Tak fordi du besøgte Nature.com.Du bruger en browserversion med begrænset CSS-understøttelse.For den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en opdateret browser (eller deaktiverer kompatibilitetstilstand i Internet Explorer).For at sikre løbende support viser vi desuden siden uden styles og JavaScript.
Viser en karrusel med tre dias på én gang.Brug knapperne Forrige og Næste til at flytte gennem tre dias ad gangen, eller brug skyderknapperne i slutningen til at flytte gennem tre dias ad gangen.
Hjemmeopvarmnings- og kølesystemer bruger ofte kapillære enheder.Brugen af spiralkapillærer eliminerer behovet for letvægtskøleudstyr i systemet.Kapillærtryk afhænger i høj grad af parametrene for kapillærgeometrien, såsom længde, gennemsnitlig diameter og afstand mellem dem.Denne artikel fokuserer på effekten af kapillærlængde på systemets ydeevne.Tre kapillærer af forskellig længde blev brugt i forsøgene.Dataene for R152a blev undersøgt under forskellige betingelser for at evaluere effekten af forskellige længder.Den maksimale effektivitet opnås ved en fordampertemperatur på -12°C og en kapillarlængde på 3,65 m.Resultaterne viser, at systemets ydeevne stiger med stigende kapillærlængde til 3,65 m sammenlignet med 3,35 m og 3,96 m.Derfor, når længden af kapillæren øges med en vis mængde, øges systemets ydeevne.De eksperimentelle resultater blev sammenlignet med resultaterne af computational fluid dynamics (CFD) analyse.
Et køleskab er et køleapparat, der indeholder et isoleret rum, og et køleanlæg er et system, der skaber en køleeffekt i et isoleret rum.Køling er defineret som processen med at fjerne varme fra et rum eller stof og overføre denne varme til et andet rum eller stof.Køleskabe er nu meget brugt til at opbevare fødevarer, der fordærves ved omgivelsestemperaturer, fordærvelse fra bakterievækst og andre processer er meget langsommere i køleskabe med lav temperatur.Kølemidler er arbejdsvæsker, der bruges som køleplader eller kølemidler i køleprocesser.Kølemidler opsamler varme ved at fordampe ved lav temperatur og tryk og derefter kondensere ved højere temperatur og tryk og frigive varme.Rummet ser ud til at blive køligere, da varmen slipper ud af fryseren.Afkølingsprocessen foregår i et system bestående af en kompressor, kondensator, kapillarrør og en fordamper.Køleskabe er det køleudstyr, der anvendes i denne undersøgelse.Køleskabe er meget brugt over hele verden, og dette apparat er blevet en husholdningsnødvendighed.Moderne køleskabe er meget effektive i drift, men forskning for at forbedre systemet er stadig i gang.Den største ulempe ved R134a er, at den ikke er kendt for at være giftig, men har et meget højt globalt opvarmningspotentiale (GWP).R134a for husholdningskøleskabe er inkluderet i Kyoto-protokollen til FN's rammekonvention om klimaændringer1,2.Derfor bør brugen af R134a reduceres væsentligt3.Fra et miljømæssigt, økonomisk og sundhedsmæssigt synspunkt er det vigtigt at finde kølemidler med lav global opvarmning4.Flere undersøgelser har bevist, at R152a er et miljøvenligt kølemiddel.Mohanraj et al.5 undersøgte den teoretiske mulighed for at bruge R152a og kulbrintekølemidler i husholdningskøleskabe.Kulbrinter har vist sig at være ineffektive som selvstændige kølemidler.R152a er mere energieffektiv og miljøvenlig end udfasningskølemidler.Bolaji og andre.6.Ydeevnen for tre miljøvenlige HFC-kølemidler blev sammenlignet i et dampkompressionskøleskab.De konkluderede, at R152a kunne bruges i dampkompressionssystemer og kunne erstatte R134a.R32 har ulemper såsom høj spænding og lav ydelseskoefficient (COP).Bolaji et al.7 testede R152a og R32 som erstatning for R134a i husholdningskøleskabe.Ifølge undersøgelser er den gennemsnitlige effektivitet af R152a 4,7% højere end for R134a.Cabello et al.testet R152a og R134a i køleudstyr med hermetiske kompressorer.8. Bolaji et al9 testede R152a kølemiddel i kølesystemer.De konkluderede, at R152a var den mest energieffektive, med 10,6 % mindre kølekapacitet pr. ton end den tidligere R134a.R152a viser højere volumetrisk kølekapacitet og effektivitet.Chavhan et al.10 analyserede egenskaberne af R134a og R152a.I en undersøgelse af to kølemidler blev R152a fundet at være den mest energieffektive.R152a er 3,769 % mere effektiv end R134a og kan bruges som en direkte erstatning.Bolaji et al.11 har undersøgt forskellige lav-GWP kølemidler som erstatning for R134a i kølesystemer på grund af deres lavere globale opvarmningspotentiale.Blandt de evaluerede kølemidler har R152a den højeste energiydelse, hvilket reducerer elforbruget pr. ton køling med 30,5 % sammenlignet med R134a.Ifølge forfatterne skal R161 redesignes fuldstændigt, før den kan bruges som erstatning.Forskelligt eksperimentelt arbejde er blevet udført af mange indenlandske køleforskere for at forbedre ydeevnen af lav-GWP og R134a-blandet kølemiddelsystemer som en kommende erstatning i kølesystemer12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 undersøgte ydeevnen af flere miljøvenlige kølemidler og deres kombination med R134a som et potentielt alternativ til forskellige dampkompressionstest.System.Tiwari et al.36 brugte eksperimenter og CFD-analyse til at sammenligne ydeevnen af kapillarrør med forskellige kølemidler og rørdiametre.Brug ANSYS CFX-software til analyse.Det bedste spiralformede spoledesign anbefales.Punia et al.16 undersøgte effekten af kapillærlængde, diameter og spolediameter på massestrømmen af LPG-kølemiddel gennem en spiralspiral.Ifølge resultaterne af undersøgelsen tillader justering af længden af kapillæren i området fra 4,5 til 2,5 m at øge massestrømmen med et gennemsnit på 25%.Söylemez et al.16 udførte en CFD-analyse af et husholdningskøleskabs friskhedsrum (DR) ved brug af tre forskellige turbulente (viskose) modeller for at få indsigt i friskhedsrummets kølehastighed og temperaturfordelingen i luften og rummet under læsning.Prognoserne for den udviklede CFD-model illustrerer tydeligt luftstrømmen og temperaturfelterne inde i FFC'en.
Denne artikel diskuterer resultaterne af en pilotundersøgelse for at bestemme ydeevnen af husholdningskøleskabe, der bruger R152a kølemiddel, som er miljøvenligt og ikke har nogen risiko for ozonnedbrydningspotentiale (ODP).
I denne undersøgelse blev 3,35 m, 3,65 m og 3,96 m kapillærer udvalgt som teststeder.Der blev derefter udført eksperimenter med lavt global opvarmning R152a kølemiddel og driftsparametre blev beregnet.Kølemidlets opførsel i kapillæren blev også analyseret ved hjælp af CFD-softwaren.CFD-resultaterne blev sammenlignet med de eksperimentelle resultater.
Som vist i figur 1 kan du se et fotografi af et 185 liters husholdningskøleskab, der blev brugt til undersøgelsen.Den består af en fordamper, en hermetisk stempelkompressor og en luftkølet kondensator.Fire trykmålere er installeret ved kompressorens indløb, kondensatorindløb og fordamperudløb.For at forhindre vibrationer under testning er disse målere panelmonteret.For at aflæse termoelementtemperaturen er alle termoelementledninger forbundet til en termoelementscanner.Ti temperaturmåleanordninger er installeret ved fordamperens indløb, kompressorsug, kompressorudløb, kølerum og indløb, kondensatorindløb, fryserum og kondensatorudløb.Spændings- og strømforbruget er også rapporteret.En flowmåler forbundet til en rørsektion er fastgjort på en træplade.Optagelser gemmes hvert 10. sekund ved hjælp af Human Machine Interface (HMI)-enheden.Skueglasset bruges til at kontrollere ensartetheden af kondensatstrømmen.
Et Selec MFM384 amperemeter med en indgangsspænding på 100-500 V blev brugt til at kvantificere effekt og energi.En systemserviceport er installeret oven på kompressoren til påfyldning og genopfyldning af kølemiddel.Det første trin er at dræne fugten fra systemet gennem serviceporten.For at fjerne enhver forurening fra systemet, skyl det med nitrogen.Systemet oplades ved hjælp af en vakuumpumpe, som evakuerer enheden til et tryk på -30 mmHg.Tabel 1 viser karakteristikaene for testriggen til husholdningskøleskabet, og Tabel 2 viser de målte værdier samt deres rækkevidde og nøjagtighed.
Karakteristika for kølemidler, der anvendes i husholdningskøleskabe og -frysere, er vist i tabel 3.
Testning blev udført i henhold til anbefalingerne i ASHRAE Handbook 2010 under følgende forhold:
Derudover blev der for en sikkerheds skyld foretaget kontrol for at sikre reproducerbarheden af resultaterne.Så længe driftsforholdene forbliver stabile, registreres temperatur, tryk, kølemiddelflow og energiforbrug.Temperatur, tryk, energi, effekt og flow måles for at bestemme systemets ydeevne.Find køleeffekten og effektiviteten for specifik massestrøm og effekt ved en given temperatur.
Ved at bruge CFD til at analysere to-faset flow i en spiralspole i et husholdningskøleskab, kan effekten af kapillærlængden let beregnes.CFD-analyse gør det nemt at spore bevægelsen af væskepartikler.Kølemidlet, der passerede gennem det indre af spiralspiralen, blev analyseret ved hjælp af programmet CFD FLUENT.Tabel 4 viser dimensionerne af kapillarspolerne.
FLUENT software mesh simulator vil generere en strukturel design model og mesh (figur 2, 3 og 4 viser ANSYS Fluent version).Rørets væskevolumen bruges til at skabe grænsenettet.Dette er gitteret, der bruges til denne undersøgelse.
CFD-modellen blev udviklet ved hjælp af ANSYS FLUENT platformen.Kun det bevægelige flydende univers er repræsenteret, så strømmen af hver kapillarserpentin er modelleret i forhold til diameteren af kapillæren.
GEOMETRY-modellen blev importeret til ANSYS MESH-programmet.ANSYS skriver kode, hvor ANSYS er en kombination af modeller og tilføjede randbetingelser.På fig.4 viser pipe-3 (3962,4 mm) modellen i ANSYS FLUENT.Tetraedriske elementer giver højere ensartethed, som vist i figur 5. Efter oprettelse af hovedmasken gemmes filen som et net.Siden af spolen kaldes indløbet, mens den modsatte side vender mod udløbet.Disse runde flader gemmes som rørets vægge.Flydende medier bruges til at bygge modeller.
Uanset hvordan brugeren har det med pres, blev løsningen valgt, og 3D-muligheden blev valgt.Formlen for strømproduktion er blevet aktiveret.
Når flowet betragtes som kaotisk, er det meget ikke-lineært.Derfor blev K-epsilon flowet valgt.
Hvis et brugerspecificeret alternativ vælges, vil miljøet være: Beskriver de termodynamiske egenskaber af R152a kølemiddel.Formularattributter gemmes som databaseobjekter.
Vejrforholdene forbliver uændrede.En indløbshastighed blev bestemt, et tryk på 12,5 bar og en temperatur på 45 °C blev beskrevet.
Til sidst, ved den femtende iteration, testes opløsningen og konvergerer ved den femtende iteration, som vist i figur 7.
Det er en metode til at kortlægge og analysere resultater.Plot tryk- og temperaturdatasløjfer ved hjælp af Monitor.Derefter bestemmes det samlede tryk og temperatur og de generelle temperaturparametre.Disse data viser det samlede trykfald over spolerne (1, 2 og 3) i figur 1 og 2, henholdsvis 7, 8 og 9.Disse resultater blev udtrukket fra et løbsk program.
På fig.10 viser ændringen i effektivitet for forskellige længder af fordampning og kapillar.Som det kan ses, øges effektiviteten med stigende fordampningstemperatur.Den højeste og laveste effektivitet blev opnået, når man nåede kapillærspænd på 3,65 m og 3,96 m.Hvis længden af kapillæren øges med en vis mængde, vil effektiviteten falde.
Ændringen i kølekapacitet på grund af forskellige niveauer af fordampningstemperatur og kapillarlængde er vist i fig.11. Kapillareffekten fører til et fald i kølekapaciteten.Den mindste kølekapacitet opnås ved et kogepunkt på -16°C.Den største kølekapacitet observeres i kapillærer med en længde på omkring 3,65 m og en temperatur på -12°C.
På fig.12 viser kompressoreffektens afhængighed af kapillarlængden og fordampningstemperaturen.Desuden viser grafen, at effekten falder med stigende kapillærlængde og faldende fordampningstemperatur.Ved en fordampningstemperatur på -16 °C opnås en lavere kompressoreffekt med en kapillarlængde på 3,96 m.
Eksisterende eksperimentelle data blev brugt til at verificere CFD-resultaterne.I denne test anvendes inputparametrene til den eksperimentelle simulering på CFD-simuleringen.De opnåede resultater sammenlignes med værdien af statisk tryk.De opnåede resultater viser, at det statiske tryk ved udgangen fra kapillaren er mindre end ved indgangen til røret.Testresultaterne viser, at forøgelse af kapillærlængden til en vis grænse reducerer trykfaldet.Derudover øger det reducerede statiske trykfald mellem kapillarens indløb og udløb effektiviteten af kølesystemet.De opnåede CFD-resultater er i god overensstemmelse med de eksisterende eksperimentelle resultater.Testresultaterne er vist i figur 1 og 2. 13, 14, 15 og 16. Tre kapillærer af forskellig længde blev brugt i denne undersøgelse.Rørlængderne er 3,35m, 3,65m og 3,96m.Det blev observeret, at det statiske trykfald mellem kapillærindløbet og -udløbet steg, når rørlængden blev ændret til 3,35 m.Bemærk også, at udløbstrykket i kapillaren stiger med en rørstørrelse på 3,35 m.
Derudover falder trykfaldet mellem kapillærens indløb og udløb, når rørstørrelsen øges fra 3,35 til 3,65 m.Det blev observeret, at trykket ved udløbet af kapillaren faldt kraftigt ved udløbet.Af denne grund øges effektiviteten med denne kapillarlængde.Desuden reduceres trykfaldet igen ved at øge rørlængden fra 3,65 til 3,96 m.Det er blevet observeret, at over denne længde falder trykfaldet til under det optimale niveau.Dette reducerer køleskabets COP.Derfor viser de statiske tryksløjfer, at 3,65 m kapillæren giver den bedste ydeevne i køleskabet.Derudover øger et øget tryktab energiforbruget.
Ud fra resultaterne af forsøget kan det ses, at kølekapaciteten af R152a kølemidlet falder med stigende rørlængde.Den første spole har den højeste kølekapacitet (-12°C), og den tredje spole har den laveste kølekapacitet (-16°C).Den maksimale effektivitet opnås ved en fordampertemperatur på -12 °C og en kapillarlængde på 3,65 m.Kompressoreffekten falder med stigende kapillarlængde.Kompressorens effekttilførsel er maksimal ved en fordampertemperatur på -12 °C og minimum ved -16 °C.Sammenlign CFD og nedstrøms trykaflæsninger for kapillarlængde.Det kan ses, at situationen er den samme i begge tilfælde.Resultaterne viser, at systemets ydeevne øges, når længden af kapillæren øges til 3,65 m sammenlignet med 3,35 m og 3,96 m.Derfor, når længden af kapillæren øges med en vis mængde, øges systemets ydeevne.
Selvom anvendelsen af CFD til termiske og kraftværker vil forbedre vores forståelse af dynamikken og fysikken i termiske analyseoperationer, kræver begrænsninger udvikling af hurtigere, enklere og billigere CFD-metoder.Dette vil hjælpe os med at optimere og designe eksisterende udstyr.Fremskridt inden for CFD-software vil give mulighed for automatiseret design og optimering, og oprettelsen af CFD'er over internettet vil øge tilgængeligheden af teknologien.Alle disse fremskridt vil hjælpe CFD med at blive et modent felt og et kraftfuldt ingeniørværktøj.Således vil anvendelsen af CFD i varmeteknik blive bredere og hurtigere i fremtiden.
Tasi, WT miljøfarer og hydrofluorcarbon (HFC) eksponering og eksplosionsrisiko gennemgang.J. Chemosphere 61, 1539-1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Johnson, E. Global opvarmning på grund af HFC'er.Onsdag.Konsekvensanalyse.åben 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S og Muralidharan S. Sammenlignende evaluering af miljøvenlige alternativer til R134a kølemiddel i husholdningskøleskabe.energieffektivitet.1(3), 189-198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA og Falade, Sammenlignende præstationsanalyse af tre ozonvenlige HFC-kølemidler i dampkompressionskøleskabe.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Eksperimentel undersøgelse af R152a og R32 som erstatning for R134a i husholdningskøleskabe.Energi 35(9), 3793-3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Cabello R., Sanchez D., Llopis R., Arauzo I. og Torrella E. Eksperimentel sammenligning af R152a og R134a kølemidler i køleenheder udstyret med hermetiske kompressorer.indvendig J. Køleskab.60, 92-105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. og Borokhinni FO Energieffektivitet af miljøvenlige kølemidler R152a og R600a som erstatning for R134a i dampkompressionskøleanlæg.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP og Mahajan, PS Eksperimentel evaluering af effektiviteten af R152a som erstatning for R134a i dampkompressionskølesystemer.indre J. Forsvarsministeriet.projekt.opbevaringstank.5, 37-47 (2015).
Bolaji, BO og Huang, Z. En undersøgelse af effektiviteten af nogle lav-global opvarmning hydrofluorcarbon-kølemidler som erstatning for R134a i kølesystemer.J. Ing.Termisk fysiker.23(2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. og Bala PK Energianalyse af HFC-152a, HFO-1234yf og HFC/HFO-blandinger som direkte erstatninger for HFC-134a i husholdningskøleskabe.Strojnicky Casopis J. Mech.projekt.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. og Chandrasekaran, P. CFD-analyse af naturlig konvektiv varmeoverførsel i stationære husholdningskøleskabe.IOP session.TV-serien Alma mater.videnskaben.projekt.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A., og Maiorino, A. HFO og dens binære blanding med HFC134a som kølemiddel i husholdningskøleskabe: energianalyse og miljøkonsekvensvurdering.Påfør temperatur.projekt.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R. og Zeng, W. Udskiftning og optimering af kølemiddel under begrænsninger for reduktion af drivhusgasemissioner.J. Pure.produkt.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. og Hartomagioglu S. Forudsigelse af køletiden for husholdningskøleskabe med et termoelektrisk kølesystem ved hjælp af CFD-analyse.indvendig J. Køleskab.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB og Chahuachi, B. Eksperimentel og numerisk analyse af spiralformede spolevarmevekslere til husholdningskøleskabe og vandopvarmning.indvendig J. Køleskab.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. og Cabello R. Evaluering af energipåvirkningen af forskellige alternativer til lav-GWP R134a kølemiddel i drikkevarekølere.Eksperimentel analyse og optimering af rene kølemidler R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a og R744.energiomsætning.at regere.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA et al.Et casestudie af eksperimentel og statistisk analyse af energiforbruget i husholdningskøleskabe.aktuel forskning.temperatur.projekt.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. og Hartomagioglu S. Numerisk (CFD) og eksperimentel analyse af et hybridt husholdningskøleskab, der inkorporerer termoelektriske og dampkompressionskølesystemer.indvendig J. Køleskab.99, 300-315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. et al.R-152a som et alternativt kølemiddel til R-134a i husholdningskøleskabe: En eksperimentel analyse.indvendig J. Køleskab.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. og Masselli C. Blanding af HFC134a og HFO1234ze i husholdningskøleskabe.indre J. Hot.videnskaben.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. og Koshy Matthews, P. Sammenligning af ydeevnen af dampkompressionskølesystemer ved hjælp af miljøvenlige kølemidler med lavt globalt opvarmningspotentiale.intern J. Videnskab.opbevaringstank.frigøre.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. og Cauchy-Matthews, P. Termisk analyse af dampkompressionskølesystemer ved brug af R152a og dets blandinger R429A, R430A, R431A og R435A.intern J. Videnskab.projekt.opbevaringstank.3(10), 1-8 (2012).
Indlægstid: 14-jan-2023