فصل یکم
1- روشهای مختلف در تبرید
1-1- مقدمه
در سیستمهای تبرید حرارت را در درجه حرارت پائین گرفته و در درجه حرارت بالا خارج خواهیم کرد. به طور کلی روشهائی از سرد کردن که در حالتهای مختلف تبرید خواهیم داشت به صورت زیر است:
1- بالا رفتن درجه حرارت مبرد
2- تغییر فاز
3- انبساط مایع
4- انبساط گاز ایده آل
5- مرحله تولید خلاء
6- انبساط گاز حقیقی
7- مراحل الکتریکی و مغناطیسی
2-1-بالا رفتن درجه حرارت مبرد
در اثر بالا رفتن حرارت مبرد مقداری حرارت از محیط گرفته می شود که از رابطه زیر بدست می آید:
که در آن Q مقدار حرارت از دست رفته در فشار ثابت، m جرم، به ترتیب حرارت مخصوصی در فشار ثابت و افزایش درجه حرارت مبرد می باشد.
3-1-تغییر فاز
مقداری حرارتی که مبرد در اثر تغییر فاز جامد به مایع، مایع به بخار، و یا جامد به بخار از دست می دهد که به ترتیب حرارت ذوب، حرارت نهان تبخیر و حرارت تصعید (sublimation) نامیده می شود. در این مورد مثلا انیدریدکربنیک جامد (یخ خشک) در فشار جو در درجه حرارت از حالت جامد به بخاردر آمده و حرارت جذب می کند که می تواند مبرد خوبی در درجات حرارت پائین باشد.
رابطه ای که مقدار حرارت منتقل شده را در اثر تغییر فاز می دهد به صورت زیر است. Q=m.L
که در آن Q حرارت منتقل شده و m جرم مبرد و L تغییرات انتالپی در اثر تغییر فاز که ممکن است حرارت ذوب یا تبخیر و یا تصعید باشد.
عمل اپراتور در سیکلهای تراکمی که مایع در آن تبخیر می شود و سرما تولید کند نمونه ای از آن است.
4-1- انبساط مایع
انبساط مایع موجب نقصان درجه حرارت آن شده و اگر همراه با تغییر فاز مایع به بخار باشد نقصان درجه حرارت قابل توجهی خواهیم داشت. مثلا در شکل
(1-1) دیاگرام (TS) که در آن منحنی های مایع و بخار اشباع و فشار ثابت در ناحیه ای که سیال به صورت مایع است رسم شده، نقطه 1 و 2 به ترتیب قبل و بعد از انبساط ایزآنتروپ مایع باشد. اگر این انبساط برگشت ناپذیر و آدیاباتیک باشد، نقطه بعد از انبساط سمت راست 2 واقع می شود. به هر حال ملاحظه می شود که درجه حرارت کمی در اثر این انبساط تغییر کرده که عملا قابل توجه نیست.
شکل (1-1)
برعکس در اثر انبساط ایزآنتروپ مایع اشباع شده نقطه 3 به نقطه 4 در ناحیه مخلوط بخار و مایع خواهید رسید که در این تحول، نقصان درجه حرارت قابل توجهی داشته و در اینحالت نیز اگر تحول برگشت ناپذیر و آدیاباتیک باشد بجای نقطه 4 به نقطه خواهیم رسید که نقصان درجه حرارت با حالت ایزوآنتروپ 4-3 یکسان است. مرحله انبساط مایع یکی از مراحل سیکل تراکم بخار می باشد، که در لوله موئین و یا شیر انبساط صورت میگیرد.
5-1- انبساط گاز کامل در جریان ثابت
وقتی گاز کاملی انبساط می شود نقصان درجه حرارتی خواهیم داشت. رابطه گازهای کامل به صورت زیر است:
حرارتهای مخصوص نیز ثابت بوده و داریم:
که در آن u و h به ترتیب انرژی داخلی و انتالپی می باشد.
رابطه انرژی در جریان ثابت برابر با:
که در آن q و w به ترتیب حرارت مبادله شده و کار انجام گرفته روی سیستم می باشد. حال اگر تحول خفگی را در لوله شکل (2-1) بررسی کنیم در رابطه (1-1) با صرفنظر کردن انرژی پتانسیل و حرکتی خواهیم داشت:
چون انتقال حرارت صفر( تحول آدیاباتیک) بوده و کاری هم روی سیال انجام نداده ایم بنابراین:
شکل (2-1)
یعنی انتالپی ثابت و نقصان درجه حرارتی نخواهیم داشت.
در حالیکه تغییرات انرژی حرکتی صرفنظر کردنی نباشد و قطر لوله در دو طرف یگی در نظر گرفته شود، سرعت در 2 ممکن است بیش از سرعت در 1 باشد که از رابطه پیوستگی مشاهده می گردد.
(2-2)
سطوح مساوی بوده رابطه گازهای بین 1 و 2 به صورت زیر خواهد شذ:
که در آن اگر اختلاف درجه حرارت قابل ملاحظه نباشد حجم مخصوص بزرگتر از می باشد، زیرا نقصان فشاری بین 1 و 2 خواهیم داشت. بنابراین از رابطه (2-1) و از رابطه (1-1) نتیجه می شود و یا
اگر گاز کاملی در یک موتور و یا توربین عایق بندی شده ای منبسط شود، شکل (3-1) و تغییرات انرژی حرکتی صرفنظر کردنی باشد، رابطه (1-1) به صورت زیر خلاصه خواهد شد: در نتیجه و یا
این مرحله در سیکل هوا مشاهده می شود.