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Introdução à Refrigeração

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Introduction to Refrigeration

3.6: Hydraulic Jumps

3.11: Visualization of Flow Past a Bluff Body

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12:09 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Alexander S Rattner e Christopher J Greer; Departamento de Engenharia Mecânica e Nuclear, Universidade Estadual da Pensilvânia, Parque Universitário, PA

Este experimento demonstra os princípios da refrigeração de compressão de vapor. O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia dominante de refrigeração, encontrada na maioria dos refrigeradores, freezers, sistemas de ar condicionado e bombas de calor. Neste ciclo, o resfriamento (aquisição de calor) é alcançado com evaporação de baixa pressão do refrigerante. A energia térmica absorvida na evaporação é rejeitada ao ambiente através de condensação refrigerante de alta pressão. O trabalho mecânico é aplicado no compressor para elevar o fluido de trabalho de baixa a alta pressão.

Embora a tecnologia de refrigeração seja onipresente, a ocultação de embalagens e o funcionamento autônomo da maioria dos frigoríficos dificulta a apreciação dos princípios operacionais e da função dos componentes-chave. Neste experimento, é construído um refrigerador de compressão de vapor rudimentar. O compressor é acionado manualmente com uma bomba de bicicleta, permitindo a apreciação intuitiva da operação do ciclo à medida que o experimentador se torna parte do sistema. Pressões e temperaturas componentes resultantes podem ser interpretados em termos dos diagramas termodinâmicos T–s e P–h, que capturam a variação das propriedades do fluido dos estados líquido-vapor (durante a evaporação e condensação).

Principles

O ciclo de compressão de vapor é composto por quatro componentes principais: o compressor de vapor, condensador (rejeição de calor de alta temperatura), dispositivo de expansão e evaporador (aquisição de calor de baixa temperatura) (Fig. 1). O ciclo pode ser descrito com quatro pontos-chave do estado.

• 1 → 2: Refrigerante de vapor de baixa pressão flui para dentro do compressor e é comprimido para a pressão lateral.

• 2 → 3: O vapor refrigerante pressurizado condensa-se à fase líquida isobaricamente (pressão constante), rejeitando o calor ao ambiente.

• 3 → 4: Refrigerante líquido flui através do dispositivo de expansão do estrangulamento isenthalpicamente (entalpia constante), piscando para um estado de duas fases à medida que sua pressão cai. Isso reduz a temperatura do refrigerante à temperatura de saturação à pressão baixa.

• 4 → 1: Refrigerante de baixa temperatura recebe calor do entorno e continua evaporando à medida que flui pelo evaporador isobaricamente.

As transições entre esses pontos de estado podem ser mapeadas em diagramas termodinâmicos. Nestes diagramas de entropia de temperatura(T–s, Fig. 2a) e pressão-entalpia(P–h, Fig. 2b), o lado esquerdo da cúpula representa a fase líquida e o lado direito representa a fase de vapor. Dentro da cúpula de vapor, o fluido é em duas fases e a temperatura é uma função de pressão. A transferência de energia para ou do sistema em cada etapa do processo pode ser avaliada pela mudança na entalpia multiplicada pela taxa de fluxo de massa refrigerante (mudança positiva: aquisição de energia, negativa: rejeição térmica ao ambiente). Considere um sistema de ar condicionado representativo utilizando refrigerante R-134a a uma taxa de fluxo de = 0,01 kg s^-1 com os seguintes valores de ponto de estado (Tabela 1).

Tabela 1 – Pontos de estado do ciclo de refrigeração representativo

Ponto	Pressão (P, kPa)	Temperatura (T, °C)	Entalpia (h, kJ kg^-1)	Entropia (s, kJ kg^-1 K^-1)	Qualidade (Q)
1	402.2	17.0	263.0	0.953	1
2	815.9	57.1	293.6	1.000	1
3	815.9	32.0	96.5	0.357	0
4	402.2	9.1	96.5	0.363	0.169

Aqui, a capacidade de resfriamento no evaporador é avaliada como = 1,67 kW. A entrada de trabalho do compressor é = 0,31 kW. A eficiência do sistema, ou coeficiente de desempenho (COP), é = 5,4.

Figura 1: Esquema do ciclo de refrigeração da compressão de vapor

Figura 2: T–s (a) e P–h (b) diagramas para o ciclo representativo de compressão de vapor R-134a com pontos estaduais listados na Tabela 1.

Procedure

Atenção: Este experimento envolve sistemas com pressões elevadas e uso de refrigerantes, que podem ser tóxicos em altas concentrações. Certifique-se de que as precauções de segurança razoáveis sejam seguidas e que os EPI apropriados sejam usados. Certifique-se de ventilação adequada ao trabalhar com refrigerantes.

1. Fabricação do sistema de refrigeração (ver diagrama e fotografia, Fig. 3)

Construa o compressor de vapor conectando primeiro uma porta de um cilindro pneumático de ação dupla a um tee de encaixe do tubo. Instale uma válvula Schraeder na outra porta do cilindro pneumático. Instale válvulas unidirecional (verificação) nas duas outras portas do tee, uma apontando para dentro e outra apontando para fora. Isso permite que o refrigerante seja retirado do evaporador e expelido para o condensador em alta pressão.
Usando mais duas tees de encaixe do tubo, instale mordaças de pressão rio acima e rio abaixo do compressor.
Uma bomba de piso de bicicleta de alta pressão é usada para acionar o compressor. Remova a conta de borracha (componente da válvula de verificação) do encanamento da bomba de bicicleta. Isso permitirá que o compressor se expanda e desenhe em refrigerante entre os traçados de bombeamento. Conecte a mangueira da bomba de bicicleta à válvula Schraeder no compressor.
Forme uma fina bobina de tubulação de alumínio (3,2 mm de diâmetro externo) para atuar como condensador. No sistema protótipo (Fig. 3), a bobina foi formada por envoltório helicoidal da tubulação de alumínio em torno de um núcleo de tubo de borracha rígido de 2,5 cm de diâmetro para quatro voltas (~50 cm de comprimento total). O comprimento da bobina do condensador não é crítico para este experimento em pequena escala.
Conecte uma extremidade da bobina do condensador à porta aberta do encaixe do tubo a jusante da gagem de pressão usando um encaixe de compressão (McMaster Inc.part #5272K291 sugerido).
Instale um tubo de PVC curto e claro em dois cotovelos de tubulação redutor. Este componente funcionará como o reservatório refrigerante de alta pressão. Conecte o reservatório à saída da tubulação do condensador.
Instale uma válvula de esfera em uma camiseta de tubo com um conector de encaixe de sinalização AN/SAE. Esta será a porta de carregamento. Conecte um medidor de fluxo de agulha a um lado da do tubo. Este será o dispositivo de expansão. Usando o tubo de alumínio estreito, conecte a outra porta do tubo ao ponto baixo do reservatório refrigerante.
Forme uma segunda bobina de tubulação de alumínio para agir como o evaporador. Conecte-o entre a saída da válvula da agulha e a entrada do compressor.
Encha o sistema com ar comprimido (550 kPa se disponível) através da porta de carregamento. Use um spray de água com sabão para identificar quaisquer vazamentos de encanamento e faça reparos conforme necessário.
Conecte os termoparles ao condensador e às bobinas do evaporador para medição da temperatura.

Figura 3: a. Diagrama de componentes e conexões em sistema experimental de refrigeração de compressão de vapor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: T – s (a) e P – h (b) diagramas para o ciclo experimental de refrigeração de compressão de vapor R-134a.

2. Carregar o sistema de refrigeração

Conecte a porta média de um coletor de carregamento refrigerante à porta de carregamento da geladeira. Conecte uma bomba de vácuo à porta de baixa pressão do coletor e uma lata de refrigerante à porta de alta pressão. R134a é o refrigerante mais disponível, e é usado aqui. R1234ze(E) pode ser uma opção melhor porque sua baixa pressão de saturação permitiria uma operação mais fácil do compressor, e seu baixo GWP reduziria os impactos ambientais de quaisquer vazamentos.
Execute a bomba de vácuo e abra gradualmente todas as válvulas do sistema para remover todo o ar. Abra brevemente a válvula do recipiente de refrigeração para limpar qualquer ar do conjunto.
Uma vez alcançado o vácuo, isole a bomba de vácuo e feche a porta de baixa pressão no coletor de carregamento refrigerante. Inverta o recipiente de refrigerante e injete refrigerante líquido no sistema até que o nível no reservatório de alta pressão esteja ligeiramente acima do nível da válvula da agulha.

3. Operação

Ajuste a válvula da agulha até que ela mal esteja aberta.
Opere a geladeira bombeando a bomba de bicicleta conectada ao cilindro pneumático do compressor.
Acompanhe as pressões altas e baixas laterais e as temperaturas do evaporador e do condensador até que as condições de estado estáveis sejam atingidas. Registos e valores de temperatura. Note que a maioria dos medidores de pressão relatam pressão de mordia. Isso pode ser convertido em pressão absoluta adicionando aproximadamente 101 kPa.
Indicar os pontos de estado (1-4) e curvas de conexão aproximadas em diagramas T–s e P–h (Fig. 4).

Os sistemas de refrigeração são onipresentes, e eles têm um enorme impacto no nosso dia a dia. Toda vez que você armazena alimentos na geladeira ou freezer, ou liga o ar condicionado, você está colocando sistemas de refrigeração para usar. Fundamentalmente, a tarefa desses sistemas é remover o calor de um reservatório frio e depositá-lo em um reservatório quente, contra a direção natural do fluxo de calor. A tecnologia dominante empregada para isso é o ciclo de compressão de vapor. Este vídeo ilustrará como funciona o ciclo de compressão de vapor e, em seguida, demonstrará como ele é usado em um simples sistema de refrigeração bombeado à mão. No final, discutirá algumas aplicações adicionais.

O ciclo de compressão de vapor é um ciclo termodinâmico realizado em um fluido de trabalho, ou refrigerante, de tal forma que o calor fluirá para o refrigerante do reservatório frio e do refrigerante para o reservatório quente. Isso requer circulação mecânica do refrigerante, bem como transições coordenadas de seu estado termodinâmico. O ciclo aproveita a cúpula de vapor, uma região do espaço de fase refrigerante que pode ser visto na entropia de temperatura e diagramas de pressão. Nestes diagramas, a região esquerda indica fase líquida, que é parcialmente delimitada pela linha líquida saturada, e a região direita indica fase de vapor, que é igualmente delimitada pela linha de vapor saturada. As linhas de saturação se encontram no ponto crítico, acima do qual o fluido é super crítico. Entre as linhas de saturação, o fluido é de duas fases e a temperatura é uma função de pressão, como indicado pelos isotherms no diagrama de pressão. Nesta região, a temperatura e a pressão não podem ser variadas independentes umas das outras, de modo que cada valor de pressão especifica uma temperatura. Portanto, a temperatura de uma mistura de duas fases pode ser ajustada alterando a pressão. Com isso em mente, vamos examinar o ciclo de compressão de vapor. Para fins de ilustração, suponha que R-134a seja o refrigerante e uma taxa de fluxo de massa de 0,01 kg por segundo. Existem quatro estágios no ciclo: compressão, condensação, expansão e evaporação. Cada um descreve uma transição entre os pontos-chave do refrigerante. Durante a compressão, o vapor de baixa pressão entra no compressor e a entrada de trabalho para o compressor é usada para pressurizar o refrigerante. Depois de deixar o compressor, o vapor de alta pressão passa para o condensador, aqui, o calor é rejeitado para o reservatório quente circundante como o refrigerante condensa isobaricamente. O refrigerante de alta pressão agora em fase líquida, então flui através de um dispositivo de expansão de estrangulamento. O líquido expande isentropicamente ao passar, e à medida que sua pressão cai, pisca para um estado de duas fases, e cai a uma temperatura mais baixa. No último estágio, o refrigerante de baixa temperatura entra no evaporador e absorve calor do reservatório frio. Isso impulsiona a evaporação isobárica à medida que o refrigerante flui. O ciclo é concluído quando o vapor refrigerante de baixa pressão retorna ao compressor. Neste exemplo, a capacidade de resfriamento do evaporador é de 1,67 quilowatts, e o insumo de trabalho do compressor é de 0,31 quilowatts, portanto o coeficiente de desempenho, ou eficiência do sistema, é de 5,4. Agora que você entende como funciona o ciclo, vamos construir e analisar uma geladeira simples para mostrar esses diretores em ação.

Cuidado, este experimento envolve sistemas a pressões elevadas e o uso de refrigerantes, que podem ser perigosos em altas concentrações. Siga sempre as precauções razoáveis de segurança e use equipamentos de proteção individual adequados. Certifique-se de ventilação adequada ao trabalhar com refrigerantes. Comece a construção do sistema de geladeira com o compressor de vapor. Instale uma válvula Schrader em uma porta de um cilindro pneumático de ação dupla e, em seguida, conecte uma camiseta de encaixe do tubo à outra porta. Anexar válvulas de verificação nas duas portas restantes do tee, de modo que uma aponta para dentro e a outra aponta para fora. Esta configuração permitirá que o refrigerante seja retirado do evaporador e expelido para o condensador em alta pressão. O compressor será acionado por uma bomba modificada de piso de bicicleta de alta pressão. Remova o componente da válvula de verificação de contas de borracha do encanamento da bomba de bicicleta. Isso permitirá que o compressor se expanda e desenhe em refrigerante entre os traçados de bombeamento. Instale tees de encaixe do tubo com medidores de pressão em ambos os lados do compressor, para que a pressão a montante e a correnteza possam ser monitoradas. Os encaixes do tee são conectados através de válvulas de verificação, que só permitem o fluxo em uma direção. Quando o pistão é estendido, a válvula de verificação esquerda permite a entrada do evaporador de baixa pressão para o volume do compressor. Quando o pistão está deprimido, o vapor é pressurizado e forçado através da válvula de verificação direita para o condensador de alta pressão. Ao pedalar o pistão, um fluxo contínuo de vapor de baixa pressão pode ser extraído do evaporador e entregue ao condensador em alta pressão. A próxima etapa do sistema é o condensador, que construiremos a partir de um comprimento de tubo de alumínio. Forme a tubulação em uma bobina, envolvendo-a em torno de um núcleo de borracha rígido de 2,5 centímetros de diâmetro para quatro voltas e, em seguida, use um encaixe de compressão para anexar uma extremidade à porta aberta do tee, rio abaixo do compressor. Certifique-se de instalar e apertar os encaixes nas diretrizes do fabricante. Em seguida, instale um curto comprimento de tubo de PVC claro entre dois cotovelos de tubulação redutor. Este funcionará como o reservatório para o refrigerante de alta pressão, conectado à saída do tubo condensador com outro encaixe de compressão. A próxima etapa é o expansão, mas este também é um lugar conveniente para adicionar uma porta de carregamento para enchimento e drenagem de refrigerante. Construa a porta de carregamento combinando um conector de encaixe de sinalização A.N.S.A.E. com uma válvula de esfera e outra tacada de tubo. Conecte uma válvula de agulha a um lado do tubo para o dispositivo de expansão. Por fim, utilize outra seção de tubos de alumínio para conectar a terceira porta do tubo ao ponto baixo do reservatório. A única seção restante é o evaporador. Forme uma segunda bobina de tubo de alumínio usando a mesma técnica de antes, e conecte-a entre a saída da válvula da agulha e a entrada do compressor, para completar o laço de refrigeração. Agora que o sistema está montado, preencha-o com ar comprimido através da porta de carregamento para testar quaisquer vazamentos. Use um spray de água com sabão para identificar quaisquer conexões com vazamentos e fazer reparos conforme necessário. Por fim, conecte os termoparles às bobinas condensadoras e evaporadoras para medição da temperatura. Você está pronto para carregar e operar a geladeira.

O carregamento é um processo de duas etapas. O ar é primeiro evacuado do sistema e, em seguida, refrigerante é adicionado. Conecte a porta média de um coletor de carregamento refrigerante, à porta de carregamento da geladeira. Em seguida, conecte uma bomba de vácuo à porta de baixa pressão do coletor e uma lata de refrigerante à porta de alta pressão. Feche todas as válvulas e ligue a bomba de vácuo. Abra gradualmente todas as válvulas do sistema para evacuar o ar do sistema. Depois que o ar for evacuado do sistema, abra brevemente a válvula do recipiente de refrigerante para limpar qualquer ar da linha refrigerante e, em seguida, fechá-lo novamente. Agora que todo o ar foi evacuado, isole a bomba de vácuo fechando a porta de baixa pressão no coletor de carregamento refrigerante. Inverta o recipiente de refrigerante e injete refrigerante líquido no sistema até que o nível no reservatório de alta pressão esteja ligeiramente acima do nível da válvula da agulha. O último passo é ajustar a válvula da agulha até que ela mal esteja aberta e, em seguida, conectar a mangueira da bomba de bicicleta à válvula Schrader no compressor. Opere a geladeira bombeando a bomba de bicicleta, como você faz, rastreie as pressões laterais altas e baixas, bem como as temperaturas do evaporador e do condensador. Quando as condições de estado estáveis são atingidas, registo essas pressões e valores de temperatura. Se os medidores relatarem pressão de medidor, que é pressão relativa à atmosfera, então converta as leituras em pressão absoluta adicionando uma atmosfera à leitura.

Dê uma olhada nos resultados de desempenho da sua geladeira. Primeiro, compare as temperaturas medidas com as temperaturas correspondentes de saturação do refrigerante nas baixas e altas pressões medidas. Neste caso, as medidas batem de perto. A discrepância da temperatura do evaporador pode ser devido à transferência de calor do ar ambiente para o exterior do termopar. A temperatura do condensador corresponde à tolerância experimental, mas isso também pode parecer mais quente do que o esperado se o termopar for colocado muito perto da porção super aquecida do condensador. Termine a análise indicando os pontos do estado e curvas de conexão aproximadas na entropia de temperatura e diagramas de entalpia de pressão. Você pode ver que o sistema simples produz desempenho limitado com baixa capacidade de resfriamento e baixo elevador, em comparação com sistemas comerciais. Como grande parte do trabalho de entrada é de ar comprimido gasto na bomba de bicicleta, o desempenho poderia ser melhorado com um refrigerante de menor pressão. Além disso, usar uma válvula de expansão que possa manter uma diferença de pressão maior seria benéfico. A maioria dos sistemas comerciais emprega uma válvula de expansão controlada por temperatura, que ajusta dinamicamente sua abertura para manter a temperatura desejada do evaporador. Agora que analisamos o processo básico, vamos olhar para algumas outras aplicações típicas.

O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia dominante de refrigeração usada em muitos dispositivos de lugar comum. A termomanagem para eletrônicos tornou-se cada vez mais importante à medida que o tamanho dos componentes diminuiu constantemente, enquanto as demandas por energia e velocidade têm crescido. Resfriamento de super computadores e outros eletrônicos de alta potência usando o ciclo de compressão de vapor, tem muitas vantagens em relação a outras tecnologias. O ciclo de compressão de vapor também pode ser usado como uma bomba de calor. Neste modo, o calor é adquirido no evaporador a partir de ambientes de baixa temperatura e, em seguida, entregue a um espaço mais quente condicionado. Este pode ser um modo eficiente de aquecimento em comparação com o aquecimento de resistência direta, pois a maior parte do calor entregue é extraído do ambiente, e apenas uma pequena porção é fornecida ao compressor como trabalho mecânico.

Você acabou de assistir a introdução de Jove à refrigeração e à cúpula de vapor. Agora você deve entender como o ciclo de compressão de vapor é implementado em sistemas de refrigeração e como analisar o desempenho usando entropia de temperatura e diagramas de entalpia de pressão. Obrigado por assistir.

Results

P_alto	659 ± 7 kPa
P_baixo	569 ± 7 kPa
Ambiente_T	22,0 ± 1°C
T_cond	25,0 ± 1°C	T_sáb,R-134a(P_alto)	24,7 ± 0,3 °C
T_evap	21,1 ± 1°C	T_sáb,R-134a(P_baixo)	19,8 ± 0,4 °C

Mesa 2. Sistema de refrigeração mediu propriedades.

As temperaturas da superfície externa do condensador medido e do evaporador estão relativamente próximas das temperaturas de saturação em P_alta e P_baixas. A temperatura do evaporador é ligeiramente maior do que T_sat,R-134a(P_baixa),possivelmente devido à transferência de calor do ar ambiente para o termopar exterior. A temperatura do condensador é ligeiramente maior do que T_sat,R-134a(P_baixo),mas dentro da incerteza experimental. Esta temperatura também pode ser medida na porção mais quente super-aquecida do condensador.

Os diagramas de ciclo T–s e P–h aproximados para este sistema são apresentados na Fig. 4.

Applications and Summary

Este experimento demonstrou os princípios da refrigeração de compressão de vapor. É certo que o sistema experimental produz desempenho limitado – com baixa capacidade de resfriamento_(evapQ) e baixo elevador (diferença de temperatura evaporador-ambiente). No entanto, oferece uma introdução intuitiva ao design e à física da compressão de vapor. As etapas de análise de dados demonstram o uso de diagramas T–s e P–h para descrever a operação do ciclo termodinâmico.

Grande parte do trabalho de entrada é gasta na compressão de ar na bomba de bicicleta. O uso de um refrigerante de pressão mais baixa (por exemplo,R1234ze(E)) reduziria este trabalho e poderia permitir maiores diferenças de temperatura evaporador-condensador. Além disso, a válvula de expansão empregada aqui só poderia manter diferenças relativamente pequenas de pressão lateral baixa a alta. Uma válvula alternativa com controle de ajuste mais fino pode ser preferível. Na maioria dos sistemas comerciais de refrigeração, é utilizada uma válvula de expansão controlada por temperatura (TXV), que ajusta dinamicamente sua abertura para manter a temperatura desejada do evaporador.

O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia de refrigeração mais utilizada. É encontrado em quase todos os condicionadores de ar domésticos e geladeiras, bem como refrigeradores e freezers em escala industrial. O ciclo também pode ser usado como uma bomba de calor. Neste modo, ele adquire calor no evaporador a partir do ambiente de baixa temperatura, e o entrega a um espaço condicionado mais quente. Este pode ser um modo eficiente de aquecimento em comparação com o aquecimento de resistência direta, pois a maior parte do calor entregue é extraído do ambiente e apenas uma pequena porção é fornecida ao compressor como trabalho mecânico.

Este experimento também demonstra o uso de diagramas termodinâmicos T–s e P–h. Estas são ferramentas críticas para análise e engenharia de inúmeros sistemas de energia, incluindo operações de processamento químico, ciclos de refrigeração e geração de energia.

Transcript

Refrigeration systems are ubiquitous, and they have an enormous impact on our day to day lives. Any time you store food in the refrigerator or freezer, or turn on the air conditioner, you are putting refrigeration systems to use. Fundamentally, the task of these systems is to remove heat from a cold reservoir and deposit it in a warm reservoir, against the natural direction of heat flow. The dominant technology employed to achieve this is the vapor compression cycle. This video will illustrate how the vapor compression cycle works, and then demonstrate how it is used in a simple hand pumped refrigeration system. At the end, it will discuss a few additional applications.

The vapor compression cycle is a thermodynamic cycle performed on a working fluid, or refrigerant, such that heat will flow into the refrigerant from the cold reservoir and out of the refrigerant to the hot reservoir. This requires mechanical circulation of the refrigerant as well as coordinated transitions of its thermodynamic state. The cycle takes advantage of the vapor dome, a region of the refrigerant phase space that can be seen in the temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. In these diagrams, the left region indicates liquid phase, which is partially bounded by the saturated liquid line, and the right region indicates vapor phase, which is similarly bounded by the saturated vapor line. The saturation lines meet at the critical point, above which the fluid is super critical. Between the saturation lines, the fluid is two phase and temperature is a function of pressure as indicated by the isotherms on the pressure enthalpy diagram. In this region, temperature and pressure cannot be varied independent of each other, so each value of pressure specifies a temperature. Therefore, the temperature of a two phase mixture can be adjusted by changing the pressure. With this in mind, let’s examine the vapor compression cycle. For illustration purposes, assume R-134a is the refrigerant and a mass flow rate of 0.01 kilograms per second. There are four stages in the cycle: compression, condensation, expansion, and evaporation. Each describes a transition between key stay points of the refrigerant. During compression, low pressure vapor enters the compressor and work input to the compressor is used to pressurize the refrigerant. After leaving the compressor, the high pressure vapor passes to the condenser, here, heat is rejected to the surrounding hot reservoir as the refrigerant condenses isobarically. The high pressure refrigerant now in liquid phase, then flows through a throttling expansion device. The liquid expands isentropically when passing through, and as it’s pressure drops, flashes to a two phase state, and drops to a lower temperature. In the last stage, the low temperature refrigerant enters the evaporator and absorbs heat from the cold reservoir. This drives isobaric evaporation as the refrigerant flows through. The cycle is completed when the low pressure refrigerant vapor returns to the compressor. In this example, the cooling capacity of the evaporator is 1.67 kilowatts, and the compressor work input is 0.31 kilowatts, thus the coefficient of performance, or system efficiency, is 5.4. Now that you understand how the cycle works, let’s build and analyze a simple refrigerator to show these principals in action.

Caution, this experiment involves systems at elevated pressures and the use of refrigerants, which can be hazardous at high concentrations. Always follow reasonable safety precautions and wear appropriate personal protective equipment. Ensure adequate ventilation when working with refrigerants. Begin construction of the refrigerator system with the vapor compressor. Install a Schrader valve on one port of a double action pneumatic cylinder, and then connect a pipe fitting tee to the other port. Attach check valves on the two remaining ports of the tee, so that one points inward and the other points outward. This configuration will allow refrigerant to be drawn in from the evaporator and expelled to the condenser at high pressure. The compressor will be actuated by a modified high pressure bicycle floor pump. Remove the rubber bead check valve component from the bicycle pump plumbing. This will allow the compressor to expand and draw in refrigerant in between pumping strokes. Install pipe fitting tees with pressure gauges on both sides of the compressor, so that the upstream and downstream pressure can be monitored. The tee fittings are connected through check valves, which only allow flow in one direction. When the piston is extended, the left check valve allows inflow from the low pressure evaporator to the compressor volume. When the piston is depressed, the vapor is pressurized and forced through the right check valve to the high pressure condenser. By cycling the piston, a continuous stream of low pressure vapor can be drawn from the evaporator and delivered to the condenser at high pressure. The next stage of system is the condenser, which we will construct from a length of aluminum tubing. Form the tubing into a coil, by wrapping it around a 2.5 centimeter diameter rigid rubber core for four turns, and then, use a compression fitting to attach one end to the open port of the tee, downstream of the compressor. Make sure to install and tighten the fittings to manufacturer guidelines. Next install a short length of clear PVC pipe between two reducing pipe elbows. This will act as the reservoir for the high pressure refrigerant, connected to the outlet of the condenser tubing with another compression fitting. The next stage is the expander, but this is also a convenient place to add a charging port for filling and draining refrigerant. Construct the charging port by combining an A.N.S.A.E. flare fitting connector with a ball valve and another pipe tee. Connect a needle valve to one side of the pipe tee for the expansion device. Finally, use another section of aluminum tubing to connect the third port of the pipe tee to the low point of the reservoir. The only remaining section is the evaporator. Form a second coil of aluminum tubing using the same technique as before, and connect it between the needle valve outlet and compressor inlet, to complete the refrigeration loop. Now that the system is assembled, fill it with compressed air through the charging port to test for any leaks. Use a soapy water spray to identify any leaky connections and make repairs as necessary. Finally, connect thermocouples to the condenser and evaporator coils for temperature measurement. You are now ready to charge and operate the refrigerator.

Charging is a two step process. Air is first evacuated from the system and then refrigerant is added. Connect the middle port of a refrigerant charging manifold, to the charging port on the refrigerator. Then connect a vacuum pump to the low pressure port of the manifold, and a can of refrigerant to the high pressure port. Close all of the valves and then turn on the vacuum pump. Gradually open all of the system valves to evacuate air from the system. After the air has been evacuated from the system, briefly open the refrigerant canister valve to clear any air from the refrigerant line, and then close it again. Now that all of the air has been evacuated, isolate the vacuum pump by closing the low pressure port on the refrigerant charging manifold. Invert the refrigerant canister and inject liquid refrigerant into the system until the level in the high pressure reservoir is slightly above the needle valve level. The last step is to adjust the needle valve until it is just barely open, and then connect the bicycle pump hose to the Schrader valve on the compressor. Operate the refrigerator by pumping the bicycle pump, as you do, track the high and low side pressures as well as the evaporator and condenser temperatures. When steady state conditions are reached, record these pressures and temperature values. If the gauges report gauge pressure, that is pressure relative to atmosphere, then convert the readings to absolute pressure by adding one atmosphere to the reading.

Take a look at the performance results for your refrigerator. First, compare the measured temperatures to the corresponding saturation temperatures of the refrigerant at the measured low and high pressures. In this case, the measurements closely match. The discrepancy of the evaporator temperature may be due to heat transfer from the ambient air to the exterior of the thermocouple. The condenser temperature matches to within experimental tolerance, but this could also appear warmer than expected if the thermocouple is placed too close to the super heated portion of the condenser. Finish the analysis by indicating the state points and approximate connecting curves on temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. You can see that the simple system yields limited performance with low cooling capacity and low lift, compared to commercial systems. Since much of the input work is expended compressing air in the bicycle pump, performance could be improved with a lower pressure refrigerant. Additionally, using an expansion valve that can maintain a larger pressure difference would be beneficial. Most commercial systems employ a temperature controlled expansion valve, which dynamically adjusts its opening to maintain a desired evaporator temperature. Now that we’ve analyzed the basic process, lets look at some other typical applications.

The vapor compression cycle is the dominant refrigeration technology used in many common place devices. Thermomanagement for electronics has become increasingly important as the size of components has steadily decreased, while demands for power and speed have grown. Cooling super computers and other high powered electronics using the vapor compression cycle, has many advantages over other technologies. The vapor compression cycle can also be used as a heat pump. In this mode, heat is acquired in the evaporator from low temperature surroundings and then delivered to a warmer conditioned space. This can be an efficient mode of heating compared to direct resistance heating, because most of the delivered heat is drawn from the surroundings, and only a small portion is supplied to the compressor as mechanical work.

You’ve just watched Jove’s introduction to refrigeration and the vapor dome. You should now understand how the vapor compression cycle is implemented in refrigeration systems, and how to analyze performance using temperature entropy and pressure enthalpy diagrams. Thanks for watching.

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