سیکل تبرید یخچال چیست؟ – توضیح به زبان ساده

تبرید نقش بسیار مهمی در مدیریت مواد غذایی تجاری و خانگی ایفا می‌کند. اختراع نخستین یخچال در اواخر قرن نوزدهم میلادی، آغاز دوره‌ای تاریخی و بزرگ در نگهداری و صنعت غذا بود. در سال‌های اخیر، این صنعت با تولید بیش از یک میلیارد یخچال در سراسر جهان، پیشرفت قابل‌ملاحظه‌ای کرده است. یکی از اصلی‌ترین دلایلِ استفاده از یخچال در کسب‌وکارهای متفاوت و خانه‌ها، سرد و تازه نگه داشتن غذا است. همچنین، با استفاده از یخچال‌ها می‌توان غذا را برای مدت زمان طولانی‌تری نگه داشت. سیکل تبرید یخچال نقش مهمی در عملکرد یخچال دارد. در این مطلب، سیکل تبرید در یخچال‌ها را به زبان ساده توضیح می‌دهیم و اجزای تشکیل‌دهنده آن‌ را بیان می‌کنیم.

سیکل تبرید یخچال چیست ؟

سیکل تبرید، سیکل سیستمی مکانیکی است که در آن انتقال جریان گرما از مکانی با دمای کمتر به مکانی با دمای بالاتر طی فرایندهای مشخصی رخ می‌دهد. سیکل تبرید چرخه‌ای ترمودینامیکی است که با استفاده از اجزای زیر اثر برودتی ایجاد می‌کند:

• «اواپراتور» (Evaporator)
• «کمپرسور» (Compressor)
• «کندانسور» (Condenser)
• «شیر انبساط» (Expansion valve)

همان‌طور که از ترمودینامیک می‌دانیم گرما از منبعی با دمای بالاتر به منبعی با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود. به بیان دیگر، جهت انتقال گرما در جهت کاهش دما است. اما انتقال گرما در جهت معکوس، از منبعی با دمای پایین‌تر به منبعی با دمای بالاتر، نمی‌تواند خودبه‌خود رخ دهد. برای انجام این کار به وسیله‌ای به نام یخچال نیاز داریم. توجه به این نکته مهم است که سیکل تبرید یخچال، معکوس چرخه کارنو است و گاهی به آن چرخه کارنوی معکوس نیز گفته می‌شود.

سیکل تبرید یخچال همانند هر سیکلی، محیط یا ماده خود را دارد. به بیان دیگر، سیالی در سراسر سیکل جریان دارد. به این سیال، مبرد گفته می‌شود. امروزه، مبردهای زیادی وجود دارند. اما رایج‌ترین مبردهای استفاده شده در سیکل تبرید یخچال، «فریون» (Freon or R-22) یا «پورون» (Puron or R140A) نام دارند. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا از مبردها در سیستم‌های خنک‌کننده‌ای مانند یخچال استفاده می‌شود. چند دلیل برای استفاده از مبردها در سیستم‌های سرمایشی وجود دارد:

• نقطه انجماد پایین: این مواد در دمای پایینی منجمد می‌شوند.
• فشار تراکم پایین: این مواد به راحتی در فشارهای نسبتا کم متراکم می‌شوند.
• نقطه جوش پایین: این مواد به راحتی به بخار تبدیل می‌شوند و برای این کار به دمای بالایی نیاز ندارند.
• گرمای نهان تبخیر بالا: انرژی یا گرمای بزرگ‌تری به‌دست می‌آید.
• غیرسمی
• غیر قابل‌اشتعال
• غیرمنفجره
• غیرخورنده

مانند هر سیکل یا چرخه ترمودینامیکی، سیکل تبرید یخچال نیز از ۴ قسمت اصلی، کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور تشکیل شده است.

کمپرسور

در کمپرسور، مبرد بخار با افزایش دما و فشار فشرده می‌شود. هدف از انجام این کار، انتقال یا حرکت ماده مبرد در سراسر سیستم است. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک، ذرات برای حرکت به تفاوت در تراز یا سطوح انرژی نیاز دارند. ماده از سطحی با انرژی بالاتر به سطحی با انرژی پایین‌تر حرکت می‌کند. در سیکل تبرید یخچال، ماده مبرد از مکانی با فشار بیشتر به مکانی با فشار کمتر می‌رود. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، علاوه بر دما، فشار ماده مبرد نیز افزایش می‌یابد.

کندانسور

مبرد بخار در کندانسور، از حالت بخار به حالت مایع تبدیل می‌‌شود. بنابراین، در کندانسور به جای مبرد بخار، مبرد مایع داریم. در این قسمت از سیکل تبرید یخچال، دما کاهش، اما فشار ثابت باقی می‌ماند. دلیل ثابت ماندن فشار آن است که در این قسمت، تنها گرما مبادله می‌شود. هنگامی که تنها تبادل گرمایی انجام می‌شود، با فرایند ایزوبار یا فشار ثابت روبرو هستیم. هدف اصلی کندانسور آن است که با استفاده از تراکم، مقدار قابل توجهی گرما از ماده مبرد گرفته شود.

توجه به این نکته مهم است که در این قسمت تغییر فاز رخ می‌دهد که با خروج مقدار قابل‌توجهی گرما همراه است. این مقدار گرمای منتقل شده به هنگام تغییر فاز در مقایسه با حالتی که هیچ تغییر فازی رخ نمی‌داد، بسیار بیشتر است.

شیر انبساط

ماده مبرد به شکل مایع وارد شیر انبساط و به شکل مخلوطی از مایع و بخار از آن خارج می‌شود. این حالت به این دلیل رخ می‌دهد که شیر انبساط، نرخ جریان ماده مبرد وارد شده به اواپراتور را تنظیم می‌کند. در این حالت فشار ماده مبرد و در نتیجه، دمای لازم برای تبخیر شدن آن کاهش می‌یابد. هر چه فشار کمتر باشد، نقطه جوش نیز پایین‌تر خواهد بود. همچنین، شیر انبساط تضمین می‌کند که ماده مبرد خارج شده از اواپراتور بسیار داغ است و هیچ مایعی وجود ندارد، زیرا مایعات تراکم‌ناپذیر هستند. این بدان معنا است که کمپرسور نمی‌تواند سیال خارج شده از اواپراتور را فشرده سازد.

اواپراتور

در این قسمت، ماده مبرد تبخیر خواهد شد. اواپراتور فنی دارد که سبب جذب گرما از هوا و دمیدن آن به ماده مبرد می‌شود. از این‌رو، دمای ماده مبرد افزایش و تبخیر خواهد شد. اواپراتور از مفهوم گرمای نهان تبخیر استفاده می‌کند. به مقدار گرمای لازم برای تبدیل مایع به بخار، گرمای نهان تبخیر می‌گوییم. از آنجا که ماده مبرد مقدار قابل‌توجهی گرما از هوا می‌گیرد، هوای خارج شده از اواپراتور دمای پایینی دارد. این همان هوایی است که داخل اتاق یا خانه احساس می‌کنیم.

در این قسمت، سیکل تبرید یخچال را به صورت خلاصه توضیح دادیم. در ادامه، هر مرحله را با جزییات بیشتری بیان خواهیم کرد. برای داشتن درک بهتری از این فرایند و قبل از توضیح جزییات آن، ابتدا در مورد چرخه کارنو صحبت می‌کنیم.

چرخه کارنو چیست ؟

استوانه‌ای داریم که با گاز تک‌اتمی ایده‌ال پر شده است. پیستون متحرکی بالای استوانه قرار دارد که با قرار دادن مقداری سنگ، آن را ثابت نگه داشته‌ایم. گاز در حالت ایده‌ال قرار دارد و فشار، دما و حجم اولیه آن مشخص هستند. کل سیستم تعریف شده را در تماس با مخزنی با دمای ثابت $$T_1$$ قرار می‌دهیم. توجه به این نکته مهم است که مخزن نسبت به استوانه بسیار بزرگ‌تر است. پس از تماس سیستم با مخزن با دمای ثابت، سنگ‌های روی پیستون استوانه را برمی‌داریم.

اگر سنگ‌ها را از روی پیستون به صورت آدیاباتیک و در حالت ایزوله، بدون تماس با مخزن با دمای ثابت، انجام دهیم:

• حجم افزایش می‌یابد.
• فشار کاهش می‌یابد.
• دما کاهش می‌یابد.

با قرار دادن مخزن با دمای ثابت $$T_1$$ در تماس با استوانه، دمای گاز داخل استوانه در دمای $$T_1$$ ثابت باقی خواهد ماند. با ثابت نگه داشتن دما، انرژی درونی سیستم نیز ثابت باقی می‌ماند. زیرا انرژی داخلی تنها به دمای سیستم وابسته است. بنابراین، هنگامی که استوانه در تماس با مخزنی بزرگ با دمای ثابت $$T_1$$ باشد، با برداشتن تعدادی سنگ از روی پیستون متحرک، در حالی‌که دما ثابت می‌ماند، حجم افزایش خواهد یافت. همچنین، فشار سیستم نیز کاهش می‌یابد.

نمودار فشار برحسب حجم این سیستم تا اینجا به صورت نشان داده شده در تصویر زیر رسم می‌شود. قبل از برداشتن سنگ‌ها از روی پیستون، سیستم در حالت A قرار دارد. پس از برداشتن سنگ‌ها، سیستم به حالت B می‌‌رود. در این حالت، دمای سیستم ثابت باقی می‌ماند، اما فشار آن کاهش و حجم آن افزایش می‌یابد. حالت‌های A و B در نمودار زیر نشان داده شده‌اند. از آنجا که دمای سیستم به هنگام انتقال از حالت A به B ثابت می‌ماند، حاصل‌ضرب فشار در حجم نیز ثابت خواهد ماند. بنابراین، شکل نمودار به صورت هذلولی مستطیلی است.

شاید از خود بپرسید مقدار کار انجام شده توسط سیستم در این مسیر چه مقدار است. کار انجام شده توسط سیستم برابر مساحت زیر نمودار است. کار انجام شده توسط سیستم در این مسیر را $$W_{AB}$$ می‌نامیم. مقدار گرمای انتقال یافته از مخزن به گاز را نیز می‌خواهیم به‌دست آوریم. به این نکته توجه داشته باشید که اگر مخزن با دمای ثابت در تماس با گاز قرار نداشت، دمای گاز پس از برداشتن سنگ‌ها و بالا رفتن پیستون کاهش می‌یافت. چه مقدار گرما از مخزن به گاز منتقل می‌شود؟

بر طبق قانون دوم ترمودینامیک می‌دانیم، تغییرات انرژی درونی سیستم برابر با تفاضل گرمای داده شده به سیستم و کار انجام شده توسط سیستم است:

$$\triangle U = Q - W_ { A B }$$

تغییرات انرژی داخلی سیستم در انتقال از حالت A به B چه مقدار است؟ همان‌طور که می‌دانیم دمای سیستم بین‌حالت‌های A و B ثابت باقی می‌ماند. از آنجا که گاز داخل استوانه گازی ایده‌ال و تک‌اتمی است،‌ تمام انرژی درونی سیستم از انرژی جنبشی مولکول‌های گاز می‌آید. انرژی جنبشی سیستم، دمای آن را نشان می‌دهد. بنابراین، انرژی درونی سیستم تنها به دما وابسته است. از آنجا که دمای سیستم ثابت می‌ماند. انرژی داخلی سیستم نیز به هنگام تغییر حالت از A به B ثابت خواهد ماند. در نتیجه، $$\triangle U$$ برابر صفر است.

$$0 = Q - W _ { A B }$$

بنابراین، گرمای داده شده به سیستم برابر کار انجام شده توسط سیستم است. این نتیجه منطقی به نظر می‌رسد. زیرا سیستم به هنگام تغییر حالت از A به B کار انجام می‌دهد. به بیان دیگر، سیستم مقداری انرژی به محیط اطراف خود می‌دهد. در این حالت، برای آن‌که انرژی داخلی سیستم ثابت بماند باید مقداری انرژی به سیستم اضافه شود. بنابراین، مقداری گرما، $$Q_۱$$، از مخزن با دمای ثابت به سیستم اضافه می‌شود.

اکنون سیستم در حالت B و در تماس با مخزن با دمای ثابت قرار دارد. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که اگر مخزن را از سیستم جدا کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد. در ادامه، مخزن را از سیستم جدا و آن را بعد از برداشتن مخزن به طور کامل ایزوله می‌کنیم، بنابراین هیچ راهی برای انتقال گرما به سیستم یا خروج گرما از آن وجود ندارد. در ادامه، مقداری سنگ از روی پیستون متحرک برمی‌داریم. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟

حجم کلی گاز افزایش و فشار آن کاهش می‌یابد. در این حالت، مخزنی با دمای ثابت در تماس با گاز وجود ندارد، بنابراین دمای سیستم نیز کاهش خواهد یافت. سیستم قبل از برداشتن سنگ‌ها در حالت B قرار دارد و پس از برداشتن سنگ‌ها، به حالت C می‌رود. انتقال از حالت B به حالت C به صورت آدیاباتیک رخ می‌دهد. دمای سیستم در این حالت برابر $$T_2$$ خواهد بود. به این نکته توجه داشته باشید که $$T_1$$ از $$T_2$$ کمتر است. از آنجا که انتقال بین دو حالت B و C به صورت آدیاباتیک انجام شده است، هیچ گرمایی به سیستم وارد یا از آن خارج نشده است.

نمودار فشار برحسب حجم این سیستم در انتقال از حالت B به حالت C به صورت نشان داده شده در تصویر زیر رسم شده است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، دمای سیستم در حالت C کمتر از دمای آن در حالت B است. بنابراین انرژی داخلی سیستم در انتقال از حالت B به حالت C کاهش می‌یابد.

در ادامه، مقداری سنگ به پیستون اضافه می‌کنیم، اما این کار را در حضور مخزنی با دما ثابت انجام می‌دهیم. به این نکته توجه داشته باشید که این مخزن با مخزن استفاده شده در مرحله قبل تفاوت دارد. با اضافه کردن سنگ به پیستون، گاز را فشرده می‌کنیم. اگر این کار را بدون حضور مخزن با دمای ثابت و طی فرایند آدیاباتیک یا بی‌درو انجام می‌دادیم، دمای سیستم افزایش می‌یافت. با قرار دادن مخزن در تماس با گاز، دمای آن را در دمای ‌$$T_2$$ ثابت نگه می‌داریم.

توجه به این نکته مهم است که مخزن قرار داده شده در مرحله اول، مخزن گرم و مخزن قرار داده شده در مرحله سوم، مخزن سرد نام دارند، زیرا دمای مخزن دوم کمتر از دمای مخزن اول است. سیستم در مرحله سوم از حالت C به حالت D منتقل می‌شود. در این تغییر حالت، دمای سیستم به دلیل حضور مخزن، ثابت باقی‌ می‌ماند و گرما از گاز به مخزن منتقل می‌شود.

نمودار فشار برحسب حجم این سیستم در انتقال از حالت C به حالت D به صورت نشان داده شده در تصویر زیر رسم شده است. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، دمای سیستم به هنگام تغییر حالت از C به D ثابت می‌ماند. بنابراین، انرژی درونی سیستم در این انتقال ثابت خواهد ماند. در این حالت، گرما خارج شده از سیستم با کار انجام شده روی آن برابر است.

$$Q  = W _ { CD }$$

در مرحله آخر، مخزن را حذف، سیستم را به طور کامل ایزوله و مقداری سنگ به پیستون اضافه می‌کنیم. مقدار سنگ اضافه شده باید به اندازه‌ای باشد که به حالت A برگردیم. با اضافه کردن سنگ به پیستون، حجم گاز کاهش و فشار آن افزایش می‌یابد. از آنجا که سیستم با مخزن با دمای ثابت در تماس نیست، دمای سیستم نیز افزایش خواهد یافت. نمودار فشار برحسب حجم این سیستم در انتقال از حالت D به حالت A به صورت نشان داده شده در تصویر زیر رسم شده است.

به چرخه بالا، چرخه یا سیکل کارنو گفته می‌شود. این چرخه:

• از چهار قسمت تشکیل شده است. سیستم در ابتدا در حالت A قرار دارد و پس از طی دو فرایند هم‌دما و دو فرایند آدیاباتیک به حالت اولیه خود بازمی‌گردد.
  • انبساط هم‌دما در دمای بالای $$T_H$$
  • انبساط آدیاباتیک یا بی‌درو با کاهش دما از $$T_H$$ به $$T_C$$
  • انقباض هم‌دما در دمای پایین $$T_C$$
  • انقباض آدیاباتیک یا بی‌درو با افزایش دما از $$T_C$$ به $$T_H$$
• ساعتگرد است.

بازده موتور کارنو

به سیستمی که سیکل کارنو را تکمیل می‌کند، موتور کارنو گفته می‌شود. هنگامی که سیستم از حالت A به B می‌رود، گرما به آن وارد و هنگامی که از حالت C به D می‌رود، گرما از آن خارج می‌شود. بنابراین، سیستم گرما را از مخزنی (مخزن گرم‌تر) به مخزن دیگر (مخزن سردتر) منتقل می‌کند. در این بین، سیستم مقداری کار نیز انجام می‌دهد. مقدار کار انجام شده برابر مساحت زیر نمودار یا مساحت حلقه بسته است. همچنین، کار انجام شده برابر تفاضل گرمای وارد شده به سیستم و گرمای خارج شده از آن خواهد بود.

$$\triangle Q = W$$

در سیکل کارنو و پس از تکمیل چرخه، مقداری گرما به سیستم اضافه یا مقداری کار توسط سیستم انجام شده است. از آنجا که سیستم گازی ایده‌ال است و فرایندها شبه‌استاتیک ‌هستند، در هر مرحله می‌توانیم کار و گرما وارد شده یا خارج شده از سیستم داشته باشیم. نسبت گرمای خارج شده از سیستم، $$Q_ C$$ به گرمای وارد شده به سیستم، $$Q_ H$$ برابر نسبت دمای مخزن سرد به دمای مخزن گرم است:

$$\frac { Q _ C } { Q_ H } = \frac {T _ C} { T _ H }$$

دماها برحسب کلوین نوشته می‌شوند. با استفاده از رابطه بالا، بازده موتور کارنو را به صورت زیر به‌دست می‌آوریم:

$$\eta = 1 - \frac { T_ C } { T _ H }$$

بر طبق رابطه بالا، بازده موتور کارنو تنها در صورتی ۱۰۰ درصد است که دمای مخزن سرد، $$T _ C$$، برابر صفر کلوین باشد. بر طبق قانون سوم ترمودینامیک می‌دانیم که رسیدن به دمای صفر کلوین غیرممکن است، بنابراین نمی‌توانیم موتور کارنو با بازدهی ۱۰۰ درصد بسازیم.

یخچال کارنو

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم سیکل موتور حرارتی کارنو به صورت نشان داده شده در تصویر زیر و به صورت ساعتگرد است. در قسمت بالای چرخه (خط پیوسته) ماده فعال منبسط و ماشین کار انجام می‌دهد. کار انجام شده توسط موتور برابر $$\int P d V _ 1$$ یا مساحت زیر نمودار است. در قسمت پایین چرخه (خط‌چین)، ماده فعال منقبض و کار بر روی آن انجام می‌شود. مقدار کار انجام شده برابر مساحت زیر نمودار (زیر قسمت خط‌چین) است. بنابراین، کار کل انجام شده توسط موتور کارنو در یک چرخه برابر تفاضل مقدار کار انجام شده توسط موتور به هنگام انبساط و مقدار کار انجام شده روی آن به هنگام انقباض خواهد بود.

اگر مسیر حرکت ماده فعال در چرخه کارنو به جای جهت ساعتگرد، پادساعتگرد باشد، به جای موتور گرمایی کارنو، یخچال کارنو خواهیم داشت. در این حالت،‌ مساحت احاطه شده توسط سیکل (چرخه) برابر مقدار کل کار انجام شده روی ماده فعال است. از آنجا که عملکرد یخچال در جهت معکوس سیکل کارنو است:

• ماده فعال مقداری گرمای $$Q _ 1$$ دریافت می‌کند و حجم آن به صورت هم‌دما از نقطه D به C افزایش می‌یابد.
• ماده فعال با از دست دادن مقداری گرمایی برابر $$Q _ 2$$ از نقطه B به A می‌رود و منقبض می‌شود. توجه به این نکته مهم است که اندازه گرمای $$Q_ 2$$ بزرگ‌تر از $$Q_ 1$$ است.

گرمای $$Q_ 2$$ وارد اتاق می‌شود،‌به همین دلیل با روشن کردن یخچال، اتاق گرم‌تر می‌شود. $$Q_ 1$$ اثر برودتی و مقدار گرمایی است که توسط یخچال از ماده‌ای که باید سرد شود، گرفته خواهد شد. ضریب عملکرد یخچال را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

به نسبتِ اثر برودتی به مقدار کار انجام شده روی موتور در یک چرخه، عملکرد یخچال گفته می‌شود. 

بر طبق قانون اول ترمودینامیک، کار انجام شده روی موتور در یک چرخه برابر است با:

$$W = Q_ 2 - Q _ 1$$

در یک چرخه کارنوی برگشت‌پذیر، مقدار آنتروپی وارد شده برابر مقدار آنتروپی خارج شده از سیستم است. از این‌رو:

$$\frac { Q _ 2} { Q _ 1 } = \frac { T _ 2 } { T _ 1 }$$

بنابراین، ضریب عملکرد در یک سیکل تبرید یخچال کارنو به صورت زیر به‌دست می‌آید:

$$\frac { T _ 1 } { T _ 2 - T _ 1 }$$

به طور حتم، مقدار کسر بالا می‌تواند از یک بسیار بزرگ‌تر باشد، اما هر یخچالی بین دماهای ورودی و خروجی یکسانی در مقایسه با یخچال کارنو نمی‌تواند عملکردی بزرگ‌تر از یخچال کارنوی برگشت‌پذیر داشته باشد. توجه به این نکته مهم است که ماده فعال در یخچال واقعی، گازی ایده‌ال نیست. برای داشتن یخچالی با عملکرد ایده‌ال باید پارامترهای زیادی بهبود بخشده شوند.

ماده فعال در یخچال‌های واقعی (ماده مبرد)، مایعی فرار است که در بخشی از یخچال تبخیر و در بخشی دیگر در اثر تراکم به مایع تبدیل می‌شود. در یخچال‌های صنعتی، ماده تبرید ممکن است آمونیاک باشد، اما استفده از این ماده در یخچال‌های خانگی بسیار خطرناک خواهد بود. برای مدت محدودی از «فریون» (Freon)، ترکیبی از کلوروفلوئورورکربن‌ها مانند $$C Cl _ 2 F_ 2$$، استفاده می‌شد،‌ اما پس از انجام تحقیقات مختلف روی این ماده مشخص شد که کلوروفلوئوروکربن‌ها منجر به سوراخ شدن لایه اوزون می‌شوند. یکی از وظایف اصلی لایه اوزون حفاظت از ما در برابر اشعه فرابنفش خورشید است.

از این‌رو، ماده‌ای به نام هیدروفلوئوروکربن ($$C_ 2 H _ 2 F _ 4$$) جایگزین کلوروفلوئوروکربن شد. این ماده آسیب کمتری به لایه ازون می‌رساند. در مطالب بالا گفتیم سیکل تبرید یخچال از چهار بخش اصلی زیر تشکیل شده است:

• اواپراتور
• کمپرسور
• کندانسور
• شیر انبساط

مایع استفاده شده در یخچال توسط پمپی به نام کمپرسور به لوله‌ها منتقل می‌شود. سیال اندکی قبل از آن‌که به فریزر برسد به شکل مایع است و در امتداد لوله‌های نسبتا باریک حرکت می‌کند. سپس،‌ مایع از طریق نازل به لوله‌های پهن‌تری (اوپراتور) منتقل و در آنجا با گرفتن گرما از غذای داخل یخچال، تبخیر می‌شود و هوای محیط داخلی یخچال را تشکیل می‌دهد. هوای خنک شده داخل یخچال توسط فن به قسمت‌های دیگر آن نیز منتقل می‌شود. بخار پس از خروج از فریزر به کمپرسور برمی‌گردد و در آنجا فشرده می‌شود. در ادامه، سیکل تبرید یخچال را با جزییات توضیح می‌دهیم.

طرز کار سیکل تبرید یخچال

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم در سیکل تبرید یخچال، مایعی از میان لوله‌های مختلف تعبیه شده در پشت یخچال و از چهار قسمت اصلی به نام‌های اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط می‌گذرد. به این مایع، ماده مبرد می‌گوییم. ماده مبرد، گازی فشرده است که در کپسولی به صورت فشرده قرار دارد و به لوله‌های پشت یخچال تزریق می‌شود و داخل آن‌ها حرکت می‌کند.

برای خنک نگه‌داشتن غذای داخل یخچال باید گرمای آن‌ها گرفته شود. برای انجام این کار ماده مبرد به داخل لوله‌ها فرستاده و گرمای غذا توسط چهار قسمت اصلی سیستم تبرید یخچال گرفته می‌شود. سپس، گرمای گرفته شده از غذاها در قسمتی دیگر دور انداخته خواهد شد. این چهار قسمت اصلی، دما و فشار ماده مبرد را تغییر می‌دهند. بدین صورت، گرمایش و سرمایش تولید می‌شوند.

کمپرسور، نخستین قسمت سیکل تبرید یخچال است. این قسمت را در تصویر بالا مشاهده می‌کنید. کندانسور، دومین قسمت و شیر انبساط، سومین قسمت تشکیل‌دهنده سیکل تبرید یخچال هستند. همچنین، اواپراتور آخرین قسمت تشکیل‌دهنده سیکل تبرید یخچال است.

سیکل تبرید یخچال از چهار مرحله تشکیل شده است که در هر یک از آن‌ها دما و فشار تغییر می‌کند. این چهار مرحله در هر یک از چهار قسمت اصلی گفته شده در بالا رخ می‌دهند.

اولین مرحله

اولین مرحله در کمپرسور رخ می‌دهد. ماده مبرد به شکل گازی گرم و کم‌فشار وارد کمپرسور می‌شود. این گاز پس از وارد شدن به کمپرسور، به شکل گاز داغی با فشار زیاد از آن خارج خواهد شد. هنگامی که مایعی فشرده شود، حجم آن کاهش می‌یابد. بنابراین، فاصله مولکول‌های داخل مایع کاهش خواهد یافت. همچنین، دما و فشار در اثر فشردگی افزایش می‌یابند. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم برای آن‌که سیکل تبرید یخچال بتواند به خوبی عمل کند، گرمای گرفته شده از مواد داخل یخچال باید از جایی خارج شوند.

دمای هوای محیط باید کمتر از دمای سطحی لوله داخل کمپرسور باشد. اگر دمای سطحی لوله کمپرسور و هوای اطراف آن یکسان باشند، گرمای دریافت شده نمی‌تواند دور انداخته شود. برای آن‌که مطمئن شویم لوله گرم‌تر از هوای اطراف آن است، ماده مبرد به گونه‌ای فشرده می‌شود که دما و فشار آن افزایش یابد. در نتیجه، گرما به راحتی دفع خواهد شد.

دومین مرحله

دومین مرحله در کندانسور رخ می‌دهد. ماده مبرد به شکل گازی داغ با فشار بالا از کمپرسور وارد کندانسور می‌شود. دمای ماده مبرد گازی به هنگام عبور از سیم‌پیچ‌های کندانسور، کاهش می‌یابد و پس از سرد شدن به مایع تبدیل می‌شود. از این‌رو، ماده مبرد به شکل مایعی با دمای معمولی و فشار زیاد، کندانسور را ترک می‌کند. توجه به این نکته مهم است ماده مبرد با از دست دادن گرما داخل کمپرسور، به حالت اشباع می‌رسد. حالت اشباع در مرکز کندانسور رخ می‌دهد. در این حالت، مایع و گاز هم‌زمان وجود دارند. ماده مبرد پس از عبور از حالت اشباع به شکل مایع درمی‌آید.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، خطوطی به شکل عمودی داخل سیم‌پیچ کندانسور مشاهده می‌شوند. این خطوط چه نقشی دارند؟ خطوط عمودی، صفحات فلزی کوچکی هستند که به صورت مماس با لوله‌های داخل کندانسور قرار داده شده‌اند. از این‌رو، گرمای داخل لوله‌ها از طریق این خطوط فلزی عمودی و با استفاده از روشی به نام همرفتی جمع می‌شود. فن یا پنکه‌ای کوچک پشت سیم‌پیچ‌های کندانسور قرار دارد. گرمای جمع شده توسط خطوط فلزی عمودی توسط پنکه از محیط دور می‌شود.

سومین مرحله

سومین مرحله در شیر انبساط رخ می‌دهد. ماده مبرد به شکل مایعی با دمای معمولی و فشار زیاد از کندانسور وارد شیر انبساط می‌شود. شیر انبساط تنظیم‌کننده‌ای است که از طریق آن ماده مبرد از قسمت فشار بالا به قسمت فشار پایین جریان می‌یابد. به دلیل فرایند ژول-تامسون، فشار باردهی کمپرسور باید به اندازه‌ای باشد که دمای اشباع ماده مبرد بالاتر از دمای محیط خنک‌کننده باشد.

فرایند ژول-تامسون چیست ؟

فرایند ژول-تامسون فرایندی ترمودینامیکی است. این فرایند هنگامی رخ می‌دهد که سیالی از محیطی با فشار بالاتر به محیطی با فشار پایین‌تر در آنتالپی ثابت وارد و منبسط شود. به اثر ژول-تامسون، اثر ژول-کلوین یا انبساط ژول-تامسون نیز می‌گوییم. این انبساط توصیف‌کننده تغییر دمای گاز واقعی هنگامی است که آن را مجبور به عبور از داخل شیر یا صفحه‌ای متخلخل می‌کنیم. این عبور به گونه‌ای رخ می‌دهد که هیچ تبادل گرمایی با محیط اطراف صورت نگیرد.

شیر انبساط، مقدار ماده مبرد ورودی به اواپراتور را کنترل می‌کند. همچنین، فشار سیال مبرد قبل از ورود به اواپراتور کاهش می‌یابد. کاهش فشار سبب سرد شدن سیال خواهد شد. پس از آن، سیال به داخل اواپراتور اسپری می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که شیر انبساط همواره به اواپراتور متصل شده است. دیافراگمی داخل شیر انبساط قرار دارد. این دیافراگم با استفاده از لوله بسیار باریکی به خروجی اواپراتور متصل شده است. انواع مختلف شیرهای انبساط عبارت هستند از:

1. لوله مویین
2. فشار ثابت یا شیر دریچه گاز خودکار
3. شیر انبساط ترموستاتیک
4. شیر شناور

چهارمین مرحله

چهارمین مرحله در اواپراتور رخ می‌دهد. ماده مبرد به شکل سیال در دمایی کمتر از دمای محیط اطراف و با فشار کم وارد اواپراتور می‌شود. مرحله چهارم آخرین مرحله سیکل تبرید یخچال است. همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود ساختار اواپراتور شباهت زیادی به ساختار کمپرسور دارد. یک سمت اواپراتور هوای داخل اتاق قرار دارد که باید سرد شود. فن یا پنکه تعبیه شده داخل اپراتور، هوای گرم را از میان سیم‌پیچ‌ها عبور می‌دهد. بنابراین، هوای داخل اتاق توسط مبرد داخل لوله‌ها سرد می‌شود. در نتیجه، ماده مبرد گرما را جذب و با انتقال به کندانسور، آن را دفع می‌کند.

با انجام این کار، ماده مبرد که به شکل سیال وارد اپراتور شده بود شروع به جوشیدن می‌کند و تبخیر و از حالت مایع به بخار تبدیل می‌شود. تبخیر مبرد به این دلیل رخ می‌دهد که دمای نقطه جوش آن بسیار پایین، در حدود ۲۳- درجه سلسیوس، است. ماده مبرد به شکل گازی گرم با فشار پایین از اپراتور خارج و وارد کمپرسور می‌شود. بدین‌ترتیب، سیکل تبرید یخچال کامل خواهد شد و این چرخه بارها تکرار می‌شود تا یخچال بتواند به درستی کار کند.

یخچال چگونه کار می کند ؟

تا اینجا با سیکل تبرید یخچال و چهار مرحله اصلی آن آشنا شدیم. در این بخش می‌خواهیم بدانیم یخچال چگونه کار می‌کند. یخچال‌ها یکی از ضروری‌ترین وسایل مورداستفاده در خانه‌ها و در صنایع مختلف هستند. اساس عملکرد یخچال‌ها ساده است. در حالت کلی مایعی سرد داخل یخچال به صورت پیوسته حرکت می‌کند و سبب سرد نگه داشتن مواد غذایی داخل آن می‌شود. شاید از خود بپرسید جریان پیوسته مایع سرد چگونه اتفاق می‌افتد.

شیر انبساط یا لوله مویین در یخچال‌ها یکی از ضروری‌ترین و مهم‌ترین قسمت‌های یخچال است و قطری حد ۰/۶ متر و طولی برابر ۲ متر دارد. مایع سرد با استفاده از پدیده ژول-تامسون تولید می‌شود. برای افزایش بازده، ماده مبرد باید به هنگام ورود به شیر انبساط در حالت مایع با فشار زیاد (در حدود ۸ بار) باشد. لوله مویین همانند سدی در برابر جریان مایع عمل می‌کند. بنابراین، فشار مایع به هنگام عبور از آن به طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد.

با کاهش فشار مایع، نقطه جوش آن نیز کاهش می‌یابد. بنابراین، مایع مبرد تبخیر می‌شود. انرژی لازم برای این تبخیر از ماده مبرد گرفته می‌شود. در نتیجه، دمای ماده مبرد کاهش می‌یابد. اگر دما را در طول لوله مویین بررسی کنیم، متوجه کاهش دما خواهیم شد. به این نکته توجه داشته باشید که تنها بخشی از مبرد تبخیر می‌شود. این مورد یکی از ویژگی‌های مهم مایع تبرید است. مایع تبرید باید بتواند فاز خود را با تغییرات فشار در دماهای معمولی تغییر دهد.

مرحله بعدی، مرحله بسیار ساده‌ای است. در این مرحله، مایع سرد از وسیله‌ای می‌گذرد که باید سرد باشد. به هنگام جذب گرما، ماده مبرد بیشتر تبخیر می‌شود و به بخار خالص تبدیل می‌شود. از آنجا که در این مرحله تغییر فاز رخ می‌دهد، دمای ماده مبرد افزایش نمی‌یابد. به این مبدل گرما، اواپراتور گفته می‌شود که در مطالب بالا در مورد آن صحبت کردیم. به کمک گردش هوای هوشمندانه داخل یخچال با استفاده از فن یا پنکه اواپراتور، سطوح دمایی مختلفی می‌توانند وجود داشته باشند.

بنابراین، تا اینجا اثر تبرید موردنیاز تولید شد. اگر بتوانیم ماده مبرد با فشار پایین را به حالت آن قبل از ورود به لوله مویین یا شیر انبساط، یعنی مایعی با فشار بالا، تبدیل کنیم، این فرایند تکرار خواهد شد. در نتیجه، نخستین گام برای تکرار این فرایند، افزایش فشار است. برای انجام این کار از کمپرسور استفاده می‌شود. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، کمپرسور یکی از وسیله‌های لازم برای ایجاد سیکل تبرید یخچال است. کمپرسور فشار را تا مقدار اولیه آن افزایش خواهد داد.

به طور معمول، برای افزایش فشار از کمپرسور رفت‌وبرگشتی استفاده می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که علاوه بر فشار، دما نیز در کمپرسور افزایش می‌یابد. افزایش دما اجتناب‌ناپذیر است. اکنون ماده مبرد، بخاری با فشار بالا است. برای تبدیل این بخار به مایع، از مبدل حرارتی دیگری استفاده می‌کنیم. این مبدل در قسمت بیرونی یخچال نصب شده است. بنابراین، گرما را به محیط اطراف منتقل می‌کند. پس از تبدیل بخار به مایع، دما به محدوده معمول خود بازمی‌گردد. به این مبدل حرارتی کندانسور گفته می‌شود.

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، کندانسور نیز یکی از بخش‌های لازم در سیکل تبرید یخچال است. در این حالت، ماده مبرد به حالت اولیه خود تبدیل می‌شود و بار دیگر می‌تواند وارد لوله مویین شود. با تکرار این سیکل به اثر خنک‌کننده پیوسته می‌رسیم. به این سیکل، سیکل تراکم بخار نیز گفته می‌شود. عملکرد یخچال با استفاده از ضریبی به نام «ضریب عملکرد یخچال» (Coefficient of performance | COP) ارزیابی می‌شود. عملکرد برابر تقسیم خروجی سیستم بر ورودی آن است. بنابراین ضریب عملکرد به صورت زیر تعریف می‌شود:

$$COP = \frac { Heat _ { absorbed} } { Power _ { \in } }$$

در رابطه بالا، $$Heat_{ absorbed}$$ برابر گرمای جذب شده و $$Power _ { \in}$$ برابر توان ورودی به یخچال است. همان‌طور که می‌دانیم یخچال گرمای مواد غذایی را می‌گیرد و آن‌ها را خنک نگه می‌دارد. بنابراین، $$Heat_{ absorbed}$$ همان گرمای جذب شده توسط یخچال است. تا اینجا در مورد ساده‌ترین یخچال ممکن صحبت کردیم. این یخچال به صورت نظری بسیار خوب کار می‌کند، اما در عمل با مشکلات زیادی روبرو خواهد شد. در ادامه، در مورد این مشکلات و چگونگی حل آن‌ها صحبت می‌کنیم.

مشکلات یخچال واقعی و حل آن ها

یکی از اصلی‌ترین مشکلات زدن برفک در قسمت فریزر یخچال است. هوای گردشی در یخچال، مقداری رطوبت در خود دارد. بنابراین، هوا پس از تماس با سیم‌پیچ اواپراتور سرد، متراکم می‌شود و به شکل برفک به دور سیم‌پیچ درمی‌آید. این برفک‌ها از انتقال بیشتر گرما جلوگیری می‌کنند، از این‌رو، عملکرد یخچال با گذشت زمان به طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. یکی از بهترین‌ راه‌‌حل‌ها برای رفع این مشکل برداشتن برفک‌ها به صورت دوره‌ای است. به همین دلیل، وسیله‌ای شبیه تشت به همراه میعانات آب را زیر یخچال مشاهده می‌کنید.

همچنین، در یخچال‌های مدرن، پره‌های کندانسور را پشت یخچال نمی‌بینیم. به جای این پره‌ها، از آرایش کندانسور فشرده استفاده می‌شود. فن خنک‌کننده‌ای در این چیدمان فشرده برای دفع حرارتی مشابهی به کار برده شده است. هوای گرم توسط فن خارج می‌شود و به صورت موثر می‌توان از آن برای تبخیر میعانات آبِ شکل گرفته به هنگام تشکیل برفک استفاده کرد. ساختار یخچال‌های بهبود یافته در تصویر زیر نشان داده شده است.

توزیع دمایی جالبی در قسمت‌های مختلف یخچال وجود دارد که در تصویر زیر مشاهده می‌شود. کاهش دما در قسمت لوله مویین نیز در تصویر زیر نشان داده شده است. در بیرون یخچال‌ها، دو خط خنک‌کننده مشاهده می‌شوند. یکی از این خط‌ها مایع سرد را از لوله مویین می‌گیرد و به سیم‌پیچ اواپراتور منتقل می‌کند. به این نکته توجه داشته باشید که اگر یخچال‌های خانگی را بررسی کنید، تنها یکی از خط‌های خنک‌کننده را مشاهده خواهید کرد. چرا؟ همان‌طور که گفتیم لوله مویین یکی از ضروری‌ترین و مهم‌ترین قسمت‌های یخچال و سیکل تبرید آن است.

لوله مویین لزوما نباید وسیله‌ای به شکل فنر باشد. این وسیله می‌تواند لوله‌ای مستقیم و بلند به شکل نشان داده شده در تصویر زیر باشد. در یخچال‌های خانگی تنها یک خط مشاهده می‌شود، زیرا لوله مویین مستقیم، داخل سیم‌پیچ خارجی اواپراتور قرار دارد. این روش ساده مزیت‌های عمده‌ای دارد. به هنگام فرایند جذب گرما در اواپراتور، دمای یخچال افزایش نمی‌یابد، بلکه تنها فاز یا حالت آن تغییر می‌کند.

این بدان معنا است که اگر اجازه دهیم لوله مویین در تماس با خط خروجی اواپراتور قرار گیرد، دمای مبرد لوله مویین به طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. این اثر سبب کاهش بیشتر دما در لوله مویین می‌شود، بنابراین اثر تبریدی بهتری ایجاد خواهد شد. از سوی دیگر، سیم‌پیچ خروجی اواپراتور گرما را جذب می‌کند. جذب گرما توسط اواپراتور تضمین می‌کند که ماده مبرد داخل خط خروجی اواپراتور به بخار خالص تبدیل شود. این حالت برای کمپرسورها مفید است، زیرا به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تنها با بخار می‌توانند کار کنند.

فیلتری خشک‌کننده برای حذف رطوبت از داخل ماده مبرد استفاده می‌شود. این کار سبب بهبود عملکرد کمپرسور می‌شود، زیرا وجود رطوبت در کمپرسور منجر به وقوع اختلال در عملکرد آن می‌شود. یخچال‌های مدرن در مقایسه با یخچال‌های قدیمی به طور قابل‌ملاحظه‌ای تغییر کرده‌اند و در آن‌ها نوآوری‌های جدیدی استفاده شده است. در یخچال‌های مدرن، به جای کمپرسورهای قدیمی از کمپرسورهای دیجیتالی برگرداننده یا معکوس‌کننده استفاده شده است.

کمپرسور، قلب هر یخچالی است. این وسیله به تمام سیستم زندگی می‌بخشد. به احتمال زیاد تا اینجا به این نکته پی برده‌اید که کمپرسورهای استفاده شده در یخچال‌ها قدیمی یا روشن هستند یا خاموش. این حالت فناوری تک سرعته نام دارد. هنگامی که دمای داخلی یخچال به سطح بهینه‌ای می‌رسد، کمپرسور خاموش خواهد شد. در مقابل، هنگامی که دما بالاتر از حد مشخصی می‌رود، کمپرسور روشن می‌شود. بنابراین، کنترل دما در یخچال‌های قدیمی یکنواخت نیست. همچنین، چنین تغییر ناگهانی سرعت در کمپرسورها منجر به ایجاد مشکل در مدت زمان دوام اجزای سازنده کمپرسور می‌شود.

با نصب کمپرسورهای دیجیتالی برگرداننده یا معکوس‌کننده در یخچال‌های مدرن، ایجاد سرعت‌ متغیر در کمپرسورها ممکن شد. در نتیجه، کنترل یکنواخت و موثر دمای اواپراتور میسر شده است. در این حالت، جریان AC با استفاده از کنترل‌کننده به جریان DC تبدیل می‌شود. در ادامه، کنترل‌کننده با تامین توان الکتریکی، سرعت موتور یخچال را با دقت بالایی کنترل می‌کند. رایج‌ترین موتور استفاده شده در این فناوری موتور BLDC نام دارد. کمپرسورهای دیجیتالی برگرداننده یا معکوس‌کننده در مقایسه با کمپرسورهای تک سرعته در حدود ۴۰ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کنند.

پرسش ‌های رایج در مورد سیکل تبرید یخچال

تا اینجا می‌دانیم سیکل تبرید یخچال چیست و یخچال چگونه کار می‌کند. در ادامه به چند پرسش رایج در مورد سیکل تبرید یخچال پاسخ می‌دهیم.

سیکل تبرید یخچال از چند قسمت تشکیل شده است ؟

سیکل تبرید در یخچال از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است:

1. کمپرسور
2. کندانسور
3. شیر انبساط
4. اپراتور

انواع مختلف سیستم‌ های تبرید چیست ؟

سیستم های تبرید به چهار گروه اصلی تقسیم می‌‌شوند:

1. سیستم تبرید فشرده‌سازی مکانیکی
2. تبرید جذبی
3. خنک‌کننده تبخیری
4. تبرید ترموالکتریک

از چه گازی در یخچال‌ ها استفاده می شود ؟

تترافلوئورواتان گازی است که به طور معمول در یخچال‌ها استفاده می‌شود.

دستگاه تهویه هوا چگونه کار می کند ؟

در روز هفدم جولای سال ۱۹۰۲ میلادی، فردی به نام «ویلیس کریِر» (Willis Carrier)‌ اولین دستگاه تهویه هوای مدرن را اختراع کرد. دستگاه‌های تهویه شکل‌ها و اندازه‌های متفاوت، اما عملکرد یکسانی دارند. دستگاه تهویه با حذف گرما و رطوبت از داخل اتاق یا هر محیط بسته‌ای، هوای محیط را خنک می‌کند. این وسیله هوای خنک را به محیط داخل هدایت و گرمای ناخواسته و رطوبت را به بیرون منتقل می‌کند. هر دستگاه تهویه استانداردی از ماده شیمیایی به نام مبرد استفاده می‌کند. این دستگاه، سه قسمت مکانیکی اصلی به نام‌های کمپرسور، کندانسور و اپراتور دارد.

همان‌طور که می‌بینیم قسمت‌های تشکیل‌دهنده دستگاه تهویه هوا مشابه سیستم تبرید یخچال هستند. این قسمت‌ها به گونه‌ای در کنار یکدیگر کار می‌کنند که بتوانند به سرعت ماده مبرد را از گاز به مایع و برعکس تبدیل کنند. کمپرسور، فشار و دمای ماده مبرد گازی را افزایش می‌دهد و آن را به کندانسور می‌فرستد. ماده مبرد داخل کندانسور از حالت گازی به مایع تبدیل می‌شود. قسمت‌های مختلف دستگاه تهویه هوا در تصویر زیر نشان داده شده‌اند.

هر یک از قسمت‌های نشان داده شده در تصویر را در ادامه توضیح می‌دهیم:

• قسمت A اواپراتور است. سیم‌پیچ‌های خنک‌‌کننده با استفاده از ماده مبرد، رطوبت و گرما را از هوا حذف می‌کنند.
• قسمت B دمنده یا فن است. این قسمت هوا را در اواپراتور به گردش درمی‌آورد و هوای خنک را پخش می‌کند.
• قسمت C کندانسور نام دارد. سیم‌پیچ‌های داغ گرمای جمع شده را به هوای بیرون می‌فرستند.
• قسمت D کمپرسور نام دارد. کمپرسور همانند پمپ عمل می‌کند و ماده مبرد را بین اواپراتور و کندانسور برای خنک کردن هوای داخل خانه یا هر محیط بسته‌ای، حرکت می‌دهد.
• فن در قسمت E قرار دارد. در این قسمت، هوا به کندانسور دمیده می‌شود.
• فیلتر در قسمت F قرار دارد. این وسیله برای حذف ذرات در هوا داخل دستگاه تهویه قرار داده شده است.
• قسمت آخر یا G ترموستات نام دارد. این قسمت مقدار هوای خنک توزیع شده را تنظیم می‌کند.

مثال برای سیکل تبرید یخچال

تا اینجا می‌دانیم سیکل تبرید یخچال چیست و از چه قسمت‌های تشکیل شده است. در ادامه، دو مثال را در مورد بازده یخچال‌های خانگی حل می‌کنیم.

مثال یخ زدن آب در یخچال

یخچالی در بازه دمایی بین ۱۰- تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند. ۰/۵ کیلوگرم آب را در یخچال می‌گذاریم تا در دمای ثابت صفر درجه یخ بزند. اگر یخچال تقریبا یخچال کارنو باشد، مقدار انرژی الکتریکی که در این فرایند استفاده می‌شود چه مقدار است؟

پاسخ

به این نکته توجه داشته باشید که در این مثال تغییر حالت در دمای ثابت رخ می‌دهد. ضریب عملکرد یخچال کارنو برابر است با:

$$beta_ {carnot} = \frac { Q_ C} { W} = \frac { T_C} { T_ H- T_ C}$$

در رابطه بالا دماها برحسب کلوین نوشته می‌شوند:

$$W = (\frac { T_C} { T_ H- T_ C}) Q _ C= (\frac{40}{263.15}) Q _ C$$

برای انجماد آب در دمای صفر درجه باید از آن گرما بگیریم. مقدار گرمای لازم برای انجماد آب در دمای ثابت صفر درجه برابر است با:

$$Q_ C = m l = 0.5 kg \times 4186 \frac { J} { kg } = 2093 J$$

در نتیجه، انرژی الکتریکی موردنیاز برای یخچال برابر است با:

$$W = (\frac { T_C} { T_ H- T_ C}) Q _ C= (\frac{40}{263.15}) \times 2093 J = 318 J$$

مثال عملکرد یخچال آشپزخانه

یخچال آشپزخانه‌ای از چرخه کارنو بین دو دمای صفر (دمای داخل یخچال) و دمای ۲۰ درجه سلسیوس (دمای بیرون از یخچال) استفاده می‌کند.

1. ضریب عملکرد آن چه مقدار است؟
2. اگر سیکل یخچال معکوس شود، کار تولید می‌شود. بازده موتور کارنو پس از معکوس کردن چرخه یخچال را به‌دست آورید.

پاسخ

قسمت ۱: ضریب عملکرد یخچال کارنو برابر است با:

$$beta_ {carnot} = \frac { Q_ C} { W} = \frac { T_C} { T_ H- T_ C}$$

با قرار دادن دمایهای داخل و بیرون یخچال، ضریب عملکرد یخچال به صورت زیر به‌دست می‌آید:

$$beta_ {carnot} = \frac { 0+273.15} {20} = 13.65$$

قسمت ۲: بازده موتور بین دو دمای مشابه برابر است با:

$$eta_ {carnot} = \frac { T_ H- T_ C} { T_ C} = \frac { 20} { 20 + 273.15} = 0.073  or 7.3$$

جمع‌بندی

در این مطلب، در مورد سیکل تبرید یخچال صحبت کردیم. سیکل تبرید از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:

1. کمپرسور
2. کندانسور
3. شیر انبساط
4. اواپراتور

پس از معرفی هر قسمت به طور خلاصه، در ادامه هر بخش را با جزییات توضیح دادیم. در پایان پس از پاسخ به چند پرسش، دو مثال را در مورد بازده یخچال‌ها حل کردیم.