و فشار مبرد را به طور ناگهانی کاهش می دهد. در اثر این افت فشار، بخشی از مایع فورا تبخیر می شود و مخلوطی سرد از مایع و بخار شکل می گیرد. این مخلوط وارد اواپراتور می شود. در اواپراتور، مبرد گرمای محیط مورد نظر را جذب می کند و بخش مایع آن به بخار تبدیل می شود. هوای داخل اتاق، آب داخل مدار چیلر یا هوای داخل یخچال در همین مرحله سرد می شود. بخار خروجی دوباره به کمپرسور می رسد و چرخه تکرار می شود.

در سیستم واقعی، کنترل مقدار مبرد و دمای خروجی اواپراتور اهمیت زیادی دارد. اگر مبرد مایع وارد کمپرسور شود، ممکن است به سوپاپ ها یا قطعات داخلی آسیب بزند. اگر مبرد خیلی زود در اواپراتور تمام شود، بخشی از سطح کویل بدون استفاده می ماند و ظرفیت سرمایش کاهش پیدا می کند. در ادامه با مراحل سیکل تبرید تراکمی آشنا می شوید:

فشرده سازی مبرد در کمپرسور

فشرده سازی مبرد در کمپرسور نخستین مرحله فعال چرخه است. بخار مبرد از اواپراتور وارد دهانه مکش کمپرسور می شود. در این نقطه فشار پایین است و دمای بخار معمولا کمی بیشتر از دمای اشباع قرار دارد تا از ورود قطرات مایع جلوگیری شود. کمپرسور با مصرف برق، حجم بخار را کم می کند و فشار آن را بالا می برد. همراه با افزایش فشار، دمای بخار نیز زیاد می شود. در نتیجه، مبرد به شکل بخار داغ و پرفشار از دهانه دهش خارج می شود و آماده ورود به کندانسور است. این مرحله باعث ایجاد نیروی محرک اصلی برای گردش مبرد در مدار می شود.

نوع کمپرسور بر عملکرد چرخه اثر زیادی دارد. کمپرسورهای رفت و برگشتی، اسکرال، اسکرو و سانتریفیوژ برای ظرفیت ها و کاربردهای مختلف به کار می روند. در یخچال های خانگی معمولا کمپرسور بسته و کوچک استفاده می شود، در حالی که چیلرهای بزرگ ممکن است کمپرسور اسکرو یا سانتریفیوژ داشته باشند. هرچه نسبت فشار میان مکش و دهش بیشتر باشد، کمپرسور باید کار بیشتری انجام دهد و دمای خروجی هم بالاتر می رود. روغن کاری، خنک کاری، تمیزی مبرد و جلوگیری از ورود مایع برای سلامت کمپرسور ضروری است. بخش مهمی از مصرف برق سیکل تبرید تراکمی مربوط به همین قطعه است؛ بنابراین کاهش فشار کندانس و حفظ فشار تبخیر مناسب می تواند راندمان کل دستگاه را بهتر کند.

دفع حرارت در کندانسور

دفع حرارت در کندانسور پس از خروج مبرد از کمپرسور انجام می شود. مبرد در ورودی کندانسور یک بخار بسیار داغ و پرفشار است. ابتدا گرمای فوق گرم خود را از دست می دهد تا به دمای اشباع برسد. سپس در فشار تقریبا ثابت شروع به تقطیر می کند و از بخار به مایع تبدیل می شود. در انتهای کندانسور ممکن است دمای مایع کمی کمتر از دمای اشباع شود که به این حالت زیر سرد شدن می گویند. زیر سرد شدن کنترل شده کمک می کند مبرد به صورت مایع کامل به شیر انبساط برسد و ظرفیت سرمایش بهتر حفظ شود.

کندانسور می تواند هوایی یا آبی باشد. در کندانسور هوایی، فن هوا را از روی کویل عبور می دهد و گرمای مبرد به هوای بیرون منتقل می شود. کولرهای گازی و بسیاری از چیلرهای هوا خنک از این روش استفاده می کنند. در کندانسور آبی، گرما به آب داده می شود و معمولا برج خنک کننده آن را به محیط دفع می کند. تمیزی سطح کندانسور، جریان کافی هوا یا آب و دمای محیط بر فشار کندانس اثر دارند. اگر کویل کثیف باشد یا فن درست کار نکند، فشار و دمای مبرد بالا می رود و کمپرسور برق بیشتری مصرف می کند. بنابراین تمیزکاری دوره ای، کنترل فن ها و بررسی جریان آب از کارهای مهم نگهداری سیستم هستند.

کاهش فشار در شیر انبساط

کاهش فشار در شیر انبساط مرحله ای است که مایع پرفشار را برای ورود به اواپراتور آماده می کند. مبرد پس از خروج از کندانسور هنوز فشار بالایی دارد و اگر بدون افت فشار وارد اواپراتور شود، در دمای پایین تبخیر نخواهد شد. شیر انبساط با ایجاد یک مسیر باریک، فشار مبرد را ناگهان کاهش می دهد. در تحلیل ساده ترمودینامیکی، این فرایند تقریبا با آنتالپی ثابت در نظر گرفته می شود. با افت فشار، بخشی از مایع مبرد همان لحظه به بخار تبدیل می شود و دمای مخلوط کاهش پیدا می کند. خروجی شیر معمولا مخلوطی از مایع سرد و مقدار کمی بخار است.

وسیله انبساط می تواند لوله مویین، شیر انبساط ترموستاتیکی یا شیر انبساط الکترونیکی باشد. لوله مویین در یخچال ها و دستگاه های کوچک رایج است و ساختار ساده ای دارد. شیر ترموستاتیکی با توجه به فوق گرم شدن خروجی اواپراتور، مقدار مبرد را تنظیم می کند. شیر الکترونیکی کنترل دقیق تری دارد و می تواند در بارهای متغیر بهتر عمل کند. اگر شیر بیش از حد باز باشد، خطر ورود مایع به کمپرسور افزایش پیدا می کند. اگر بیش از حد بسته باشد، اواپراتور مبرد کافی دریافت نمی کند و ظرفیت سرمایش پایین می آید. گرفتگی شیر، آلودگی، رطوبت یخ زده و تنظیم نادرست نیز می توانند عملکرد این بخش را مختل کنند.

جذب گرما در اواپراتور

جذب گرما در اواپراتور همان مرحله ای است که اثر سرمایشی مفید ایجاد می شود. مخلوط سرد مایع و بخار پس از شیر انبساط وارد اواپراتور می شود. گرمای هوای اتاق، آب مدار یا فضای داخلی یخچال از دیواره لوله و فین ها به مبرد منتقل می شود. مبرد با دریافت این گرما می جوشد و بخش مایع آن به بخار تبدیل می شود. چون تبخیر در فشار پایین اتفاق می افتد، دمای جوش مبرد نیز پایین است. به همین دلیل، سطح اواپراتور از محیط اطراف سردتر می شود و می تواند گرما را جذب کند.

در کولر گازی، فن داخلی هوا را از روی اواپراتور عبور می دهد و هوای خنک را به اتاق بر می گرداند. در چیلر، اواپراتور گرمای آب را می گیرد و آب سرد تولید می کند. در یخچال نیز اواپراتور گرمای محفظه نگهداری مواد غذایی را جذب می کند. انتقال حرارت خوب به تمیزی سطح، جریان کافی هوا یا آب و توزیع مناسب مبرد بستگی دارد. یخ زدگی روی کویل، کثیفی فیلتر هوا، کاهش دبی آب و کمبود مبرد می توانند ظرفیت را کم کنند. در خروجی اواپراتور معمولا مقدار کمی فوق گرم شدن ایجاد می شود تا اطمینان حاصل شود همه مبرد مایع تبخیر شده است. سپس بخار به کمپرسور باز می گردد و دور تازه چرخه آغاز می شود.

انواع سیکل تبرید تراکمی

انواع سیکل تبرید تراکمی بر اساس تعداد مراحل فشرده سازی، روش تبادل حرارت، نوع مبرد، شرایط کاری و هدف طراحی دسته بندی می شوند. ساده ترین مدل همان چرخه ای است که یک کمپرسور، یک کندانسور، یک شیر انبساط و یک اواپراتور دارد. این مدل در بسیاری از یخچال ها، فریزرها، کولرهای گازی و تجهیزات سرمایشی کوچک دیده می شود. در ظرفیت های بالاتر یا زمانی که اختلاف فشار میان اواپراتور و کندانسور زیاد است، ممکن است از چرخه های چند مرحله ای استفاده شود. هدف از این کار کاهش فشار وارد بر هر کمپرسور، پایین آوردن دمای دهش، افزایش ظرفیت و بهتر شدن ضریب عملکرد است. بنابراین انتخاب نوع چرخه فقط به اندازه دستگاه مربوط نیست و دمای مورد نیاز، شرایط محیط و مصرف انرژی نیز در آن نقش دارند.

از نظر تحلیل مهندسی، می توان سیکل را به دو گروه کلی ایده آل و واقعی تقسیم کرد. سیکل تبرید تراکمی ایده آل برای آموزش و انجام محاسبات اولیه به کار می رود و در آن بعضی افت ها و اتلاف ها نادیده گرفته می شوند. در مقابل، چرخه واقعی شامل افت فشار در لوله ها و مبدل ها، بازده کمتر از صد درصد کمپرسور، فوق گرم شدن بخار و زیر سرد شدن مایع است. مدل بخار نیز رایج ترین شکل این فناوری است و در آن مبرد میان حالت مایع و بخار تغییر می کند. علاوه بر این، بعضی سیستم ها دارای تزریق بخار، اکونومایزر، دو اواپراتور یا دو سطح فشار هستند. شناخت انواع سیکل تبرید تراکمی کمک می کند مشخص شود هر طراحی برای چه دما، ظرفیت و کاربردی مناسب است و چرا عملکرد همه دستگاه های تبرید با وجود شباهت ظاهری یکسان نیست.

سیکل تبرید تراکمی بخار

سیکل تبرید تراکمی بخار رایج ترین چرخه مکانیکی برای تولید سرما است. در این روش، مبرد در اواپراتور از حالت مایع به بخار تبدیل می شود، سپس بخار توسط کمپرسور فشرده می شود و در کندانسور دوباره به مایع بر می گردد. استفاده از واژه بخار به این دلیل است که کمپرسور باید مبرد را در حالت بخار دریافت کند. ورود مقدار قابل توجه مایع به کمپرسور می تواند باعث ضربه مایع، آسیب مکانیکی، رقیق شدن روغن و کاهش عمر دستگاه شود. به همین دلیل در طراحی و کنترل سیستم تلاش می شود خروجی اواپراتور بخار خشک یا کمی فوق گرم باشد.

این چرخه در سیکل تبرید تراکمی یخچال، کولر گازی، فریزر، سردخانه و بسیاری از چیلرها استفاده می شود. تفاوت اصلی دستگاه ها در ظرفیت، نوع مبرد، شکل کمپرسور، نوع کندانسور و دمای تبخیر است. برای مثال، یخچال خانگی به ظرفیت کمی نیاز دارد و معمولا از لوله مویین استفاده می کند، اما یک چیلر بزرگ ممکن است شیر انبساط الکترونیکی، کمپرسور اسکرو و کنترلر پیشرفته داشته باشد. با این حال، ترتیب پایه مراحل تغییر نمی کند.

مزیت مهم سیکل تبرید تراکمی بخار، امکان دستیابی به دماهای مختلف با کنترل فشار تبخیر و تقطیر است. اگر فشار اواپراتور کاهش پیدا کند، مبرد در دمای پایین تری می جوشد؛ اما در همین حالت نسبت فشار کمپرسور و مصرف انرژی بیشتر می شود. بنابراین پایین آوردن دما همیشه بدون هزینه نیست. راندمان این چرخه به دمای کندانسور، دمای اواپراتور، نوع مبرد، بازده کمپرسور و کیفیت تبادل حرارت وابسته است. هرچه فاصله دمایی میان بخش سرد و گرم کمتر باشد، سیستم معمولا با انرژی کمتری کار می کند.

سیکل تبرید تراکمی ایده آل

سیکل تبرید تراکمی ایده آل یک مدل ساده شده برای یادگیری، طراحی اولیه و مقایسه عملکرد سیستم ها است. در این مدل فرض می شود مبرد در ورودی کمپرسور به صورت بخار اشباع وارد می شود و فشرده سازی در کمپرسور به شکل بی دررو و برگشت پذیر انجام می گیرد. به زبان ساده، یعنی در زمان فشرده سازی اتلاف حرارتی و اصطکاک داخلی در نظر گرفته نمی شود و آنتروپی ثابت فرض می شود. در کندانسور، مبرد در فشار ثابت گرما پس می دهد و در خروجی به مایع اشباع تبدیل می شود. سپس از شیر انبساط عبور می کند و با آنتالپی تقریبا ثابت به فشار پایین می رسد. در اواپراتور نیز در فشار ثابت گرما جذب می کند تا دوباره به بخار اشباع تبدیل شود.

این فرض ها باعث می شوند محاسبات سیکل تبرید تراکمی ساده تر شوند، اما دستگاه واقعی دقیقا چنین رفتاری ندارد. کمپرسور واقعی بازده محدود دارد و دمای خروجی آن معمولا بیشتر از مقدار ایده آل است. در مسیر لوله ها، کندانسور و اواپراتور افت فشار وجود دارد. همچنین برای جلوگیری از ورود مایع به کمپرسور، بخار خروجی اواپراتور معمولا کمی فوق گرم می شود. مایع خروجی کندانسور هم ممکن است برای افزایش اطمینان و ظرفیت، چند درجه زیر سرد شود. این تفاوت ها باید در تحلیل واقعی لحاظ شوند.

با وجود ساده سازی، مدل ایده آل اهمیت زیادی دارد؛ زیرا یک مبنای روشن برای محاسبه اثر تبرید، کار کمپرسور، گرمای دفع شده و ضریب عملکرد فراهم می کند. مهندس ابتدا چرخه ایده آل را بررسی می کند و سپس با وارد کردن بازده کمپرسور، افت فشار و شرایط واقعی، نتیجه را اصلاح می کند. پس سیکل تبرید تراکمی ایده آل دستگاه جداگانه ای نیست، بلکه یک مدل مرجع برای فهم بهتر رفتار چرخه واقعی است.

سیکل تبرید تراکمی چند مرحله ای

سیکل تبرید تراکمی چند مرحله ای زمانی استفاده می شود که فشرده سازی مبرد در یک مرحله باعث ایجاد نسبت فشار بالا، دمای دهش زیاد یا مصرف برق نامناسب شود. در این روش، افزایش فشار میان دو یا چند کمپرسور یا دو بخش فشرده سازی تقسیم می شود. بخار پس از مرحله اول تا یک فشار میانی فشرده می شود و سپس با روش هایی مانند خنک کاری میانی، تزریق مبرد یا استفاده از اکونومایزر خنک می شود. بعد از آن، مرحله دوم فشار مبرد را تا فشار کندانسور افزایش می دهد. تقسیم کار فشرده سازی باعث می شود هر مرحله در شرایط سبک تری کار کند و دمای نهایی دهش کاهش پیدا کند.

این نوع چرخه در سردخانه های دمای پایین، تونل انجماد، تجهیزات صنعتی و بعضی چیلرهای پیشرفته کاربرد دارد. در سیستم هایی که باید دمای اواپراتور بسیار پایین باشد، اختلاف فشار میان مکش و دهش زیاد می شود. اگر این اختلاف فقط با یک کمپرسور تامین شود، بازده حجمی افت می کند، روغن تحت فشار حرارتی قرار می گیرد و احتمال خرابی افزایش می یابد. چرخه چند مرحله ای می تواند این مشکلات را کمتر کند و ظرفیت سرمایشی مناسب تری ایجاد کند.

البته این طراحی پیچیده تر و گران تر است. تعداد قطعات، شیرها، کنترل ها و نقاط احتمالی خرابی افزایش پیدا می کند و تنظیم فشار میانی باید به درستی انجام شود. همچنین نگهداری و عیب یابی آن به تخصص بیشتری نیاز دارد. فشار میانی در حالت ساده معمولا نزدیک میانگین هندسی فشار تبخیر و تقطیر انتخاب می شود، اما طراحی دقیق باید با توجه به مبرد، دماها و آرایش سیستم انجام شود. بنابراین سیکل تبرید تراکمی چند مرحله ای برای همه دستگاه ها لازم نیست و زمانی ارزش دارد که بهبود راندمان، کاهش دمای دهش یا دستیابی به سرمایش عمیق، هزینه و پیچیدگی بیشتر را توجیه کند.

نمودار سیکل تبرید تراکمی

نمودار سیکل تبرید تراکمی ابزاری است که تغییر وضعیت مبرد را در مراحل مختلف چرخه نشان می دهد. دو نمودار مهم برای این کار، نمودار فشار بر حسب آنتالپی و نمودار دما بر حسب آنتروپی هستند. نمودار فشار آنتالپی که معمولا با نام نمودار P-h شناخته می شود، در طراحی و عیب یابی بسیار کاربردی است؛ زیرا می توان روی آن فشار تبخیر، فشار تقطیر، اثر سرمایشی، کار کمپرسور و گرمای دفع شده را بررسی کرد. در عبارت سیکل تبرید تراکمی نمودار، معمولا منظور همین نمایش مرحله به مرحله وضعیت مبرد میان چهار نقطه اصلی است.

در نمودار P-h، مسیر یک به دو فشرده سازی در کمپرسور را نشان می دهد. فشار و آنتالپی افزایش پیدا می کنند و مبرد به بخار داغ پرفشار تبدیل می شود. مسیر دو به سه مربوط به کندانسور است؛ در این بخش مبرد گرما پس می دهد و به مایع تبدیل می شود. مسیر سه به چهار عبور از شیر انبساط است که معمولا با آنتالپی ثابت نمایش داده می شود. مسیر چهار به یک نیز جذب گرما در اواپراتور را نشان می دهد. اختلاف آنتالپی میان ورودی و خروجی اواپراتور، اثر تبرید ویژه و اختلاف آنتالپی دو طرف کمپرسور، کار ویژه فشرده سازی است.

در نمودار دما آنتروپی یا T-s نیز می توان کیفیت فرایند فشرده سازی و انتقال حرارت را بهتر دید. چرخه ایده آل مسیر فشرده سازی تقریبا عمودی دارد، اما در دستگاه واقعی به دلیل برگشت ناپذیری، آنتروپی افزایش پیدا می کند. برای رسم یا خواندن درست نمودار باید نوع مبرد مشخص باشد، زیرا هر مبرد منحنی اشباع و خواص متفاوتی دارد. نمودار سیکل تبرید تراکمی فقط برای آموزش نیست؛ تکنسین و مهندس با مقایسه فشارها، دماها و آنتالپی ها می توانند کمبود مبرد، افت عملکرد کمپرسور، زیر سردی نامناسب و فوق گرمای غیر عادی را بهتر بررسی کنند.

تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید تراکمی

تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید تراکمی با بررسی فشار، دما، آنتالپی و آنتروپی مبرد در چهار نقطه اصلی انجام می شود. این چهار نقطه شامل ورودی کمپرسور، خروجی کمپرسور، خروجی کندانسور و خروجی شیر انبساط هستند. در نقطه یک، مبرد معمولا به صورت بخار کم فشار وارد کمپرسور می شود. کمپرسور روی مبرد کار انجام می دهد و آن را به بخار داغ و پرفشار در نقطه دو تبدیل می کند. سپس مبرد وارد کندانسور می شود، گرمای خود را از دست می دهد و در نقطه سه به مایع پرفشار تبدیل می شود. بعد از عبور از شیر انبساط، فشار مبرد کاهش پیدا می کند و در نقطه چهار مخلوطی سرد از مایع و بخار شکل می گیرد. این مخلوط وارد اواپراتور می شود و با جذب گرما دوباره به نقطه یک می رسد.

در تحلیل چرخه، مقدار گرمای جذب شده در اواپراتور، کار مصرفی کمپرسور و گرمای دفع شده در کندانسور محاسبه می شوند. طبق قانون اول ترمودینامیک، گرمای دفع شده در کندانسور برابر مجموع گرمای جذب شده در اواپراتور و کار کمپرسور است. اگر کار کمپرسور افزایش پیدا کند، بدون آنکه ظرفیت سرمایش به همان نسبت بیشتر شود، راندمان چرخه کاهش می یابد.

یکی از شاخص های مهم در تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید تراکمی، ضریب عملکرد یا COP است. این عدد نشان می دهد سیستم در برابر هر واحد انرژی مصرفی، چه مقدار اثر سرمایشی ایجاد می کند. هرچه COP بیشتر باشد، سیستم کم مصرف تر و کارآمدتر است. افزایش دمای تبخیر، کاهش دمای تقطیر، تمیز بودن مبدل ها، انتخاب مبرد مناسب و عملکرد درست کمپرسور می توانند ضریب عملکرد را بهتر کنند. در مقابل، فشار بالای کندانسور، فشار پایین بیش از حد اواپراتور، کمبود مبرد و افت فشار در لوله ها باعث کاهش راندمان می شوند.

محاسبات سیکل تبرید تراکمی

محاسبات سیکل تبرید تراکمی معمولا با استفاده از مقدار آنتالپی مبرد در چهار نقطه اصلی انجام می شود. برای شروع، باید نوع مبرد، دمای تبخیر، دمای تقطیر، مقدار فوق گرم شدن بخار و مقدار زیر سرد شدن مایع مشخص شوند. سپس با استفاده از جدول خواص مبرد، نرم افزارهای ترمودینامیکی یا نمودار فشار آنتالپی، مقادیر h1، h2، h3 و h4 به دست می آیند. h1 آنتالپی ورودی کمپرسور، h2 آنتالپی خروجی کمپرسور، h3 آنتالپی خروجی کندانسور و h4 آنتالپی خروجی شیر انبساط است.

اثر تبرید ویژه از رابطه زیر محاسبه می شود:

اثر تبرید ویژه = h1 – h4

این مقدار نشان می دهد هر کیلوگرم مبرد در اواپراتور چه مقدار گرما جذب می کند. کار ویژه کمپرسور نیز از رابطه زیر به دست می آید:

کار ویژه کمپرسور = h2 – h1

گرمای دفع شده در کندانسور برابر است با:

گرمای دفع شده در کندانسور = h2 – h3

ضریب عملکرد سرمایشی نیز به شکل زیر محاسبه می شود:

COP = (h1 – h4) ÷ (h2 – h1)

برای محاسبه دبی جرمی مبرد، ظرفیت سرمایشی کل بر اثر تبرید ویژه تقسیم می شود. اگر ظرفیت دستگاه بر حسب کیلووات و اختلاف آنتالپی بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم باشد، دبی جرمی بر حسب کیلوگرم بر ثانیه به دست می آید. توان کمپرسور نیز از حاصل ضرب دبی جرمی در کار ویژه کمپرسور محاسبه می شود.

در محاسبات واقعی باید بازده هم آنتروپی کمپرسور، افت فشار، فوق گرم شدن و زیر سرد شدن در نظر گرفته شوند. آزمایش سیکل تبرید تراکمی در آزمایشگاه نیز با اندازه گیری فشار، دما، مصرف برق و دبی مبرد انجام می شود. مقایسه نتایج آزمایش با محاسبات نظری نشان می دهد که اتلاف های واقعی چگونه باعث کاهش ضریب عملکرد می شوند.

کاربرد سیکل تبرید تراکمی

کاربرد سیکل تبرید تراکمی بسیار گسترده است و بخش بزرگی از تجهیزات سرمایشی خانگی، تجاری و صنعتی بر پایه آن کار می کنند. یکی از ساده ترین نمونه ها، سیکل تبرید تراکمی یخچال است. در یخچال، اواپراتور گرمای فضای داخلی را جذب می کند و کندانسور که معمولا در پشت یا زیر دستگاه قرار دارد، این گرما را به محیط آشپزخانه پس می دهد. فریزرها نیز از همین چرخه استفاده می کنند، اما فشار تبخیر و دمای کاری آنها پایین تر است.

سیکل تبرید تراکمی کولر گازی نمونه رایج دیگری است. در این دستگاه، اواپراتور داخل ساختمان قرار دارد و گرمای هوای اتاق را می گیرد. کندانسور در فضای بیرون نصب می شود و گرما را به هوای آزاد منتقل می کند. در حالت گرمایش، بعضی کولرهای گازی با استفاده از شیر چهار طرفه مسیر مبرد را تغییر می دهند و مانند پمپ حرارتی عمل می کنند.

در سیکل تبرید تراکمی چیلر، هدف معمولا سرد کردن آب است. آب سرد تولید شده از طریق پمپ و لوله کشی به فن کویل ها یا هواسازها می رسد و سرمایش ساختمان را تامین می کند. چیلرهای تراکمی ممکن است هوا خنک یا آب خنک باشند و از کمپرسورهای اسکرال، اسکرو، رفت و برگشتی یا سانتریفیوژ استفاده کنند.

این چرخه در سردخانه های مواد غذایی، تونل های انجماد، کارخانه های تولید بستنی، صنایع دارویی، انبار دارو، مراکز داده، ماشین های حمل مواد غذایی، یخ سازها و سیستم های تهویه خودرو نیز کاربرد دارد. تفاوت این سیستم ها در ظرفیت، دمای مورد نیاز، نوع مبرد و روش کنترل است، اما چهار مرحله اصلی چرخه در همه آنها دیده می شود.

مزایا و معایب سیکل تبرید تراکمی

سیکل تبرید تراکمی مزایای زیادی دارد و همین موضوع باعث شده رایج ترین روش مکانیکی تولید سرما باشد. نخستین مزیت آن، قابلیت استفاده در ظرفیت های بسیار مختلف است. این چرخه هم در یک یخچال کوچک خانگی و هم در یک چیلر بزرگ صنعتی قابل استفاده است. مزیت دیگر، امکان کنترل دقیق دما است. با تنظیم سرعت کمپرسور، مقدار جریان مبرد، سرعت فن و دمای آب یا هوا می توان ظرفیت دستگاه را متناسب با نیاز تغییر داد.

راندمان مناسب، دسترسی آسان به قطعات، امکان استفاده در سیستم های سرمایشی و گرمایشی و تنوع زیاد کمپرسورها از دیگر مزایای این چرخه هستند. تجهیزات تراکمی معمولا سریع راه اندازی می شوند و می توانند در مدت کوتاهی دمای محیط را کاهش دهند. استفاده از کمپرسورهای اینورتر، شیرهای انبساط الکترونیکی و کنترلرهای جدید نیز مصرف انرژی را بهتر کرده است.

با این حال، سیکل تبرید تراکمی معایبی هم دارد. مهم ترین عیب آن وابستگی به برق است، زیرا کمپرسور بخش زیادی از انرژی دستگاه را مصرف می کند. اگر کندانسور کثیف باشد یا فشار کاری بیش از حد بالا برود، مصرف برق افزایش پیدا می کند. نشتی مبرد نیز می تواند ظرفیت سیستم را کاهش دهد و بسته به نوع مبرد، برای محیط زیست زیان آور باشد.

نیاز به سرویس دوره ای، حساسیت کمپرسور به ورود مایع، تولید صدا و لرزش و کاهش راندمان در شرایط نامناسب از دیگر محدودیت ها هستند. دستگاه باید از نظر فشار، دما، روغن، مقدار مبرد و تمیزی مبدل ها کنترل شود. بنابراین مزایای این چرخه زمانی به طور کامل به دست می آیند که طراحی، نصب، شارژ مبرد و نگهداری سیستم به شکل اصولی انجام شوند.

سیکل تبرید تراکمی یکی از رایج ترین روش های تولید سرما در یخچال، کولر گازی، چیلر و سردخانه است. این چرخه با گردش مبرد میان کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور، گرما را از محیط سرد می گیرد و به محیط گرم تر منتقل می کند. شناخت اجزای سیکل تبرید تراکمی، نمودار فشار آنتالپی و روابط محاسبات، برای بررسی راندمان و عیب یابی سیستم اهمیت دارد. ضریب عملکرد، اثر تبرید، توان کمپرسور و شرایط تبخیر و تقطیر از مهم ترین شاخص های ارزیابی هستند. انتخاب مبرد مناسب، تمیزی مبدل ها، تنظیم صحیح شیر انبساط و سرویس منظم کمپرسور می تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. در مقابل، نشتی مبرد، کثیفی کندانسور، افت فشار و نصب نادرست باعث کاهش ظرفیت سرمایش، افزایش مصرف برق و کوتاه شدن عمر تجهیزات می شوند.

سوالات متداول