همانطور که می دانیم گرما همیشه از محیط گرمتر به محیط سردتر انتقال پیدا می کند اگر این فرآیند به طور متناوب و سیکلی انجام بپذیرد و بازده آن صد درصدی باشد(چرخه در ایده آل ترین حالت قرار بگیرد)این چرخه را کارنو می نامیم.
چرخه ی کارنو(Carnot cycle) یک چرخه ی ترمودینامیکی بازگشت پذیر است که توسط سعدی کارنو در ۱۸۲۴ معرفی شد. چرخه کارنو چرخه‌ای است که بیشترین کارایی را دارد.
سعدی کارنو در سال ۱۸۲۴ در مقاله‌ای با عنوان «اندیشه‌هایی درباره قدرت محرکه گرما» بیان کرد که:
بازده تمام ماشین‌های بازگشت‌پذیری که بین دماهای یکسانی کار می‌کنند با هم برابر است و بازده هیچ ماشین بازگشت ناپذیری، که بین همان دو دما کار می‌کند، نمی‌تواند بیشتر از این باشد.
پس همانطور گفته شد در طی این سیکل مقداری کار تولیدی وجود دارد.
شکل 1) موتور گرمایی کارنو
حال فرض کنید همین چرخه را برعکس کنیم. یعنی کاری انجام دهیم تا گرما از محیط سردتر به محیط گرمتر انتقال یابد. به روند برعکس موتور گرمایی کارنو، موتور معکوس کارنو یا یخچال گفته می شود. اساس طراحی سیکل های تبرید تراکمی نیز بر مبنای فرایند چرخۀ ترمودینامیکی یخچال است.
شکل 2) سیکل یخچال
فرایند سیکل تبرید تراکمی در چهار مرحله انجام می شود. شروع این مرحله با تراکم سیال مبرد است. مرحلۀ دوم، چگالش این سیال است و سپس نوبت به انبساط سیال و اختناق آن می رسد. در نهایت نیز سیال وارد بخش تبخیر می شود و سیکل به انتهای خود می رسد. نقطۀ انتهایی سیکل های تبرید تراکمی دوباره به نقطۀ ابتدایی آن متصل می شود. در ادامه هر یک از مراحل به طور جداگانه شرح داده می شود.
نخستین مرحله در سیکل های تبریدی مرحلۀ تراکم سازی سیال است. این کار معمولاً به کمک یک دستگاه کمپرسور انجام می شود. سیال در حالی وارد کمپرسور می شود که حالت گازی داشته و دما و فشار پایینی دارد. با ورود سیال به کمپرسور دما و فشار آن بالا رفته و آمادۀ ورود به مرحلۀ بعدی می شود. همین طور که گفتیم در چرخۀ یخچال این ما هستیم که کاری را به سیستم منتقل می کنیم تا گرما را از محیطی سرد به محیطی گرم منتقل کند. کار لازم برای انجام این چرخه در مرحلۀ تراکم سازی سیال به مبرد انتقال می یابد. در حقیقت برای به جریان انداختن سیال و متراکم کردنش لازم است از یک موتور الکتریکی یا احتراقی استفاده کرد.
مرحلۀ دوم، مرحلۀ چگالش سیال مبرد است. زمانی که سیال مبرد از کمپرسور خارج می شود، دما و فشار بالایی دارد. به همین خاطر وارد یک کندانسور می شود. کندانسورها اغلب خط لوله هایی هستند که به صورت یک مارپیچ طراحی می شوند. البته کندانسورها در چیلرهای تراکمی به صورت یک مبدل حرارتی طراحی می شوند. با ورود سیال به بخش کندانسور عملیات خنک سازی و چگالش آن آغاز می شود. پایین آوردن دمای سیال اغلب به کمک جریان آب یا گردش هوا در اطراف خطوط لوله کندانسور انجام می گیرد. در کندانسور اغلب فشار سیال ثابت می ماند. اما دمای آن به قدری پایین می آید که تماماً از حالت گازی به حالت مایع در می آید.
سیال مبرد پس از اینکه به طور کامل به مایع تبدیل شد، وارد یک شیر انبساط می شود. با ورود سیال به شیر انبساط با افزایش حجم سیال، فشار آن نیز پایین می آید. همچنین این اتفاق باعث می شود که بخشی از سیال مایع که در حالت اشباع قرار دارد، به بخار تبدیل شود. در حقیقت سیال خروجی از شیر انبساط حالتی دو فازی خواهد داشت و مخلوطی از گاز و مایع را شامل می شود
مرحلۀ تبخیر درست همان جایی است که سیال مبرد گرمای محیط مورد نظر ما را جذب می کند و به بیرون منتقل می کند. برای مثال در یک یخچال فریزر معمولی عملیات تبخیر سیال مبرد درست در محفظۀ یخچال صورت می گیرد. در این مرحله چون فشار سیال به شدت پایین است، در نتیجه دمای آن نیز پایین ترین میزان ممکن خواهد بود. به طوری که از محیط مورد نظر ما (مثلاً محفظۀ یخچال) دمایی پایین تر خواهد داشت. همین تفاوت دما بین سیال مبرد و مکان هدف باعث می شود که گرما از بخش مورد نظر ما به سیال مبرد منتقل شود. این انتقال حرارت باعث می شود که سیال به صورت کامل به بخار تبدیل شده و دوباره به یک مبرد تک فازی دست پیدا کنیم. این سیال پس از عبور از بخش اواپراتور یا همان مرحلۀ تبخیر مجدداً آمادۀ ورود به کمپرسور می شود. در حقیقت در اینجا چرخۀ سیکل تبریدی ما به اتمام رسیده و دوباره به گردش در می آید.
شکل3)سیکل تبرید تراکمی
کمپرسورهای مورد استفاده در تبرید
متداول‌ترین انواع کمپرسور مورد استفاده در تبرید شامل کمپرسورهای پیستونی، روتاری اسکرو، اسکرول و گریز از مرکزی می‌باشد. در کاربردهای مختلف به دلایلی از قبیل میزان صدا، ارتعاش، ظرفیت و نسبت فشار از کمپرسورهای مختلفی استفاده می‌شود. کمپرسورهای تبرید معمولاً با توجه به نحوه قرار گرفتن موتور و نوع محفظه به سه گونه هرمتیک (بسته)، سِمی-هرمتیک (نیمه-بسته) و باز طبقه‌بندی می‌شوند.
در کمپرسورهای هرمتیک و بیشتر کمپرسورهای سمی-هرمتیک مبرد بازگشتی از اواپراتور وظیفه خنک کاری موتور محرک کمپرسور را نیز به عهده دارد و در نتیجه در هنگام محاسبه بار حرارتی سردخانه این حرارت نیز باید به مجموع حرارت‌ها اضافه گردد. محفظه کمپرسور هرمتیک توسط جوشکاری کاملاً آب‌بند شده و امکان تعمیر آن در محل وجود ندارد در حالیکه در کمپرسورهای سِمی-هرمتیک یا نیمه-بسته محفظه توسط پیچ به یکدیگر متصل شده و به همین دلیل اجرای تعمیرات و بازبینی اجزای داخلی در این نوع کمپرسورها بسیار ساده‌تر است.
در کمپرسورهای باز، موتور خارج از محفظه کمپرسور قرار دارد و موتور توسط شفت و کوپلی به میل لنگ کمپرسور متصل می‌شود. از آنجایی که آمونیاک می‌تواند مس را حل کند در کمپرسورهایی که مبرد آنها آمونیاک است نمی‌توان از کمپرسورهای بسته یا نیمه بسته استفاده کرد و در سردخانه‌های آمونیاکی کمپرسور از نوع باز می‌باشد.
شیر انبساط
یکی از چهار جز سیکل های تبرید شیرهای انبساط و لوله های مویین هستند که محل قرار دادن آن ها بین کندانسور و اواپراتور نیز می باشد.وظیفه ی شیرهای انبساط در سیکل های تبرید کاهش سریع فشار مبرد می‌باشد .این عملیات به مبرد این اجازه را می دهد که سریعا قبل از ورود به اواپراتور سرد شود.شیر های انبساطی به دو دسته ترموستاتیکی و الکترونیکی تقسیم بندی می شوند.
شیر انبساط ترموستاتیکی (TXV )
شیر انبساط ترموستاتیکی توانایی تغییر جریان ورودی مبرد در یک سیکل تبرید تهویه مطبوع را دارد.روش کار به این شکل است که در خروجی اواپراتور یک سنسور و درواقع حباب حرارتی قرارداده می شود که توسط یک لوله به شیر انبساط ترموستاتیکی متصل است. در صورتی که مبرد در اواپراتور کمتر از میزان مورد تقاضا باشد، مبرد گرم شده و پس از خروج از اواپراتور باعث گرم شدن حباب حرارتی می شود. گازی که در این حباب حرارتی وجود دارد، با گرم شدن منبسط شده و از طریق لوله‌ای خود را به فنری که در شیر انبساط ترموستاتیکی قرار دارد می‌رساند. فنر را فشرده کرده و باعث باز شدن بیشتر دریچه ورود مبرد به داخل اواپراتور می‌شود.
در نتیجه مبرد بیشتری به اواپراتور راه پیدا کرده و دما متعادل می‌شود.درمقابل در صورتی که میزان ورود مبرد به داخل اواپراتور زیاد باشد، دمای مبردی که از اواپراتور خارج می‌شود، پایین تر از حالت معمول است و باعث تغییر حالت گاز داخل حباب به مایع شده و حجم آن کاهش پیدا می کند. این برگشت گاز به داخل حباب فشار را از روی فنر شیر انبساط برداشته و باعث می شود دریچه کمی بسته شده و مبرد کمتری به اواپراتور فرستاده شود.
شیر انبساط الکترونیکی:
این شیر که خود دارای انواعی است و هر شرکت با تکنولوژی خاص خود آن را تولید می کند، یکی از محبوبترین وسیله های انبساط در سیستم های تهویه مطبوع می باشد. بازده بالا، کنترل دقیق جریان مبرد، ابعاد کوچکتر به نسبت دیگر انواع شیرها و … از جمله ویژگی های اصلی شیر انبساط الکترونیکی است. این شیرها معمولا یک سنسور دمایی در خروجی شیر انبساط و درواقع ورودی اواپراتور و یک سنسور دمایی در خروجی اواپراتور دارند. مکانیزم عملکرد آن ها همانند شیر انبساط های ترموستاتیکی می‌باشد، با این تفاوت که سیگنال دریافت برای تغییر در میزان مبرد، توسط یک کنترلر الکتریکی ارسال می شود. در واقع درون این شیرها استپ موتورهایی وجود دارند که دوران می کنند و میزان دریچه برای خروج مبرد را باز یا بسته می کنند. استفاده از شیر انبساط های الکترونیکی در سیستم های تهویه مطبوع با ظرفیت بالا بسیار متداول است.این شیرها علاوه بر کاهش هزینه‌های انرژی و افزایش راندمان می‌توانند با عملکرد خوب خود، به عمر کمپرسور بیافزایند.تحمل فشار مبردهای جدید، ابعاد کوچک از دیگر ویژگی های این قطعات می باشند.
اخیرا شرکت دانفوس شیر انبساط الکترونیکی از جنس تماما فولاد ضد زنگ به بازار عرضه کرده است.
