Děkujeme, že jste navštívili Nature.com.Používáte verzi prohlížeče s omezenou podporou CSS.Chcete-li dosáhnout nejlepšího výsledku, doporučujeme použít aktualizovaný prohlížeč (nebo vypnout režim kompatibility v aplikaci Internet Explorer).Abychom zajistili trvalou podporu, zobrazujeme web bez stylů a JavaScriptu.
Zobrazí karusel tří snímků najednou.Pomocí tlačítek Předchozí a Další můžete procházet třemi snímky najednou nebo pomocí tlačítek posuvníku na konci procházet třemi snímky najednou.
Systémy vytápění a chlazení domácností často využívají kapilární zařízení.Použití spirálových kapilár eliminuje potřebu lehkého chladicího zařízení v systému.Kapilární tlak do značné míry závisí na parametrech geometrie kapiláry, jako je délka, střední průměr a vzdálenost mezi nimi.Tento článek se zaměřuje na vliv délky kapiláry na výkon systému.V experimentech byly použity tři kapiláry různých délek.Data pro R152a byla zkoumána za různých podmínek, aby se vyhodnotil účinek různých délek.Maximální účinnosti je dosaženo při teplotě výparníku -12°C a délce kapiláry 3,65 m.Výsledky ukazují, že výkon systému roste s rostoucí délkou kapiláry na 3,65 m oproti 3,35 m a 3,96 m.Proto, když se délka kapiláry zvýší o určitou hodnotu, výkon systému se zvýší.Experimentální výsledky byly porovnány s výsledky počítačové analýzy dynamiky tekutin (CFD).
Chladnička je chladicí zařízení, které obsahuje izolovaný oddíl, a chladicí systém je systém, který vytváří chladicí efekt v izolovaném oddílu.Chlazení je definováno jako proces odebírání tepla z jednoho prostoru nebo látky a přenos tohoto tepla do jiného prostoru nebo látky.Chladničky jsou nyní široce používány ke skladování potravin, které se kazí při okolní teplotě, kažení způsobené růstem bakterií a dalšími procesy je v chladničkách s nízkou teplotou mnohem pomalejší.Chladiva jsou pracovní kapaliny používané jako chladiče nebo chladiva v chladicích procesech.Chladiva shromažďují teplo odpařováním při nízké teplotě a tlaku a poté kondenzují při vyšší teplotě a tlaku a uvolňují teplo.Zdá se, že se místnost ochlazuje, protože teplo uniká z mrazáku.Proces chlazení probíhá v systému skládajícím se z kompresoru, kondenzátoru, kapilár a výparníku.Chladničky jsou chladicí zařízení použité v této studii.Chladničky jsou široce používány po celém světě a tento spotřebič se stal nezbytností v domácnosti.Moderní chladničky jsou v provozu velmi efektivní, ale výzkum na zlepšení systému stále pokračuje.Hlavní nevýhodou R134a je, že není známo, že je toxický, ale má velmi vysoký potenciál globálního oteplování (GWP).R134a pro chladničky pro domácnost bylo zahrnuto do Kjótského protokolu Rámcové úmluvy Organizace spojených národů o změně klimatu1,2.Použití R134a by se však mělo výrazně omezit3.Z environmentálního, finančního a zdravotního hlediska je důležité najít chladiva s nízkým globálním oteplováním4.Několik studií prokázalo, že R152a je chladivo šetrné k životnímu prostředí.Mohanraj et al.5 zkoumali teoretickou možnost použití R152a a uhlovodíkových chladiv v domácích chladničkách.Bylo zjištěno, že uhlovodíky jsou jako samostatná chladiva neúčinné.R152a je energeticky účinnější a šetrnější k životnímu prostředí než vyřazená chladiva.Bolaji a další.6.Výkon tří ekologických HFC chladiv byl porovnán v parní kompresní chladničce.Došli k závěru, že R152a by mohl být použit v systémech komprese páry a mohl by nahradit R134a.R32 má nevýhody, jako je vysoké napětí a nízký koeficient výkonu (COP).Bolaji a kol.7 testoval R152a a R32 jako náhradu za R134a v domácích chladničkách.Podle studií je průměrná účinnost R152a o 4,7 % vyšší než u R134a.Cabello a kol.testováno R152a a R134a v chladicích zařízeních s hermetickými kompresory.8. Bolaji et al9 testovali chladivo R152a v chladicích systémech.Došli k závěru, že R152a je energeticky nejúčinnější, s o 10,6 % nižší chladicí kapacitou na tunu než předchozí R134a.R152a vykazuje vyšší objemovou chladicí kapacitu a účinnost.Chavhan et al.10 analyzovali charakteristiky R134a a R152a.Ve studii dvou chladiv bylo zjištěno, že R152a je energeticky nejúčinnější.R152a je o 3,769 % účinnější než R134a a může být použit jako přímá náhrada.Bolaji et al.11 zkoumali různá chladiva s nízkým GWP jako náhradu za R134a v chladicích systémech kvůli jejich nižšímu potenciálu globálního oteplování.Mezi hodnocenými chladivy má nejvyšší energetický výkon R152a, který snižuje spotřebu elektřiny na tunu chladiva o 30,5 % ve srovnání s R134a.Podle autorů je třeba R161 kompletně předělat, než bude možné jej použít jako náhradu.Mnoho domácích výzkumníků v oblasti chlazení provedlo různé experimentální práce s cílem zlepšit výkon chladicích systémů s nízkým GWP a směsí R134a jako nadcházející náhrady v chladicích systémech12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 studovali výkon několika chladiv šetrných k životnímu prostředí a jejich kombinaci s R134a jako potenciální alternativu různé testy stlačování par.Systém.Tiwari a kol.36 použil experimenty a CFD analýzu k porovnání výkonu kapilárních trubic s různými chladivy a průměry trubek.Pro analýzu použijte software ANSYS CFX.Doporučuje se nejlepší design spirálové cívky.Punia et al.16 zkoumali vliv délky kapiláry, průměru a průměru spirály na hmotnostní průtok chladiva LPG spirálovou spirálou.Podle výsledků studie umožňuje úprava délky kapiláry v rozsahu od 4,5 do 2,5 m zvýšení hmotnostního průtoku v průměru o 25 %.Söylemez et al.16 provedli CFD analýzu oddílu pro čerstvost domácí chladničky (DR) pomocí tří různých turbulentních (viskózních) modelů, aby získali přehled o rychlosti chlazení oddílu pro čerstvost a rozložení teploty ve vzduchu a prostoru během plnění.Předpovědi vyvinutého CFD modelu jasně ilustrují proudění vzduchu a teplotní pole uvnitř FFC.
Tento článek pojednává o výsledcích pilotní studie ke stanovení výkonu domácích chladniček používajících chladivo R152a, které je šetrné k životnímu prostředí a nehrozí u něj žádné riziko poškozování ozónové vrstvy (ODP).
V této studii byly jako testovací místa vybrány kapiláry 3,35 m, 3,65 m a 3,96 m.Poté byly provedeny experimenty s chladivem R152a s nízkým globálním oteplováním a byly vypočteny provozní parametry.Chování chladiva v kapiláře bylo také analyzováno pomocí softwaru CFD.Výsledky CFD byly porovnány s výsledky experimentu.
Jak je znázorněno na obrázku 1, můžete vidět fotografii domácí chladničky o objemu 185 litrů použité pro studii.Skládá se z výparníku, hermetického pístového kompresoru a vzduchem chlazeného kondenzátoru.Čtyři tlakoměry jsou instalovány na vstupu kompresoru, vstupu kondenzátoru a výstupu výparníku.Aby se zabránilo vibracím během testování, jsou tyto měřiče namontovány na panelu.Pro čtení teploty termočlánku jsou všechny vodiče termočlánku připojeny ke skeneru termočlánků.Deset zařízení pro měření teploty je instalováno na vstupu výparníku, sání kompresoru, výtlaku kompresoru, chladicího prostoru a vstupu, vstupu kondenzátoru, mrazícího prostoru a výstupu kondenzátoru.Uvádí se také spotřeba napětí a proudu.Průtokoměr připojený k trubkové části je upevněn na dřevěné desce.Nahrávky se ukládají každých 10 sekund pomocí jednotky Human Machine Interface (HMI).Průzor se používá ke kontrole rovnoměrnosti průtoku kondenzátu.
Pro kvantifikaci výkonu a energie byl použit ampérmetr Selec MFM384 se vstupním napětím 100–500 V.Na horní straně kompresoru je instalován servisní port pro plnění a doplňování chladiva.Prvním krokem je vypuštění vlhkosti ze systému přes servisní port.Pro odstranění jakékoli kontaminace ze systému jej propláchněte dusíkem.Systém je nabíjen pomocí vakuové pumpy, která evakuuje jednotku na tlak -30 mmHg.V tabulce 1 jsou uvedeny charakteristiky testovacího zařízení domácích chladniček a v tabulce 2 jsou uvedeny naměřené hodnoty a také jejich rozsah a přesnost.
Charakteristiky chladiv používaných v domácích chladničkách a mrazničkách jsou uvedeny v tabulce 3.
Testování bylo provedeno podle doporučení ASHRAE Handbook 2010 za následujících podmínek:
Kromě toho byly pro každý případ provedeny kontroly, aby byla zajištěna reprodukovatelnost výsledků.Dokud provozní podmínky zůstávají stabilní, zaznamenává se teplota, tlak, průtok chladiva a spotřeba energie.K určení výkonu systému se měří teplota, tlak, energie, výkon a průtok.Najděte chladicí účinek a účinnost pro konkrétní hmotnostní průtok a výkon při dané teplotě.
Pomocí CFD k analýze dvoufázového proudění ve spirálové spirále domácí chladničky lze snadno vypočítat vliv délky kapiláry.CFD analýza usnadňuje sledování pohybu částic tekutiny.Chladivo procházející vnitřkem spirálové spirály bylo analyzováno pomocí programu CFD FLUENT.Tabulka 4 ukazuje rozměry kapilárních cívek.
Softwarový simulátor sítě FLUENT vygeneruje model konstrukčního návrhu a síť (obrázky 2, 3 a 4 ukazují verzi ANSYS Fluent).Objem tekutiny v potrubí se používá k vytvoření hraniční sítě.Toto je mřížka použitá pro tuto studii.
CFD model byl vyvinut na platformě ANSYS FLUENT.Zastoupen je pouze vesmír pohybující se tekutiny, takže proudění každého hadovitého kapiláry je modelováno z hlediska průměru kapiláry.
Model GEOMETRY byl importován do programu ANSYS MESH.ANSYS píše kód, kde ANSYS je kombinací modelů a přidaných okrajových podmínek.Na Obr.4 ukazuje model potrubí-3 (3962,4 mm) v ANSYS FLUENT.Tetraedrické prvky poskytují vyšší jednotnost, jak je znázorněno na obrázku 5. Po vytvoření hlavní sítě je soubor uložen jako síť.Strana cívky se nazývá vstup, zatímco protilehlá strana směřuje k výstupu.Tyto kruhové plochy jsou uloženy jako stěny potrubí.Ke stavbě modelů se používají tekutá média.
Bez ohledu na to, jak uživatel cítí tlak, bylo zvoleno řešení a zvolena možnost 3D.Byl aktivován vzorec pro výrobu energie.
Když je tok považován za chaotický, je vysoce nelineární.Proto byl zvolen průtok K-epsilon.
Pokud je zvolena alternativa specifikovaná uživatelem, prostředí bude: Popisuje termodynamické vlastnosti chladiva R152a.Atributy formuláře jsou uloženy jako databázové objekty.
Povětrnostní podmínky zůstávají nezměněny.Byla stanovena vstupní rychlost, popsán tlak 12,5 bar a teplota 45 °C.
Nakonec je při patnácté iteraci řešení testováno a konverguje při patnácté iteraci, jak je znázorněno na obrázku 7.
Je to metoda mapování a analýzy výsledků.Vykreslete datové smyčky tlaku a teploty pomocí Monitoru.Poté se určí celkový tlak a teplota a obecné teplotní parametry.Tato data ukazují celkový pokles tlaku na cívkách (1, 2 a 3) na obrázcích 1 a 2. 7, 8 a 9 v tomto pořadí.Tyto výsledky byly extrahovány z běžícího programu.
Na Obr.10 ukazuje změnu účinnosti pro různé délky odpařování a kapiláry.Jak je vidět, účinnost se zvyšuje s rostoucí teplotou vypařování.Nejvyšší a nejnižší účinnost byla dosažena při dosažení rozpětí kapilár 3,65 m a 3,96 m.Pokud se délka kapiláry o určité množství zvětší, účinnost se sníží.
Změna chladícího výkonu v důsledku různých úrovní vypařovací teploty a délky kapiláry je znázorněna na Obr.11. Kapilární efekt vede ke snížení chladicí kapacity.Minimální chladicí kapacita je dosažena při bodu varu -16°C.Největší chladící výkon je pozorován v kapilárách o délce cca 3,65 m a teplotě -12°C.
Na Obr.12 ukazuje závislost výkonu kompresoru na délce kapiláry a teplotě odpařování.Kromě toho graf ukazuje, že výkon klesá s rostoucí délkou kapiláry a klesající teplotou odpařování.Při vypařovací teplotě -16 °C se získá nižší výkon kompresoru s délkou kapiláry 3,96 m.
K ověření výsledků CFD byla použita existující experimentální data.V tomto testu jsou vstupní parametry použité pro experimentální simulaci aplikovány na CFD simulaci.Získané výsledky jsou porovnány s hodnotou statického tlaku.Získané výsledky ukazují, že statický tlak na výstupu z kapiláry je menší než na vstupu do trubice.Výsledky testu ukazují, že zvětšení délky kapiláry na určitou mez snižuje tlakovou ztrátu.Kromě toho snížený pokles statického tlaku mezi vstupem a výstupem kapiláry zvyšuje účinnost chladicího systému.Získané výsledky CFD jsou v dobré shodě s existujícími experimentálními výsledky.Výsledky testu jsou znázorněny na obrázcích 1 a 2. 13, 14, 15 a 16. V této studii byly použity tři kapiláry různých délek.Délky trubek jsou 3,35 m, 3,65 m a 3,96 m.Bylo pozorováno, že pokles statického tlaku mezi kapilárním vstupem a výstupem se zvýšil, když se délka trubky změnila na 3,35 m.Všimněte si také, že výstupní tlak v kapiláře se zvyšuje s velikostí potrubí 3,35 m.
Kromě toho klesá tlaková ztráta mezi vstupem a výstupem kapiláry s rostoucí velikostí potrubí z 3,35 na 3,65 m.Bylo pozorováno, že tlak na výstupu z kapiláry na výstupu prudce klesl.Z tohoto důvodu se účinnost zvyšuje s touto délkou kapiláry.Navíc zvětšení délky potrubí z 3,65 na 3,96 m opět snižuje tlakovou ztrátu.Bylo pozorováno, že po této délce pokles tlaku klesne pod optimální úroveň.To snižuje COP chladničky.Statické tlakové smyčky proto ukazují, že 3,65 m kapilára poskytuje nejlepší výkon v chladničce.Navíc zvýšení poklesu tlaku zvyšuje spotřebu energie.
Z výsledků experimentu je vidět, že chladicí kapacita chladiva R152a klesá s rostoucí délkou potrubí.První spirála má nejvyšší chladicí kapacitu (-12°C) a třetí spirála má nejnižší chladicí kapacitu (-16°C).Maximální účinnosti je dosaženo při teplotě výparníku -12 °C a délce kapiláry 3,65 m.Výkon kompresoru klesá s rostoucí délkou kapiláry.Příkon kompresoru je maximální při teplotě výparníku -12 °C a minimální při -16 °C.Porovnejte naměřené hodnoty CFD a tlaku po proudu pro délku kapiláry.Je vidět, že situace je v obou případech stejná.Výsledky ukazují, že výkon systému se zvyšuje se zvyšující se délkou kapiláry na 3,65 m ve srovnání s 3,35 m a 3,96 m.Proto, když se délka kapiláry zvýší o určitou hodnotu, výkon systému se zvýší.
Ačkoli aplikace CFD na tepelné a elektrárny zlepší naše chápání dynamiky a fyziky operací tepelné analýzy, omezení vyžadují vývoj rychlejších, jednodušších a méně nákladných metod CFD.To nám pomůže optimalizovat a navrhnout stávající zařízení.Pokroky v softwaru CFD umožní automatizovaný návrh a optimalizaci a vytváření CFD přes internet zvýší dostupnost technologie.Všechny tyto pokroky pomohou CFD stát se vyspělým oborem a výkonným inženýrským nástrojem.Využití CFD v tepelné technice tak bude v budoucnu širší a rychlejší.
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. Globální oteplování v důsledku HFC.Středa.Hodnocení dopadů.otevřeno 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S a Muralidharan S. Srovnávací hodnocení ekologicky šetrných alternativ chladiva R134a v chladničkách pro domácnost.energetická účinnost.1(3), 189–198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA a Falade, Srovnávací analýza výkonu tří chladiv HFC šetrných k ozónu v parních kompresních chladničkách.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Experimentální studie R152a a R32 jako náhrad za R134a v domácích chladničkách.Energie 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. Experimentální srovnání chladiv R152a a R134a v chladicích jednotkách vybavených hermetickými kompresory.vnitřní J. Lednice.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. a Borokhinni FO Energetická účinnost ekologicky šetrných chladiv R152a a R600a jako náhrada za R134a v chladicích systémech s kompresí páry.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP a Mahajan, PS Experimentální hodnocení účinnosti R152a jako náhrady za R134a v parních kompresních chladicích systémech.interní J. ministerstvo obrany.projekt.skladovací nádrž.5, 37–47 (2015).
Bolaji, BO a Huang, Z. Studie o účinnosti některých hydrofluoruhlovodíkových chladiv s nízkým globálním oteplováním jako náhrady za R134a v chladicích systémech.J. Ing.Tepelný fyzik.23(2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. a Bala PK Energetická analýza směsí HFC-152a, HFO-1234yf a HFC/HFO jako přímé náhrady za HFC-134a v domácích chladničkách.Strojnický Časopis J. Mech.projekt.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. a Chandrasekaran, P. CFD analýza přirozeného konvekčního přenosu tepla ve stacionárních domácích chladničkách.IOP relace.Televizní seriál Alma mater.věda.projekt.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A., a Maiorino, A. HFO a jeho binární směs s HFC134a jako chladivem v domácích chladničkách: energetická analýza a posouzení vlivu na životní prostředí.Aplikujte teplotu.projekt.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 optimalizace chladiva za omezení emisí skleníkových plynů.J. Pure.produkt.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. a Hartomagioglu S. Předpovídání doby chlazení domácích chladniček s termoelektrickým chladicím systémem pomocí CFD analýzy.vnitřní J. Lednice.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB a Chahuachi, B. Experimentální a numerická analýza spirálových výměníků tepla pro domácí chladničky a ohřev vody.vnitřní J. Lednice.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. Hodnocení energetického dopadu různých alternativ chladiva R134a s nízkým GWP v chladičích nápojů.Experimentální analýza a optimalizace čistých chladiv R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a a R744.přeměna energie.vládnout.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA a kol.Případová studie experimentální a statistické analýzy spotřeby energie domácích ledniček.aktuální výzkum.teplota.projekt.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 experimentální analýza hybridní domácí chladničky zahrnující termoelektrické a parní kompresní chladicí systémy.vnitřní J. Lednice.99, 300-315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. a kol.R-152a jako alternativní chladivo k R-134a v domácích chladničkách: Experimentální analýza.vnitřní J. Lednice.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. a Masselli C. Směs HFC134a a HFO1234ze v domácích chladničkách.vnitřní J. Horký.věda.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. a Koshy Matthews, P. Porovnání výkonu parních kompresních chladicích systémů využívajících ekologicky nezávadná chladiva s nízkým potenciálem globálního oteplování.interní J. Věda.skladovací nádrž.uvolnění.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. a Cauchy-Matthews, P. Tepelná analýza parních kompresních chladicích systémů s použitím R152a a jeho směsí R429A, R430A, R431A a R435A.interní J. Věda.projekt.skladovací nádrž.3(10), 1-8 (2012).
Čas odeslání: 14. ledna 2023