Introduction to refrigeration systems

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Information about Introduction to refrigeration systems

Published on September 30, 2016

Author: VishuSharma13


1. REFRIGERATION SYSTEMS VAPOR REFRIGERATION SYSTEMS The purpose of a refrigeration system is to maintain a system at a temperature  below the temperature of its surroundings. CARNOT REFRIGERATION CYCLE Carnot vapor refrigeration cycle  The refrigerant enters the evaporator as a two­phase liquid–vapor mixture  at state 4. In the evaporator some of the refrigerant changes phase from  liquid to vapor as a result of heat transfer from the region at temperature  TC to the refrigerant. The temperature and pressure of the refrigerant  remain constant during the process from state 4 to state 1.  The refrigerant is then compressed adiabatically from state 1, where it is a  two­phase liquid–vapor mixture, to state 2, where it is a saturated vapor.  During this process, the temperature of the refrigerant increases from TC to TH, and the pressure also increases.

2.  The refrigerant passes from the compressor into the condenser, where it  changes phase from saturated vapor to saturated liquid as a result of heat  transfer to the region at temperature TH. The temperature and pressure  remain constant in the process from state 2 to state 3  The refrigerant returns to the state at the inlet of the evaporator by  expanding adiabatically through a turbine. In this process, from state 3 to  state 4, the temperature decreases from TH to TC, and there is a decrease in  pressure. Area 1–a–b–4–1 is the heat added to the refrigerant from the cold region per unit  mass of refrigerant flowing. Area 2–a–b–3–2 is the heat rejected from the  refrigerant to the warm region per unit mass of refrigerant flowing. The enclosed  area 1–2–3–4–1 is the net heat transfer from the refrigerant. The net heat transfer from the refrigerant equals the net work done on the refrigerant. The net work is  the difference between the compressor work input and the turbine work output COP­ The coefficient of performance   β of any refrigeration cycle is the ratio of the  refrigeration effect to the net work input required to achieve that effect. DEPARTURES FROM THE CARNOT CYCLE Actual vapor refrigeration systems depart significantly from the Carnot cycle and  have coefficients of performance lower than Carnot. The ways actual systems depart from the Carnot cycle are­ In actual systems, these heat transfers are not accomplished reversibly as  presumed above. To achieve a rate of heat transfer sufficient to maintain the  temperature of the cold region at TC requires the temperature of the refrigerant in  the evaporator T ’C, to be several degrees below TC. Similarly, to obtain a  sufficient heat transfer rate from the refrigerant to the warm region requires that  the refrigerant temperature in the condenser, T ‘H, be several degrees above TH.

3. Maintaining the refrigerant temperatures in the heat exchangers at T ‘C and T ‘H  rather than at TC and TH, respectively, has the effect of reducing the COP. This conclusion about the effect of refrigerant temperature on the COP also  applies to other refrigeration cycles. Compression process from state 1 to state 2 occurs with the refrigerant as a two­ phase liquid–vapor mixture, this is commonly referred to as wet compression. Wet compression is normally avoided because the presence of liquid droplets in the  flowing liquid–vapor mixture can damage the compressor and this makes carnot  cycle impractical. The expansion process from the saturated liquid state 3’ to the low­quality, two  phase liquid–vapor mixture state 4, produces a relatively small amount of work  compared to the work input in the compression process. Ton of refrigeration is equal to 200 Btu/min or about  211 kJ/min.

4. VAPOR COMPRESSION REFRIGERATION SYSTEMS Vapor­compression refrigeration systems are the most common refrigeration  systems in use today. vapor compression refrigeration system T­S CURVE FOR IDEAL VCRS

5. WORK AND HEAT TRANSFERS  As the refrigerant passes through the evaporator, heat transfer from the  refrigerated space results in the vaporization of the refrigerant. For a control volume, rate of heat transfer per unit mass of refrigerant  flowing­ is the mass flow rate of the refrigerant   is referred to as the refrigeration capacity.  The refrigerant leaving the evaporator is compressed to a relatively high  pressure and temperature by the compressor. Rate of power input per unit mass of refrigerant flowing­  The refrigerant passes through the condenser, where the refrigerant  condenses and there is heat transfer from the refrigerant to the cooler  surroundings The rate of heat transfer from the refrigerant per unit mass of refrigerant  flowing is­  Refrigerant at state 3 enters the expansion valve and expands to the  evaporator pressure. This process is usually modeled as a throttling  process for which­

6. The refrigerant pressure decreases in the irreversible adiabatic expansion,  and there is an accompanying increase in specific entropy. The refrigerant  exits the valve at state 4 as a two­phase liquid–vapor mixture. In the vapor­compression system, the net power input is equal to the compressor  power, since the expansion valve involves no power input or output    Therefore COP of VCRS is­ Dry compression is presumed Process 1–2s Isentropic compression of the refrigerant from state 1 to the  condenser pressure at state 2s. Process 2s–3: Heat transfer from the refrigerant as it flows at constant pressure  through the condenser Process 3–4: Throttling process from state 3 to a two­phase liquid–vapor mixture at 4. Process 4–1: Heat transfer to the refrigerant as it flows at constant pressure  through the evaporator to complete the cycle PERFORMANCE OF ACTUAL VAPOR­COMPRESSION SYSTEMS t­s curve for actual vcrs

7. p­h curve for vcrs Heat transfers between the refrigerant and the warm and cold regions are not  accomplished reversibly. The refrigerant temperature in the evaporator is less than the cold region  temperature, TC, and the refrigerant temperature in the condenser is greater than  the warm region temperature, TH. Coefficient of performance decreases as the average temperature of the refrigerant  in the evaporator decreases and as the average temperature of the refrigerant in  the condenser increases. The effect of irreversible compression can be accounted for by using the isentropic  compressor efficiency­ Additional departures from ideality results from frictional effects that result in  pressure drops as the refrigerant flows through the evaporator, condenser, and  piping connecting the various components.

8. ABSORPTION REFRIGERATION These cycles have some features in common with the vapor­compression cycles but differs in following  important respects­  Instead of compressing a vapor between the evaporator and the condenser,  the refrigerant of an absorption system is absorbed by a secondary  substance, called an absorbent, to form a liquid solution. The liquid  solution is then pumped to the higher pressure. Because the average  specific volume of the liquid solution is much less than that of the  refrigerant vapor, significantly less work is required so, absorption  refrigeration systems have the advantage of relatively small work input  compared to vapor­compression systems.   The other main difference between absorption and vapor­compression  systems is that some means must be introduced in absorption systems to  retrieve the refrigerant vapor from the liquid solution before the refrigerant enters the condenser. This involves heat transfer from a relatively high­ temperature source. Natural gas or some other fuel can be burned to  provide the heat source, and there have been practical applications of  absorption refrigeration using alternative energy sources such as solar and geothermal energy. SIMPLE AMMONIA­ WATER ARS

9.  In this case, ammonia is the refrigerant and water is the absorbent.  Ammonia circulates through the condenser, expansion valve, and  evaporator as in a vapor­compression system. However, the compressor is  replaced by the absorber, pump, generator, and valve shown on the right  side of the diagram.   In the absorber, ammonia vapor coming from the evaporator at state 1 is  absorbed by liquid water. The formation of this liquid solution is  exothermic. Since the amount of ammonia that can be dissolved in water  increases as the solution temperature decreases, cooling water is circulated  around the absorber to remove the energy released as ammonia goes into  solution and maintain the temperature in the absorber as low as possible.  The strong ammonia–water solution leaves the absorber at point “a” and  enters the pump, where its pressure is increased to that of the generator.  In the generator, heat transfer from a high­temperature source drives  ammonia vapor out of the solution (an endothermic process), leaving a  weak ammonia–water solution in the generator. The vapor liberated passes to the condenser at state 2, and the remaining weak solution at c flows  back to the absorber through a valve. The only work input is the power  required to operate the pump, and this is small in comparison to the work  that would be required to compress refrigerant vapor between the same  pressure levels. MODIFIED AMMONIA–WATER ABSORPTION SYSTEM In this cycle, a heat exchanger is included between the generator and the absorber that allows the strong water–ammonia solution entering the generator to be  preheated by the weak solution returning from the generator to the absorber,  thereby reducing the heat transfer to the generator  . The other modification shown in the figure is the rectifier placed between the  generator and the condenser. The function of the rectifier is to remove any traces  of water from the refrigerant before it enters the condenser. This eliminates the  possibility of ice formation in the expansion valve and the evaporator.

10. modified ammonia water ars Another type of absorption system uses lithium bromide as the absorbent and  water as the refrigerant To achieve refrigeration at lower temperatures than are  possible with water as the refrigerant, a lithium bromide–water absorption  system may be combined with another cycle using a refrigerant with good  low­temperature characteristics, such as ammonia, to form a cascade  refrigeration system.

11. GAS REFRIGERATION SYSTEMS In gas refrigeration systems working fluid remains a gas throughout. They are used to achieve very low temperatures for the liquefaction of air and other gases  and for other specialized applications such as aircraft cabin cooling. BRAYTON REFRIGERATION CYCLE  The refrigerant gas, which may be air, enters the compressor at state 1,  where the temperature is somewhat below the temperature of the cold  region, TC, and is compressed to state 2.  The gas is then cooled to state 3, where the gas temperature approaches the temperature of the warm region, TH.  Next, the gas is expanded to state 4, where the temperature, T4, is well  below that of the cold region.  Refrigeration is achieved through heat transfer from the cold region to the  gas as it passes from state 4 to state 1, completing the cycle.  

12. COP is­ The magnitude of the work developed by the turbine of a Brayton refrigeration  cycle is typically significant relative to the compressor work input. To obtain even moderate refrigeration capacities with the Brayton refrigeration  cycle, equipment capable of achieving relatively high pressures and volumetric  flow rates is needed. For most applications involving air conditioning and for ordinary refrigeration  processes, vapor­compression systems can be built more cheaply and can operate  with higher coefficients of performance than gas refrigeration systems Gas refrigeration systems can be used to achieve temperatures of about 21508C  (22408F), which are well below the temperatures normally obtained with vapor  systems. BRAYTON REFRIGERATION CYCLE WITH HEAT EXCHANGER

13. The heat exchanger allows the air exiting the compressor at state 2 to cool below  the warm region temperature TH giving a low turbine inlet temperature, T3. Without the heat exchanger, air could be cooled only close to TH, as represented on the figure by state a. In the subsequent expansion through the turbine, the air achieves a much lower  temperature at state 4 than would have been possible without the heat exchanger Accordingly, the refrigeration effect, achieved from state 4 to state b, occurs at a  correspondingly lower average temperature. SELECTING REFRIGERANTS Refrigerant selection for a wide range of refrigeration and air­conditioning  applications is generally based on three factors­ 1) Performance­It refers to providing the required cooling or heating capacity  reliably and cost effectively 2) Safety­ It refers to avoiding hazards such as toxicity and flammability 3) Environmental impact­ It primarily refers to using refrigerants that do not  harm the stratospheric ozone layer or contribute significantly to global  climate change. The selection of a refrigerant is based partly on the suitability of its pressure– temperature relationship in the range of the particular application. It is generally desirable to avoid excessively low pressures in the evaporator and excessively high pressures in the condenser. Other considerations in refrigerant selection include chemical stability,  corrosiveness, and cost. The type of compressor also affects the choice of refrigerant. Centrifugal  compressors are best suited for low evaporator pressures and refrigerants with  large specific volumes at low pressure. Reciprocating compressors perform better  over large pressure ranges and are better able to handle low specific volume  refrigerants.

14. Refrigerant Types and Characteristics

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