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Heiz- und Kühlsysteme für Privathaushalte verwenden häufig Kapillargeräte.Durch die Verwendung von Spiralkapillaren ist keine leichte Kühlausrüstung im System erforderlich.Der Kapillardruck hängt weitgehend von den Parametern der Kapillargeometrie wie Länge, durchschnittlichem Durchmesser und Abstand zwischen ihnen ab.Dieser Artikel konzentriert sich auf die Auswirkung der Kapillarlänge auf die Systemleistung.In den Experimenten wurden drei Kapillaren unterschiedlicher Länge verwendet.Die Daten für R152a wurden unter verschiedenen Bedingungen untersucht, um die Wirkung unterschiedlicher Längen zu bewerten.Der maximale Wirkungsgrad wird bei einer Verdampfertemperatur von -12°C und einer Kapillarlänge von 3,65 m erreicht.Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistung des Systems mit zunehmender Kapillarlänge auf 3,65 m im Vergleich zu 3,35 m und 3,96 m steigt.Wenn also die Länge der Kapillare um einen bestimmten Betrag zunimmt, erhöht sich die Leistung des Systems.Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen der Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse verglichen.
Ein Kühlschrank ist ein Kühlgerät, das über ein isoliertes Fach verfügt, und ein Kühlsystem ist ein System, das in einem isolierten Fach einen Kühleffekt erzeugt.Kühlung ist definiert als der Prozess, bei dem einem Raum oder einer Substanz Wärme entzogen und diese Wärme auf einen anderen Raum oder eine andere Substanz übertragen wird.Kühlschränke werden heute häufig zum Aufbewahren von Lebensmitteln verwendet, die bei Umgebungstemperatur verderben. Der Verderb durch Bakterienwachstum und andere Prozesse verläuft in Kühlschränken mit niedrigen Temperaturen viel langsamer.Kältemittel sind Arbeitsflüssigkeiten, die als Wärmesenken oder Kältemittel in Kühlprozessen eingesetzt werden.Kältemittel sammeln Wärme, indem sie bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck verdampfen und dann bei höherer Temperatur und höherem Druck kondensieren und dabei Wärme freisetzen.Der Raum scheint kühler zu werden, da die Wärme aus dem Gefrierschrank entweicht.Der Kühlprozess erfolgt in einem System bestehend aus Kompressor, Kondensator, Kapillarrohren und Verdampfer.Kühlschränke sind die in dieser Studie verwendeten Kühlgeräte.Kühlschränke sind auf der ganzen Welt weit verbreitet und dieses Gerät ist zu einem unverzichtbaren Haushaltsgerät geworden.Moderne Kühlschränke sind im Betrieb sehr effizient, die Forschung zur Verbesserung des Systems ist jedoch noch nicht abgeschlossen.Der Hauptnachteil von R134a besteht darin, dass es nicht als giftig bekannt ist, aber ein sehr hohes Treibhauspotenzial (GWP) aufweist.R134a für Haushaltskühlschränke wurde in das Kyoto-Protokoll des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klimaänderungen1,2 aufgenommen.Allerdings sollte der Einsatz von R134a deutlich reduziert werden3.Aus ökologischer, finanzieller und gesundheitlicher Sicht ist es wichtig, Kältemittel mit geringer Erderwärmung4 zu finden.Mehrere Studien haben bewiesen, dass R152a ein umweltfreundliches Kältemittel ist.Mohanraj et al.5 untersuchten die theoretische Möglichkeit der Verwendung von R152a und Kohlenwasserstoff-Kältemitteln in Haushaltskühlschränken.Es wurde festgestellt, dass Kohlenwasserstoffe als eigenständige Kältemittel unwirksam sind.R152a ist energieeffizienter und umweltfreundlicher als Ausstiegskältemittel.Bolaji und andere.6.Die Leistung von drei umweltfreundlichen HFKW-Kältemitteln wurde in einem Dampfkompressionskühlschrank verglichen.Sie kamen zu dem Schluss, dass R152a in Dampfkompressionssystemen verwendet werden und R134a ersetzen könnte.R32 hat Nachteile wie eine hohe Spannung und einen niedrigen Leistungskoeffizienten (COP).Bolaji et al.7 testeten R152a und R32 als Ersatz für R134a in Haushaltskühlschränken.Studien zufolge liegt der durchschnittliche Wirkungsgrad von R152a um 4,7 % höher als der von R134a.Cabello et al.Getestet R152a und R134a in Kühlgeräten mit hermetischen Kompressoren.8. Bolaji et al9 testeten das Kältemittel R152a in Kühlsystemen.Sie kamen zu dem Schluss, dass R152a mit 10,6 % geringerer Kühlleistung pro Tonne als das vorherige R134a am energieeffizientesten war.R152a weist eine höhere volumetrische Kühlkapazität und Effizienz auf.Chavhan et al.10 analysierten die Eigenschaften von R134a und R152a.In einer Studie mit zwei Kältemitteln erwies sich R152a als das energieeffizienteste.R152a ist 3,769 % effizienter als R134a und kann als direkter Ersatz verwendet werden.Bolaji et al.11 haben aufgrund ihres geringeren Treibhauspotenzials verschiedene Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial als Ersatz für R134a in Kühlsystemen untersucht.Unter den bewerteten Kältemitteln weist R152a die höchste Energieeffizienz auf und reduziert den Stromverbrauch pro Tonne Kälte um 30,5 % im Vergleich zu R134a.Den Autoren zufolge muss der R161 komplett neu konstruiert werden, bevor er als Ersatz eingesetzt werden kann.Viele inländische Kälteforscher haben verschiedene experimentelle Arbeiten durchgeführt, um die Leistung von Kältemittelsystemen mit niedrigem Treibhauspotenzial und R134a-Mischungen als künftigen Ersatz in Kühlsystemen zu verbessern12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 untersuchten die Leistung mehrerer umweltfreundlicher Kältemittel und deren Kombination mit R134a als mögliche Alternative für verschiedene Dampfkompressionstests.System.Tiwari et al.36 nutzten Experimente und CFD-Analysen, um die Leistung von Kapillarrohren mit unterschiedlichen Kältemitteln und Rohrdurchmessern zu vergleichen.Verwenden Sie zur Analyse die ANSYS CFX-Software.Das beste Spiralspulendesign wird empfohlen.Punia et al.16 untersuchten den Einfluss von Kapillarlänge, Durchmesser und Spulendurchmesser auf den Massenstrom von LPG-Kältemittel durch eine Spiralspule.Den Ergebnissen der Studie zufolge ermöglicht die Anpassung der Kapillarlänge im Bereich von 4,5 bis 2,5 m eine Steigerung des Massenstroms um durchschnittlich 25 %.Söylemez et al.16 führten eine CFD-Analyse eines Frischhaltefachs (DR) eines Haushaltskühlschranks unter Verwendung von drei verschiedenen turbulenten (viskosen) Modellen durch, um Erkenntnisse über die Abkühlgeschwindigkeit des Frischhaltefachs und die Temperaturverteilung in der Luft und im Fach während der Beladung zu gewinnen.Die Prognosen des entwickelten CFD-Modells veranschaulichen anschaulich die Luftströmungs- und Temperaturfelder innerhalb des FFC.
In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer Pilotstudie zur Bestimmung der Leistung von Haushaltskühlschränken mit dem Kältemittel R152a besprochen, das umweltfreundlich ist und kein Risiko eines Ozonabbaupotenzials (ODP) aufweist.
In dieser Studie wurden Kapillaren mit einer Länge von 3,35 m, 3,65 m und 3,96 m als Teststandorte ausgewählt.Anschließend wurden Experimente mit dem Kältemittel R152a mit geringer Treibhauseffektentwicklung durchgeführt und Betriebsparameter berechnet.Auch das Verhalten des Kältemittels in der Kapillare wurde mit der CFD-Software analysiert.Die CFD-Ergebnisse wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen.
Wie in Abbildung 1 gezeigt, sehen Sie ein Foto eines 185-Liter-Haushaltskühlschranks, der für die Studie verwendet wurde.Es besteht aus einem Verdampfer, einem hermetischen Kolbenkompressor und einem luftgekühlten Kondensator.Am Kompressoreinlass, Kondensatoreinlass und Verdampferauslass sind vier Manometer installiert.Um Vibrationen während der Prüfung zu vermeiden, werden diese Messgeräte in Schalttafeln montiert.Um die Thermoelementtemperatur abzulesen, werden alle Thermoelementdrähte an einen Thermoelementscanner angeschlossen.Zehn Temperaturmessgeräte sind am Verdampfereinlass, Kompressoransaugung, Kompressorauslass, Kühlfach und -einlass, Kondensatoreinlass, Gefrierfach und Kondensatorauslass installiert.Außerdem wird die Spannung und der Stromverbrauch gemeldet.Ein mit einem Rohrstück verbundener Durchflussmesser wird auf einem Holzbrett befestigt.Die Aufzeichnungen werden alle 10 Sekunden über die Human Machine Interface (HMI)-Einheit gespeichert.Das Schauglas dient zur Kontrolle der Gleichmäßigkeit des Kondensatflusses.
Zur Quantifizierung von Leistung und Energie wurde ein Amperemeter Selec MFM384 mit einer Eingangsspannung von 100–500 V verwendet.Oben am Kompressor ist ein Systemwartungsanschluss zum Befüllen und Nachfüllen von Kältemittel installiert.Der erste Schritt besteht darin, die Feuchtigkeit aus dem System über den Serviceanschluss abzulassen.Um eventuelle Verunreinigungen aus dem System zu entfernen, spülen Sie es mit Stickstoff.Das System wird mit einer Vakuumpumpe aufgeladen, die das Gerät auf einen Druck von -30 mmHg evakuiert.Tabelle 1 listet die Eigenschaften des Haushaltskühlschrankprüfstands auf, und Tabelle 2 listet die gemessenen Werte sowie deren Bereich und Genauigkeit auf.
Die Eigenschaften der in Haushaltskühlschränken und -gefriergeräten verwendeten Kältemittel sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Die Tests wurden gemäß den Empfehlungen des ASHRAE-Handbuchs 2010 unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Darüber hinaus wurden für alle Fälle Kontrollen durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.Solange die Betriebsbedingungen stabil bleiben, werden Temperatur, Druck, Kältemittelfluss und Energieverbrauch aufgezeichnet.Zur Bestimmung der Systemleistung werden Temperatur, Druck, Energie, Leistung und Durchfluss gemessen.Finden Sie den Kühleffekt und die Effizienz für einen spezifischen Massenstrom und eine bestimmte Leistung bei einer bestimmten Temperatur.
Mithilfe von CFD zur Analyse der Zweiphasenströmung in der Spiralspule eines Haushaltskühlschranks kann der Effekt der Kapillarlänge leicht berechnet werden.Durch die CFD-Analyse lässt sich die Bewegung von Flüssigkeitspartikeln leicht verfolgen.Das durch das Innere der Spiralspule strömende Kältemittel wurde mit dem CFD-FLUENT-Programm analysiert.Tabelle 4 zeigt die Abmessungen der Kapillarspulen.
Der FLUENT-Software-Netzsimulator generiert ein Strukturdesignmodell und ein Netz (Abbildungen 2, 3 und 4 zeigen die ANSYS Fluent-Version).Das Flüssigkeitsvolumen des Rohrs wird zur Erstellung des Grenznetzes verwendet.Dies ist das für diese Studie verwendete Raster.
Das CFD-Modell wurde mit der ANSYS FLUENT-Plattform entwickelt.Da nur das sich bewegende Fluiduniversum dargestellt wird, wird der Fluss jeder Kapillarschlange anhand des Durchmessers der Kapillare modelliert.
Das GEOMETRY-Modell wurde in das ANSYS MESH-Programm importiert.ANSYS schreibt Code, wobei ANSYS eine Kombination aus Modellen und hinzugefügten Randbedingungen ist.Auf Abb.4 zeigt das Pipe-3-Modell (3962,4 mm) in ANSYS FLUENT.Tetraederelemente sorgen für eine höhere Gleichmäßigkeit, wie in Abbildung 5 dargestellt. Nach der Erstellung des Hauptnetzes wird die Datei als Netz gespeichert.Die Seite der Spule wird als Einlass bezeichnet, während die gegenüberliegende Seite dem Auslass zugewandt ist.Diese runden Flächen werden als Rohrwände gespeichert.Für den Modellbau werden flüssige Medien verwendet.
Unabhängig davon, wie der Benutzer den Druck empfindet, wurde die Lösung gewählt und die 3D-Option gewählt.Die Stromerzeugungsformel wurde aktiviert.
Wenn der Fluss als chaotisch betrachtet wird, ist er stark nichtlinear.Daher wurde der K-Epsilon-Fluss gewählt.
Wenn eine vom Benutzer angegebene Alternative ausgewählt wird, ist die Umgebung: Beschreibt die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels R152a.Formularattribute werden als Datenbankobjekte gespeichert.
Die Wetterbedingungen bleiben unverändert.Es wurde eine Eintrittsgeschwindigkeit ermittelt, ein Druck von 12,5 bar und eine Temperatur von 45 °C beschrieben.
Schließlich wird die Lösung bei der fünfzehnten Iteration getestet und konvergiert bei der fünfzehnten Iteration, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Es handelt sich um eine Methode zur Zuordnung und Analyse von Ergebnissen.Zeichnen Sie Druck- und Temperaturdatenschleifen mit Monitor auf.Anschließend werden der Gesamtdruck und die Gesamttemperatur sowie die allgemeinen Temperaturparameter ermittelt.Diese Daten zeigen den gesamten Druckabfall über den Spulen (1, 2 und 3) in den Abbildungen 1 und 2, 7, 8 und 9.Diese Ergebnisse wurden aus einem außer Kontrolle geratenen Programm extrahiert.
Auf Abb.10 zeigt die Änderung der Effizienz bei unterschiedlichen Verdampfungs- und Kapillarlängen.Wie man sieht, steigt der Wirkungsgrad mit steigender Verdampfungstemperatur.Die höchsten und niedrigsten Wirkungsgrade wurden beim Erreichen von Kapillarspannweiten von 3,65 m und 3,96 m erzielt.Wenn die Länge der Kapillare um einen bestimmten Betrag erhöht wird, nimmt die Effizienz ab.
Die Änderung der Kühlleistung aufgrund unterschiedlicher Verdampfungstemperatur und Kapillarlänge ist in Abb. dargestellt.11. Der Kapillareffekt führt zu einer Verringerung der Kühlleistung.Die minimale Kühlleistung wird bei einem Siedepunkt von -16°C erreicht.Die größte Kühlleistung wird bei Kapillaren mit einer Länge von etwa 3,65 m und einer Temperatur von -12 °C beobachtet.
Auf Abb.12 zeigt die Abhängigkeit der Kompressorleistung von der Kapillarlänge und der Verdampfungstemperatur.Darüber hinaus zeigt die Grafik, dass die Leistung mit zunehmender Kapillarlänge und sinkender Verdampfungstemperatur abnimmt.Bei einer Verdampfungstemperatur von -16 °C ergibt sich bei einer Kapillarlänge von 3,96 m eine geringere Kompressorleistung.
Zur Verifizierung der CFD-Ergebnisse wurden vorhandene experimentelle Daten verwendet.In diesem Test werden die für die experimentelle Simulation verwendeten Eingabeparameter auf die CFD-Simulation angewendet.Die erhaltenen Ergebnisse werden mit dem Wert des statischen Drucks verglichen.Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass der statische Druck am Ausgang der Kapillare geringer ist als am Eingang des Röhrchens.Die Testergebnisse zeigen, dass eine Vergrößerung der Kapillarlänge bis zu einem bestimmten Grenzwert den Druckabfall verringert.Darüber hinaus erhöht der verringerte statische Druckabfall zwischen Einlass und Auslass der Kapillare die Effizienz des Kühlsystems.Die erhaltenen CFD-Ergebnisse stimmen gut mit den vorhandenen experimentellen Ergebnissen überein.Die Testergebnisse sind in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. 13, 14, 15 und 16. In dieser Studie wurden drei Kapillaren unterschiedlicher Länge verwendet.Die Rohrlängen betragen 3,35 m, 3,65 m und 3,96 m.Es wurde beobachtet, dass der statische Druckabfall zwischen Kapillareinlass und -auslass zunahm, wenn die Rohrlänge auf 3,35 m geändert wurde.Beachten Sie außerdem, dass der Ausgangsdruck in der Kapillare bei einer Rohrgröße von 3,35 m zunimmt.
Darüber hinaus nimmt der Druckabfall zwischen Ein- und Auslass der Kapillare mit zunehmender Rohrgröße von 3,35 auf 3,65 m ab.Es wurde beobachtet, dass der Druck am Auslass der Kapillare am Auslass stark abfiel.Aus diesem Grund steigt die Effizienz mit dieser Kapillarlänge.Darüber hinaus verringert sich der Druckverlust durch die Vergrößerung der Rohrlänge von 3,65 auf 3,96 m nochmals.Es wurde beobachtet, dass der Druckabfall auf dieser Länge unter den optimalen Wert absinkt.Dadurch sinkt der COP des Kühlschranks.Daher zeigen die statischen Druckschleifen, dass die 3,65 m lange Kapillare die beste Leistung im Kühlschrank bietet.Darüber hinaus erhöht ein Anstieg des Druckabfalls den Energieverbrauch.
Aus den Ergebnissen des Experiments ist ersichtlich, dass die Kühlleistung des Kältemittels R152a mit zunehmender Rohrlänge abnimmt.Die erste Spule hat die höchste Kühlleistung (-12 °C) und die dritte Spule hat die niedrigste Kühlleistung (-16 °C).Der maximale Wirkungsgrad wird bei einer Verdampfertemperatur von -12 °C und einer Kapillarlänge von 3,65 m erreicht.Die Kompressorleistung nimmt mit zunehmender Kapillarlänge ab.Die Leistungsaufnahme des Kompressors ist bei einer Verdampfertemperatur von -12 °C maximal und bei -16 °C minimal.Vergleichen Sie CFD- und Downstream-Druckwerte für die Kapillarlänge.Es ist ersichtlich, dass die Situation in beiden Fällen die gleiche ist.Die Ergebnisse zeigen, dass die Leistung des Systems mit zunehmender Länge der Kapillare auf 3,65 m im Vergleich zu 3,35 m und 3,96 m zunimmt.Wenn also die Länge der Kapillare um einen bestimmten Betrag zunimmt, erhöht sich die Leistung des Systems.
Obwohl die Anwendung von CFD auf Wärme- und Kraftwerke unser Verständnis der Dynamik und Physik thermischer Analysevorgänge verbessern wird, erfordern Einschränkungen die Entwicklung schnellerer, einfacherer und kostengünstigerer CFD-Methoden.Dies hilft uns bei der Optimierung und Gestaltung bestehender Anlagen.Fortschritte in der CFD-Software ermöglichen automatisiertes Design und Optimierung, und die Erstellung von CFDs über das Internet wird die Verfügbarkeit der Technologie erhöhen.All diese Fortschritte werden dazu beitragen, dass CFD zu einem ausgereiften Feld und einem leistungsstarken Engineering-Tool wird.Somit wird die Anwendung von CFD in der Wärmetechnik in Zukunft breiter und schneller.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Januar 2023