冷凍入門

ソース: アレクサンダー ・ S ・ ラトナーとクリストファー ・ J ・ グリア。機械・原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA 部

この実験は、蒸気圧縮冷凍機の原理を示します。蒸気圧縮サイクルは、ほとんどの冷蔵庫、冷凍庫、空調システム、ヒートポンプは、支配的な冷凍技術です。このサイクルで冷却 (熱取得) は、冷媒の低圧の蒸発によって達成されます。蒸発で吸収される熱エネルギーは高圧冷媒凝縮を通じて周囲に拒否されます。機械的な仕事は、高低圧から作動流体を高めるためにコンプレッサーに適用されます。

冷凍技術は、ユビキタスですが、隠して包装とたいてい冷蔵庫の自律的動作困難動作原理や主要なコンポーネントの機能を理解します。この実験では初歩的な蒸気圧縮冷凍機を構築する.コンプレッサーは、自転車ポンプ、実験者がシステムの一部になるようにサイクル操作の直感的な感謝と手動式です。結果として得られるコンポーネントの圧力と温度 (蒸発液体-気体状態から流体の特性の変化をキャプチャ熱力学T・sとP・h図の観点から解釈できます。・凝縮)。

蒸気圧縮サイクルは、4 つの主要なコンポーネントで構成されています: 蒸気圧縮機、コンデンサー (高温の熱除去)、拡張デバイスおよび蒸発器 (低温の熱取得) (図 1)。サイクルは、4 つのキーの状態ポイントで記述できます。

• 1 → 2: 低圧冷媒圧縮機に流し込まれ、高面圧に圧縮されています。

• 2 → 3: 高圧冷媒は凝縮液相 isobarically (圧力)、周囲に熱を拒否します。

• 3 → 4: 液体冷媒が流れて調整拡張デバイス isenthalpically (定数エンタルピー)、圧力が下がりますと気液二相状態に点滅します。これは、低側の圧力で飽和温度に冷媒の温度を下げます。

• 4 → 1: 低温冷媒周囲から熱を受け取り、引き続き isobarically 蒸発器を通過する際に蒸発します。

これらの状態のポイント間の遷移は、熱力学的ダイアグラム上マップできます。これらの温度・ エントロピー (T・s図 2 a) と圧力エンタルピー (P・h図 2 b) 図、ドームを表す液相の左側と右側は、気相を表します。蒸気ドーム内流体二相、温度圧力の関数であります。冷媒流量を乗じたエンタルピーの変化によってエネルギー移動またはプロセスの各段階でシステムを評価できる (肯定的な変化: エネルギー集録、負: 周囲に拒絶反応を熱)。担当者が空調システムの流量で R 134 a 冷媒を使用して= 0.01 kg s^-1以下の状態ポイント値 (表 1)。

表 1 - 代表的な冷凍サイクル状態がポイント

ポイント	圧力 (P, kPa)	温度 (T° C)	エンタルピー (h、kJ kg-1)	エントロピー (s、kJ kg-1 K-1)	品質 (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

として、蒸発器の冷却能力を評価するここでは、 = 1.67 kW。コンプレッサー作業入力が= 0.31 kW。システムの効率、または性能 (COP) の係数は5.4 を =。

図 1: 蒸気圧縮冷凍サイクルの模式図

図 2:T-s(a) と P-h (b) 図代表的な R 134 a 蒸気圧縮サイクル状態ポイントを表 1 に示す。

注意: この実験には、高い圧力と高い濃度で有毒ことができる冷却剤の使用でシステムが含まれます。合理的な安全対策が講じられて適切な PPE を着用することを確認します。冷媒を使用する場合は、十分な換気を確認します。

1. 冷凍システムの作製 (図や写真、図 3 を参照)

1. パイプ継ぎ手ティーにダブル アクション空気圧シリンダーの最初の接続 1 つのポートによる蒸気圧縮機を構築します。空気圧シリンダーの他のポートにシュリーダー弁をインストールします。ティー、内側を指して 1 つと外向きの 2 つの他のポートに一方向 (弁) をインストールします。これは冷媒蒸発器から描画し、高圧コンデンサーを追放することができます。
2. 2 つ以上の配管継手の t シャツを使用して、コンプレッサーの下流・上流の圧力ゲージをインストールします。
3. 高圧自転車フロア ポンプ、コンプレッサーを作動させるために使用されます。自転車ポンプ配管からゴム ビーズ (チェック バルブ コンポーネント) を削除します。コンプレッサーを展開し、冷媒ポンプ ストロークの間の描画ができるようになります。コンプレッサーのシュリーダー バルブに自転車ポンプのホースを接続します。
4. コンデンサーとして動作する薄い (3.2 mm 外径) アルミ チューブ コイルを形成します。プロトタイプ システム (図 3)、コイルはらせん 2.5 cm 径の硬質ゴム管コアの周り 4 回転 (~ 50 cm 全長) のためのアルミニウム管をラップすることによって形成されました。コンデンサー コイルの長さは、この小規模な実験のため重要ではありません。
5. フィッティング (マクマスター社パート #5272 提案 K 291) 圧縮を使用して圧力ゲージのパイプの継ぎ手ティーを下流の開いているポートにコンデンサーのコイルの一方の端を接続します。
6. 2 つの還元パイプ肘に短いクリア塩ビのパイプを取り付けます。このコンポーネントは、高圧冷媒貯蔵庫として機能します。貯水池をコンデンサー チューブのコンセントに接続します。
7. コネクタをフィッティング AN/SAE フレア パイプ t シャツにボールバルブを取り付けます。これは、充電ポートになります。パイプ t シャツの 1 つの側面に針の流量計を接続します。これは拡張デバイスになります。狭いアルミ チューブを使用すると、冷媒の貯留層の低いポイントにパイプ t シャツの他のポートを接続します。
8. 蒸発器として使用する 2 つめのアルミニウム チューブ コイルを形成します。ニードル バルブ コンセントと圧縮機入口の間これを接続します。
9. 圧縮空気 (利用可能な場合は 550 kPa) で充電ポートを介してシステムを入力します。、配管の漏出を識別するために石鹸水スプレーを使用し、必要に応じて修理を行います。
10. 熱電対を温度測定用凝縮器と蒸発器コイルに接続します。

図 3: a. 図コンポーネントおよび実験蒸気圧縮冷凍システムに接続します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: T ・ s (a) とP ・ h (b) 図実験 R 134 a の蒸気圧縮式冷凍サイクル。

2. 充電冷凍システム

1. 冷媒冷蔵庫の充電ポートにマニホールドの真ん中のポートに接続します。真空ポンプを接続し、マニホールドの低圧ポート、冷媒高圧ポートにすることができます。R134a は最も一般的な冷媒をここで使用します。R1234ze(E) は、その低飽和圧力は簡単に圧縮機操作を許可するためにその低 GWP は、任意の漏れの環境への影響を減らすことのより良いオプションかもしれません。
2. 真空ポンプを実行し、すべての空気を削除するすべてのシステムのバルブを徐々 に開きます。簡単にアセンブリからすべての空気をクリアする冷媒容器バルブを開きます。
3. 一度真空を達成すると、真空ポンプを分離し、冷媒のマニホールドの低圧ポートを閉じます。冷媒容器を反転し、高圧貯留層のレベルは若干上回るニードル弁レベルまでシステムに冷媒に液体を注入します。

3. 操作

1. かろうじて開いているまでは、ニードル バルブを調整します。
2. コンプレッサー空気圧シリンダーに接続された自転車ポンプをポンピングして、冷蔵庫を動作します。
3. 定常状態に達するまでは、ハイサイドとローサイドの圧力と蒸発器と凝縮器の温度を追跡します。これらの圧力と温度の値を記録します。ほとんど圧力計レポート ゲージ圧であることに注意してください。これは、約 101 kPa を追加することによって絶対圧力に変換できます。
4. 状態ポイント (1-4) を示し、 T・sとP・hダイアグラム (図 4) で曲線を接続する近似。

P高	659 ± 7 kPa
P低	569 ± 7 kPa
Tアンビエント	22.0 ± 1 °C
Tcond	25.0 ± 1 °C	T座って、R 134 a(P高)	24.7 ± 0.3 °C
Tevap	21.1 ± 1°C	T座って、R 134 a(P低)	19.8 ± 0.4 °C

表 2。冷凍システムは、性質を測定しました。

測定凝縮器と蒸発器の外側表面温度が比較的彩度_高 P及びP_低温の近くにあります。蒸発温度がTは_{、R 134 a に座って}することを外部の熱電対に周囲の空気からの熱伝達のため (P)、_低よりわずかに高い。凝縮器の温度がT_{、R 134 a に座って}(P)、_低より若干高いが、実験的不確実性の内で。この温度は、コンデンサーの暖かい過熱部分で測定される可能性があります。

おおよそのT-sとP- このシステムのhサイクル図は、図 4 で示されます。

この実験は、蒸気圧縮冷凍機の原理を論証しました。確かに、実験システムは、低冷却能力 (Q_evap) と低リフト (蒸発器の温度差) 限られたパフォーマンス - を生成します。しかし、直感的なデザインと蒸気圧縮の物理入門を提供しています。データ分析手順は、 T-sとPの使用 - 熱力学を説明するh図サイクルします。

自転車ポンプで空気を圧縮する入力作業の多く費やされています。低圧冷媒を使用して (例えば、R1234ze(E)) この仕事を減らすだろうし、大きい蒸発器・凝縮器の温度の違いを許可可能性があります。さらに、ここで採用されている膨張弁のみ比較的小さい低から高の側の圧力差を維持できます。細かい調節で代替バルブが望ましい場合があります。ほとんどの市販の冷凍システムで必要な蒸発温度を維持温度制御された膨張弁 (TXV) は使用動的にその開口部を調整します。

蒸気圧縮サイクルは、最も広く使用されている冷凍技術です。それは、ほぼすべての家庭用のエアコンと冷蔵庫と同様に産業規模の冷凍機および冷凍庫で発見されます。サイクルは、熱ポンプとしても使用できます。このモードでは低温環境から蒸発器で熱を取得したし、暖かいエアコン スペースを提供します。これは暖房暖房配信熱のほとんどは周辺から描画され、ごく一部が機械的な仕事としてコンプレッサーに供給されるので直接抵抗と比較しての効率的なモードをすることができます。

この実験はまた熱力学のT・sとP・hダイアグラムの使用を示します。これら分析と化学処理、冷凍サイクル発電など多数のエネルギー システムのエンジニア リングのための重要なツールです。