3.8: Introduction à la réfrigération

ATTENTION : Cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation des fluides frigorigènes, qui peuvent devenir toxiques à des concentrations élevées. S’assurer que des précautions raisonnables sont respectées et que les EPI approprié est usée. Assurer une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des fluides frigorigènes.

1. fabrication de système de réfrigération (voir schéma et photo, Fig. 3)

1. Construire le compresseur de la vapeur de la première connexion à un port d’un vérin pneumatique double effet pour un tee-shirt de raccord de tuyau. Installer une valve Schraeder sur l’autre port du vérin pneumatique. Installer unidirectionnel (clapets) pour les deux autres ports de la té un pointant vers l’intérieur et l’autre pointant vers l’extérieur. Cela permet de réfrigérant à être tirées l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression.
2. En utilisant deux tees de tuyauterie plus, installer des jauges de pression en amont et en aval du compresseur.
3. Une pompe à vélo haute pression sol sert à actionner le compresseur. Retirez le talon en caoutchouc (check valve composant) de la plomberie de pompe à vélo. Cela permettra le compresseur élargir et dessiner en fluide frigorigène entre coups de pompage. Connecter le tuyau de pompe à vélo à la valve Schraeder sur le compresseur.
4. Former une mince bobine de tube aluminium (diamètre de 3,2 mm extérieur) d’agir comme le condenseur. Dans le système prototype (Fig. 3), la bobine a été formée en spirale enveloppant le tube d’aluminium autour d’un noyau de tube de caoutchouc rigide de diamètre 2,5 cm pour quatre tours (environ 50 cm de longueur totale). La longueur de bobine condensateur n’est pas critique pour cette expérience à petite échelle.
5. Connectez une extrémité de la bobine condenseur à l’orifice ouvert du tuyau raccord té en aval de la jauge de pression à l’aide d’une raccord (partie #5272 K 291 a suggéré de McMaster Inc.) de compression.
6. Installer un tuyau de PVC clair court dans deux coudes de tuyaux réductrice. Cette composante agira comme le réservoir de réfrigérant à haute pression. Relier le réservoir à la sortie du serpentin condenseur.
7. Installer un robinet à boisseau sphérique dans un t tuyau avec un connecteur d’évasé AN/SAE. Ce sera le port de chargement. Connectez un compteur à aiguille sur un côté du té tuyau. Ce sera le détendeur. En utilisant le tube étroit en aluminium, connectez l’autre port du té tuyau jusqu’au bas du réservoir réfrigérant.
8. Former une deuxième bobine de tube en aluminium d’agir comme l’évaporateur. Branchez sur cette entre l’entrée de prise et compresseur de soupape à pointeau.
9. Remplir le système d’air comprimé (550 kPa si disponible) à travers le port de chargement. Un jet d’eau savonneuse permet d’identifier les éventuelles fuites de plomberie et effectuer les réparations nécessaires.
10. Se connecter à thermocouples à des bobines condenseur et évaporateur pour mesurer la température.

Figure 3 : a. diagramme des composants et des connexions au système de réfrigération compression vapeur expérimentale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Cycle de réfrigération compression de vapeur T - s (a) et P - h b diagrammes pour expérimental R-134 a.

2. charger le circuit de réfrigération

1. Connectez le port moyen du fluide frigorigène charger le collecteur pour le port de chargement sur le réfrigérateur. Connecter une pompe à vide pour le port de basse pression du collecteur et un bidon de réfrigérant au port à haute pression. R134a est le réfrigérant plus couramment disponible et est utilisé ici. R1234ze(E) peut être une meilleure option, car sa pression de saturation faible permettraient plus facile fonctionnement du compresseur, et sa faible GWP permettrait de réduire les impacts environnementaux des éventuelles fuites.
2. Faire fonctionner la pompe de vide et de progressivement ouvrir toutes les vannes de système pour enlever tout l’air. Brièvement, ouvrir la vanne bac réfrigérant pour effacer tout l’air de l’Assemblée.
3. Une fois que le vide est réalisé, isoler la pompe à vide et ferme le port à basse pression sur le fluide frigorigène charger collecteur. Inverser le bac réfrigérant et injecter le liquid réfrigérant dans le système jusqu'à ce que le niveau dans le réservoir à haute pression est légèrement au-dessus du niveau de la soupape à pointeau.

3. fonctionnement

1. Ajuster la valve à aiguille jusqu'à ce qu’il est à peine ouvert.
2. Fonctionner le réfrigérateur par pompage de la pompe à vélo reliée au vérin pneumatique compresseur.
3. Suivre les côtés haute et basse pressions et les températures d’évaporateur et du condenseur jusqu'à ce que l’état d’équilibre est atteints. Enregistrer ces pressions et températures. Notez que la plupart manomètres pression gage de rapport. Cela peut être converti à la pression absolue en ajoutant environ 101 kPa.
4. Indiquer les points d’État (1-4) et environ reliant les courbes sur les diagrammes de T-s et P-h (Fig. 4).

Les systèmes de réfrigération sont omniprésents et ont un impact énorme sur notre vie quotidienne. Chaque fois que vous conservez des aliments dans le réfrigérateur ou le congélateur, ou que vous allumez le climatiseur, vous utilisez des systèmes de réfrigération. Fondamentalement, la tâche de ces systèmes est d’extraire la chaleur d’un réservoir froid et de la déposer dans un réservoir chaud, à l’inverse de la direction naturelle du flux de chaleur. La technologie dominante utilisée pour y parvenir est le cycle de compression de vapeur. Cette vidéo illustrera le fonctionnement du cycle de compression de vapeur, puis montrera comment il est utilisé dans un système de réfrigération simple à pompe manuelle. À la fin, il discutera de quelques applications supplémentaires.

Le cycle de compression de vapeur est un cycle thermodynamique effectué sur un fluide de travail, ou réfrigérant, de sorte que la chaleur s’écoule dans le réfrigérant à partir du réservoir froid et du réfrigérant vers le réservoir chaud. Cela nécessite une circulation mécanique du réfrigérant ainsi que des transitions coordonnées de son état thermodynamique. Le cycle tire parti du dôme de vapeur, une région de l’espace de phase du réfrigérant qui peut être vue dans les diagrammes d’entropie de température et d’enthalpie de pression. Dans ces schémas, la région de gauche indique la phase liquide, qui est partiellement délimitée par la ligne de liquide saturé, et la région de droite indique la phase vapeur, qui est également délimitée par la ligne de vapeur saturée. Les lignes de saturation se rencontrent au point critique, au-dessus duquel le fluide est super critique. Entre les lignes de saturation, le fluide est diphasique et la température est fonction de la pression indiquée par les isothermes sur le diagramme d’enthalpie de pression. Dans cette région, la température et la pression ne peuvent pas être modifiées indépendamment l’une de l’autre, de sorte que chaque valeur de pression spécifie une température. Par conséquent, la température d’un mélange biphasé peut être ajustée en modifiant la pression. En gardant cela à l’esprit, examinons le cycle de compression de la vapeur. À titre d’illustration, supposons que le R-134a est le réfrigérant et un débit massique de 0,01 kilogramme par seconde. Le cycle comporte quatre étapes : la compression, la condensation, l’expansion et l’évaporation. Chacun décrit une transition entre les points de séjour clés du réfrigérant. Pendant la compression, la vapeur à basse pression pénètre dans le compresseur et l’entrée de travail du compresseur est utilisée pour pressuriser le réfrigérant. Après avoir quitté le compresseur, la vapeur à haute pression passe dans le condenseur, ici, la chaleur est rejetée vers le réservoir chaud environnant car le réfrigérant se condense de manière isobare. Le réfrigérant haute pression est maintenant en phase liquide, puis passe à travers un dispositif d’expansion d’étranglement. Le liquide se dilate isentropiquement lors de son passage et, à mesure que sa pression baisse, passe à un état biphasé et chute à une température plus basse. Dans la dernière étape, le réfrigérant à basse température entre dans l’évaporateur et absorbe la chaleur du réservoir froid. Cela entraîne une évaporation isobare lorsque le réfrigérant s’écoule. Le cycle est terminé lorsque la vapeur de réfrigérant basse pression retourne au compresseur. Dans cet exemple, la capacité de refroidissement de l’évaporateur est de 1,67 kilowatt et l’entrée de travail du compresseur est de 0,31 kilowatts, donc le coefficient de performance, ou efficacité du système, est de 5,4. Maintenant que vous comprenez comment fonctionne le cycle, construisons et analysons un réfrigérateur simple pour montrer ces principes en action.

Attention, cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation de réfrigérants, qui peuvent être dangereux à des concentrations élevées. Suivez toujours les précautions de sécurité raisonnables et portez un équipement de protection individuelle approprié. Assurez une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des réfrigérants. Commencer la construction du système de réfrigération avec le compresseur de vapeur. Installez une vanne Schrader sur un orifice d’un vérin pneumatique à double action, puis connectez un té de raccord de tuyauterie à l’autre orifice. Fixez des clapets anti-retour sur les deux orifices restants du té, de sorte que l’un pointe vers l’intérieur et l’autre vers l’extérieur. Cette configuration permettra au réfrigérant d’être aspiré de l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression. Le compresseur sera actionné par une pompe à pied de vélo à haute pression modifiée. Retirez le composant du clapet anti-retour en caoutchouc de la plomberie de la pompe à vélo. Cela permettra au compresseur de se dilater et d’aspirer le réfrigérant entre les coups de pompage. Installez des tés de raccord de tuyauterie avec des manomètres des deux côtés du compresseur, afin que la pression en amont et en aval puisse être surveillée. Les raccords en T sont reliés par des clapets anti-retour, qui ne permettent un écoulement que dans une seule direction. Lorsque le piston est déployé, le clapet anti-retour gauche permet l’entrée de l’évaporateur basse pression vers le volume du compresseur. Lorsque le piston est enfoncé, la vapeur est pressurisée et forcée à travers le clapet anti-retour droit vers le condenseur haute pression. En faisant fonctionner le piston, un flux continu de vapeur à basse pression peut être extrait de l’évaporateur et acheminé vers le condenseur à haute pression. La prochaine étape du système est le condenseur, que nous construirons à partir d’une longueur de tube en aluminium. Formez le tube en une bobine, en l’enroulant autour d’un noyau en caoutchouc rigide de 2,5 centimètres de diamètre pendant quatre tours, puis utilisez un raccord à compression pour fixer une extrémité à l’orifice ouvert du té, en aval du compresseur. Assurez-vous d’installer et de serrer les raccords conformément aux directives du fabricant. Ensuite, installez une courte longueur de tuyau en PVC transparent entre deux coudes de tuyau réducteurs. Celui-ci servira de réservoir pour le réfrigérant à haute pression, relié à la sortie du tube du condenseur par un autre raccord à compression. L’étape suivante est l’expanseur, mais c’est aussi un endroit pratique pour ajouter un port de charge pour le remplissage et la vidange du réfrigérant. Construisez l’orifice de charge en combinant un connecteur évasé A.N.S.A.E. avec une vanne à bille et un autre té de tuyau. Connectez une vanne à pointeau d’un côté du té du tuyau pour le dispositif d’expansion. Enfin, utilisez une autre section de tube en aluminium pour connecter le troisième orifice du té du tuyau au point bas du réservoir. La seule section restante est l’évaporateur. Formez une deuxième bobine de tube d’aluminium en utilisant la même technique que précédemment, et connectez-la entre la sortie de la vanne à pointeau et l’entrée du compresseur, pour compléter la boucle de réfrigération. Maintenant que le système est assemblé, remplissez-le d’air comprimé par le port de charge pour tester toute fuite. Utilisez un spray d’eau savonneuse pour identifier les connexions qui fuient et effectuez les réparations si nécessaire. Enfin, connectez les thermocouples aux serpentins du condenseur et de l’évaporateur pour la mesure de la température. Vous êtes maintenant prêt à charger et à faire fonctionner le réfrigérateur.

La charge est un processus en deux étapes. L’air est d’abord évacué du système, puis le réfrigérant est ajouté. Connectez le port central d’un collecteur de charge de réfrigérant au port de charge du réfrigérateur. Connectez ensuite une pompe à vide à l’orifice basse pression du collecteur et une bombe de réfrigérant à l’orifice haute pression. Fermez toutes les vannes, puis allumez la pompe à vide. Ouvrez progressivement toutes les vannes du système pour évacuer l’air du système. Une fois l’air évacué du système, ouvrez brièvement la vanne de la cartouche de réfrigérant pour évacuer l’air de la conduite de réfrigérant, puis fermez-la à nouveau. Maintenant que tout l’air a été évacué, isolez la pompe à vide en fermant l’orifice basse pression sur le collecteur de charge de réfrigérant. Renversez la cartouche de réfrigérant et injectez du réfrigérant liquide dans le système jusqu’à ce que le niveau dans le réservoir haute pression soit légèrement supérieur au niveau de la vanne à pointeau. La dernière étape consiste à régler la vanne à pointeau jusqu’à ce qu’elle soit à peine ouverte, puis à connecter le tuyau de la pompe à vélo à la valve Schrader du compresseur. Faites fonctionner le réfrigérateur en pompant la pompe à vélo, comme vous le faites, suivez les pressions latérales élevées et basses ainsi que les températures de l’évaporateur et du condenseur. Lorsque les conditions d’équilibre sont atteintes, notez ces valeurs de pression et de température. Si les manomètres indiquent la pression manométrique, c’est-à-dire la pression par rapport à l’atmosphère, convertissez les lectures en pression absolue en ajoutant une atmosphère à la lecture.

Jetez un coup d’œil aux résultats de performance de votre réfrigérateur. Tout d’abord, comparez les températures mesurées aux températures de saturation correspondantes du réfrigérant aux basses et hautes pressions mesurées. Dans ce cas, les mesures correspondent le mieux. L’écart de température de l’évaporateur peut être dû au transfert de chaleur de l’air ambiant vers l’extérieur du thermocouple. La température du condenseur correspond à la tolérance expérimentale, mais elle peut également apparaître plus chaude que prévu si le thermocouple est placé trop près de la partie surchauffée du condenseur. Terminez l’analyse en indiquant les points d’état et les courbes de connexion approximatives sur les diagrammes de température, d’entropie et d’enthalpie de pression. Vous pouvez voir que le système simple offre des performances limitées avec une faible capacité de refroidissement et une faible portance, par rapport aux systèmes commerciaux. Étant donné qu’une grande partie du travail d’entrée est dépensée à comprimer l’air dans la pompe à vélo, les performances pourraient être améliorées avec un réfrigérant à basse pression. De plus, l’utilisation d’un détendeur capable de maintenir une plus grande différence de pression serait bénéfique. La plupart des systèmes commerciaux utilisent un détendeur à température contrôlée, qui ajuste dynamiquement son ouverture pour maintenir la température souhaitée de l’évaporateur. Maintenant que nous avons analysé le processus de base, examinons d’autres applications typiques.

Le cycle de compression de vapeur est la technologie de réfrigération dominante utilisée dans de nombreux appareils courants. La gestion thermique de l’électronique est devenue de plus en plus importante à mesure que la taille des composants n’a cessé de diminuer, tandis que les demandes de puissance et de vitesse ont augmenté. Le refroidissement de superordinateurs et d’autres appareils électroniques de haute puissance à l’aide du cycle de compression de vapeur présente de nombreux avantages par rapport aux autres technologies. Le cycle de compression de vapeur peut également être utilisé comme pompe à chaleur. Dans ce mode, la chaleur est acquise dans l’évaporateur à partir d’un environnement à basse température, puis transmise dans un espace climatisé plus chaud. Il peut s’agir d’un mode de chauffage efficace par rapport au chauffage par résistance directe, car la majeure partie de la chaleur fournie est tirée de l’environnement, et seule une petite partie est fournie au compresseur sous forme de travail mécanique.

Vous venez d’assister à l’introduction de Jupiter à la réfrigération et au dôme de vapeur. Vous devriez maintenant comprendre comment le cycle de compression de vapeur est mis en œuvre dans les systèmes de réfrigération et comment analyser les performances à l’aide de diagrammes d’entropie de température et d’enthalpie de pression. Merci d’avoir regardé.