Introduction à la réfrigération

Mechanical Engineering

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Overview

Source : Alexander S Rattner et Christopher J Greer ; Département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

Cette expérience démontre les principes de réfrigération de compression de vapeur. Le cycle de compression de vapeur est la technologie dominante de réfrigération, dans la plupart les réfrigérateurs, les congélateurs, les systèmes de climatisation et les pompes à chaleur. Dans ce cycle, refroidissement (acquisition de chaleur) est réalisé avec une évaporation à basse pression de fluide frigorigène. Énergie thermique absorbé par évaporation est rejetée dans le milieu extérieur par condensation du fluide frigorigène à haute pression. Le travail mécanique est appliqué dans le compresseur pour élever le fluide de travail de basse à haute pression.

Alors que la technologie du froid est omniprésente, la dissimulation emballage et le fonctionnement autonome de la plupart des réfrigérateurs rend difficile à apprécier les principes de fonctionnement et les fonction des composantes clés. Dans cette expérience, un réfrigérateur de compression de vapeur rudimentaire est construit. Le compresseur est actionné manuellement avec une pompe à vélo, permettant l’appréciation intuitive du cycle de fonctionnement que l’expérimentateur devient partie intégrante du système. Des températures et des pressions de composant qui en résulte peuvent être interprétés comme les diagrammes thermodynamiques deh T-s et P-, qui capturent la variation des propriétés des fluides des États liquide-à-vapeur (pendant l’évaporation et la rosée).

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Introduction à la réfrigération. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Le cycle de compression de vapeur se compose de quatre éléments principaux : la vapeur compresseur, condenseur (rejet de chaleur haute température), détendeur et évaporateur (acquisition de chaleur basse température) (Fig. 1). Le cycle peut être décrite avec quatre points clés du gouvernement.

• 1 → 2: basse pression vapeur réfrigérant se jette dans le compresseur et est comprimé à la pression de haute pression.

• 2 → 3: sous pression vapeur de fluide frigorigène se condense à la phase liquide isobare (pression constante), rejet de chaleur dans le milieu extérieur.

• 3 → 4: liquide réfrigérant traverse la limitation isenthalpically de dispositif d’expansion (enthalpie constante), clignotant à un État en deux phases comme sa pression diminue. Il permet d’abaisser la température du réfrigérant à la température de saturation à la pression du côté bas.

• 4 → 1: fluide frigorigène basse température reçoit la chaleur provenant du milieu ambiant et continue de s’évaporer comme elle traverse l’évaporateur isobare.

Les transitions entre ces points d’État peuvent être tracées sur les diagrammes thermodynamiques. Dans ces température-entropie (T-s, Fig. 2 a) et de la pression-enthalpie (P-h, Fig. 2 b) diagrammes, le côté gauche de la coupole représente la phase liquide et la coté droit représente la phase vapeur. À l’intérieur de la coupole de la vapeur, le fluide est en deux phases et la température est fonction de la pression. Le transfert d’énergie vers ou à partir du système à chaque étape du processus peut être évalué par le changement d’enthalpie multiplié par le taux de débit massique de réfrigérant (changement positif : acquisition d’énergie, négative : rejet d’un environnement de chaleur). Envisager un représentant climatisation utilisant le réfrigérant R-134 a sous un débit de Equation 1 = 0,01 kg s-1 avec les valeurs suivantes du point État (tableau 1).

Tableau 1 - État du cycle de réfrigération représentatifs des points

Point Pression
(P, kPa)
Température
(T° C)
Enthalpie
(h, kJ kg-1)
Entropie
(s, kJ kg-1 K-1)
Qualité
(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

Ici, la capacité de refroidissement dans l’évaporateur est évaluée comme Equation 2 = 1,67 kW. L’entrée de travail du compresseur est Equation 3 = 0.31 kW. L’efficacité du système, ou coefficient de performance (COP), est Equation 4 = 5,4.

Figure 1
Figure 1 : Schéma du cycle de réfrigération compression vapor

Figure 2
Figure 2 : T - s (a) et Ph cycle de diagrammes (b) pour la compression de vapeur représentante R-134 a avec état points énumérés au tableau 1.

Procedure

ATTENTION : Cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation des fluides frigorigènes, qui peuvent devenir toxiques à des concentrations élevées. S’assurer que des précautions raisonnables sont respectées et que les EPI approprié est usée. Assurer une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des fluides frigorigènes.

1. fabrication de système de réfrigération (voir schéma et photo, Fig. 3)

  1. Construire le compresseur de la vapeur de la première connexion à un port d’un vérin pneumatique double effet pour un tee-shirt de raccord de tuyau. Installer une valve Schraeder sur l’autre port du vérin pneumatique. Installer unidirectionnel (clapets) pour les deux autres ports de la té un pointant vers l’intérieur et l’autre pointant vers l’extérieur. Cela permet de réfrigérant à être tirées l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression.
  2. En utilisant deux tees de tuyauterie plus, installer des jauges de pression en amont et en aval du compresseur.
  3. Une pompe à vélo haute pression sol sert à actionner le compresseur. Retirez le talon en caoutchouc (check valve composant) de la plomberie de pompe à vélo. Cela permettra le compresseur élargir et dessiner en fluide frigorigène entre coups de pompage. Connecter le tuyau de pompe à vélo à la valve Schraeder sur le compresseur.
  4. Former une mince bobine de tube aluminium (diamètre de 3,2 mm extérieur) d’agir comme le condenseur. Dans le système prototype (Fig. 3), la bobine a été formée en spirale enveloppant le tube d’aluminium autour d’un noyau de tube de caoutchouc rigide de diamètre 2,5 cm pour quatre tours (environ 50 cm de longueur totale). La longueur de bobine condensateur n’est pas critique pour cette expérience à petite échelle.
  5. Connectez une extrémité de la bobine condenseur à l’orifice ouvert du tuyau raccord té en aval de la jauge de pression à l’aide d’une raccord (partie #5272 K 291 a suggéré de McMaster Inc.) de compression.
  6. Installer un tuyau de PVC clair court dans deux coudes de tuyaux réductrice. Cette composante agira comme le réservoir de réfrigérant à haute pression. Relier le réservoir à la sortie du serpentin condenseur.
  7. Installer un robinet à boisseau sphérique dans un t tuyau avec un connecteur d’évasé AN/SAE. Ce sera le port de chargement. Connectez un compteur à aiguille sur un côté du té tuyau. Ce sera le détendeur. En utilisant le tube étroit en aluminium, connectez l’autre port du té tuyau jusqu’au bas du réservoir réfrigérant.
  8. Former une deuxième bobine de tube en aluminium d’agir comme l’évaporateur. Branchez sur cette entre l’entrée de prise et compresseur de soupape à pointeau.
  9. Remplir le système d’air comprimé (550 kPa si disponible) à travers le port de chargement. Un jet d’eau savonneuse permet d’identifier les éventuelles fuites de plomberie et effectuer les réparations nécessaires.
  10. Se connecter à thermocouples à des bobines condenseur et évaporateur pour mesurer la température.

Figure 3
Figure 3 : a. diagramme des composants et des connexions au système de réfrigération compression vapeur expérimentale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Cycle de réfrigération compression de vapeur T - s (a) et P - h b diagrammes pour expérimental R-134 a.

2. charger le circuit de réfrigération

  1. Connectez le port moyen du fluide frigorigène charger le collecteur pour le port de chargement sur le réfrigérateur. Connecter une pompe à vide pour le port de basse pression du collecteur et un bidon de réfrigérant au port à haute pression. R134a est le réfrigérant plus couramment disponible et est utilisé ici. R1234ze(E) peut être une meilleure option, car sa pression de saturation faible permettraient plus facile fonctionnement du compresseur, et sa faible GWP permettrait de réduire les impacts environnementaux des éventuelles fuites.
  2. Faire fonctionner la pompe de vide et de progressivement ouvrir toutes les vannes de système pour enlever tout l’air. Brièvement, ouvrir la vanne bac réfrigérant pour effacer tout l’air de l’Assemblée.
  3. Une fois que le vide est réalisé, isoler la pompe à vide et ferme le port à basse pression sur le fluide frigorigène charger collecteur. Inverser le bac réfrigérant et injecter le liquid réfrigérant dans le système jusqu'à ce que le niveau dans le réservoir à haute pression est légèrement au-dessus du niveau de la soupape à pointeau.

3. fonctionnement

  1. Ajuster la valve à aiguille jusqu'à ce qu’il est à peine ouvert.
  2. Fonctionner le réfrigérateur par pompage de la pompe à vélo reliée au vérin pneumatique compresseur.
  3. Suivre les côtés haute et basse pressions et les températures d’évaporateur et du condenseur jusqu'à ce que l’état d’équilibre est atteints. Enregistrer ces pressions et températures. Notez que la plupart manomètres pression gage de rapport. Cela peut être converti à la pression absolue en ajoutant environ 101 kPa.
  4. Indiquer les points d’État (1-4) et environ reliant les courbes sur les diagrammes de T-s et P-h (Fig. 4).

Systèmes de réfrigération sont omniprésents, et ils ont un impact énorme sur nos vies quotidiennes. N’importe quel moment vous conserver les aliments dans le réfrigérateur ou le congélateur, ou mettez l’air conditionné, vous mettez à utiliser les systèmes de réfrigération. Fondamentalement, la tâche de ces systèmes est d’éliminer la chaleur d’un réservoir froid et déposez-le dans un réservoir chaud, contre le sens naturel du flux de chaleur. La technologie dominante employée pour atteindre cet objectif est le cycle de compression de vapeur. Cette vidéo va montrer comment fonctionne le cycle de compression de vapeur et ensuite démontrer comment il est utilisé dans un coup de main simple système de réfrigération de Pompée. À la fin, il examine quelques applications supplémentaires.

Le cycle de compression de vapeur est un cycle thermodynamique, exécuté sur un fluide de travail, ou le fluide frigorigène, telle que la chaleur s’écoule dans le réfrigérant du réservoir froid et à la sortie du réfrigérant dans le réservoir chaud. Cela exige la circulation mécanique des transitions réfrigérant comme coordonnées de son état thermodynamique. Le cycle tire parti de la coupole de la vapeur, une région de l’espace de phase fluide frigorigène qui peut être vu dans l’entropie de la température et la pression des diagrammes d’enthalpie. Dans ces diagrammes, la région gauche indique la phase liquide, qui est partiellement délimitée par la ligne liquide saturée, et la région droite phase vapeur, qui est de la même façon délimitée par la canalisation de vapeur saturée. Les lignes de saturation se rencontrent au point critique, au-dessus de laquelle le fluide est super critique. Entre les lignes de la saturation, le fluide est à deux phases et la température est fonction de la pression indiquée par les isothermes sur le diagramme enthalpique de pression. Dans cette région, la température et la pression ne peut pas varier indépendant des uns des autres, pour chaque valeur de pression indique une température. Par conséquent, la température d’un mélange des deux phases est réglable en changeant la pression. Dans cet esprit, examinons le cycle de compression de vapeur. À des fins d’illustration, supposons que r-134 a est le fluide frigorigène et un débit massique de 0,01 kilogramme par seconde. Il y a quatre étapes dans le cycle : évaporation, condensation, extension et compression. Chacun décrit une transition entre les points clés séjour du réfrigérant. Lors de la compression, vapeur basse pression entre le compresseur et main-d'oeuvre vers le compresseur est utilisé pour pressuriser le réfrigérant. Après avoir quitté le compresseur, passe de la vapeur à haute pression vers le condenseur, ici, la chaleur est rejetée vers le réservoir chaud environnant comme le fluide frigorigène se condense isobare. Le réfrigérant à haute pression maintenant en phase liquide, puis traverse un détendeur limitation. Le liquide étend isentropically lors du passage et que c’est des chutes de pression, clignote à un État en deux temps et chute à une température plus basse. Dans la dernière étape, le fluide frigorigène basse température entre l’évaporateur et absorbe la chaleur du réservoir froid. Cela conduit isobare évaporation comme le réfrigérant traverse. Le cycle est terminé lorsque la vapeur de basse pression réfrigérant retourne vers le compresseur. Dans cet exemple, la capacité de refroidissement de l’évaporateur est de 1,67 kilowatts, et l’entrée de travail du compresseur est de 0,31 kilowatts, ainsi le coefficient de performance, l’efficacité du système, est de 5,4. Maintenant que vous comprenez comment fonctionne le cycle, nous allons construire et analyser un réfrigérateur simple pour afficher ces principes en action.

Attention, cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation de réfrigérants qui peuvent s’avérer dangereux à des concentrations élevées. Toujours suivre les précautions raisonnables et porter un équipement de protection individuelle approprié. Assurer une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des fluides frigorigènes. Commencer la construction du système réfrigérateur avec compresseur vapeur. Installer une vanne Schrader sur un port d’un vérin pneumatique double effet et branchez un tee-shirt de raccord de tuyau pour l’autre port. Fixez les clapets sur les deux ports restants du té, afin qu’une pointe vers l’intérieur et les autres points vers l’extérieur. Cette configuration permettra à réfrigérant à être tirées l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression. Le compresseur va être actionné par une pompe à étage vélo mis à jour le haute pression. Supprimer le composant en caoutchouc perle check valve de la plomberie de pompe à vélo. Cela permettra le compresseur élargir et dessiner en fluide frigorigène entre coups de pompage. Installer les tees de raccord de tuyau avec jauges de pression sur les deux côtés du compresseur, afin que la pression en amont et en aval peut être surveillée. Le tee raccords sont reliés par des clapets, qui permettent seulement l’écoulement dans un seul sens. Quand le piston est étendu, le clapet de gauche permet afflux de l’évaporateur à basse pression pour le volume de compresseur. Lorsque le piston est enfoncé, la vapeur est pressurisée et forcée à travers la soupape droite au réfrigérant à haute pression. En tournant le piston, un flux continu de vapeur basse pression peut tiré de l’évaporateur et remis au condensateur à haute pression. La prochaine étape du système est le condenseur, qui nous construirons de tube en aluminium. Former le tube dans une bobine, en l’enroulant autour d’un noyau de caoutchouc rigide de diamètre 2,5 centimètre pendant quatre tours et puis, utilisez une raccord pour attacher une extrémité à l’orifice ouvert du té, de compression en aval du compresseur. Veillez à installer et serrer les raccords aux instructions du fabricant. Installer ensuite une courte longueur de tuyau en PVC clair entre deux réduisant les coudes de tuyaux. Ceci agira comme le réservoir pour le réfrigérant à haute pression, branché sur la prise de la tubulure de condenseur avec un autre raccord à compression. La prochaine étape est le contrôle expander, mais c’est aussi un endroit commode pour ajouter un port de chargement pour le remplissage et la vidange du réfrigérant. Construire le port de chargement en combinant une A.N.S.A.E. évasé connecteur avec une vanne à bille et un autre tuyau tee. Connectez un pointeau sur un côté du té tuyau pour le détendeur. Enfin, utilisez une autre section de tube en aluminium pour connecter le troisième port du té tuyau jusqu’au bas du réservoir. La seule partie restante est l’évaporateur. Former une deuxième bobine de tube en aluminium, en utilisant la même technique qu’avant et branchez-le entre l’entrée de prise et compresseur de soupape à pointeau, pour terminer la boucle de réfrigération. Maintenant que le système est assemblé, remplissez-le avec l’air comprimé dans le port de chargement pour tester la présence de fuites. Utiliser un jet d’eau savonneuse pour identifier toutes les connexions qui fuites et effectuer les réparations nécessaires. Enfin, connectez thermocouples à des bobines condenseur et évaporateur pour mesurer la température. Vous êtes maintenant prêt à recharger et faire fonctionner le réfrigérateur.

Charge est un processus en deux étapes. Air est tout d’abord évacué du système et le fluide frigorigène est ensuite ajouté. Connectez le port moyen du fluide frigorigène charger collecteur, pour le port de chargement sur le réfrigérateur. Connectez ensuite une pompe à vide pour le port de basse pression du collecteur et un bidon de réfrigérant au port à haute pression. Fermer toutes les vannes et tourner sur la pompe à vide. Peu à peu ouvrir toutes les vannes du système pour évacuer l’air du système. Après que l’air a été évacué du système, ouvrez brièvement la vanne bac réfrigérant pour effacer n’importe quel air de la conduite de réfrigérant et puis le refermer. Maintenant que tout l’air a été évacué, isoler la pompe à vide en fermant le port de basse pression sur le fluide frigorigène charger collecteur. Inverser le bac réfrigérant et injecter le liquid réfrigérant dans le système jusqu'à ce que le niveau du réservoir haute pression est légèrement au-dessus du niveau de la soupape à pointeau. La dernière étape consiste à ajuster la valve à aiguille jusqu'à ce qu’il est à peine ouvert et puis connectez le tuyau de pompe à vélo à la valve Schrader sur le compresseur. Faire fonctionner le réfrigérateur par pompage de la pompe à vélo, car vous faire, suivre les pressions latérales hautes et basses ainsi que la température de l’évaporateur et du condenseur. Lorsque l’état d’équilibre est atteints, enregistre ces pressions et températures. Si le rapport de jauges de pression, c’est la pression par rapport à l’atmosphère, manométrique alors convertir les lectures de pression absolue en ajoutant une ambiance à la lecture.

Jetez un oeil à des résultats de performance pour votre réfrigérateur. Tout d’abord, comparer les températures mesurées à la température de saturation correspondant du réfrigérant dans les basses et hautes pressions mesurées. Dans ce cas, les mesures correspondent étroitement. L’écart de la température de l’évaporateur peut résulter d’un transfert de chaleur de l’air ambiant à l’extérieur du thermocouple. Correspond à la température du condenseur à tolérances expérimentale, mais cela pourrait aussi apparaître plus chaud que prévu si le thermocouple est placé trop près de la partie super chauffée du condenseur. Terminer l’analyse en indiquant les points de l’Etat et environ reliant les courbes sur l’entropie de la température et pression des diagrammes de l’enthalpie. Vous pouvez voir que le simple système entraîne des performances limitées avec capacité de refroidissement faible et petite levée, par rapport aux systèmes commerciaux. Puisqu’une grande partie du travail d’entrée est vide de compression d’air dans la pompe à vélo, on pourrait améliorer les performances avec un réfrigérant de pression plus faible. En outre, à l’aide d’une valve d’expansion qui peut maintenir une différence de pression plus grande serait bénéfique. Plupart des systèmes commerciaux emploient une soupape d’expansion contrôlée température, qui ajuste dynamiquement son ouverture pour maintenir une température de l’évaporateur désirée. Maintenant que nous avons analysé le processus de base, permet de regarder d’autres applications typiques.

Le cycle de compression de vapeur est la technologie de réfrigération dominante utilisée en commun bien placer les périphériques. Thermomanagement pour l’électronique a pris une importance croissante comme la taille des composants a cessé de diminuer, tandis que les demandes de puissance et de vitesse ont augmenté. Refroidissement des super ordinateurs et autres appareils haute tension électroniques utilisant le cycle de compression de vapeur, a de nombreux avantages par rapport aux autres technologies. Le cycle de compression de vapeur peut aussi être utilisé comme une pompe à chaleur. Dans ce mode, la chaleur est acquis dans l’évaporateur provenant des environs de basse température et ensuite livrée à un espace climatisé chaud. Il peut s’agir d’un mode de chauffage par rapport à chauffage direct de résistance, car la plupart de la chaleur livrée est tirée de l’environnement, et seulement une petite partie est fournie au compresseur comme travail mécanique efficace.

Vous avez juste regardé introduction de Jove au froid et le dôme de vapeur. Vous devez maintenant comprendre comment le cycle de compression de vapeur est implémenté dans les systèmes de réfrigération et comment analyser les performances à l’aide d’entropie de la température et la pression des diagrammes d’enthalpie. Merci de regarder.

Results

P haute 659 ± 7 kPa
P faible 569 ± 7 kPa
T ambiante 22,0 ± 1 °C
T cond 25,0 ± 1 °C T Sam, R-134 a (Pélevé) 24.7 ± 0.3 °C
T EVAP 21.1 ± 1°C T Sam, R-134 a (Pfaible) 19,8 ± 0.4 °C

Le tableau 2. Système de réfrigération propriétés mesurées.

Mesurée température de surface extérieure condenseur et évaporateur est relativement proche de la température de saturation at Phaute et Pfaible. La température de l’évaporateur est légèrement supérieure à Tassis, R-134 a (Pfaible), peut-être en raison de transfert de chaleur de l’air ambiant à l’extérieur thermocouple. La température du condenseur est légèrement supérieure à Tassis, R-134 a (Pfaible), mais au sein de l’incertitude expérimentale. Cette température peut également être mesurée dans la partie plus chaude surchauffée du condenseur.

Approximative de T-s et P-h diagrammes de cycle pour ce système sont présentés sur la Fig. 4.

Applications and Summary

Cette expérience a démontré les principes de réfrigération de compression de vapeur. Certes, le système expérimental entraîne des performances limitées - avec une faible capacité de refroidissement (Qevap) et la petite levée (différence de température évaporateur à-de l’air ambiant). Cependant, il offre une introduction intuitive à la conception et de la physique de la compression de vapeur. Les étapes de l’analyse de données illustrent l’utilisation de T-s et P-h diagrammes pour décrire la thermodynamique cycle de fonctionnement.

Une grande partie du travail d’entrée est dépensée dans la compression d’air dans la pompe à vélo. À l’aide d’un réfrigérant de pression plus faible (par exemple, R1234ze(E)) réduirait ce travail et peuvent permettre de plus grandes différences de température évaporateur-à-condenseur. En outre, le détendeur employé ici pourrait maintenir seulement des différences de pression relativement petit côté de faible à élevé. Une autre vanne avec commande de réglage plus fin peut être préférable. Dans la plupart des systèmes de réfrigération, une soupape d’expansion contrôlée de la température (TXV) est utilisée, qui ajuste de façon dynamique son ouverture pour maintenir une température de l’évaporateur désirée.

Le cycle de compression de vapeur est la technologie de réfrigération plus largement utilisé. On le trouve dans presque tous les conditionneurs d’air domestiques ainsi que les réfrigérants à échelle industrielle et les réfrigérateurs et les congélateurs. Le cycle peut être également utilisé comme une pompe à chaleur. Dans ce mode, il acquiert la chaleur dans l’évaporateur de l’environnement de basse température et le remet à un espace climatisé chaud. Il peut s’agir d’un mode de chauffage par rapport à la résistance directe parce que la plupart de la chaleur livrée est tirée de l’environnement et seule une petite partie est fournie à compresseur travail mécanique de chauffage efficace.

Cette expérience illustre également l’utilisation de diagrammes thermodynamiques deh T-s et P. Ce sont des outils essentiels pour l’analyse et ingénierie des nombreux systèmes énergétiques, y compris les opérations de traitement chimique, les cycles de réfrigération et production d’électricité.

ATTENTION : Cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation des fluides frigorigènes, qui peuvent devenir toxiques à des concentrations élevées. S’assurer que des précautions raisonnables sont respectées et que les EPI approprié est usée. Assurer une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des fluides frigorigènes.

1. fabrication de système de réfrigération (voir schéma et photo, Fig. 3)

  1. Construire le compresseur de la vapeur de la première connexion à un port d’un vérin pneumatique double effet pour un tee-shirt de raccord de tuyau. Installer une valve Schraeder sur l’autre port du vérin pneumatique. Installer unidirectionnel (clapets) pour les deux autres ports de la té un pointant vers l’intérieur et l’autre pointant vers l’extérieur. Cela permet de réfrigérant à être tirées l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression.
  2. En utilisant deux tees de tuyauterie plus, installer des jauges de pression en amont et en aval du compresseur.
  3. Une pompe à vélo haute pression sol sert à actionner le compresseur. Retirez le talon en caoutchouc (check valve composant) de la plomberie de pompe à vélo. Cela permettra le compresseur élargir et dessiner en fluide frigorigène entre coups de pompage. Connecter le tuyau de pompe à vélo à la valve Schraeder sur le compresseur.
  4. Former une mince bobine de tube aluminium (diamètre de 3,2 mm extérieur) d’agir comme le condenseur. Dans le système prototype (Fig. 3), la bobine a été formée en spirale enveloppant le tube d’aluminium autour d’un noyau de tube de caoutchouc rigide de diamètre 2,5 cm pour quatre tours (environ 50 cm de longueur totale). La longueur de bobine condensateur n’est pas critique pour cette expérience à petite échelle.
  5. Connectez une extrémité de la bobine condenseur à l’orifice ouvert du tuyau raccord té en aval de la jauge de pression à l’aide d’une raccord (partie #5272 K 291 a suggéré de McMaster Inc.) de compression.
  6. Installer un tuyau de PVC clair court dans deux coudes de tuyaux réductrice. Cette composante agira comme le réservoir de réfrigérant à haute pression. Relier le réservoir à la sortie du serpentin condenseur.
  7. Installer un robinet à boisseau sphérique dans un t tuyau avec un connecteur d’évasé AN/SAE. Ce sera le port de chargement. Connectez un compteur à aiguille sur un côté du té tuyau. Ce sera le détendeur. En utilisant le tube étroit en aluminium, connectez l’autre port du té tuyau jusqu’au bas du réservoir réfrigérant.
  8. Former une deuxième bobine de tube en aluminium d’agir comme l’évaporateur. Branchez sur cette entre l’entrée de prise et compresseur de soupape à pointeau.
  9. Remplir le système d’air comprimé (550 kPa si disponible) à travers le port de chargement. Un jet d’eau savonneuse permet d’identifier les éventuelles fuites de plomberie et effectuer les réparations nécessaires.
  10. Se connecter à thermocouples à des bobines condenseur et évaporateur pour mesurer la température.

Figure 3
Figure 3 : a. diagramme des composants et des connexions au système de réfrigération compression vapeur expérimentale. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Cycle de réfrigération compression de vapeur T - s (a) et P - h b diagrammes pour expérimental R-134 a.

2. charger le circuit de réfrigération

  1. Connectez le port moyen du fluide frigorigène charger le collecteur pour le port de chargement sur le réfrigérateur. Connecter une pompe à vide pour le port de basse pression du collecteur et un bidon de réfrigérant au port à haute pression. R134a est le réfrigérant plus couramment disponible et est utilisé ici. R1234ze(E) peut être une meilleure option, car sa pression de saturation faible permettraient plus facile fonctionnement du compresseur, et sa faible GWP permettrait de réduire les impacts environnementaux des éventuelles fuites.
  2. Faire fonctionner la pompe de vide et de progressivement ouvrir toutes les vannes de système pour enlever tout l’air. Brièvement, ouvrir la vanne bac réfrigérant pour effacer tout l’air de l’Assemblée.
  3. Une fois que le vide est réalisé, isoler la pompe à vide et ferme le port à basse pression sur le fluide frigorigène charger collecteur. Inverser le bac réfrigérant et injecter le liquid réfrigérant dans le système jusqu'à ce que le niveau dans le réservoir à haute pression est légèrement au-dessus du niveau de la soupape à pointeau.

3. fonctionnement

  1. Ajuster la valve à aiguille jusqu'à ce qu’il est à peine ouvert.
  2. Fonctionner le réfrigérateur par pompage de la pompe à vélo reliée au vérin pneumatique compresseur.
  3. Suivre les côtés haute et basse pressions et les températures d’évaporateur et du condenseur jusqu'à ce que l’état d’équilibre est atteints. Enregistrer ces pressions et températures. Notez que la plupart manomètres pression gage de rapport. Cela peut être converti à la pression absolue en ajoutant environ 101 kPa.
  4. Indiquer les points d’État (1-4) et environ reliant les courbes sur les diagrammes de T-s et P-h (Fig. 4).

Systèmes de réfrigération sont omniprésents, et ils ont un impact énorme sur nos vies quotidiennes. N’importe quel moment vous conserver les aliments dans le réfrigérateur ou le congélateur, ou mettez l’air conditionné, vous mettez à utiliser les systèmes de réfrigération. Fondamentalement, la tâche de ces systèmes est d’éliminer la chaleur d’un réservoir froid et déposez-le dans un réservoir chaud, contre le sens naturel du flux de chaleur. La technologie dominante employée pour atteindre cet objectif est le cycle de compression de vapeur. Cette vidéo va montrer comment fonctionne le cycle de compression de vapeur et ensuite démontrer comment il est utilisé dans un coup de main simple système de réfrigération de Pompée. À la fin, il examine quelques applications supplémentaires.

Le cycle de compression de vapeur est un cycle thermodynamique, exécuté sur un fluide de travail, ou le fluide frigorigène, telle que la chaleur s’écoule dans le réfrigérant du réservoir froid et à la sortie du réfrigérant dans le réservoir chaud. Cela exige la circulation mécanique des transitions réfrigérant comme coordonnées de son état thermodynamique. Le cycle tire parti de la coupole de la vapeur, une région de l’espace de phase fluide frigorigène qui peut être vu dans l’entropie de la température et la pression des diagrammes d’enthalpie. Dans ces diagrammes, la région gauche indique la phase liquide, qui est partiellement délimitée par la ligne liquide saturée, et la région droite phase vapeur, qui est de la même façon délimitée par la canalisation de vapeur saturée. Les lignes de saturation se rencontrent au point critique, au-dessus de laquelle le fluide est super critique. Entre les lignes de la saturation, le fluide est à deux phases et la température est fonction de la pression indiquée par les isothermes sur le diagramme enthalpique de pression. Dans cette région, la température et la pression ne peut pas varier indépendant des uns des autres, pour chaque valeur de pression indique une température. Par conséquent, la température d’un mélange des deux phases est réglable en changeant la pression. Dans cet esprit, examinons le cycle de compression de vapeur. À des fins d’illustration, supposons que r-134 a est le fluide frigorigène et un débit massique de 0,01 kilogramme par seconde. Il y a quatre étapes dans le cycle : évaporation, condensation, extension et compression. Chacun décrit une transition entre les points clés séjour du réfrigérant. Lors de la compression, vapeur basse pression entre le compresseur et main-d'oeuvre vers le compresseur est utilisé pour pressuriser le réfrigérant. Après avoir quitté le compresseur, passe de la vapeur à haute pression vers le condenseur, ici, la chaleur est rejetée vers le réservoir chaud environnant comme le fluide frigorigène se condense isobare. Le réfrigérant à haute pression maintenant en phase liquide, puis traverse un détendeur limitation. Le liquide étend isentropically lors du passage et que c’est des chutes de pression, clignote à un État en deux temps et chute à une température plus basse. Dans la dernière étape, le fluide frigorigène basse température entre l’évaporateur et absorbe la chaleur du réservoir froid. Cela conduit isobare évaporation comme le réfrigérant traverse. Le cycle est terminé lorsque la vapeur de basse pression réfrigérant retourne vers le compresseur. Dans cet exemple, la capacité de refroidissement de l’évaporateur est de 1,67 kilowatts, et l’entrée de travail du compresseur est de 0,31 kilowatts, ainsi le coefficient de performance, l’efficacité du système, est de 5,4. Maintenant que vous comprenez comment fonctionne le cycle, nous allons construire et analyser un réfrigérateur simple pour afficher ces principes en action.

Attention, cette expérience implique des systèmes à des pressions élevées et l’utilisation de réfrigérants qui peuvent s’avérer dangereux à des concentrations élevées. Toujours suivre les précautions raisonnables et porter un équipement de protection individuelle approprié. Assurer une ventilation adéquate lorsque vous travaillez avec des fluides frigorigènes. Commencer la construction du système réfrigérateur avec compresseur vapeur. Installer une vanne Schrader sur un port d’un vérin pneumatique double effet et branchez un tee-shirt de raccord de tuyau pour l’autre port. Fixez les clapets sur les deux ports restants du té, afin qu’une pointe vers l’intérieur et les autres points vers l’extérieur. Cette configuration permettra à réfrigérant à être tirées l’évaporateur et expulsé vers le condenseur à haute pression. Le compresseur va être actionné par une pompe à étage vélo mis à jour le haute pression. Supprimer le composant en caoutchouc perle check valve de la plomberie de pompe à vélo. Cela permettra le compresseur élargir et dessiner en fluide frigorigène entre coups de pompage. Installer les tees de raccord de tuyau avec jauges de pression sur les deux côtés du compresseur, afin que la pression en amont et en aval peut être surveillée. Le tee raccords sont reliés par des clapets, qui permettent seulement l’écoulement dans un seul sens. Quand le piston est étendu, le clapet de gauche permet afflux de l’évaporateur à basse pression pour le volume de compresseur. Lorsque le piston est enfoncé, la vapeur est pressurisée et forcée à travers la soupape droite au réfrigérant à haute pression. En tournant le piston, un flux continu de vapeur basse pression peut tiré de l’évaporateur et remis au condensateur à haute pression. La prochaine étape du système est le condenseur, qui nous construirons de tube en aluminium. Former le tube dans une bobine, en l’enroulant autour d’un noyau de caoutchouc rigide de diamètre 2,5 centimètre pendant quatre tours et puis, utilisez une raccord pour attacher une extrémité à l’orifice ouvert du té, de compression en aval du compresseur. Veillez à installer et serrer les raccords aux instructions du fabricant. Installer ensuite une courte longueur de tuyau en PVC clair entre deux réduisant les coudes de tuyaux. Ceci agira comme le réservoir pour le réfrigérant à haute pression, branché sur la prise de la tubulure de condenseur avec un autre raccord à compression. La prochaine étape est le contrôle expander, mais c’est aussi un endroit commode pour ajouter un port de chargement pour le remplissage et la vidange du réfrigérant. Construire le port de chargement en combinant une A.N.S.A.E. évasé connecteur avec une vanne à bille et un autre tuyau tee. Connectez un pointeau sur un côté du té tuyau pour le détendeur. Enfin, utilisez une autre section de tube en aluminium pour connecter le troisième port du té tuyau jusqu’au bas du réservoir. La seule partie restante est l’évaporateur. Former une deuxième bobine de tube en aluminium, en utilisant la même technique qu’avant et branchez-le entre l’entrée de prise et compresseur de soupape à pointeau, pour terminer la boucle de réfrigération. Maintenant que le système est assemblé, remplissez-le avec l’air comprimé dans le port de chargement pour tester la présence de fuites. Utiliser un jet d’eau savonneuse pour identifier toutes les connexions qui fuites et effectuer les réparations nécessaires. Enfin, connectez thermocouples à des bobines condenseur et évaporateur pour mesurer la température. Vous êtes maintenant prêt à recharger et faire fonctionner le réfrigérateur.

Charge est un processus en deux étapes. Air est tout d’abord évacué du système et le fluide frigorigène est ensuite ajouté. Connectez le port moyen du fluide frigorigène charger collecteur, pour le port de chargement sur le réfrigérateur. Connectez ensuite une pompe à vide pour le port de basse pression du collecteur et un bidon de réfrigérant au port à haute pression. Fermer toutes les vannes et tourner sur la pompe à vide. Peu à peu ouvrir toutes les vannes du système pour évacuer l’air du système. Après que l’air a été évacué du système, ouvrez brièvement la vanne bac réfrigérant pour effacer n’importe quel air de la conduite de réfrigérant et puis le refermer. Maintenant que tout l’air a été évacué, isoler la pompe à vide en fermant le port de basse pression sur le fluide frigorigène charger collecteur. Inverser le bac réfrigérant et injecter le liquid réfrigérant dans le système jusqu'à ce que le niveau du réservoir haute pression est légèrement au-dessus du niveau de la soupape à pointeau. La dernière étape consiste à ajuster la valve à aiguille jusqu'à ce qu’il est à peine ouvert et puis connectez le tuyau de pompe à vélo à la valve Schrader sur le compresseur. Faire fonctionner le réfrigérateur par pompage de la pompe à vélo, car vous faire, suivre les pressions latérales hautes et basses ainsi que la température de l’évaporateur et du condenseur. Lorsque l’état d’équilibre est atteints, enregistre ces pressions et températures. Si le rapport de jauges de pression, c’est la pression par rapport à l’atmosphère, manométrique alors convertir les lectures de pression absolue en ajoutant une ambiance à la lecture.

Jetez un oeil à des résultats de performance pour votre réfrigérateur. Tout d’abord, comparer les températures mesurées à la température de saturation correspondant du réfrigérant dans les basses et hautes pressions mesurées. Dans ce cas, les mesures correspondent étroitement. L’écart de la température de l’évaporateur peut résulter d’un transfert de chaleur de l’air ambiant à l’extérieur du thermocouple. Correspond à la température du condenseur à tolérances expérimentale, mais cela pourrait aussi apparaître plus chaud que prévu si le thermocouple est placé trop près de la partie super chauffée du condenseur. Terminer l’analyse en indiquant les points de l’Etat et environ reliant les courbes sur l’entropie de la température et pression des diagrammes de l’enthalpie. Vous pouvez voir que le simple système entraîne des performances limitées avec capacité de refroidissement faible et petite levée, par rapport aux systèmes commerciaux. Puisqu’une grande partie du travail d’entrée est vide de compression d’air dans la pompe à vélo, on pourrait améliorer les performances avec un réfrigérant de pression plus faible. En outre, à l’aide d’une valve d’expansion qui peut maintenir une différence de pression plus grande serait bénéfique. Plupart des systèmes commerciaux emploient une soupape d’expansion contrôlée température, qui ajuste dynamiquement son ouverture pour maintenir une température de l’évaporateur désirée. Maintenant que nous avons analysé le processus de base, permet de regarder d’autres applications typiques.

Le cycle de compression de vapeur est la technologie de réfrigération dominante utilisée en commun bien placer les périphériques. Thermomanagement pour l’électronique a pris une importance croissante comme la taille des composants a cessé de diminuer, tandis que les demandes de puissance et de vitesse ont augmenté. Refroidissement des super ordinateurs et autres appareils haute tension électroniques utilisant le cycle de compression de vapeur, a de nombreux avantages par rapport aux autres technologies. Le cycle de compression de vapeur peut aussi être utilisé comme une pompe à chaleur. Dans ce mode, la chaleur est acquis dans l’évaporateur provenant des environs de basse température et ensuite livrée à un espace climatisé chaud. Il peut s’agir d’un mode de chauffage par rapport à chauffage direct de résistance, car la plupart de la chaleur livrée est tirée de l’environnement, et seulement une petite partie est fournie au compresseur comme travail mécanique efficace.

Vous avez juste regardé introduction de Jove au froid et le dôme de vapeur. Vous devez maintenant comprendre comment le cycle de compression de vapeur est implémenté dans les systèmes de réfrigération et comment analyser les performances à l’aide d’entropie de la température et la pression des diagrammes d’enthalpie. Merci de regarder.

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