Einführung in die Kältetechnik

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).

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 = 0,01 kg s^-1 mit den folgenden Zustand Punktwerte (Tabelle 1).

Tabelle 1: repräsentative Kälte-Zyklus Zustand weist

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

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Dampf-Kompression-Kältekreislauf

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

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.

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

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.

Tabelle 2. Kühlsystem gemessenen Eigenschaften.

Gemessenen Verflüssiger und Verdampfer äußeren Oberflächentemperaturen sind relativ nah an die Sättigung Temperaturen bei P_hohe und_niedrige P. Die Verdampfer-Temperatur ist etwas höher als T_{saß, R-134a} (P_niedrig), möglicherweise aufgrund von Wärme aus der Umgebungsluft auf die äußere Thermoelement übertragen. Die Temperatur des Kondensators ist geringfügig höher als T_{saß, R-134a} (P_niedrig), 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.

Dieses Experiment demonstriert die Grundsätze der Dampf Kompression Kühlung. Zugegeben, ergibt das experimentelle System begrenzt Leistung - mit einem geringen Kühlleistung (Q_Evap) 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.