冷凍入門

Mechanical Engineering

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Overview

ソース: アレクサンダー ・ S ・ ラトナーとクリストファー ・ J ・ グリア。機械・原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA 部

この実験は、蒸気圧縮冷凍機の原理を示します。蒸気圧縮サイクルは、ほとんどの冷蔵庫、冷凍庫、空調システム、ヒートポンプは、支配的な冷凍技術です。このサイクルで冷却 (熱取得) は、冷媒の低圧の蒸発によって達成されます。蒸発で吸収される熱エネルギーは高圧冷媒凝縮を通じて周囲に拒否されます。機械的な仕事は、高低圧から作動流体を高めるためにコンプレッサーに適用されます。

冷凍技術は、ユビキタスですが、隠して包装とたいてい冷蔵庫の自律的動作困難動作原理や主要なコンポーネントの機能を理解します。この実験では初歩的な蒸気圧縮冷凍機を構築する.コンプレッサーは、自転車ポンプ、実験者がシステムの一部になるようにサイクル操作の直感的な感謝と手動式です。結果として得られるコンポーネントの圧力と温度 (蒸発液体-気体状態から流体の特性の変化をキャプチャ熱力学TsPh図の観点から解釈できます。・凝縮)。

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JoVE Science Education Database. 機械工学. 冷凍入門. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

蒸気圧縮サイクルは、4 つの主要なコンポーネントで構成されています: 蒸気圧縮機、コンデンサー (高温の熱除去)、拡張デバイスおよび蒸発器 (低温の熱取得) (図 1)。サイクルは、4 つのキーの状態ポイントで記述できます。

• 1 → 2: 低圧冷媒圧縮機に流し込まれ、高面圧に圧縮されています。

• 2 → 3: 高圧冷媒は凝縮液相 isobarically (圧力)、周囲に熱を拒否します。

• 3 → 4: 液体冷媒が流れて調整拡張デバイス isenthalpically (定数エンタルピー)、圧力が下がりますと気液二相状態に点滅します。これは、低側の圧力で飽和温度に冷媒の温度を下げます。

• 4 → 1: 低温冷媒周囲から熱を受け取り、引き続き isobarically 蒸発器を通過する際に蒸発します。

これらの状態のポイント間の遷移は、熱力学的ダイアグラム上マップできます。これらの温度・ エントロピー (Ts図 2 a) と圧力エンタルピー (Ph図 2 b) 図、ドームを表す液相の左側と右側は、気相を表します。蒸気ドーム内流体二相、温度圧力の関数であります。冷媒流量を乗じたエンタルピーの変化によってエネルギー移動またはプロセスの各段階でシステムを評価できる (肯定的な変化: エネルギー集録、負: 周囲に拒絶反応を熱)。担当者が空調システムの流量で R 134 a 冷媒を使用してEquation 1= 0.01 kg s-1以下の状態ポイント値 (表 1)。

表 1 - 代表的な冷凍サイクル状態がポイント

ポイント 圧力
(P, kPa)
温度
(T° C)
エンタルピー
(h、kJ kg-1)
エントロピー
(s、kJ kg-1 K-1)
品質
(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

として、蒸発器の冷却能力を評価するここでは、 Equation 2 = 1.67 kW。コンプレッサー作業入力がEquation 3= 0.31 kW。システムの効率、または性能 (COP) の係数はEquation 45.4 を =。

Figure 1
図 1: 蒸気圧縮冷凍サイクルの模式図

Figure 2
図 2:T-s(a) と P-h (b) 図代表的な R 134 a 蒸気圧縮サイクル状態ポイントを表 1 に示す

Procedure

注意: この実験には、高い圧力と高い濃度で有毒ことができる冷却剤の使用でシステムが含まれます。合理的な安全対策が講じられて適切な PPE を着用することを確認します。冷媒を使用する場合は、十分な換気を確認します。

1. 冷凍システムの作製 (図や写真、図 3 を参照)

  1. パイプ継ぎ手ティーにダブル アクション空気圧シリンダーの最初の接続 1 つのポートによる蒸気圧縮機を構築します。空気圧シリンダーの他のポートにシュリーダー弁をインストールします。ティー、内側を指して 1 つと外向きの 2 つの他のポートに一方向 (弁) をインストールします。これは冷媒蒸発器から描画し、高圧コンデンサーを追放することができます。
  2. 2 つ以上の配管継手の t シャツを使用して、コンプレッサーの下流・上流の圧力ゲージをインストールします。
  3. 高圧自転車フロア ポンプ、コンプレッサーを作動させるために使用されます。自転車ポンプ配管からゴム ビーズ (チェック バルブ コンポーネント) を削除します。コンプレッサーを展開し、冷媒ポンプ ストロークの間の描画ができるようになります。コンプレッサーのシュリーダー バルブに自転車ポンプのホースを接続します。
  4. コンデンサーとして動作する薄い (3.2 mm 外径) アルミ チューブ コイルを形成します。プロトタイプ システム (図 3)、コイルはらせん 2.5 cm 径の硬質ゴム管コアの周り 4 回転 (~ 50 cm 全長) のためのアルミニウム管をラップすることによって形成されました。コンデンサー コイルの長さは、この小規模な実験のため重要ではありません。
  5. フィッティング (マクマスター社パート #5272 提案 K 291) 圧縮を使用して圧力ゲージのパイプの継ぎ手ティーを下流の開いているポートにコンデンサーのコイルの一方の端を接続します。
  6. 2 つの還元パイプ肘に短いクリア塩ビのパイプを取り付けます。このコンポーネントは、高圧冷媒貯蔵庫として機能します。貯水池をコンデンサー チューブのコンセントに接続します。
  7. コネクタをフィッティング AN/SAE フレア パイプ t シャツにボールバルブを取り付けます。これは、充電ポートになります。パイプ t シャツの 1 つの側面に針の流量計を接続します。これは拡張デバイスになります。狭いアルミ チューブを使用すると、冷媒の貯留層の低いポイントにパイプ t シャツの他のポートを接続します。
  8. 蒸発器として使用する 2 つめのアルミニウム チューブ コイルを形成します。ニードル バルブ コンセントと圧縮機入口の間これを接続します。
  9. 圧縮空気 (利用可能な場合は 550 kPa) で充電ポートを介してシステムを入力します。、配管の漏出を識別するために石鹸水スプレーを使用し、必要に応じて修理を行います。
  10. 熱電対を温度測定用凝縮器と蒸発器コイルに接続します。

Figure 3
図 3: a. 図コンポーネントおよび実験蒸気圧縮冷凍システムに接続しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: Ts (a) とPh (b) 図実験 R 134 a の蒸気圧縮式冷凍サイクル

2. 充電冷凍システム

  1. 冷媒冷蔵庫の充電ポートにマニホールドの真ん中のポートに接続します。真空ポンプを接続し、マニホールドの低圧ポート、冷媒高圧ポートにすることができます。R134a は最も一般的な冷媒をここで使用します。R1234ze(E) は、その低飽和圧力は簡単に圧縮機操作を許可するためにその低 GWP は、任意の漏れの環境への影響を減らすことのより良いオプションかもしれません。
  2. 真空ポンプを実行し、すべての空気を削除するすべてのシステムのバルブを徐々 に開きます。簡単にアセンブリからすべての空気をクリアする冷媒容器バルブを開きます。
  3. 一度真空を達成すると、真空ポンプを分離し、冷媒のマニホールドの低圧ポートを閉じます。冷媒容器を反転し、高圧貯留層のレベルは若干上回るニードル弁レベルまでシステムに冷媒に液体を注入します。

3. 操作

  1. かろうじて開いているまでは、ニードル バルブを調整します。
  2. コンプレッサー空気圧シリンダーに接続された自転車ポンプをポンピングして、冷蔵庫を動作します。
  3. 定常状態に達するまでは、ハイサイドとローサイドの圧力と蒸発器と凝縮器の温度を追跡します。これらの圧力と温度の値を記録します。ほとんど圧力計レポート ゲージ圧であることに注意してください。これは、約 101 kPa を追加することによって絶対圧力に変換できます。
  4. 状態ポイント (1-4) を示し、 TsPhダイアグラム (図 4) で曲線を接続する近似。

冷凍システムと、私たちの日々 の生活に大きな影響があります。冷蔵庫や冷凍庫で食品を保存または、エアコンをオンにしたときを使用する冷凍システムを入れています。基本的に、これらのシステムのタスク冷たい貯蔵所から熱を取除くおよび熱流の自然な方向に対しての暖かい貯水池の中に預金することです。これを達成するために支配的な技術は、蒸気圧縮サイクルです。このビデオは蒸気圧縮サイクルのしくみについて説明し、冷凍システムを励起する簡単な手での使用方法のデモンストレーションを行います。最後に、いくつかの追加のアプリケーションについて解説します。

蒸気圧縮サイクルは、冷たい貯蔵所から、熱い貯蔵所に冷媒不足、冷媒に熱が流れますように作動流体を冷媒に対して熱力学的サイクルです。熱力学的状態の冷媒として調整された遷移の機械的循環が必要です。サイクルでは、蒸気ドーム、温度エントロピーで見ることができるし、エンタルピー図を圧冷媒相空間の領域を活用します。図の左の領域は部分的に囲まれた飽和液線、液体段階を表し右領域気相、同様に飽和蒸気線に囲まれています。飽和線は、上に流体が超重要な臨界点で交わる。飽和線間流体、二相し、温度圧力エンタルピー ダイアグラム上の等温線によって示される圧力の関数であります。この地域で温度と圧力変更できない、他の独立したので、圧力の各値は温度を指定します。そのため、二相混合物の温度は、圧力を変更することによって調整できます。これを念頭において、蒸気圧縮サイクルを調べてみましょう。例示のため、R 134 a は 1 秒あたり 0.01 キログラムの質量流量と冷媒と仮定します。サイクルの 4 つの段階がある: 圧縮、凝縮、拡張、および蒸発。各冷媒のキーに宿泊ポイントの間の遷移を記述します。圧縮の間に低圧の蒸気圧縮機に入る、圧縮機に投入する作業は、冷媒を加圧する使用されます。コンプレッサーを出た後、コンデンサー、ここに高圧蒸気を渡します、熱は、冷媒凝縮 isobarically として周囲の熱い貯蔵所に拒否されます。高圧冷媒今液相で、流れる調整拡張デバイス。液体を通過するとき isentropically 拡大し、圧力降下である二相状態が点滅し、温度が低くなるが値下がりしました。最後の段階で低温冷媒は蒸発器に入るし、冷たい貯留層からの熱を吸収します。これは冷媒の流れる定圧蒸発を駆動します。低圧の冷媒を圧縮機に返しますサイクルが完了します。この例では蒸発器の冷却能力は 1.67 キロ ワットとコンプレッサー作業入力 0.31 キロ ワット、したがってパフォーマンス、またはシステムの効率化係数を 5.4 です。今ではサイクルのしくみを理解するみましょう構築し、アクションでこれらのプリンシパルを表示するシンプルな冷蔵庫を分析します。

注意、この実験では、高圧と高濃度で有害なことができる冷却剤の使用でシステムが含まれます。常に合理的な安全上の注意に従ってくださいし、適切な個人用保護具を着用します。冷媒を使用する場合は、十分な換気を確認します。蒸気圧縮機と冷蔵庫システムの建設を開始します。シュレーダー バルブをダブル アクション空気圧シリンダーの 1 つのポートにインストールし、他のポートにパイプ継手ティーを接続します。1 つは内側と外側に他のポイントを指すように、t シャツの 2 つの残りのポートにチェック バルブを取り付けます。この構成は、冷媒を蒸発器から描画し、高圧コンデンサーを追放になります。コンプレッサーは、変更された高圧自転車フロア ポンプによって作動します。自転車ポンプ配管からゴム ビーズ チェック バルブ コンポーネントを削除します。コンプレッサーを展開し、冷媒ポンプ ストロークの間の描画ができるようになります。上流と下流の圧力を監視することができますように圧縮機の両側に圧力計と管継手ティーをインストールします。継手を介して接続している t シャツは、バルブは、流れを一方向にしか許可しないを確認します。ピストンを拡張すると、左のチェック バルブは流入を低圧蒸発器から圧縮機のボリュームにできます。ピストンが押されると、蒸気で加圧されて、高圧コンデンサーを右のチェック バルブを強制します。ピストンでは、低圧蒸気の連続的なストリームを蒸発器から描画および高圧コンデンサーに配信できます。システムの次の段階は、アルミ チューブの長さから構築するコンデンサーです。4 ターンの間 2.5 センチ直径硬質ゴム芯にそれをラップすることによって、コイルにチューブを形成し、圧縮 t シャツ、オープン ポートに 1 つの端を接続する継手を使用して、コンプレッサーの下流。インストールしてメーカー ガイドラインに付属品を強化することを確認します。次クリアの塩ビ管パイプ肘を減らす 2 つの間の短い長さをインストールします。これは高圧冷媒用貯水池として機能別圧縮継手とコンデンサー チューブのコンセントに接続します。次の段階は、パンダが、これも充填・冷媒を排出の充電ポートを追加するのに便利な場所です。ボール弁と別のパイプ ティー コネクタを継手 A.N.S.A.E. フレアを組み合わせることにより充電ポートを作成します。拡張デバイスのパイプ t シャツの 1 つの側面にニードル バルブを接続します。最後に、貯水池の低ポイントにパイプ t シャツの 3 番目のポートを接続するのにアルミ チューブの別のセクションを使用します。唯一の残りのセクションは、蒸発器です。同じ手法を使用してくださいのアルミ チューブの 2 つめのコイルを形成し、冷凍ループを完了するニードル バルブ コンセントと圧縮機入口間に接続しています。今ではシステムをアセンブルすると、任意のメモリ リーク検出用の充電ポートを圧縮空気でそれを埋めます。石鹸水スプレーを使用して、任意の漏れの接続を識別し、必要に応じて修理を行います。最後に、熱電対を温度測定用凝縮器と蒸発器コイルに接続します。充電して、冷蔵庫を操作する準備が整いました。

充電は、2 つのステップ プロセスです。空気はまずシステムから避難され冷媒が追加されます。マニホールド、冷蔵庫の充電ポートを冷媒の中のポートに接続します。真空ポンプを接続し、マニホールドの低圧ポート、冷媒高圧ポートにすることができます。すべてのバルブを閉じ、真空ポンプの電源を入れます。徐々 にシステムから空気を避難させるシステムのバルブをすべて開きます。空気は、システムから避難しています後、簡潔を冷媒ラインから空気をオフに冷媒容器バルブを開きし、再び閉じます。全ての空気は避難している、今では、冷媒のマニホールドの低圧ポートを閉じることによって真空ポンプを分離します。冷媒容器を反転し、高圧貯留層のレベルは若干上回るニードル弁レベルまでシステムに冷媒に液体を注入します。最後のステップは、かろうじて開くし、コンプレッサーのシュレーダー バルブに自転車ポンプ ホースを接続になるまでニードルを調整することです。蒸発器と凝縮器の温度と同様に、高、低面圧の追跡を行って、冷蔵庫自転車ポンプをポンプによって動作します。定常状態に達すると、これらの圧力と温度の値を記録します。ゲージ レポート ゲージ圧、大気に対する圧力である場合は、1 つの雰囲気を読み取りに追加することによって測定値を絶対圧力に変換しています。

あなたの冷蔵庫のパフォーマンスの結果を見てみましょう。まず、測定の低、高圧冷媒の対応する飽和温度に測定された温度を比較します。この場合、測定は密接に一致します。熱電対の外観に周囲の空気からの熱伝導による蒸発器の温度の相違があります。凝縮器の温度は実験的許容範囲内に一致しますが、これは熱電対があまりにもすぐに配置されてかどうかを予想以上に熱く表示されるも可能性がコンデンサーの超加熱部分。状態のポイントを示すことによって、解析を終了し、おおよその温度エントロピー曲線を接続するエンタルピー図の圧力します。シンプルなシステムが低冷却能力と商業のシステムと比べて、低リフト限定パフォーマンスを生成することを見ることができます。入力作業の多くは自転車ポンプで空気を圧縮する支出は、以来、低圧冷媒でパフォーマンスを改善できます。またより大きな圧力差を維持することが膨張弁を使用して有益ででしょう。ほとんどの商用システムでは、必要な蒸発温度を維持するために開業を動的に調整する温度制御された膨張弁を採用しています。基本的なプロセスを分析した、今では、いくつかの他の一般的なアプリケーションを見てみましょう。

蒸気圧縮サイクルは多くの共通で使用される支配的な冷凍技術デバイスを置きます。電子機器用 Thermomanagement は、コンポーネントのサイズは、減少している着実にパワーとスピードのための要求が成長しているますます重要になります。冷却のスーパー コンピューターと蒸気圧縮サイクルを使用して他のハイパワー電子機器は、他の技術に比べて多くの利点を持っています。蒸気圧縮サイクルは、熱ポンプとしても使用できます。このモードで熱は低温の環境から蒸発器に買収、暖かいエアコン スペースに配信されます。これは配信熱のほとんどは、周囲から描画され、ごく一部が機械的な仕事としてコンプレッサーに供給されるので、直接通電加熱に比べて暖房の効率的なモードをすることができます。

冷凍と蒸気ドームのゼウスの概要を見てきただけ。冷凍機の蒸気圧縮サイクルの実装方法と温度エントロピーを使用してパフォーマンスを分析およびエンタルピー図圧力方法今理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

Results

P 659 ± 7 kPa
P 569 ± 7 kPa
Tアンビエント 22.0 ± 1 °C
Tcond 25.0 ± 1 °C T座って、R 134 a(P) 24.7 ± 0.3 °C
Tevap 21.1 ± 1°C T座って、R 134 a(P) 19.8 ± 0.4 °C

表 2。冷凍システムは、性質を測定しました。

測定凝縮器と蒸発器の外側表面温度が比較的彩度 P及びP温の近くにあります。蒸発温度がT、R 134 a に座ってすることを外部の熱電対に周囲の空気からの熱伝達のため (P)、よりわずかに高い。凝縮器の温度がT、R 134 a に座って(P)、より若干高いが、実験的不確実性の内で。この温度は、コンデンサーの暖かい過熱部分で測定される可能性があります。

おおよそのT-sP- このシステムのhサイクル図は、図 4 で示されます。

Applications and Summary

この実験は、蒸気圧縮冷凍機の原理を論証しました。確かに、実験システムは、低冷却能力 (Qevap) と低リフト (蒸発器の温度差) 限られたパフォーマンス - を生成します。しかし、直感的なデザインと蒸気圧縮の物理入門を提供しています。データ分析手順は、 T-sPの使用 - 熱力学を説明するh図サイクルします。

自転車ポンプで空気を圧縮する入力作業の多く費やされています。低圧冷媒を使用して (例えば、R1234ze(E)) この仕事を減らすだろうし、大きい蒸発器・凝縮器の温度の違いを許可可能性があります。さらに、ここで採用されている膨張弁のみ比較的小さい低から高の側の圧力差を維持できます。細かい調節で代替バルブが望ましい場合があります。ほとんどの市販の冷凍システムで必要な蒸発温度を維持温度制御された膨張弁 (TXV) は使用動的にその開口部を調整します。

蒸気圧縮サイクルは、最も広く使用されている冷凍技術です。それは、ほぼすべての家庭用のエアコンと冷蔵庫と同様に産業規模の冷凍機および冷凍庫で発見されます。サイクルは、熱ポンプとしても使用できます。このモードでは低温環境から蒸発器で熱を取得したし、暖かいエアコン スペースを提供します。これは暖房暖房配信熱のほとんどは周辺から描画され、ごく一部が機械的な仕事としてコンプレッサーに供給されるので直接抵抗と比較しての効率的なモードをすることができます。

この実験はまた熱力学のTsPhダイアグラムの使用を示します。これら分析と化学処理、冷凍サイクル発電など多数のエネルギー システムのエンジニア リングのための重要なツールです。

注意: この実験には、高い圧力と高い濃度で有毒ことができる冷却剤の使用でシステムが含まれます。合理的な安全対策が講じられて適切な PPE を着用することを確認します。冷媒を使用する場合は、十分な換気を確認します。

1. 冷凍システムの作製 (図や写真、図 3 を参照)

  1. パイプ継ぎ手ティーにダブル アクション空気圧シリンダーの最初の接続 1 つのポートによる蒸気圧縮機を構築します。空気圧シリンダーの他のポートにシュリーダー弁をインストールします。ティー、内側を指して 1 つと外向きの 2 つの他のポートに一方向 (弁) をインストールします。これは冷媒蒸発器から描画し、高圧コンデンサーを追放することができます。
  2. 2 つ以上の配管継手の t シャツを使用して、コンプレッサーの下流・上流の圧力ゲージをインストールします。
  3. 高圧自転車フロア ポンプ、コンプレッサーを作動させるために使用されます。自転車ポンプ配管からゴム ビーズ (チェック バルブ コンポーネント) を削除します。コンプレッサーを展開し、冷媒ポンプ ストロークの間の描画ができるようになります。コンプレッサーのシュリーダー バルブに自転車ポンプのホースを接続します。
  4. コンデンサーとして動作する薄い (3.2 mm 外径) アルミ チューブ コイルを形成します。プロトタイプ システム (図 3)、コイルはらせん 2.5 cm 径の硬質ゴム管コアの周り 4 回転 (~ 50 cm 全長) のためのアルミニウム管をラップすることによって形成されました。コンデンサー コイルの長さは、この小規模な実験のため重要ではありません。
  5. フィッティング (マクマスター社パート #5272 提案 K 291) 圧縮を使用して圧力ゲージのパイプの継ぎ手ティーを下流の開いているポートにコンデンサーのコイルの一方の端を接続します。
  6. 2 つの還元パイプ肘に短いクリア塩ビのパイプを取り付けます。このコンポーネントは、高圧冷媒貯蔵庫として機能します。貯水池をコンデンサー チューブのコンセントに接続します。
  7. コネクタをフィッティング AN/SAE フレア パイプ t シャツにボールバルブを取り付けます。これは、充電ポートになります。パイプ t シャツの 1 つの側面に針の流量計を接続します。これは拡張デバイスになります。狭いアルミ チューブを使用すると、冷媒の貯留層の低いポイントにパイプ t シャツの他のポートを接続します。
  8. 蒸発器として使用する 2 つめのアルミニウム チューブ コイルを形成します。ニードル バルブ コンセントと圧縮機入口の間これを接続します。
  9. 圧縮空気 (利用可能な場合は 550 kPa) で充電ポートを介してシステムを入力します。、配管の漏出を識別するために石鹸水スプレーを使用し、必要に応じて修理を行います。
  10. 熱電対を温度測定用凝縮器と蒸発器コイルに接続します。

Figure 3
図 3: a. 図コンポーネントおよび実験蒸気圧縮冷凍システムに接続しますこの図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4: Ts (a) とPh (b) 図実験 R 134 a の蒸気圧縮式冷凍サイクル

2. 充電冷凍システム

  1. 冷媒冷蔵庫の充電ポートにマニホールドの真ん中のポートに接続します。真空ポンプを接続し、マニホールドの低圧ポート、冷媒高圧ポートにすることができます。R134a は最も一般的な冷媒をここで使用します。R1234ze(E) は、その低飽和圧力は簡単に圧縮機操作を許可するためにその低 GWP は、任意の漏れの環境への影響を減らすことのより良いオプションかもしれません。
  2. 真空ポンプを実行し、すべての空気を削除するすべてのシステムのバルブを徐々 に開きます。簡単にアセンブリからすべての空気をクリアする冷媒容器バルブを開きます。
  3. 一度真空を達成すると、真空ポンプを分離し、冷媒のマニホールドの低圧ポートを閉じます。冷媒容器を反転し、高圧貯留層のレベルは若干上回るニードル弁レベルまでシステムに冷媒に液体を注入します。

3. 操作

  1. かろうじて開いているまでは、ニードル バルブを調整します。
  2. コンプレッサー空気圧シリンダーに接続された自転車ポンプをポンピングして、冷蔵庫を動作します。
  3. 定常状態に達するまでは、ハイサイドとローサイドの圧力と蒸発器と凝縮器の温度を追跡します。これらの圧力と温度の値を記録します。ほとんど圧力計レポート ゲージ圧であることに注意してください。これは、約 101 kPa を追加することによって絶対圧力に変換できます。
  4. 状態ポイント (1-4) を示し、 TsPhダイアグラム (図 4) で曲線を接続する近似。

冷凍システムと、私たちの日々 の生活に大きな影響があります。冷蔵庫や冷凍庫で食品を保存または、エアコンをオンにしたときを使用する冷凍システムを入れています。基本的に、これらのシステムのタスク冷たい貯蔵所から熱を取除くおよび熱流の自然な方向に対しての暖かい貯水池の中に預金することです。これを達成するために支配的な技術は、蒸気圧縮サイクルです。このビデオは蒸気圧縮サイクルのしくみについて説明し、冷凍システムを励起する簡単な手での使用方法のデモンストレーションを行います。最後に、いくつかの追加のアプリケーションについて解説します。

蒸気圧縮サイクルは、冷たい貯蔵所から、熱い貯蔵所に冷媒不足、冷媒に熱が流れますように作動流体を冷媒に対して熱力学的サイクルです。熱力学的状態の冷媒として調整された遷移の機械的循環が必要です。サイクルでは、蒸気ドーム、温度エントロピーで見ることができるし、エンタルピー図を圧冷媒相空間の領域を活用します。図の左の領域は部分的に囲まれた飽和液線、液体段階を表し右領域気相、同様に飽和蒸気線に囲まれています。飽和線は、上に流体が超重要な臨界点で交わる。飽和線間流体、二相し、温度圧力エンタルピー ダイアグラム上の等温線によって示される圧力の関数であります。この地域で温度と圧力変更できない、他の独立したので、圧力の各値は温度を指定します。そのため、二相混合物の温度は、圧力を変更することによって調整できます。これを念頭において、蒸気圧縮サイクルを調べてみましょう。例示のため、R 134 a は 1 秒あたり 0.01 キログラムの質量流量と冷媒と仮定します。サイクルの 4 つの段階がある: 圧縮、凝縮、拡張、および蒸発。各冷媒のキーに宿泊ポイントの間の遷移を記述します。圧縮の間に低圧の蒸気圧縮機に入る、圧縮機に投入する作業は、冷媒を加圧する使用されます。コンプレッサーを出た後、コンデンサー、ここに高圧蒸気を渡します、熱は、冷媒凝縮 isobarically として周囲の熱い貯蔵所に拒否されます。高圧冷媒今液相で、流れる調整拡張デバイス。液体を通過するとき isentropically 拡大し、圧力降下である二相状態が点滅し、温度が低くなるが値下がりしました。最後の段階で低温冷媒は蒸発器に入るし、冷たい貯留層からの熱を吸収します。これは冷媒の流れる定圧蒸発を駆動します。低圧の冷媒を圧縮機に返しますサイクルが完了します。この例では蒸発器の冷却能力は 1.67 キロ ワットとコンプレッサー作業入力 0.31 キロ ワット、したがってパフォーマンス、またはシステムの効率化係数を 5.4 です。今ではサイクルのしくみを理解するみましょう構築し、アクションでこれらのプリンシパルを表示するシンプルな冷蔵庫を分析します。

注意、この実験では、高圧と高濃度で有害なことができる冷却剤の使用でシステムが含まれます。常に合理的な安全上の注意に従ってくださいし、適切な個人用保護具を着用します。冷媒を使用する場合は、十分な換気を確認します。蒸気圧縮機と冷蔵庫システムの建設を開始します。シュレーダー バルブをダブル アクション空気圧シリンダーの 1 つのポートにインストールし、他のポートにパイプ継手ティーを接続します。1 つは内側と外側に他のポイントを指すように、t シャツの 2 つの残りのポートにチェック バルブを取り付けます。この構成は、冷媒を蒸発器から描画し、高圧コンデンサーを追放になります。コンプレッサーは、変更された高圧自転車フロア ポンプによって作動します。自転車ポンプ配管からゴム ビーズ チェック バルブ コンポーネントを削除します。コンプレッサーを展開し、冷媒ポンプ ストロークの間の描画ができるようになります。上流と下流の圧力を監視することができますように圧縮機の両側に圧力計と管継手ティーをインストールします。継手を介して接続している t シャツは、バルブは、流れを一方向にしか許可しないを確認します。ピストンを拡張すると、左のチェック バルブは流入を低圧蒸発器から圧縮機のボリュームにできます。ピストンが押されると、蒸気で加圧されて、高圧コンデンサーを右のチェック バルブを強制します。ピストンでは、低圧蒸気の連続的なストリームを蒸発器から描画および高圧コンデンサーに配信できます。システムの次の段階は、アルミ チューブの長さから構築するコンデンサーです。4 ターンの間 2.5 センチ直径硬質ゴム芯にそれをラップすることによって、コイルにチューブを形成し、圧縮 t シャツ、オープン ポートに 1 つの端を接続する継手を使用して、コンプレッサーの下流。インストールしてメーカー ガイドラインに付属品を強化することを確認します。次クリアの塩ビ管パイプ肘を減らす 2 つの間の短い長さをインストールします。これは高圧冷媒用貯水池として機能別圧縮継手とコンデンサー チューブのコンセントに接続します。次の段階は、パンダが、これも充填・冷媒を排出の充電ポートを追加するのに便利な場所です。ボール弁と別のパイプ ティー コネクタを継手 A.N.S.A.E. フレアを組み合わせることにより充電ポートを作成します。拡張デバイスのパイプ t シャツの 1 つの側面にニードル バルブを接続します。最後に、貯水池の低ポイントにパイプ t シャツの 3 番目のポートを接続するのにアルミ チューブの別のセクションを使用します。唯一の残りのセクションは、蒸発器です。同じ手法を使用してくださいのアルミ チューブの 2 つめのコイルを形成し、冷凍ループを完了するニードル バルブ コンセントと圧縮機入口間に接続しています。今ではシステムをアセンブルすると、任意のメモリ リーク検出用の充電ポートを圧縮空気でそれを埋めます。石鹸水スプレーを使用して、任意の漏れの接続を識別し、必要に応じて修理を行います。最後に、熱電対を温度測定用凝縮器と蒸発器コイルに接続します。充電して、冷蔵庫を操作する準備が整いました。

充電は、2 つのステップ プロセスです。空気はまずシステムから避難され冷媒が追加されます。マニホールド、冷蔵庫の充電ポートを冷媒の中のポートに接続します。真空ポンプを接続し、マニホールドの低圧ポート、冷媒高圧ポートにすることができます。すべてのバルブを閉じ、真空ポンプの電源を入れます。徐々 にシステムから空気を避難させるシステムのバルブをすべて開きます。空気は、システムから避難しています後、簡潔を冷媒ラインから空気をオフに冷媒容器バルブを開きし、再び閉じます。全ての空気は避難している、今では、冷媒のマニホールドの低圧ポートを閉じることによって真空ポンプを分離します。冷媒容器を反転し、高圧貯留層のレベルは若干上回るニードル弁レベルまでシステムに冷媒に液体を注入します。最後のステップは、かろうじて開くし、コンプレッサーのシュレーダー バルブに自転車ポンプ ホースを接続になるまでニードルを調整することです。蒸発器と凝縮器の温度と同様に、高、低面圧の追跡を行って、冷蔵庫自転車ポンプをポンプによって動作します。定常状態に達すると、これらの圧力と温度の値を記録します。ゲージ レポート ゲージ圧、大気に対する圧力である場合は、1 つの雰囲気を読み取りに追加することによって測定値を絶対圧力に変換しています。

あなたの冷蔵庫のパフォーマンスの結果を見てみましょう。まず、測定の低、高圧冷媒の対応する飽和温度に測定された温度を比較します。この場合、測定は密接に一致します。熱電対の外観に周囲の空気からの熱伝導による蒸発器の温度の相違があります。凝縮器の温度は実験的許容範囲内に一致しますが、これは熱電対があまりにもすぐに配置されてかどうかを予想以上に熱く表示されるも可能性がコンデンサーの超加熱部分。状態のポイントを示すことによって、解析を終了し、おおよその温度エントロピー曲線を接続するエンタルピー図の圧力します。シンプルなシステムが低冷却能力と商業のシステムと比べて、低リフト限定パフォーマンスを生成することを見ることができます。入力作業の多くは自転車ポンプで空気を圧縮する支出は、以来、低圧冷媒でパフォーマンスを改善できます。またより大きな圧力差を維持することが膨張弁を使用して有益ででしょう。ほとんどの商用システムでは、必要な蒸発温度を維持するために開業を動的に調整する温度制御された膨張弁を採用しています。基本的なプロセスを分析した、今では、いくつかの他の一般的なアプリケーションを見てみましょう。

蒸気圧縮サイクルは多くの共通で使用される支配的な冷凍技術デバイスを置きます。電子機器用 Thermomanagement は、コンポーネントのサイズは、減少している着実にパワーとスピードのための要求が成長しているますます重要になります。冷却のスーパー コンピューターと蒸気圧縮サイクルを使用して他のハイパワー電子機器は、他の技術に比べて多くの利点を持っています。蒸気圧縮サイクルは、熱ポンプとしても使用できます。このモードで熱は低温の環境から蒸発器に買収、暖かいエアコン スペースに配信されます。これは配信熱のほとんどは、周囲から描画され、ごく一部が機械的な仕事としてコンプレッサーに供給されるので、直接通電加熱に比べて暖房の効率的なモードをすることができます。

冷凍と蒸気ドームのゼウスの概要を見てきただけ。冷凍機の蒸気圧縮サイクルの実装方法と温度エントロピーを使用してパフォーマンスを分析およびエンタルピー図圧力方法今理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。

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