مضخة حرارية ودورة تبريد

تُستخدم دورة ضغط البخار في العديد من تطبيقات التبريد والتكييف وغيرها من تطبيقات التبريد، وكذلك في المضخات الحرارية لتطبيقات التدفئة. تتكون هذه الدورة من مُبادِلَين حراريين: المُكثِّف ، وهو الأكثر سخونة ويُطلق الحرارة، والمُبَخِّر، وهو الأكثر برودة ويستقبل الحرارة. في التطبيقات التي تتطلب التشغيل في وضعَي التدفئة والتبريد، يُستخدم صمام عكسي لعكس أدوار هذين المُبادِلَين الحراريين.

في بداية الدورة الديناميكية الحرارية، يدخل المبرد إلى الضاغط على شكل بخار مشبع منخفض الضغط والحرارة. في المضخات الحرارية، يكون هذا المبرد عادةً من نوع R32 أو R290 . ثم يرتفع الضغط ويخرج المبرد على شكل غاز محمص بدرجة حرارة وضغط أعلى . يمر هذا الغاز الساخن المضغوط عبر المكثف حيث يطلق الحرارة إلى المحيط أثناء تبريده وتكثفه بالكامل. بعد ذلك، يمر السائل البارد عالي الضغط عبر صمام التمدد (صمام الخانق) الذي يخفض الضغط فجأة، مما يؤدي إلى انخفاض حاد في درجة الحرارة. ^{[ 7 ]} ثم ينتقل خليط السائل والبخار البارد منخفض الضغط عبر المبخر حيث يتبخر تمامًا أثناء امتصاصه الحرارة من المحيط قبل أن يعود إلى الضاغط على شكل غاز منخفض الضغط والحرارة ليبدأ الدورة من جديد. ^{[ 8 ]}

قد تستخدم بعض التطبيقات البسيطة ذات درجات حرارة التشغيل الثابتة، مثل الثلاجة المنزلية ، ضاغطًا ثابت السرعة وصمام تمدد ثابت الفتحة. أما التطبيقات التي تتطلب التشغيل بمعامل أداء عالٍ في ظروف شديدة التباين، كما هو الحال مع المضخات الحرارية حيث تختلف درجات الحرارة الخارجية والطلب الداخلي على الحرارة اختلافًا كبيرًا على مدار الفصول، فتستخدم عادةً ضاغطًا عاكسًا متغير السرعة وصمام تمدد قابلًا للتعديل للتحكم في ضغوط الدورة بدقة أكبر.

تستند المناقشة أعلاه إلى دورة التبريد المثالية بضغط البخار، ولا تأخذ في الحسبان تأثيرات العالم الحقيقي مثل انخفاض الضغط الاحتكاكي في النظام، أو عدم الانعكاسية الديناميكية الحرارية الطفيفة أثناء ضغط بخار المبرد، أو سلوك الغاز غير المثالي (إن وجد). ^{[ 4 ]}

في السنوات الأولى من القرن العشرين، كانت دورة امتصاص البخار باستخدام أنظمة الماء والأمونيا شائعة الاستخدام، ولكن بعد تطوير دورة ضغط البخار، فقدت الكثير من أهميتها بسبب انخفاض معامل أدائها (حوالي خُمس معامل أداء دورة ضغط البخار). أما اليوم، فتُستخدم دورة امتصاص البخار فقط في الحالات التي يكون فيها توفر الحرارة أسهل من توفر الكهرباء، مثل الحرارة المهدرة في الصناعات ، والطاقة الشمسية الحرارية المُستمدة من مُجمّعات الطاقة الشمسية ، أو التبريد خارج الشبكة في المركبات الترفيهية .

تتشابه دورة الامتصاص مع دورة الضغط، لكنها تعتمد على الضغط الجزئي لبخار المُبرِّد. في نظام الامتصاص، يُستبدل الضاغط بممتص ومولد. يقوم الممتص بإذابة المُبرِّد في سائل مناسب (محلول مخفف)، وبالتالي يتحول المحلول المخفف إلى محلول مركز. في المولد، عند إضافة الحرارة، ترتفع درجة الحرارة، ومعها ينخفض ​​الضغط الجزئي لبخار المُبرِّد من المحلول المركز. مع ذلك، يحتاج المولد إلى مصدر حرارة، مما يستهلك الطاقة ما لم تُستَخدَم الحرارة المهدرة. في ثلاجة الامتصاص، يُستخدم مزيج مناسب من المُبرِّد والممتص. من أكثر هذه المزيجات شيوعًا الأمونيا (مُبرِّد) والماء (ممتص)، والماء (مُبرِّد) وبروميد الليثيوم (ممتص).

يمكن تشغيل أنظمة التبريد بالامتصاص عن طريق احتراق الوقود الأحفوري (مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي وما إلى ذلك) أو الطاقة المتجددة (مثل استعادة الحرارة المهدرة أو احتراق الكتلة الحيوية أو الطاقة الشمسية ).

عندما يكون سائل التبريد غازًا يُضغط ويتمدد دون أن تتغير حالته، تُسمى دورة التبريد دورة غازية . غالبًا ما يكون الهواء هو سائل التبريد هذا. ولأن الدورة الغازية لا تتضمن تكثيفًا أو تبخرًا، فإن المكونات المقابلة للمكثف والمبخر في دورة ضغط البخار هي مبادلات حرارية غازية ساخنة وباردة .

في درجات الحرارة القصوى المحددة، قد تكون دورة الغاز أقل كفاءة من دورة ضغط البخار، لأن دورة الغاز تعمل وفق دورة برايتون العكسية بدلاً من دورة رانكين العكسية . ونتيجة لذلك، لا يكتسب سائل التبريد أو يفقد الحرارة عند درجة حرارة ثابتة. في دورة الغاز، يساوي تأثير التبريد حاصل ضرب الحرارة النوعية للغاز في ارتفاع درجة حرارته في الجانب ذي درجة الحرارة المنخفضة. لذا، ولنفس حمل التبريد، تتطلب آلات دورة تبريد الغاز معدل تدفق كتلي أكبر، مما يزيد من حجمها.

نظراً لانخفاض كفاءتها وكبر حجمها، لا تُستخدم مبردات دورة الهواء بكثرة في أنظمة التبريد الأرضية. مع ذلك، تُعدّ آلة دورة الهواء شائعة الاستخدام في الطائرات النفاثة التي تعمل بمحركات التوربينات الغازية ، حيث يتوفر الهواء المضغوط بسهولة من ضواغط المحركات. كما تُستخدم وحدات التبريد والتهوية في هذه الطائرات النفاثة لتدفئة مقصورة الطائرة وضغطها .

يمكن تشغيل محرك ستيرلينغ الحراري ^{[ 9 ]} في الاتجاه المعاكس، باستخدام طاقة ميكانيكية لنقل الحرارة في الاتجاه المعاكس (مثل مضخة حرارية أو ثلاجة). تتوفر عدة تصميمات لهذه الأجهزة. تتطلب بعض هذه التصميمات استخدام موانع تسرب دوارة أو منزلقة، مما قد يُسبب مفاضلات صعبة بين فقدان الطاقة الناتج عن الاحتكاك وتسرب غاز التبريد.

دورة كارنو ، التي لها مكافئ كمي، ^{[ 10 ]} قابلة للانعكاس، لذا يمكن عكس العمليات الأربع المكونة لها، اثنتان متساويتا الحرارة واثنتان متساويتا الإنتروبيا. عندما تعمل دورة كارنو في الاتجاه المعاكس، تُسمى دورة كارنو المعكوسة . يُطلق _على الثلاجة أو المضخة الحرارية التي تعمل وفقًا لدورة كارنو المعكوسة اسم ثلاجة كارنو أو مضخة حرارية كارنو، على التوالي. في المرحلة الأولى من هذه الدورة، يمتص المبرد الحرارة بشكل متساوي الحرارة من مصدر منخفض الحرارة، TL ، بكمية QL . بعد ذلك، يُضغط المبرد بشكل متساوي الإنتروبيا (أديباتي، بدون انتقال حراري) وترتفع درجة حرارته إلى درجة حرارة المصدر عالي الحرارة، _TH . ثم عند هذه الدرجة العالية من الحرارة، يطرد المبرد الحرارة بشكل متساوي الحرارة بكمية QH < 0 _{( سالبة} وفقًا لاتفاقية الإشارة للحرارة المفقودة من النظام). خلال هذه المرحلة أيضًا، يتحول المبرد من بخار مشبع إلى سائل مشبع في المكثف. وأخيرًا، يتمدد المبرد بشكل متساوي الإنتروبيا حتى تنخفض درجة حرارته إلى درجة حرارة المصدر ذي درجة الحرارة المنخفضة ^، T _L. ^{[ 2} ]

مضخة الحرارة الامتصاصية الضاغطة (ACHP) هي جهاز يدمج ضاغطًا كهربائيًا في مضخة حرارة امتصاصية . في بعض الحالات، يتم الحصول على ذلك من خلال الجمع بين مضخة حرارة ضغط البخار ومضخة حرارة امتصاصية . ويُشار إليها أيضًا باسم مضخة الحرارة الهجينة ^{[ 11 ]} ، وهو مصطلح أوسع نطاقًا. بفضل هذا التكامل، يمكن للجهاز توفير تأثيرات التبريد والتدفئة باستخدام مصادر الطاقة الحرارية والكهربائية . ^{[ 12 ] [ 13 ]} يتوافق هذا النوع من الأنظمة بشكل جيد مع أنظمة التوليد المشترك للطاقة حيث يتم إنتاج كل من الحرارة والكهرباء . اعتمادًا على التكوين، يمكن للنظام زيادة إنتاج التدفئة والتبريد إلى أقصى حد من كمية معينة من الوقود، أو تحسين درجة حرارة (وبالتالي جودة) الحرارة المهدرة من عمليات أخرى. ^{[ 14 ]} يُعد هذا الاستخدام الثاني هو الأكثر دراسة، وقد طُبِّق في العديد من التطبيقات الصناعية. ^{[ 15 ]}