1824 yılında bir prosesi tanımlamak için termodinamik çevrimi kullanan ilk kişi Fransız mühendis Sadi Carnot ’ tur. Tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan carnot çevrimi , mümkün olabilecek en yüksek verime sahiptir.

 Termodinamiğin II. Yasası, ısının düşük sıcaklık seviyesinden yüksek sıcaklık seviyesine transferi için yardımcı bir enerji kaynağının gerekliliğini ortaya koymaktadır. Bu yer değiştirme olayı doğada her zaman çok olandan az olana doğrudur. Isı pompası düşük sıcaklıktaki bir ortamda bulunan ekonomik değeri olmayan ısıyı, kullanılmak üzere daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama pompalayan ve bu işi yapmak için pompaladığı ısıya oranla daha az (% 20-25) mekanik iş harcayan bir sistemdir.

Önceleri ısı pompalarında; hava sıkıştırılıp genleştirilerek enerji elde ediliyordu. Zamanla hava yerine doygun buhar – sıvı karışımından oluşan akışkanlar kullanıldı ve bunlar daha verimli oldukları açığa çıktı. Günümüzde ısı pompalarında en çok kullanılan yöntem de budur.

 Carnot ısı makinası çevrimi tersinir bir çevrimdir ve tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinası çevrimi elde edilir.

Ters Carnot çevriminde 1-2 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkana, T_L sıcaklığındaki soğuk ortamdan, sabit sıcaklıkta Q_L miktarında ısı geçişi olur. Akışkan daha sonra izantropik bir hal değişimiyle 3 haline sıkıştırılır ve hal değişimi sonunda sıcaklığı T_H olur. 3-4 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkandan T_H sıcaklığındaki ortama, sabit sıcaklıkta ısı geçişi olur ve daha sonra akışkan, 1 haline izantropik olarak genişleyerek çevrimi tamamlar. 4-1 hal değişimi sonunda akışkanın sıcaklığı T_L olur. 3-4 hal değişimi sırasında soğutucu akışkan, yoğuşturucuda doymuş buhardan doymuş sıvıya dönüşür.

Ters Carnot çevrimi, belirli sıcaklıklardaki iki ısıl enerji deposu arasında çalışan en etkin soğutma çevrimidir. Ancak tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan bu çevrim gerçekte uygulanamaz. Carnot soğutma makinesinin ve Carnot ısı pompasının etkinlik katsayıları (COP) sırasıyla şöyle tanımlanır;

Carnot çevrimine göre, çalışan kuramsal ısı makinası (Carnot ısı makinası); ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur.

• Sabit Sıcaklıkta Genleşme
• Adyabatik Genleşme
• Sabit Sıcaklıkta Sıkıştırma
• Adyabatik Sıkıştırma

Carnot İlkeleri Nelerdir?

1-) Aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki ısı makinesi düşünelim. Bu iki ısı makinesinden tersinmez olanı tahmin edebileceğimiz gibi tersinir olandan her zaman daha yüksek verimli olacaktır.

2-) Tekrar aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki veya daha fazla tersinir makine düşünelim. Eğer bu makinelerin her biri tersinir ise hepsinin verimi birbirine eşit olacaktır.

İdeal Buhar Sıkıştırmalı Çevrim

Carnot çevrimine yaklaşmak, daha doğrusu yararlı bir ısı pompası elde edebilmek için, ısı alımını ve dağıtımını büyük bir oranda izotermal şartlar altında yapmak gereklidir. Buharı sıkıştırmadan önce tümüyle buharlaştırarak ve 4-1 hal değişimindeki genişlemeyi bir kısılma işlemiyle gerçekleştirerek aşılabilir. Kullanılan genişleme vanası dıştan ayarlı değişken bir nozul veya orifîs de olabilir ya da kılcal borulardan geçirerek yapılabilir.

İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan kompresöre 1 halinde doymuş buhar olarak girer ve izantropik olarak yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi sırasında, soğutucu akışkanın sıcaklığı çevre ortam sıcaklığının üzerine çıkar. Soğutucu akışkan daha sonra 2 halinde kızgın buhar olarak yoğuşturucuya girer ve yoğuşturucudan 3 halinde doymuş sıvı olarak ayrılır. Yoğuşma sırasında akışkandan çevreye ısı geçişi olur. Soğutucu akışkanın sıcaklığı 3 halinde de çevre sıcaklığının üzerindedir.

Doymuş sıvı halindeki akışkan daha sonra bir genişleme vanası veya kılcal borulardan geçirilerek buharlaştırıcı basıncına kısılır. Bu hal değişimi sırasında soğutucu akışkanın sıcaklığı, soğutulan ortamın sıcaklığının altına düşer. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya 4 halinde, kuruluk derecesi düşük bir doymuş sıvı buhar karışımı olarak girer ve soğutulan ortamdan ısı alarak tümüyle buharlaşır. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıdan doymuş buhar halinde çıkar ve kompresöre girerek çevrimi tamamlar.

Gerçek Çevrim

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan farklıdır. Yukarıda açıklanan çevrim her ne kadar pratik sınırlandırmaları göz önünde bulunduruyorsa da çevrimde kullanılan bileşenleri %100 verimle kullanılıyor olarak kabul edilmiştir. Kompresör ve soğutucu akışkan arasındaki ısı transferinden ve kompresör içinden geçen akışkandan kaynaklanan tersinmezlikler yüzünden, entalpi gerekli olandan daha fazla yükselecektir, bu da daha yüksek çıkış sıcaklığı manasına gelecektir.

İdeal cevrimde buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar halinde girer. Bu koşul uygulamada gerçekleştirilemez. Bunun yerine sistem, soğutucu akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak bicimde tasarlanır. Burada amaç akışkanın kompresör girişinde tümüyle buhar olmasını güvenceye almaktır. İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör çıkış basıncında doymuş sıvıdır.

Gerçek çevrimde ise kompresör çıkısıyla kısılma vanası girişi arasında bir basınç düşmesi vardır. Akışkanın kısılma vanasına girmeden önce tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam bir hassaslıkla gerçekleştirmek zor olduğundan, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir.