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Ciclo di refrigerazione a compressione di vapore

1834
  • Oliver Evans
  • Jacob Perkins
  • Alexander Twining
Sistema di refrigerazione a compressione di vapore nel laboratorio di ingegneria meccanica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il ciclo a compressione di vapore è il termodinamico processo utilizzato dalla maggior parte delle pompe di calore. Comporta quattro fasi: la compressione di un vapore refrigerante, la condensazione in un liquido ad alta pressione che rilascia calore, l'espansione attraverso una valvola in una miscela liquido/vapore a bassa pressione e l'evaporazione in un vapore a bassa pressione che assorbe calore. Questo ciclo sposta efficacemente l'energia termica contro la sua naturale direzione di flusso.

Il ciclo di compressione del vapore è la pietra angolare della refrigerazione e del riscaldamento moderni pompa tecnologia. Sfrutta il principio fisico della calore latente di vaporizzazione, in cui una sostanza assorbe o rilascia una grande quantità di energia quando cambia fase tra liquido e gas. Il ciclo utilizza un fluido volatile chiamato refrigerante.

Il processo inizia nel compressore, che aspira vapore refrigerante a bassa pressione e bassa temperatura e lo comprime trasformandolo in vapore surriscaldato ad alta pressione e alta temperatura. Questo richiede un notevole apporto di lavoro meccanico. Successivamente, il vapore caldo fluisce nel condensatore, uno scambiatore di calore, dove rilascia calore nell'ambiente più caldo (ad esempio, l'aria esterna in estate) e condensa in un liquido ad alta pressione. La terza fase è rappresentata dalla valvola di espansione (o da un tubo capillare), dove il liquido ad alta pressione subisce una rapida caduta di pressione, provocando un processo chiamato vaporizzazione. Ciò si traduce in una miscela di liquido e vapore a bassa pressione e bassa temperatura. Infine, questa miscela fredda entra nell'evaporatore, un altro scambiatore di calore, dove assorbe calore dall'ambiente più freddo (ad esempio, l'aria interna in estate), facendo bollire il liquido rimanente trasformandolo in vapore. Questo vapore a bassa pressione ritorna quindi al compressore e il ciclo si ripete. Invertendo i ruoli del condensatore e dell'evaporatore, il sistema può fornire riscaldamento anziché raffreddamento.

UNESCO Nomenclature: 3322
- Ingegneria meccanica

Tipo

Ciclo termodinamico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • comprensione del calore latente da parte di Joseph Black
  • La legge di Boyle e la legge di Charles che descrivono il comportamento dei gas
  • sviluppo dei primi compressori meccanici per i processi industriali
  • scoperta che i fluidi volatili come l'etere causano raffreddamento in caso di rapida evaporazione

Applicazioni

  • frigoriferi e congelatori domestici
  • sistemi di condizionamento dell'aria per edifici e veicoli
  • refrigerazione su scala industriale per impianti di lavorazione alimentare e chimici
  • criogenia per liquefaction of gases like nitrogen and oxygen
  • refrigeratori per grandi sistemi HVAC commerciali

Brevetti:

  • GB Patent 6662 (Jacob Perkins, 1834)

Idee e potenziali innovazioni

  • compressori con cuscinetti magnetici oil-free per eliminare le perdite per attrito e migliorare l'affidabilità
  • scambiatori di calore a microcanali per condensatori ed evaporatori per aumentare la superficie e l'efficienza del trasferimento di calore
  • valvole di espansione elettroniche per un controllo preciso del flusso di refrigerante, migliorando l'efficienza in una gamma più ampia di condizioni
  • refrigerant-free cycles using magnetic (magnetocaloric) or acustico (thermoacoustic) principles
  • cicli di compressione del vapore miniaturizzati per il raffreddamento di dispositivi elettronici personali e microrobotica
  • sistemi di refrigerazione a cascata che utilizzano più cicli annidati con refrigeranti diversi per raggiungere temperature ultra basse
  • cicli di refrigerazione potenziati dall'eiettore che utilizzano il calore di scarto per ridurre il carico di lavoro del compressore
  • sviluppo di refrigeranti a basso potenziale di riscaldamento globale (GWP) per sostituire i tradizionali HFC
  • cicli ibridi ad assorbimento-compressione alimentati da energia solare-termica
  • sistemi integrati che sfruttano il calore di scarto del ciclo frigorifero per il riscaldamento dell'acqua sanitaria
Related to: vapor-compression, refrigeration cycle, refrigerant, compressor, condenser, expansion valve, evaporator, thermodynamics, phase change, heat transfer.

Contesto storico

Ciclo di refrigerazione a compressione di vapore

-500
1750
1788
1834
1850
1850
1850
-500
1700
1761
1807-01-01
1850
1850
1850
1850

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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