JoVE Science Education

Mechanical Engineering

Introducción a la refrigeración

JoVE Science Education
Mechanical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Mechanical Engineering

Introduction to Refrigeration

3.6: Hydraulic Jumps

3.11: Visualization of Flow Past a Bluff Body

24,517 Views

•

12:09 min

•

April 30, 2023

Overview

Fuente: Alexander S Rattner y Christopher J Greer; Departamento de ingeniería mecánica y Nuclear, la Universidad Estatal de Pensilvania, University Park, PA

Este experimento demuestra los principios de refrigeración de compresión de vapor. El ciclo de compresión de vapor es la tecnología de refrigeración dominante, en la mayoría de los frigoríficos, congeladores, sistemas de aire acondicionado y bombas de calor. En este ciclo, enfriamiento (adquisición de calor) se consigue con la evaporación baja presión de refrigerante. Energía térmica absorbida en evaporación es rechazada por el entorno a través de la condensación de refrigerante de alta presión. Trabajo mecánico se aplica en el compresor para elevar el fluido de trabajo de baja a alta presión.

Mientras que la tecnología de la refrigeración es omnipresente, el embalaje disimular y funcionamiento autónomo de la mayoría de los refrigeradores es difícil apreciar los principios de funcionamiento y función de componentes clave. En este experimento, se construye un refrigerador de compresión de vapor rudimentaria. El compresor se acciona manualmente con una bomba de bicicleta, permitiendo el reconocimiento intuitivo de la operación de ciclo como el experimentador se convierte en parte del sistema. Las temperaturas y presiones del componente resultante pueden ser interpretadas en términos de los termodinámica T–s y P–h diagramas, que capturan la variación de las propiedades de los fluidos de los Estados de líquido a vapor (evaporación y condensación).

Principles

El ciclo de compresión de vapor se compone de cuatro componentes principales: el compresor de vapor, condensador (rechazo de calor de alta temperatura), dispositivo de expansión y evaporador (adquisición de calor de baja temperatura) (Fig. 1). El ciclo se puede describir con cuatro puntos clave del estado.

• 1 → 2: refrigerante de baja presión vapor fluye hacia el compresor y se comprime a la presión del lado alto.

• 2 → 3: presión de vapor refrigerante condensa a la fase líquida isobarically (presión constante), rechazo de calor a los alrededores.

• 3 → 4: líquido refrigerante fluye a través de la limitación isenthalpically de dispositivo de expansión (entalpía constante), destellando a un estado bifásico que su presión cae. Esto reduce la temperatura del refrigerante a la temperatura de saturación a la presión del lado bajo.

• 4 → 1: refrigerante de baja temperatura recibe calor de los alrededores y sigue a evaporar como atraviesa el evaporador isobarically.

Las transiciones entre estos puntos de estado pueden trazarse en diagramas termodinámicos. En estos (T–s, Fig. 2a) temperatura-entropía y presión-entalpía (P–h, Fig. 2b) diagramas, el lado izquierdo de la bóveda representa la fase líquida y el lado derecho representa la fase de vapor. Dentro de la cúpula de vapor, el líquido es bifásico y la temperatura es una función de la presión. La transferencia de energía hacia o desde el sistema en cada etapa del proceso puede evaluarse por el cambio en entalpía multiplicada por el caudal másico de refrigerante (cambio positivo: adquisición de energía, negativo: calor de rechazo al entorno). Considerar un representante con refrigerante R-134a a una tasa de flujo de sistema de aire acondicionado = 0,01 kg s^-1 con los siguientes valores del punto de estado (tabla 1).

Tabla 1 – Estado del ciclo de refrigeración representante puntos

Punto de	Presión (P, kPa)	Temperatura (T, c)	Entalpia de (h, kJ kg^-1)	Entropía (s, kJ kg^-1 K^-1)	Calidad (Q)
1	402.2	17.0	263.0	0.953	1
2	815.9	57.1	293.6	1.000	1
3	815.9	32.0	96.5	0.357	0
4	402.2	9.1	96.5	0.363	0.169

Aquí, la capacidad de refrigeración en el evaporador se evalúa como = 1.67 kW. La entrada del trabajo del compresor es = 0.31 kW. La eficiencia del sistema, o coeficiente de rendimiento (COP), es = 5.4.

Figura 1: Esquema del ciclo de refrigeración de compresión de vapor

Figura 2: T – s (a) y P–h (b) diagramas para la compresión de vapor R-134a representante ciclo con puntos de estado listados en la tabla 1.

Procedure

Atención: Este experimento consiste en sistemas de elevadas presiones y el uso de refrigerantes, los cuales pueden ser tóxicos en altas concentraciones. Asegúrese de que precauciones de seguridad razonables y que el PPE apropiado es usado. Asegurar una ventilación adecuada cuando trabaje con refrigerantes.

1. fabricación del sistema de refrigeración (véase el diagrama y fotografía, Fig. 3)

Construir el compresor de vapor por el primer puerto de una conexión de un cilindro neumático de doble acción para un te de la guarnición de pipa. Instale una válvula de obús en el otro puerto del cilindro neumático. Instalar válvulas unidireccionales (check) a los otros dos puertos de la t, uno apuntando hacia dentro y apuntando hacia afuera. Esto permite refrigerante extraído el evaporador y expulsado en el condensador a alta presión.
Usando dos más tees tubería, instale medidores de presión aguas arriba y aguas abajo del compresor.
Una bomba de bicicleta alta presión baja se utiliza para accionar el compresor. Retire la tira de goma (componente de la válvula de cheque) de las tuberías de la bomba de bicicleta. Esto permitirá que el compresor ampliar y extraer refrigerante entre movimientos de bombeo. Conecte la manguera de la bomba de bicicleta a la válvula Schraeder en el compresor.
Forman una fina bobina de tubos de aluminio (3,2 Diámetro mm exterior) para actuar como condensador. En el sistema prototipo (Fig. 3), se formó la bobina helicoidal envolviendo el tubo de aluminio alrededor de un núcleo de tubo rígido de goma 2,5 cm de diámetro para cuatro vueltas (~ 50 cm de longitud total). La longitud de la bobina del condensador no es crítica para este experimento en pequeña escala.
Conecte un extremo de la bobina del condensador para el puerto libre de la t de conexión tubo aguas abajo del manómetro utilizando una compresión (parte de McMaster Inc. #5272 K 291 sugerido).
Instale una tubería de PVC claro corto en dos codos de tubo reducción. Este componente actúa como el depósito de refrigerante de alta presión. Conecte el depósito a la salida de la tubería del condensador.
Instale una válvula de bola en un tee de tubo con una llamarada AN/SAE montaje conector. Se trata del puerto de carga. Conecte un medidor de aguja a un lado del te de la pipa. Este será el dispositivo de expansión. Usando el tubo de aluminio estrecho, conecte el otro puerto de la te de la pipa al punto más bajo del depósito de refrigerante.
Formar una segunda bobina de tubos de aluminio para actuar como el evaporador. Esta conexión entre la salida y compresor de la entrada de la válvula de aguja.
Llenar el sistema con aire comprimido (550 kPa si está disponible) por el puerto de carga. Utilice un spray de agua jabonosa para identificar las fugas de tuberías y repara según sea necesario.
Conectar termopares a las bobinas del condensador y evaporador para medir la temperatura.

Figura 3 : a. diagrama de componentes y conexiones en el sistema de refrigeración de compresión de vapor experimental. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4 : T – s (a) y P – h (b) diagramas para R-134a experimental ciclo de refrigeración de compresión de vapor.

2. el sistema de refrigeración de la carga

Conecte el puerto medio de un refrigerante carga múltiple para el puerto de carga en el refrigerador. Conecte una bomba de vacío al puerto de baja presión del colector y una lata de refrigerante por el puerto de alta presión. R134a es el refrigerante más comúnmente disponible y se usa aquí. R1234ze(E) puede ser una mejor opción porque su presión de saturación baja permitiría más fácil funcionamiento del compresor y su GWP bajo reduciría los impactos ambientales de cualquier fuga.
Haga funcionar la bomba de vacío y poco a poco Abra todas las válvulas del sistema para eliminar todo el aire. Brevemente Abra la válvula de la bombona refrigerante para eliminar todo el aire de la Asamblea.
Una vez vacío, aislar la bomba de vacío y cierre el puerto de baja presión en el colector de carga de refrigerante. Invertir el recipiente de refrigerante e inyectar líquido refrigerante en el sistema hasta el nivel en el tanque de alta presión está ligeramente por encima del nivel de la válvula de aguja.

3. funcionamiento

Ajuste la válvula de aguja hasta que es apenas abiertos.
Operar el refrigerador por bombeo de la bomba de bicicleta conectada al cilindro neumático compresor.
Siga el lado alto y bajo presiones y temperaturas de evaporador y el condensador hasta que se alcanzan condiciones de estado estacionario. Registrar estos valores de temperatura y presiones. Tenga en cuenta que la mayoría manómetros de presión de calibrador del informe. Esto se puede convertir en presión absoluta mediante la adición de aproximadamente 101 kPa.
Indicar los puntos de estado (1-4) y aproximado conexión curvas en diagramas deh T–s y P– (Fig. 4).

Sistemas de refrigeración son ubicuos y tienen un impacto enorme en nuestras vidas día a día. Cada vez que almacena los alimentos en el refrigerador o congelador, o encender el aire acondicionado, están poniendo a utilizar los sistemas de refrigeración. Fundamentalmente, la tarea de estos sistemas es eliminar el calor de un depósito frío y depositarlo en un depósito caliente, contra la dirección natural del flujo de calor. La tecnología dominante para lograr esto es el ciclo de compresión de vapor. Este video se ilustra cómo funciona el ciclo de compresión de vapor y luego demostrar cómo se utiliza en una simple mano bombeada el sistema de refrigeración. Al final, se discuten algunas aplicaciones adicionales.

El ciclo de compresión de vapor es un ciclo termodinámico realizado sobre un fluido de trabajo, o refrigerante, que el calor fluirá en el refrigerante del depósito frío y el refrigerante al depósito caliente. Esto requiere la circulación mecánica de las transiciones del refrigerante así como coordinadas de su estado termodinámico. El ciclo aprovecha de la cúpula de vapor, una región del espacio de fase refrigerante que puede verse en la entropía de la temperatura y presión diagramas de entalpia. En estos diagramas, la región izquierda indica fase líquida, que está parcialmente limitada por la línea de líquido saturada, y la región derecha indica fase de vapor, que igualmente está delimitada por la línea de vapor saturado. Las líneas de saturación se reúnen en el punto crítico, por encima del cual el fluido es super fundamental. Entre las líneas de saturación, el líquido es dos fases y la temperatura es una función de la presión como se indica por las isotermas en el diagrama de presión entalpia. En esta región, temperatura y presión no puede variarse independientes unos de otros, para que cada valor de presión especifica una temperatura. Por lo tanto, la temperatura de una mezcla de dos fases se puede ajustar cambiando la presión. Con esto en mente, examinemos el ciclo de compresión de vapor. Para fines de Ilustración, asumir que r-134a es el refrigerante y una tasa de flujo de masa de 0,01 kilogramos por segundo. Hay cuatro etapas en el ciclo: compresión, condensación, expansión y evaporación. Cada uno describe una transición entre los puntos clave de la estancia del refrigerante. Durante la compresión, vapor de baja presión entra en el compresor y la entrada del trabajo del compresor se utiliza para presurizar el refrigerante. Después de dejar el compresor, el vapor de alta presión pasa al condensador, aquí, se rechaza calor al depósito caliente circundante como el refrigerante se condensa isobarically. El refrigerante de alta presión ahora en fase líquida, luego fluye a través de un dispositivo de expansión estrangulación. El líquido amplía isentropically al pasar a través y caídas de presión, parpadea a un estado de dos fase y se reduce a una temperatura más baja. En la última etapa, el refrigerante de baja temperatura entra en el evaporador y absorbe el calor del depósito frío. Esto conduce evaporación isobárica como el refrigerante fluye a través. El ciclo se completa cuando el vapor refrigerante de baja presión del compresor. En este ejemplo, la capacidad frigorífica del evaporador es 1,67 kilovatios, y la entrada del trabajo del compresor es 0,31 kW, por lo tanto el coeficiente de rendimiento o eficiencia del sistema, es 5.4. Ahora que entiendes cómo funciona el ciclo, vamos a construir y analizar un refrigerador simple para mostrar a estos principios en acción.

PRECAUCIÓN, este experimento consiste en sistemas de elevadas presiones y el uso de refrigerantes, que puede ser peligroso en altas concentraciones. Siempre siga las precauciones de seguridad razonables y usar equipo de protección personal. Asegurar una ventilación adecuada cuando trabaje con refrigerantes. Iniciar la construcción del sistema frigorífico con el compresor de vapor. Instale una válvula de Schrader en un puerto de un cilindro neumático de doble acción y luego conecte un te de la guarnición de pipa al otro puerto. Fije las válvulas de retención en los dos puertos restantes de la t, por lo que uno apunta hacia el interior y los puntos hacia afuera. Esta configuración permitirá refrigerante extraído el evaporador y expulsado en el condensador a alta presión. El compresor se acciona mediante una bomba de alta presión modificada bicicleta piso. Saque la goma grano check válvula las tuberías de la bomba de bicicleta. Esto permitirá que el compresor ampliar y extraer refrigerante entre movimientos de bombeo. Instale tes de montaje de tubo con medidores de presión en ambos lados del compresor, que puede controlarse la presión aguas arriba y aguas abajo. El tee accesorios se conectan a través de comprobar válvulas que sólo permiten flujo en una dirección. Cuando se extiende el pistón, la válvula izquierda permite entrada del evaporador de baja presión el volumen del compresor. Cuando el pistón es presionado, el vapor está a presión y forzado a través de la válvula de retención adecuada para el condensador de alta presión. Por ciclo del pistón, un flujo continuo de vapor de baja presión puede ser dibujado del evaporador y entregado al condensador a alta presión. La siguiente etapa del sistema es el condensador, que construirá de una longitud de tubería de aluminio. Forma de la tubería en una bobina envolviendo alrededor de un núcleo de caucho rígido de 2,5 centímetros de diámetro para cuatro vueltas y a continuación, utilice un accesorio para conectar un extremo al puerto libre de la t de compresión abajo del compresor. Asegúrese de que instale y apriete las conexiones a las pautas del fabricante. A continuación, instale una longitud corta de tubo de PVC claro entre dos tuberías codos de reducción. Esto actuará como depósito para el refrigerante de alta presión, conectada a la salida de la tubería del condensador con otra guarnición de la compresión. El siguiente paso es la expansión, pero esto también es un lugar conveniente para agregar un puerto de carga para llenar y drenar el refrigerante. Construir el puerto de carga mediante la combinación de una llamarada A.N.S.A.E. montaje conector con una válvula de bola y otro te de la pipa. Conecte una válvula de aguja a un lado del te de la pipa del dispositivo de expansión. Finalmente, utilice otra sección de la tubería de aluminio para conectar el tercer puerto de la te de la pipa al punto más bajo del depósito. La única sección restante es el evaporador. Forman una segunda bobina de tubo de aluminio utilizando la misma técnica que antes y conectar entre la entrada de corriente y el compresor de válvula de aguja, para completar el circuito de refrigeración. Ahora que está montado el sistema, llenar con aire comprimido a través del puerto de carga para detectar cualquier fuga. Utilice un spray de agua jabonosa para identificar las conexiones con fugas y hacer reparaciones cuando sea necesario. Por último, conectar termopares a las bobinas del condensador y evaporador para medir la temperatura. Ahora estás listo para cargar y operar el refrigerador.

Es un proceso de dos pasos. Aire primero se evacua del sistema y luego se añade el refrigerante. Conecte el puerto medio de un refrigerante de carga múltiple, para el puerto de carga en el refrigerador. Luego, conecte una bomba de vacío para el puerto de baja presión del colector y una lata de refrigerante por el puerto de alta presión. Cierre todas las válvulas y luego encienda la bomba de vacío. Poco a poco Abra todas las válvulas del sistema para la evacuación de aire del sistema. Después de que ha evacuado el aire del sistema, brevemente Abra la válvula del recipiente refrigerante para eliminar todo el aire de la línea de refrigerante y luego cierre de nuevo. Ahora que todo el aire ha sido evacuado, aislar la bomba de vacío cerrando el puerto de baja presión en el colector de carga de refrigerante. Invertir el recipiente refrigerante e inyectar líquido refrigerante en el sistema hasta el nivel en el tanque de alta presión está ligeramente por encima del nivel de la válvula de aguja. El último paso es ajustar la válvula de aguja hasta que se abra apenas y luego conecte la manguera de la bomba de bicicleta a la válvula Schrader en el compresor. Operar el refrigerador por bombeo de la bomba de la bicicleta, como usted, las presiones del lado de alta y baja, así como las temperaturas del evaporador y el condensador. Cuando se alcanzan condiciones de estado estacionario, registrar estos valores de temperatura y presiones. Si el informe de indicadores calibrador de presión, de presión en relación con el ambiente, luego convertir las lecturas de presión absoluta añadiendo una atmósfera a la lectura.

Echa un vistazo a los resultados de rendimiento de su refrigerador. En primer lugar, comparar las temperaturas medidas a las correspondientes temperaturas de saturación del refrigerante a las medido presiones bajas y altas. En este caso, las medidas se asemejen. La discrepancia de la temperatura del evaporador puede ser debido a la transferencia de calor desde el ambiente hacia el exterior de la termocupla. La temperatura del condensador coincide con a dentro de la tolerancia experimental, pero esto también podría parecer más caliente de lo esperado si el termopar se coloca demasiado cerca de la parte super caliente del condensador. Terminar el análisis, indicando los puntos de estado y aproximada conectando curvas en entropía de la temperatura y presión diagramas de entalpia. Se puede ver que el sistema simple produce limitado rendimiento con baja capacidad de refrigeración y baja elevación, comparado con sistemas comerciales. Puesto que mucho del trabajo entrado expendido comprimiendo el aire en la bomba de bicicleta, rendimiento podría mejorarse con un refrigerante de presión más baja. Además, utilizando una válvula de expansión que puede mantener una diferencia de presión más grande sería beneficiosa. Sistemas comerciales más emplean una válvula de expansión controlada de temperatura, que dinámicamente ajusta su apertura para mantener una temperatura del evaporador deseada. Ahora que hemos analizado el proceso básico, Veamos algunas otras aplicaciones típicas.

El ciclo de compresión de vapor es la tecnología dominante de refrigeración utilizada en común muchos dispositivos. Thermomanagement para la electrónica se ha vuelto cada vez más importante como el tamaño de los componentes ha disminuido constantemente, mientras que han aumentado las demandas de potencia y velocidad. Refrigeración súper Computadoras y otros productos electrónicos de alta potencia usando el ciclo de compresión de vapor, tiene muchas ventajas sobre otras tecnologías. El ciclo de compresión de vapor puede usarse también como bomba de calor. En este modo, calor es adquirido en el evaporador de entorno de baja temperatura y luego entregado a un espacio acondicionado calentador. Esto puede ser un modo eficiente de calefacción en comparación con calefacción de la resistencia directa, porque la mayor parte del calor entregado se extrae de los alrededores, y sólo una pequeña porción es suministrada al compresor como trabajo mecánico.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la cúpula de vapor y refrigeración. Ahora debe comprender cómo se implementa el ciclo de compresión de vapor en sistemas de refrigeración y cómo analizar el uso de entropía de la temperatura y presión diagramas de entalpia. Gracias por ver.

Results

P _alta	659 ± 7 kPa
P _baja	569 ± 7 kPa
T _ambiente	22.0 ± 1 °C
T _Cond	25.0 ± 1 °C	T _{se sentó, R-134a} (P_alta)	24,7 ± 0.3 °C
T _EVAP	21.1 ± 1°C	T _{se sentó, R-134a} (P_baja)	19.8 ± 0.4 °C

Tabla 2. Sistema de refrigeración mide propiedades.

Condensador y del evaporador exterior superficie temperaturas medidas son relativamente cerca de las temperaturas de saturación a_alta Py P_baja. La temperatura del evaporador es un poco superior a T_{sat, R-134a}(P_baja), posiblemente debido a la transferencia de calor desde el aire ambiente para el termopar exterior. La temperatura del condensador es ligeramente superior a T_{sat, R-134a}(P_baja), pero dentro de la incertidumbre experimental. Esta temperatura puede medirse también en la parte super caliente calentador del condensador.

Aproximado de T–s y P–h diagramas de ciclo para este sistema se presentan en la figura 4.

Applications and Summary

Este experimento demostró los principios de refrigeración de compresión de vapor. Es cierto que el sistema experimental produce rendimiento limitado – con una baja capacidad de enfriamiento (Q_evap) y baja elevación (diferencia de temperatura de evaporador al ambiente). Sin embargo, ofrece una introducción intuitiva para el diseño y la física de la compresión de vapor. Los pasos de análisis de datos muestran el uso de T–s y P–h diagramas para describir termodinámico ciclo de operación.

Gran parte del trabajo de entrada es expendido en comprimiendo el aire en la bomba de bicicleta. Utilizando un refrigerante de presión más baja (p. ej., R1234ze(E)) reduciría este trabajo y pueden permitir mayores diferencias de temperatura del evaporador al condensador. Además, la válvula de expansión aquí sólo podría mantener las diferencias de presión relativamente pequeña parte de bajo a alto. Una válvula alternativa con control de ajuste más fino puede ser preferible. En sistemas de refrigeración comerciales, una válvula de expansión controlada de la temperatura (TXV) se utiliza, que dinámicamente ajusta su apertura para mantener una temperatura del evaporador deseada.

El ciclo de compresión de vapor es la tecnología de refrigeración más ampliamente utilizado. Se encuentra en casi todos los aparatos de aire acondicionado y refrigeradores, así como escala industrial y congelación. El ciclo puede utilizarse también como bomba de calor. En este modo, adquiere el calor en el evaporador de los alrededores de la baja temperatura y lo entrega a un espacio acondicionado calentador. Esto puede ser un modo eficiente de calefacción en comparación con la resistencia directa calefacción porque la mayor parte del calor entregado se extrae de los alrededores y sólo una pequeña porción es suministrada al compresor como trabajo mecánico.

Este experimento también demuestra el uso de diagramas deh T–s y P– termodinámicos. Estas son herramientas críticas para el análisis e ingeniería de numerosos sistemas de energía, incluyendo las operaciones de procesamiento de productos químicos, ciclos de refrigeración y generación de energía.

Transcript

Refrigeration systems are ubiquitous, and they have an enormous impact on our day to day lives. Any time you store food in the refrigerator or freezer, or turn on the air conditioner, you are putting refrigeration systems to use. Fundamentally, the task of these systems is to remove heat from a cold reservoir and deposit it in a warm reservoir, against the natural direction of heat flow. The dominant technology employed to achieve this is the vapor compression cycle. This video will illustrate how the vapor compression cycle works, and then demonstrate how it is used in a simple hand pumped refrigeration system. At the end, it will discuss a few additional applications.

The vapor compression cycle is a thermodynamic cycle performed on a working fluid, or refrigerant, such that heat will flow into the refrigerant from the cold reservoir and out of the refrigerant to the hot reservoir. This requires mechanical circulation of the refrigerant as well as coordinated transitions of its thermodynamic state. The cycle takes advantage of the vapor dome, a region of the refrigerant phase space that can be seen in the temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. In these diagrams, the left region indicates liquid phase, which is partially bounded by the saturated liquid line, and the right region indicates vapor phase, which is similarly bounded by the saturated vapor line. The saturation lines meet at the critical point, above which the fluid is super critical. Between the saturation lines, the fluid is two phase and temperature is a function of pressure as indicated by the isotherms on the pressure enthalpy diagram. In this region, temperature and pressure cannot be varied independent of each other, so each value of pressure specifies a temperature. Therefore, the temperature of a two phase mixture can be adjusted by changing the pressure. With this in mind, let’s examine the vapor compression cycle. For illustration purposes, assume R-134a is the refrigerant and a mass flow rate of 0.01 kilograms per second. There are four stages in the cycle: compression, condensation, expansion, and evaporation. Each describes a transition between key stay points of the refrigerant. During compression, low pressure vapor enters the compressor and work input to the compressor is used to pressurize the refrigerant. After leaving the compressor, the high pressure vapor passes to the condenser, here, heat is rejected to the surrounding hot reservoir as the refrigerant condenses isobarically. The high pressure refrigerant now in liquid phase, then flows through a throttling expansion device. The liquid expands isentropically when passing through, and as it’s pressure drops, flashes to a two phase state, and drops to a lower temperature. In the last stage, the low temperature refrigerant enters the evaporator and absorbs heat from the cold reservoir. This drives isobaric evaporation as the refrigerant flows through. The cycle is completed when the low pressure refrigerant vapor returns to the compressor. In this example, the cooling capacity of the evaporator is 1.67 kilowatts, and the compressor work input is 0.31 kilowatts, thus the coefficient of performance, or system efficiency, is 5.4. Now that you understand how the cycle works, let’s build and analyze a simple refrigerator to show these principals in action.

Caution, this experiment involves systems at elevated pressures and the use of refrigerants, which can be hazardous at high concentrations. Always follow reasonable safety precautions and wear appropriate personal protective equipment. Ensure adequate ventilation when working with refrigerants. Begin construction of the refrigerator system with the vapor compressor. Install a Schrader valve on one port of a double action pneumatic cylinder, and then connect a pipe fitting tee to the other port. Attach check valves on the two remaining ports of the tee, so that one points inward and the other points outward. This configuration will allow refrigerant to be drawn in from the evaporator and expelled to the condenser at high pressure. The compressor will be actuated by a modified high pressure bicycle floor pump. Remove the rubber bead check valve component from the bicycle pump plumbing. This will allow the compressor to expand and draw in refrigerant in between pumping strokes. Install pipe fitting tees with pressure gauges on both sides of the compressor, so that the upstream and downstream pressure can be monitored. The tee fittings are connected through check valves, which only allow flow in one direction. When the piston is extended, the left check valve allows inflow from the low pressure evaporator to the compressor volume. When the piston is depressed, the vapor is pressurized and forced through the right check valve to the high pressure condenser. By cycling the piston, a continuous stream of low pressure vapor can be drawn from the evaporator and delivered to the condenser at high pressure. The next stage of system is the condenser, which we will construct from a length of aluminum tubing. Form the tubing into a coil, by wrapping it around a 2.5 centimeter diameter rigid rubber core for four turns, and then, use a compression fitting to attach one end to the open port of the tee, downstream of the compressor. Make sure to install and tighten the fittings to manufacturer guidelines. Next install a short length of clear PVC pipe between two reducing pipe elbows. This will act as the reservoir for the high pressure refrigerant, connected to the outlet of the condenser tubing with another compression fitting. The next stage is the expander, but this is also a convenient place to add a charging port for filling and draining refrigerant. Construct the charging port by combining an A.N.S.A.E. flare fitting connector with a ball valve and another pipe tee. Connect a needle valve to one side of the pipe tee for the expansion device. Finally, use another section of aluminum tubing to connect the third port of the pipe tee to the low point of the reservoir. The only remaining section is the evaporator. Form a second coil of aluminum tubing using the same technique as before, and connect it between the needle valve outlet and compressor inlet, to complete the refrigeration loop. Now that the system is assembled, fill it with compressed air through the charging port to test for any leaks. Use a soapy water spray to identify any leaky connections and make repairs as necessary. Finally, connect thermocouples to the condenser and evaporator coils for temperature measurement. You are now ready to charge and operate the refrigerator.

Charging is a two step process. Air is first evacuated from the system and then refrigerant is added. Connect the middle port of a refrigerant charging manifold, to the charging port on the refrigerator. Then connect a vacuum pump to the low pressure port of the manifold, and a can of refrigerant to the high pressure port. Close all of the valves and then turn on the vacuum pump. Gradually open all of the system valves to evacuate air from the system. After the air has been evacuated from the system, briefly open the refrigerant canister valve to clear any air from the refrigerant line, and then close it again. Now that all of the air has been evacuated, isolate the vacuum pump by closing the low pressure port on the refrigerant charging manifold. Invert the refrigerant canister and inject liquid refrigerant into the system until the level in the high pressure reservoir is slightly above the needle valve level. The last step is to adjust the needle valve until it is just barely open, and then connect the bicycle pump hose to the Schrader valve on the compressor. Operate the refrigerator by pumping the bicycle pump, as you do, track the high and low side pressures as well as the evaporator and condenser temperatures. When steady state conditions are reached, record these pressures and temperature values. If the gauges report gauge pressure, that is pressure relative to atmosphere, then convert the readings to absolute pressure by adding one atmosphere to the reading.

Take a look at the performance results for your refrigerator. First, compare the measured temperatures to the corresponding saturation temperatures of the refrigerant at the measured low and high pressures. In this case, the measurements closely match. The discrepancy of the evaporator temperature may be due to heat transfer from the ambient air to the exterior of the thermocouple. The condenser temperature matches to within experimental tolerance, but this could also appear warmer than expected if the thermocouple is placed too close to the super heated portion of the condenser. Finish the analysis by indicating the state points and approximate connecting curves on temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. You can see that the simple system yields limited performance with low cooling capacity and low lift, compared to commercial systems. Since much of the input work is expended compressing air in the bicycle pump, performance could be improved with a lower pressure refrigerant. Additionally, using an expansion valve that can maintain a larger pressure difference would be beneficial. Most commercial systems employ a temperature controlled expansion valve, which dynamically adjusts its opening to maintain a desired evaporator temperature. Now that we’ve analyzed the basic process, lets look at some other typical applications.

The vapor compression cycle is the dominant refrigeration technology used in many common place devices. Thermomanagement for electronics has become increasingly important as the size of components has steadily decreased, while demands for power and speed have grown. Cooling super computers and other high powered electronics using the vapor compression cycle, has many advantages over other technologies. The vapor compression cycle can also be used as a heat pump. In this mode, heat is acquired in the evaporator from low temperature surroundings and then delivered to a warmer conditioned space. This can be an efficient mode of heating compared to direct resistance heating, because most of the delivered heat is drawn from the surroundings, and only a small portion is supplied to the compressor as mechanical work.

You’ve just watched Jove’s introduction to refrigeration and the vapor dome. You should now understand how the vapor compression cycle is implemented in refrigeration systems, and how to analyze performance using temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. Thanks for watching.

Tags

Refrigeration Systems Impact Of Refrigeration Refrigerator Freezer Air Conditioner Heat Removal Vapor Compression Cycle Hand Pumped Refrigeration System Thermodynamic Cycle Working Fluid Refrigerant Vapor Dome Temperature Entropy Diagram Pressure Enthalpy Diagram