Hlađenje i likvifikacija-principi

Idealna Carnotova rashladna mašina

 

Carnot ciklus

Idealni likvifikacioni sistem

Carnotova monografija Razmišljanja o pokretačkoj moći vatre

Hlađenje i likvifikacija-principi

Hlađenje se ostvaruje termodinamičkim procesom dok procesni fluid na nižoj temperaturi od temperature okoline uzima toplotu okolini. 

Proces hlađenja na kriogenim temperaturama u početku uključuje kompresiju procesnog fluida na ambijentalnoj temperaturi i odbacivanje toplote kompresije rashladnom sredstvu. Za vreme kompresije na temperaturi okoline, za koji se normalno predpostavlja da je izoterman, entalpija (totalna energija) i entropija (vezana energija sistema koja se ne može upotrebiti) procesnog fluida se smanjuje. Temperatura komprimovanog procesnog fluida se tada smanjuje kroz izmenu toplote sa strujom rashladnog fluida nakon čega sledi ekspanzija. 

Ova ekspanzija se može odvijati ili putem uređaja za prigušivanje (izentalpičko širenje), gde postoji samo smanjenje temperature kada je Joule Thomson koeficijent pozitivan, ili u uređaju koji proizvodi rad (izetropska ekspanzija), gde se i temperatura i entalpija smanjuju. 

Na kriogenoj temperaturi na kojoj se toplina apsorbuje, povećava se i entalpija i entropija procesnog fluida, pre nego što se procesni fluid vrati na ulaz u kompresor, gde se zagreva izmenom toplote sa procesnim fluidom koji izlazi iz kompresora.

U kontinualnom rashladnom procesu, ne postoji akumulacija rashladnog sredstva u bilo kojem delu sistema, za razliku od rashladnog sistema u sistemu likvifikacije gasa gde se tečnost akumulira i oduzima iz sistema.
U likvifikacionom sistemu, razlika u ukupnoj masi gasa koji se hladi i ukupne mase koja se zagreva predstavlja fluid koji se likvifikuje, što pravi "neuravnoteženo stanje protoka" u izmenjivačima toplote. U rashladnom sistemu, struja toplog i hladnog gasa u izmenjivačima toplote je obično ista, osim kada se deo protoka preusmerava u ekspander koji proizvodi rad. Ovo rezultira onim što se obično naziva "uravnoteženo stanje protoka" u izmenjivačima toplote. Razlika izmedju rashladnog sistema i sistema likvifikacije je da proizvedena tečnost  isparava u rashladnom sistemu umesto da bude upotrebljena na bilo koji drugi način izvan sistema, kao što je to slucaj kod likvifikacionog sistema.

Apsorbcija toplote na temperaturama rashlada se dešava na više načina. Ako se formira tečnost niske temperature u procesu, tada toplota koju apsorbuje tečnost isparava tečnost i rashlađivanje se dešava na konstantnoj temperaturi. Ako je rashladni proces dizajniran da reducira procesni fluid u hladno gasovito stanje, tada toplota apsorbovana utiče na senzibilnu toplotu prenosa, a time i na temperaturu fluida.
Pre razmatranja o različitim metodama rashlada i likvifikacije u upotrebi, poželjno je naći metod upoređivanja realnog rashladnog procesa sa idealnim rashladnim procesom, i realnog procesa likvifikacije sa idealnim procesom likvifikacije.
Idealni rashladni proces se može definisati ako se razmatra kao toplotna mašina, koja je kontinuirani operativni sistem u čijim granicama teče samo rad i toplota. Zanimljivo je znati koja je maksimalna efikasnost koja se može postići takvom mašinom, koja radi između dva rezervoara na različitim temperaturama. Francuski inženjer, Carnot, je opisao takvu mašinu koja je radila u neobično jednostavnom ciklusu, koji je danas poznat kao Carnotov ciklus. Taj ciklus se sastoji iz dva revirzibilna procesa konstantne temperature (izotermna) i dva konstantna entropična (izentropična) revirzibilna procesa. Adijabatski proces (nema prenosa toplote ka ili iz fluida) koji je reverzibilan naziva se izentropski, znači u ovom ciklusu imamo i dva adijabatska reverzibilna procesa. Mašina napravljena da radi u tom ciklusu, gde se toplota apsorbuje na nižoj temperaturi a oslobađa na višoj temperaturi je poznata kao rashladna mašina. Ako je takva rashladna mašina revirzibilna, može se pokazati da je to i najefikasnija mašina koja se može osmisliti.

Šematski prikaz Carnot mašine je prikazan na slici, objašnjenje stepena:

Stepen 1-2: Procesni fluid je kompresovan dok je energija oslobođena u prostor gde se toplota oslobađa od rashladnog fluida (sink) da bi se osigurala konstanta temperatura rashladnog fluida.

Stepen 2-3: Procesni fluid se reverzibilno i adijabatski širi od temperature prostora gde se toplota oslobađa do temperature prostora koji se hladi (source).

Stepen 3-4: Energija prelazi sa prostora koji se hladi (source) na rashladni medijum, dok rashladni medij obavlja rad na održavanju konstante temperature.

Stepen 4-1: Procesni fluid se reverzibilno i adijabatski komprimuje od temperature prostora koji se hladi do temperature prostora gde se toplota odvaja od rashladnog fluida (sink).

Zgodna mera koja pokazuje efikasnost rashladne mašine uključuje toplotu koja je uklonjena na nižoj temperaturi i rad kompresije potreban za uklanjanje te toplote (energija uzeta od prostora koji se hladi i rada koji je potreban za uzimanje te količine energije). Odnos ove dve količine energije je definisan kao koeficijent performansi COP (Coefficient of performance) ili drugačije odnos energije uzete od prostora koji se hladi i rada koji je potreban za uzimanje te količine energije.

...