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家庭用冷暖房システムでは、多くの場合、毛細管デバイスが使用されます。スパイラルキャピラリを使用することにより、システム内に軽量の冷却装置が不要になります。毛細管の圧力は、長さ、平均直径、毛細管間の距離などの毛細管の形状パラメータに大きく依存します。この記事では、キャピラリの長さがシステムのパフォーマンスに与える影響に焦点を当てています。実験では長さの異なる 3 本のキャピラリーを使用しました。R152a のデータは、さまざまな長さの影響を評価するためにさまざまな条件下で検査されました。最大効率は、蒸発器温度 -12°C、キャピラリー長 3.65 m で達成されます。結果は、キャピラリの長さが 3.35 m および 3.96 m と比較して 3.65 m に増加すると、システムのパフォーマンスが向上することを示しています。したがって、キャピラリの長さが一定量増加すると、システムのパフォーマンスが向上します。実験結果を数値流体力学 (CFD) 解析の結果と比較しました。
冷蔵庫は断熱室を備えた冷凍機器であり、冷凍システムは断熱室で冷却効果を生み出すシステムです。冷却は、ある空間または物質から熱を除去し、その熱を別の空間または物質に伝達するプロセスとして定義されます。冷蔵庫は現在、周囲温度で腐敗する食品を保管するために広く使用されていますが、低温冷蔵庫では細菌の増殖やその他のプロセスによる腐敗がはるかに遅くなります。冷媒は、冷凍プロセスでヒートシンクまたは冷媒として使用される作動流体です。冷媒は低温低圧で蒸発することで熱を集め、高温高圧になると凝縮して熱を放出します。冷凍庫から熱が逃げて部屋が涼しくなったような気がします。冷却プロセスは、コンプレッサー、凝縮器、毛細管、蒸発器で構成されるシステム内で行われます。冷蔵庫は、この研究で使用される冷凍機器です。冷蔵庫は世界中で広く使用されており、家庭の必需品となっています。最新の冷蔵庫は動作効率が非常に優れていますが、システムを改善するための研究はまだ進行中です。R134a の主な欠点は、有毒であることは知られていないものの、地球温暖化係数 (GWP) が非常に高いことです。家庭用冷蔵庫用の R134a は、国連気候変動枠組条約の京都議定書に含まれています1,2。ただし、したがって、R134a の使用は大幅に削減される必要があります 3。環境、経済、健康の観点から、地球温暖化率の低い4冷媒を見つけることが重要です。いくつかの研究により、R152a が環境に優しい冷媒であることが証明されています。Mohanraj ら 5 は、家庭用冷蔵庫で R152a および炭化水素冷媒を使用する理論的可能性を調査しました。炭化水素は、単独の冷媒としては効果がないことがわかっています。R152a は、段階的に廃止された冷媒よりもエネルギー効率が高く、環境に優しいものです。ボラジ 他6．環境に優しい 3 種類の HFC 冷媒の性能を蒸気圧縮冷凍機で比較しました。彼らは、R152a は蒸気圧縮システムで使用でき、R134a を置き換えることができると結論付けました。R32 には、高電圧や低い成績係数 (COP) などの欠点があります。ボラジら。7 社は、家庭用冷蔵庫の R134a の代替品として R152a と R32 をテストしました。研究によると、R152a の平均効率は R134a より 4.7% 高いです。カベロら。密閉型コンプレッサーを備えた冷凍装置で R152a および R134a をテストしました。8. Bolaji et al9 は、冷凍システムで R152a 冷媒をテストしました。彼らは、R152a が最もエネルギー効率が高く、以前の R134a よりも 1 トン当たりの冷却能力が 10.6% 低いと結論付けました。R152a は、より高い体積冷却能力と効率を示します。Chavhan et al.10 は、R134a と R152a の特性を分析しました。2 つの冷媒の研究では、R152a が最もエネルギー効率が高いことがわかりました。R152a は R134a よりも効率が 3.769% 高く、直接の代替品として使用できます。Bolaji ら 11 は、地球温暖化係数が低いため、冷凍システムにおける R134a の代替品としてさまざまな低 GWP 冷媒を研究しました。評価した冷媒の中で、R152a は最も高いエネルギー性能を備えており、R134a と比較して冷蔵 1 トンあたりの電力消費量を 30.5% 削減します。著者によれば、R161 を代替品として使用するには、完全に再設計する必要があるとのことです。将来の冷凍システムの代替品として、低 GWP および R134a ブレンド冷媒システムの性能を向上させるために、多くの国内の冷凍研究者によってさまざまな実験研究が行われてきました。 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 は、いくつかの環境に優しい冷媒の性能と、それらの冷媒の潜在的な代替品としての R134a との組み合わせを研究しました。各種蒸気圧縮試験。システム。ティワリら。36 人は実験と CFD 解析を使用して、さまざまな冷媒とチューブ直径の毛細管の性能を比較しました。分析には ANSYS CFX ソフトウェアを使用します。最適なヘリカルコイル設計をお勧めします。Punia et al.16 は、スパイラル コイルを通る LPG 冷媒の質量流量に対する毛細管の長さ、直径、コイル直径の影響を調査しました。研究結果によれば、キャピラリの長さを4.5～2.5mの範囲で調整することで質量流量を平均25%増加させることができます。Söylemez ら 16 は、3 つの異なる乱流 (粘性) モデルを使用して家庭用冷蔵庫の鮮度コンパートメント (DR) の CFD 解析を実行し、鮮度コンパートメントの冷却速度と、積載中の空気とコンパートメントの温度分布についての洞察を得ました。開発された CFD モデルの予測は、FFC 内の空気の流れと温度フィールドを明確に示しています。
この記事では、環境に優しく、オゾン層破壊係数 (ODP) のリスクがない R152a 冷媒を使用した家庭用冷蔵庫の性能を評価するためのパイロット研究の結果について説明します。
この研究では、3.35 m、3.65 m、および 3.96 m の毛細管がテストサイトとして選択されました。次に、地球温暖化の低い R152a 冷媒を使用して実験が実行され、動作パラメータが計算されました。キャピラリー内の冷媒の挙動も CFD ソフトウェアを使用して解析しました。CFD の結果を実験結果と比較しました。
図 1 に示すように、研究に使用された 185 リットルの家庭用冷蔵庫の写真をご覧ください。それは蒸発器、密閉型往復コンプレッサー、空冷凝縮器で構成されます。コンプレッサー入口、凝縮器入口、蒸発器出口に 4 つの圧力計が取り付けられています。試験中の振動を防ぐために、これらのメーターはパネルに取り付けられています。熱電対の温度を読み取るには、すべての熱電対ワイヤを熱電対スキャナに接続します。蒸発器入口、コンプレッサー吸入、コンプレッサー吐出、冷蔵室と入口、凝縮器入口、冷凍室と凝縮器出口に10個の温度測定装置が設置されています。電圧と電流の消費量も報告されます。パイプ部に接続された流量計は木の板に固定されています。記録は、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI) ユニットを使用して 10 秒ごとに保存されます。サイトグラスは、凝縮水の流れの均一性をチェックするために使用されます。
入力電圧 100 ～ 500 V の Selec MFM384 電流計を使用して、電力とエネルギーを定量化しました。冷媒の充填および再充填のために、システムサービスポートがコンプレッサーの上部に取り付けられています。最初のステップは、サービスポートを通じてシステムから湿気を排出することです。システムから汚染物を除去するには、窒素でフラッシュします。システムは真空ポンプを使用して充填され、ユニットを -30 mmHg の圧力まで排気します。表 1 に家庭用冷蔵庫試験装置の特性を示し、表 2 に測定値とその範囲および精度を示します。
家庭用冷蔵庫・冷凍庫に使用されている冷媒の特性を表3に示します。
テストは、ASHRAE ハンドブック 2010 の推奨に従って、次の条件で実施されました。
さらに、念のため、結果の再現性を確認するためにチェックが行われました。動作条件が安定している限り、温度、圧力、冷媒流量、エネルギー消費量が記録されます。システムのパフォーマンスを決定するために、温度、圧力、エネルギー、電力、流量が測定されます。特定の温度での比質量流量と電力に対する冷却効果と効率を求めます。
CFD を使用して家庭用冷蔵庫のスパイラル コイル内の二相流を解析すると、毛細管の長さの影響を簡単に計算できます。CFD 解析により、流体粒子の動きを簡単に追跡できます。スパイラルコイルの内部を通過する冷媒は、CFD FLUENT プログラムを使用して分析されました。表 4 にキャピラリ コイルの寸法を示します。
FLUENT ソフトウェア メッシュ シミュレーターは、構造設計モデルとメッシュを生成します (図 2、3、4 は ANSYS Fluent バージョンを示しています)。パイプの流体ボリュームは、境界メッシュの作成に使用されます。これが今回の研究に使用したグリッドです。
CFD モデルは、ANSYS FLUENT プラットフォームを使用して開発されました。移動する流体の世界のみが表現されているため、各毛細管の蛇行の流れは毛細管の直径に基づいてモデル化されます。
GEOMETRY モデルが ANSYS MESH プログラムにインポートされました。ANSYS は、モデルと追加された境界条件を組み合わせたコードを作成します。図上。図 4 は、ANSYS FLUENT のパイプ 3 (3962.4 mm) モデルを示しています。図 5 に示すように、四面体要素は均一性を高めます。メイン メッシュを作成した後、ファイルはメッシュとして保存されます。コイルの側面は入口と呼ばれ、反対側は出口に面しています。これらの丸い面はパイプの壁として保存されます。液体メディアはモデルの構築に使用されます。
ユーザーが圧力についてどのように感じるかに関係なく、ソリューションが選択され、3D オプションが選択されました。発電式が発動しました。
流れがカオスであるとみなされる場合、その流れは非常に非線形になります。したがって、K-ε フローが選択されました。
ユーザー指定の代替が選択された場合、環境は次のようになります。 R152a 冷媒の熱力学特性について説明します。フォーム属性はデータベース オブジェクトとして保存されます。
気象条件は変わりません。入口速度が決定され、圧力は 12.5 bar、温度は 45 °C であると記載されました。
最後に、15 回目の反復で解がテストされ、図 7 に示すように 15 回目の反復で収束します。
結果をマッピングして分析する方法です。Monitor を使用して圧力と温度のデータ ループをプロットします。その後、全圧力と温度、および一般的な温度パラメーターが決定されます。このデータは、それぞれ図 1 と図 2、図 7、図 8、および図 9 のコイル (1、2、および 3) にわたる合計圧力降下を示しています。これらの結果は暴走プログラムから抽出されたものです。
図上。図１０は、蒸発および毛細管の長さが異なる場合の効率の変化を示す。見てわかるように、蒸発温度が上昇すると効率が向上します。最高効率と最低効率は、毛細管スパンが 3.65 m および 3.96 m に達したときに得られました。キャピラリの長さがある程度長くなると効率が低下します。
蒸発温度と毛細管の長さのレベルの違いによる冷却能力の変化を図に示します。11. 毛細管効果により冷却能力が低下します。最小冷却能力は沸点 -16°C で達成されます。最大の冷却能力は、長さ約 3.65 m、温度 -12°C の毛細管で観察されます。
図上。図１２は、キャピラリーの長さと蒸発温度に対するコンプレッサー出力の依存性を示している。さらに、グラフは、キャピラリーの長さが長くなり、蒸発温度が低下すると、出力が低下することを示しています。-16 °C の蒸発温度では、キャピラリの長さが 3.96 m の場合、より低いコンプレッサー出力が得られます。
既存の実験データを使用して CFD 結果を検証しました。このテストでは、実験シミュレーションに使用された入力パラメーターが CFD シミュレーションに適用されます。得られた結果を静圧の値と比較します。得られた結果は、キャピラリーからの出口の静圧がチューブの入口よりも低いことを示しています。テスト結果は、キャピラリーの長さを一定の限界まで長くすると、圧力降下が減少することを示しています。さらに、キャピラリの入口と出口の間の静圧降下が減少するため、冷凍システムの効率が向上します。得られた CFD 結果は既存の実験結果とよく一致しました。テスト結果を図 1 および 2、13、14、15、16 に示します。この研究では、異なる長さの 3 本のキャピラリーを使用しました。チューブの長さは3.35m、3.65m、3.96mです。チューブの長さが 3.35m に変更されると、キャピラリーの入口と出口の間の静圧降下が増加することが観察されました。また、キャピラリ内の出口圧力は、パイプ サイズが 3.35 m になると増加することに注意してください。
さらに、キャピラリの入口と出口の間の圧力損失は、パイプのサイズが 3.35 m から 3.65 m に増加するにつれて減少します。キャピラリーの出口の圧力が出口で急激に低下することが観察されました。このため、このキャピラリー長さにより効率が向上します。さらに、パイプの長さを 3.65 から 3.96 m に長くすると、圧力損失が再び減少します。この長さを超えると、圧力降下が最適レベルを下回ることが観察されています。これにより冷蔵庫のCOPが低下します。したがって、静圧ループは、3.65 m のキャピラリーが冷蔵庫内で最高の性能を発揮することを示しています。さらに、圧力損失の増加により、エネルギー消費が増加します。
実験結果から、R152a冷媒の冷却能力は配管長が長くなると低下することがわかります。最初のコイルの冷却能力は最も高く (-12°C)、3 番目のコイルの冷却能力は最も低い (-16°C) です。最大効率は、蒸発器温度 -12 °C、キャピラリー長 3.65 m で達成されます。キャピラリーの長さが長くなると、コンプレッサーの出力が低下します。コンプレッサーの入力電力は蒸発器温度 -12 °C で最大となり、-16 °C で最小になります。キャピラリーの長さについて CFD と下流圧力の測定値を比較します。どちらの場合でも状況は同じであることがわかります。結果は、キャピラリの長さが 3.35 m および 3.96 m と比較して 3.65 m に増加すると、システムのパフォーマンスが向上することを示しています。したがって、キャピラリの長さが一定量増加すると、システムのパフォーマンスが向上します。
CFD を火力発電所や発電所に適用すると、熱解析操作のダイナミクスと物理学についての理解が深まりますが、限界があるため、より高速で、よりシンプルで、より安価な CFD 手法の開発が必要です。これは、既存の機器の最適化と設計に役立ちます。CFD ソフトウェアの進歩により、設計と最適化の自動化が可能になり、インターネット経由で CFD を作成できるようになり、テクノロジーの可用性が高まります。これらすべての進歩は、CFD が成熟した分野となり、強力なエンジニアリング ツールになるのに役立ちます。したがって、熱工学における CFD の応用は今後さらに広範囲かつ迅速になるでしょう。
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投稿日時: 2023 年 1 月 14 日