Introduction à la réfrigération

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).

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 = 0,01 kg s^-1 avec les valeurs suivantes du point État (tableau 1).

Tableau 1 - État du cycle de réfrigération représentatifs des points

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

Figure 1 : Schéma du cycle de réfrigération compression vapor

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

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 : 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 : 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).

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 P_haute et P_faible. La température de l’évaporateur est légèrement supérieure à T_{assis, R-134 a} (P_faible), peut-être en raison de transfert de chaleur de l’air ambiant à l’extérieur thermocouple. La température du condenseur est légèrement supérieure à T_{assis, R-134 a} (P_faible), 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.

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 (Q_evap) 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.