Introduzione alla refrigerazione

Fonte: Alexander S Rattner e Christopher J Greer; Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Nucleare, The Pennsylvania State University, University Park, PA

Questo esperimento dimostra i principi della refrigerazione a compressione di vapore. Il ciclo di compressione del vapore è la tecnologia di refrigerazione dominante, che si trova nella maggior parte dei frigoriferi, congelatori, sistemi di condizionamento dell'aria e pompe di calore. In questo ciclo, il raffreddamento (acquisizione di calore) si ottiene con l'evaporazione a bassa pressione del refrigerante. L'energia termica assorbita dall'evaporazione viene respinta nell'ambiente circostante attraverso la condensazione del refrigerante ad alta pressione. Il lavoro meccanico viene applicato nel compressore per sollevare il fluido di lavoro dalla bassa all'alta pressione.

Mentre la tecnologia di refrigerazione è onnipresente, l'imballaggio nascosto e il funzionamento autonomo della maggior parte dei frigoriferi rendono difficile apprezzare i principi operativi e la funzione dei componenti chiave. In questo esperimento, viene costruito un rudimentale frigorifero a compressione di vapore. Il compressore viene azionato manualmente con una pompa per biciclette, consentendo un apprezzamento intuitivo del funzionamento del ciclo man mano che lo sperimentatore diventa parte del sistema. Le pressioni e le temperature dei componenti risultanti possono essere interpretate in termini di diagrammi termodinamici T-s e P-h, che catturano la variazione delle proprietà del fluido dagli stati liquido-vapore (durante l'evaporazione e la condensazione).

Il ciclo di compressione del vapore è composto da quattro componenti principali: il compressore di vapore, il condensatore (rifiuto del calore ad alta temperatura), il dispositivo di espansione e l'evaporatore (acquisizione di calore a bassa temperatura) (Fig. 1). Il ciclo può essere descritto con quattro punti chiave di stato.

• 1 → 2: il refrigerante a vapore a bassa pressione fluisce nel compressore e viene compresso alla pressione laterale elevata.

• 2 → 3: Il vapore refrigerante pressurizzato condensa isobaricamente in fase liquida (pressione costante), respingendo il calore nell'ambiente circostante.

• 3 → 4: Il refrigerante liquido scorre attraverso il dispositivo di espansione della strozzatura isentalpicamente (entalpia costante), lampeggiando a uno stato bifase quando la sua pressione scende. Ciò abbassa la temperatura del refrigerante alla temperatura di saturazione alla pressione laterale bassa.

• 4 → 1: Il refrigerante a bassa temperatura riceve calore dall'ambiente circostante e continua ad evaporare mentre scorre attraverso l'evaporatore isobaricamente.

Le transizioni tra questi punti di stato possono essere mappate su diagrammi termodinamici. In questi diagrammi temperatura-entropia (T-s, Fig. 2a) e pressione-entalpia (P-h, Fig. 2b), il lato sinistro della cupola rappresenta la fase liquida e il lato destro rappresenta la fase vapore. All'interno della cupola di vapore, il fluido è bifase e la temperatura è una funzione della pressione. Il trasferimento di energia da o verso il sistema in ogni fase del processo può essere valutato dalla variazione di entalpia moltiplicata per la portata massiva del refrigerante (variazione positiva: acquisizione di energia, negativa: rifiuto del calore nell'ambiente circostante). Si consideri un sistema di condizionamento d'aria rappresentativo che utilizza il refrigerante R-134a ad una portata di = 0,01 kg s^-1 con i seguenti valori di punto di stato (Tabella 1).

Tabella 1 - Punti rappresentativi dello stato del ciclo di refrigerazione

Qui, la capacità di raffreddamento nell'evaporatore viene valutata come = 1,67 kW. L'ingresso di lavoro del compressore è = 0,31 kW. L'efficienza del sistema, o coefficiente di prestazione (COP), è = 5,4.

Figura 1: Schema del ciclo di refrigerazione a compressione di vapore

Figura 2: Diagrammi T-s (a) e P-h (b) per il ciclo di compressione del vapore R-134a rappresentativo con punti di stato elencati nella Tabella 1.

Attenzione: questo esperimento coinvolge sistemi a pressioni elevate e l'uso di refrigeranti, che possono essere tossici ad alte concentrazioni. Assicurarsi che vengano seguite ragionevoli precauzioni di sicurezza e che vengano indossati DPI appropriati. Garantire un'adeguata ventilazione quando si lavora con refrigeranti.

1. Fabbricazione del sistema di refrigerazione (vedi diagramma e fotografia, Fig. 3)

1. Costruisci il compressore di vapore collegando prima una porta di un cilindro pneumatico a doppia azione a un tee di raccordo per tubi. Installare una valvola Schraeder sull'altra porta del cilindro pneumatico. Installare valvole unità (di ritegno) sulle altre due porte del tee, una rivolta verso l'interno e una rivolta verso l'esterno. Ciò consente di aspirare il refrigerante dall'evaporatore ed espellerlo nel condensatore ad alta pressione.
2. Utilizzando altri due tee di raccordo per tubi, installare misuratori di pressione a monte ea valle del compressore.
3. Una pompa da pavimento per biciclette ad alta pressione viene utilizzata per azionare il compressore. Rimuovere il perla di gomma (componente della valvola di ritegno) dall'impianto idraulico della pompa della bicicletta. Ciò consentirà al compressore di espandersi e aspirare refrigerante tra una corsa di pompaggio e l'altro. Collegare il tubo della pompa della bicicletta alla valvola Schraeder sul compressore.
4. Formare una sottile bobina di tubolare in alluminio (diametro esterno 3,2 mm) per fungere da condensatore. Nel sistema prototipo (Fig. 3), la bobina è stata formata avvolgendo elicoidale il tubo di alluminio attorno a un'anima in tubo di gomma rigido di 2,5 cm di diametro per quattro giri (~ 50 cm di lunghezza totale). La lunghezza della bobina del condensatore non è critica per questo esperimento su piccola scala.
5. Collegare un'estremità della bobina del condensatore alla porta aperta del tee del raccordo del tubo a valle del misuratore di pressione utilizzando un raccordo a compressione (McMaster Inc.part #5272K291 suggerito).
6. Installare un breve tubo in PVC trasparente in due gomiti del tubo riducente. Questo componente fungerà da serbatoio di refrigerante ad alta pressione. Collegare il serbatoio all'uscita del tubo del condensatore.
7. Installare una valvola a sfera in un tee di tubo con un connettore an/SAE flare fitting. Questa sarà la porta di ricarica. Collegare un misuratore di portata ad ago a un lato del tee del tubo. Questo sarà il dispositivo di espansione. Utilizzando lo stretto tubo di alluminio, collegare l'altra porta del tee del tubo al punto più basso del serbatoio del refrigerante.
8. Formare una seconda bobina di tubo di alluminio per fungere da evaporatore. Collegarlo tra l'uscita della valvola a spillo e l'ingresso del compressore.
9. Riempire il sistema con aria compressa (550 kPa se disponibile) attraverso la porta di ricarica. Utilizzare uno spruzzo di acqua saponata per identificare eventuali perdite idrauliche ed effettuare le riparazioni necessarie.
10. Collegare le termocoppie alle bobine del condensatore e dell'evaporatore per la misurazione della temperatura.

Figura 3: a. Schema dei componenti e delle connessioni nel sistema sperimentale di refrigerazione a compressione di vapore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Diagrammi T - s (a) e P - h (b) per il ciclo sperimentale di refrigerazione a compressione di vapore R-134a.

2. Ricarica del sistema di refrigerazione

1. Collegare la porta centrale di un collettore di carica del refrigerante alla porta di ricarica del frigorifero. Collegare una pompa per vuoto alla porta a bassa pressione del collettore e una lattina di refrigerante alla porta ad alta pressione. R134a è il refrigerante più comunemente disponibile e viene utilizzato qui. R1234ze(E) potrebbe essere un'opzione migliore perché la sua bassa pressione di saturazione consentirebbe un funzionamento più semplice del compressore e il suo basso GWP ridurrebbe l'impatto ambientale di eventuali perdite.
2. Azionare la pompa per vuoto e aprire gradualmente tutte le valvole del sistema per rimuovere tutta l'aria. Aprire brevemente la valvola del contenitore del refrigerante per eliminare l'aria dall'assieme.
3. Una volta raggiunto il vuoto, isolare la pompa per vuoto e chiudere la porta a bassa pressione sul collettore di carica del refrigerante. Invertire il contenitore del refrigerante e iniettare refrigerante liquido nel sistema fino a quando il livello nel serbatoio ad alta pressione è leggermente superiore al livello della valvola a spillo.

3. Funzionamento

1. Regolare la valvola a spillo fino a quando non è appena aperta.
2. Azionare il frigorifero pompando la pompa della bicicletta collegata al cilindro pneumatico del compressore.
3. Tenere traccia delle pressioni dei lati alti e bassi e delle temperature dell'evaporatore e del condensatore fino a raggiungere le condizioni di stato stazionario. Registrare queste pressioni e valori di temperatura. Si noti che la maggior parte dei manometri riporta la pressione del misuratore. Questo può essere convertito in pressione assoluta aggiungendo circa 101 kPa.
4. Indicare i punti di stato (1-4) e le curve di collegamento approssimative sui diagrammi T-s e P-h (Fig. 4).

Tabella 2. Proprietà misurate del sistema di refrigerazione.

Le temperature superficiali esterne del condensatore e dell'evaporatore misurate sono relativamente vicine alle temperature di saturazione a P_alto e P_basso. La temperatura dell'evaporatore è leggermente superiore a T_{sat, R-134a} (P_basso),probabilmente a causa del trasferimento di calore dall'aria ambiente alla termocoppia esterna. La temperatura del condensatore è leggermente superiore a T_{sat, R-134a} (P_basso), ma all'interno dell'incertezza sperimentale. Questa temperatura può anche essere misurata nella parte più calda surriscaldata del condensatore.

I diagrammi approssimatividel ciclo T- s e P-h per questo sistema sono presentati in Fig. 4.

Questo esperimento ha dimostrato i principi della refrigerazione a compressione di vapore. Certo, il sistema sperimentale produce prestazioni limitate - con una bassa capacità di raffreddamento(Q_evap)e un basso sollevamento (differenza di temperatura tra evaporatore e ambiente). Tuttavia, offre un'introduzione intuitiva al design e alla fisica della compressione del vapore. Le fasi di analisi dei dati dimostrano l'uso dei diagrammi T-s e P-h per descrivere il funzionamento del ciclo termodinamico.

Gran parte del lavoro di input viene speso per comprimere l'aria nella pompa della bicicletta. L'utilizzo di un refrigerante a pressione inferiore(ad esempio,R1234ze(E)) ridurrebbe questo lavoro e potrebbe consentire maggiori differenze di temperatura tra evaporatore e condensatore. Inoltre, la valvola di espansione impiegata qui poteva mantenere solo differenze di pressione laterale da bassa ad alta relativamente piccole. Può essere preferibile una valvola alternativa con un controllo di regolazione più fine. Nella maggior parte dei sistemi di refrigerazione commerciali, viene utilizzata una valvola di espansione a temperatura controllata (TXV), che regola dinamicamente la sua apertura per mantenere la temperatura desiderata dell'evaporatore.

Il ciclo di compressione del vapore è la tecnologia di refrigerazione più utilizzata. Si trova in quasi tutti i condizionatori d'aria e frigoriferi domestici, nonché in refrigeratori e congelatori su scala industriale. Il ciclo può essere utilizzato anche come pompa di calore. In questa modalità, acquisisce calore nell'evaporatore dall'ambiente circostante a bassa temperatura e lo trasporta in uno spazio condizionato più caldo. Questa può essere una modalità di riscaldamento efficiente rispetto al riscaldamento a resistenza diretta perché la maggior parte del calore erogato viene prelevato dall'ambiente circostante e solo una piccola parte viene fornita al compressore come lavoro meccanico.

Questo esperimento dimostra anche l'uso di diagrammi termodinamici T-s e P-h. Si tratta di strumenti critici per l'analisi e l'ingegneria di numerosi sistemi energetici, tra cui operazioni di trattamento chimico, cicli di refrigerazione e generazione di energia.