냉장 소개
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-s및 P-h다이어그램의 관점에서 해석될 수 있다.
Principles
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). 
다음 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
| 점 | 압력 (P,kPa) |
온도 (T,°C) |
엔탈피 (h,kJ kg-1) |
엔트로피 (s,kJ kg-1 K-1) |
질 (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 
= 1.67 kW로 평가된다. 압축기 작업 입력은 
= 0.31 kW입니다. 시스템 효율성 또는 성능 계수(COP)는 
= 5.4입니다.
그림 1: 증기 압축 냉장 주기의 회로도
도 2: T- s(a) 및 P-h(b) 표 1에 나열된 상태 점을 가진 대표적인 R-134a 증기 압축 주기에 대한 다이어그램.
Procedure
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)
- 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.
- 두 개의 파이프 피팅 티를 사용하여 압축기의 상류 및 하류에 압력 게이지를 설치합니다.
- 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.
- 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.
- 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.
- 두 개의 감소 파이프 팔꿈치에 짧은 명확한 PVC 파이프를 설치합니다. 이 구성 요소는 고압 냉매 저장소 역할을합니다. 저수지를 응축기 튜브의 콘센트에 연결합니다.
- 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.
- 증발기 역할을 하는 두 번째 알루미늄 튜브 코일을 형성합니다. 바늘 밸브 콘센트와 압축기 입구 사이에 연결합니다.
- 충전 포트를 통해 압축 공기 (사용 가능한 경우 550 kPa)로 시스템을 채웁니다. 비눗물 스프레이를 사용하여 배관 누출을 식별하고 필요에 따라 수리하십시오.
- 온도 측정을 위해 열전대를 응축기 및 증발기 코일에 연결합니다.
그림 3: a. 실험 증기 압축 냉장 시스템에서 구성 요소 및 연결의 다이어그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 4: T - s (a) 및 P - h (b) 실험 R-134a 증기 압축 냉장 주기에 대한 다이어그램.
2. 냉장 시스템 충전
- 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.
- 진공 펌프를 실행하고 점차적으로 모든 시스템 밸브를 열어 모든 공기를 제거합니다. 냉장 캐니스터 밸브를 잠깐 열어 어셈블리에서 공기를 제거합니다.
- 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
- 바늘 밸브가 거의 열리지 때까지 조정합니다.
- 압축기 공압 실린더에 연결된 자전거 펌프를 펌핑하여 냉장고를 작동합니다.
- 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.
- 상태 점(1-4)을 나타내고 T-s 및 P-h 다이어그램(도 4)에 대한 대략적인 연결 곡선을 나타냅니다.
Results
| 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-s 및 P-h 주기 다이어그램은 도 4에 제시됩니다.
Application and Summary
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-s및 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-s 및 P-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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