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Les systèmes de chauffage et de climatisation domestiques utilisent souvent des appareils capillaires.L'utilisation de capillaires en spirale élimine le besoin d'équipement de réfrigération léger dans le système.La pression capillaire dépend en grande partie des paramètres de la géométrie capillaire, tels que la longueur, le diamètre moyen et la distance qui les sépare.Cet article se concentre sur l'effet de la longueur du capillaire sur les performances du système.Trois capillaires de longueurs différentes ont été utilisés dans les expériences.Les données pour le R152a ont été examinées dans différentes conditions pour évaluer l'effet de différentes longueurs.L'efficacité maximale est atteinte à une température d'évaporateur de -12°C et une longueur de capillaire de 3,65 m.Les résultats montrent que les performances du système augmentent avec l'augmentation de la longueur du capillaire jusqu'à 3,65 m contre 3,35 m et 3,96 m.Par conséquent, lorsque la longueur du capillaire augmente d’un certain montant, les performances du système augmentent.Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de l’analyse de la dynamique des fluides computationnelle (CFD).
Un réfrigérateur est un appareil de réfrigération qui comprend un compartiment isolé, et un système de réfrigération est un système qui crée un effet de refroidissement dans un compartiment isolé.Le refroidissement est défini comme le processus consistant à éliminer la chaleur d'un espace ou d'une substance et à transférer cette chaleur vers un autre espace ou une autre substance.Les réfrigérateurs sont désormais largement utilisés pour conserver les aliments qui se détériorent à température ambiante. La détérioration due à la croissance bactérienne et à d'autres processus est beaucoup plus lente dans les réfrigérateurs à basse température.Les réfrigérants sont des fluides de travail utilisés comme dissipateurs thermiques ou réfrigérants dans les processus de réfrigération.Les réfrigérants collectent la chaleur en s’évaporant à basse température et pression, puis se condensent à température et pression plus élevées, libérant ainsi de la chaleur.La pièce semble devenir plus fraîche à mesure que la chaleur s’échappe du congélateur.Le processus de refroidissement s'effectue dans un système composé d'un compresseur, d'un condenseur, de tubes capillaires et d'un évaporateur.Les réfrigérateurs sont l'équipement de réfrigération utilisé dans cette étude.Les réfrigérateurs sont largement utilisés dans le monde entier et cet appareil est devenu une nécessité domestique.Les réfrigérateurs modernes fonctionnent très efficacement, mais les recherches visant à améliorer le système sont toujours en cours.Le principal inconvénient du R134a est qu’il n’est pas connu pour être toxique mais qu’il présente un potentiel de réchauffement global (PRG) très élevé.Le R134a pour les réfrigérateurs domestiques a été inclus dans le protocole de Kyoto de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques1,2.L’utilisation du R134a devrait donc être considérablement réduite3.D’un point de vue environnemental, financier et sanitaire, il est important de trouver des réfrigérants à faible réchauffement climatique4.Plusieurs études ont prouvé que le R152a est un réfrigérant respectueux de l'environnement.Mohanraj et al.5 ont étudié la possibilité théorique d'utiliser des réfrigérants R152a et hydrocarbures dans les réfrigérateurs domestiques.Les hydrocarbures se sont révélés inefficaces en tant que réfrigérants autonomes.Le R152a est plus économe en énergie et plus respectueux de l’environnement que les réfrigérants progressivement éliminés.Bolaji et autres.6.Les performances de trois réfrigérants HFC respectueux de l’environnement ont été comparées dans un réfrigérateur à compression de vapeur.Ils ont conclu que le R152a pourrait être utilisé dans les systèmes à compression de vapeur et pourrait remplacer le R134a.Le R32 présente des inconvénients tels qu'une haute tension et un faible coefficient de performance (COP).Bolaji et coll.7 ont testé le R152a et le R32 comme substituts du R134a dans les réfrigérateurs domestiques.Selon des études, l’efficacité moyenne du R152a est 4,7 % supérieure à celle du R134a.Cabello et coll.testé le R152a et le R134a dans des équipements de réfrigération avec compresseurs hermétiques.8. Bolaji et al9 ont testé le réfrigérant R152a dans les systèmes de réfrigération.Ils ont conclu que le R152a était le plus économe en énergie, avec une capacité de refroidissement par tonne inférieure de 10,6 % à celle du précédent R134a.Le R152a présente une capacité de refroidissement volumétrique et une efficacité plus élevées.Chavhan et al.10 ont analysé les caractéristiques du R134a et du R152a.Dans une étude portant sur deux réfrigérants, le R152a s’est révélé être le plus économe en énergie.Le R152a est 3,769 % plus efficace que le R134a et peut être utilisé en remplacement direct.Bolaji et al.11 ont étudié divers réfrigérants à faible PRG pour remplacer le R134a dans les systèmes de réfrigération en raison de leur faible potentiel de réchauffement climatique.Parmi les réfrigérants évalués, le R152a présente les performances énergétiques les plus élevées, réduisant la consommation électrique par tonne de réfrigération de 30,5 % par rapport au R134a.Selon les auteurs, le R161 doit être entièrement repensé avant de pouvoir être utilisé en remplacement.Divers travaux expérimentaux ont été menés par de nombreux chercheurs en réfrigération domestique pour améliorer les performances des systèmes réfrigérants à faible PRG et à mélange de R134a en tant que prochain remplacement dans les systèmes de réfrigération12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 ont étudié les performances de plusieurs réfrigérants respectueux de l'environnement et leur combinaison avec le R134a comme alternative potentielle pour divers essais de compression de vapeur.Système.Tiwari et coll.36 a utilisé des expériences et des analyses CFD pour comparer les performances de tubes capillaires avec différents réfrigérants et diamètres de tubes.Utilisez le logiciel ANSYS CFX pour l’analyse.La meilleure conception de bobine hélicoïdale est recommandée.Punia et al.16 ont étudié l'effet de la longueur, du diamètre et du diamètre du capillaire sur le débit massique de réfrigérant GPL à travers un serpentin en spirale.Selon les résultats de l'étude, le réglage de la longueur du capillaire dans la plage de 4,5 à 2,5 m permet d'augmenter le débit massique de 25 % en moyenne.Söylemez et al.16 ont effectué une analyse CFD d'un compartiment fraîcheur (DR) d'un réfrigérateur domestique en utilisant trois modèles turbulents (visqueux) différents pour mieux comprendre la vitesse de refroidissement du compartiment fraîcheur et la répartition de la température dans l'air et le compartiment pendant le chargement.Les prévisions du modèle CFD développé illustrent clairement les champs de débit d'air et de température à l'intérieur du FFC.
Cet article présente les résultats d'une étude pilote visant à déterminer les performances des réfrigérateurs domestiques utilisant le réfrigérant R152a, qui est respectueux de l'environnement et ne présente aucun risque de potentiel d'appauvrissement de la couche d'ozone (ODP).
Dans cette étude, des capillaires de 3,35 m, 3,65 m et 3,96 m ont été sélectionnés comme sites de test.Des expériences ont ensuite été réalisées avec le réfrigérant R152a à faible réchauffement climatique et les paramètres de fonctionnement ont été calculés.Le comportement du réfrigérant dans le capillaire a également été analysé à l'aide du logiciel CFD.Les résultats CFD ont été comparés aux résultats expérimentaux.
Comme le montre la figure 1, vous pouvez voir une photographie d'un réfrigérateur domestique de 185 litres utilisé pour l'étude.Il se compose d'un évaporateur, d'un compresseur hermétique à piston et d'un condenseur refroidi par air.Quatre manomètres sont installés à l'entrée du compresseur, à l'entrée du condenseur et à la sortie de l'évaporateur.Pour éviter les vibrations pendant les tests, ces compteurs sont montés sur panneau.Pour lire la température du thermocouple, tous les fils du thermocouple sont connectés à un scanner de thermocouple.Dix appareils de mesure de température sont installés à l'entrée de l'évaporateur, à l'aspiration du compresseur, à la sortie du compresseur, au compartiment et à l'entrée du réfrigérateur, à l'entrée du condenseur, au compartiment congélateur et à la sortie du condenseur.La consommation de tension et de courant est également signalée.Un débitmètre relié à un tronçon de canalisation est fixé sur une planche de bois.Les enregistrements sont sauvegardés toutes les 10 secondes à l’aide de l’unité Human Machine Interface (HMI).Le voyant permet de vérifier l'uniformité du débit de condensat.
Un ampèremètre Selec MFM384 avec une tension d'entrée de 100 à 500 V a été utilisé pour quantifier la puissance et l'énergie.Un port de service du système est installé au-dessus du compresseur pour charger et recharger le réfrigérant.La première étape consiste à évacuer l’humidité du système via le port de service.Pour éliminer toute contamination du système, rincez-le avec de l'azote.Le système est chargé à l'aide d'une pompe à vide qui évacue l'unité jusqu'à une pression de -30 mmHg.Le tableau 1 répertorie les caractéristiques du banc d'essai de réfrigérateur domestique et le tableau 2 répertorie les valeurs mesurées, ainsi que leur plage et leur précision.
Les caractéristiques des réfrigérants utilisés dans les réfrigérateurs et congélateurs domestiques sont présentées dans le tableau 3.
Les tests ont été réalisés conformément aux recommandations du ASHRAE Handbook 2010 dans les conditions suivantes :
De plus, au cas où, des contrôles ont été effectués pour garantir la reproductibilité des résultats.Tant que les conditions de fonctionnement restent stables, la température, la pression, le débit de réfrigérant et la consommation d'énergie sont enregistrés.La température, la pression, l'énergie, la puissance et le débit sont mesurés pour déterminer les performances du système.Recherchez l'effet et l'efficacité du refroidissement pour un débit massique et une puissance spécifiques à une température donnée.
En utilisant la CFD pour analyser l'écoulement diphasique dans un serpentin en spirale de réfrigérateur domestique, l'effet de la longueur capillaire peut être facilement calculé.L'analyse CFD facilite le suivi du mouvement des particules de fluide.Le réfrigérant traversant l'intérieur du serpentin en spirale a été analysé à l'aide du programme CFD FLUENT.Le tableau 4 montre les dimensions des bobines capillaires.
Le simulateur de maillage du logiciel FLUENT générera un modèle de conception structurelle et un maillage (les figures 2, 3 et 4 montrent la version ANSYS Fluent).Le volume de fluide du tuyau est utilisé pour créer le maillage limite.C'est la grille utilisée pour cette étude.
Le modèle CFD a été développé à l'aide de la plateforme ANSYS FLUENT.Seul l'univers fluide en mouvement est représenté, le flux de chaque serpentin capillaire est donc modélisé en fonction du diamètre du capillaire.
Le modèle GEOMETRY a été importé dans le programme ANSYS MESH.ANSYS écrit du code où ANSYS est une combinaison de modèles et de conditions limites ajoutées.Sur la fig.4 montre le modèle pipe-3 (3962,4 mm) dans ANSYS FLUENT.Les éléments tétraédriques offrent une plus grande uniformité, comme le montre la figure 5. Après avoir créé le maillage principal, le fichier est enregistré en tant que maillage.Le côté de la bobine est appelé entrée, tandis que le côté opposé fait face à la sortie.Ces faces rondes sont conservées comme parois du tuyau.Les milieux liquides sont utilisés pour construire des modèles.
Quelle que soit la réaction de l'utilisateur face à la pression, la solution a été choisie et l'option 3D a été choisie.La formule de production d'électricité a été activée.
Lorsque l’écoulement est considéré comme chaotique, il est fortement non linéaire.C’est donc le flux K-epsilon qui a été choisi.
Si une alternative spécifiée par l'utilisateur est sélectionnée, l'environnement sera : Décrit les propriétés thermodynamiques du réfrigérant R152a.Les attributs du formulaire sont stockés sous forme d'objets de base de données.
Les conditions météorologiques restent inchangées.Une vitesse d'entrée a été déterminée, une pression de 12,5 bars et une température de 45 °C ont été décrites.
Enfin, à la quinzième itération, la solution est testée et converge à la quinzième itération, comme le montre la figure 7.
C'est une méthode de cartographie et d'analyse des résultats.Tracez les boucles de données de pression et de température à l’aide de Monitor.Après cela, la pression et la température totales ainsi que les paramètres généraux de température sont déterminés.Ces données montrent la chute de pression totale à travers les serpentins (1, 2 et 3) dans les figures 1 et 2. 7, 8 et 9 respectivement.Ces résultats ont été extraits d’un programme incontrôlable.
Sur la fig.10 montre le changement d'efficacité pour différentes longueurs d'évaporation et de capillaire.Comme on peut le constater, l’efficacité augmente avec l’augmentation de la température d’évaporation.Les rendements les plus élevés et les plus faibles ont été obtenus en atteignant des portées capillaires de 3,65 m et 3,96 m.Si la longueur du capillaire augmente d’un certain montant, l’efficacité diminuera.
Le changement de capacité de refroidissement dû aux différents niveaux de température d'évaporation et de longueur capillaire est illustré à la fig.11. L'effet capillaire entraîne une diminution de la capacité de refroidissement.La capacité de refroidissement minimale est atteinte à un point d'ébullition de -16°C.La plus grande capacité de refroidissement est observée dans les capillaires d'une longueur d'environ 3,65 m et d'une température de -12°C.
Sur la fig.12 montre la dépendance de la puissance du compresseur sur la longueur du capillaire et la température d'évaporation.De plus, le graphique montre que la puissance diminue avec l’augmentation de la longueur du capillaire et la diminution de la température d’évaporation.À une température d'évaporation de -16 °C, une puissance de compresseur inférieure est obtenue avec une longueur capillaire de 3,96 m.
Les données expérimentales existantes ont été utilisées pour vérifier les résultats CFD.Dans ce test, les paramètres d'entrée utilisés pour la simulation expérimentale sont appliqués à la simulation CFD.Les résultats obtenus sont comparés à la valeur de la pression statique.Les résultats obtenus montrent que la pression statique à la sortie du capillaire est moindre qu'à l'entrée du tube.Les résultats des tests montrent que l'augmentation de la longueur du capillaire jusqu'à une certaine limite réduit la chute de pression.De plus, la perte de charge statique réduite entre l’entrée et la sortie du capillaire augmente l’efficacité du système de réfrigération.Les résultats CFD obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux existants.Les résultats des tests sont présentés dans les figures 1 et 2. 13, 14, 15 et 16. Trois capillaires de longueurs différentes ont été utilisés dans cette étude.Les longueurs de tubes sont de 3,35 m, 3,65 m et 3,96 m.Il a été observé que la chute de pression statique entre l’entrée et la sortie du capillaire augmentait lorsque la longueur du tube passait à 3,35 m.Notez également que la pression de sortie dans le capillaire augmente avec une taille de tuyau de 3,35 m.
De plus, la perte de charge entre l'entrée et la sortie du capillaire diminue à mesure que la taille du tuyau augmente de 3,35 à 3,65 m.Il a été observé que la pression à la sortie du capillaire chute fortement en sortie.Pour cette raison, l’efficacité augmente avec cette longueur capillaire.De plus, l'augmentation de la longueur du tuyau de 3,65 à 3,96 m réduit encore la perte de charge.Il a été observé que sur cette longueur la chute de pression descend en dessous du niveau optimal.Cela réduit le COP du réfrigérateur.Ainsi, les boucles de pression statique montrent que le capillaire de 3,65 m offre les meilleures performances dans le réfrigérateur.De plus, une augmentation de la perte de charge augmente la consommation d'énergie.
Les résultats de l’expérience montrent que la capacité de refroidissement du réfrigérant R152a diminue avec l’augmentation de la longueur des tuyaux.Le premier serpentin a la capacité de refroidissement la plus élevée (-12°C) et le troisième serpentin a la capacité de refroidissement la plus faible (-16°C).L'efficacité maximale est atteinte à une température d'évaporateur de -12 °C et une longueur de capillaire de 3,65 m.La puissance du compresseur diminue avec l'augmentation de la longueur du capillaire.La puissance absorbée du compresseur est maximale à une température d’évaporateur de -12 °C et minimale à -16 °C.Comparez les lectures CFD et de pression en aval pour la longueur du capillaire.On constate que la situation est la même dans les deux cas.Les résultats montrent que les performances du système augmentent à mesure que la longueur du capillaire augmente jusqu'à 3,65 m contre 3,35 m et 3,96 m.Par conséquent, lorsque la longueur du capillaire augmente d’un certain montant, les performances du système augmentent.
Bien que l’application de la CFD aux centrales thermiques et électriques améliore notre compréhension de la dynamique et de la physique des opérations d’analyse thermique, ses limites nécessitent le développement de méthodes CFD plus rapides, plus simples et moins coûteuses.Cela nous aidera à optimiser et à concevoir les équipements existants.Les progrès des logiciels CFD permettront une conception et une optimisation automatisées, et la création de CFD sur Internet augmentera la disponibilité de la technologie.Toutes ces avancées aideront le CFD à devenir un domaine mature et un outil d'ingénierie puissant.Ainsi, l’application du CFD en génie thermique deviendra plus large et plus rapide à l’avenir.
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Heure de publication : 14 janvier 2023