A kompresszoros hűtőgépeknek két oldala van, melyek között a kompresszor (pumpa) keringeti a közeget. Mindig a kis nyomású helyről hajtja át a nagy nyomású helyre a gázt, ahol aztán cseppfolyósodik, amitől felszabadul a lecsapódáshője, aminek eredményeképpen felmelegszik, így (jó esetben) melegebb lesz, minta külső környezet, ezért spontán módon le tud adni hőt felé. A szűkületen visszajutva a kis nyomású helyre ott hirtelen elpárolog, és mivel a párolgáshőt valahonnan fedezni kellett, a belső energiájából megoldva egyből lehűl. A lehűlés miatt viszont hidegebb lesz, mint a hűtő hideg oldala, így spontán módon hőt tud elvonni onnan (még jobban lehűti az egyébként eleve viszonylag hideg ételeinket). A pumpának nemcsak amiatt kell dolgoznia, hogy áthajtsa a gázt az evaporátorból (párologtatóból) a kondenzátorba, hanem hogy ennek révén biztosítsa a párologtató oldalon a kis nyomást, hogy az ide megérkező meleg folyadék a kis nyomás miatt agyorsan elpárologjon és lehűljön.
Az ipari hűtőgépek közege ammónia, a háztartási kompresszoros hűtőgépekben pedig jelenleg egy izobután nevű (R‑600a kódjelű) anyagot keringetnek (ez van az öngyújtókban, a kézi lángszórókban és a túrázók gázpalackjában is), mely szobahőmérsékleten és normál nyomáson gáz halmazállapotú, de könnyen, már néhány bar nyomással cseppfolyósítható. Az izobután telített gőznyomásának hőmérsékletfüggése az alábbi ábrán látható, ezen leolvasható, hogy normál nyomáson $‑11,7\ \mathrm{{}^\circ C}$‑on forr, és $25\ \mathrm{{}^\circ C}$‑on kb. $3,5\ \mathrm{bar}$ nyomással cseppfolyósítható, valamint hogy a nyári forróságban ha a tűző napon álló autóban felejtünk egy öngyújtót, és a hőmérséklet $50\unicode{x2013} 60\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra felmegy, akkor akár $8\ \mathrm{bar}$ nyomás is kialakulhat az öngyújtóban, amitől az akár szét is robbanthat:
A kompresszoros hűtőgépek leglényegesebb lépése, amikor a cseppfolyós állapotú hűtőközeget egy hirtelen nyomáscsökkenéssel párolgásra kényszerítjük, amitől a hűtőközeg cseppfolyós része erősen lehűl (hiszen a legnagyobb energiájú molekulái fognak kilépni a gáztérbe, így a folyadékfázisban visszamaradók átlagos energiája lecsökken, ami hőmérsékletcsökkenést jelent). Az erősen lehűlt folyadék a hűtendő testről (pl. hűtőgépnél a bent lévő ételből) spontán módon hő formájában energiát von el, hiszen hidegebb nála. De hogy a hőelvonás folyamatosan megtörténjen, az elpárolgott hűtőközeget folyamatosan újra cseppfolyósítani kell. Nem mindegy, hogy a hűtőgépnek milyen nagy nyomást kell előállítania, hogy az elpárolgott (tehát gőzzé vált) hűtőközeget cseppfolyósítsa; sokkal egyszerűbb, olcsóbb egy kisebb nyomásokkal dolgozó berendezést megépíteni és üzemeltetni, mint egy nagy nyomásokkal dolgozót. Emiatt előnyös tulajdonsága az izobutánnak, hogy könnyen (már kis nyomással) cseppfolyósítható.
Az izobután párolgáshője jó nagy: $366,7\ \mathrm{\displaystyle \frac{kJ}{kg}}$, vagyis $1\ \mathrm{kg}$ izobután elpárologtatása annyi hőt igényel, mint $1\ \mathrm{kg}$ víz $80\ \mathrm{{}^\circ C}$‑szal való felmelegítése. A kompresszor átpréseli az izobutánt a kis nyomású oldalról $(0,5\ \mathrm{bar})$ a nagy nyomású oldalra $(8\ \mathrm{bar})$. Magától ugyebár sose menne az anyag kis nyomású helyről nagy nyomású helyre, ezért szükséges dolgoznia a kompresszornak. A kompresszor tehát összenyomja az izobután gőzt, az pedig ettől felmelegszik, hiszen az összenyomáskor a dugattyú munkát végez, azaz energiát ad az izobután gőznek, és mivel a folyamat gyorsan történik, az átadott energia az izobután belső energiáját növeli. Emiatt az izobután gőz hőmérséklete felszökik kb. $55\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra. Ez a hőmérséklet pedig egyértelműen magasabb, mint a szobákban lévő levegő hőmérséklete, ezért a felmelegedett izobután gőz spontán módon hőt kezd el leadni a környező (külső) levegőnek. A hőleadástól pedig lehűl kb. $30\ \mathrm{{}^\circ C}$‑ra és cseppfolyósodik. A lecsapódáshoz az izobutánnak le kell adnia egy csomó hőt, a párolgáshőnek megfelelő mennyiségűt. A kondenzátor rész a hűtőszekrény hátsó oldalán lévő csőkígyó, melynek hőleadó képességét kétféle módon is növelik:
- az eleve nagy felületű csőkígyó felületét fémrácsozással még tovább növelik
- az egészet feketére festik, hogy segítsék a hősugárzással zajló hőleadását az infravörös tartományban
Ha a hűtőszekrény hátulján a szoba levegője nem tud rendesen áramlani, cserélődni, akkor a kondenzátorban lévő izobután nem tud megszabdulni a hőtől, nem tud kellően lehűni. Ez esetben a hűtőszekrény hatékonysága romlik, a motorja az jól szellőző állapothoz képest többet fog menni, ami több energiafogyasztással és gyorsabb amortizációval jár.
A cseppfolyósodott, de még meleg, kb. $30\ \mathrm{{}^\circ C}$‑os izobután folyadék ezután a fojtószelepen át a párologtatóba (evaporátor) jut. Ezen az oldalon sokkal kisebb a nyomás (csak $0,5\unicode{x2013} 1\ \mathrm{bar}$). A folytószelepen való áthaladást, és az ennek során bekövetkező nyomáscsökkenést az alábbi ábra $1\to 2$ szakasza mutatja:
A folytószelep túloldalűra került folyékony izobután igen intenzív párolgásba kezd, mert az ő $30\ \mathrm{{}^\circ C}$‑os hőmérsékletén a kb. $4\ \mathrm{bar}$ nyomású saját gőzével lenne egyensúlyban, de most ennél sokkal kisebb (csak $0,5\unicode{x2013} 1\ \mathrm{bar}$) nyomású saját gőz van felette, hiszen a kompresszor folyamatosan elszívja az izobután gőzt. Vagyis a folyékony izobután a párolgása révén megpróbálja a hőmérsékletének megfelelő dinamikus egyensúlyt létrehozni a saját gőzével.
A kompresszor tehát azzal, hogy a kis nyomású párologtató oldalról a nagy nyomású cseppfolyósító oldalra átpréseli az izobután gőzt, kettős feladatot lát el:
- a kondenzátor oldalon biztosított nagy nyomással azt éri el, hogy a nagy nyomás hatására az izobután gőz cseppfolyósodjon (kondenzálódjon), ami szükséges ahhoz, hogy majd újra elpárologhasson a túloldalon
- a párologtató oldalon biztosított kis nyomással azt éri el, hogy a párologtatóba belépő langyos izobután folyadék NE legyen egyensúlyban a saját gőzével. A "vágyott" egyensúlyt a párolgása révén fogja megpróbálni elérni
Az intenzív párolgástól azonban az izobután erősen lehűl (jellemzően $‑20\ \mathrm{{}^\circ C}$ körüli hőmérsékletre), hiszen az elpárolgás energiát igényel (a folyadékmolekulák közötti vonzóerőket a molekulák eltávolításához kell győzni). A párolgáshoz szükséges energiát a folyékony izobután a saját belső energiájából fedezi, ezért lecsökken a saját belső energiája, így a hőmérséklete is. De miután ilyen okokból lehűlt, akkor jóval hidegebb lesz, mint a környezete, vagyis a párologtató oldali csőkígyó külső oldala, (azaz a hűtőtér, benne az ételekkel). Ettől előáll az a helyzet, hogy már a lehűtendő étel spontán módon tud hőt átadni az izobutánnak, vagyis a párolgástól lehűlt izobután a hűtőszekrényben lévő ételektől elveszi a hőt.
Tehát igazából a hútőgépben sem zajlik olyan elemi folyamat, melyben a hő hidegebb helyről melegebb helyre áramlana. Hanem azzal "trükközik" a hűtőgép, hogy a nyomáscsökkentés révén olyan folyamatot indít be, amitől az eddig meleg izobután hirtelen hidegebb lesz, mint az eleve hideg étel. Vagyis a hőtan 2. főtétele nem sérül a hűtőgépben, mert spontán módon mindig melehgebb helyről a hidegebb hely felé áramlik benne a hő.
A kompresszoros hűtőgép \(p\thinspace \unicode{x2013} \thinspace V\) diagramja
A hűtőgépben a közeg elpárolog és lecsapódik, vagyis nem végig légnemű állapotban van. Emiatt itt semmiképp sem lehet érvényes az ideális gáz közelítés, helyette az ún. Van der Waals-modellt alkalmazzuk. Egy ilyen, Van der Waals-egyenletből adódó hűtőgép körfolyamat a \(p\thinspace \unicode{x2013} \thinspace V\) diagramon így néz ki:
A jobb oldali, meredek íves szakasz a kompresszorban zajló hirtelen összenyomás, kompresszió, ami a rövid időtartam miatt "nincs ideje hőcserére" okokból közelítőleg adiabatikus. Az adiabata mindig meredekebb, mint az izotermák. Ettől a hőmérséklet felugrik az addigi kb. \( -25\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ról kb. \(+55\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ra. Ezután a felső vízszintes szakaszon hőleadás történik, és a gőz cseppfolyósodik. A vízszintes szakasz bal szélére érve az összes gőz folyékonnyá válik. Ekkor kerül a közeg a fojtószelepbe, ahol hirtelen (tehát megint csak közelítőleg adiabatikusan) lecsökken a nyomás kb. \(8\ \mathrm{bar}\)-ról kb. \(0,5\ \mathrm{bar}\)-ra). a hőmérséklet pedig \(+55\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ról kb. \(-25\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ra, ezt a hirtelen folyamatot jelöli a bal szélső ferde szakasz. Mivel a kompresszor dolgozik, azzaz innen szívja ki a gőzt, ez csökkenti a nyomást, amitől a lehűlt folyadék folyamatosan párolog, mert a pillanatnyi hőmérsékletnek megfelelő telített gőznyomást próbálja beállítani a gőztérben (próbál egyensúlyba kerülni a saját gőzével). És mivel nagyon lehűlt, hidegebbé vált, mint a hűtőtérben lévő hőmérséklet, így onnan folyamatosan hőt von el. Ez a forrás, párolgás hőfelvétel és a gőz folyamatos kiszivattyúzása együttes hatására állandó nyomáson és hőmérsékleten zajlik. Ezért a prolgásért (evaporation) csináltuk a hűtőgépet, ilyenkor hűti le a hőelvonásával az ételt (illetve a légkondi a szobát, a hőszivattyú pedig a kinti talajt, levegőt). Ezzel körbe is ért a körfolyamat, ezután kezdődik újra a dugattyúban zajló kompresszió.
Egyéb hőpumpa hűtőközegek
A 19. században jelentek meg az első hőpumpák, melyekben a hűtőközeg kén-dioxid, szén-dioxid, metil-éter, metil-klorid vagy ammónia volt. Ezekkel az volt a gond, hogy vagy mérgezőek (ammónia, kén-dioxid), vagy korrozívak (megtámadják a zárt csőrendszert, aminek végén elszökik a hűtőközeg). A kivételt a szén-dioxid jelentette, annak viszont az volt a hátránya, hogy a többiekhez képest csak jóval nagyobb nyomással lehet cseppfolyósítani adott hőmérsékleten, így a berendezés műszakilag sokkal macerásabb, így drágább. Voltak egyéb ígéretes anyagok, amik viszont gyúlékonyak vagy robbanásveszélyesek voltak, márpedig a kompresszor rezgése, valamint a jelentős hőingadozások miatt a csőrendszer zártságát hosszú éveken, évtizedeken át eleinte nehéz volt fenntartani, a közeg kiszökése pedig ezeknél tűzesettel járhatott. Ezen problémákra jelentettek csábító megoldást a 20. század elején felfedezett, és a z 1930-as évektől alkalmazásba került halogénezett szén-hidrogének, melyek összefoglaló neve a CFC. Ez az angol chlorofluorocarbon (klórózott fluorozott szénvegyületek) mozaikszava, vagyis az első C betű a klórra $\mathrm{(Cl)}$, az F betű a fluorra, a második C betű pedig a szénre utal. A CFC vegyületek minden szempontból ideálisnak tűntek: nem korrozívak, nem mérgezőek, nem gyúlékonyak, kis nyomással cseppfolyósíthatóak és jókora a párolgáshőjük. Rohamos ütemben el is terjedtek a hűtőgépekben, a spray-k hajtógázaként és habosító anyagként. De a sztori túl szép volt, hogy igaz legyen. Az egyik legnépszerűbb CFC vegyület, a difluor-diklórmetán vagyis $\mathrm{C{Cl}_2F_2}$ (más neveken CFC-12; R-12; Freon-12) gyártása az 1970-es évekre már évi 400 000 tonnára rúgott. Ennek a hatalmas mennyiségnek a spray-kből azonnal, a hűtőgépekből pedig azok szemétdombra kerülésekor a földi légkörbe kell jutnia. Azonban a légkörkutatóknak feltűnt, hogy a freonvegyületek koncentrációja elmarad attól, amit a világtermelés alapján vártak. Hová tűnnek a CFC-k? Kiderült, hogy a légkör felsőbb rétegeiben halmozódtak fel, és ott reakcióba léptek az ózonnal, csökkentve az ózon mennyiségét, ami a Napból jövő ultraibolya-sugárzás elnyelését végzi, megóvva az élővilágot a nagy energiájú UV fotonoktól, amik már a DNS kötéseit is képesek felszakítani. A CFC-k szerepe az ózonréteg vékonyodásában 1974-ben vetődött fel (1995-ben jutalmazták Nobel-díjjal), 1987-ben pedig a Montreali Jegyzőkönyvben a világ országai (addig példátlan összefogással) felléptek ezen anyagok használata ellen. Bár a vállalások nem voltak túl erősek (az egyes vegyületek forgalmzását, gyártását hosszú évtizedek alatt kell fokozatosan megszüntetni), hatására az ózonráteg vékonyodása megállt, és a folyamat visszafordult, de a jelenlegi prognózisok szerint az ózonréteg vastagsága csak 2080 körül fog visszaállni az 1950-es szintre.