3.8: 制冷概论

警告: 这项实验涉及的系统在高压和使用的制冷剂, 这可能是有毒的高浓度。确保采取合理的安全措施, 并佩戴适当的 PPE。在使用制冷剂时确保足够的通风。

1. 制冷系统的制作 (见图和照片, 图 3)

1. 首先将双作用气缸的一个端口连接到管接头三通, 从而构造蒸汽压缩机。在气缸的另一端安装一个史蕾阀。将单向 (检查) 阀安装到三通的其他两个端口上, 一个指向向外, 一个指向外部。这使得制冷剂可以从蒸发器中抽出, 并在高压下被排出到冷凝器中。
2. 使用两个管接头三通, 安装压力计的上游和下游的压缩机。
3. 一种用于驱动压缩机的高压自行车地板泵。从自行车泵管道中取出橡胶珠 (止回阀组件)。这将使压缩机在泵冲程之间扩大和吸收制冷剂。将自行车泵软管连接到压缩机上的史蕾阀上。
4. 形成一个薄 (3.2 毫米外径) 铝管线圈作为冷凝器。在原型系统 (图 3), 线圈是由螺旋包裹铝管围绕一个2.5 厘米直径刚性橡胶管核心为四回合 (〜50厘米总长度)。冷凝器线圈长度对小规模试验是不重要的。
5. 使用压缩管接头将冷凝器线圈的一端连接到管件的开口口 (Inc. 部分 #5272K291 建议)。
6. 将一根短的透明的 PVC 管安装在两个减少管弯头上。该组件将充当高压制冷剂油藏。将蓄水池连接到冷凝管的出口处。
7. 将球阀安装到带有/SAE 光晕接头接头的管道三通中。这将是充电口。将针式流量计连接到管三通的一侧。这将是扩展设备。使用狭窄的铝管, 将管道三通的其它端口连接到制冷剂储层的低点。
8. 形成第二铝管线圈作为蒸发器。连接在针阀出口和压缩机入口之间。
9. 通过充电口将系统压缩空气 (如有550帕) 填满。使用肥皂水喷雾, 以确定任何水管泄漏, 并进行必要的维修。
10. 将热电偶与冷凝器和蒸发器线圈连接以进行温度测量。

图 3: 实验蒸气压缩制冷系统中的元件和连接图.请单击此处查看此图的较大版本.

图 4: T - s (a) 和P h (b) 图用于实验 R-134a 蒸气压缩制冷循环.

2. 对制冷系统进行充电

1. 将制冷剂充电歧管的中间端口连接到冰箱上的充电口。将真空泵连接到歧管的低压口, 并将一罐制冷剂输送到高压端口。R134a 是最常用的制冷剂, 在这里使用。R1234ze (E) 可能是一个更好的选择, 因为它的低饱和压力将允许更容易的压缩机操作, 其低的全球升温潜能将减少任何泄漏的环境影响。
2. 运行真空泵, 并逐步打开所有的系统阀门, 以消除所有的空气。简单地打开制冷剂罐阀, 清除组件中的任何空气。
3. 一旦实现真空, 隔离真空泵, 关闭制冷剂充电歧管上的低压口。倒置制冷剂罐, 并将液体制冷剂注入系统, 直到高压油层的水位略高于针阀水平。

3. 操作

1. 调整针阀, 直到它只是勉强打开。
2. 通过水泵连接到压缩机气缸来操作冰箱。
3. 跟踪高低侧压力、蒸发器和冷凝器温度, 直至达到稳定状态。记录这些压力和温度值。注意, 大多数压力表报告压力。这可以通过增加大约101人民军来转换为绝对压力。
4. 指示T-s和Ph图上的状态点 (1-4) 和近似连接曲线 (图 4)。

制冷系统无处不在，它们对我们的日常生活有着巨大的影响。任何时候您将食物存放在冰箱或冰柜中，或打开空调时，您都在使用制冷系统。从根本上说，这些系统的任务是从冷储层中带走热量并将其储存在温暖的储层中，与热流的自然方向相反。用于实现这一目标的主要技术是蒸汽压缩循环。本视频将说明蒸汽压缩循环的工作原理，然后演示如何将其用于简单的手动泵送制冷系统。最后，它将讨论一些其他应用程序。

蒸汽压缩循环是对工作流体或制冷剂进行的热力学循环，这样热量将从冷储液罐流入制冷剂，并从制冷剂流出到热储液罐。这需要制冷剂的机械循环以及其热力学状态的协调转变。该循环利用了蒸汽穹顶，这是制冷剂相空间的一个区域，可以在温度熵和压力焓图中看到。在这些图中，左侧区域表示液相，部分受饱和液线的界定，右侧区域表示气相，同样受饱和蒸汽线的界线。饱和线在临界点相遇，超过该临界点，流体非常临界。在饱和线之间，流体是两相流体，温度是压力的函数，如压力焓图上的等温线所示。在此区域中，温度和压力不能彼此独立地变化，因此每个压力值都指定一个温度。因此，可以通过改变压力来调节两相混合物的温度。考虑到这一点，让我们检查一下蒸汽压缩循环。为了便于说明，假设 R-134a 是制冷剂，质量流量为每秒 0.01 千克。循环有四个阶段：压缩、冷凝、膨胀和蒸发。每个都描述了制冷剂关键停留点之间的转变。在压缩过程中，低压蒸汽进入压缩机，压缩机的功输入用于对制冷剂加压。离开压缩机后，高压蒸汽进入冷凝器，在这里，随着制冷剂等压冷凝，热量被排到周围的热储液器中。高压制冷剂现在处于液相状态，然后流经节流膨胀装置。液体在通过时呈等熵膨胀，随着压力下降，闪蒸到两相状态，然后下降到较低的温度。在最后阶段，低温制冷剂进入蒸发器并从冷库中吸收热量。当制冷剂流过时，这会驱动等压蒸发。当低压制冷剂蒸汽返回压缩机时，循环完成。在此示例中，蒸发器的冷却能力为 1.67 千瓦，压缩机工作输入为 0.31 千瓦，因此性能系数或系统效率为 5.4。现在你已经了解了这个周期是如何工作的，让我们构建并分析一个简单的冰箱来展示这些原则的实际应用。

注意，本实验涉及高压系统和制冷剂的使用，这些制冷剂在高浓度下可能很危险。始终遵循合理的安全预防措施并佩戴适当的个人防护装备。使用制冷剂时确保足够的通风。开始建造带有蒸汽压缩机的冰箱系统。在双作用气缸的一个端口上安装 Schrader 阀，然后将管件三通连接到另一个端口。将单向阀连接到三通的其余两个端口上，使一个端口指向内侧，另一个指向外侧。这种配置将允许制冷剂从蒸发器吸入并在高压下排放到冷凝器中。压缩机将由改进的高压自行车地板泵驱动。从自行车打气筒管道上拆下橡胶珠止回阀组件。这将允许压缩机在两次抽气冲程之间膨胀并吸入制冷剂。在压缩机两侧安装带有压力表的管件三通，以便监测上下游压力。三通接头通过止回阀连接，止回阀只允许沿一个方向流动。当活塞伸出时，左侧止回阀允许从低压蒸发器流入压缩机体积。当活塞被压下时，蒸汽被加压并被迫通过正确的止回阀到达高压冷凝器。通过循环活塞，可以从蒸发器中抽出连续的低压蒸汽流，并在高压下输送到冷凝器。系统的下一阶段是冷凝器，我们将用一段铝管构成它。将管子缠绕在直径为 2.5 厘米的刚性橡胶芯上四圈，将管子形成线圈，然后使用压缩接头将一端连接到压缩机下游三通的开放端口。确保按照制造商指南安装和拧紧接头。接下来，在两个异径管弯头之间安装一小段透明 PVC 管。这将充当高压制冷剂的储液罐，通过另一个压缩接头连接到冷凝器管的出口。下一阶段是膨胀机，但这也是添加用于填充和排放制冷剂的充电端口的方便位置。通过将 A.N.S.A.E. 扩口接头连接器与球阀和另一个三通管相结合来构建充电端口。将针阀连接到膨胀装置的三通管的一侧。最后，使用另一段铝管将三通管的第三个端口连接到储液罐的低点。唯一剩下的部分是蒸发器。使用与以前相同的技术形成第二个铝管盘管，并将其连接在针阀出口和压缩机入口之间，以完成制冷回路。现在系统已组装好，通过充电端口将其填充压缩空气以测试是否有任何泄漏。使用肥皂水喷雾剂识别任何泄漏的连接，并根据需要进行维修。最后，将热电偶连接到冷凝器和蒸发器线圈以进行温度测量。您现在可以充电和作冰箱了。

充电过程分为两个步骤。首先从系统中抽出空气，然后添加制冷剂。将制冷剂充注歧管的中间端口连接到冰箱的充注端口。然后将真空泵连接到歧管的低压端口，将一罐制冷剂连接到高压端口。关闭所有阀门，然后打开真空泵。逐渐打开所有系统阀以排出系统中的空气。从系统中排空空气后，短暂打开制冷剂罐阀以清除制冷剂管路中的所有空气，然后再次关闭。现在所有空气都已排空，通过关闭制冷剂充注歧管上的低压端口来隔离真空泵。倒置制冷剂罐并将液态制冷剂注入系统，直到高压储液罐中的液位略高于针阀液位。最后一步是调整针阀，直到它勉强打开，然后将自行车打气筒软管连接到压缩机上的 Schrader 阀。通过泵送自行车打气筒来作冰箱，就像您所做的那样，跟踪高低侧压以及蒸发器和冷凝器温度。当达到稳态条件时，记录这些压力和温度值。如果仪表报告表压，即相对于大气压的压力，则通过在读数中添加一个大气压将读数转换为绝对压力。

查看 Fridge 的性能结果。首先，将测得的温度与测得的低压和高压下制冷剂的相应饱和温度进行比较。在这种情况下，测量值非常匹配。蒸发器温度的差异可能是由于热量从环境空气传递到热电偶外部造成的。冷凝器温度匹配在实验公差范围内，但如果热电偶放置得太靠近冷凝器的过热部分，这也可能看起来比预期的要暖。通过在温度熵和压力焓图上指示状态点和近似连接曲线来完成分析。您可以看到，与商业系统相比，Simple 系统在低冷却能力和低升程下产生的性能有限。由于大部分输入功都用于压缩自行车打气筒中的空气，因此使用低压制冷剂可以提高性能。此外，使用可以保持较大压差的膨胀阀将是有益的。大多数商用系统采用温控膨胀阀，该膨胀阀可动态调整其开度以保持所需的蒸发器温度。现在我们已经分析了基本过程，让我们看看其他一些典型的应用程序。

蒸汽压缩循环是许多常见设备中使用的主要制冷技术。随着组件尺寸的稳步减小，而对功率和速度的需求也在增长，电子产品的热管理变得越来越重要。与其他技术相比，使用蒸汽压缩循环冷却超级计算机和其他高功率电子设备具有许多优势。蒸汽压缩循环也可以用作热泵。在这种模式下，热量在蒸发器中从低温环境中获得，然后输送到更温暖的空调空间。与直接电阻加热相比，这可能是一种有效的加热模式，因为大部分传递的热量来自周围环境，只有一小部分作为机械功提供给压缩机。

您刚刚观看了 Jove 对制冷和蒸汽圆顶的介绍。现在，您应该了解如何在制冷系统中实现蒸汽压缩循环，以及如何使用温度熵和压力焓图分析性能。感谢观看。