1.12 Ψυγεία - Κλιματιστικά - Αντλίες θερμότητας

Η αρχή λειτουργίας των ψυγείων, των κλιματιστικών και των αντλιών θερμότητας είναι ακριβώς η αντίστροφη από αυτήν των θερμικών μηχανών.

Όπως φαίνεται στην εικόνα 1.46 από την ψυχρή δεξαμενή (ψυχρό περιβάλλον, π.χ. το εσωτερικό του ψυγείου) απορροφάται θερμότητα Qx υπό θερμοκρασία Τx και αποβάλλεται μεγαλύτερο ποσό θερμότητας Qυ στη θερμή δεξαμενή (θερμό περιβάλλον, π.χ. δωμάτιο) θερμοκρασίας Tυ. Για να συμβεί αυτό, καταναλώνεται έργο W.

Μπορείτε να αισθανθείτε αυτή τη θερμότητα να βγαίνει από το πίσω μέρος του ψυγείου. Το έργο W συνήθως γίνεται από το μοτέρ που συμπιέζει ένα ρευστό (Εικ. 1.47).

Ένα τέλειο ψυγείο, δηλαδή ένα ψυγείο που δε χρειάζεται έργο, για να μεταφέρει θερμότητα από την ψυχρή περιοχή στη θερμή, δεν είναι εφικτό, σύμφωνα με τη διατύπωση του Glausious για το δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής.

Η επίδοση Κ ενός ψυγείου ορίζεται ως το πηλίκο της θερμότητας Qx, που αφαιρείται από την περιοχή χαμηλής θερμοκρασίας, διά του έργου W, που απαιτείται για το σκοπό αυτό. [pic] (13)

Εικ. 1.46 Αρχή λειτουργίας και σχηματικό διάγραμμα της ενεργειακής ροής σε ένα ψυγείο ή σε ένα κλιματιστικό.

Αυτός ο τρόπος ορισμού της αποτελεσματικότητας ενός ψυγείου φαίνεται λογικός, επειδή όσο περισσότερη θερμότητα Qx αφαιρείται από το εσωτερικό του ψυγείου για δεδομένη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας W τόσο καλύτερο (πιο αποδοτικό) θα είναι το ψυγείο. Από την αρχή της διατήρησης της ενέργειας (πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής) έχουμε: Qx + W = Qυ ή W = Qυ - Qx, οπότε η σχέση (13) γίνεται: [pic] (14)

Εικ. 1.47 Τυπικό σύστημα ψυγείου. Το μοτέρ του συμπιεστή σπρώχνει το αέριο υπό υψηλή πίεση μέσα από τον εναλλάκτη θερμότητας στο πίσω μέρος του ψυγείου, όπου θερμότητα Qυ αποβάλλεται και το αέριο ψύχεται και υγροποιείται. Το υγρό τώρα διέρχεται μέσω μιας βαλβίδας από την περιοχή υψηλής πίεσης στην περιοχή χαμηλής πίεσης στα εσωτερικά τοιχώματα του ψυγείου. Εξαερούται σ' αυτή τη χαμηλή πίεση και έτσι απορροφά θερμότητα Qx από το εσωτερικό του ψυγείου. Το υγρό επιστρέφει στο συμπιεστή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Για ένα ιδανικό ψυγείο (όχι ένα τέλειο που είναι ανέφικτο), το καλύτερο που θα μπορούσε να πετύχει κανείς είναι: [pic] (15)

Εικ. 1.48 Ένα κλιματιστικό δωματίου απορροφά θερμότητα από το δωμάτιο, που είναι η ψυχρή δεξαμενή, και αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον, που είναι η θερμή δεξαμενή.

Ένα κλιματιστικό (Εικ. 1.48) λειτουργεί περίπου το ίδιο με ένα ψυγείο, αν και οι κατασκευαστικές λεπτομέρειες είναι διαφορετικές, γιατί το κλιματιστικό παίρνει θερμότητα Qx από το εσωτερικό ενός δωματίου ή ενός κτιρίου σε χαμηλή θερμοκρασία και αποβάλλει θερμότητα Qυ στο περιβάλλον σε υψηλότερη θερμοκρασία. Και για την επίδοση των κλιματιστικών ισχύει η σχέση που βρήκαμε για τα ψυγεία.

Η θερμότητα από μόνη της ρέει από περιοχές υψηλής θερμοκρασίας σε περιοχές χαμηλής θερμοκρασίας, όπως το νερό ρέει από μόνο του από τα ψηλά στα χαμηλά· για να κάνουμε το αντίθετο, χρειαζόμαστε αντλίες. Έτσι και για τη μεταφορά της θερμότητας από την ψυχρή στη θερμή περιοχή χρησιμοποιούμε μια αντλία θερμότητας.

Ο όρος αντλία θερμότητας χρησιμοποιείται κυρίως για τις διατάξεις που θερμαίνουν ένα σπίτι το χειμώνα αντλώντας θερμότητα Qx από το περιβάλλον, το οποίο βρίσκεται σε χαμηλή θερμοκρασία, και προσφέρουν θερμότητα Qυ στο σπίτι, καταναλίσκοντας έργο W (Εικ. 1.49). Η αρχή λειτουργίας της αντλίας θερμότητας είναι ίδια με αυτήν του ψυγείου ή του κλιματιστικού, αλλά ο σκοπός της αντλίας θερμότητας είναι να θερμαίνει και όχι να ψύχει. Συνεπώς, η επίδοση μιας αντλίας θερμότητας θα ορίζεται διαφορετικά απ' ό,τι στα ψυγεία και στα κλιματιστικά. [pic] (16)

Εικ. 1.49 Μια αντλία θερμότητας αντλεί θερμότητα από το ψυχρό περιβάλλον και θερμαίνει με θερμότητα QH το εσωτερικό του δωματίου.

Οι περισσότερες αντλίες θερμότητας μπορούν να λειτουργήσουν και ως κλιματιστικά το καλοκαίρι με αντιστροφή της λειτουργίας τους.