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주택 난방 및 냉방 시스템은 종종 모세관 장치를 사용합니다.나선형 모세관을 사용하면 시스템에 경량 냉동 장비가 필요하지 않습니다.모세관 압력은 길이, 평균 직경 및 모세관 사이의 거리와 같은 모세관 형상의 매개변수에 따라 크게 달라집니다.이 기사에서는 모세관 길이가 시스템 성능에 미치는 영향에 중점을 둡니다.실험에는 길이가 다른 세 개의 모세관이 사용되었습니다.R152a에 대한 데이터는 다양한 길이의 효과를 평가하기 위해 다양한 조건에서 조사되었습니다.최대 효율은 증발기 온도 -12°C 및 모세관 길이 3.65m에서 달성됩니다.결과는 3.35m 및 3.96m에 비해 모세관 길이가 3.65m로 증가함에 따라 시스템 성능이 증가한다는 것을 보여줍니다.따라서 모세관의 길이가 일정량 증가하면 시스템의 성능이 향상됩니다.실험 결과를 전산유체역학(CFD) 해석 결과와 비교하였다.
냉장고는 단열된 구획을 포함하는 냉동 기기이고, 냉동 시스템은 단열된 구획에 냉각 효과를 생성하는 시스템입니다.냉각이란 한 공간이나 물질에서 열을 제거하고 그 열을 다른 공간이나 물질로 전달하는 과정으로 정의됩니다.냉장고는 이제 주변 온도에서 부패하는 식품을 저장하는 데 널리 사용되며, 박테리아 성장 및 기타 과정으로 인한 부패는 저온 냉장고에서 훨씬 느립니다.냉매는 냉동 공정에서 방열판이나 냉매로 사용되는 작동 유체입니다.냉매는 낮은 온도와 압력에서 증발하여 열을 모았다가 더 높은 온도와 압력에서 응축되어 열을 방출합니다.냉동실의 열기가 빠져나가면서 방이 점점 더 시원해지는 것 같습니다.냉각 과정은 압축기, 응축기, 모세관 및 증발기로 구성된 시스템에서 이루어집니다.본 연구에서 사용된 냉동기기는 냉장고이다.냉장고는 전 세계적으로 널리 사용되고 있으며, 냉장고는 가정의 필수품이 되었습니다.현대의 냉장고는 작동 효율이 매우 높지만, 시스템을 개선하기 위한 연구가 여전히 진행 중입니다.R134a의 가장 큰 단점은 독성이 없는 것으로 알려져 있지만 지구 온난화 지수(GWP)가 매우 높다는 것입니다.가정용 냉장고용 R134a는 유엔 기후 변화 협약의 교토 의정서에 포함되었습니다1,2.그러나 따라서 R134a의 사용은 크게 줄여야 합니다3.환경적, 재정적, 건강적 관점에서 지구 온난화4가 낮은 냉매를 찾는 것이 중요합니다.여러 연구를 통해 R152a가 환경 친화적인 냉매라는 것이 입증되었습니다.Mohanraj 등5은 가정용 냉장고에 R152a와 탄화수소 냉매를 사용할 수 있는 이론적 가능성을 조사했습니다.탄화수소는 독립형 냉매로는 효과가 없는 것으로 밝혀졌습니다.R152a는 단계적으로 폐지되는 냉매보다 에너지 효율적이고 환경 친화적입니다.보라지외.6.세 가지 친환경 HFC 냉매의 성능을 증기 압축 냉장고에서 비교했습니다.그들은 R152a가 증기 압축 시스템에 사용될 수 있고 R134a를 대체할 수 있다는 결론을 내렸습니다.R32는 전압이 높고 성능계수(COP)가 낮다는 단점이 있습니다.Bolajiet al.7은 가정용 냉장고의 R134a 대신 R152a와 R32를 테스트했습니다.연구에 따르면 R152a의 평균 효율은 R134a보다 4.7% 더 높습니다.Cabelloet al.밀폐형 압축기가 장착된 냉동 장비에서 R152a 및 R134a를 테스트했습니다.8. Bolaji 등9은 냉동 시스템의 R152a 냉매를 테스트했습니다.그들은 R152a가 이전 R134a보다 톤당 냉각 용량이 10.6% 적어 에너지 효율이 가장 높다는 결론을 내렸습니다.R152a는 더 높은 체적 냉각 용량과 효율성을 보여줍니다.Chavhan et al.10은 R134a와 R152a의 특성을 분석했다.두 가지 냉매에 대한 연구에서 R152a가 가장 에너지 효율적인 것으로 밝혀졌습니다.R152a는 R134a보다 3.769% 더 효율적이며 직접 대체품으로 사용할 수 있습니다.Bolaji 등11은 낮은 지구 온난화 지수로 인해 냉동 시스템의 R134a를 대체할 다양한 저GWP 냉매를 조사했습니다.평가된 냉매 중 R152a는 에너지 성능이 가장 뛰어나 R134a에 비해 냉동기 1톤당 전력 소비를 30.5% 줄였습니다.저자에 따르면 R161을 대체품으로 사용하려면 먼저 완전히 재설계해야 합니다.향후 냉동시스템을 대체할 저GWP 및 R134a 혼합냉매 시스템의 성능을 향상시키기 위해 많은 국내 냉동연구자들에 의해 다양한 실험작업이 수행되어 왔다12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran 등은 여러 가지 환경 친화적인 냉매의 성능과 R134a와의 조합을 잠재적인 대안으로 연구했습니다. 다양한 증기 압축 테스트.체계.Tiwariet al.36은 실험과 CFD 분석을 사용하여 냉매와 튜브 직경이 다른 모세관의 성능을 비교했습니다.분석에는 ANSYS CFX 소프트웨어를 사용하십시오.최고의 나선형 코일 디자인을 권장합니다.Punia 등16은 나선형 코일을 통한 LPG 냉매의 질량 흐름에 대한 모세관 길이, 직경 및 코일 직경의 영향을 조사했습니다.연구 결과에 따르면 모세관 길이를 4.5~2.5m 범위로 조정하면 질량 흐름을 평균 25% 증가시킬 수 있습니다.Söylemez et al.16은 신선함 칸의 냉각 속도와 적재 중 공기 및 칸의 온도 분포에 대한 통찰력을 얻기 위해 세 가지 다른 난류(점성) 모델을 사용하여 가정용 냉장고 신선도 칸(DR)에 대한 CFD 해석을 수행했습니다.개발된 CFD 모델의 예측은 FFC 내부의 공기 흐름과 온도장을 명확하게 보여줍니다.
이 기사에서는 환경 친화적이고 오존층 파괴 지수(ODP) 위험이 없는 R152a 냉매를 사용하는 가정용 냉장고의 성능을 확인하기 위한 파일럿 연구 결과를 논의합니다.
본 연구에서는 3.35m, 3.65m 및 3.96m 모세관을 테스트 사이트로 선택했습니다.그런 다음 지구 온난화가 낮은 R152a 냉매를 사용하여 실험을 수행하고 작동 매개변수를 계산했습니다.모세관 내 냉매의 거동도 CFD 소프트웨어를 사용하여 분석되었습니다.CFD 결과를 실험 결과와 비교했습니다.
그림 1과 같이 연구에 사용된 185리터 가정용 냉장고의 사진을 볼 수 있다.이는 증발기, 밀폐형 왕복 압축기 및 공냉식 응축기로 구성됩니다.압축기 입구, 응축기 입구, 증발기 출구에 4개의 압력 게이지가 설치됩니다.테스트 중 진동을 방지하기 위해 이 미터는 패널에 장착됩니다.열전대 온도를 읽으려면 모든 열전대 와이어를 열전대 스캐너에 연결해야 합니다.증발기 입구, 압축기 흡입, 압축기 토출, 냉장실 및 입구, 응축기 입구, 냉동실 및 응축기 출구에 10개의 온도 측정 장치가 설치됩니다.전압 및 전류 소비도 보고됩니다.파이프 부분에 연결된 유량계가 나무 판 위에 고정되어 있습니다.녹음 내용은 HMI(Human Machine Interface) 장치를 사용하여 10초마다 저장됩니다.투시창은 응축수 흐름의 균일성을 확인하는 데 사용됩니다.
입력 전압이 100-500V인 Selec MFM384 전류계를 사용하여 전력과 에너지를 정량화했습니다.압축기 상단에는 냉매 충전 및 재충전을 위한 시스템 서비스 포트가 설치되어 있습니다.첫 번째 단계는 서비스 포트를 통해 시스템의 습기를 배출하는 것입니다.시스템에서 오염 물질을 제거하려면 질소로 세척하십시오.시스템은 장치를 -30mmHg의 압력으로 진공시키는 진공 펌프를 사용하여 충전됩니다.Table 1은 국내 냉장고 테스트 장비의 특성을 나열하고, Table 2는 측정값과 그 범위, 정확도를 나열한다.
가정용 냉장고 및 냉동고에 사용되는 냉매의 특성은 표 3과 같다.
테스트는 ASHRAE Handbook 2010의 권장 사항에 따라 다음 조건에서 수행되었습니다.
또한 만약을 대비해 결과의 재현성을 보장하기 위한 점검도 실시했습니다.작동 조건이 안정적으로 유지되는 한 온도, 압력, 냉매 흐름 및 에너지 소비가 기록됩니다.온도, 압력, 에너지, 전력 및 흐름을 측정하여 시스템 성능을 결정합니다.주어진 온도에서 특정 질량 흐름과 전력에 대한 냉각 효과와 효율성을 찾아보세요.
CFD를 사용하여 가정용 냉장고 나선형 코일의 2상 유동을 해석하면 모세관 길이의 영향을 쉽게 계산할 수 있습니다.CFD 분석을 사용하면 유체 입자의 움직임을 쉽게 추적할 수 있습니다.나선형 코일 내부를 통과하는 냉매는 CFD FLUENT 프로그램을 이용하여 해석되었습니다.표 4는 모세관 코일의 치수를 보여줍니다.
FLUENT 소프트웨어 메쉬 시뮬레이터는 구조 설계 모델과 메쉬를 생성합니다(그림 2, 3, 4는 ANSYS Fluent 버전을 보여줍니다).파이프의 유체 체적은 경계 메쉬를 생성하는 데 사용됩니다.이번 연구에 사용된 그리드입니다.
CFD 모델은 ANSYS FLUENT 플랫폼을 사용하여 개발되었습니다.움직이는 유체 우주만 표현되므로 각 모세관 구불구불한 흐름은 모세관의 직경을 기준으로 모델링됩니다.
GEOMETRY 모델을 ANSYS MESH 프로그램으로 가져왔습니다.ANSYS는 ANSYS가 모델과 추가된 경계 조건의 조합인 코드를 작성합니다.그림에.그림 4는 ANSYS FLUENT의 Pipe-3(3962.4mm) 모델을 보여줍니다.사면체 요소는 그림 5와 같이 더 높은 균일성을 제공합니다. 메인 메쉬를 생성한 후 파일은 메쉬로 저장됩니다.코일의 측면을 입구라고 하고 반대쪽을 출구라고 합니다.이 둥근 면은 파이프 벽으로 저장됩니다.액체 매체는 모델을 만드는 데 사용됩니다.
사용자가 압박감을 어떻게 느끼는지에 관계없이 솔루션이 선택되고 3D 옵션이 선택되었습니다.발전 공식이 활성화되었습니다.
흐름이 혼란스러운 것으로 간주되면 매우 비선형적입니다.따라서 K-epsilon 흐름이 선택되었습니다.
사용자가 지정한 대안을 선택하면 환경은 다음과 같습니다. R152a 냉매의 열역학적 특성을 설명합니다.양식 속성은 데이터베이스 개체로 저장됩니다.
기상 조건은 변함이 없습니다.입구 속도가 결정되었으며, 압력은 12.5bar, 온도는 45°C로 설명되었습니다.
마지막으로 15번째 반복에서 솔루션이 테스트되고 그림 7과 같이 15번째 반복에서 수렴됩니다.
결과를 매핑하고 분석하는 방법입니다.모니터를 사용하여 압력 및 온도 데이터 루프를 플롯합니다.그 후 전체 압력과 온도, 일반 온도 매개변수가 결정됩니다.이 데이터는 그림 1과 2, 각각 7, 8, 9에서 코일(1, 2, 3)에 걸친 총 압력 강하를 보여줍니다.이 결과는 런어웨이 프로그램에서 추출되었습니다.
그림에.도 10은 증발 및 모세관의 다양한 길이에 대한 효율의 변화를 보여줍니다.볼 수 있듯이 증발 온도가 증가함에 따라 효율이 증가합니다.3.65m 및 3.96m의 모세관 범위에 도달할 때 최고 및 최저 효율이 얻어졌습니다.모세관의 길이가 일정량 증가하면 효율이 감소합니다.
증발 온도와 모세관 길이의 차이로 인한 냉각 용량의 변화가 그림에 나와 있습니다.11. 모세관 효과로 인해 냉각 용량이 감소합니다.최소 냉각 용량은 끓는점 -16°C에서 달성됩니다.가장 큰 냉각 용량은 길이가 약 3.65m이고 온도가 -12°C인 모세관에서 관찰됩니다.
그림에.그림 12는 모세관 길이와 증발 온도에 대한 압축기 전력의 의존성을 보여줍니다.또한, 그래프는 모세관 길이가 증가하고 증발 온도가 감소함에 따라 전력이 감소함을 보여줍니다.-16°C의 증발 온도에서 3.96m의 모세관 길이로 더 낮은 압축기 출력을 얻을 수 있습니다.
기존 실험 데이터를 사용하여 CFD 결과를 검증했습니다.본 테스트에서는 실험 시뮬레이션에 사용된 입력 매개변수를 CFD 시뮬레이션에 적용합니다.얻은 결과를 정압 값과 비교합니다.얻은 결과는 모세관 출구의 정압이 튜브 입구의 정압보다 낮다는 것을 보여줍니다.테스트 결과는 모세관의 길이를 특정 한계까지 늘리면 압력 강하가 감소한다는 것을 보여줍니다.또한 모세관 입구와 출구 사이의 정압 강하가 감소하여 냉동 시스템의 효율성이 향상됩니다.얻은 CFD 결과는 기존 실험 결과와 잘 일치합니다.테스트 결과는 그림 1과 2에 나와 있습니다. 13, 14, 15 및 16. 이 연구에서는 길이가 다른 3개의 모세관을 사용했습니다.튜브 길이는 3.35m, 3.65m, 3.96m입니다.튜브 길이를 3.35m로 변경하면 모세관 입구와 출구 사이의 정압 강하가 증가하는 것으로 관찰되었습니다.또한 모세관의 출구 압력은 파이프 크기가 3.35m일 때 증가합니다.
또한, 파이프 크기가 3.35m에서 3.65m로 증가함에 따라 모세관 입구와 출구 사이의 압력 강하는 감소합니다.모세관 출구의 압력이 출구에서 급격히 떨어지는 것이 관찰되었습니다.이러한 이유로 모세관 길이에 따라 효율성이 증가합니다.또한 파이프 길이를 3.65m에서 3.96m로 다시 늘리면 압력 강하가 줄어듭니다.이 길이에 걸쳐 압력 강하가 최적 수준 아래로 떨어지는 것으로 관찰되었습니다.이는 냉장고의 COP를 감소시킵니다.따라서 정압 루프는 3.65m 모세관이 냉장고에서 최고의 성능을 제공한다는 것을 보여줍니다.또한, 압력 강하의 증가는 에너지 소비를 증가시킵니다.
실험 결과로부터 R152a 냉매의 냉각능력은 배관길이가 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.첫 번째 코일의 냉각 용량이 가장 높으며(-12°C), 세 번째 코일의 냉각 용량이 가장 낮습니다(-16°C).최대 효율은 증발기 온도 -12°C 및 모세관 길이 3.65m에서 달성됩니다.모세관 길이가 증가하면 압축기 출력이 감소합니다.압축기 전력 입력은 증발기 온도 -12°C에서 최대이고 -16°C에서 최소입니다.모세관 길이에 대한 CFD 및 하류 압력 판독값을 비교합니다.두 경우 모두 상황은 동일함을 알 수 있다.결과는 모세관의 길이가 3.35m와 3.96m에 비해 3.65m로 증가함에 따라 시스템의 성능이 향상되는 것을 보여줍니다.따라서 모세관의 길이가 일정량 증가하면 시스템의 성능이 향상됩니다.
화력 및 발전소에 CFD를 적용하면 열 해석 작업의 역학 및 물리학에 대한 이해가 향상되지만 한계로 인해 더 빠르고 간단하며 저렴한 CFD 방법을 개발해야 합니다.이는 기존 장비를 최적화하고 설계하는 데 도움이 될 것입니다.CFD 소프트웨어의 발전으로 자동화된 설계 및 최적화가 가능해졌으며 인터넷을 통한 CFD 생성으로 기술 가용성이 높아졌습니다.이러한 모든 발전은 CFD가 성숙한 분야이자 강력한 엔지니어링 도구가 되는 데 도움이 될 것입니다.따라서 열공학에 CFD를 적용하는 것은 앞으로 더욱 광범위해지고 빨라질 것입니다.
Tasi, WT 환경 위험 및 수소화불화탄소(HFC) 노출 및 폭발 위험 검토.J. Chemosphere 61, 1539-1547.https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2005.03.084 (2005).
Johnson, E. HFC로 인한 지구 온난화.수요일.영향 평가.18, 485-492를 엽니다.https://doi.org/10.1016/S0195-9255(98)00020-1 (1998).
Mohanraj M, Jayaraj S 및 Muralidharan S. 가정용 냉장고의 R134a 냉매에 대한 환경 친화적인 대안에 대한 비교 평가.에너지 효율.1(3), 189-198.https://doi.org/10.1007/s12053-008-9012-z (2008).
Bolaji BO, Akintunde MA 및 Falade, 증기 압축 냉장고에 사용되는 세 가지 오존 친화적 HFC 냉매의 성능 비교 분석.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1231 (2011).
Bolaji BO 가정용 냉장고의 R134a 대체품인 R152a 및 R32에 대한 실험적 연구.에너지 35(9), 3793-3798.https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.05.031 (2010).
Cabello R., Sanchez D., Llopis R., Arauzo I. 및 Torrella E. 밀폐형 압축기가 장착된 냉동 장치의 R152a 및 R134a 냉매에 대한 실험적 비교.내부 J. 냉장고.60, 92–105.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.06.021 (2015).
Bolaji BO, Juan Z. 및 Borokhinni FO 증기 압축 냉동 시스템에서 R134a를 대체하는 친환경 냉매 R152a 및 R600a의 에너지 효율.http://repository.fuoye.edu.ng/handle/123456789/1271 (2014).
Chavkhan, SP 및 Mahajan, PS 증기 압축 냉동 시스템에서 R134a를 대체하는 R152a의 효율성에 대한 실험적 평가.내부 J. 국방부.프로젝트.저장 창고.5, 37–47 (2015).
Bolaji, BO 및 Huang, Z. 냉동 시스템에서 R134a를 대체하는 일부 저 지구 온난화 하이드로플루오로카본 냉매의 효과에 대한 연구.J. 잉.열물리학자.23(2), 148-157.https://doi.org/10.1134/S1810232814020076 (2014).
Hashir SM, Srinivas K. 및 Bala PK Energy는 가정용 냉장고의 HFC-134a를 직접 대체할 수 있는 HFC-152a, HFO-1234yf 및 HFC/HFO 혼합물에 대한 분석을 실시했습니다.Strojnicky Casopis J. Mech.프로젝트.71(1), 107-120.https://doi.org/10.2478/scjme-2021-0009 (2021).
Logeshwaran, S. 및 Chandrasekaran, P. 고정형 가정용 냉장고의 자연 대류 열 전달에 대한 CFD 분석.IOP 세션.TV 시리즈 모교.과학.프로젝트.1130(1), 012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1130/1/012014 (2021).
Aprea, C., Greco, A. 및 Maiorino, A. HFO 및 가정용 냉장고의 냉매로서 HFC134a와 이진 혼합물: 에너지 분석 및 환경 영향 평가.온도를 적용합니다.프로젝트.141, 226-233.https://doi.org/10.1016/j.appltheraleng.2018.02.072 (2018).
Wang, H., Zhao, L., Cao, R. 및 Zeng, W. 온실 가스 배출 감소 제약 하에서 냉매 교체 및 최적화.J. 퓨어.제품.296, 126580. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.126580 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A. 및 Hartomagioglu S. CFD 분석을 사용하여 열전 냉각 시스템을 갖춘 가정용 냉장고의 냉각 시간 예측.내부 J. 냉장고.123, 138-149.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.11.012 (2021).
Missowi, S., Driss, Z., Slama, RB 및 Chahuachi, B. 가정용 냉장고 및 온수기용 나선형 코일 열교환기의 실험 및 수치 분석.내부 J. 냉장고.133, 276-288.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2021.10.015 (2022).
Sánchez D., Andreu-Naher A., Calleja-Anta D., Llopis R. 및 Cabello R. 음료 냉각기의 저 GWP R134a 냉매에 대한 다양한 대안의 에너지 영향 평가.순수 냉매 R152a, R1234yf, R290, R1270, R600a 및 R744의 실험 분석 및 최적화.에너지 전환.지배하기 위해.256, 115388. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115388 (2022).
Boricar, SA 등.가정용 냉장고의 에너지소비에 대한 실험적, 통계적 분석에 관한 사례연구.주제 연구.온도.프로젝트.28, 101636. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101636 (2021).
Soilemez E., Alpman E., Onat A., Yukselentürk Y. 및 Hartomagioglu S. Numerical(CFD) 및 열전 및 증기 압축 냉각 시스템을 통합한 하이브리드 가정용 냉장고의 실험 분석.내부 J. 냉장고.99, 300-315.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.01.007 (2019).
Majorino, A.et al.가정용 냉장고의 R-134a 대체 냉매인 R-152a: 실험적 분석.내부 J. 냉장고.96, 106-116.https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2018.09.020 (2018).
Aprea C., Greco A., Maiorino A. 및 Masselli C. 가정용 냉장고의 HFC134a 및 HFO1234ze 혼합물.내부 J. 핫.과학.127, 117-125.https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.01.026 (2018).
Bascaran, A. 및 Koshy Matthews, P. 지구 온난화 지수가 낮은 환경 친화적인 냉매를 사용하는 증기 압축 냉동 시스템의 성능 비교.내부 J. 과학.저장 창고.풀어 주다.2(9), 1-8(2012).
Bascaran, A. 및 Cauchy-Matthews, P. R152a 및 그 혼합물 R429A, R430A, R431A 및 R435A를 사용한 증기 압축 냉동 시스템의 열 분석.내부 J. 과학.프로젝트.저장 창고.3(10), 1-8(2012).
게시 시간: 2023년 1월 14일