Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
Sustavi kućnog grijanja i hlađenja često koriste kapilarne uređaje.Korištenje spiralnih kapilara eliminira potrebu za laganom rashladnom opremom u sustavu.Kapilarni tlak uvelike ovisi o parametrima geometrije kapilara, kao što su duljina, prosječni promjer i udaljenost između njih.Ovaj se članak fokusira na učinak duljine kapilare na performanse sustava.U pokusima su korištene tri kapilare različite duljine.Podaci za R152a ispitani su pod različitim uvjetima kako bi se procijenio učinak različitih duljina.Maksimalna učinkovitost postiže se pri temperaturi isparivača od -12°C i duljini kapilare od 3,65 m.Rezultati pokazuju da se performanse sustava povećavaju s povećanjem duljine kapilare na 3,65 m u usporedbi s 3,35 m i 3,96 m.Stoga, kada se duljina kapilare poveća za određeni iznos, performanse sustava se povećavaju.Eksperimentalni rezultati uspoređeni su s rezultatima analize računalne dinamike fluida (CFD).
Hladnjak je rashladni uređaj koji uključuje izolirani odjeljak, a rashladni sustav je sustav koji stvara učinak hlađenja u izoliranom odjeljku.Hlađenje se definira kao proces uklanjanja topline iz jednog prostora ili tvari i prijenos te topline u drugi prostor ili tvar.Hladnjaci se sada naširoko koriste za čuvanje hrane koja se kvari na sobnoj temperaturi, kvarenje zbog rasta bakterija i drugih procesa mnogo je sporije u hladnjacima na niskim temperaturama.Rashladna sredstva su radne tekućine koje se koriste kao ponori topline ili rashladna sredstva u rashladnim procesima.Rashladna sredstva skupljaju toplinu isparavanjem pri niskoj temperaturi i tlaku, a zatim se kondenziraju pri višoj temperaturi i tlaku, oslobađajući toplinu.Čini se da soba postaje hladnija jer toplina izlazi iz zamrzivača.Proces hlađenja odvija se u sustavu koji se sastoji od kompresora, kondenzatora, kapilarnih cijevi i isparivača.Hladnjaci su rashladna oprema korištena u ovoj studiji.Hladnjaci su široko rasprostranjeni u cijelom svijetu, a ovaj uređaj postao je potreba u kućanstvu.Moderni hladnjaci su vrlo učinkoviti u radu, ali istraživanja za poboljšanje sustava još uvijek su u tijeku.Glavni nedostatak R134a je to što se ne zna da je toksičan, ali ima vrlo visok potencijal globalnog zagrijavanja (GWP).R134a za kućanske hladnjake uključen je u Kyoto protokol Okvirne konvencije Ujedinjenih naroda o klimatskim promjenama1,2.Međutim, stoga bi se uporaba R134a trebala znatno smanjiti3.S ekološke, financijske i zdravstvene točke gledišta, važno je pronaći rashladne tvari4 s niskim utjecajem na globalno zagrijavanje.Nekoliko je studija dokazalo da je R152a ekološki prihvatljivo rashladno sredstvo.Mohanraj et al.5 istraživali su teorijsku mogućnost korištenja R152a i ugljikovodičnih rashladnih sredstava u kućanskim hladnjacima.Za ugljikovodike je utvrđeno da su neučinkoviti kao samostalna rashladna sredstva.R152a je energetski učinkovitiji i ekološki prihvatljiviji od rashladnih sredstava koja se postupno ukidaju.Bolaji i drugi.6.Uspoređena je učinkovitost tri ekološki prihvatljiva HFC rashladna sredstva u hladnjaku s kompresijom pare.Zaključili su da se R152a može koristiti u sustavima kompresije pare i da bi mogao zamijeniti R134a.R32 ima nedostatke poput visokog napona i niskog koeficijenta učinka (COP).Bolaji i sur.7 testirao je R152a i R32 kao zamjenu za R134a u kućanskim hladnjacima.Prema studijama, prosječna učinkovitost R152a je 4,7% veća od učinkovitosti R134a.Cabello i sur.testiran R152a i R134a u rashladnim uređajima s hermetičkim kompresorima.8. Bolaji et al9 testirali su rashladno sredstvo R152a u rashladnim sustavima.Zaključili su da je R152a energetski najučinkovitiji, s 10,6% manjim kapacitetom hlađenja po toni od prethodnog R134a.R152a pokazuje veći volumetrijski kapacitet hlađenja i učinkovitost.Chavhan et al.10 analizirali su karakteristike R134a i R152a.U istraživanju dva rashladna sredstva, R152a je energetski najučinkovitiji.R152a je 3,769% učinkovitiji od R134a i može se koristiti kao izravna zamjena.Bolaji et al.11 istraživali su različite rashladne tvari s niskim GWP-om kao zamjenu za R134a u rashladnim sustavima zbog njihovog nižeg potencijala globalnog zatopljenja.Među procijenjenim rashladnim sredstvima, R152a ima najveću energetsku učinkovitost, smanjujući potrošnju električne energije po toni rashladnog sredstva za 30,5% u usporedbi s R134a.Prema autorima, R161 treba potpuno redizajnirati prije nego što se može koristiti kao zamjena.Mnogi domaći istraživači rashladnih uređaja proveli su različite eksperimentalne radove kako bi poboljšali rad rashladnih sustava s niskim GWP-om i mješavinom R134a kao nadolazeće zamjene u rashladnim sustavima12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 proučavali su rad nekoliko ekološki prihvatljivih rashladnih sredstava i njihovu kombinaciju s R134a kao potencijalnu alternativu za razna ispitivanja kompresije pare.Sustav.Tiwari i sur.36 koristio je eksperimente i CFD analizu za usporedbu performansi kapilarnih cijevi s različitim rashladnim sredstvima i promjerima cijevi.Za analizu koristite softver ANSYS CFX.Preporučuje se najbolji dizajn spiralne zavojnice.Punia et al.16 istraživali su učinak duljine kapilare, promjera i promjera zavojnice na maseni protok LPG rashladnog sredstva kroz spiralnu zavojnicu.Prema rezultatima studije, podešavanje duljine kapilare u rasponu od 4,5 do 2,5 m omogućuje povećanje masenog protoka u prosjeku za 25%.Söylemez i dr.16 proveli su CFD analizu odjeljka svježine (DR) kućnog hladnjaka koristeći tri različita turbulentna (viskozna) modela kako bi dobili uvid u brzinu hlađenja odjeljka za svježinu i raspodjelu temperature u zraku i odjeljku tijekom punjenja.Predviđanja razvijenog CFD modela jasno ilustriraju protok zraka i temperaturna polja unutar FFC-a.
U ovom se članku raspravlja o rezultatima pilot studije za određivanje učinkovitosti kućanskih hladnjaka koji koriste rashladno sredstvo R152a, koje je ekološki prihvatljivo i nema rizika od potencijalnog oštećenja ozona (ODP).
U ovoj studiji, kapilare od 3,35 m, 3,65 m i 3,96 m odabrane su kao ispitna mjesta.Zatim su provedeni pokusi s rashladnim sredstvom R152a s niskim globalnim zagrijavanjem i izračunati su radni parametri.Ponašanje rashladnog sredstva u kapilari također je analizirano pomoću CFD softvera.Rezultati CFD-a uspoređeni su s eksperimentalnim rezultatima.
Kao što je prikazano na slici 1, možete vidjeti fotografiju kućnog hladnjaka od 185 litara korištenog za studiju.Sastoji se od isparivača, hermetičkog klipnog kompresora i zrakom hlađenog kondenzatora.Na ulazu u kompresor, na ulazu u kondenzator i na izlazu iz isparivača ugrađena su četiri manometra.Kako bi se spriječile vibracije tijekom testiranja, ovi mjerači se montiraju na ploču.Za očitavanje temperature termopara, sve žice termopara spojene su na skener termopara.Deset uređaja za mjerenje temperature ugrađeno je na ulazu u isparivač, na usisu kompresora, na izlazu iz kompresora, na ulazu i ulazu u hladnjak, na ulazu u kondenzator, u komoru za zamrzavanje i na izlazu iz kondenzatora.Također se bilježi potrošnja napona i struje.Mjerač protoka spojen na dio cijevi pričvršćen je na drvenu ploču.Snimke se spremaju svakih 10 sekundi pomoću jedinice sučelja čovjeka i stroja (HMI).Kontrolno staklo služi za provjeru ravnomjernosti protoka kondenzata.
Za kvantificiranje snage i energije korišten je ampermetar Selec MFM384 s ulaznim naponom od 100–500 V.Servisni priključak sustava instaliran je na vrhu kompresora za punjenje i ponovno punjenje rashladnog sredstva.Prvi korak je ispuštanje vlage iz sustava kroz servisni otvor.Za uklanjanje onečišćenja iz sustava, isperite ga dušikom.Sustav se puni pomoću vakuumske pumpe, koja vakuumira jedinicu do tlaka od -30 mmHg.U tablici 1 navedene su karakteristike uređaja za ispitivanje kućnih hladnjaka, au tablici 2 navedene su izmjerene vrijednosti, kao i njihov raspon i točnost.
Karakteristike rashladnih sredstava koja se koriste u kućanskim hladnjacima i zamrzivačima prikazana su u tablici 3.
Testiranje je provedeno u skladu s preporukama ASHRAE priručnika 2010 pod sljedećim uvjetima:
Osim toga, za svaki slučaj, izvršene su provjere kako bi se osigurala ponovljivost rezultata.Sve dok su radni uvjeti stabilni, bilježe se temperatura, tlak, protok rashladnog sredstva i potrošnja energije.Temperatura, tlak, energija, snaga i protok se mjere kako bi se odredila učinkovitost sustava.Odredite učinak hlađenja i učinkovitost za specifični maseni protok i snagu pri danoj temperaturi.
Upotrebom CFD za analizu dvofaznog protoka u spiralnoj zavojnici kućnog hladnjaka, učinak duljine kapilare može se lako izračunati.CFD analiza olakšava praćenje kretanja čestica tekućine.Rashladno sredstvo koje prolazi kroz unutrašnjost spiralne zavojnice analizirano je pomoću programa CFD FLUENT.Tablica 4 prikazuje dimenzije kapilarnih zavojnica.
Softverski simulator mreže FLUENT generirat će model konstrukcije i mrežu (slike 2, 3 i 4 prikazuju verziju ANSYS Fluent).Volumen tekućine u cijevi koristi se za stvaranje granične mreže.Ovo je mreža korištena za ovu studiju.
CFD model razvijen je pomoću platforme ANSYS FLUENT.Predstavljen je samo fluidni svemir koji se kreće, tako da je protok svake kapilarne serpentine modeliran u smislu promjera kapilare.
Model GEOMETRY je importiran u program ANSYS MESH.ANSYS piše kod gdje je ANSYS kombinacija modela i dodanih rubnih uvjeta.Na sl.Slika 4 prikazuje model pipe-3 (3962,4 mm) u ANSYS FLUENT.Tetraedarski elementi osiguravaju veću uniformnost, kao što je prikazano na slici 5. Nakon stvaranja glavne mreže, datoteka se sprema kao mreža.Strana zavojnice naziva se ulaz, dok je suprotna strana okrenuta prema izlazu.Ova okrugla lica su spremljena kao zidovi cijevi.Za izradu modela koriste se tekući mediji.
Bez obzira na to kako korisnik osjeća pritisak, odabrano je rješenje i odabrana je 3D opcija.Aktivirana je formula za proizvodnju električne energije.
Kada se tok smatra kaotičnim, on je izrazito nelinearan.Stoga je odabran protok K-epsilon.
Ako je odabrana alternativa koju odredi korisnik, okruženje će biti: Opisuje termodinamička svojstva rashladnog sredstva R152a.Atributi obrazaca pohranjuju se kao objekti baze podataka.
Vremenski uvjeti ostaju nepromijenjeni.Određena je ulazna brzina, opisan je tlak od 12,5 bara i temperatura od 45 °C.
Konačno, u petnaestoj iteraciji, rješenje se testira i konvergira u petnaestoj iteraciji, kao što je prikazano na slici 7.
To je metoda mapiranja i analize rezultata.Iscrtajte petlje podataka o tlaku i temperaturi pomoću Monitora.Nakon toga se određuju ukupni tlak i temperatura te opći temperaturni parametri.Ovi podaci pokazuju ukupni pad tlaka na zavojnicama (1, 2 i 3) na slikama 1 i 2, odnosno 7, 8 i 9.Ovi su rezultati izvučeni iz odbjeglog programa.
Na sl.10 prikazuje promjenu učinkovitosti za različite duljine isparavanja i kapilare.Kao što se može vidjeti, učinkovitost raste s povećanjem temperature isparavanja.Najveća i najmanja učinkovitost dobivena je pri postizanju raspona kapilara od 3,65 m i 3,96 m.Ako se duljina kapilare poveća za određeni iznos, učinkovitost će se smanjiti.
Promjena rashladnog kapaciteta zbog različitih razina temperature isparavanja i duljine kapilara prikazana je na sl.11. Kapilarni učinak dovodi do smanjenja rashladnog kapaciteta.Minimalni kapacitet hlađenja postiže se pri vrelištu od -16°C.Najveći kapacitet hlađenja imaju kapilare duljine oko 3,65 m i temperature od -12°C.
Na sl.12 prikazuje ovisnost snage kompresora o duljini kapilare i temperaturi isparavanja.Osim toga, grafikon pokazuje da se snaga smanjuje s povećanjem duljine kapilare i smanjenjem temperature isparavanja.Pri temperaturi isparavanja od -16 °C postiže se niža snaga kompresora s duljinom kapilare od 3,96 m.
Postojeći eksperimentalni podaci korišteni su za provjeru rezultata CFD.U ovom testu, ulazni parametri korišteni za eksperimentalnu simulaciju primjenjuju se na CFD simulaciju.Dobiveni rezultati uspoređeni su s vrijednostima statičkog tlaka.Dobiveni rezultati pokazuju da je statički tlak na izlazu iz kapilare manji nego na ulazu u cijev.Rezultati ispitivanja pokazuju da povećanje duljine kapilare do određene granice smanjuje pad tlaka.Osim toga, smanjeni statički pad tlaka između ulaza i izlaza kapilare povećava učinkovitost rashladnog sustava.Dobiveni CFD rezultati dobro se slažu s postojećim eksperimentalnim rezultatima.Rezultati ispitivanja prikazani su na slikama 1 i 2. 13, 14, 15 i 16. U ovom istraživanju korištene su tri kapilare različitih duljina.Duljine cijevi su 3,35 m, 3,65 m i 3,96 m.Uočeno je da se statički pad tlaka između kapilarnog ulaza i izlaza povećao kada je duljina cijevi promijenjena na 3,35 m.Također imajte na umu da izlazni tlak u kapilari raste s veličinom cijevi od 3,35 m.
Osim toga, pad tlaka između ulaza i izlaza kapilare smanjuje se kako se veličina cijevi povećava s 3,35 na 3,65 m.Uočeno je da je tlak na izlazu iz kapilare naglo pao na izlazu.Iz tog razloga, učinkovitost raste s ovom duljinom kapilare.Osim toga, povećanjem duljine cijevi s 3,65 na 3,96 m ponovno se smanjuje pad tlaka.Uočeno je da tijekom te duljine pad tlaka pada ispod optimalne razine.Ovo smanjuje COP hladnjaka.Stoga petlje statičkog tlaka pokazuju da kapilara od 3,65 m pruža najbolju izvedbu u hladnjaku.Osim toga, povećanje pada tlaka povećava potrošnju energije.
Iz rezultata eksperimenta može se vidjeti da se kapacitet hlađenja rashladnog sredstva R152a smanjuje s povećanjem duljine cijevi.Prva zavojnica ima najveći kapacitet hlađenja (-12°C), a treća zavojnica ima najmanji kapacitet hlađenja (-16°C).Maksimalna učinkovitost postiže se pri temperaturi isparivača od -12 °C i duljini kapilare od 3,65 m.Snaga kompresora opada s povećanjem duljine kapilare.Ulazna snaga kompresora najveća je pri temperaturi isparivača od -12 °C, a minimalna pri -16 °C.Usporedite očitanja CFD i nizvodnog tlaka za duljinu kapilare.Vidi se da je situacija ista u oba slučaja.Rezultati pokazuju da se performanse sustava povećavaju kako se duljina kapilare povećava na 3,65 m u usporedbi s 3,35 m i 3,96 m.Stoga, kada se duljina kapilare poveća za određeni iznos, performanse sustava se povećavaju.
Iako će primjena CFD-a na termo i elektrane poboljšati naše razumijevanje dinamike i fizike operacija toplinske analize, ograničenja zahtijevaju razvoj bržih, jednostavnijih i jeftinijih CFD metoda.To će nam pomoći optimizirati i dizajnirati postojeću opremu.Napredak u CFD softveru omogućit će automatizirani dizajn i optimizaciju, a stvaranje CFD-ova putem interneta povećat će dostupnost tehnologije.Sva ova poboljšanja pomoći će CFD-u da postane zrelo područje i snažan inženjerski alat.Stoga će primjena CFD u toplinskoj tehnici u budućnosti postati sve šira i brža.
Tasi, WT Opasnosti za okoliš i izloženost hidrofluorougljikovodiku (HFC) i pregled rizika od eksplozije.J. Chemosphere 61, 1539–1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Johnson, E. Globalno zagrijavanje zbog HFC-a.Srijeda.Procjena utjecaja.otvoren 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S i Muralidharan S. Usporedna procjena ekološki prihvatljivih alternativa rashladnom sredstvu R134a u kućanskim hladnjacima.energetska učinkovitost.1 (3), 189–198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA i Falade, Usporedna analiza performansi tri HFC rashladna sredstva koja ne štede ozonu u hladnjacima s kompresijom pare.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Eksperimentalna studija R152a i R32 kao zamjena za R134a u kućanskim hladnjacima.Energetika 35 (9), 3793–3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Cabello R., Sanchez D., Llopis R., Arauzo I. i Torrella E. Eksperimentalna usporedba rashladnih sredstava R152a i R134a u rashladnim jedinicama opremljenim hermetičkim kompresorima.unutarnji J. Hladnjak.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. i Borokhinni FO Energetska učinkovitost ekološki prihvatljivih rashladnih sredstava R152a i R600a kao zamjena za R134a u kompresijskim rashladnim sustavima pare.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP i Mahajan, PS Eksperimentalna procjena učinkovitosti R152a kao zamjene za R134a u rashladnim sustavima s kompresijom pare.unutarnji J. Ministarstvo obrane.projekt.spremnik.5, 37–47 (2015).
Bolaji, BO i Huang, Z. Studija o učinkovitosti nekih hidrofluorougljičnih rashladnih sredstava s niskim globalnim zagrijavanjem kao zamjene za R134a u rashladnim sustavima.J. Ing.Toplinski fizičar.23 (2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. i Bala PK Energetska analiza HFC-152a, HFO-1234yf i HFC/HFO mješavina kao izravne zamjene za HFC-134a u kućnim hladnjacima.Strojnicky Casopis J. Mech.projekt.71 (1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. i Chandrasekaran, P. CFD analiza prirodnog konvektivnog prijenosa topline u stacionarnim kućanskim hladnjacima.IOP sesija.TV serija Alma mater.znanost.projekt.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A. i Maiorino, A. HFO i njegova binarna mješavina s HFC134a kao rashladnim sredstvom u kućanskim hladnjacima: analiza energije i procjena utjecaja na okoliš.Nanesite temperaturu.projekt.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R. i Zeng, W. Zamjena rashladnog sredstva i optimizacija pod ograničenjima smanjenja emisije stakleničkih plinova.J. Čista.proizvod.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. i Hartomagioglu S. Predviđanje vremena hlađenja kućanskih hladnjaka s termoelektričnim rashladnim sustavom pomoću CFD analize.unutarnji J. Hladnjak.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB i Chahuachi, B. Eksperimentalna i numerička analiza spiralnih izmjenjivača topline za kućne hladnjake i grijanje vode.unutarnji J. Hladnjak.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. i Cabello R. Procjena energetskog utjecaja različitih alternativa rashladnom sredstvu R134a s niskim GWP-om u rashladnim uređajima za piće.Eksperimentalna analiza i optimizacija čistih rashladnih sredstava R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a i R744.pretvorba energije.vladati.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA i sur.Studija slučaja eksperimentalne i statističke analize potrošnje energije kućanskih hladnjaka.tematska istraživanja.temperatura.projekt.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. i Hartomagioglu S. Numerička (CFD) i eksperimentalna analiza hibridnog hladnjaka za kućanstvo koji uključuje termoelektrične sustave i sustave hlađenja kompresijom pare.unutarnji J. Hladnjak.99, 300–315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. i sur.R-152a kao alternativno rashladno sredstvo za R-134a u kućanskim hladnjacima: Eksperimentalna analiza.unutarnji J. Hladnjak.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. i Masselli C. Mješavina HFC134a i HFO1234ze u kućnim hladnjacima.unutarnji J. Hot.znanost.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. i Koshy Matthews, P. Usporedba performansi rashladnih sustava s kompresijom pare koji koriste ekološki prihvatljiva rashladna sredstva s niskim potencijalom globalnog zatopljenja.unutarnji J. Znanost.spremnik.osloboditi.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. i Cauchy-Matthews, P. Toplinska analiza rashladnih sustava s kompresijom pare koji koriste R152a i njegove mješavine R429A, R430A, R431A i R435A.unutarnji J. Znanost.projekt.spremnik.3(10), 1-8 (2012).
Vrijeme objave: 14. siječnja 2023