Wprowadzenie do chłodnictwa

Systemy chłodnicze są wszechobecne i mają ogromny wpływ na nasze codzienne życie. Za każdym razem, gdy przechowujesz żywność w lodówce lub zamrażarce lub włączasz klimatyzator, włączasz systemy chłodnicze. Zasadniczo zadaniem tych systemów jest odprowadzanie ciepła z zimnego zbiornika i osadzanie go w ciepłym zbiorniku, w kierunku przeciwnym do naturalnego kierunku przepływu ciepła. Dominującą technologią zastosowaną w tym celu jest cykl sprężania pary. Ten film zilustruje, jak działa cykl sprężania pary, a następnie pokaże, jak jest on wykorzystywany w prostym systemie chłodniczym pompowanym ręcznie. Na koniec omówimy kilka dodatkowych zastosowań.

Cykl sprężania pary to cykl termodynamiczny wykonywany na płynie roboczym lub czynniku chłodniczym, w taki sposób, że ciepło będzie przepływać do czynnika chłodniczego z zimnego zbiornika i z czynnika chłodniczego do gorącego zbiornika. Wymaga to mechanicznej cyrkulacji czynnika chłodniczego, a także skoordynowanych przemian jego stanu termodynamicznego. Cykl wykorzystuje kopułę parową, obszar przestrzeni fazowej czynnika chłodniczego, który można zobaczyć na wykresach entropii temperatury i entalpii ciśnienia. Na tych diagramach lewy obszar wskazuje fazę ciekłą, która jest częściowo ograniczona linią nasyconej cieczy, a prawy obszar wskazuje fazę parową, która jest podobnie ograniczona linią nasyconej pary. Linie nasycenia spotykają się w punkcie krytycznym, powyżej którego płyn jest super krytyczny. Pomiędzy liniami nasycenia płyn jest dwufazowy, a temperatura jest funkcją ciśnienia, jak wskazują izotermy na wykresie entalpii ciśnienia. W tym obszarze temperatura i ciśnienie nie mogą zmieniać się niezależnie od siebie, więc każda wartość ciśnienia określa temperaturę. Dlatego temperaturę mieszaniny dwufazowej można regulować, zmieniając ciśnienie. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się cyklowi sprężania pary. Dla celów ilustracyjnych załóżmy, że R-134a jest czynnikiem chłodniczym, a masowe natężenie przepływu wynosi 0,01 kilograma na sekundę. Cykl składa się z czterech etapów: sprężania, kondensacji, rozprężania i parowania. Każdy z nich opisuje przejście między kluczowymi punktami utrzymania czynnika chłodniczego. Podczas sprężania para o niskim ciśnieniu dostaje się do sprężarki, a wkład roboczy do sprężarki jest wykorzystywany do zwiększania ciśnienia czynnika chłodniczego. Po opuszczeniu sprężarki para pod wysokim ciśnieniem przechodzi do skraplacza, tutaj ciepło jest odprowadzane do otaczającego gorącego zbiornika, gdy czynnik chłodniczy skrapla się izobarycznie. Czynnik chłodniczy pod wysokim ciśnieniem znajduje się teraz w fazie ciekłej, a następnie przepływa przez dławiące urządzenie rozprężne. Ciecz rozszerza się izentropowo podczas przechodzenia, a gdy jej ciśnienie spada, przechodzi w stan dwufazowy i spada do niższej temperatury. W ostatnim etapie niskotemperaturowy czynnik chłodniczy dostaje się do parownika i pochłania ciepło z zimnego zbiornika. Powoduje to parowanie izobaryczne podczas przepływu czynnika chłodniczego. Cykl jest zakończony, gdy para czynnika chłodniczego pod niskim ciśnieniem powróci do sprężarki. W tym przykładzie wydajność chłodnicza parownika wynosi 1,67 kilowata, a wejście pracy sprężarki wynosi 0,31 kilowata, więc współczynnik wydajności, czyli sprawność systemu, wynosi 5,4. Teraz, gdy już wiesz, jak działa ten cykl, zbudujmy i przeanalizujmy prostą lodówkę, aby pokazać te zasady w działaniu.

Uwaga, ten eksperyment obejmuje systemy o podwyższonym ciśnieniu i użyciu czynników chłodniczych, które mogą być niebezpieczne w wysokich stężeniach. Zawsze przestrzegaj rozsądnych środków ostrożności i noś odpowiednie środki ochrony osobistej. Zapewnić odpowiednią wentylację podczas pracy z czynnikami chłodniczymi. Rozpocznij budowę systemu lodówki ze sprężarką pary. Zainstaluj zawór Schradera na jednym porcie siłownika pneumatycznego dwustronnego działania, a następnie podłącz trójnik łącznika rurowego do drugiego portu. Zamocuj zawory zwrotne na dwóch pozostałych portach trójnika, tak aby jeden był skierowany do wewnątrz, a drugi na zewnątrz. Taka konfiguracja pozwoli na zasysanie czynnika chłodniczego z parownika i odprowadzanie go do skraplacza pod wysokim ciśnieniem. Sprężarka będzie uruchamiana przez zmodyfikowaną wysokociśnieniową pompkę podłogową do roweru. Wyjmij element zaworu zwrotnego z gumowej koraliki z instalacji wodociągowej pompy rowerowej. Umożliwi to sprężarce rozszerzanie się i zasysanie czynnika chłodniczego pomiędzy suwami pompowania. Zamontuj trójniki złączek rurowych z manometrami po obu stronach sprężarki, aby można było monitorować ciśnienie przed i za sprężarką. Trójniki są połączone za pomocą zaworów zwrotnych, które umożliwiają przepływ tylko w jednym kierunku. Gdy tłok jest wysunięty, lewy zawór zwrotny umożliwia dopływ z parownika niskiego ciśnienia do objętości sprężarki. Gdy tłok jest wciśnięty, para jest pod ciśnieniem i przetłaczana przez prawy zawór zwrotny do skraplacza wysokociśnieniowego. Poprzez cykliczne obracanie tłoka, ciągły strumień pary pod niskim ciśnieniem może być pobierany z parownika i dostarczany do skraplacza pod wysokim ciśnieniem. Kolejnym etapem systemu jest skraplacz, który skonstruujemy z odcinka aluminiowej rurki. Uformuj rurkę w cewkę, owijając ją wokół sztywnego gumowego rdzenia o średnicy 2,5 centymetra na cztery zwoje, a następnie użyj złączki zaciskowej, aby przymocować jeden koniec do otwartego portu trójnika, za sprężarką. Upewnij się, że instalujesz i dokręcasz złączki zgodnie z wytycznymi producenta. Następnie zainstaluj krótki odcinek przezroczystej rury PVC między dwoma kolankami rury redukcyjnej. Będzie on działał jako zbiornik na czynnik chłodniczy pod wysokim ciśnieniem, połączony z wylotem rurki skraplacza za pomocą innej złączki zaciskowej. Kolejnym etapem jest ekspander, ale jest to również wygodne miejsce do dodania portu ładowania do napełniania i spuszczania czynnika chłodniczego. Zbuduj port ładowania, łącząc złączkę kielichową A.N.S.A.E. z zaworem kulowym i innym trójnikiem rurowym. Podłącz zawór iglicowy po jednej stronie trójnika rurowego dla urządzenia rozprężnego. Na koniec użyj innego odcinka aluminiowej rurki, aby połączyć trzeci port trójnika rurowego z dolnym punktem zbiornika. Jedyną pozostałą sekcją jest parownik. Uformuj drugą cewkę z aluminiowej rurki przy użyciu tej samej techniki, co poprzednio, i podłącz ją między wylotem zaworu iglicowego a wlotem sprężarki, aby zakończyć pętlę chłodniczą. Teraz, gdy system jest zmontowany, napełnij go sprężonym powietrzem przez port ładowania, aby sprawdzić, czy nie ma wycieków. Użyj sprayu z mydłem, aby zidentyfikować wszelkie nieszczelne połączenia i w razie potrzeby dokonać naprawy. Na koniec podłącz termopary do wężownic skraplacza i parownika w celu pomiaru temperatury. Jesteś teraz gotowy do ładowania i obsługi lodówki.

Ładowanie jest procesem dwuetapowym. Powietrze jest najpierw usuwane z układu, a następnie dodawany jest czynnik chłodniczy. Podłącz środkowy port kolektora ładowania czynnika chłodniczego do portu ładowania w lodówce. Następnie podłącz pompę próżniową do portu niskiego ciśnienia kolektora, a puszkę z czynnikiem chłodniczym do portu wysokiego ciśnienia. Zamknij wszystkie zawory, a następnie włącz pompę próżniową. Stopniowo otwieraj wszystkie zawory systemu, aby usunąć powietrze z systemu. Po usunięciu powietrza z układu należy na krótko otworzyć zawór kanistra czynnika chłodniczego, aby usunąć powietrze z przewodu czynnika chłodniczego, a następnie ponownie go zamknąć. Teraz, gdy całe powietrze zostało usunięte, odizoluj pompę próżniową, zamykając port niskiego ciśnienia na kolektorze napełniania czynnikiem chłodniczym. Odwróć kanister czynnika chłodniczego i wstrzyknij ciekły czynnik chłodniczy do układu, aż poziom w zbiorniku wysokiego ciśnienia będzie nieco wyższy od poziomu zaworu iglicowego. Ostatnim krokiem jest wyregulowanie zaworu iglicowego tak, aby był ledwo otwarty, a następnie podłączenie węża pompy rowerowej do zaworu Schradera na kompresorze. Obsługuj lodówkę, pompując pompkę rowerową, tak jak to robisz, śledź wysokie i niskie ciśnienie po stronie, a także temperaturę parownika i skraplacza. Po osiągnięciu warunków stanu ustalonego zapisz te wartości ciśnienia i temperatury. Jeśli manometry wskazują ciśnienie manometryczne, czyli ciśnienie w stosunku do atmosfery, przelicz odczyty na ciśnienie bezwzględne, dodając jedną atmosferę do odczytu.

Spójrz na wyniki wydajności swojej lodówki. Najpierw porównaj zmierzone temperatury z odpowiadającymi im temperaturami nasycenia czynnika chłodniczego przy mierzonym niskim i wysokim ciśnieniu. W tym przypadku pomiary są ściśle zgodne. Rozbieżność temperatury parownika może wynikać z przenoszenia ciepła z powietrza otoczenia na zewnątrz termopary. Temperatura skraplacza mieści się w granicach tolerancji eksperymentalnej, ale może się również wydawać cieplejsza niż oczekiwano, jeśli termopara zostanie umieszczona zbyt blisko przegrzanej części skraplacza. Zakończ analizę, wskazując punkty stanu i przybliżone krzywe łączące na wykresach entropii temperatury i entalpii ciśnienia. Widać, że prosty system zapewnia ograniczoną wydajność przy niskiej wydajności chłodzenia i niskim udźwigu w porównaniu z systemami komercyjnymi. Ponieważ większość pracy wejściowej jest zużywana na sprężanie powietrza w pompie rowerowej, wydajność można poprawić dzięki czynnikowi chłodniczemu pod niższym ciśnieniem. Dodatkowo korzystne byłoby zastosowanie zaworu rozprężnego, który może utrzymać większą różnicę ciśnień. Większość komercyjnych systemów wykorzystuje zawór rozprężny z kontrolowaną temperaturą, który dynamicznie dostosowuje swoje otwarcie, aby utrzymać żądaną temperaturę parownika. Teraz, gdy przeanalizowaliśmy podstawowy proces, przyjrzyjmy się innym typowym zastosowaniom.

Cykl sprężania pary jest dominującą technologią chłodniczą stosowaną w wielu popularnych urządzeniach. Zarządzanie ciepłem w elektronice staje się coraz ważniejsze, ponieważ rozmiar komponentów stale się zmniejsza, a wymagania dotyczące mocy i szybkości wzrosły. Chłodzenie superkomputerów i innych urządzeń elektronicznych o dużej mocy za pomocą cyklu sprężania pary ma wiele zalet w porównaniu z innymi technologiami. Cykl sprężania pary może być również stosowany jako pompa ciepła. W tym trybie ciepło jest pozyskiwane w parowniku z otoczenia o niskiej temperaturze, a następnie dostarczane do cieplejszej, klimatyzowanej przestrzeni. Może to być wydajny tryb ogrzewania w porównaniu z bezpośrednim ogrzewaniem oporowym, ponieważ większość dostarczanego ciepła jest pobierana z otoczenia, a tylko niewielka część jest dostarczana do sprężarki w ramach pracy mechanicznej.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do chłodnictwa i kopuły parowej. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób cykl sprężania pary jest realizowany w układach chłodniczych i jak analizować wydajność za pomocą wykresów entropii temperatury i entalpii ciśnienia. Dzięki za oglądanie.