در اثر بالا رفتن حرارت مبرد مقداري حرارت از محيط گرفته مي شود که از رابطه زير بدست مي آيد:

که در آن Q مقدار حرارت از دست رفته در فشار ثابت، m جرم، به ترتيب حرارت مخصوصي در فشار ثابت و افزايش درجه حرارت مبرد مي باشد.
۳-۱-تغيير فاز
مقداري حرارتي که مبرد در اثر تغيير فاز جامد به مايع، مايع به بخار، و يا جامد به بخار از دست مي دهد که به ترتيب حرارت ذوب، حرارت نهان تبخير و حرارت تصعيد (sublimation) ناميده مي شود. در اين مورد مثلا انيدريدکربنيک جامد (يخ خشک) در فشار جو در درجه حرارت از حالت جامد به بخاردر آمده و حرارت جذب مي کند که مي تواند مبرد خوبي در درجات حرارت پائين باشد.

رابطه اي که مقدار حرارت منتقل شده را در اثر تغيير فاز مي دهد به صورت زير است. Q=m.L
که در آن Q حرارت منتقل شده و m جرم مبرد و L تغييرات انتالپي در اثر تغيير فاز که ممکن است حرارت ذوب يا تبخير و يا تصعيد باشد.
عمل اپراتور در سيکلهاي تراکمي که مايع در آن تبخير مي شود و سرما توليد کند نمونه اي از آن است.

۴-۱- انبساط مايع
انبساط مايع موجب نقصان درجه حرارت آن شده و اگر همراه با تغيير فاز مايع به بخار باشد نقصان درجه حرارت قابل توجهي خواهيم داشت. مثلا در شکل
(۱-۱) دياگرام (TS) که در آن منحني هاي مايع و بخار اشباع و فشار ثابت در ناحيه اي که سيال به صورت مايع است رسم شده، نقطه ۱ و ۲ به ترتيب قبل و بعد از انبساط ايزآنتروپ مايع باشد. اگر اين انبساط برگشت ناپذير و آدياباتيک باشد، نقطه بعد از انبساط سمت راست ۲ واقع مي شود. به هر حال ملاحظه مي شود که درجه حرارت کمي در اثر اين انبساط تغيير کرده که عملا قابل توجه نيست.

شكل (۱-۱)
برعکس در اثر انبساط ايزآنتروپ مايع اشباع شده نقطه ۳ به نقطه ۴ در ناحيه مخلوط بخار و مايع خواهيد رسيد که در اين تحول، نقصان درجه حرارت قابل توجهي داشته و در اينحالت نيز اگر تحول برگشت ناپذير و آدياباتيک باشد بجاي نقطه ۴ به نقطه خواهيم رسيد که نقصان درجه حرارت با حالت ايزوآنتروپ ۴-۳ يکسان است. مرحله انبساط مايع يکي از مراحل سيکل تراکم بخار مي باشد، که در لوله موئين و يا شير انبساط صورت ميگيرد.

۵-۱- انبساط گاز کامل در جريان ثابت
وقتي گاز کاملي انبساط مي شود نقصان درجه حرارتي خواهيم داشت. رابطه گازهاي کامل به صورت زير است:

حرارتهاي مخصوص نيز ثابت بوده و داريم:

که در آن u و h به ترتيب انرژي داخلي و انتالپي مي باشد.
رابطه انرژي در جريان ثابت برابر با:

که در آن q و w به ترتيب حرارت مبادله شده و کار انجام گرفته روي سيستم مي باشد. حال اگر تحول خفگي را در لوله شکل (۲-۱) بررسي کنيم در رابطه (۱-۱) با صرفنظر کردن انرژي پتانسيل و حرکتي خواهيم داشت:

چون انتقال حرارت صفر( تحول آدياباتيک) بوده و کاري هم روي سيال انجام نداده ايم بنابراين:

شكل (۲-۱)
يعني انتالپي ثابت و نقصان درجه حرارتي نخواهيم داشت.
در حاليکه تغييرات انرژي حرکتي صرفنظر کردني نباشد و قطر لوله در دو طرف يگي در نظر گرفته شود، سرعت در ۲ ممکن است بيش از سرعت در ۱ باشد که از رابطه پيوستگي مشاهده مي گردد.
(۲-۲)
سطوح مساوي بوده رابطه گازهاي بين ۱ و ۲ به صورت زير خواهد شذ:

که در آن اگر اختلاف درجه حرارت قابل ملاحظه نباشد حجم مخصوص بزرگتر از مي باشد، زيرا نقصان فشاري بين ۱ و ۲ خواهيم داشت. بنابراين از رابطه (۲-۱) و از رابطه (۱-۱) نتيجه مي شود و يا
اگر گاز کاملي در يک موتور و يا توربين عايق بندي شده اي منبسط شود، شکل (۳-۱) و تغييرات انرژي حرکتي صرفنظر کردني باشد، رابطه (۱-۱) به صورت زير خلاصه خواهد شد: در نتيجه و يا
اين مرحله در سيکل هوا مشاهده مي شود.

شكل (۳-۱)
۶-۱-مرحله تخليه
اگر گازي را به فشار کمتري منبسط کنيم نقصان درجه حرارتي خواهيم داشت شکل (۴-۱) شماي ساده مرحله تخليه را نشان مي دهد که در آن زمان جرم ورودي dm بوده و اگر به ترتيب جرم و انرژي داخلي سيال در شروع و اتمام تحول باشد، از قانون اول ترموديناميک داريم:
= حرارت افزوده شده+ انرژي اوليه در تانک+ انرژي ورودي در (۱)
کار+ انرژي نهائي در تانک+ انرژي از دست رفته در (۲)
اگر اين تساوي به صورت فرمول نوشته شود داريم:

شكل (۴-۱)
در جريان ثابت در مرحله تخليه که در آن تحول آدياباتيک بوده و کاري انجام نشده و انرژي پتانسيل و انرژي حرکتي صرفنظر کردني مي‌باشد، نيز برابر صفر و معادله (۳-۱) به صورت زير خلاصه مي شود:

رابطه فوق را به صورت ديفرانسيل و u و dm را به ترتيب انرژي داخلي و جرم آني در نظر گرفته، خواهيم داشت:

و يا

با خواهيم داشت:

از اين رابطه مقادير m ، مثبت بوده بنابراين يکي از دو مقادبر du و يا بايد منفي باشد، منفي بودن du يعني درجه حرارت سيال داخل تانک نقصان يافته و منفي بودن نشان مي دهد که درجه حرارت گازي که خارج مي شود کمتر از درجه حرارت گازي است که در داخل مي باشد، يعني تبريد انجام مي گيرد.

۷-۱- انبساط گاز حقيقي
وقتي يک گاز حقيقي منبسط مي شود، حتي در انتالپي ثابت درجه حرارت ممکن است تغيير کند (زياد شود، کم شود، ثابت بماند) در صورتيکه در گازهاي کامل با آنچه که در قسمت (۵-۱) ديديم در تحولي که انتالپي ثابت باشد درجه حرارت نيز ثابت خواهد بود. تغييرات درجه حرارت نسبت به فشار در انتالپي ثابت براي گازهاي حقيقي ضريب ژول تامسون ناميده مي شود يعني:

مطابق شکل(۵-۱) اگر خفگي از ۱ تا ۲ باشد درجه حرارت افزايش يافته و در نقطه ۲ درجه حرارت ماکزيمم و ضريب ژول تامسون صفر است که اين يك نقطه معکوس است، زيرا از آن پس در تحول ۲ تا ۳ درجه حرارت نقصان خواهد يافت. استفاده از اين روش، (ضريب ژول تامسون) در مايع کردن بعضي از گازها در درجات حرارت پائين مانند هوا براي تهيه ازت و اکسيژن مايع بکار خواهد رفت.
شكل (۵-۱)

۸-۱-مراحل مغناطيسي و الکتريکي
در اثر خواص مغناطيسي و الکتريکي نيز مي توان بدو طريق توليد تبريد نمود. يکي قرار دادن ملکولها در امتداد يک ميدان مغناطيسي که اين روش بيشتر براي تعيين درجه صفر مطلق بکار رفته و در آن ميدان مغناطيسي، درجه حرارت ماده اي بنام سولفات گادولونيم را که خواص مغناطيسي دارد بالا برده و حرارت از هليم که اطراف اين ماده قرار گرفته دفع خواهد شد. ديگري اثر معکوس يک

ترموکوپل مي باشد. مي دانيم يک ترموکوپل از دو فلز مختلف الجنس که در دو نقطه جوش خورده اند تشکيل شده و اگر اين دو نقطه را در درجات حرارت مختلف قرار دهيم، مدار ولتاژي توليد كرده كه اثر (Peltier) ناميده مي شود. عكس اين موضوع نيز صحت دارد، يعني اگر ولتاژي در مدار برقرار کنيم افزايش درجه حرارت در يک نقطه و نقصان درجه حرارت در نقطه ديگر از اتصال دو فلز خواهيم داشت. از اين روش بيشتر در آزمايشگاه استفاده مي شود.
شکل (۶-۱) روش مغناطيسي را نشان مي دهد.
شكل (۶-۱)

اهميت اقتصادي موضوع کاهش مصرف انرژي در چيلرها
در صنعت يکي از روش هاي توليد برودت استفاده از برودت مرکزي است. در اين روش يک دستگاه مرکزي کار توليد سرما را بر عهده دارد و انتقال اين برودت به قسمت هاي مختلف تأسيسات توسط يک سيستم واسط انجام مي گيرد. همان طور که مي دانيم يکي از پرمصرف ترين دستگاه هائي که کار توليد برودت را بر عهده دارد چيلرها مي باشد.
در کشور ما ايران که جزء کشورهاي گرمسير مي باشد، مسئله سرمايش، جزء مسائل مطرح در صنعت کشور است. اکثر چيلرهاي مورد استفاده در کشور، از نوع چيلرهاي تراکمي و با توجه به مصرف انرژي بالاي چيلرهاي تراکمي، کم کردن مصرف انرژي يعني بالا بردن راندمان چيلرها، اهميت بسزايي خواهد داشت. نگاهي گذارا به مصرف برق در سالهاي اخير، نشان دهندة اهميتي است كه انواع انرژي پيدا کرده است و مصرف انرژي برق را به نسبت زيادي افزايش داده است. طي دوره سال هاي ۱۳۷۲- ۱۳۵۵ مصرف برق کشور با ميانگين نرخ رشد سالانه حدود ۹/۹% افزايش يافته و از ۱۰۷۵۸ ميليون مگا وات ساعت در سال ۱۳۵۵ به ۵۸۱۴۴ ميليون مگا وات ساعت در سال ۱۳۷۲ رسيده است. اين نرخ رشد نشان دهنده افزوده شدن سالانه به طور متوسط ۲۷۸۵ ميليون مگا وات ساعت به کل مصرف برق در کشور مي باشد. همچنين مصرف برق خانگي طي دوره

۷۲- ۱۳۵۵ به طور متوسط از رشد سالانه اي برابر ۴/۱۳% برخوردار بوده است و از ۲۶۳۰ ميليون مگا وات ساعت در سال ۱۳۵۵ به ۲۲۱۴۳ ميليون مگا وات ساعت در سال ۱۳۷۲ رسيده است.
با توجه به اين که در صنعت تهويه مطبوع، چيلر يکي از اجزاء بسيار مهم و رايج مي باشد و روزبه روز به ميزان توليد و استفاده از آن افزوده مي گردد و نيز با عنايت به اين که وسيله يکي از پرمصرف

ترين وسايل و تجهيزات به لحاظ ميزان مصرف انرژي الکتريکي مي باشد، افزايش بازدهي و کاهش ميزان مصرف انرژي آن از جهات مختلف اقتصادي مورد توجه و اهميت است. لذا تعيين ميزان مصرف انرژي چيلرها در شرايط استاندارد به عنوان يک دستگاه برودتي که استفاده از آن به دليل کارا بودن در نقاط بسياري معمول گرديده موضوع بسيار مهمي است.

فصل دوم
۲-سيکل تراکمي بخار THE VAPOR-COMPRESSION CYCLE
1-2-مقدمه
سيکل تراکمي بخار يکي از مهمترين سيکلهاي تبريد مي باشد که در آن بخار تقطير شده در کندانسور به کمک شير انبساط در اواپراتور تبديل به بخار شده و توليد سرما خواهد کرد. بخار توليد شده در اواپراتور در کمپرسور متراکم شده و حرارت دريافت شده در اوپراتور و کمپرسور را در کندانسور از دست داده و تبديل به مايع مي گردد. اين تحولات در يک سيکل تراکمي بخار متناوباً انجام مي پذيرد.
در سيکل مقايسه اي کارنو براي سيکل تبريد و ماشينهاي حرارتي که در شکل (a1-2) نشان داده شده ملاحظه مي شود که در ماشينهاي حرارتي حرارت از محيط با درجه حرارت بالا گرفته شده و به محيط با درجه حرارت پائين پس داده خواهد شد، در صورتيکه سيکل کارنو در تبريد عمل معکوس انجام مي دهد، يعني انرژي را از درجه حرارت پائين گرفته و به درجه حرارت بالا منتقل مي کند، شکل (b1-2). بنابراين در سيکل تبريد تحولات به صورت زير است:
۲-۱،تراکم آدياباتيک يا ايزآنتروپ
۳-۲،خارج کردن حرارت در درجه حرارت ثابت
۴-۳،انبساط آدياباتيک يا ايزآنتروپ
۱-۴، افزايش حرارت در درجه حرارت ثابت.

شكل (a1-2)

شكل (b1-2)
2-2-ضريب عملکرد سيکل تبريد
نسبت بين سرماي مفيد به کار خالص ضريب عمل کرد سيکل تبريد مي باشد، يعني:
ضريب عملكرد =

همواره بايد سعي کرد که ضريب عمل کرد بالا باشد تا سرماي بيشتري در برابر کار کمتر توليد نمود. بايد ديد به چه صورت مي توان اين ضريب عمل کرد را بالا برد. در سيکل تبريد کارنو انتقال حرارت در تحول برگشت پذير ايزآنتروپ از رابطه بدست مي آيد. مثلا در شکل (b1-2) سطح (۶-۲-۳-۵) مقدار حرارتي است که توسط سيال مبرد خارج و سطح (۶-۱-۴-۵) مقدار حرارتي است که اخذ گرديده و سطح (۴-۳-۲-۱) کار انجام شده مي باشد. از آنجا رابطه ضريب عملکرد به صورت زير نوشته مي شود:

ضريب عملكرد
ملاحظه مي شود که ضريب عملکرد بستگي به درجه حرارت منبع سرد T1و منبع گرم T2 داشته و ممکن است از صفر تا بينهايت تغيير کند. با نقصان درجه حرارت T2 ضريب عملکرد بالا رفته و با ازدياد درجه حرارت T1 هم در صورت و هم در مخرج کسر تغيير حاصل شده بنابراين تغييرات T1 اثر بيشتري نسبت به تغييرات T2 در ضريب عملکرد ايجاد خواهد کرد، در نتيجه براي بالا بردن ضريب عملکرد بايد T1 را بالا برده و T2 را پائين آورد.

۳-۲- سيکل کارنو در پمپ حرارتي
در يک پمپ حرارتي همان تجهيزاتي که در سيکل تبريد داريم خواهيم داشت، با اين تفاوت که در پمپ حرارتي مقدار حرارتي که در درجه حرارت بالا توليد مي شود مورد نظر بوده شکل (۲-۲)، در صورتيکه در سيستمهاي تبريد منظور مقدار حرارتي است که در درجه حرارت پائين گرفته مي شود. گاهي ممکن است يک سيکل عمل پمپ حرارتي و سيستم تبريد را با هم انجام داده و يا به طور متناوب به صورت، پمپ حرارتي و يا سيستم تبريد از آن استفاده نمود که در تهويه مطبوع خواهيم داشت، يعني دستگاه در زمستان توليدگرما نموده و تابستان ايجاد سرما مي نمايد. ضريب عملکرد پمپ حرارتي به صورت زير بدست مي آيد:

شكل (۲-۲)
= ضريب عملكرد پمپ حرارتي
در شکل (۲-۲) سطح (۵-۶-۲-۳) حرارت خارج شده از سيکل و سطح(۴-۳-۲-۱) کار انجام شده مي باشد، از آنجا:
= ضريب عملكرد پمپ حرارتي
ضريب عملکرد تبريد در همين درجات برابر است با و از آنجا ضريب عملکرد پمپ حرارتي برابر است با :

و يا
۱+ ضريب عملکرد سيکل تبريد ضريب عملکرد پمپ حرارتي
اين ضريب از ۱ تا بينهايت تغيير خواهد کرد.