ضریب عملکرد یا COP در سیکل تبرید

مقدمه

        برای درک مفهوم COP یا ضریب عملکرد تبرید تراکمی، ابتدا باید با کارکرد سیستم های تبرید تراکمی، مانند یخچال ها، هیت پمپ ها، چیلر های تراکمی و ... آشنا شد.

البته ما در در این مطلب به صورت کاملا مختصر نحوه کارکرد سیکل های تبرید تراکمی را بیان می‌کنیم. بعد از آن با مفهوم ضریب COP آشنا شده و یک مثال ساده را حل می‌کنیم.

نحوه عملکرد سیستم های تبرید تراکمی

        می‌دانیم گرما در جهت کاهش دما جریان پیدا می‌کند. یعنی گرما از محیط دما بالا به محیط دما پایین انتقال پیدا می‌کند. در سیکل های تبرید عکس این انتقال رخ می‌دهد. یعنی گرما از محیط دما پایین به محیط دما بالا انتقال می‌یابد.

یک سیکل برودتی تراکمی از چهار قسمت اصلی تشکیل می‌شود:

• کمپرسور
• کندانسور
• شیر انبساط
• اواپراتور

        در سیکل تبرید تراکمی یک سیال عامل در حرکت است، این سیال مبرد نام دارد. مبرد به صورت بخار وارد کمپرسور می‌شود. کمپرسور گاز مبرد را متراکم می‌کند. مبرد متراکم شده با دمای زیاد از کمپرسور خارج شده و در کندانسور، گرما را به محیط اطراف پس می‌دهد. با دفع گرما به محیط، گاز مبرد تقطیر شده و وارد شیر انبساط می‌شود. در این جا فشار مبرد خیلی زیاد کاهش می‌یابد. این کاهش فشار باعث آسان تر شدن تبخیر مبرد مایع شده در اواپراتور می‌شود. در اواپراتور با جذب گرما، از فضای سرد شده مبرد بخار شده و دوباره به کمپرسور وارد می‌شود. در صورت نیاز به آشنایی بیشتر با هر کدام از اجزای سیکل تبرید می‌توانید بر روی نام‌ آنها کلیک کنید.

COP چیست؟

       به طور کلی ضریب COP مخفف Coefficient of Performance است. ضریب COP سیکل تبرید نشان دهنده راندمان سیکل تبرید است. در حقیقت می‌توان گفت به نسبت سرمایش مفید به انرژی خاص داده شده به کمپرسور ضریب عملکرد یا COP می‌گویند. در ادامه با فرمول ضریب عملکرد آشنا می‌شویم.

ضریب COP سیکل تبرید می‌تواند بزرگتر از واحد باشد. یعنی مقدار گرمای گرفته شده از محیط می‌تواند بزرگتر از کار ورودی باشد.

فرمول ضریب COP پمپ های گرمایی

    ضریب کارایی همچنین برای هیت پمپ ها نیز محاسبه می‌شود. هیت پمپ فضای گرم شده را در یک دمای بالا نگه می‌دارد. هیت پمپ ها با جذب گرما از یک منبع دما پایین، مانند هوای محیط در زمستان، گرمای زمین، و یا آب چاه، و انتقال این گرما به محیط مسکونی، محیط را گرم می‌کنند. در حقیق می‌توان گفت هیت پمپ ها مانند یک یخچال هستند که فضای بیرون را خنک کرده و گرمای بیرون را به فضای داخل انتقال می‌دهند.

ضریب COP هیت پمپ نیز با فرمول زیر قابل محاسبه است:

        ضریب عملکرد هیت پمپ همیشه بزرگتر از واحد است. ضرایب عملکرد بیشتر هیت پمپ ها در زمستان وشرایط طراحی معمولا نزدیک به 3 است. وقتی دمای محیط زیر نقطه انجماد است بازده هیت پمپ ها خیلی کاهش می‌یابد. بنابراین استفاده از این تجهیزات برای مناطقی با هوای بسیار سرد مناسب نیست. البته در چنین مواردی در کشور های توسعه یافته از زمین به عنوان منبع گرما استفاده می‌کنند.

لازم به ذکر است عملکرد دستگاه های تهویه مطبوع در آمریکا اغلب بر حسب راندمان نامی انرژی یا EER بیان می‌شود. همچنین ضریب کارایی سیستم های تهویه مطبوع و هیت پمپ ها با SEER(seasonal energy efficiency ratio) نیز نشان داده می‌شوند. یک EER معادل 3.412 برابر COP است. در وسایل تهویه مطبوع، عمدتا شاهد EER برابر 8 تا 12 هستیم. لازم به ذکر است با کاهش دمای تبرید ضرایب عملکرد دستگاه کاهش می‌یابد.

فرمول ضریب COP چیلر جذبی

        در سیکل های تبرید جذبی انرژی حرارتی به طور مستقیم از یک مولد گرمایشی تامین می‌شود و در کنار آن کار مکانیکی ناشی از کارکرد پمپ ها و فن ها (مانند فن برج خنک کننده) نیز دخیل هستند. فرمول ضریب عملکرد در چیلر جذبی را به شکل زیر می‌توان بیان کرد:

مثال1: محاسبه ضریب عملکرد یخچال ساده

فرض کنیم یک یخچال در دمای 4 درجه سانتی گراد نگه داشته می‌شود و قدرت موتور یخچال 2 کیلووات است. اگر این یخچال 360 کیلوژول بر دقیقه گرما دفع کند، ضریب عملکرد یخچال به شکل زیر محاسبه می‌شود:

مثال2:

فرض کنید یک هیت پمپ برای گرمایش یک ساختمان به کار رفته و دمای آن را در دمای 20 درجه سانتی گراد نگه می‌دارد. اگر دمای هوای بیرون 2- درجه سانتی گراد باشد، ساختمان گرمایی معادل 80000 کیلوژول در هر ساعت رفع می‌کند. اگر COP هیت پمپ در این حالت 2.5 باشد، قدرت مصرفی هیت پمپ را حساب کنید.

حل: قدرت مصرفی این هیت پمپ با توجه به تعریف ضریب عملکرد به شکل زیر به دست می‌آید:

ضریب عملکرد و انرژی

        ضریب عملکرد یا COP در سیکل های تبرید از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با توجه به قیمت انرژی، راندمان و ضریب عملکرد چیلر های تراکمی اهمیتی دو چندان پیدا می‌کند. در این سیستم ها، COP زیر 3.5 بسیار ضعیف بوده و انرژی زیادی مصرف می‌کند. ضرایب عملکرد بین 3.5 تا 5 از عملکرد خوبی برخوردارند. در سیستم های بالای این عدد، سیکل از نظر مصرف انرژی و راندمان کاری در رده بسیار خوب قرار می‌گیرد. یک سیستم با COP=7 می‌تواند تا 60 درصد انرژی کمتری مصرف کند.

        استفاده از کمپرسور های با راندمان بالاتر، مانند کمپرسور اسکرال دیجیتال کوپلندو یا کمپرسورهای توربوکور دانفوس، می‌تواند راندمان سیکل را افزایش دهد. همچنین کمپرسور های اسکرال که با درایو دور متغیر کنترل می‌شوند، موجب افزایش بهره وری می‌گردند. استفاده از فن های کم مصرف، استفاده از چیلر های جذبی دو یا سه اثره، به کار گیری گاز های برودتی با راندمان بالاتر و همچنین استفاده از پمپ های با بهره وری بالا نیز از دیگر راه های افزایش ضریب COP هستند.

جمع بندی

        بحث در مورد انرژی و ضریب عملکرد فراتر از این مطلب مختصر است. در مطلبی که خواندید تنها اشاره ای مختصر به COP و روش هیا افزایش آن در سیکل های تبرید شد. در این مطلب مثال ها و فرمول ها از کتاب اصول ترمودینامیک نوشته سنجل ورژن 2017 بهره گیری شده است. لطفا نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید و از دیگر مطالب مجله ایران فریون دیدن کنید.