Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Zobrazuje karusel troch snímok naraz.Pomocou tlačidiel Predchádzajúci a Ďalší sa môžete pohybovať po troch snímkach naraz alebo pomocou posúvacích tlačidiel na konci môžete prechádzať tromi snímkami naraz.
Domáce vykurovacie a chladiace systémy často používajú kapilárne zariadenia.Použitie špirálových kapilár eliminuje potrebu ľahkého chladiaceho zariadenia v systéme.Kapilárny tlak do značnej miery závisí od parametrov geometrie kapilár, ako je dĺžka, stredný priemer a vzdialenosť medzi nimi.Tento článok sa zameriava na vplyv dĺžky kapilár na výkon systému.V experimentoch boli použité tri kapiláry rôznych dĺžok.Údaje pre R152a sa skúmali za rôznych podmienok, aby sa vyhodnotil účinok rôznych dĺžok.Maximálna účinnosť je dosiahnutá pri teplote výparníka -12°C a dĺžke kapiláry 3,65 m.Výsledky ukazujú, že výkon systému sa zvyšuje so zvyšujúcou sa dĺžkou kapiláry na 3,65 m v porovnaní s 3,35 m a 3,96 m.Preto, keď sa dĺžka kapiláry zvýši o určitú hodnotu, výkon systému sa zvýši.Experimentálne výsledky boli porovnané s výsledkami výpočtovej analýzy dynamiky tekutín (CFD).
Chladnička je chladiace zariadenie, ktoré obsahuje izolovanú priehradku a chladiaci systém je systém, ktorý vytvára chladiaci efekt v izolovanej priehradke.Chladenie je definované ako proces odoberania tepla z jedného priestoru alebo látky a prenosu tohto tepla do iného priestoru alebo látky.Chladničky sú teraz široko používané na skladovanie potravín, ktoré sa kazia pri okolitých teplotách, kazenie spôsobené rastom baktérií a inými procesmi je v chladničkách s nízkou teplotou oveľa pomalšie.Chladivá sú pracovné kvapaliny používané ako chladiče alebo chladivá v chladiacich procesoch.Chladivá zhromažďujú teplo odparovaním pri nízkej teplote a tlaku a potom kondenzujú pri vyššej teplote a tlaku a uvoľňujú teplo.Zdá sa, že miestnosť sa ochladzuje, pretože teplo uniká z mrazničky.Proces chladenia prebieha v systéme pozostávajúcom z kompresora, kondenzátora, kapilárnych trubíc a výparníka.Chladničky sú chladiace zariadenia použité v tejto štúdii.Chladničky sú široko používané po celom svete a tento spotrebič sa stal v domácnosti nevyhnutnosťou.Moderné chladničky sú pri prevádzke veľmi efektívne, no výskum na zlepšenie systému stále prebieha.Hlavnou nevýhodou R134a je, že nie je známy ako toxický, ale má veľmi vysoký potenciál globálneho otepľovania (GWP).R134a pre chladničky pre domácnosť bolo zahrnuté do Kjótskeho protokolu Rámcového dohovoru Organizácie Spojených národov o zmene klímy1,2.Preto by sa malo používanie R134a výrazne obmedziť3.Z environmentálneho, finančného a zdravotného hľadiska je dôležité nájsť chladivá s nízkym globálnym otepľovaním4.Niekoľko štúdií dokázalo, že R152a je chladivo šetrné k životnému prostrediu.Mohanraj et al.5 skúmali teoretickú možnosť použitia R152a a uhľovodíkových chladív v domácich chladničkách.Zistilo sa, že uhľovodíky sú ako samostatné chladivá neúčinné.R152a je energeticky účinnejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu ako vyradené chladivá.Bolaji a ďalší.6.Výkon troch ekologických chladív HFC sa porovnával v parnej kompresnej chladničke.Dospeli k záveru, že R152a by sa mohol použiť v systémoch kompresie pár a mohol by nahradiť R134a.R32 má nevýhody, ako je vysoké napätie a nízky koeficient výkonu (COP).Bolaji a kol.7 testovali R152a a R32 ako náhradu za R134a v chladničkách pre domácnosť.Podľa štúdií je priemerná účinnosť R152a o 4,7 % vyššia ako u R134a.Cabello a kol.testované R152a a R134a v chladiacich zariadeniach s hermetickými kompresormi.8. Bolaji et al9 testovali chladivo R152a v chladiacich systémoch.Dospeli k záveru, že R152a bol energeticky najefektívnejší, s o 10,6 % menšou chladiacou kapacitou na tonu ako predchádzajúci R134a.R152a vykazuje vyššiu objemovú chladiacu kapacitu a účinnosť.Chavhan et al.10 analyzovali charakteristiky R134a a R152a.V štúdii dvoch chladív sa zistilo, že R152a je energeticky najúčinnejšie.R152a je o 3,769 % účinnejší ako R134a a môže byť použitý ako priama náhrada.Bolaji et al.11 skúmali rôzne chladivá s nízkym GWP ako náhradu za R134a v chladiacich systémoch kvôli ich nižšiemu potenciálu globálneho otepľovania.Spomedzi hodnotených chladív má najvyšší energetický výkon R152a, ktorý znižuje spotrebu elektrickej energie na tonu chladenia o 30,5 % v porovnaní s R134a.Pred použitím ako náhrada R161 je podľa autorov potrebné kompletne prerobiť.Mnoho domácich výskumníkov v oblasti chladenia vykonalo rôzne experimentálne práce na zlepšenie výkonu chladiacich systémov s nízkym GWP a chladiacich systémov s prímesou R134a ako nadchádzajúcu náhradu v chladiacich systémoch12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 študovali výkon niekoľkých chladív šetrných k životnému prostrediu a ich kombináciu s R134a ako potenciálnu alternatívu pre rôzne testy kompresie pár.systém.Tiwari a kol.36 použili experimenty a CFD analýzu na porovnanie výkonu kapilárnych rúrok s rôznymi chladivami a priemermi rúrok.Na analýzu použite softvér ANSYS CFX.Odporúča sa najlepší dizajn špirálovej cievky.Punia et al.16 skúmali vplyv dĺžky kapiláry, priemeru a priemeru cievky na hmotnostný prietok chladiva LPG cez špirálovú cievku.Podľa výsledkov štúdie úprava dĺžky kapiláry v rozsahu od 4,5 do 2,5 m umožňuje zvýšenie hmotnostného prietoku v priemere o 25 %.Söylemez et al.16 vykonali CFD analýzu domáceho chladiaceho priestoru pre čerstvosť (DR) pomocou troch rôznych turbulentných (viskózne) modelov, aby získali prehľad o rýchlosti chladenia v chladiacom priestore a distribúcii teploty vo vzduchu a priestore počas nakladania.Predpovede vyvinutého CFD modelu jasne ilustrujú prúdenie vzduchu a teplotné polia vo vnútri FFC.
Tento článok pojednáva o výsledkoch pilotnej štúdie na určenie výkonu domácich chladničiek s použitím chladiva R152a, ktoré je šetrné k životnému prostrediu a nemá žiadne riziko poškodzovania ozónovej vrstvy (ODP).
V tejto štúdii boli ako testovacie miesta vybrané kapiláry 3,35 m, 3,65 m a 3,96 m.Potom sa uskutočnili experimenty s chladivom R152a s nízkym globálnym otepľovaním a vypočítali sa prevádzkové parametre.Správanie sa chladiva v kapiláre sa tiež analyzovalo pomocou softvéru CFD.Výsledky CFD boli porovnané s experimentálnymi výsledkami.
Ako je znázornené na obrázku 1, môžete vidieť fotografiu 185-litrovej domácej chladničky použitej na štúdiu.Pozostáva z výparníka, hermetického piestového kompresora a vzduchom chladeného kondenzátora.Štyri tlakomery sú inštalované na vstupe kompresora, na vstupe do kondenzátora a na výstupe z výparníka.Aby sa zabránilo vibráciám počas testovania, tieto merače sú namontované na paneli.Na odčítanie teploty termočlánku sú všetky vodiče termočlánku pripojené k snímaču termočlánkov.Desať zariadení na meranie teploty je inštalovaných na vstupe výparníka, nasávaní kompresora, výtlaku kompresora, chladiacom priestore a vstupe, vstupe do kondenzátora, mraziaceho priestoru a výstupe z kondenzátora.Uvádza sa aj spotreba napätia a prúdu.Prietokomer pripojený k potrubnej časti je upevnený na drevenej doske.Záznamy sa ukladajú každých 10 sekúnd pomocou jednotky Human Machine Interface (HMI).Priezor sa používa na kontrolu rovnomernosti prietoku kondenzátu.
Na kvantifikáciu výkonu a energie bol použitý ampérmeter Selec MFM384 so vstupným napätím 100–500 V.Na vrchu kompresora je nainštalovaný systémový servisný port na nabíjanie a dopĺňanie chladiva.Prvým krokom je vypustenie vlhkosti zo systému cez servisný port.Ak chcete odstrániť akúkoľvek kontamináciu zo systému, prepláchnite ho dusíkom.Systém sa nabíja pomocou vákuovej pumpy, ktorá evakuuje jednotku na tlak -30 mmHg.V tabuľke 1 sú uvedené charakteristiky testovacieho zariadenia domácich chladničiek a v tabuľke 2 sú uvedené namerané hodnoty, ako aj ich rozsah a presnosť.
Charakteristiky chladív používaných v domácich chladničkách a mrazničkách sú uvedené v tabuľke 3.
Testovanie bolo vykonané podľa odporúčaní ASHRAE Handbook 2010 za nasledujúcich podmienok:
Okrem toho sa pre každý prípad vykonali kontroly na zabezpečenie reprodukovateľnosti výsledkov.Pokiaľ zostávajú prevádzkové podmienky stabilné, zaznamenáva sa teplota, tlak, prietok chladiva a spotreba energie.Na určenie výkonu systému sa meria teplota, tlak, energia, výkon a prietok.Nájdite chladiaci účinok a účinnosť pre špecifický hmotnostný prietok a výkon pri danej teplote.
Pomocou CFD na analýzu dvojfázového toku v špirálovej cievke domácej chladničky možno jednoducho vypočítať vplyv dĺžky kapiláry.CFD analýza uľahčuje sledovanie pohybu častíc tekutiny.Chladivo prechádzajúce vnútrom špirálovej špirály bolo analyzované pomocou programu CFD FLUENT.Tabuľka 4 ukazuje rozmery kapilárnych cievok.
Softvérový simulátor siete FLUENT vygeneruje model konštrukčného návrhu a sieť (obrázky 2, 3 a 4 zobrazujú verziu ANSYS Fluent).Objem tekutiny v potrubí sa používa na vytvorenie hraničnej siete.Toto je mriežka použitá pre túto štúdiu.
CFD model bol vyvinutý pomocou platformy ANSYS FLUENT.Znázornený je iba vesmír pohybujúcich sa tekutín, takže prúdenie každého kapilárneho hada je modelované z hľadiska priemeru kapiláry.
Model GEOMETRY bol importovaný do programu ANSYS MESH.ANSYS píše kód, kde ANSYS je kombináciou modelov a pridaných okrajových podmienok.Na obr.4 ukazuje model potrubia 3 (3962,4 mm) v ANSYS FLUENT.Tetraedrické prvky poskytujú vyššiu jednotnosť, ako je znázornené na obrázku 5. Po vytvorení hlavnej siete sa súbor uloží ako sieť.Strana cievky sa nazýva vstup, zatiaľ čo opačná strana smeruje k výstupu.Tieto okrúhle plochy sú uložené ako steny potrubia.Na stavbu modelov sa používajú tekuté médiá.
Bez ohľadu na to, ako používateľ cíti tlak, bolo zvolené riešenie a zvolená možnosť 3D.Bol aktivovaný vzorec na výrobu energie.
Keď sa tok považuje za chaotický, je vysoko nelineárny.Preto bol zvolený prietok K-epsilon.
Ak sa vyberie alternatíva špecifikovaná používateľom, prostredie bude: Opisuje termodynamické vlastnosti chladiva R152a.Atribúty formulára sú uložené ako databázové objekty.
Poveternostné podmienky zostávajú nezmenené.Stanovila sa vstupná rýchlosť, opísal sa tlak 12,5 bar a teplota 45 °C.
Nakoniec v pätnástej iterácii sa riešenie testuje a konverguje v pätnástej iterácii, ako je znázornené na obrázku 7.
Je to metóda mapovania a analýzy výsledkov.Vykreslite slučky údajov o tlaku a teplote pomocou funkcie Monitor.Potom sa určí celkový tlak a teplota a všeobecné teplotné parametre.Tieto údaje ukazujú celkový pokles tlaku na cievkach (1, 2 a 3) na obrázkoch 1 a 2. 7, 8 a 9, v tomto poradí.Tieto výsledky boli extrahované z nekontrolovaného programu.
Na obr.10 je znázornená zmena účinnosti pre rôzne dĺžky odparovania a kapiláry.Ako je možné vidieť, účinnosť sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou vyparovania.Najvyššia a najnižšia účinnosť bola dosiahnutá pri dosiahnutí rozpätia kapilár 3,65 m a 3,96 m.Ak sa dĺžka kapiláry predĺži o určitú hodnotu, účinnosť sa zníži.
Zmena chladiaceho výkonu v dôsledku rôznych úrovní teploty vyparovania a dĺžky kapiláry je znázornená na obr.11. Kapilárny efekt vedie k zníženiu chladiacej kapacity.Minimálny chladiaci výkon je dosiahnutý pri teplote varu -16°C.Najväčší chladiaci výkon majú kapiláry s dĺžkou cca 3,65 m a teplotou -12°C.
Na obr.12 je znázornená závislosť výkonu kompresora od dĺžky kapiláry a teploty vyparovania.Okrem toho graf ukazuje, že výkon klesá s rastúcou dĺžkou kapiláry a klesajúcou teplotou vyparovania.Pri teplote vyparovania -16 °C sa dosiahne nižší výkon kompresora s dĺžkou kapiláry 3,96 m.
Na overenie výsledkov CFD sa použili existujúce experimentálne údaje.V tomto teste sa vstupné parametre použité pre experimentálnu simuláciu aplikujú na CFD simuláciu.Získané výsledky sa porovnajú s hodnotou statického tlaku.Získané výsledky ukazujú, že statický tlak na výstupe z kapiláry je menší ako na vstupe do trubice.Výsledky testov ukazujú, že zväčšenie dĺžky kapiláry na určitú hranicu znižuje pokles tlaku.Okrem toho znížený pokles statického tlaku medzi vstupom a výstupom kapiláry zvyšuje účinnosť chladiaceho systému.Získané výsledky CFD sú v dobrej zhode s existujúcimi experimentálnymi výsledkami.Výsledky testu sú znázornené na obrázkoch 1 a 2. 13, 14, 15 a 16. V tejto štúdii boli použité tri kapiláry rôznych dĺžok.Dĺžka rúr je 3,35 m, 3,65 m a 3,96 m.Bolo pozorované, že pokles statického tlaku medzi kapilárnym vstupom a výstupom sa zvýšil, keď sa dĺžka trubice zmenila na 3,35 m.Upozorňujeme tiež, že výstupný tlak v kapiláre sa zvyšuje s veľkosťou potrubia 3,35 m.
Okrem toho pokles tlaku medzi vstupom a výstupom kapiláry klesá, keď sa veľkosť potrubia zväčšuje z 3,35 na 3,65 m.Bolo pozorované, že tlak na výstupe z kapiláry na výstupe prudko klesol.Z tohto dôvodu sa účinnosť zvyšuje s touto dĺžkou kapiláry.Navyše, zväčšenie dĺžky potrubia z 3,65 na 3,96 m opäť znižuje tlakovú stratu.Bolo pozorované, že po tejto dĺžke pokles tlaku klesne pod optimálnu úroveň.Tým sa zníži COP chladničky.Preto slučky statického tlaku ukazujú, že 3,65 m kapilára poskytuje najlepší výkon v chladničke.Okrem toho zvýšenie poklesu tlaku zvyšuje spotrebu energie.
Z výsledkov experimentu je vidieť, že chladiaci výkon chladiva R152a klesá s rastúcou dĺžkou potrubia.Prvá špirála má najvyšší chladiaci výkon (-12°C) a tretia špirála najnižšiu chladiacu kapacitu (-16°C).Maximálna účinnosť je dosiahnutá pri teplote výparníka -12 °C a dĺžke kapiláry 3,65 m.Výkon kompresora klesá so zvyšujúcou sa dĺžkou kapiláry.Príkon kompresora je maximálny pri teplote výparníka -12 °C a minimálny pri -16 °C.Porovnajte hodnoty CFD a tlaku na výstupe pre dĺžku kapiláry.Je vidieť, že situácia je v oboch prípadoch rovnaká.Výsledky ukazujú, že výkon systému sa zvyšuje so zvyšovaním dĺžky kapiláry na 3,65 m v porovnaní s 3,35 m a 3,96 m.Preto, keď sa dĺžka kapiláry zvýši o určitú hodnotu, výkon systému sa zvýši.
Hoci aplikácia CFD na tepelné a energetické elektrárne zlepší naše chápanie dynamiky a fyziky operácií tepelnej analýzy, obmedzenia vyžadujú vývoj rýchlejších, jednoduchších a lacnejších metód CFD.To nám pomôže optimalizovať a navrhnúť existujúce zariadenia.Pokroky v softvéri CFD umožnia automatizovaný návrh a optimalizáciu a vytváranie CFD cez internet zvýši dostupnosť technológie.Všetky tieto pokroky pomôžu CFD stať sa vyspelou oblasťou a silným inžinierskym nástrojom.Aplikácia CFD v tepelnom inžinierstve sa tak v budúcnosti rozšíri a zrýchli.
Tasi, WT Environmental Hazards and Hydrofluorocarbon (HFC) Exposure and Explosion Risk Review.J. Chemosphere 61, 1539–1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Johnson, E. Globálne otepľovanie v dôsledku HFC.streda.Hodnotenie vplyvu.otvorená 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S a Muralidharan S. Porovnávacie hodnotenie ekologických alternatív chladiva R134a v chladničkách pre domácnosť.energetická účinnosť.1(3), 189-198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA a Falade, Porovnávacia analýza výkonu troch chladív HFC šetrných k ozónu v chladničkách s kompresiou pár.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Experimentálna štúdia R152a a R32 ako náhrady za R134a v domácich chladničkách.Energia 35(9), 3793–3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Cabello R., Sanchez D., Llopis R., Arauzo I. a Torrella E. Experimentálne porovnanie chladív R152a a R134a v chladiacich jednotkách vybavených hermetickými kompresormi.vnútorná J. Chladnička.60, 92-105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. a Borokhinni FO Energetická účinnosť ekologických chladív R152a a R600a ako náhrada za R134a v chladiacich systémoch s kompresiou pár.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP a Mahajan, PS Experimentálne vyhodnotenie účinnosti R152a ako náhrady za R134a v parných kompresných chladiacich systémoch.interný J. rezort obrany.projektu.zásobná nádrž.5, 37 – 47 (2015).
Bolaji, BO a Huang, Z. Štúdia o účinnosti niektorých hydrofluórovaných uhľovodíkových chladív s nízkym globálnym otepľovaním ako náhrady za R134a v chladiacich systémoch.Do funkcie sa zapojil J. Ing.Tepelný fyzik.23(2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. a Bala PK Energetická analýza zmesí HFC-152a, HFO-1234yf a HFC/HFO ako priamej náhrady za HFC-134a v domácich chladničkách.Strojnický Časopis J. Mech.projektu.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. a Chandrasekaran, P. CFD analýza prirodzeného konvekčného prenosu tepla v stacionárnych domácich chladničkách.IOP relácia.Televízny seriál Alma mater.veda.projektu.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A., a Maiorino, A. HFO a jeho binárna zmes s HFC134a ako chladivom v domácich chladničkách: energetická analýza a hodnotenie vplyvu na životné prostredie.Aplikujte teplotu.projektu.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R. a Zeng, W. Náhrada a optimalizácia chladiva v rámci obmedzení znižovania emisií skleníkových plynov.J. Pure.produkt.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. a Hartomagioglu S. Predpovedanie času chladenia domácich chladničiek s termoelektrickým chladiacim systémom pomocou CFD analýzy.vnútorná J. Chladnička.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB a Chahuachi, B. Experimentálna a numerická analýza špirálových výmenníkov tepla pre domáce chladničky a ohrev vody.vnútorná J. Chladnička.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. a Cabello R. Hodnotenie energetického vplyvu rôznych alternatív chladiva R134a s nízkym GWP v chladičoch nápojov.Experimentálna analýza a optimalizácia čistých chladív R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a a R744.premena energie.vládnuť.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA a kol.Prípadová štúdia experimentálnej a štatistickej analýzy spotreby energie domácich chladničiek.aktuálny výskum.teplota.projektu.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. a Hartomagioglu S. Numerical (CFD) a experimentálna analýza hybridnej chladničky pre domácnosť zahŕňajúca termoelektrické chladiace systémy a systémy s kompresiou pár.vnútorná J. Chladnička.99, 300-315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. a kol.R-152a ako alternatívne chladivo k R-134a v domácich chladničkách: Experimentálna analýza.vnútorná J. Chladnička.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. a Masselli C. Zmes HFC134a a HFO1234ze v domácich chladničkách.vnútorný J. Horúci.veda.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. a Koshy Matthews, P. Porovnanie výkonu parných kompresných chladiacich systémov využívajúcich chladivá šetrné k životnému prostrediu s nízkym potenciálom globálneho otepľovania.interná J. Science.zásobná nádrž.uvoľniť.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. a Cauchy-Matthews, P. Tepelná analýza parných kompresných chladiacich systémov s použitím R152a a jeho zmesí R429A, R430A, R431A a R435A.interná J. Science.projektu.zásobná nádrž.3(10), 1-8 (2012).
Čas odoslania: 14. januára 2023