Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
Домашните системи за отопление и охлаждане често използват капилярни устройства.Използването на спирални капиляри елиминира необходимостта от леко хладилно оборудване в системата.Капилярното налягане до голяма степен зависи от параметрите на геометрията на капилярите, като дължина, среден диаметър и разстояние между тях.Тази статия се фокусира върху ефекта на дължината на капиляра върху производителността на системата.В експериментите са използвани три капиляра с различна дължина.Данните за R152a бяха изследвани при различни условия, за да се оцени ефектът от различните дължини.Максималната ефективност се постига при температура на изпарителя -12°C и дължина на капиляра 3,65 m.Резултатите показват, че производителността на системата се увеличава с увеличаване на дължината на капиляра до 3,65 m в сравнение с 3,35 m и 3,96 m.Следователно, когато дължината на капиляра се увеличи с определено количество, производителността на системата се увеличава.Експерименталните резултати бяха сравнени с резултатите от анализа на изчислителната динамика на флуидите (CFD).
Хладилникът е хладилен уред, който включва изолирано отделение, а хладилната система е система, която създава охлаждащ ефект в изолирано отделение.Охлаждането се определя като процес на отстраняване на топлина от едно пространство или вещество и прехвърляне на тази топлина към друго пространство или вещество.Сега хладилниците се използват широко за съхранение на храни, които се развалят при температура на околната среда, развалянето от бактериален растеж и други процеси е много по-бавно в хладилниците с ниска температура.Хладилните агенти са работни течности, използвани като радиатори или хладилни агенти в хладилни процеси.Хладилните агенти събират топлина чрез изпаряване при ниска температура и налягане и след това кондензират при по-висока температура и налягане, освобождавайки топлина.Стаята изглежда става по-хладна, тъй като топлината излиза от фризера.Процесът на охлаждане се осъществява в система, състояща се от компресор, кондензатор, капилярни тръби и изпарител.Хладилниците са хладилното оборудване, използвано в това проучване.Хладилниците са широко разпространени по целия свят и този уред се е превърнал в битова необходимост.Съвременните хладилници са много ефективни при работа, но изследванията за подобряване на системата все още продължават.Основният недостатък на R134a е, че не е известно, че е токсичен, но има много висок потенциал за глобално затопляне (GWP).R134a за домакински хладилници е включен в Протокола от Киото към Рамковата конвенция на ООН по изменение на климата1,2.Поради това обаче употребата на R134a трябва да бъде значително намалена3.От екологична, финансова и здравна гледна точка е важно да се намерят хладилни агенти с ниско глобално затопляне4.Няколко проучвания са доказали, че R152a е екологично чист хладилен агент.Mohanraj et al.5 изследват теоретичната възможност за използване на R152a и въглеводородни хладилни агенти в домашни хладилници.Установено е, че въглеводородите са неефективни като самостоятелни хладилни агенти.R152a е по-енергийно ефективен и екологичен от хладилните агенти, които постепенно се отказват.Боладжи и др.6.Ефективността на три екологични HFC хладилни агента беше сравнена в хладилник с компресия на пара.Те заключиха, че R152a може да се използва в системи за компресиране на пара и може да замени R134a.R32 има недостатъци като високо напрежение и нисък коефициент на ефективност (COP).Bolaji и др.7 тества R152a и R32 като заместители на R134a в домакинските хладилници.Според проучвания средната ефективност на R152a е с 4,7% по-висока от тази на R134a.Кабело и др.тества R152a и R134a в хладилни съоръжения с херметични компресори.8. Bolaji et al9 тестваха хладилен агент R152a в хладилни системи.Те заключиха, че R152a е най-енергийно ефективният, с 10,6% по-малък капацитет на охлаждане на тон от предишния R134a.R152a показва по-висок обемен охлаждащ капацитет и ефективност.Chavhan et al.10 анализират характеристиките на R134a и R152a.При изследване на два хладилни агента е установено, че R152a е най-енергийно ефективният.R152a е с 3,769% по-ефективен от R134a и може да се използва като директен заместител.Bolaji et al.11 са изследвали различни хладилни агенти с нисък GWP като заместители на R134a в хладилни системи поради по-ниския им потенциал за глобално затопляне.Сред оценените хладилни агенти R152a има най-висока енергийна ефективност, като намалява консумацията на електроенергия на тон охлаждане с 30,5% в сравнение с R134a.Според авторите R161 трябва да бъде напълно преработен, преди да може да се използва като заместител.Различна експериментална работа е извършена от много местни изследователи в областта на охлаждането за подобряване на производителността на хладилни системи с нисък GWP и R134a като предстояща замяна в хладилните системи12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 изследват работата на няколко екологично чисти хладилни агенти и тяхната комбинация с R134a като потенциална алтернатива за различни тестове за компресия на пара.Система.Тивари и др.36 използва експерименти и CFD анализ, за да сравни работата на капилярните тръби с различни хладилни агенти и диаметри на тръбите.Използвайте софтуера ANSYS CFX за анализ.Препоръчва се най-добрият дизайн на спирална намотка.Punia et al.16 изследва ефекта от дължината на капиляра, диаметъра и диаметъра на намотката върху масовия поток на LPG хладилен агент през спирална намотка.Според резултатите от изследването регулирането на дължината на капиляра в диапазона от 4,5 до 2,5 m позволява увеличаване на масовия поток средно с 25%.Söylemez et al.16 извършиха CFD анализ на отделение за свежест на домашен хладилник (DR), използвайки три различни турбулентни (вискозни) модела, за да получат представа за скоростта на охлаждане на отделението за свежест и разпределението на температурата във въздуха и отделението по време на зареждане.Прогнозите на разработения CFD модел ясно илюстрират въздушния поток и температурните полета вътре в FFC.
Тази статия обсъжда резултатите от пилотно проучване за определяне на ефективността на домакинските хладилници, използващи хладилен агент R152a, който е екологичен и няма риск от потенциал за изчерпване на озоновия слой (ODP).
В това изследване 3,35 m, 3,65 m и 3,96 m капиляри бяха избрани като тестови места.След това бяха проведени експерименти с хладилен агент R152a с ниско глобално затопляне и бяха изчислени работните параметри.Поведението на хладилния агент в капиляра също беше анализирано с помощта на CFD софтуера.Резултатите от CFD бяха сравнени с експерименталните резултати.
Както е показано на фигура 1, можете да видите снимка на 185-литров домашен хладилник, използван за изследването.Състои се от изпарител, херметичен бутален компресор и кондензатор с въздушно охлаждане.Четири манометъра са монтирани на входа на компресора, входа на кондензатора и изхода на изпарителя.За да се предотвратят вибрации по време на тестване, тези измервателни уреди са монтирани на панел.За да се отчете температурата на термодвойката, всички проводници на термодвойката са свързани към скенер за термодвойка.Десет устройства за измерване на температурата са инсталирани на входа на изпарителя, всмукателния отвор на компресора, изпускателния отвор на компресора, хладилното отделение и входа, входа на кондензатора, фризерното отделение и изхода на кондензатора.Отчита се също напрежението и консумацията на ток.Разходомер, свързан към тръбна секция, е фиксиран върху дървена дъска.Записите се записват на всеки 10 секунди с помощта на модула за човешки машинен интерфейс (HMI).Контролното стъкло се използва за проверка на равномерността на потока на конденза.
За количествено определяне на мощността и енергията беше използван амперметър Selec MFM384 с входно напрежение 100–500 V.Системен сервизен порт е монтиран в горната част на компресора за зареждане и презареждане на хладилен агент.Първата стъпка е да източите влагата от системата през сервизния порт.За да премахнете всякакво замърсяване от системата, промийте я с азот.Системата се зарежда с помощта на вакуумна помпа, която вакуумира уреда до налягане от -30 mmHg.Таблица 1 изброява характеристиките на стенда за изпитване на домашен хладилник, а таблица 2 изброява измерените стойности, както и техния обхват и точност.
Характеристиките на хладилните агенти, използвани в домашните хладилници и фризери, са показани в таблица 3.
Тестването беше проведено съгласно препоръките на Наръчника на ASHRAE 2010 при следните условия:
Освен това, за всеки случай, бяха направени проверки, за да се гарантира възпроизводимостта на резултатите.Докато работните условия остават стабилни, температурата, налягането, потокът на хладилен агент и консумацията на енергия се записват.Температурата, налягането, енергията, мощността и потокът се измерват, за да се определи производителността на системата.Намерете охлаждащия ефект и ефективност за специфичен масов поток и мощност при дадена температура.
Използвайки CFD за анализиране на двуфазен поток в спирална бобина на домашен хладилник, ефектът от дължината на капиляра може лесно да бъде изчислен.CFD анализът улеснява проследяването на движението на флуидни частици.Хладилният агент, преминаващ през вътрешността на спиралната намотка, беше анализиран с помощта на програмата CFD FLUENT.Таблица 4 показва размерите на капилярните намотки.
Софтуерният симулатор на мрежа FLUENT ще генерира структурен модел и мрежа (фигури 2, 3 и 4 показват версията на ANSYS Fluent).Обемът на течността на тръбата се използва за създаване на гранична мрежа.Това е мрежата, използвана за това изследване.
CFD моделът е разработен с помощта на платформата ANSYS FLUENT.Представена е само движещата се флуидна вселена, така че потокът на всяка капилярна серпентина се моделира по отношение на диаметъра на капиляра.
Моделът GEOMETRY беше импортиран в програмата ANSYS MESH.ANSYS пише код, където ANSYS е комбинация от модели и добавени гранични условия.На фиг.4 показва модела pipe-3 (3962,4 mm) в ANSYS FLUENT.Тетраедричните елементи осигуряват по-висока еднородност, както е показано на фигура 5. След създаването на основната мрежа, файлът се записва като мрежа.Страната на намотката се нарича вход, докато противоположната страна е обърната към изхода.Тези кръгли лица се запазват като стените на тръбата.За изграждане на модели се използват течни среди.
Независимо от това как потребителят се чувства по отношение на натиска, решението беше избрано и беше избрана 3D опцията.Формулата за генериране на енергия е активирана.
Когато потокът се счита за хаотичен, той е силно нелинеен.Следователно беше избран K-epsilon поток.
Ако бъде избрана зададена от потребителя алтернатива, средата ще бъде: Описва термодинамичните свойства на хладилния агент R152a.Атрибутите на формуляра се съхраняват като обекти на база данни.
Метеорологичните условия остават без промяна.Определя се входяща скорост, описва се налягане от 12,5 bar и температура от 45 °C.
Накрая, при петнадесетата итерация, решението се тества и се сближава при петнадесетата итерация, както е показано на фигура 7.
Това е метод за картографиране и анализиране на резултатите.Начертайте контурите на данните за налягането и температурата с помощта на Monitor.След това се определят общото налягане и температура и общите температурни параметри.Тези данни показват общия спад на налягането в намотките (1, 2 и 3) на фигури 1 и 2. 7, 8 и 9 съответно.Тези резултати са извлечени от избягала програма.
На фиг.10 показва промяната в ефективността за различни дължини на изпарение и капиляр.Както се вижда, ефективността нараства с повишаване на температурата на изпарение.Най-високата и най-ниската ефективност са получени при достигане на капилярни разстояния от 3,65 m и 3,96 m.Ако дължината на капиляра се увеличи с определено количество, ефективността ще намалее.
Промяната в капацитета на охлаждане поради различни нива на температура на изпарение и дължина на капиляра е показана на фиг.11. Капилярният ефект води до намаляване на охлаждащата способност.Минималният капацитет на охлаждане се постига при точка на кипене -16°C.Най-голяма охлаждаща способност се наблюдава при капиляри с дължина около 3,65 m и температура -12°C.
На фиг.12 е показана зависимостта на мощността на компресора от дължината на капиляра и температурата на изпарение.В допълнение, графиката показва, че мощността намалява с увеличаване на дължината на капиляра и намаляване на температурата на изпарение.При температура на изпарение от -16 °C се получава по-ниска мощност на компресора с дължина на капиляра 3,96 m.
Съществуващите експериментални данни бяха използвани за проверка на резултатите от CFD.В този тест входните параметри, използвани за експерименталната симулация, се прилагат към CFD симулацията.Получените резултати се сравняват със стойността на статичното налягане.Получените резултати показват, че статичното налягане на изхода от капиляра е по-малко, отколкото на входа на тръбата.Резултатите от теста показват, че увеличаването на дължината на капиляра до определена граница намалява спада на налягането.В допълнение, намаленият спад на статичното налягане между входа и изхода на капиляра повишава ефективността на хладилната система.Получените CFD резултати са в добро съответствие със съществуващите експериментални резултати.Резултатите от теста са показани на фигури 1 и 2. 13, 14, 15 и 16. В това изследване са използвани три капиляра с различна дължина.Дължините на тръбите са 3.35m, 3.65m и 3.96m.Беше наблюдавано, че спадът на статичното налягане между капилярния вход и изход се увеличи, когато дължината на тръбата беше променена на 3,35 m.Също така имайте предвид, че изходното налягане в капиляра се увеличава с размер на тръбата 3,35 m.
В допълнение, спадът на налягането между входа и изхода на капиляра намалява с увеличаване на размера на тръбата от 3,35 на 3,65 m.Наблюдава се, че налягането на изхода на капиляра спада рязко на изхода.Поради тази причина ефективността се увеличава с тази дължина на капиляра.В допълнение, увеличаването на дължината на тръбата от 3,65 на 3,96 m отново намалява спада на налягането.Наблюдавано е, че при тази дължина спадът на налягането пада под оптималното ниво.Това намалява COP на хладилника.Следователно контурите на статичното налягане показват, че капилярът от 3,65 m осигурява най-добрата производителност в хладилника.В допълнение, увеличаването на спада на налягането увеличава консумацията на енергия.
От резултатите от експеримента може да се види, че охлаждащият капацитет на хладилния агент R152a намалява с увеличаване на дължината на тръбата.Първата намотка има най-висок капацитет на охлаждане (-12°C), а третата намотка има най-нисък капацитет на охлаждане (-16°C).Максималната ефективност се постига при температура на изпарителя -12 °C и дължина на капиляра 3,65 m.Мощността на компресора намалява с увеличаване на дължината на капиляра.Входящата мощност на компресора е максимална при температура на изпарителя от -12 °C и минимална при -16 °C.Сравнете показанията на CFD и налягането надолу по веригата за дължината на капиляра.Вижда се, че и в двата случая ситуацията е еднаква.Резултатите показват, че производителността на системата се увеличава с увеличаване на дължината на капиляра до 3,65 m в сравнение с 3,35 m и 3,96 m.Следователно, когато дължината на капиляра се увеличи с определено количество, производителността на системата се увеличава.
Въпреки че прилагането на CFD към термични и електроцентрали ще подобри разбирането ни за динамиката и физиката на операциите за термичен анализ, ограниченията изискват разработването на по-бързи, по-прости и по-евтини CFD методи.Това ще ни помогне да оптимизираме и проектираме съществуващото оборудване.Напредъкът в CFD софтуера ще позволи автоматизирано проектиране и оптимизация, а създаването на CFD през Интернет ще увеличи наличността на технологията.Всички тези постижения ще помогнат на CFD да стане зряло поле и мощен инженерен инструмент.По този начин приложението на CFD в топлотехниката ще стане по-широко и по-бързо в бъдеще.
Tasi, WT Опасности за околната среда и преглед на експозицията на хидрофлуоровъглеводороди (HFC) и риска от експлозия.J. Chemosphere 61, 1539–1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Джонсън, Е. Глобалното затопляне, дължащо се на HFC.сряда.Оценка на въздействието.отворен 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S и Muralidharan S. Сравнителна оценка на щадящи околната среда алтернативи на хладилния агент R134a в домакинските хладилници.енергийна ефективност.1 (3), 189–198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA и Falade, Сравнителен анализ на ефективността на три щадящи озона HFC хладилни агенти в хладилници с компресия на пара.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO Експериментално изследване на R152a и R32 като заместители на R134a в домакински хладилници.Енергия 35 (9), 3793–3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Cabello R., Sanchez D., Llopis R., Arauzo I. и Torrella E. Експериментално сравнение на хладилни агенти R152a и R134a в хладилни агрегати, оборудвани с херметични компресори.вътрешен J. Хладилник.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. и Borokhinni FO Енергийна ефективност на екологично чисти хладилни агенти R152a и R600a като заместител на R134a в хладилни системи с компресия на пара.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP и Mahajan, PS Експериментална оценка на ефективността на R152a като заместител на R134a в хладилни системи с компресия на пара.вътрешен J. Министерство на отбраната.проект.резервоар за съхранение.5, 37–47 (2015).
Bolaji, BO и Huang, Z. Проучване на ефективността на някои хидрофлуоровъглеродни хладилни агенти с ниско глобално затопляне като заместител на R134a в хладилни системи.J. Ing.Термофизик.23 (2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. и Bala PK Енергиен анализ на HFC-152a, HFO-1234yf и смеси HFC/HFO като директни заместители на HFC-134a в домашни хладилници.Strojnicky Casopis J. Mech.проект.71 (1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. и Chandrasekaran, P. CFD анализ на естествен конвективен топлопренос в стационарни домакински хладилници.IOP сесия.Сериал Алма матер.науката.проект.1130 (1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A. и Maiorino, A. HFO и неговата бинарна смес с HFC134a като хладилен агент в домашни хладилници: енергиен анализ и оценка на въздействието върху околната среда.Приложете температура.проект.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R. и Zeng, W. Подмяна на хладилен агент и оптимизиране при ограничения за намаляване на емисиите на парникови газове.J. Pure.продукт.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. и Hartomagioglu S. Прогнозиране на времето за охлаждане на домакински хладилници с термоелектрическа система за охлаждане с помощта на CFD анализ.вътрешен J. Хладилник.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB и Chahuachi, B. Експериментален и числен анализ на спираловидни топлообменници за домашни хладилници и отопление на вода.вътрешен J. Хладилник.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. и Cabello R. Оценка на енергийното въздействие на различни алтернативи на хладилен агент R134a с нисък GWP в охладители за напитки.Експериментален анализ и оптимизация на чисти хладилни агенти R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a и R744.преобразуване на енергия.да управлява.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA и др.Казус от експериментален и статистически анализ на потреблението на енергия от домашни хладилници.тематични изследвания.температура.проект.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. и Hartomagioglu S. Числен (CFD) и експериментален анализ на хибриден домашен хладилник, включващ термоелектрически и системи за охлаждане с компресия на пара.вътрешен J. Хладилник.99, 300–315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A. et al.R-152a като алтернативен хладилен агент на R-134a в домашни хладилници: експериментален анализ.вътрешен J. Хладилник.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. и Masselli C. Смес от HFC134a и HFO1234ze в домашни хладилници.вътрешен J. Hot.науката.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. и Koshy Matthews, P. Сравнение на производителността на хладилни системи с компресия на пара, използващи екологично чисти хладилни агенти с нисък потенциал за глобално затопляне.вътрешен J. наука.резервоар за съхранение.освобождаване.2(9), 1-8 (2012).
Bascaran, A. и Cauchy-Matthews, P. Термичен анализ на хладилни системи с компресия на пари, използващи R152a и неговите смеси R429A, R430A, R431A и R435A.вътрешен J. наука.проект.резервоар за съхранение.3(10), 1-8 (2012).
Време на публикуване: 14 януари 2023 г