Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
В домашних системах отопления и охлаждения часто используются капиллярные устройства.Использование спиральных капилляров исключает необходимость использования легкого холодильного оборудования в системе.Капиллярное давление во многом зависит от параметров геометрии капилляров, таких как длина, средний диаметр и расстояние между ними.В этой статье основное внимание уделяется влиянию длины капилляров на производительность системы.В экспериментах использовались три капилляра разной длины.Данные для R152a были исследованы в разных условиях, чтобы оценить эффект различной длины.Максимальный КПД достигается при температуре испарителя -12°С и длине капилляра 3,65 м.Результаты показывают, что производительность системы увеличивается с увеличением длины капилляра до 3,65 м по сравнению с 3,35 м и 3,96 м.Следовательно, когда длина капилляра увеличивается на определенную величину, производительность системы увеличивается.Результаты эксперимента сравнивались с результатами анализа вычислительной гидродинамики (CFD).
Холодильник – это холодильный прибор, включающий изолированную камеру, а холодильная система – это система, создающая охлаждающий эффект в изолированной камере.Охлаждение определяется как процесс удаления тепла из одного пространства или вещества и передачи этого тепла в другое пространство или вещество.Холодильники в настоящее время широко используются для хранения продуктов, которые портятся при температуре окружающей среды. В низкотемпературных холодильниках порча из-за роста бактерий и других процессов происходит гораздо медленнее.Хладагенты — это рабочие жидкости, используемые в качестве теплоотводов или хладагентов в процессах охлаждения.Хладагенты собирают тепло путем испарения при низкой температуре и давлении, а затем конденсируются при более высоких температуре и давлении, выделяя тепло.Кажется, в комнате становится прохладнее, поскольку тепло уходит из морозильной камеры.Процесс охлаждения происходит в системе, состоящей из компрессора, конденсатора, капиллярных трубок и испарителя.Холодильники – это холодильное оборудование, использованное в данном исследовании.Холодильники широко используются во всем мире, и этот прибор стал бытовой необходимостью.Современные холодильники очень эффективны в работе, но исследования по улучшению системы все еще продолжаются.Основным недостатком R134a является то, что он не токсичен, но имеет очень высокий потенциал глобального потепления (ПГП).R134a для бытовых холодильников включен в Киотский протокол Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата1,2.Однако поэтому использование R134a должно быть значительно сокращено3.С экологической, финансовой и медицинской точек зрения важно найти хладагенты, которые не вызывают глобального потепления4.Несколько исследований доказали, что R152a является экологически чистым хладагентом.Моханрадж и др.5 исследовали теоретическую возможность использования R152a и углеводородных хладагентов в бытовых холодильниках.Было обнаружено, что углеводороды неэффективны в качестве автономных хладагентов.R152a более энергоэффективен и экологичен, чем хладагенты, выходящие из употребления.Боладжи и др.6.Характеристики трех экологически чистых хладагентов HFC сравнивались в парокомпрессионном холодильнике.Они пришли к выводу, что R152a можно использовать в системах сжатия пара и заменить R134a.R32 имеет такие недостатки, как высокое напряжение и низкий коэффициент полезного действия (КПД).Боладжи и др.7 протестировали R152a и R32 в качестве заменителей R134a в бытовых холодильниках.Согласно исследованиям, средняя эффективность R152a на 4,7% выше, чем у R134a.Кабельо и др.провел испытания R152a и R134a в холодильном оборудовании с герметичными компрессорами.8. Боладжи и др.9 протестировали хладагент R152a в холодильных системах.Они пришли к выводу, что R152a является наиболее энергоэффективным: его холодопроизводительность на 10,6% меньше на тонну, чем у предыдущего R134a.R152a показывает более высокую объемную холодопроизводительность и эффективность.Чавхан и др.10 проанализировали характеристики R134a и R152a.Исследование двух хладагентов показало, что R152a является наиболее энергоэффективным.R152a на 3,769% более эффективен, чем R134a, и может использоваться в качестве прямой замены.Боладжи и др.11 исследовали различные хладагенты с низким ПГП в качестве замены R134a в холодильных системах из-за их более низкого потенциала глобального потепления.Среди оцененных хладагентов R152a имеет самые высокие энергетические характеристики, снижая потребление электроэнергии на тонну охлаждения на 30,5% по сравнению с R134a.По мнению авторов, R161 необходимо полностью переработать, прежде чем его можно будет использовать в качестве замены.Многие отечественные исследователи холодильного оборудования провели различные экспериментальные работы с целью улучшения характеристик систем хладагента с низким ПГП и смеси R134a в качестве будущей замены в холодильных системах12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Баскаран и др. 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 изучали эффективность нескольких экологически чистых хладагентов и их комбинации с R134a в качестве потенциальной альтернативы для различные испытания на сжатие пара.Система.Тивари и др.36 использовали эксперименты и CFD-анализ для сравнения характеристик капиллярных трубок с различными хладагентами и диаметрами трубок.Для анализа используйте программное обеспечение ANSYS CFX.Рекомендуется использовать лучшую спиральную конструкцию катушки.Пуния и др.16 исследовали влияние длины, диаметра капилляра и диаметра змеевика на массовый расход хладагента сжиженного нефтяного газа через спиральный змеевик.По результатам исследования регулирование длины капилляра в диапазоне от 4,5 до 2,5 м позволяет увеличить массовый расход в среднем на 25%.Сойлемез и др.16 выполнили CFD-анализ отделения свежести (DR) бытового холодильника с использованием трех различных турбулентных (вязких) моделей, чтобы получить представление о скорости охлаждения отделения свежести и распределении температуры в воздухе и отделении во время загрузки.Прогнозы разработанной CFD-модели наглядно иллюстрируют поля потоков воздуха и температуры внутри FFC.
В данной статье обсуждаются результаты пилотного исследования по определению производительности бытовых холодильников, использующих хладагент R152a, который является экологически чистым и не имеет риска разрушения озона (ODP).
В данном исследовании в качестве тестовых площадок были выбраны капилляры длиной 3,35 м, 3,65 м и 3,96 м.Затем были проведены эксперименты с хладагентом R152a, не вызывающим глобального потепления, и были рассчитаны рабочие параметры.Поведение хладагента в капилляре также анализировали с помощью программного обеспечения CFD.Результаты CFD сравнивались с экспериментальными результатами.
Как показано на рисунке 1, вы можете увидеть фотографию бытового холодильника емкостью 185 литров, использованного для исследования.Он состоит из испарителя, герметичного поршневого компрессора и конденсатора воздушного охлаждения.Четыре манометра установлены на входе компрессора, входе конденсатора и выходе испарителя.Чтобы предотвратить вибрацию во время испытаний, эти счетчики монтируются на панели.Для считывания температуры термопары все провода термопары подключаются к сканеру термопар.Десять устройств измерения температуры установлены на входе испарителя, всасывании компрессора, нагнетании компрессора, холодильном отделении и входе, входе конденсатора, морозильном отделении и выходе конденсатора.Также сообщается напряжение и потребляемый ток.На деревянной доске закрепляют расходомер, подключенный к участку трубы.Записи сохраняются каждые 10 секунд с использованием устройства человеко-машинного интерфейса (HMI).Смотровое стекло используется для проверки равномерности потока конденсата.
Для количественной оценки мощности и энергии использовался амперметр Selec MFM384 с входным напряжением 100–500 В.Сервисный порт системы установлен в верхней части компрессора для заправки и дозаправки хладагента.Первым делом необходимо слить влагу из системы через сервисный порт.Чтобы удалить загрязнения из системы, промойте ее азотом.Система загружается с помощью вакуумного насоса, который откачивает агрегат до давления -30 мм рт. ст.В таблице 1 приведены характеристики испытательного стенда для бытового холодильника, а в таблице 2 — измеренные значения, а также их диапазон и точность.
Характеристики хладагентов, используемых в бытовых холодильниках и морозильниках, приведены в таблице 3.
Тестирование проводилось согласно рекомендациям ASHRAE Handbook 2010 при следующих условиях:
Кроме того, на всякий случай были проведены проверки на воспроизводимость результатов.Пока рабочие условия остаются стабильными, регистрируются температура, давление, расход хладагента и потребление энергии.Для определения производительности системы измеряются температура, давление, энергия, мощность и расход.Найдите охлаждающий эффект и эффективность для удельного массового расхода и мощности при заданной температуре.
Используя CFD для анализа двухфазного потока в спиральном змеевике бытового холодильника, можно легко рассчитать влияние длины капилляра.CFD-анализ позволяет легко отслеживать движение частиц жидкости.Хладагент, проходящий через внутреннюю часть спирального змеевика, анализировался с помощью программы CFD FLUENT.В таблице 4 указаны размеры капиллярных змеевиков.
Программный симулятор сетки FLUENT создаст модель расчета конструкции и сетку (на рисунках 2, 3 и 4 показана версия ANSYS Fluent).Объем жидкости в трубе используется для создания граничной сетки.Это сетка, используемая для данного исследования.
Модель CFD была разработана с использованием платформы ANSYS FLUENT.Представлена только движущаяся жидкая вселенная, поэтому поток каждого капиллярного змеевика моделируется в терминах диаметра капилляра.
Модель GEOMETRY была импортирована в программу ANSYS MESH.ANSYS пишет код, в котором ANSYS представляет собой комбинацию моделей и добавленных граничных условий.На рис.4 представлена модель трубы-3 (3962,4 мм) в ANSYS FLUENT.Тетраэдральные элементы обеспечивают более высокую однородность, как показано на рисунке 5. После создания основной сетки файл сохраняется как сетка.Сторона змеевика называется входом, а противоположная сторона обращена к выходу.Эти круглые грани сохраняются как стенки трубы.Для построения моделей используются жидкие среды.
Независимо от того, как пользователь относится к давлению, решение было выбрано и выбран вариант 3D.Формула генерации энергии активирована.
Когда поток считается хаотичным, он очень нелинейный.Поэтому был выбран поток К-эпсилон.
Если выбран альтернативный вариант, указанный пользователем, среда будет следующей: Описывает термодинамические свойства хладагента R152a.Атрибуты формы хранятся как объекты базы данных.
Погодные условия остаются неизменными.Была определена скорость на входе, описано давление 12,5 бар и температура 45°С.
Наконец, на пятнадцатой итерации решение тестируется и сходится на пятнадцатой итерации, как показано на рисунке 7.
Это метод отображения и анализа результатов.Постройте циклы данных давления и температуры с помощью Monitor.После этого определяются общее давление и температура, а также общие температурные параметры.Эти данные показывают общее падение давления на змеевиках (1, 2 и 3) на рисунках 1 и 2, 7, 8 и 9 соответственно.Эти результаты были получены из запущенной программы.
На рис.10 показано изменение эффективности при различной длине испарения и капилляра.Как видно, эффективность увеличивается с увеличением температуры испарения.Наибольший и наименьший КПД были получены при достижении пролетов капилляров 3,65 м и 3,96 м.Если длину капилляра увеличить на определенную величину, эффективность снизится.
Изменение холодопроизводительности в зависимости от уровня температуры испарения и длины капилляров показано на рис.11. Капиллярный эффект приводит к снижению холодопроизводительности.Минимальная охлаждающая способность достигается при температуре кипения -16°C.Наибольшая холодопроизводительность наблюдается у капилляров длиной около 3,65 м и температурой -12°С.
На рис.12 представлена зависимость мощности компрессора от длины капилляра и температуры испарения.Кроме того, на графике видно, что мощность снижается с увеличением длины капилляра и уменьшением температуры испарения.При температуре испарения -16°С меньшая мощность компрессора получается при длине капилляра 3,96 м.
Существующие экспериментальные данные были использованы для проверки результатов CFD.В этом тесте входные параметры, используемые для экспериментального моделирования, применяются к моделированию CFD.Полученные результаты сравниваются со значением статического давления.Полученные результаты показывают, что статическое давление на выходе из капилляра меньше, чем на входе в трубку.Результаты испытаний показывают, что увеличение длины капилляра до определенного предела снижает падение давления.Кроме того, уменьшенный перепад статического давления между входом и выходом капилляра повышает эффективность холодильной системы.Полученные результаты CFD хорошо согласуются с существующими экспериментальными результатами.Результаты испытаний показаны на рисунках 1 и 2. 13, 14, 15 и 16. В этом исследовании использовались три капилляра разной длины.Длина труб составляет 3,35 м, 3,65 м и 3,96 м.Было замечено, что перепад статического давления между входом и выходом капилляра увеличился, когда длина трубки была изменена до 3,35 м.Также учтите, что выходное давление в капилляре увеличивается при размере трубы 3,35 м.
Кроме того, перепад давления между входом и выходом капилляра уменьшается при увеличении размера трубы с 3,35 до 3,65 м.Было замечено, что давление на выходе из капилляра резко падало на выходе.По этой причине эффективность увеличивается с увеличением длины капилляра.Кроме того, увеличение длины трубы с 3,65 до 3,96 м снова снижает перепад давления.Было замечено, что на этой длине падение давления падает ниже оптимального уровня.Это снижает КПД холодильника.Таким образом, контуры статического давления показывают, что капилляр длиной 3,65 м обеспечивает наилучшие характеристики в холодильнике.Кроме того, увеличение перепада давления увеличивает энергопотребление.
По результатам эксперимента видно, что холодопроизводительность хладагента R152a снижается с увеличением длины трубы.Первый змеевик имеет самую высокую холодопроизводительность (-12°C), а третий змеевик имеет самую низкую холодопроизводительность (-16°C).Максимальный КПД достигается при температуре испарителя -12 °С и длине капилляра 3,65 м.Мощность компрессора снижается с увеличением длины капилляра.Потребляемая мощность компрессора максимальна при температуре испарителя -12 °C и минимальна при -16 °C.Сравните показания CFD и давления на выходе для определения длины капилляра.Видно, что ситуация в обоих случаях одинакова.Результаты показывают, что производительность системы увеличивается по мере увеличения длины капилляра до 3,65 м по сравнению с 3,35 м и 3,96 м.Следовательно, когда длина капилляра увеличивается на определенную величину, производительность системы увеличивается.
Хотя применение CFD на тепловых и электростанциях улучшит наше понимание динамики и физики операций термического анализа, ограничения требуют разработки более быстрых, простых и менее дорогих методов CFD.Это поможет нам оптимизировать и спроектировать существующее оборудование.Достижения в области программного обеспечения CFD позволят автоматизировать проектирование и оптимизацию, а создание CFD через Интернет повысит доступность технологии.Все эти достижения помогут CFD стать зрелой областью и мощным инженерным инструментом.Таким образом, в будущем применение CFD в теплотехнике станет шире и быстрее.
Таси, WT Экологические опасности, воздействие гидрофторуглеродов (ГФУ) и обзор рисков взрыва.Дж. Хемосфера 61, 1539–1547.https://doi.org/10.1016/j.chemSphere.2005.03.084 (2005).
Джонсон, Э. Глобальное потепление из-за ГФУ.Среда.Оценка воздействия на.открыто 18, 485-492.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Моханрадж М., Джаярадж С. и Муралидхаран С. Сравнительная оценка экологически чистых альтернатив хладагенту R134a в бытовых холодильниках.энергоэффективность.1 (3), 189–198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Боладжи Б.О., Акинтунде М.А. и Фаладе, Сравнительный анализ характеристик трех озонобезопасных ГФУ-хладагентов в парокомпрессионных холодильниках.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Боладжи Б.О. Экспериментальное исследование R152a и R32 в качестве заменителей R134a в бытовых холодильниках.Энергия 35 (9), 3793–3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Кабельо Р., Санчес Д., Ллопис Р., Араузо И. и Торрелла Э. Экспериментальное сравнение хладагентов R152a и R134a в холодильных установках, оснащенных герметичными компрессорами.внутренний Дж. Холодильник.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Боладжи Б.О., Хуан З. и Борохинни Ф.О. Энергоэффективность экологически чистых хладагентов R152a и R600a в качестве замены R134a в парокомпрессионных холодильных системах.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014 г.).
Чавхан С.П. и Махаджан П.С. Экспериментальная оценка эффективности R152a в качестве замены R134a в парокомпрессионных холодильных системах.внутренний Дж. Министерство обороны.проект.резервуар.5, 37–47 (2015).
Боладжи, Б.О. и Хуанг, З. Исследование эффективности некоторых гидрофторуглеродных хладагентов с низким глобальным потеплением в качестве замены R134a в холодильных системах.Дж. Инж.Теплофизик.23(2), 148–157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Хашир С.М., Шринивас К. и Бала П.К. Энергетический анализ ГФУ-152а, ГФО-1234yf и смесей ГФУ/ГФО как прямых заменителей ГФУ-134а в бытовых холодильниках.Стройницкий Casopis J. Mech.проект.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Логешваран С. и Чандрасекаран П. CFD-анализ естественной конвективной теплопередачи в стационарных бытовых холодильниках.Сеанс ИОП.Телесериал Альма-матер.наука.проект.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Апреа К., Греко А. и Майорино А. ГФО и его бинарная смесь с ГФУ134а в качестве хладагента в бытовых холодильниках: энергетический анализ и оценка воздействия на окружающую среду.Примените температуру.проект.141, 226–233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Ван Х., Чжао Л., Цао Р. и Цзэн В. Замена и оптимизация хладагента в условиях ограничений по сокращению выбросов парниковых газов.Дж. Пьюр.продукт.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Соилемез Э., Альпман Э., Онат А. и Хартомаджиоглу С. Прогнозирование времени охлаждения бытовых холодильников с термоэлектрической системой охлаждения с использованием CFD-анализа.внутренний Дж. Холодильник.123, 138–149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021 г.).
Миссови С., Дрисс З., Слама Р.Б. и Чауачи Б. Экспериментальный и численный анализ теплообменников со спиральными змеевиками для бытовых холодильников и водяного отопления.внутренний Дж. Холодильник.133, 276–288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022 г.).
Санчес Д., Андреу-Наер А., Каллеха-Анта Д., Ллопис Р. и Кабельо Р. Оценка энергетического воздействия различных альтернатив хладагенту R134a с низким ПГП в охладителях напитков.Экспериментальный анализ и оптимизация чистых хладагентов R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a и R744.преобразование энергии.управлять.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Борикар, С.А. и др.Пример экспериментального и статистического анализа энергопотребления бытовых холодильников.тематические исследования.температура.проект.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Соилемез Э., Альпман Э., Онат А., Юкселентюрк Й. и Хартомаджиоглу С. Численный (CFD) и экспериментальный анализ гибридного бытового холодильника, включающего термоэлектрические и парокомпрессионные системы охлаждения.внутренний Дж. Холодильник.99, 300–315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Майорино А. и др.R-152a как альтернатива R-134a в бытовых холодильниках: экспериментальный анализ.внутренний Дж. Холодильник.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Апреа К., Греко А., Майорино А. и Масселли К. Смесь HFC134a и HFO1234ze в бытовых холодильниках.внутренний Дж. Хот.наука.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Баскаран А. и Коши Мэтьюз П. Сравнение характеристик парокомпрессионных холодильных систем, использующих экологически чистые хладагенты с низким потенциалом глобального потепления.внутренний Дж. Наука.резервуар.выпускать.2(9), 1–8 (2012).
Баскаран А. и Коши-Мэтьюз П. Термический анализ парокомпрессионных холодильных систем с использованием R152a и его смесей R429A, R430A, R431A и R435A.внутренний Дж. Наука.проект.резервуар.3(10), 1–8 (2012).
Время публикации: 14 января 2023 г.