Introduzione alla refrigerazione

I sistemi di refrigerazione sono onnipresenti e hanno un enorme impatto sulla nostra vita quotidiana. Ogni volta che si conserva il cibo nel frigorifero o nel congelatore o si accende il condizionatore d'aria, si utilizzano i sistemi di refrigerazione. Fondamentalmente, il compito di questi sistemi è quello di rimuovere il calore da un serbatoio freddo e depositarlo in un serbatoio caldo, contro la direzione naturale del flusso di calore. La tecnologia dominante impiegata per raggiungere questo obiettivo è il ciclo di compressione del vapore. Questo video illustrerà come funziona il ciclo di compressione del vapore e poi dimostrerà come viene utilizzato in un semplice sistema di refrigerazione pompato a mano. Alla fine, verranno discusse alcune applicazioni aggiuntive.

Il ciclo di compressione del vapore è un ciclo termodinamico eseguito su un fluido di lavoro, o refrigerante, in modo tale che il calore fluisca nel refrigerante dal serbatoio freddo e fuori dal refrigerante al serbatoio caldo. Ciò richiede la circolazione meccanica del refrigerante e transizioni coordinate del suo stato termodinamico. Il ciclo sfrutta la cupola di vapore, una regione dello spazio delle fasi del refrigerante che può essere vista nei diagrammi di entropia di temperatura ed entalpia di pressione. In questi diagrammi, la regione di sinistra indica la fase liquida, che è parzialmente delimitata dalla linea del liquido saturo, e la regione di destra indica la fase di vapore, che è delimitata in modo simile dalla linea di vapore saturo. Le linee di saturazione si incontrano nel punto critico, al di sopra del quale il fluido è super critico. Tra le righe di saturazione, il fluido è bifase e la temperatura è funzione della pressione come indicato dalle isoterme sul diagramma entalpia della pressione. In questa regione, la temperatura e la pressione non possono essere variate indipendentemente l'una dall'altra, quindi ogni valore di pressione specifica una temperatura. Pertanto, la temperatura di una miscela bifase può essere regolata modificando la pressione. Con questo in mente, esaminiamo il ciclo di compressione del vapore. A scopo illustrativo, si supponga che l'R-134a sia il refrigerante e una portata massica di 0,01 chilogrammi al secondo. Il ciclo si articola in quattro fasi: compressione, condensazione, espansione ed evaporazione. Ognuno descrive una transizione tra i punti di permanenza chiave del refrigerante. Durante la compressione, il vapore a bassa pressione entra nel compressore e il lavoro in ingresso al compressore viene utilizzato per pressurizzare il refrigerante. Dopo aver lasciato il compressore, il vapore ad alta pressione passa al condensatore, qui il calore viene respinto nel serbatoio caldo circostante mentre il refrigerante si condensa isobaricamente. Il refrigerante ad alta pressione, ora in fase liquida, scorre quindi attraverso un dispositivo di espansione a strozzamento. Il liquido si espande isoentropicamente quando lo attraversa e, quando la sua pressione scende, lampeggia in uno stato bifase e scende a una temperatura più bassa. Nell'ultimo stadio, il refrigerante a bassa temperatura entra nell'evaporatore e assorbe il calore dal serbatoio freddo. Questo guida l'evaporazione isobarica mentre il refrigerante scorre attraverso. Il ciclo è completato quando il vapore refrigerante a bassa pressione ritorna al compressore. In questo esempio, la capacità di raffreddamento dell'evaporatore è di 1,67 kilowatt e l'input di lavoro del compressore è di 0,31 kilowatt, quindi il coefficiente di prestazione, o efficienza del sistema, è 5,4. Ora che hai capito come funziona il ciclo, costruiamo e analizziamo un semplice frigorifero per mostrare questi principi in azione.

Attenzione, questo esperimento coinvolge sistemi a pressioni elevate e l'uso di refrigeranti, che possono essere pericolosi ad alte concentrazioni. Seguire sempre le ragionevoli precauzioni di sicurezza e indossare dispositivi di protezione individuale adeguati. Garantire un'adeguata ventilazione quando si lavora con i refrigeranti. Iniziare la costruzione del sistema frigorifero con il compressore di vapore. Installare una valvola Schrader su una porta di un cilindro pneumatico a doppia azione, quindi collegare un raccordo a T per tubi all'altra porta. Collegare le valvole di ritegno sulle due porte rimanenti del raccordo a T, in modo che una sia rivolta verso l'interno e l'altra verso l'esterno. Questa configurazione consentirà al refrigerante di essere aspirato dall'evaporatore ed espulso al condensatore ad alta pressione. Il compressore sarà azionato da una pompa da pavimento per bicicletta ad alta pressione modificata. Rimuovere il componente della valvola di ritegno del tallone di gomma dall'impianto idraulico della pompa della bicicletta. Ciò consentirà al compressore di espandersi e aspirare il refrigerante tra una corsa di pompaggio e l'altra. Installare raccordi a T con manometri su entrambi i lati del compressore, in modo da poter monitorare la pressione a monte e a valle. I raccordi a T sono collegati tramite valvole di ritegno, che consentono il flusso solo in una direzione. Quando il pistone è esteso, la valvola di ritegno sinistra consente l'afflusso dall'evaporatore a bassa pressione al volume del compressore. Quando il pistone viene premuto, il vapore viene pressurizzato e forzato attraverso la valvola di ritegno destra al condensatore ad alta pressione. Azionando il pistone, un flusso continuo di vapore a bassa pressione può essere prelevato dall'evaporatore e consegnato al condensatore ad alta pressione. La fase successiva del sistema è il condensatore, che costruiremo da un pezzo di tubo di alluminio. Formare il tubo in una bobina, avvolgendola attorno a un'anima di gomma rigida di 2,5 centimetri di diametro per quattro giri, quindi utilizzare un raccordo a compressione per fissare un'estremità alla porta aperta del tee, a valle del compressore. Assicurarsi di installare e serrare i raccordi secondo le linee guida del produttore. Quindi installare un breve tratto di tubo in PVC trasparente tra due gomiti del tubo di riduzione. Questo fungerà da serbatoio per il refrigerante ad alta pressione, collegato all'uscita del tubo del condensatore con un altro raccordo a compressione. La fase successiva è l'espansore, ma questo è anche un posto comodo per aggiungere una porta di ricarica per il riempimento e lo scarico del refrigerante. Costruisci la porta di ricarica combinando un connettore per raccordo svasato ANSEE con una valvola a sfera e un altro raccordo a T per tubi. Collegare una valvola a spillo su un lato del raccordo a T del tubo per il dispositivo di espansione. Infine, utilizzare un'altra sezione di tubo di alluminio per collegare la terza porta del raccordo a T del tubo al punto più basso del serbatoio. L'unica sezione rimasta è l'evaporatore. Formare una seconda bobina di tubo di alluminio utilizzando la stessa tecnica di prima e collegarla tra l'uscita della valvola a spillo e l'ingresso del compressore, per completare il circuito di refrigerazione. Ora che il sistema è assemblato, riempirlo con aria compressa attraverso la porta di ricarica per verificare la presenza di eventuali perdite. Utilizzare uno spray con acqua saponata per identificare eventuali collegamenti che perdono ed effettuare le riparazioni necessarie. Infine, collegare le termocoppie alle serpentine del condensatore e dell'evaporatore per la misurazione della temperatura. Ora sei pronto per caricare e utilizzare il frigorifero.

La ricarica è un processo in due fasi. L'aria viene prima evacuata dal sistema e quindi viene aggiunto il refrigerante. Collegare la porta centrale di un collettore di carica del refrigerante alla porta di ricarica del frigorifero. Quindi collegare una pompa per vuoto alla porta di bassa pressione del collettore e una bomboletta di refrigerante alla porta di alta pressione. Chiudere tutte le valvole e quindi accendere la pompa del vuoto. Aprire gradualmente tutte le valvole del sistema per evacuare l'aria dal sistema. Dopo che l'aria è stata evacuata dal sistema, aprire brevemente la valvola della bombola del refrigerante per eliminare l'aria dalla linea del refrigerante, quindi richiuderla. Ora che tutta l'aria è stata evacuata, isolare la pompa del vuoto chiudendo la porta di bassa pressione sul collettore di carica del refrigerante. Capovolgere la bombola del refrigerante e iniettare il refrigerante liquido nel sistema fino a quando il livello nel serbatoio ad alta pressione non è leggermente superiore al livello della valvola a spillo. L'ultimo passaggio consiste nel regolare la valvola a spillo fino a quando non è appena aperta, quindi collegare il tubo flessibile della pompa della bicicletta alla valvola Schrader sul compressore. Aziona il frigorifero pompando la pompa della bicicletta, mentre fai tieni traccia delle pressioni laterali alta e bassa, nonché delle temperature dell'evaporatore e del condensatore. Quando vengono raggiunte le condizioni di stato stazionario, registrare questi valori di pressione e temperatura. Se gli indicatori riportano la pressione relativa, cioè la pressione relativa all'atmosfera, convertire le letture in pressione assoluta aggiungendo un'atmosfera alla lettura.

Dai un'occhiata ai risultati delle prestazioni del tuo frigorifero. Innanzitutto, confrontare le temperature misurate con le corrispondenti temperature di saturazione del refrigerante alle basse e alte pressioni misurate. In questo caso, le misure corrispondono strettamente. La discrepanza della temperatura dell'evaporatore può essere dovuta al trasferimento di calore dall'aria ambiente all'esterno della termocoppia. La temperatura del condensatore corrisponde alla tolleranza sperimentale, ma potrebbe anche apparire più calda del previsto se la termocoppia è posizionata troppo vicino alla parte surriscaldata del condensatore. Termina l'analisi indicando i punti di stato e approssimando le curve di connessione sui diagrammi di entalpia di temperatura e pressione. Si può notare che il sistema semplice produce prestazioni limitate con una bassa capacità di raffreddamento e una bassa portanza, rispetto ai sistemi commerciali. Poiché gran parte del lavoro in ingresso viene speso per comprimere l'aria nella pompa della bicicletta, le prestazioni potrebbero essere migliorate con un refrigerante a pressione inferiore. Inoltre, l'utilizzo di una valvola di espansione in grado di mantenere una differenza di pressione maggiore sarebbe vantaggioso. La maggior parte dei sistemi commerciali utilizza una valvola di espansione a temperatura controllata, che regola dinamicamente la sua apertura per mantenere la temperatura desiderata dell'evaporatore. Ora che abbiamo analizzato il processo di base, diamo un'occhiata ad alcune altre applicazioni tipiche.

Il ciclo di compressione del vapore è la tecnologia di refrigerazione dominante utilizzata in molti dispositivi di uso comune. La termogestione per l'elettronica è diventata sempre più importante poiché le dimensioni dei componenti sono diminuite costantemente, mentre le richieste di potenza e velocità sono cresciute. Il raffreddamento dei super computer e di altri dispositivi elettronici ad alta potenza utilizzando il ciclo di compressione del vapore presenta molti vantaggi rispetto ad altre tecnologie. Il ciclo di compressione del vapore può essere utilizzato anche come pompa di calore. In questa modalità, il calore viene acquisito nell'evaporatore da ambienti a bassa temperatura e quindi consegnato a uno spazio condizionato più caldo. Questa può essere una modalità di riscaldamento efficiente rispetto al riscaldamento a resistenza diretta, perché la maggior parte del calore erogato viene prelevato dall'ambiente circostante e solo una piccola parte viene fornita al compressore come lavoro meccanico.

Hai appena visto l'introduzione di Giove alla refrigerazione e alla cupola di vapore. A questo punto è necessario comprendere come viene implementato il ciclo di compressione del vapore nei sistemi di refrigerazione e come analizzare le prestazioni utilizzando i diagrammi di entalpia di temperatura e pressione. Grazie per l'attenzione.