冷凍入門

冷凍システムはいたるところにあり、私たちの日常生活に多大な影響を与えています。冷蔵庫や冷凍庫に食品を保管したり、エアコンをつけたりするたびに、冷凍システムを使用していることになります。基本的に、これらのシステムのタスクは、熱流の自然な方向に逆らって、冷たい貯水池から熱を取り除き、それを暖かい貯水池に堆積させることです。これを達成するために採用された主要な技術は、蒸気圧縮サイクルです。このビデオでは、蒸気圧縮サイクルがどのように機能するかを説明し、次に、単純な手動ポンプ式冷凍システムでどのように使用されるかを示します。最後に、いくつかの追加のアプリケーションについて説明します。

蒸気圧縮サイクルは、作動流体または冷媒に対して実行される熱力学的サイクルであり、熱が低温リザーバーから冷媒に流れ込み、冷媒から高温リザーバーに流れ込みます。これには、冷媒の機械的循環と、その熱力学的状態の協調的な移行が必要です。このサイクルは、温度エントロピー図と圧力エンタルピー図で見ることができる冷媒相空間の領域である蒸気ドームを利用します。これらの図では、左の領域が飽和液線によって部分的に境界付けられた液相を示し、右側の領域は同様に飽和蒸気線によって境界付けられた気相を示しています。飽和線は臨界点で交わり、それを超えると流体は超臨界になります。飽和線の間では、流体は二相であり、温度は圧力エンタルピー図の等温線で示されるように圧力の関数です。この領域では、温度と圧力を互いに独立して変化させることはできないため、圧力の各値で温度が指定されます。したがって、二相混合物の温度は、圧力を変えることによって調整することができます。このことを念頭に置いて、蒸気圧縮サイクルを調べてみましょう。説明のために、R-134aが冷媒で、質量流量が毎秒0.01キログラムであると仮定します。サイクルには、圧縮、凝縮、膨張、蒸発の4つの段階があります。それぞれが冷媒の主要な滞在ポイント間の遷移を説明しています。圧縮中、低圧蒸気がコンプレッサーに入り、コンプレッサーへの仕事入力を使用して冷媒を加圧します。コンプレッサーを出た後、高圧蒸気はコンデンサーを通過し、ここでは、冷媒が等圧的に凝縮するため、熱は周囲のホットリザーバーに排出されます。高圧冷媒は液相になり、スロットル膨張装置を通って流れます。液体は通過時に等エントロピー的に膨張し、圧力が下がると二相状態に点滅し、より低い温度に低下します。最後の段階では、低温冷媒が蒸発器に入り、コールドリザーバーから熱を吸収します。これにより、冷媒が流れるときに等圧蒸発が促進されます。低圧冷媒蒸気がコンプレッサーに戻ると、サイクルは完了します。この例では、蒸発器の冷却能力は1.67キロワットで、コンプレッサーの仕事入力は0.31キロワットであるため、性能係数、つまりシステム効率は5.4です。このサイクルの仕組みを理解したところで、これらの原理を実際に示すための簡単な冷蔵庫を組み立てて分析してみましょう。

注意、この実験には高圧のシステムと冷媒の使用が含まれます。これは高濃度では危険な場合があります。常に合理的な安全上の注意に従い、適切な個人用保護具を着用してください。冷媒を使用するときは、適切な換気を確保してください。蒸気圧縮機による冷凍機システムの構築を開始。ダブルアクション空気圧シリンダーの一方のポートにシュレーダーバルブを取り付け、もう一方のポートにパイプフィッティングティーを接続します。ティーの残りの2つのポートにチェックバルブを取り付けて、一方が内側を向き、もう一方が外側を向くようにします。この構成により、冷媒を蒸発器から引き込み、高圧で凝縮器に排出することができます。コンプレッサーは、改造された高圧自転車フロアポンプによって作動します。自転車のポンプ配管からゴム製のビードチェックバルブコンポーネントを取り外します。これにより、コンプレッサーは膨張し、ポンピングストロークの間に冷媒を吸い込むことができます。コンプレッサーの両側に圧力計付きのパイプフィッティングティーを取り付けて、上流と下流の圧力を監視できるようにします。ティーフィッティングはチェックバルブを介して接続されており、一方向への流れのみが許可されます。ピストンが伸びると、左側のチェックバルブにより、低圧蒸発器からコンプレッサーボリュームへの流入が可能になります。ピストンが押されると、蒸気は加圧され、右側のチェックバルブを通って高圧コンデンサーに押し込まれます。ピストンを循環させることにより、低圧蒸気の連続的な流れを蒸発器から引き込み、高圧で凝縮器に供給することができます。システムの次の段階はコンデンサーで、長さのアルミニウムチューブから構築します。直径2.5cmの硬質ゴムコアにチューブを巻き付けてコイル状に成形し、次に圧縮フィッティングを使用して、コンプレッサーの下流にあるTシャツのオープンポートに一端を取り付けます。フィッティングの取り付けと締め付けは、必ずメーカーのガイドラインに従ってください。次に、2つの還元パイプエルボの間に短い長さの透明なPVCパイプを取り付けます。これは、高圧冷媒のリザーバーとして機能し、別の圧縮フィッティングでコンデンサーチューブの出口に接続されます。次の段階はエキスパンダーですが、これも冷媒を充填および排出するための充電ポートを追加するのに便利な場所です。A.N.S.A.E.フレアフィッティングコネクターとボールバルブ、および別のパイプティーを組み合わせて、充電ポートを構築します。拡張装置用のパイプティーの片側にニードルバルブを接続します。最後に、アルミニウムチューブの別のセクションを使用して、パイプティーの3番目のポートをリザーバーの低点に接続します。残っているセクションは蒸発器だけです。以前と同じ技術を使用してアルミニウムチューブの2番目のコイルを形成し、ニードルバルブ出口とコンプレッサー入口の間に接続して、冷凍ループを完成させます。システムが組み立てられたら、充電ポートから圧縮空気を充填して、漏れがないかテストします。石鹸水スプレーを使用して、漏れのある接続を特定し、必要に応じて修理します。最後に、温度測定のために熱電対をコンデンサーコイルとエバポレーターコイルに接続します。これで、冷蔵庫を充電して操作する準備が整いました。

充電は2段階のプロセスです。最初にシステムから空気が排出され、次に冷媒が追加されます。冷媒充填マニホールドの中央ポートを冷蔵庫の充電ポートに接続します。次に、真空ポンプをマニホールドの低圧ポートに接続し、冷媒の缶を高圧ポートに接続します。すべてのバルブを閉じてから、真空ポンプをオンにします。すべてのシステムバルブを徐々に開いて、システムから空気を排出します。システムから空気が排出されたら、冷媒キャニスターバルブを短時間開いて冷媒ラインから空気を取り除き、再度閉じます。すべての空気が排出されたので、冷媒充填マニホールドの低圧ポートを閉じて真空ポンプを隔離します。冷媒キャニスターを反転させ、高圧リザーバーのレベルがニードルバルブのレベルよりわずかに上になるまで、液体冷媒をシステムに注入します。最後のステップは、ニードルバルブがかろうじて開くまで調整してから、自転車のポンプホースをコンプレッサーのシュレーダーバルブに接続することです。自転車のポンプをポンピングして冷蔵庫を操作し、高低の側圧力、蒸発器とコンデンサーの温度を追跡します。定常状態に達したら、これらの圧力と温度の値を記録します。ゲージがゲージ圧、つまり大気圧に対する圧力を報告している場合は、読み取り値に1気圧を追加して、読み取り値を絶対圧力に変換します。

お使いの冷蔵庫の性能結果をご覧ください。まず、測定された温度を、測定された低圧および高圧での冷媒の対応する飽和温度と比較します。この場合、測定値はほぼ一致します。蒸発器の温度の不一致は、周囲の空気から熱電対の外部への熱伝達が原因である可能性があります。コンデンサーの温度は実験の許容範囲内に一致しますが、熱電対をコンデンサーの過熱部分に近づけすぎると、予想よりも暖かく見えることもあります。温度エントロピー図と圧力エンタルピー図で状態点と近似接続曲線を示して解析を終了します。単純なシステムでは、商用システムと比較して、冷却能力と揚力が低く、性能が限られていることがわかります。入力作業の多くが自転車のポンプ内の空気を圧縮するために費やされるため、低圧冷媒で性能が向上する可能性があります。さらに、より大きな圧力差を維持できる膨張弁を使用すると有益です。ほとんどの商用システムは、温度制御された膨張弁を採用しており、その開口部を動的に調整して目的の蒸発器温度を維持します。基本的なプロセスを分析したので、他の一般的なアプリケーションをいくつか見てみましょう。

蒸気圧縮サイクルは、多くの一般的な場所のデバイスで使用される主要な冷凍技術です。電子機器の熱管理は、部品のサイズが着実に小さくなり、電力と速度に対する要求が高まるにつれて、ますます重要になっています。蒸気圧縮サイクルを使用してスーパーコンピューターやその他の高出力電子機器を冷却することは、他の技術に比べて多くの利点があります。蒸気圧縮サイクルは、ヒートポンプとしても使用できます。このモードでは、熱は蒸発器で低温の環境から取得され、次により暖かい調整された空間に供給されます。これは、供給される熱の大部分が周囲から引き出され、機械的な仕事としてコンプレッサーに供給されるのはごく一部であるため、直接抵抗加熱と比較して効率的な加熱モードになる可能性があります。

Joveの冷凍と蒸気ドームの紹介を見ました。これで、蒸気圧縮サイクルが冷凍システムに実装される方法と、温度エントロピーと圧力エンタルピー図を使用してパフォーマンスを分析する方法を理解できました。ご覧いただきありがとうございます。