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Mechanical Engineering

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Overview

출처: 알렉산더 S 래트너와 크리스토퍼 J 그리어; 펜실베이니아 주립대학, 유니버시티 파크, 펜실베이니아 주 기계 및 원자력 공학과

이 실험은 증기 압축 냉장의 원리를 보여줍니다. 증기 압축 주기는 대부분의 냉장고, 냉동고, 에어컨 시스템 및 히트 펌프에서 발견되는 지배적 인 냉장 기술입니다. 이 사이클에서는 냉매의 저압 증발로 냉각(열 수집)이 달성됩니다. 증발에 흡수된 열 에너지는 고압 냉매 응축을 통해 주변 환경에 거부됩니다. 압축기에서 작업 유체를 저압에서 고압으로 높이기 위해 기계 작업이 적용됩니다.

냉장 기술은 유비쿼터스이지만 대부분의 냉장고의 은폐 포장 및 자율 작동으로 인해 주요 부품의 작동 원리와 기능을 이해하기가 어렵습니다. 이 실험에서는 초보적인 증기 압축 냉장고가 생성됩니다. 압축기는 자전거 펌프로 수동으로 작동하여 실험자가 시스템의 일부가 됨에 따라 사이클 작동을 직관적으로 인식할 수 있습니다. 그 결과 구성 요소 압력 및 온도는 유체-증기 상태(증발 및 응결 중)에서 유체 특성의 변형을 포착하는 열역학 T-s P-h다이어그램의 관점에서 해석될 수 있다.

Principles

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증기 압축 사이클은 증기 압축기, 응축기(고온 열 거부), 팽창 장치 및 증발기(저온 열 수집) (도 1)의 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다. 사이클은 네 가지 주요 상태 점으로 설명할 수 있습니다.

• 1 → 2: 저압 증기 냉매는 압축기로 흐르고, 고측 압력으로 압축된다.

• 2 → 3: 가압 냉매 증기는 액체 상에 응축 (일정한 압력), 주변의 열을 거부.

• 3 → 4: 액체 냉매는 압하로 2 상 상태로 깜박이는 제한 팽창 장치를 isenthalpically (일정한 엔탈피)를 통해 흐릅니다. 이렇게 하면 냉매 온도를 저측 압력의 포화 온도로 낮춥춥시다.

• 4 → 1: 저온 냉매는 주변에서 열을 받고 이원수로 증발함에 따라 증발을 계속합니다.

이러한 상태 점 간의 전환은 열역학 다이어그램에 매핑할 수 있습니다. 이러한 온도 엔트로피(T-s, 도 2a) 및 압력-엔탈피(P-h, 도 2b) 다이어그램에서, 돔의 왼쪽은 액체 위상을 나타내고 오른쪽은 증기상을 나타낸다. 증기 돔 내부, 유체는 2 상이며 온도는 압력의 함수입니다. 공정의 각 단계에서 시스템으로 또는 로부터에너지 전송은 냉매 질량 유량을 곱한 엔탈피의 변화에 의해 평가될 수 있다(긍정적인 변화: 에너지 획득, 음수: 주변환경으로의 열 거부). Equation 1다음 상태 점 값(표 1)을 사용하여 0.01 kgs-1의 유량으로 R-134a 냉매를 사용하는 대표적인 공조 시스템을 고려하십시오.

표 1 - 대표 냉장 주기 상태 점

압력
(P,kPa)
온도
(T,°C)
엔탈피
(h,kJ kg-1)
엔트로피
(s,kJ kg-1 K-1)

(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

여기서, 증발기내의 냉각 용량은 Equation 2 = 1.67 kW로 평가된다. 압축기 작업 입력은 Equation 3 = 0.31 kW입니다. 시스템 효율성 또는 성능 계수(COP)는 Equation 4 = 5.4입니다.

Figure 1
그림 1: 증기 압축 냉장 주기의 회로도

Figure 2
도 2: T- s(a) 및 P-h(b) 표 1에 나열된 상태 점을 가진 대표적인 R-134a 증기 압축 주기에 대한 다이어그램.

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Procedure

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주의: 이 실험은 고농도에서 독성이 있을 수 있는 높은 압력 및 냉매의 사용에 있는 시스템을 관련시킵니다. 합리적인 안전 예방 조치를 따르고 적절한 PPE를 착용하십시오. 냉매로 작업 할 때 적절한 환기를 보장합니다.

1. 냉장 시스템 제작 (다이어그램 및 사진 참조, 도 3)

  1. 먼저 이중 동작 공압 실린더의 한 포트를 파이프 피팅 티에 연결하여 증기 압축기를 구성합니다. 공압 실린더의 다른 포트에 슈라이더 밸브를 설치합니다. 티의 다른 두 포트에 단방향(체크) 밸브를 설치하고, 하나는 안쪽을 가리키고, 하나는 바깥쪽을 가리킵니다. 이를 통해 냉매를 증발기에서 끌어내고 고압으로 응축기로 추방될 수 있습니다.
  2. 두 개의 파이프 피팅 티를 사용하여 압축기의 상류 및 하류에 압력 게이지를 설치합니다.
  3. 고압 자전거 바닥 펌프는 압축기를 작동시키기 위해 사용됩니다. 자전거 펌프 배관에서 고무 비드(체크 밸브 구성 요소)를 제거합니다. 이렇게 하면 압축기가 펌핑 스트로크 사이에 냉매로 확장하고 그릴 수 있습니다. 자전거 펌프 호스를 압축기의 슈라이더 밸브에 연결합니다.
  4. 얇은 (3.2 mm 외부 직경) 알루미늄 튜브 코일을 형성하여 응축기 역할을합니다. 프로토타입 시스템(도 3)에서 코일은 4회전(~50cm 길이)에 대해 직경 2.5cm의 경질 고무 튜브 코어 주위의 알루미늄 튜브를 헬로 래핑하여 형성하였다. 응축기 코일 길이는 이 소규모 실험에 중요하지 않습니다.
  5. 압축 피팅(McMaster Inc.part #5272K291 제안)을 사용하여 압력 게이지의 하류에 피팅 하는 파이프 피팅 티 하류의 오픈 포트에 응축기 코일의 한쪽 끝을 연결합니다.
  6. 두 개의 감소 파이프 팔꿈치에 짧은 명확한 PVC 파이프를 설치합니다. 이 구성 요소는 고압 냉매 저장소 역할을합니다. 저수지를 응축기 튜브의 콘센트에 연결합니다.
  7. AN/SAE 플레어 피팅 커넥터가 있는 파이프 티에 볼 밸브를 설치합니다. 이것은 충전 포트가 될 것입니다. 파이프 티의 한쪽에 바늘 유량 계를 연결합니다. 이 확장 장치가 될 것입니다. 좁은 알루미늄 튜브를 사용하여 파이프 티의 다른 포트를 냉매 저장소의 낮은 지점에 연결합니다.
  8. 증발기 역할을 하는 두 번째 알루미늄 튜브 코일을 형성합니다. 바늘 밸브 콘센트와 압축기 입구 사이에 연결합니다.
  9. 충전 포트를 통해 압축 공기 (사용 가능한 경우 550 kPa)로 시스템을 채웁니다. 비눗물 스프레이를 사용하여 배관 누출을 식별하고 필요에 따라 수리하십시오.
  10. 온도 측정을 위해 열전대를 응축기 및 증발기 코일에 연결합니다.

Figure 3
그림 3: a. 실험 증기 압축 냉장 시스템에서 구성 요소 및 연결의 다이어그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
도 4: T - s (a) 및 P - h (b) 실험 R-134a 증기 압축 냉장 주기에 대한 다이어그램.

2. 냉장 시스템 충전

  1. 냉장고의 충전 포트에 냉매 충전 매니폴드의 중간 포트를 연결합니다. 진공 펌프를 매니폴드의 저압 포트에 연결하고 냉매 캔을 고압 포트에 연결합니다. R134a는 가장 일반적으로 사용할 수 있는 냉매이며 여기에서 사용됩니다. R1234ze(E)는 낮은 포화 압력으로 압축기 작동이 용이하고 GWP가 낮으면 누출로 인한 환경적 영향을 줄일 수 있기 때문에 더 나은 옵션이 될 수 있습니다.
  2. 진공 펌프를 실행하고 점차적으로 모든 시스템 밸브를 열어 모든 공기를 제거합니다. 냉장 캐니스터 밸브를 잠깐 열어 어셈블리에서 공기를 제거합니다.
  3. 진공이 발생하면 진공 펌프를 분리하고 냉매 충전 매니폴드의 저압 포트를 닫습니다. 냉매 캐니스터를 반전시키고 고압 저수지의 레벨이 바늘 밸브 수준보다 약간 높을 때까지 액체 냉매를 시스템에 주입하십시오.

3. 작동

  1. 바늘 밸브가 거의 열리지 때까지 조정합니다.
  2. 압축기 공압 실린더에 연결된 자전거 펌프를 펌핑하여 냉장고를 작동합니다.
  3. 정상 상태 조건에 도달할 때까지 고측 및 저측 압력 및 증발기 및 응축기 온도를 추적합니다. 이러한 압력 및 온도 값을 기록합니다. 대부분의 압력 게이지는 게이지 압력을 보고합니다. 이는 약 101kPa를 추가하여 절대 압력으로 변환할 수 있습니다.
  4. 상태 점(1-4)을 나타내고 T-sP-h 다이어그램(도 4)에 대한 대략적인 연결 곡선을 나타냅니다.

냉장 시스템은 유비쿼터스이며, 일상 생활에 엄청난 영향을 미칩니다. 냉장고나 냉동실에 음식을 보관하거나 에어컨을 켜면 냉장 시스템을 사용할 수 있습니다. 근본적으로, 이러한 시스템의 임무는 차가운 저수지에서 열을 제거하고 열 흐름의 자연적인 방향에 대해 따뜻한 저수지에 보관하는 것입니다. 이를 달성하기 위해 사용되는 지배적 인 기술은 증기 압축 주기입니다. 이 비디오는 증기 압축 주기의 작동 방식을 설명한 다음 간단한 수동 펌핑 냉장 시스템에서 어떻게 사용되는지 보여줍니다. 결국 몇 가지 추가 응용 프로그램에 대해 설명합니다.

증기 압축 주기는 차가운 저수지에서 냉매로 열이 유입되어 냉매에서 뜨거운 저수지로 흘러들어가는 작업 유체 또는 냉매에서 수행되는 열역학 사이클입니다. 이를 위해서는 냉매의 기계적 순환뿐만 아니라 열역학 상태의 조정된 전이가 필요합니다. 사이클은 온도 엔트로피 및 압력 엔탈피 다이어그램에서 볼 수있는 냉매 상 공간의 영역인 증기 돔을 활용합니다. 이러한 다이어그램에서, 왼쪽 영역은 포화 된 액체 선에 의해 부분적으로 경계되는 액체 상을 나타내며, 오른쪽 영역은 포화 증기 선에 의해 유사하게 경계되는 증기 상을 나타낸다. 채도 선은 유체가 매우 중요한 임계 지점에서 충족됩니다. 포화선 사이에, 유체는 2상이고 온도는 압력 엔탈피 다이어그램에 대한 이더름에 의해 표시된 압력의 함수이다. 이 지역에서는 온도와 압력이 서로 독립적으로 다를 수 없으므로 각 압력 값은 온도를 지정합니다. 따라서, 2상 혼합물의 온도는 압력을 변경하여 조절될 수 있다. 이를 염두에 두고 증기 압축 주기를 살펴보겠습니다. 일러스트레이션을 위해 R-134a는 냉매이며 초당 0.01kg의 질량 유량이라고 가정합니다. 주기에는 압축, 응축, 확장 및 증발의 네 단계가 있습니다. 각 냉매의 키 투숙 지점 간의 전환을 설명합니다. 압축 하는 동안, 저압 증기 압축기에 입력 하 고 압축기에 작업 입력 냉매를 가압 하는 데 사용 됩니다. 압축기를 떠난 후 고압 증기가 응축기로 전달되며, 여기서는 냉매가 동면적으로 응축됨에 따라 주변의 뜨거운 저수지에 열이 거부됩니다. 액체 상에 있는 고압 냉매는, 그 때 제한 확장 장치를 통해 흐릅니다. 액체는 통과할 때 열대적으로 팽창하고, 압력이 떨어지면 2상 상태로 깜박이며, 더 낮은 온도로 떨어집니다. 마지막 단계에서는 저온 냉매가 증발기에 들어가 차가운 저수지에서 열을 흡수합니다. 이렇게 하면 냉매가 흐르면서 동소바릭 증발이 촉진됩니다. 저압 냉매 증기가 압축기로 돌아오면 사이클이 완료됩니다. 이 예에서, 증발기의 냉각 용량은 1.67 킬로와트이고, 압축기 작업 입력은 0.31 킬로와트이므로 성능 계수 또는 시스템 효율은 5.4이다. 이제 주기가 어떻게 작동하는지 이해하게 되었으므로 간단한 냉장고를 구축하고 분석하여 이러한 주체가 작동하는 것을 보여 드리겠습니다.

주의, 이 실험은 높은 압력에서 시스템과 고농도에서 위험 할 수있는 냉매의 사용을 포함한다. 항상 합리적인 안전 예방 조치를 따르고 적절한 개인 보호 장비를 착용하십시오. 냉매로 작업 할 때 적절한 환기를 보장합니다. 증기 압축기로 냉장고 시스템 건설을 시작합니다. 이중 동작 공압 실린더의 한 포트에 슈레이더 밸브를 설치한 다음 파이프 피팅 티를 다른 포트에 연결합니다. 티의 나머지 두 포트에 체크 밸브를 부착하여 1점을 안쪽으로 가리키고 다른 포트는 바깥쪽으로 가리킵니다. 이 구성을 통해 냉매를 증발기에서 끌어내고 고압의 응축기로 추방될 수 있습니다. 압축기는 수정 된 고압 자전거 바닥 펌프에 의해 작동됩니다. 자전거 펌프 배관에서 고무 비드 체크 밸브 부품을 제거합니다. 이렇게 하면 압축기가 펌핑 스트로크 사이에 냉매로 확장하고 그릴 수 있습니다. 컴프레서 양쪽에 압력 게이지가 있는 파이프 피팅 티를 설치하여 상류 및 하류 압력을 모니터링할 수 있습니다. 티 피팅은 체크 밸브를 통해 연결되어 한 방향으로만 흐름을 허용합니다. 피스톤이 확장되면 왼쪽 체크 밸브를 통해 저압 증발기에서 압축기 부피로 유입할 수 있습니다. 피스톤이 우울하면 증기가 가압되어 오른쪽 검사 밸브를 통해 고압 응축기로 강제로 이동합니다. 피스톤을 사이클링함으로써, 저압 증기의 연속 스트림은 증발기에서 끌어와 고압응열에 전달될 수 있다. 시스템의 다음 단계는 우리가 알루미늄 튜브의 길이에서 건설 할 응축기입니다. 4 회전에 대한 2.5 센티미터 직경 강성 고무 코어 주위에 포장하여 코일로 튜브를 형성한 다음 압축기의 하류인 티의 오픈 포트에 한쪽 끝을 부착합니다. 제조업체 지침에 맞게 피팅을 설치하고 강화해야 합니다. 다음으로 두 개의 감소 파이프 팔꿈치 사이에 명확한 PVC 파이프의 짧은 길이를 설치합니다. 이것은 다른 압축 피팅응축기 튜브의 출구에 연결된 고압 냉매의 저장소 역할을 합니다. 다음 단계는 익스팬더이지만, 냉매를 채우고 배출하기 위한 충전 포트를 추가하는 편리한 장소이기도 합니다. A.N.S.A.E. 플레어 피팅 커넥터와 볼 밸브 및 다른 파이프 티를 결합하여 충전 포트를 구성합니다. 팽창 장치에 대한 파이프 티의 한쪽에 바늘 밸브를 연결합니다. 마지막으로, 알루미늄 튜브의 또 다른 섹션을 사용하여 파이프 티의 세 번째 포트를 저수지의 낮은 지점에 연결합니다. 남은 부분은 증발기뿐입니다. 이전과 동일한 기술을 사용하여 알루미늄 튜브의 두 번째 코일을 형성하고, 냉장 루프를 완료하기 위해 바늘 밸브 콘센트와 압축기 입구 사이에 연결합니다. 이제 시스템이 조립되었으므로 충전 포트를 통해 압축 공기로 채우면 누출을 테스트합니다. 비눗물 스프레이를 사용하여 새는 연결을 식별하고 필요에 따라 수리하십시오. 마지막으로 온도 측정을 위해 열전대를 응축기 및 증발기 코일에 연결합니다. 이제 냉장고를 충전하고 작동할 준비가 되었습니다.

충전은 2단계 프로세스입니다. 공기는 먼저 시스템에서 대피한 다음 냉매가 추가됩니다. 냉매 충전 매니폴드의 중간 포트를 냉장고의 충전 포트에 연결합니다. 그런 다음 진공 펌프를 매니폴드의 저압 포트에 연결하고 냉매 캔을 고압 포트에 연결합니다. 모든 밸브를 닫은 다음 진공 펌프를 켭니다. 점차적으로 시스템에서 공기를 배출하기 위해 시스템 밸브를 모두 엽니 다. 공기가 시스템에서 대피한 후 냉매 캐니스터 밸브를 잠시 열어 냉매 선에서 공기를 맑게 한 다음 다시 닫습니다. 이제 모든 공기가 대피되었으므로 냉매 충전 매니폴드의 저압 포트를 닫음으로써 진공 펌프를 분리합니다. 냉매 캐니스터를 반전시키고 고압 저수지의 레벨이 바늘 밸브 수준보다 약간 높을 때까지 액체 냉매를 시스템에 주입하십시오. 마지막 단계는 바늘 밸브가 거의 열리지 때까지 조정한 다음 자전거 펌프 호스를 압축기의 슈레이더 밸브에 연결하는 것입니다. 자전거 펌프를 펌핑하여 냉장고를 작동, 당신이처럼, 높은 및 낮은 측면 압력뿐만 아니라 증발기 및 응축기 온도를 추적할 수 있습니다. 정상 상태 조건에 도달하면 이러한 압력 및 온도 값을 기록합니다. 게이지가 대기에 비해 압력을 측정한 경우 판독값을 판독값에 하나의 분위기를 추가하여 절대 압력으로 변환합니다.

냉장고의 성능 결과를 살펴보십시오. 먼저 측정된 온도를 측정된 저기압 및 고압에서 냉매의 해당 포화 온도와 비교합니다. 이 경우 측정값이 밀접하게 일치합니다. 증발기 온도의 불일치는 주변 공기에서 열전으로 인해 열전대의 외부로 의할 수 있다. 응축기 온도는 실험 허용 오차 내에서 일치하지만 열전대가 응축기의 슈퍼 가열 부분에 너무 가깝게 배치되면 예상보다 더 따뜻하게 나타날 수 있습니다. 온도 엔트로피 및 압력 엔탈피 다이어그램에 대한 상태 점 및 대략적인 연결 곡선을 표시하여 분석을 완료합니다. 간단한 시스템은 상용 시스템에 비해 낮은 냉각 용량과 낮은 리프트로 제한된 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있습니다. 대부분의 입력 작업은 자전거 펌프의 압축 공기를 소비하기 때문에 저압 냉매로 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 더 큰 압력 차이를 유지할 수 있는 확장 밸브를 사용하는 것이 도움이 될 것입니다. 대부분의 상용 시스템은 온도 제어 팽창 밸브를 사용하여 개방을 동적으로 조정하여 원하는 증발기 온도를 유지합니다. 이제 기본 프로세스를 분석한 후 다른 일반적인 응용 프로그램을 살펴볼 수 있습니다.

증기 압축 주기는 많은 일반적인 장소 장치에서 사용되는 지배적 인 냉장 기술입니다. 부품의 크기가 꾸준히 감소함에 따라 전자 제품의 온도 관리는 점점 더 중요해지고 있으며 전력 및 속도에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 증기 압축 주기를 사용하여 냉각 슈퍼 컴퓨터 및 기타 고성능 전자 장치는 다른 기술에 비해 많은 장점이 있습니다. 증기 압축 주기는 히트 펌프로도 사용할 수 있습니다. 이 모드에서는 저온 환경에서 증발기에서 열을 획득한 다음 컨디셔닝된 따뜻한 공간으로 전달됩니다. 이는 전달된 열의 대부분이 주변에서 유입되기 때문에 직접 저항 가열에 비해 효율적인 가열 모드가 될 수 있으며, 극히 일부만 압축기에 기계적 작업으로 공급되기 때문이다.

당신은 냉장 과 증기 돔에 조브의 소개를 보았다. 이제 냉장 시스템에서 증기 압축 주기가 어떻게 구현되는지, 온도 엔트로피 및 압력 엔탈피 다이어그램을 사용하여 성능을 분석하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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P하이 659 ± 7 kPa
P로우 569 ± 7 kPa
T주변 22.0 ± 1 °C
T콘드 25.0 ± 1 °C T토, R-134a (P높이) 24.7 ± 0.3 °C
T회피 21.1 ± 1°C T토, R-134a (P로우) 19.8 ± 0.4 °C

표 2. 냉장 시스템은 특성을 측정했습니다.

측정된 응축기 및 증발기 외부 표면 온도는 P높고 P저온에서 포화 온도에 상대적으로 가깝습니다. 증발기 온도는 T토보다 약간높으며, R-134a(P low)는주변 공기에서 외부 열전대로의 열 전달로 인해 발생합니다. 응축기 온도는 T 토, R-134a (P낮은)보다약간 높지만 실험적 불확실성 내에서. 이 온도는 또한 응축기의 따뜻한 초온부에서 측정될 수 있다.

이 시스템에 대한 대략적인 T-sP-h 주기 다이어그램은 도 4에 제시됩니다.

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Applications and Summary

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이 실험은 증기 압축 냉장의 원리를 입증했다. 물론, 실험 시스템은 낮은 냉각 용량(Q회피)및 낮은 리프트 (증발기 대 주변 온도 차이)와 같은 제한된 성능을 제공합니다. 그러나 증기 압축의 설계 및 물리학에 대한 직관적인 소개를 제공합니다. 데이터 분석 단계는 열역학 사이클 작동을 설명하기 위해 T-s P-h다이어그램의 사용을 보여 줍니다.

입력 작업의 대부분은 자전거 펌프의 압축 공기에 소비됩니다. 저압냉매(예:R1234ze(E)를 사용하면 이 작업을 줄이고 더 큰 증발기-응축기 온도 차이를 허용할 수 있습니다. 또한, 여기에 사용되는 확장 밸브는 상대적으로 작은 낮은 - 높은 측면 압력 차이를 유지할 수 있습니다. 조정 제어가 더 미세한 대체 밸브가 바람직할 수 있습니다. 대부분의 상용 냉동 시스템에서는 온도 제어 팽창 밸브(TXV)가 사용되며, 이는 개방을 동적으로 조정하여 원하는 증발기 온도를 유지합니다.

증기 압축 주기는 가장 널리 사용되는 냉장 기술입니다. 그것은 거의 모든 가정용 에어컨및 냉장고뿐만 아니라 산업 규모의 냉각기와 냉동고에서 발견된다. 사이클은 히트 펌프로도 사용할 수 있습니다. 이 모드에서는 저온 환경에서 증발기의 열을 획득하여 컨디셔닝된 따뜻한 공간으로 전달합니다. 이는 전달된 열의 대부분이 주변에서 유입되고 소량만이 기계작업으로 압축기에 공급되기 때문에 직접 저항 가열에 비해 효율적인 가열 모드가 될 수 있다.

이 실험은 또한 열역학 T-sP-h 다이어그램의 사용을 보여줍니다. 이는 화학 처리 작업, 냉장 주기 및 발전을 포함한 수많은 에너지 시스템의 분석 및 엔지니어링을 위한 중요한 도구입니다.

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