Einführung in die Kältetechnik

Mechanical Engineering

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Overview

Quelle: Alexander S Rattner und Christopher J Greer; Abteilung für mechanische und Nuclear Engineering, der Pennsylvania State University, University Park, PA

Dieses Experiment zeigt die Grundsätze der Dampf Kompression Kühlung. Der Dampf-Kompression Zyklus ist die dominierende Kältetechnik, gefunden in den meisten Kühlschränke, Gefriertruhen, Klimaanlagen und Wärmepumpen. In diesem Zyklus ist die Kühlung (Hitze Erwerb) mit Niederdruck Verdampfung des Kältemittels erreicht. Thermischer Energie absorbiert bei der Verdunstung wird an die Umgebung durch Hochdruck-Kältemittel Kondensation abgelehnt. Mechanischer Arbeit wird im Kompressor Aufbringen des Arbeitsfluids von niedriger bis hoher Druck angewendet.

Während Kältetechnik allgegenwärtig ist, verbergenden Verpackung und autonomer Betrieb die meisten Kühlschränke, macht es schwierig, die betrieblichen Grundsätze und Funktion von Schlüsselkomponenten zu schätzen wissen. In diesem Experiment ist ein rudimentäre Dampf Kompression Kühlschrank gebaut. Der Kompressor ist mit einer Fahrradpumpe ermöglicht intuitives Verständnis der Drehvorgang der Experimentator Teil des Systems wird manuell betätigt. Resultierende Komponente Drücke und Temperaturen können im Hinblick auf die thermodynamischen T-s und P-h -Diagramme interpretieren, die die Variation der Flüssigkeitseigenschaften aus der Flüssigkeit-Dampf-Staaten (beim Verdampfen zu erfassen und Kondensation).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Maschinenbau. Einführung in die Kältetechnik. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Der Dampf-Kompression Zyklus besteht aus vier Hauptkomponenten: die Dampf-Kompressor, Kondensator (Hochtemperaturwärme Ablehnung) Erweiterung Gerät und Verdampfer (Niedertemperatur-Wärme Erwerb) (Abb. 1). Der Zyklus kann mit vier Tastenzustand Punkten beschrieben werden.

• 1 → 2: Niederdruck-Dampf-Kältemittel fließt in den Kompressor und dem Highsider Druck komprimiert.

• 2 → 3: unter Druck stehende Kältemittel Dampf kondensiert in der flüssigen Phase isobarically (konstanter Druck), Ablehnung von Wärme an die Umgebung.

• 3 → 4: flüssige Kältemittel fließt durch die Drosselung Erweiterung Gerät Isenthalpically (konstanter Enthalpie), zu einem zweiphasigen Zustand blinken, wie der Druck abfällt. Dies senkt die Kühlmittel Temperatur auf die Sättigungstemperatur bei der Low-Side-Druck.

• 4 → 1: Niedertemperatur Kältemittel Wärme aus der Umgebung erhält und weiterhin verdunsten wie sie isobarically durch den Verdampfer fließt.

Die Übergänge zwischen diesen Staat Punkten können auf thermodynamische Diagramme abbilden. In diesen Temperatur-Entropie (T-s, Abb. 2a) und Druck-Enthalpie (P-h, Abb. 2 b) steht Diagramme, den linken Teil der Kuppel steht für die flüssige Phase und der rechten Seite der Dampfphase. In der Dampf-Kuppel die Flüssigkeit ist zwei-Phasen- und Temperatur ist eine Funktion des Drucks. Die Energieübertragung zu oder aus dem System in den einzelnen Phasen des Prozesses bewertet werden kann, durch die Änderung der Enthalpie der Kältemittel-Massenstrom multipliziert (positive Veränderung: Energie Erwerb, negative: Erhitzen Ablehnung, Umgebung). Betrachten ein Vertreters, Klimaanlage mit Kältemittel R-134a bei einer Durchflussmenge von Equation 1 = 0,01 kg s-1 mit den folgenden Zustand Punktwerte (Tabelle 1).

Tabelle 1: repräsentative Kälte-Zyklus Zustand weist

Punkt Druck
(P, kPa)
Temperatur
(T, ° C)
Enthalpie
(h, kJ kg-1)
Entropie
(s, kJ kg-1 K-1)
Qualität
(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

Hier wird die Kühlleistung im Verdampfer bewertet, als Equation 2 = 1,67 kW. Der Kompressor Arbeitseinsatz ist Equation 3 = 0,31 kW. Die Effizienz des Systems oder Leistungszahl (COP), ist Equation 4 = 5,4.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Dampf-Kompression-Kältekreislauf

Figure 2
Abbildung 2: T - s (a) und Ph (b) Diagramme für die repräsentative R-134a-Dampf-Kompression Zyklus mit Status-Punkte, die in Tabelle 1 aufgeführten.

Procedure

Achtung: Dieses Experiment beinhaltet Systeme bei erhöhten Drücken und Verwendung von Kältemitteln, die in hohen Konzentrationen toxisch sein können. Stellen Sie sicher, angemessene Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden und dass geeignete PSA getragen wird. Beim Arbeiten mit Kältemitteln sorgen Sie für ausreichende Belüftung.

1. Herstellung von Kälteanlage (siehe Diagramm und Foto, Abb. 3)

  1. Den Dampf-Kompressor vom ersten eine Verbindungsöffnung ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder Rohr Fitting haargenau zu konstruieren. Installieren Sie ein Ventil Schraeder am anderen Anschluss des Pneumatikzylinders. Installieren Sie One-Way (Rückschlagventile) zu den zwei anderen Häfen von Abschlag, eine zeigt nach innen und nach außen zeigen. Dadurch können Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt und in den Kondensator unter hohem Druck ausgestoßen werden.
  2. Installieren Sie mithilfe zwei mehr Rohr passende t-Shirts, Druck DMS vor- und nachgelagerten des Kompressors.
  3. Eine Hochdruck-Luftpumpe Boden wird verwendet, um den Kompressor zu betätigen. Entfernen Sie die Kautschuk-Perle (Scheck-Ventil-Komponente) aus Fahrrad Pumpe Sanitär. Dadurch wird den Kompressor zu erweitern und im Kältemittel zwischen Pumpen Striche zu zeichnen. Fahrrad Pumpe Schlauch an das Schraeder Ventil am Kompressor anschließen.
  4. Bilden Sie eine dünne (3,2 mm Außendurchmesser) Schläuchen Aluminiumspule als Kondensator fungieren. In der Prototyp-System (Abb. 3) bildeten die Spule wendelförmig Umhüllung das Alu Rohr um einen 2,5 cm Durchmesser starren Gummi-Rohr Kern für vier Umdrehungen (~ 50 cm Gesamtlänge). Der Kondensator Spulenlänge ist nicht entscheidend für dieses kleine Experiment.
  5. Schließen Sie ein Ende der Kondensator Spule an den offenen Port des Rohr Fitting Abschlag stromabwärts von der Druck-Gage mit einer Klemmverschraubung (McMaster Inc. Teil #5272 K 291 vorgeschlagen).
  6. Installieren Sie eine kurze klare PVC-Rohr in zwei reduzierenden Rohr Ellenbogen. Diese Komponente wird als Hochdruck-Kältemittel Reservoir fungieren. Verbinden Sie das Reservoir an den Auslass des Kondensator-Schläuche.
  7. Installieren Sie ein Kugelventil in ein Rohr t-Stück mit einem AN/SAE Flare passend Stecker. Dadurch werden die Ladeöffnung. Verbinden Sie einen Nadel-Flow-Meter auf der einen Seite das Rohr t-Stück. Dies wird die Erweiterung Gerät sein. Mit schmalen Aluminium-Rohre, verbinden Sie den anderen Anschluss Rohr t-Stück-mit den Tiefpunkt des Kältemittel-Stausees.
  8. Bilden Sie eine zweite Aluminium Tubing Spule als Verdampfer zu handeln. Verbinden Sie dies zwischen dem Nadelventil Outlet und Kompressor Einlass.
  9. Füllen Sie das System mit Druckluft (550 kPa, falls vorhanden) durch den Ladeanschluss. Eine Seifenwasser Spray, um undichte Rohrleitungen zu identifizieren, und führen Sie Reparaturen nach Bedarf.
  10. Thermoelemente an den Verflüssiger und Verdampfer Spulen zur Temperaturmessung zu verbinden.

Figure 3
Abbildung 3 : A. Diagramm von Bauteilen und Verbindungen in experimentelle Dampf Kompressions-Kälteanlage. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : T - s (a) und P - h (b) Diagramme für experimentelle R-134a Dampf Kompression Kältekreislauf.

2. Aufladen der Kälteanlage

  1. Verbinden Sie den mittleren Port eines Kältemittels aufladen Verteiler der Ladeanschluss auf dem Kühlschrank. Verbinden Sie eine Vakuumpumpe zum Niederdruck Hafen des Verteilers und eine Dose des Kältemittels mit dem Hochdruck-Anschluss. R134a ist das am weitesten verbreitete Kältemittel und wird hier verwendet. R1234ze(E) kann eine bessere Option sein, weil seine niedrige Sättigungsdruck leichter Kompressorbetrieb zulassen würde, und seine niedrigen GWP die Umweltauswirkungen des Lecks verringert.
  2. Führen Sie die Vakuumpumpe und öffnen Sie allmählich alle System-Ventile um alle Luft zu entfernen. Öffnen Sie das Kältemittel Kanister Ventil deaktivieren alle Luft aus der Versammlung kurz.
  3. Vakuum erreicht, isolieren Sie die Vakuumpumpe und schließen Sie den Niederdruck Anschluss auf das Kältemittel aufladen Krümmer. Invertieren Sie der Kältemittel-Kanister und injizieren Sie flüssiges Kältemittel in das System zu, bis der Pegel im Hochdruck Behälter leicht über dem Nadelventil Niveau steht.

3. Bedienung

  1. Passen Sie das Nadelventil, bis gerade noch geöffnet ist.
  2. Betreiben der Kühlschrank durch das Pumpen die Luftpumpe an der pneumatische Zylinder Kompressor angeschlossen.
  3. Verfolgen Sie die High - und Low-Side Druck und Verdampfer und Verflüssiger Temperaturen bis Steady-State-Bedingungen erreicht werden. Notieren Sie diesen Druck und Temperaturwerte. Beachten Sie, dass die meisten Manometer Berichten Druck zu bewerten. Dies kann zu Absolutdruck umgewandelt werden, durch Zugabe von ca. 101 kPa.
  4. Angabe der Staat Punkte (1-4) und ungefähre Kurven auf T-s und P-h -Diagramme (Abb. 4) anschließen.

Kälteanlagen sind allgegenwärtig, und sie haben einen enormen Einfluss auf unser tägliches Leben. Jedes Mal Sie Aufbewahrung von Lebensmitteln im Kühlschrank oder Gefrierschrank, oder schalten Sie die Klimaanlage setzen Sie Kälteanlagen verwenden. Grundsätzlich ist die Aufgabe dieser Systeme Wärme von einem kalten Reservoir zu entfernen und in einem warmen Reservoir gegen die natürliche Richtung des Wärmeflusses zu hinterlegen. Die dominierende Technologie eingesetzt, um dieses Ziel zu erreichen ist der Dampf-Kompression Zyklus. Dieses Video wird veranschaulichen, wie der Dampf-Kompression Zyklus funktioniert und dann zeigen, wie es in eine einfache Hand gepumpt Kälteanlage verwendet wird. Am Ende wird es ein paar zusätzliche Anwendungen zu diskutieren.

Der Dampf-Kompression Zyklus ist einer thermodynamischen Zyklus auf ein Arbeitsfluid oder Kältemittel, durchgeführt, so dass Wärme in das Kältemittel aus dem kalten Reservoir und das Kältemittel in den heißen Behälter fließen wird. Dies erfordert mechanische Zirkulation von Kältemittel sowie koordinierte Übergänge von den thermodynamischen Zustand. Der Zyklus nutzt die Dampf-Kuppel, eine Region der Kältemittel Phasenraum, der kann man in der Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. In diesen Diagrammen die linken Region zeigt flüssige Phase, die teilweise durch die gesättigten Flüssigkeitsleitung begrenzt ist, und die richtige Region zeigt Dampfphase, welche in ähnlicher Weise durch die gesättigten Dampf-Linie begrenzt ist. Die Sättigung Linien treffen sich am kritischen Punkt, oberhalb derer ist die Flüssigkeit sehr kritisch. Zwischen den Zeilen Sättigung ist die Flüssigkeit zwei-Phasen- und Temperatur ist eine Funktion des Drucks, wie durch die isothermen im Druck-Enthalpie-Diagramm angezeigt. In dieser Region können nicht Temperatur- und Druckbedingungen variiert werden unabhängig voneinander, so dass jeder Wert des Drucks eine Temperatur gibt. Daher kann die Temperatur von einem zwei-Phasen-Gemisch durch eine Änderung des Drucks eingestellt werden. In diesem Sinne betrachten wir den Dampf-Kompression Zyklus. Zur Veranschaulichung nehme an R-134a Kältemittel und einem Massenstrom von 0,01 Kilogramm pro Sekunde. Es gibt vier Phasen des Zyklus: Kompression, Kondensation, Ausbau und Verdunstung. Jeder beschreibt einen Übergang zwischen wichtigen Aufenthalt Punkte des Kältemittels. Während der Kompression Niederdruck-Dampf tritt des Kompressors und Arbeitseinsatz, der Kompressor wird verwendet, um das Kältemittel unter Druck zu setzen. Nach dem Verlassen des Kompressors, der Hochdruck-Dampf in den Kondensator, hier vergeht, Hitze ist in den umliegenden heißen Behälter abgelehnt, da das Kältemittel kondensiert isobarically. Das Hochdruck-Kältemittel fließt nun in der flüssigen Phase, dann durch eine Drosselung Erweiterung Gerät. Die Flüssigkeit erweitert isentropically beim Durchgang durch, und da es Druckverluste, zu einem zwei-Phasen-Status blinkt, und fällt auf eine niedrigere Temperatur. In der letzten Phase der Niedertemperatur-Kältemittel tritt in den Verdampfer und nimmt Wärme aus dem kalten Reservoir. Dies treibt isobare Verdampfung als Kältemittel durchströmt. Der Zyklus ist abgeschlossen, sobald der Kompressor der Niederdruck-Kältemittel-Dampf wieder. In diesem Beispiel die Kühlleistung des Verdampfers ist 1,67 Kilowatt, und der Kompressor Arbeitseinsatz ist 0,31 kW, also der Koeffizient der Leistung und Effizienz des Systems, 5.4. Jetzt, dass Sie verstehen, wie der Zyklus funktioniert, lasst uns bauen und analysieren einen einfachen Kühlschrank um diese Prinzipien in Aktion zeigen.

Vorsicht, dieses Experiment umfasst Systeme bei erhöhten Drücken und die Verwendung von Kältemitteln, die in hohen Konzentrationen gefährlich sein können. Immer angemessene Sicherheitsvorkehrungen zu folgen und geeigneten persönlichen Schutzausrüstung zu tragen. Beim Arbeiten mit Kältemitteln sorgen Sie für ausreichende Belüftung. Beginnen Sie die Konstruktion des Systems der Kühlschrank mit dem Dampf-Kompressor. Installieren Sie ein Schrader-Ventil an einem Port eines Pneumatikzylinders double-Action, und dann verbinden Sie ein Rohr Fitting t-Stück mit dem anderen Anschluss. Legen Sie Rückschlagventile auf die zwei verbleibenden Anschlüsse des t-Stücks, so dass man nach innen und die anderen Punkte nach außen zeigt. Diese Konfiguration ermöglicht Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt und in den Kondensator unter hohem Druck ausgestoßen werden. Der Kompressor wird durch eine modifizierte Hochdruck Fahrrad Standpumpe betätigt. Entfernen Sie die Kautschuk Bead Check Ventilkomponente aus der Fahrrad-Pumpe-Sanitär. Dadurch wird den Kompressor zu erweitern und im Kältemittel zwischen Pumpen Striche zu zeichnen. Installieren Sie Rohr passende t-Shirts mit Manometer auf beiden Seiten des Kompressors, damit der vor- und nachgelagerte Druck überwacht werden kann. Das t-Stück, die Armaturen sind durchverbunden Rückschlagventile, die Strömung nur in eine Richtung zulassen. Im ausgefahrenen Kolben ermöglicht das linke Rückschlagventil Zufluss aus dem Niederdruck-Verdampfer Kompressor Volumen. Wenn der Kolben gedrückt wird, wird der Dampf unter Druck gesetzt und gezwungen durch das richtige Rückschlagventil in den Hochdruck-Kondensator. Mit dem Fahrrad des Kolbens, kann ein kontinuierlicher Strom von Niederdruck-Dampf gezogen aus dem Verdampfer und an den Kondensator mit hohem Druck geliefert werden. Die nächste Stufe des Systems ist der Kondensator, die wir ab einer Länge von Aluminiumrohre zu konstruieren. Bilden die Schläuche in einer Spule wickelte sie um einen 2,5 Zentimeter Durchmesser starre Kautschuk-Kern für vier Umdrehungen, und verwenden Sie dann eine Klemmverschraubung anfügen ein Ende an den offenen Port des t-Stücks, stromabwärts des Kompressors. Stellen Sie sicher zu installieren und die Anschlüsse zu Herstellerrichtlinien festziehen. Als nächstes installieren Sie ein kurzes Stück klar PVC-Rohr zwischen zwei Reduzierung Rohr Ellenbogen. Dies fungiert als Reservoir für die Hochdruck-Kältemittel, angeschlossen an den Auslass des Kondensator-Schläuche mit einem anderen Rohrverschraubung. Die nächste Stufe ist der Expander, aber dies ist auch ein bequemer Platz, um einen Ladeanschluss für füllen und entleeren Kältemittel hinzufügen. Konstruieren Sie den Ladeanschluss durch die Kombination einer A.N.S.A.E. Fackel fitting Connector mit einem Kugelhahn und ein weiteres Rohr t-Stück. Ein Nadelventil an einer Seite des Rohres Abschlag für die Erweiterung Gerät anschließen. Schließlich verwenden Sie ein weiteres Kapitel der Aluminiumrohre, um den Tiefpunkt des Stausees den dritten Hafen von Rohr-Tee herstellen. Der einzige verbleibende Abschnitt ist der Verdampfer. Bilden Sie eine zweite Spule Aluminiumrohr mit der gleichen Technik wie vor, und verbinden Sie es zwischen Nadelventil Outlet und Kompressor Einlass, die Kälte Schleife zu vervollständigen. Nun, da das System montiert ist, füllen Sie es mit Druckluft durch den Ladeanschluss, Lecks zu testen. Verwenden Sie eine Seifenwasser Spray keine undichten Verbindungen zu identifizieren und ggf. Reparaturen vornehmen. Schließlich verbinden Sie Thermoelemente an den Verflüssiger und Verdampfer Spulen zur Temperaturmessung. Sie sind jetzt bereit, zu berechnen und den Kühlschrank zu betreiben.

Aufladen erfolgt in zwei Schritten. Luft wird zunächst aus dem System evakuiert und Kältemittel wird dann hinzugefügt. Verbinden Sie den mittleren Port eines Kältemittels aufladen Verteiler, den Ladeanschluss auf dem Kühlschrank. Dann eine Vakuumpumpe an Niederdruck-Port des Verteilers und eine Dose des Kältemittels mit dem Hochdruck-Anschluss anschließen. Schließen Sie alle Ventile und schalten Sie dann die Vakuumpumpe. Öffnen Sie nach und nach aller System-Ventile, Luft aus dem System zu evakuieren. Nachdem die Luft aus dem System evakuiert wurden, öffnen Sie kurz das Kältemittel Kanister Ventil um alle Luft aus dem Kältemittel Linie zu löschen, und schließen Sie es dann erneut. Nun, da die Luft wurde evakuiert, isolieren Sie die Vakuumpumpe durch die Schließung des Niederdruck-Ports auf das Kältemittel aufladen Krümmer. Invertieren Sie der Kältemittel-Kanister und injizieren Sie flüssiges Kältemittel in das System zu, bis der Pegel in der Hochdruck-Reservoir leicht über dem Nadelventil Niveau steht. Der letzte Schritt ist das Nadelventil anpassen, bis es ist gerade noch öffnen und schließen Sie dann das Fahrrad Pumpe Schlauch an das Schrader-Ventil am Kompressor. Kühlschrank durch das Pumpen der Fahrradpumpe zu betreiben, wie Sie, die hohen und niedrigen Seite Drücke sowie die Verdampfer und Verflüssiger Temperaturen verfolgen. Steady-State-Bedingungen erreicht, zeichnen Sie diese Belastungen und Temperaturwerte auf Wenn Berichts Manometer, das Druck bezogen auf Atmosphäre Manometer, dann konvertieren Sie die Lesungen, Absolutdruck indem eine Atmosphäre an der Lesung.

Werfen Sie einen Blick auf die Performance-Ergebnisse für Ihren Kühlschrank. Zuerst vergleichen Sie die gemessenen Temperaturen an die entsprechenden Sättigung Temperatur des Kältemittels bei den gemessenen niedrigen und hohen drücken. In diesem Fall entsprechen die Messungen eng. Die Diskrepanz der Verdampfer-Temperatur kann durch Wärmeübertragung aus der Umgebungsluft an der Außenseite des das Thermoelement sein. Der Kondensator Temperatur entspricht innerhalb der experimentellen Toleranz, aber dies könnte auch erscheinen wärmer als erwartet, wenn das Thermoelement zu nahe gelegt wird das überhitztem Teil des Kondensators. Abschließend, dass die Analyse unter Angabe der Staat Punkte und ungefähre verbinden Kurven auf Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. Sie können sehen, dass das einfache System eingeschränkte Leistung mit geringen Kühlleistung und geringe Aufzug, im Vergleich zu kommerziellen Systemen ergibt. Da ein großer Teil der Eingabe Arbeit aufgewendet wird, komprimieren Luft in der Fahrradpumpe, werden Leistung mit einem geringeren Druck Kältemittel könnte. Darüber hinaus würde mit einem Expansionsventil, die eine größere Druckdifferenz beibehalten kann vorteilhaft sein. Die meisten kommerziellen Systeme beschäftigen ein Temperatur kontrollierte Expansionsventil, das seine Öffnung, um eine gewünschte Verdampfer Temperatur dynamisch anpasst. Nun, da wir der grundlegende Prozess analysiert haben, lassen Sie uns einige typischen Anwendungen.

Der Dampf-Kompression Zyklus ist die dominierende Kältetechnik in vielen gemeinsamen verwendet stellen Sie Geräte. Thermomanagements für Elektronik ist immer wichtiger als die Größe der Komponenten stetig abgenommen hat, während Forderungen nach Leistung und Geschwindigkeit gewachsen sind, geworden. Kühlung-super-Computer und andere Hochleistungs-Elektronik mit der Dampf-Kompression-Zyklus hat viele Vorteile gegenüber anderen Technologien. Der Dampf-Kompression Zyklus kann auch als Wärmepumpe verwendet werden. In diesem Modus ist Wärme in den Verdampfer aus Niedertemperatur-Umgebung erworben und dann an einen wärmeren klimatisierten Raum geliefert. Dies ist eine effiziente Art der Heizung im Vergleich zu direkten Widerstandsheizung, weil der Großteil der gelieferten Wärme wird der Umgebung entzogen, und nur ein kleiner Teil an den Kompressor als mechanische Arbeit geliefert wird.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Kälte- und dem Dome Dampf beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie der Dampf-Kompression Zyklus in Kälteanlagen umgesetzt wird und zum Analysieren der Leistung mit Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. Danke fürs Zuschauen.

Results

P hoch 659 ± 7 kPa
P niedrige 569 ± 7 kPa
T Ambient 22.0 ± 1 °C
T cond 25,0 ± 1 °C T SA, R-134a (Phoch) 24.7 ± 0,3 °C
T EVAP 21.1 ± 1°C T SA, R-134a (Pniedrig) 19,8 ± 0,4 °C

Tabelle 2. Kühlsystem gemessenen Eigenschaften.

Gemessenen Verflüssiger und Verdampfer äußeren Oberflächentemperaturen sind relativ nah an die Sättigung Temperaturen bei Phohe undniedrige P. Die Verdampfer-Temperatur ist etwas höher als Tsaß, R-134a (Pniedrig), möglicherweise aufgrund von Wärme aus der Umgebungsluft auf die äußere Thermoelement übertragen. Die Temperatur des Kondensators ist geringfügig höher als Tsaß, R-134a (Pniedrig), aber im experimentellen Unsicherheiten. Diese Temperatur kann auch in den wärmeren überhitzten Teil des Kondensators gemessen werden.

Ungefähre T-s und P-h -Zyklus-Diagramme für dieses System sind in Abb. 4 dargestellt.

Applications and Summary

Dieses Experiment demonstriert die Grundsätze der Dampf Kompression Kühlung. Zugegeben, ergibt das experimentelle System begrenzt Leistung - mit einem geringen Kühlleistung (QEvap) und niedriger Aufzug (Verdampfer-Umgebungs-Temperatur-Differenz). Es bietet jedoch eine intuitive Einführung in das Design und die Physik des Dampf-Kompression. Die Daten-Analyse-Schritte zeigen die Verwendung von T-s und P-h -Diagramme zur Beschreibung thermodynamischer Zyklus Betrieb.

Ein großer Teil der Eingabe Arbeit wird beim Komprimieren der Luft in der Fahrradpumpe verbraucht. Mit einem niedrigeren Druck Kältemittel (z.B., R1234ze(E)) würde diese Arbeit verringern und gestatten größere Verdampfer, Kondensator Temperaturunterschiede. Darüber hinaus könnte das Expansionsventil hier beschäftigt nur relativ niedrig und hoch klein Druckdifferenzen verwalten. Eine Alternative Ventil mit feiner Einstellregler möglicherweise vorzuziehen. In den meisten kommerziellen Kälteanlagen wird eine Temperatur gesteuerten Expansionsventil (TXV) verwendet die passt sich dynamisch der Eröffnung, um eine gewünschte Verdampfer-Temperatur zu halten.

Der Dampf-Kompression Zyklus ist die am weitesten verbreitete Kältetechnik. Es findet sich in fast alle Haushalte Klimaanlagen und Kühlschränke sowie industriellen Kälteanlagen und Gefrierschränken. Der Zyklus kann auch als Wärmepumpe verwendet werden. In diesem Modus es erwirbt Hitze im Verdampfer aus der Niedertemperatur-Umgebung und liefert es an einen wärmeren klimatisierten Raum. Dies ist eine effiziente Art der Heizung im Vergleich zu direkten Widerstand Heizung denn Großteil der gelieferten Wärme aus der Umgebung und nur ein kleiner Teil an den Kompressor als mechanische Arbeit geliefert wird.

Dieses Experiment zeigt auch den Einsatz von thermodynamischen T-s und P-h -Diagramme. Dies sind wichtige Werkzeuge für die Analyse und Konstruktion von zahlreichen Energiesysteme einschließlich chemische Verarbeitung, Kühlung Zyklen und Stromerzeugung.

Achtung: Dieses Experiment beinhaltet Systeme bei erhöhten Drücken und Verwendung von Kältemitteln, die in hohen Konzentrationen toxisch sein können. Stellen Sie sicher, angemessene Sicherheitsvorkehrungen eingehalten werden und dass geeignete PSA getragen wird. Beim Arbeiten mit Kältemitteln sorgen Sie für ausreichende Belüftung.

1. Herstellung von Kälteanlage (siehe Diagramm und Foto, Abb. 3)

  1. Den Dampf-Kompressor vom ersten eine Verbindungsöffnung ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder Rohr Fitting haargenau zu konstruieren. Installieren Sie ein Ventil Schraeder am anderen Anschluss des Pneumatikzylinders. Installieren Sie One-Way (Rückschlagventile) zu den zwei anderen Häfen von Abschlag, eine zeigt nach innen und nach außen zeigen. Dadurch können Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt und in den Kondensator unter hohem Druck ausgestoßen werden.
  2. Installieren Sie mithilfe zwei mehr Rohr passende t-Shirts, Druck DMS vor- und nachgelagerten des Kompressors.
  3. Eine Hochdruck-Luftpumpe Boden wird verwendet, um den Kompressor zu betätigen. Entfernen Sie die Kautschuk-Perle (Scheck-Ventil-Komponente) aus Fahrrad Pumpe Sanitär. Dadurch wird den Kompressor zu erweitern und im Kältemittel zwischen Pumpen Striche zu zeichnen. Fahrrad Pumpe Schlauch an das Schraeder Ventil am Kompressor anschließen.
  4. Bilden Sie eine dünne (3,2 mm Außendurchmesser) Schläuchen Aluminiumspule als Kondensator fungieren. In der Prototyp-System (Abb. 3) bildeten die Spule wendelförmig Umhüllung das Alu Rohr um einen 2,5 cm Durchmesser starren Gummi-Rohr Kern für vier Umdrehungen (~ 50 cm Gesamtlänge). Der Kondensator Spulenlänge ist nicht entscheidend für dieses kleine Experiment.
  5. Schließen Sie ein Ende der Kondensator Spule an den offenen Port des Rohr Fitting Abschlag stromabwärts von der Druck-Gage mit einer Klemmverschraubung (McMaster Inc. Teil #5272 K 291 vorgeschlagen).
  6. Installieren Sie eine kurze klare PVC-Rohr in zwei reduzierenden Rohr Ellenbogen. Diese Komponente wird als Hochdruck-Kältemittel Reservoir fungieren. Verbinden Sie das Reservoir an den Auslass des Kondensator-Schläuche.
  7. Installieren Sie ein Kugelventil in ein Rohr t-Stück mit einem AN/SAE Flare passend Stecker. Dadurch werden die Ladeöffnung. Verbinden Sie einen Nadel-Flow-Meter auf der einen Seite das Rohr t-Stück. Dies wird die Erweiterung Gerät sein. Mit schmalen Aluminium-Rohre, verbinden Sie den anderen Anschluss Rohr t-Stück-mit den Tiefpunkt des Kältemittel-Stausees.
  8. Bilden Sie eine zweite Aluminium Tubing Spule als Verdampfer zu handeln. Verbinden Sie dies zwischen dem Nadelventil Outlet und Kompressor Einlass.
  9. Füllen Sie das System mit Druckluft (550 kPa, falls vorhanden) durch den Ladeanschluss. Eine Seifenwasser Spray, um undichte Rohrleitungen zu identifizieren, und führen Sie Reparaturen nach Bedarf.
  10. Thermoelemente an den Verflüssiger und Verdampfer Spulen zur Temperaturmessung zu verbinden.

Figure 3
Abbildung 3 : A. Diagramm von Bauteilen und Verbindungen in experimentelle Dampf Kompressions-Kälteanlage. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : T - s (a) und P - h (b) Diagramme für experimentelle R-134a Dampf Kompression Kältekreislauf.

2. Aufladen der Kälteanlage

  1. Verbinden Sie den mittleren Port eines Kältemittels aufladen Verteiler der Ladeanschluss auf dem Kühlschrank. Verbinden Sie eine Vakuumpumpe zum Niederdruck Hafen des Verteilers und eine Dose des Kältemittels mit dem Hochdruck-Anschluss. R134a ist das am weitesten verbreitete Kältemittel und wird hier verwendet. R1234ze(E) kann eine bessere Option sein, weil seine niedrige Sättigungsdruck leichter Kompressorbetrieb zulassen würde, und seine niedrigen GWP die Umweltauswirkungen des Lecks verringert.
  2. Führen Sie die Vakuumpumpe und öffnen Sie allmählich alle System-Ventile um alle Luft zu entfernen. Öffnen Sie das Kältemittel Kanister Ventil deaktivieren alle Luft aus der Versammlung kurz.
  3. Vakuum erreicht, isolieren Sie die Vakuumpumpe und schließen Sie den Niederdruck Anschluss auf das Kältemittel aufladen Krümmer. Invertieren Sie der Kältemittel-Kanister und injizieren Sie flüssiges Kältemittel in das System zu, bis der Pegel im Hochdruck Behälter leicht über dem Nadelventil Niveau steht.

3. Bedienung

  1. Passen Sie das Nadelventil, bis gerade noch geöffnet ist.
  2. Betreiben der Kühlschrank durch das Pumpen die Luftpumpe an der pneumatische Zylinder Kompressor angeschlossen.
  3. Verfolgen Sie die High - und Low-Side Druck und Verdampfer und Verflüssiger Temperaturen bis Steady-State-Bedingungen erreicht werden. Notieren Sie diesen Druck und Temperaturwerte. Beachten Sie, dass die meisten Manometer Berichten Druck zu bewerten. Dies kann zu Absolutdruck umgewandelt werden, durch Zugabe von ca. 101 kPa.
  4. Angabe der Staat Punkte (1-4) und ungefähre Kurven auf T-s und P-h -Diagramme (Abb. 4) anschließen.

Kälteanlagen sind allgegenwärtig, und sie haben einen enormen Einfluss auf unser tägliches Leben. Jedes Mal Sie Aufbewahrung von Lebensmitteln im Kühlschrank oder Gefrierschrank, oder schalten Sie die Klimaanlage setzen Sie Kälteanlagen verwenden. Grundsätzlich ist die Aufgabe dieser Systeme Wärme von einem kalten Reservoir zu entfernen und in einem warmen Reservoir gegen die natürliche Richtung des Wärmeflusses zu hinterlegen. Die dominierende Technologie eingesetzt, um dieses Ziel zu erreichen ist der Dampf-Kompression Zyklus. Dieses Video wird veranschaulichen, wie der Dampf-Kompression Zyklus funktioniert und dann zeigen, wie es in eine einfache Hand gepumpt Kälteanlage verwendet wird. Am Ende wird es ein paar zusätzliche Anwendungen zu diskutieren.

Der Dampf-Kompression Zyklus ist einer thermodynamischen Zyklus auf ein Arbeitsfluid oder Kältemittel, durchgeführt, so dass Wärme in das Kältemittel aus dem kalten Reservoir und das Kältemittel in den heißen Behälter fließen wird. Dies erfordert mechanische Zirkulation von Kältemittel sowie koordinierte Übergänge von den thermodynamischen Zustand. Der Zyklus nutzt die Dampf-Kuppel, eine Region der Kältemittel Phasenraum, der kann man in der Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. In diesen Diagrammen die linken Region zeigt flüssige Phase, die teilweise durch die gesättigten Flüssigkeitsleitung begrenzt ist, und die richtige Region zeigt Dampfphase, welche in ähnlicher Weise durch die gesättigten Dampf-Linie begrenzt ist. Die Sättigung Linien treffen sich am kritischen Punkt, oberhalb derer ist die Flüssigkeit sehr kritisch. Zwischen den Zeilen Sättigung ist die Flüssigkeit zwei-Phasen- und Temperatur ist eine Funktion des Drucks, wie durch die isothermen im Druck-Enthalpie-Diagramm angezeigt. In dieser Region können nicht Temperatur- und Druckbedingungen variiert werden unabhängig voneinander, so dass jeder Wert des Drucks eine Temperatur gibt. Daher kann die Temperatur von einem zwei-Phasen-Gemisch durch eine Änderung des Drucks eingestellt werden. In diesem Sinne betrachten wir den Dampf-Kompression Zyklus. Zur Veranschaulichung nehme an R-134a Kältemittel und einem Massenstrom von 0,01 Kilogramm pro Sekunde. Es gibt vier Phasen des Zyklus: Kompression, Kondensation, Ausbau und Verdunstung. Jeder beschreibt einen Übergang zwischen wichtigen Aufenthalt Punkte des Kältemittels. Während der Kompression Niederdruck-Dampf tritt des Kompressors und Arbeitseinsatz, der Kompressor wird verwendet, um das Kältemittel unter Druck zu setzen. Nach dem Verlassen des Kompressors, der Hochdruck-Dampf in den Kondensator, hier vergeht, Hitze ist in den umliegenden heißen Behälter abgelehnt, da das Kältemittel kondensiert isobarically. Das Hochdruck-Kältemittel fließt nun in der flüssigen Phase, dann durch eine Drosselung Erweiterung Gerät. Die Flüssigkeit erweitert isentropically beim Durchgang durch, und da es Druckverluste, zu einem zwei-Phasen-Status blinkt, und fällt auf eine niedrigere Temperatur. In der letzten Phase der Niedertemperatur-Kältemittel tritt in den Verdampfer und nimmt Wärme aus dem kalten Reservoir. Dies treibt isobare Verdampfung als Kältemittel durchströmt. Der Zyklus ist abgeschlossen, sobald der Kompressor der Niederdruck-Kältemittel-Dampf wieder. In diesem Beispiel die Kühlleistung des Verdampfers ist 1,67 Kilowatt, und der Kompressor Arbeitseinsatz ist 0,31 kW, also der Koeffizient der Leistung und Effizienz des Systems, 5.4. Jetzt, dass Sie verstehen, wie der Zyklus funktioniert, lasst uns bauen und analysieren einen einfachen Kühlschrank um diese Prinzipien in Aktion zeigen.

Vorsicht, dieses Experiment umfasst Systeme bei erhöhten Drücken und die Verwendung von Kältemitteln, die in hohen Konzentrationen gefährlich sein können. Immer angemessene Sicherheitsvorkehrungen zu folgen und geeigneten persönlichen Schutzausrüstung zu tragen. Beim Arbeiten mit Kältemitteln sorgen Sie für ausreichende Belüftung. Beginnen Sie die Konstruktion des Systems der Kühlschrank mit dem Dampf-Kompressor. Installieren Sie ein Schrader-Ventil an einem Port eines Pneumatikzylinders double-Action, und dann verbinden Sie ein Rohr Fitting t-Stück mit dem anderen Anschluss. Legen Sie Rückschlagventile auf die zwei verbleibenden Anschlüsse des t-Stücks, so dass man nach innen und die anderen Punkte nach außen zeigt. Diese Konfiguration ermöglicht Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt und in den Kondensator unter hohem Druck ausgestoßen werden. Der Kompressor wird durch eine modifizierte Hochdruck Fahrrad Standpumpe betätigt. Entfernen Sie die Kautschuk Bead Check Ventilkomponente aus der Fahrrad-Pumpe-Sanitär. Dadurch wird den Kompressor zu erweitern und im Kältemittel zwischen Pumpen Striche zu zeichnen. Installieren Sie Rohr passende t-Shirts mit Manometer auf beiden Seiten des Kompressors, damit der vor- und nachgelagerte Druck überwacht werden kann. Das t-Stück, die Armaturen sind durchverbunden Rückschlagventile, die Strömung nur in eine Richtung zulassen. Im ausgefahrenen Kolben ermöglicht das linke Rückschlagventil Zufluss aus dem Niederdruck-Verdampfer Kompressor Volumen. Wenn der Kolben gedrückt wird, wird der Dampf unter Druck gesetzt und gezwungen durch das richtige Rückschlagventil in den Hochdruck-Kondensator. Mit dem Fahrrad des Kolbens, kann ein kontinuierlicher Strom von Niederdruck-Dampf gezogen aus dem Verdampfer und an den Kondensator mit hohem Druck geliefert werden. Die nächste Stufe des Systems ist der Kondensator, die wir ab einer Länge von Aluminiumrohre zu konstruieren. Bilden die Schläuche in einer Spule wickelte sie um einen 2,5 Zentimeter Durchmesser starre Kautschuk-Kern für vier Umdrehungen, und verwenden Sie dann eine Klemmverschraubung anfügen ein Ende an den offenen Port des t-Stücks, stromabwärts des Kompressors. Stellen Sie sicher zu installieren und die Anschlüsse zu Herstellerrichtlinien festziehen. Als nächstes installieren Sie ein kurzes Stück klar PVC-Rohr zwischen zwei Reduzierung Rohr Ellenbogen. Dies fungiert als Reservoir für die Hochdruck-Kältemittel, angeschlossen an den Auslass des Kondensator-Schläuche mit einem anderen Rohrverschraubung. Die nächste Stufe ist der Expander, aber dies ist auch ein bequemer Platz, um einen Ladeanschluss für füllen und entleeren Kältemittel hinzufügen. Konstruieren Sie den Ladeanschluss durch die Kombination einer A.N.S.A.E. Fackel fitting Connector mit einem Kugelhahn und ein weiteres Rohr t-Stück. Ein Nadelventil an einer Seite des Rohres Abschlag für die Erweiterung Gerät anschließen. Schließlich verwenden Sie ein weiteres Kapitel der Aluminiumrohre, um den Tiefpunkt des Stausees den dritten Hafen von Rohr-Tee herstellen. Der einzige verbleibende Abschnitt ist der Verdampfer. Bilden Sie eine zweite Spule Aluminiumrohr mit der gleichen Technik wie vor, und verbinden Sie es zwischen Nadelventil Outlet und Kompressor Einlass, die Kälte Schleife zu vervollständigen. Nun, da das System montiert ist, füllen Sie es mit Druckluft durch den Ladeanschluss, Lecks zu testen. Verwenden Sie eine Seifenwasser Spray keine undichten Verbindungen zu identifizieren und ggf. Reparaturen vornehmen. Schließlich verbinden Sie Thermoelemente an den Verflüssiger und Verdampfer Spulen zur Temperaturmessung. Sie sind jetzt bereit, zu berechnen und den Kühlschrank zu betreiben.

Aufladen erfolgt in zwei Schritten. Luft wird zunächst aus dem System evakuiert und Kältemittel wird dann hinzugefügt. Verbinden Sie den mittleren Port eines Kältemittels aufladen Verteiler, den Ladeanschluss auf dem Kühlschrank. Dann eine Vakuumpumpe an Niederdruck-Port des Verteilers und eine Dose des Kältemittels mit dem Hochdruck-Anschluss anschließen. Schließen Sie alle Ventile und schalten Sie dann die Vakuumpumpe. Öffnen Sie nach und nach aller System-Ventile, Luft aus dem System zu evakuieren. Nachdem die Luft aus dem System evakuiert wurden, öffnen Sie kurz das Kältemittel Kanister Ventil um alle Luft aus dem Kältemittel Linie zu löschen, und schließen Sie es dann erneut. Nun, da die Luft wurde evakuiert, isolieren Sie die Vakuumpumpe durch die Schließung des Niederdruck-Ports auf das Kältemittel aufladen Krümmer. Invertieren Sie der Kältemittel-Kanister und injizieren Sie flüssiges Kältemittel in das System zu, bis der Pegel in der Hochdruck-Reservoir leicht über dem Nadelventil Niveau steht. Der letzte Schritt ist das Nadelventil anpassen, bis es ist gerade noch öffnen und schließen Sie dann das Fahrrad Pumpe Schlauch an das Schrader-Ventil am Kompressor. Kühlschrank durch das Pumpen der Fahrradpumpe zu betreiben, wie Sie, die hohen und niedrigen Seite Drücke sowie die Verdampfer und Verflüssiger Temperaturen verfolgen. Steady-State-Bedingungen erreicht, zeichnen Sie diese Belastungen und Temperaturwerte auf Wenn Berichts Manometer, das Druck bezogen auf Atmosphäre Manometer, dann konvertieren Sie die Lesungen, Absolutdruck indem eine Atmosphäre an der Lesung.

Werfen Sie einen Blick auf die Performance-Ergebnisse für Ihren Kühlschrank. Zuerst vergleichen Sie die gemessenen Temperaturen an die entsprechenden Sättigung Temperatur des Kältemittels bei den gemessenen niedrigen und hohen drücken. In diesem Fall entsprechen die Messungen eng. Die Diskrepanz der Verdampfer-Temperatur kann durch Wärmeübertragung aus der Umgebungsluft an der Außenseite des das Thermoelement sein. Der Kondensator Temperatur entspricht innerhalb der experimentellen Toleranz, aber dies könnte auch erscheinen wärmer als erwartet, wenn das Thermoelement zu nahe gelegt wird das überhitztem Teil des Kondensators. Abschließend, dass die Analyse unter Angabe der Staat Punkte und ungefähre verbinden Kurven auf Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. Sie können sehen, dass das einfache System eingeschränkte Leistung mit geringen Kühlleistung und geringe Aufzug, im Vergleich zu kommerziellen Systemen ergibt. Da ein großer Teil der Eingabe Arbeit aufgewendet wird, komprimieren Luft in der Fahrradpumpe, werden Leistung mit einem geringeren Druck Kältemittel könnte. Darüber hinaus würde mit einem Expansionsventil, die eine größere Druckdifferenz beibehalten kann vorteilhaft sein. Die meisten kommerziellen Systeme beschäftigen ein Temperatur kontrollierte Expansionsventil, das seine Öffnung, um eine gewünschte Verdampfer Temperatur dynamisch anpasst. Nun, da wir der grundlegende Prozess analysiert haben, lassen Sie uns einige typischen Anwendungen.

Der Dampf-Kompression Zyklus ist die dominierende Kältetechnik in vielen gemeinsamen verwendet stellen Sie Geräte. Thermomanagements für Elektronik ist immer wichtiger als die Größe der Komponenten stetig abgenommen hat, während Forderungen nach Leistung und Geschwindigkeit gewachsen sind, geworden. Kühlung-super-Computer und andere Hochleistungs-Elektronik mit der Dampf-Kompression-Zyklus hat viele Vorteile gegenüber anderen Technologien. Der Dampf-Kompression Zyklus kann auch als Wärmepumpe verwendet werden. In diesem Modus ist Wärme in den Verdampfer aus Niedertemperatur-Umgebung erworben und dann an einen wärmeren klimatisierten Raum geliefert. Dies ist eine effiziente Art der Heizung im Vergleich zu direkten Widerstandsheizung, weil der Großteil der gelieferten Wärme wird der Umgebung entzogen, und nur ein kleiner Teil an den Kompressor als mechanische Arbeit geliefert wird.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Kälte- und dem Dome Dampf beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie der Dampf-Kompression Zyklus in Kälteanlagen umgesetzt wird und zum Analysieren der Leistung mit Temperatur-Entropie und Enthalpie Diagramme Druck. Danke fürs Zuschauen.

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