冷却装置

冷凍機に関する記事

冷蔵庫は逆方向に働く熱機関です。つまり、熱機関は低温領域から熱を取り出し、高温領域に放出します。このプロセスが起こるためには、機関が仕事をする必要があります。しかし、熱は本来、高温領域から低温領域へと流れます。低温領域から高温領域へは、熱は自然には流れません。これは、先に述べたクラウジウスの法則と一致します。冷蔵庫で起こるプロセスについて、前述のクラウジウスの法則は次のように書き換えることができます。

冷凍機(循環式で動作する)が仕事をせずに低温の場所から高温の​​場所へ熱を移動させることは不可能である(熱力学第二法則- クラウジウスの法則)。

斜体で示されたテキストは、熱力学第二法則の特別な記述です。この記述は冷凍機にのみ適用されます。エネルギーの形態を変え、エネルギーを伝達するプロセスは、エネルギー 冷却機1冷却装置は以下の図のようになります。

この機械は、低温の場所(Q L )から熱(W)を取り出し、高温の場所(Q H)に熱を放出する。エネルギー保存の法則に基づくと、Q L + W = Q Hと結論付けられる。

熱機関では効率という用語が用いられるが、冷凍機では成績係数(KK)という用語が用いられる。冷凍機の成績係数(KK)は、低温の場所から伝達される熱量(QL)と、その熱を伝達するために行われた仕事量(W)の比である。数式で表すと次のようになる。

冷却機2

冷凍機の成績係数をパーセントで表したい場合は、この式に100%を掛けるだけです。理想的な冷凍機の成績係数(冷凍機のカルノー成績係数):

冷却機3

私たちが日常的に使用する冷却機器には、冷蔵庫、エアコン、ヒートポンプなど、いくつか種類があります。

冷蔵庫

凝縮器は蒸気を液体に変換する装置、圧縮機は圧縮する装置です。冷却コイルは通常冷蔵庫内部に設置されていますが、凝縮器コイルは冷蔵庫外部(背面)に設置されています。

コイル内部には、相平衡状態(液体と気体の状態が同時に存在する状態)にある流体が存在します。この流体は冷媒として知られています。かつて一般的に使用されていた冷媒はフロンでした。しかし、フロンが放出されるとオゾン層を破壊する可能性があるため、現在では使用されていません。

電気で駆動されるコンプレッサーモーターは、冷媒(蒸気)を吸い込み、断熱圧縮します。断熱圧縮により、蒸気の温度が上昇します。温度が上昇すると、蒸気の圧力も上昇します。コンプレッサー(高温)とコンデンサー(低温)の温度差により、高温高圧の蒸気が冷蔵庫背面にあるコンデンサーコイルを通過します。

蒸気の温度は周囲の空気の温度よりも高いため、凝縮器コイルを通過する際に蒸気は周囲の空気に熱を放出します。凝縮器で凝縮されるため、蒸気は冷えて液体になります。膨張弁を通過する際、液体になった冷媒は断熱膨張します。断熱膨張によって液体は冷たくなります(温度が低下します)。冷えた液体は冷蔵庫内のコイル内を流れます。コイル内の液体は冷蔵庫内の空気よりも冷たいため、冷媒が蒸気になるまで液体は熱を吸収します(液体が冷蔵庫内の熱を吸収します)。蒸気になった冷媒はコンプレッサーモーターに吸い込まれ、断熱圧縮されます。そして、このプロセスが繰り返されます。冷蔵庫内の熱がコイル内の液体に移動するため、冷蔵庫は冷たくなります。

AC(エアコン)

エアコンは、その構造こそ異なりますが、基本的な動作原理は冷蔵庫と似ています。この場合、冷蔵庫は部屋です。通常、冷却コイルは室内に設置され、凝縮コイルは室外に設置されます。凝縮コイルの後ろにはファンがあります。ファンの役割は、空気の循環を調整し、凝縮コイルに風を送ることで、凝縮コイルと周囲の空気との間の熱伝達を促進することです。一方、冷却コイルの後ろには送風機(ブロワー)があります。その機能はファンと似ています。ファンが凝縮コイルに風を送り、熱を周囲の空気に放出するのに対し、ブロワーは冷却コイルに風を送り、室内に冷気を送り込みます。

ヒートポンプ

ヒートポンプは一般的に寒い冬に使用されます。ヒートポンプの動作原理は冷蔵庫と似ています。違いは、冷蔵庫が部屋を冷やすための装置であるのに対し、ヒートポンプは部屋を暖めるための装置である点です。冷蔵庫は部屋から熱(QL )を吸収して外部に放出する(QH )ことで熱を伝達しますが、ヒートポンプは外部から熱(QL )を吸収して室内に放出する(QH )ことで熱を伝達します。この熱の放出により、部屋は暖かくなります。夏になると、ヒートポンプは逆運転してエアコン(AC)として動作させることができます。

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