Soğutmaya Giriş
Kaynak: Alexander S. Rattner ve Christopher J Greer; Makine ve Nükleer Mühendislik Bölümü, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi, University Park, PA
Bu de…
Dikkat: Bu deney, yüksek basınçtaki sistemleri ve yüksek konsantrasyonlarda toksik olabilen soğutucu akışkanların kullanımını içerir. Makul güvenlik önlemlerine uyulduğundan ve uygun KKD'nin giyildiğinden emin olun. Soğutucu akışkanlarla çalışırken yeterli havalandırma sağlayın.
1. Soğutma sistemi imalatı (şema ve fotoğrafa bakın, Şekil 3)
- Buhar kompresörünü, önce çift etkili bir pnömatik silindirin bir portunu bir boru bağlantı teesine bağlayarak oluşturun. Pnömatik silindirin diğer portuna bir Schraeder valfi takın. Tişörtün diğer iki portuna, biri içeriye ve diğeri dışa bakacak şekilde tek yönlü (kontrol) valfler takın. Bu, soğutucu akışkanın evaporatörden içeri çekilmesine ve yüksek basınçta kondansatöre atılmasına izin verir.
- İki boru bağlantı teli daha kullanarak, kompresörün yukarı ve aşağı akışında basınç ölçerler takın.
- Kompresörü harekete geçirmek için yüksek basınçlı bir bisiklet zemin pompası kullanılır. Lastik boncuğu (çek valf bileşeni) bisiklet pompası tesisatından çıkarın. Bu, kompresörün pompalama strokları arasında genleşmesine ve soğutucu akışkanı çekmesine izin verecektir. Bisiklet pompası hortumunu kompresör üzerindeki Schraeder valfine bağlayın.
- Kondenser görevi görmesi için ince (3,2 mm dış çaplı) bir alüminyum boru bobini oluşturun. Prototip sistemde (Şekil 3), bobin, alüminyum borunun 2,5 cm çapında sert bir kauçuk boru çekirdeğinin etrafına dört tur (~50 cm toplam uzunluk) sarmal olarak sarılmasıyla oluşturulmuştur. Kondansatör bobini uzunluğu bu küçük ölçekli deney için kritik değildir.
- Kondenser bobininin bir ucunu, bir sıkıştırma fitingi kullanarak basınç ölçerin aşağısındaki boru bağlantı tee'sinin açık portuna bağlayın (McMaster Inc. parça #5272K291 önerilir).
- İki redüksiyon borusu dirseğine kısa şeffaf bir PVC boru takın. Bu bileşen, yüksek basınçlı soğutucu akışkan rezervuarı görevi görecektir. Rezervuarı kondenser borusunun çıkışına bağlayın.
- AN/SAE havşalı bağlantı konektörü ile bir boru tee'sine bir küresel vana takın. Bu şarj portu olacaktır. Boru tee'nin bir tarafına bir iğne akış ölçer bağlayın. Bu genişletme cihazı olacaktır. Dar alüminyum boruyu kullanarak, boru tee'nin diğer portunu soğutucu akışkan rezervuarının alçak noktasına bağlayın.
- Evaporatör görevi görecek ikinci bir alüminyum boru bobini oluşturun. Bunu iğne valf çıkışı ile kompresör girişi arasına bağlayın.
- Sistemi şarj portu aracılığıyla basınçlı hava (varsa 550 kPa) ile doldurun. Sıhhi tesisat sızıntılarını tespit etmek için sabunlu su spreyi kullanın ve gerekirse onarım yapın.
- Sıcaklık ölçümü için termokuplları kondenser ve evaporatör serpantinlerine bağlayın.
Şekil 3: a. Deneysel buhar sıkıştırmalı soğutma sistemindeki bileşenlerin ve bağlantıların şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: T - s (a) ve P - h (b) deneysel R-134a buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi diyagramları.
2. Soğutma sisteminin şarj edilmesi
- Bir soğutucu şarj manifoldunun orta portunu buzdolabındaki şarj portuna bağlayın. Manifoldun düşük basınç portuna bir vakum pompası ve yüksek basınç portuna bir kutu soğutucu bağlayın. R134a en yaygın olarak bulunan soğutucu akışkandır ve burada kullanılır. R1234ze(E) daha iyi bir seçenek olabilir çünkü düşük doygunluk basıncı kompresörün daha kolay çalışmasına olanak tanır ve düşük GWP'si herhangi bir sızıntının çevresel etkilerini azaltır.
- Vakum pompasını çalıştırın ve tüm havayı çıkarmak için tüm sistem valflerini kademeli olarak açın. Tertibattaki havayı temizlemek için soğutucu bidonu valfini kısaca açın.
- Vakum elde edildiğinde, vakum pompasını izole edin ve soğutucu şarj manifoldundaki düşük basınç portunu kapatın. Soğutucu bidonunu ters çevirin ve yüksek basınç rezervuarındaki seviye iğneli valf seviyesinin biraz üzerine çıkana kadar sisteme sıvı soğutucu enjekte edin.
3. Operasyon
- İğne valfini zar zor açılana kadar ayarlayın.
- Kompresör pnömatik silindirine bağlı bisiklet pompasını pompalayarak buzdolabını çalıştırın.
- Kararlı durum koşullarına ulaşılana kadar yüksek ve düşük taraf basınçlarını ve evaporatör ve kondenser sıcaklıklarını takip edin. Bu basınçları ve sıcaklık değerlerini kaydedin. Çoğu basınç göstergesinin gösterge basıncını bildirdiğini unutmayın. Bu, yaklaşık 101 kPa eklenerek mutlak basınca dönüştürülebilir.
- T-s ve P-h diyagramlarında durum noktalarını (1-4) ve yaklaşık bağlantı eğrilerini belirtin (Şekil 4).
Soğutma sistemleri her yerde bulunur ve günlük yaşamlarımız üzerinde çok büyük bir etkiye sahiptir. Yiyecekleri buzdolabında veya derin dondurucuda sakladığınızda veya klimayı her açtığınızda, soğutma sistemlerini kullanıyorsunuz. Temel olarak, bu sistemlerin görevi, ısıyı soğuk bir rezervuardan uzaklaştırmak ve doğal ısı akış yönüne karşı ılık bir rezervuarda biriktirmektir. Bunu başarmak için kullanılan baskın teknoloji, buhar sıkıştırma döngüsüdür. Bu video, buhar sıkıştırma döngüsünün nasıl çalıştığını gösterecek ve ardından basit bir elle pompalanan soğutma sisteminde nasıl kullanıldığını gösterecektir. Sonunda, birkaç ek uygulama tartışılacaktır.
Buhar sıkıştırma çevrimi, ısının soğuk rezervuardan soğutucu akışkana ve soğutucu akışkandan sıcak rezervuara akacağı şekilde çalışan bir akışkan veya soğutucu akışkan üzerinde gerçekleştirilen termodinamik bir çevrimdir. Bu, soğutucu akışkanın mekanik sirkülasyonunun yanı sıra termodinamik durumunun koordineli geçişlerini gerektirir. Çevrim, sıcaklık entropisi ve basınç entalpisi diyagramlarında görülebilen soğutucu faz uzayının bir bölgesi olan buhar kubbesinden yararlanır. Bu diyagramlarda, sol bölge, kısmen doymuş sıvı hattı ile sınırlanan sıvı fazını gösterir ve sağ bölge, doymuş buhar hattı tarafından benzer şekilde sınırlanan buhar fazını gösterir. Doygunluk çizgileri, sıvının çok kritik olduğu kritik noktada buluşur. Doyma çizgileri arasında, akışkan iki fazdır ve sıcaklık, basınç entalpisi diyagramındaki izotermlerle gösterildiği gibi basıncın bir fonksiyonudur. Bu bölgede, sıcaklık ve basınç birbirinden bağımsız olarak değiştirilemez, bu nedenle her basınç değeri bir sıcaklığı belirtir. Bu nedenle, iki fazlı bir karışımın sıcaklığı, basınç değiştirilerek ayarlanabilir. Bunu akılda tutarak, buhar sıkıştırma döngüsünü inceleyelim. Örnek olarak, R-134a'nın soğutucu akışkan olduğunu ve saniyede 0.01 kilogramlık bir kütle akış hızı olduğunu varsayalım. Döngüde dört aşama vardır: sıkıştırma, yoğunlaşma, genleşme ve buharlaşma. Her biri, soğutucu akışkanın ana dayanma noktaları arasındaki geçişi tanımlar. Sıkıştırma sırasında, düşük basınçlı buhar kompresöre girer ve kompresöre giden iş girdisi, soğutucu akışkanı basınçlandırmak için kullanılır. Kompresörden çıktıktan sonra, yüksek basınçlı buhar kondansatöre geçer, burada, soğutucu akışkan izobarik olarak yoğunlaştığı için ısı, çevredeki sıcak rezervuara atılır. Şimdi sıvı fazda olan yüksek basınçlı soğutucu akışkan, daha sonra bir kısma genleşme cihazından akar. Sıvı, içinden geçerken izentropik olarak genişler ve basınç düştükçe iki fazlı bir duruma geçer ve daha düşük bir sıcaklığa düşer. Son aşamada, düşük sıcaklıktaki soğutucu akışkan evaporatöre girer ve soğuk rezervuardan ısıyı emer. Bu, soğutucu akışkan akarken izobarik buharlaşmayı tetikler. Düşük basınçlı soğutucu akışkan buharı kompresöre geri döndüğünde döngü tamamlanır. Bu örnekte, evaporatörün soğutma kapasitesi 1.67 kilowatt'tır ve kompresör çalışma girişi 0.31 kilowatt'tır, bu nedenle performans katsayısı veya sistem verimliliği 5.4'tür. Artık döngünün nasıl çalıştığını anladığınıza göre, bu prensipleri iş başında göstermek için basit bir buzdolabı oluşturalım ve analiz edelim.
Dikkat, bu deney yüksek basınçlı sistemleri ve yüksek konsantrasyonlarda tehlikeli olabilecek soğutucu akışkanların kullanımını içerir. Daima makul güvenlik önlemlerine uyun ve uygun kişisel koruyucu ekipman kullanın. Soğutucu akışkanlarla çalışırken yeterli havalandırma sağlayın. Buhar kompresörü ile buzdolabı sisteminin inşasına başlayın. Çift etkili pnömatik silindirin bir portuna bir Schrader valfi takın ve ardından diğer porta bir boru bağlantı teli bağlayın. Tişörtün kalan iki portuna çek valfleri, biri içeriye, diğeri dışa bakacak şekilde takın. Bu konfigürasyon, soğutucu akışkanın evaporatörden çekilmesine ve yüksek basınçta kondansatöre atılmasına izin verecektir. Kompresör, modifiye edilmiş bir yüksek basınçlı bisiklet zemin pompası ile çalıştırılacaktır. Lastik boncuk çek valf bileşenini bisiklet pompası tesisatından çıkarın. Bu, kompresörün pompalama strokları arasında genleşmesine ve soğutucu akışkanı çekmesine izin verecektir. Kompresörün her iki tarafına basınç göstergeli boru bağlantı teeslerini takın, böylece yukarı ve aşağı akış basıncı izlenebilir. Tee bağlantı parçaları, yalnızca bir yönde akışa izin veren çek valfler aracılığıyla bağlanır. Piston uzatıldığında, sol çek valf düşük basınçlı evaporatörden kompresör hacmine girişe izin verir. Pistona basıldığında, buhar basınçlandırılır ve sağ çek valften yüksek basınçlı kondansatöre zorlanır. Pistonu çevirerek, evaporatörden sürekli bir düşük basınçlı buhar akışı çekilebilir ve yüksek basınçta kondansatöre iletilebilir. Sistemin bir sonraki aşaması, uzun bir alüminyum borudan inşa edeceğimiz kondansatördür. Boruyu dört tur boyunca 2,5 santimetre çapında sert bir kauçuk çekirdeğin etrafına sararak bir bobin haline getirin ve ardından bir ucunu kompresörün aşağısındaki tişörtün açık portuna takmak için bir sıkıştırma bağlantısı kullanın. Bağlantı parçalarını üretici yönergelerine göre taktığınızdan ve sıktığınızdan emin olun. Ardından, iki redüksiyon borusu dirseği arasına kısa bir uzunlukta şeffaf PVC boru takın. Bu, başka bir sıkıştırma fitingi ile kondenser borusunun çıkışına bağlanan yüksek basınçlı soğutucu akışkan için rezervuar görevi görecektir. Bir sonraki aşama genişleticidir, ancak burası aynı zamanda soğutucuyu doldurmak ve boşaltmak için bir şarj portu eklemek için de uygun bir yerdir. Bir A.N.S.A.E. havşalı bağlantı konektörünü bir küresel vana ve başka bir boru tee ile birleştirerek şarj portunu oluşturun. Genişletme cihazı için boru tee'nin bir tarafına bir iğneli valf bağlayın. Son olarak, boru tee'nin üçüncü portunu rezervuarın alçak noktasına bağlamak için başka bir alüminyum boru bölümü kullanın. Geriye kalan tek bölüm evaporatördür. Daha önce olduğu gibi aynı tekniği kullanarak ikinci bir alüminyum boru bobini oluşturun ve soğutma döngüsünü tamamlamak için iğne valf çıkışı ile kompresör girişi arasına bağlayın. Artık sistem monte edildiğine göre, herhangi bir sızıntı olup olmadığını test etmek için şarj portundan basınçlı hava ile doldurun. Sızdıran bağlantıları tespit etmek ve gerekirse onarım yapmak için sabunlu su spreyi kullanın. Son olarak, sıcaklık ölçümü için termokuplları kondenser ve evaporatör bobinlerine bağlayın. Artık buzdolabını şarj etmeye ve çalıştırmaya hazırsınız.
Şarj işlemi iki adımlı bir işlemdir. Önce sistemden hava tahliye edilir ve ardından soğutucu eklenir. Bir soğutucu şarj manifoldunun orta portunu buzdolabındaki şarj portuna bağlayın. Ardından manifoldun düşük basınç portuna bir vakum pompası ve yüksek basınç portuna bir kutu soğutucu akışkan bağlayın. Tüm valfleri kapatın ve ardından vakum pompasını açın. Sistemdeki havayı boşaltmak için tüm sistem valflerini kademeli olarak açın. Sistemden hava tahliye edildikten sonra, soğutucu hattındaki havayı temizlemek için soğutucu bidonu valfini kısa bir süre açın ve ardından tekrar kapatın. Artık tüm hava tahliye edildiğine göre, soğutucu şarj manifoldundaki düşük basınç portunu kapatarak vakum pompasını izole edin. Soğutucu bidonunu ters çevirin ve yüksek basınç rezervuarındaki seviye iğneli valf seviyesinin biraz üzerine çıkana kadar sisteme sıvı soğutucu enjekte edin. Son adım, iğne valfini zar zor açılana kadar ayarlamak ve ardından bisiklet pompası hortumunu kompresör üzerindeki Schrader valfine bağlamaktır. Bisiklet pompasını pompalayarak buzdolabını çalıştırın, yaptığınız gibi yüksek ve düşük yan basınçların yanı sıra evaporatör ve kondenser sıcaklıklarını takip edin. Kararlı durum koşullarına ulaşıldığında, bu basınçları ve sıcaklık değerlerini kaydedin. Göstergeler gösterge basıncını, yani atmosfere göre basıncı bildirirse, okumaya bir atmosfer ekleyerek okumaları mutlak basınca dönüştürün.
Buzdolabınızın performans sonuçlarına bir göz atın. İlk olarak, ölçülen sıcaklıkları, ölçülen düşük ve yüksek basınçlarda soğutucu akışkanın karşılık gelen doyma sıcaklıklarıyla karşılaştırın. Bu durumda, ölçümler yakından eşleşir. Evaporatör sıcaklığının tutarsızlığı, ortam havasından termokuplun dışına ısı transferinden kaynaklanıyor olabilir. Kondenser sıcaklığı deneysel tolerans dahilinde eşleşir, ancak termokupl kondansatörün aşırı ısıtılmış kısmına çok yakın yerleştirilirse bu da beklenenden daha sıcak görünebilir. Sıcaklık, entropi ve basınç entalpisi diyagramlarında durum noktalarını ve yaklaşık bağlantı eğrilerini göstererek analizi bitirin. Basit sistemin, ticari sistemlere kıyasla düşük soğutma kapasitesi ve düşük kaldırma ile sınırlı performans sağladığını görebilirsiniz. Giriş işinin çoğu bisiklet pompasındaki havayı sıkıştırmak için harcandığından, daha düşük basınçlı bir soğutucu akışkanla performans artırılabilir. Ek olarak, daha büyük bir basınç farkını koruyabilen bir genleşme valfi kullanmak faydalı olacaktır. Çoğu ticari sistem, istenen bir evaporatör sıcaklığını korumak için açıklığını dinamik olarak ayarlayan sıcaklık kontrollü bir genleşme valfi kullanır. Artık temel süreci analiz ettiğimize göre, diğer bazı tipik uygulamalara bakalım.
Buhar sıkıştırma çevrimi, birçok yaygın yer cihazında kullanılan baskın soğutma teknolojisidir. Bileşenlerin boyutu giderek azalırken, güç ve hız talepleri arttıkça elektronik için ısı yönetimi giderek daha önemli hale geldi. Süper bilgisayarların ve diğer yüksek güçlü elektronik cihazların buhar sıkıştırma döngüsünü kullanarak soğutulması, diğer teknolojilere göre birçok avantaja sahiptir. Buhar sıkıştırma çevrimi, bir ısı pompası olarak da kullanılabilir. Bu modda, evaporatörde düşük sıcaklıktaki ortamdan ısı alınır ve daha sonra daha sıcak şartlandırılmış bir alana iletilir. Bu, doğrudan rezistanslı ısıtmaya kıyasla verimli bir ısıtma modu olabilir, çünkü verilen ısının çoğu çevreden çekilir ve mekanik iş olarak kompresöre sadece küçük bir kısmı verilir.
Jove'un soğutma ve buhar kubbesi ile tanışmasını az önce izlediniz. Artık buhar sıkıştırma döngüsünün soğutma sistemlerinde nasıl uygulandığını ve sıcaklık entropisi ve basınç entalpisi diyagramlarını kullanarak performansın nasıl analiz edileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the vapor compression cycle and how does it work?
The vapor compression cycle is a thermodynamic process that removes heat from a cold reservoir and deposits it in a warm reservoir, against natural heat flow. It consists of four stages: compression, where work pressurizes low-pressure vapor; condensation, where high-pressure vapor releases heat; expansion, where pressure drops and the refrigerant cools; and evaporation, where low-temperature refrigerant absorbs heat from the cold space.
Q2: How does the vapor dome relate to refrigerant phase transitions?
The vapor dome is a region in temperature-entropy and pressure-enthalpy diagrams bounded by saturated liquid and vapor lines. Within this two-phase region, temperature and pressure are dependent—changing pressure automatically adjusts temperature. This property allows refrigeration systems to control the refrigerant's temperature by manipulating pressure, enabling efficient heat transfer during evaporation and condensation stages.
Q3: What role does the compressor play in a refrigeration system?
The compressor draws low-pressure vapor from the evaporator and uses mechanical work input to pressurize the refrigerant, raising it to high pressure. This pressurization is essential for the cycle because it enables the refrigerant to condense at higher temperatures in the condenser, allowing heat rejection to the surrounding environment. The compressor essentially drives the entire refrigeration cycle.
Q4: How is coefficient of performance calculated for a refrigeration system?
Coefficient of performance (COP) measures system efficiency by dividing cooling capacity by compressor work input. For example, if an evaporator provides 1.67 kilowatts of cooling and the compressor requires 0.31 kilowatts of work, the COP is 5.4. A higher COP indicates greater efficiency, meaning more cooling is achieved per unit of mechanical work supplied to the system.
Q5: What happens during the throttling expansion stage in refrigeration?
During throttling expansion, high-pressure liquid refrigerant passes through a restriction device and undergoes isentropic expansion. As pressure drops, the refrigerant flashes into a two-phase mixture and its temperature decreases significantly. This cold, low-pressure mixture then enters the evaporator where it absorbs heat from the cold reservoir, completing the cycle's heat acquisition phase.
Q6: Why is refrigerant charging a two-step process in refrigeration systems?
Refrigerant charging requires two steps: evacuation and charging. First, air is removed from the system using a vacuum pump to prevent contamination and ensure proper operation. Then, liquid refrigerant is injected into the system. This two-step approach prevents air pockets and moisture from interfering with heat transfer and thermodynamic performance, ensuring the system operates at design specifications.
Q7: How can the vapor compression cycle be used as a heat pump?
In heat pump mode, the vapor compression cycle reverses its function: the evaporator acquires heat from low-temperature surroundings, and the condenser delivers this heat to a warmer space. This mode is efficient for heating because most delivered heat comes from the environment, with only a small portion supplied as mechanical work to the compressor, making it superior to direct resistance heating.