What is the vapor compression cycle and how does it work?

The vapor compression cycle is a thermodynamic process that removes heat from a cold reservoir and deposits it in a warm reservoir, against natural heat flow. It consists of four stages: compression, where work pressurizes low-pressure vapor; condensation, where high-pressure vapor releases heat; expansion, where pressure drops and the refrigerant cools; and evaporation, where low-temperature refrigerant absorbs heat from the cold space.

How does the vapor dome relate to refrigerant phase transitions?

The vapor dome is a region in temperature-entropy and pressure-enthalpy diagrams bounded by saturated liquid and vapor lines. Within this two-phase region, temperature and pressure are dependent—changing pressure automatically adjusts temperature. This property allows refrigeration systems to control the refrigerant's temperature by manipulating pressure, enabling efficient heat transfer during evaporation and condensation stages.

What role does the compressor play in a refrigeration system?

The compressor draws low-pressure vapor from the evaporator and uses mechanical work input to pressurize the refrigerant, raising it to high pressure. This pressurization is essential for the cycle because it enables the refrigerant to condense at higher temperatures in the condenser, allowing heat rejection to the surrounding environment. The compressor essentially drives the entire refrigeration cycle.

How is coefficient of performance calculated for a refrigeration system?

Coefficient of performance (COP) measures system efficiency by dividing cooling capacity by compressor work input. For example, if an evaporator provides 1.67 kilowatts of cooling and the compressor requires 0.31 kilowatts of work, the COP is 5.4. A higher COP indicates greater efficiency, meaning more cooling is achieved per unit of mechanical work supplied to the system.

What happens during the throttling expansion stage in refrigeration?

During throttling expansion, high-pressure liquid refrigerant passes through a restriction device and undergoes isentropic expansion. As pressure drops, the refrigerant flashes into a two-phase mixture and its temperature decreases significantly. This cold, low-pressure mixture then enters the evaporator where it absorbs heat from the cold reservoir, completing the cycle's heat acquisition phase.

Why is refrigerant charging a two-step process in refrigeration systems?

Refrigerant charging requires two steps: evacuation and charging. First, air is removed from the system using a vacuum pump to prevent contamination and ensure proper operation. Then, liquid refrigerant is injected into the system. This two-step approach prevents air pockets and moisture from interfering with heat transfer and thermodynamic performance, ensuring the system operates at design specifications.

How can the vapor compression cycle be used as a heat pump?

In heat pump mode, the vapor compression cycle reverses its function: the evaporator acquires heat from low-temperature surroundings, and the condenser delivers this heat to a warmer space. This mode is efficient for heating because most delivered heat comes from the environment, with only a small portion supplied as mechanical work to the compressor, making it superior to direct resistance heating.

냉장 소개

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주의: 이 실험은 고농도에서 독성이 있을 수 있는 높은 압력 및 냉매의 사용에 있는 시스템을 관련시킵니다. 합리적인 안전 예방 조치를 따르고 적절한 PPE를 착용하십시오. 냉매로 작업 할 때 적절한 환기를 보장합니다.

1. 냉장 시스템 제작 (다이어그램 및 사진 참조, 도 3)

먼저 이중 동작 공압 실린더의 한 포트를 파이프 피팅 티에 연결하여 증기 압축기를 구성합니다. 공압 실린더의 다른 포트에 슈라이더 밸브를 설치합니다. 티의 다른 두 포트에 단방향(체크) 밸브를 설치하고, 하나는 안쪽을 가리키고, 하나는 바깥쪽을 가리킵니다. 이를 통해 냉매를 증발기에서 끌어내고 고압으로 응축기로 추방될 수 있습니다.
두 개의 파이프 피팅 티를 사용하여 압축기의 상류 및 하류에 압력 게이지를 설치합니다.
고압 자전거 바닥 펌프는 압축기를 작동시키기 위해 사용됩니다. 자전거 펌프 배관에서 고무 비드(체크 밸브 구성 요소)를 제거합니다. 이렇게 하면 압축기가 펌핑 스트로크 사이에 냉매로 확장하고 그릴 수 있습니다. 자전거 펌프 호스를 압축기의 슈라이더 밸브에 연결합니다.
얇은 (3.2 mm 외부 직경) 알루미늄 튜브 코일을 형성하여 응축기 역할을합니다. 프로토타입 시스템(도 3)에서 코일은 4회전(~50cm 길이)에 대해 직경 2.5cm의 경질 고무 튜브 코어 주위의 알루미늄 튜브를 헬로 래핑하여 형성하였다. 응축기 코일 길이는 이 소규모 실험에 중요하지 않습니다.
압축 피팅(McMaster Inc.part #5272K291 제안)을 사용하여 압력 게이지의 하류에 피팅 하는 파이프 피팅 티 하류의 오픈 포트에 응축기 코일의 한쪽 끝을 연결합니다.
두 개의 감소 파이프 팔꿈치에 짧은 명확한 PVC 파이프를 설치합니다. 이 구성 요소는 고압 냉매 저장소 역할을합니다. 저수지를 응축기 튜브의 콘센트에 연결합니다.
AN/SAE 플레어 피팅 커넥터가 있는 파이프 티에 볼 밸브를 설치합니다. 이것은 충전 포트가 될 것입니다. 파이프 티의 한쪽에 바늘 유량 계를 연결합니다. 이 확장 장치가 될 것입니다. 좁은 알루미늄 튜브를 사용하여 파이프 티의 다른 포트를 냉매 저장소의 낮은 지점에 연결합니다.
증발기 역할을 하는 두 번째 알루미늄 튜브 코일을 형성합니다. 바늘 밸브 콘센트와 압축기 입구 사이에 연결합니다.
충전 포트를 통해 압축 공기 (사용 가능한 경우 550 kPa)로 시스템을 채웁니다. 비눗물 스프레이를 사용하여 배관 누출을 식별하고 필요에 따라 수리하십시오.
온도 측정을 위해 열전대를 응축기 및 증발기 코일에 연결합니다.

그림 3: a. 실험 증기 압축 냉장 시스템에서 구성 요소 및 연결의 다이어그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 4: T - s (a) 및 P - h (b) 실험 R-134a 증기 압축 냉장 주기에 대한 다이어그램.

2. 냉장 시스템 충전

냉장고의 충전 포트에 냉매 충전 매니폴드의 중간 포트를 연결합니다. 진공 펌프를 매니폴드의 저압 포트에 연결하고 냉매 캔을 고압 포트에 연결합니다. R134a는 가장 일반적으로 사용할 수 있는 냉매이며 여기에서 사용됩니다. R1234ze(E)는 낮은 포화 압력으로 압축기 작동이 용이하고 GWP가 낮으면 누출로 인한 환경적 영향을 줄일 수 있기 때문에 더 나은 옵션이 될 수 있습니다.
진공 펌프를 실행하고 점차적으로 모든 시스템 밸브를 열어 모든 공기를 제거합니다. 냉장 캐니스터 밸브를 잠깐 열어 어셈블리에서 공기를 제거합니다.
진공이 발생하면 진공 펌프를 분리하고 냉매 충전 매니폴드의 저압 포트를 닫습니다. 냉매 캐니스터를 반전시키고 고압 저수지의 레벨이 바늘 밸브 수준보다 약간 높을 때까지 액체 냉매를 시스템에 주입하십시오.

3. 작동

바늘 밸브가 거의 열리지 때까지 조정합니다.
압축기 공압 실린더에 연결된 자전거 펌프를 펌핑하여 냉장고를 작동합니다.
정상 상태 조건에 도달할 때까지 고측 및 저측 압력 및 증발기 및 응축기 온도를 추적합니다. 이러한 압력 및 온도 값을 기록합니다. 대부분의 압력 게이지는 게이지 압력을 보고합니다. 이는 약 101kPa를 추가하여 절대 압력으로 변환할 수 있습니다.
상태 점(1-4)을 나타내고 T-s 및 P-h 다이어그램(도 4)에 대한 대략적인 연결 곡선을 나타냅니다.

출처: 알렉산더 S 래트너와 크리스토퍼 J 그리어; 펜실베이니아 주립대학, 유니버시티 파크, 펜실베이니아 주 기계 및 원자력 공학과

이 실험은 증기 압축 냉장의 원리를 보여줍니다. 증기 압축 주기는 대부분의 냉장고, 냉동고, 에어컨 시스템 및 히트 펌프에서 발견되는 지…