Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Відображає карусель із трьох слайдів одночасно.Використовуйте кнопки «Попередній» і «Наступний», щоб переходити по трьох слайдах одночасно, або використовуйте кнопки повзунка в кінці, щоб переходити по трьох слайдах одночасно.
У системах опалення та охолодження будинку часто використовуються капілярні пристрої.Застосування спіральних капілярів усуває необхідність використання в системі легкого холодильного обладнання.Капілярний тиск багато в чому залежить від параметрів геометрії капілярів, таких як довжина, середній діаметр і відстань між ними.Ця стаття присвячена впливу довжини капіляра на продуктивність системи.В дослідах використовували три капіляри різної довжини.Дані для R152a досліджувалися за різних умов, щоб оцінити вплив різної довжини.Максимальний ККД досягається при температурі випарника -12°C і довжині капіляра 3,65 м.Результати показують, що продуктивність системи зростає зі збільшенням довжини капіляра до 3,65 м порівняно з 3,35 м і 3,96 м.Тому, коли довжина капіляра збільшується на певну величину, продуктивність системи зростає.Експериментальні результати порівнювали з результатами аналізу обчислювальної гідродинаміки (CFD).
Холодильник - це холодильний прилад, який містить ізольоване відділення, а холодильна система - це система, яка створює ефект охолодження в ізольованому відділенні.Охолодження визначається як процес видалення тепла з одного простору або речовини та передачі цього тепла іншому простору або речовині.Холодильники зараз широко використовуються для зберігання харчових продуктів, які псуються при температурі навколишнього середовища, псування в результаті розмноження бактерій та інших процесів відбувається набагато повільніше в холодильниках з низькою температурою.Холодоагенти - це робочі рідини, які використовуються як тепловідводи або холодоагенти в холодильних процесах.Холодоагенти збирають тепло шляхом випаровування при низькій температурі та тиску, а потім конденсуються при вищій температурі та тиску, виділяючи тепло.Здається, що в кімнаті стає холодніше, оскільки тепло виходить із морозильної камери.Процес охолодження відбувається в системі, що складається з компресора, конденсатора, капілярних трубок і випарника.Холодильники - це холодильне обладнання, яке використовується в цьому дослідженні.Холодильники широко використовуються у всьому світі, і цей прилад став побутовою необхідністю.Сучасні холодильники дуже ефективні в роботі, але дослідження щодо вдосконалення системи ще тривають.Основним недоліком R134a є те, що він невідомий як токсичний, але має дуже високий потенціал глобального потепління (GWP).R134a для побутових холодильників включено до Кіотського протоколу Рамкової конвенції ООН про зміну клімату1,2.Однак, таким чином, використання R134a має бути значно скорочено3.З точки зору навколишнього середовища, фінансів і охорони здоров’я важливо знайти холодоагенти з низьким рівнем глобального потепління4.Кілька досліджень довели, що R152a є екологічно чистим холодоагентом.Моханрадж та ін.5 досліджували теоретичну можливість використання R152a та вуглеводневих холодоагентів у побутових холодильниках.Було визнано, що вуглеводні неефективні як окремі холодоагенти.R152a є більш енергоефективним і екологічно чистим, ніж холодоагенти, які поступово виводяться з виробництва.Боладжі та ін.6.Ефективність трьох екологічно чистих HFC холодоагентів порівнювалася в парокомпресійному холодильнику.Вони дійшли висновку, що R152a можна використовувати в системах стиснення парів і замінити R134a.R32 має такі недоліки, як висока напруга і низький коефіцієнт корисної дії (COP).Боладжі та ін.7 протестували R152a та R32 як замінники R134a в побутових холодильниках.Згідно з дослідженнями, середня ефективність R152a на 4,7% вища, ніж у R134a.Кабельо та ін.перевірено R152a і R134a в холодильному обладнанні з герметичними компресорами.8. Bolaji та інші9 протестували холодоагент R152a в системах охолодження.Вони дійшли висновку, що R152a є найбільш енергоефективним, з 10,6% меншою холодопродуктивністю на тонну, ніж попередній R134a.R152a демонструє вищу об’ємну холодопродуктивність і ефективність.Chavhan et al.10 проаналізували характеристики R134a та R152a.Під час дослідження двох холодоагентів R152a виявилося найбільш енергоефективним.R152a на 3,769% ефективніший, ніж R134a, і його можна використовувати як пряму заміну.Bolaji та ін.11 досліджували різноманітні холодоагенти з низьким ПГП як заміну R134a в холодильних системах через їх нижчий потенціал глобального потепління.Серед оцінених холодоагентів R152a має найвищу енергетичну ефективність, зменшуючи споживання електроенергії на тонну холоду на 30,5% порівняно з R134a.За словами авторів, R161 потрібно повністю переробити, перш ніж його можна буде використовувати як заміну.Багато вітчизняних дослідників холодильного обладнання провели різноманітну експериментальну роботу для покращення продуктивності холодоагентних систем із низьким ПГП і R134a як майбутньої заміни в холодильних системах12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran та ін.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 вивчали ефективність кількох екологічно чистих холодоагентів та їх поєднання з R134a як потенційну альтернативу для різні випробування на стиснення пари.система.Тіварі та ін.36 використовував експерименти та аналіз CFD для порівняння продуктивності капілярних трубок з різними холодоагентами та діаметрами трубок.Для аналізу використовуйте програмне забезпечення ANSYS CFX.Рекомендується найкраща конструкція спіральної котушки.Punia та ін.16 досліджували вплив довжини капіляра, діаметра та діаметра змійовика на масовий потік холодоагенту LPG через спіральну змійовик.За результатами дослідження, регулювання довжини капіляра в діапазоні від 4,5 до 2,5 м дозволяє збільшити масову витрату в середньому на 25%.Söylemez та ін.16 виконали CFD-аналіз камери свіжості (DR) побутового холодильника, використовуючи три різні турбулентні (в’язкі) моделі, щоб отримати уявлення про швидкість охолодження камери свіжості та розподіл температури в повітрі та камері під час завантаження.Прогнози розробленої моделі CFD чітко ілюструють потік повітря та температурні поля всередині FFC.
У цій статті обговорюються результати пілотного дослідження для визначення продуктивності побутових холодильників із використанням холодоагенту R152a, який є екологічно чистим і не має ризику руйнування озонового шару (ODP).
У цьому дослідженні капіляри 3,35 м, 3,65 м і 3,96 м були обрані як тестові ділянки.Потім було проведено експерименти з холодоагентом R152a із низьким рівнем глобального потепління та розраховано робочі параметри.Поведінку холодоагенту в капілярі також аналізували за допомогою програмного забезпечення CFD.Результати CFD порівнювали з експериментальними результатами.
Як показано на малюнку 1, ви можете побачити фотографію домашнього холодильника на 185 літрів, який використовувався для дослідження.Складається з випарника, герметичного поршневого компресора і конденсатора повітряного охолодження.Чотири манометри встановлені на вході в компресор, на вході в конденсатор і на виході з випарника.Щоб запобігти вібрації під час тестування, ці лічильники встановлюються на панель.Щоб зчитувати температуру термопари, усі дроти термопари підключаються до сканера термопари.Десять приладів для вимірювання температури встановлено на вході у випарник, на всмоктуванні компресора, на виході з компресора, на вході та вході холодильного відділення, вході конденсатора, морозильного відділення та виході конденсатора.Також повідомляється про споживану напругу та струм.Витратомір, з'єднаний з ділянкою труби, закріплений на дерев'яній дошці.Записи зберігаються кожні 10 секунд за допомогою пристрою людино-машинного інтерфейсу (HMI).Оглядове скло використовується для перевірки рівномірності витікання конденсату.
Для кількісного визначення потужності та енергії використовували амперметр Selec MFM384 з вхідною напругою 100–500 В.Сервісний порт системи встановлено на верхній частині компресора для заправки та дозаправки холодоагенту.Першим кроком є злив вологи із системи через сервісний порт.Щоб видалити будь-які забруднення з системи, промийте її азотом.Система заряджається за допомогою вакуумного насоса, який відкачує блок до тиску -30 мм рт.У таблиці 1 наведено характеристики випробувальної установки для побутових холодильників, а в таблиці 2 наведено виміряні значення, а також їх діапазон і точність.
Характеристики холодоагентів, що використовуються в побутових холодильниках і морозильниках, наведені в таблиці 3.
Тестування проводилося відповідно до рекомендацій довідника ASHRAE 2010 за таких умов:
Крім того, про всяк випадок були зроблені перевірки для забезпечення відтворюваності результатів.Поки робочі умови залишаються стабільними, температура, тиск, потік холодоагенту та споживання енергії реєструються.Для визначення продуктивності системи вимірюються температура, тиск, енергія, потужність і потік.Знайдіть ефект охолодження та ефективність для питомої масової витрати та потужності при даній температурі.
Використовуючи CFD для аналізу двофазного потоку в спіралі домашнього холодильника, можна легко обчислити вплив довжини капіляра.Аналіз CFD дозволяє легко відстежувати рух частинок рідини.Холодоагент, що проходить через внутрішню частину спірального змійовика, аналізували за допомогою програми CFD FLUENT.У таблиці 4 наведено розміри капілярних котушок.
Програмний симулятор сітки FLUENT створить структурну проектну модель і сітку (на малюнках 2, 3 і 4 показано версію ANSYS Fluent).Об’єм рідини в трубі використовується для створення граничної сітки.Це сітка, використана для цього дослідження.
Модель CFD була розроблена з використанням платформи ANSYS FLUENT.Представлено лише рухомий рідкий всесвіт, тому потік кожного капілярного серпантину моделюється в термінах діаметра капіляра.
Модель GEOMETRY імпортовано в програму ANSYS MESH.ANSYS пише код, де ANSYS є комбінацією моделей і доданих граничних умов.На рис.4 показана модель pipe-3 (3962,4 мм) в ANSYS FLUENT.Чотиригранні елементи забезпечують вищу рівномірність, як показано на малюнку 5. Після створення основної сітки файл зберігається як сітка.Сторона змійовика називається входом, а протилежна сторона звернена до виходу.Ці круглі грані збережені як стінки труби.Для побудови моделей використовуються рідкі середовища.
Незалежно від того, як користувач ставиться до тиску, було вибрано рішення та вибрано варіант 3D.Формула генерації електроенергії активована.
Коли потік вважається хаотичним, він є дуже нелінійним.Тому було обрано К-епсилонний потік.
Якщо вибрано визначену користувачем альтернативу, середовище буде таким: Описує термодинамічні властивості холодоагенту R152a.Атрибути форми зберігаються як об’єкти бази даних.
Погодні умови залишаються без змін.Було визначено вхідну швидкість, описано тиск 12,5 бар і температуру 45 °C.
Нарешті, на п’ятнадцятій ітерації рішення перевіряється та сходиться на п’ятнадцятій ітерації, як показано на малюнку 7.
Це метод відображення та аналізу результатів.Побудуйте петлі даних про тиск і температуру за допомогою Monitor.Після цього визначають загальний тиск і температуру та загальні температурні параметри.Ці дані показують загальне падіння тиску на змійовиках (1, 2 і 3) на малюнках 1 і 2. 7, 8 і 9 відповідно.Ці результати були отримані з невиконаної програми.
На рис.10 показано зміну ефективності для різних довжин випаровування і капіляра.Як видно, ККД зростає з підвищенням температури випаровування.Найвищий і найнижчий ККД було отримано при досягненні капілярних прольотів 3,65 м і 3,96 м.Якщо довжину капіляра збільшити на певну величину, ефективність зменшиться.
Зміна холодопродуктивності через різні рівні температури випаровування та довжини капіляра показано на рис.11. Капілярний ефект призводить до зниження холодопродуктивності.Мінімальна холодопродуктивність досягається при температурі кипіння -16°C.Найбільшу охолоджувальну здатність мають капіляри довжиною близько 3,65 м і температурою -12°С.
На рис.12 показано залежність потужності компресора від довжини капіляра і температури випаровування.Крім того, на графіку видно, що потужність зменшується зі збільшенням довжини капіляра та зниженням температури випаровування.При температурі випаровування -16 °C при довжині капіляра 3,96 м досягається нижча потужність компресора.
Існуючі експериментальні дані були використані для перевірки результатів CFD.У цьому тесті вхідні параметри, які використовуються для експериментального моделювання, застосовуються до CFD моделювання.Отримані результати порівнюють із значенням статичного тиску.Отримані результати показують, що статичний тиск на виході з капіляра менший, ніж на вході в трубку.Результати випробувань показують, що збільшення довжини капіляра до певної межі зменшує перепад тиску.Крім того, знижений перепад статичного тиску між входом і виходом капіляра підвищує ефективність холодильної системи.Отримані результати CFD добре узгоджуються з наявними експериментальними результатами.Результати тесту показані на малюнках 1 і 2. 13, 14, 15 і 16. У цьому дослідженні використовувалися три капіляри різної довжини.Довжина труб 3,35 м, 3,65 м і 3,96 м.Було помічено, що перепад статичного тиску між входом і виходом капіляра збільшився, коли довжина трубки була змінена до 3,35 м.Також зауважте, що вихідний тиск у капілярі зростає при діаметрі труби 3,35 м.
Крім того, перепад тиску між входом і виходом капіляра зменшується зі збільшенням розміру труби з 3,35 до 3,65 м.Було помічено, що тиск на виході з капіляра різко впав на виході.З цієї причини ефективність збільшується з такою довжиною капіляра.Крім того, збільшення довжини труби з 3,65 до 3,96 м знову зменшує перепад тиску.Було помічено, що на цій довжині перепад тиску падає нижче оптимального рівня.Це знижує COP холодильника.Таким чином, петлі статичного тиску показують, що капіляр 3,65 м забезпечує найкращу продуктивність у холодильнику.Крім того, збільшення перепаду тиску збільшує споживання енергії.
З результатів експерименту видно, що холодопродуктивність холодоагенту R152a зменшується зі збільшенням довжини труби.Перший змійовик має найвищу холодопродуктивність (-12°C), а третій змійовик має найнижчу холодопродуктивність (-16°C).Максимальна ефективність досягається при температурі випарника -12 °C і довжині капіляра 3,65 м.Потужність компресора зменшується зі збільшенням довжини капіляра.Споживана потужність компресора максимальна при температурі випарника -12 °C і мінімальна при -16 °C.Порівняйте показники CFD і тиску на нижній течії для довжини капіляра.Видно, що в обох випадках ситуація однакова.Результати показують, що продуктивність системи підвищується, коли довжина капіляра збільшується до 3,65 м порівняно з 3,35 м і 3,96 м.Тому, коли довжина капіляра збільшується на певну величину, продуктивність системи зростає.
Хоча застосування CFD до теплових і електростанцій покращить наше розуміння динаміки та фізики операцій теплового аналізу, обмеження вимагають розробки швидших, простіших і менш дорогих методів CFD.Це допоможе нам оптимізувати та спроектувати існуюче обладнання.Удосконалення програмного забезпечення CFD дозволить автоматизувати проектування та оптимізацію, а створення CFD через Інтернет збільшить доступність технології.Усі ці досягнення допоможуть CFD стати зрілою сферою та потужним інженерним інструментом.Таким чином, застосування CFD в теплотехніці в майбутньому стане ширшим і швидшим.
Тасі, В. Т. Екологічна небезпека та огляд гідрофторвуглецю (ГФВ) і ризику вибуху.J. Chemosphere 61, 1539–1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Джонсон, Е. Глобальне потепління через ГФУ.Середа.Оцінка впливу.відкритий 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S і Muralidharan S. Порівняльна оцінка екологічно чистих альтернатив холодоагенту R134a в побутових холодильниках.енергоефективність.1(3), 189–198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Боладжі Б.О., Акінтунде М.А. та Фаладе, Порівняльний аналіз ефективності трьох холодоагентів HFC, сприятливих для озону, у парокомпресійних холодильниках.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Експериментальне дослідження R152a і R32 як замінників R134a в побутових холодильниках.Енергія 35 (9), 3793–3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Кабелло Р., Санчес Д., Ллопіс Р., Араузо І. і Торрелла Е. Експериментальне порівняння холодоагентів R152a і R134a в холодильних установках, обладнаних герметичними компресорами.внутрішній J. Холодильник.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Боладжі Б.О., Хуан З. і Борохінні Ф.О. Енергоефективність екологічно чистих холодоагентів R152a і R600a як заміна R134a в парокомпресійних холодильних системах.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP та Mahajan, PS Експериментальна оцінка ефективності R152a як заміни R134a в парокомпресійних холодильних системах.внутрішній Дж. оборонного відомства.демонструвати.резервуар для зберігання.5, 37–47 (2015).
Bolaji, BO та Huang, Z. Дослідження ефективності деяких гідрофторвуглецевих холодоагентів із низьким рівнем глобального потепління як заміни R134a в системах охолодження.J. Ing.Теплофізик.23(2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. і Bala PK Енергетичний аналіз HFC-152a, HFO-1234yf і сумішей HFC/HFO як прямих замінників HFC-134a в домашніх холодильниках.Strojnicky Casopis J. Mech.демонструвати.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Логешваран, С. і Чандрасекаран, П. CFD аналіз природного конвективного теплообміну в стаціонарних побутових холодильниках.Сеанс IOP.Серіал Alma mater.наука.демонструвати.1130 (1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A., і Maiorino, A. HFO та його бінарна суміш з HFC134a як холодоагент у побутових холодильниках: аналіз енергії та оцінка впливу на навколишнє середовище.Додайте температуру.демонструвати.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R., and Zeng, W. Заміна та оптимізація холодоагенту за обмежень щодо скорочення викидів парникових газів.Ж. Чистий.продукт.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Соілемез Е., Альпман Е., Онат А. та Хартомагіоглу С. Прогнозування часу охолодження побутових холодильників із термоелектричною системою охолодження за допомогою аналізу CFD.внутрішній J. Холодильник.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB і Chahuachi, B. Експериментальний і чисельний аналіз гвинтових теплообмінників для побутових холодильників і водяного опалення.внутрішній J. Холодильник.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. і Cabello R. Оцінка енергетичного впливу різних альтернатив холодоагенту R134a з низьким ПГП в охолоджувачах напоїв.Експериментальний аналіз та оптимізація чистих холодоагентів R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a та R744.перетворення енергії.керувати.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA та ін.Приклад експериментального та статистичного аналізу енергоспоживання побутових холодильників.тематичні дослідження.температура.демонструвати.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. і Hartomagioglu S. Чисельний (CFD) та експериментальний аналіз гібридного побутового холодильника, що включає термоелектричні системи охолодження та систему охолодження парою.внутрішній J. Холодильник.99, 300–315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. та ін.R-152a як альтернативний холодоагент R-134a в побутових холодильниках: експериментальний аналіз.внутрішній J. Холодильник.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. і Masselli C. Суміш HFC134a і HFO1234ze в домашніх холодильниках.внутрішній Я. Гарячий.наука.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. та Koshy Matthews, P. Порівняння продуктивності парокомпресійних холодильних систем із використанням екологічно чистих холодоагентів із низьким потенціалом глобального потепління.внутрішній Дж. наук.резервуар для зберігання.реліз.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. та Cauchy-Matthews, P. Термічний аналіз парокомпресійних холодильних систем з використанням R152a та його сумішей R429A, R430A, R431A та R435A.внутрішній Дж. наук.демонструвати.резервуар для зберігання.3(10), 1-8 (2012).
Час публікації: 14 січня 2023 р