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Os sistemas domésticos de aquecimento e resfriamento geralmente usam dispositivos capilares.O uso de capilares espirais elimina a necessidade de equipamentos de refrigeração leves no sistema.A pressão capilar depende em grande parte dos parâmetros da geometria capilar, como comprimento, diâmetro médio e distância entre eles.Este artigo enfoca o efeito do comprimento do capilar no desempenho do sistema.Três capilares de diferentes comprimentos foram utilizados nos experimentos.Os dados do R152a foram examinados sob diferentes condições para avaliar o efeito de diferentes comprimentos.A eficiência máxima é alcançada com uma temperatura do evaporador de -12°C e um comprimento capilar de 3,65 m.Os resultados mostram que o desempenho do sistema aumenta com o aumento do comprimento capilar para 3,65 m em comparação com 3,35 me 3,96 m.Portanto, quando o comprimento do capilar aumenta em certa medida, o desempenho do sistema aumenta.Os resultados experimentais foram comparados com os resultados da análise de dinâmica de fluidos computacional (CFD).
Um refrigerador é um aparelho de refrigeração que inclui um compartimento isolado, e um sistema de refrigeração é um sistema que cria um efeito de resfriamento em um compartimento isolado.O resfriamento é definido como o processo de remoção de calor de um espaço ou substância e transferência desse calor para outro espaço ou substância.Os refrigeradores são agora amplamente utilizados para armazenar alimentos que se deterioram à temperatura ambiente. A deterioração causada pelo crescimento bacteriano e outros processos é muito mais lenta em refrigeradores de baixa temperatura.Os refrigerantes são fluidos de trabalho usados como dissipadores de calor ou refrigerantes em processos de refrigeração.Os refrigerantes coletam calor evaporando em baixas temperaturas e pressões e depois condensam em temperaturas e pressões mais altas, liberando calor.A sala parece estar esfriando à medida que o calor escapa do freezer.O processo de resfriamento ocorre em um sistema composto por compressor, condensador, tubos capilares e evaporador.Os refrigeradores são os equipamentos de refrigeração utilizados neste estudo.Os refrigeradores são amplamente utilizados em todo o mundo e este eletrodoméstico tornou-se uma necessidade doméstica.Os refrigeradores modernos são muito eficientes em operação, mas pesquisas para melhorar o sistema ainda estão em andamento.A principal desvantagem do R134a é que não é conhecido por ser tóxico, mas tem um Potencial de Aquecimento Global (GWP) muito elevado.O R134a para frigoríficos domésticos foi incluído no Protocolo de Quioto da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Alterações Climáticas1,2.Contudo, portanto, a utilização do R134a deve ser significativamente reduzida3.Do ponto de vista ambiental, financeiro e de saúde, é importante encontrar refrigerantes que reduzam o aquecimento global4.Vários estudos provaram que o R152a é um refrigerante amigo do ambiente.Mohanraj et al.5 investigaram a possibilidade teórica de utilização de refrigerantes R152a e hidrocarbonetos em refrigeradores domésticos.Descobriu-se que os hidrocarbonetos são ineficazes como refrigerantes independentes.O R152a é mais eficiente em termos energéticos e ecológico do que os refrigerantes de eliminação progressiva.Bolaji e outros.6.O desempenho de três refrigerantes HFC ecológicos foi comparado em um refrigerador de compressão de vapor.Eles concluíram que o R152a poderia ser usado em sistemas de compressão de vapor e poderia substituir o R134a.O R32 tem desvantagens como alta tensão e baixo coeficiente de desempenho (COP).Bolaji et al.7 testaram o R152a e o R32 como substitutos do R134a em refrigeradores domésticos.Segundo estudos, a eficiência média do R152a é 4,7% superior à do R134a.Cabello et al.testou R152a e R134a em equipamentos de refrigeração com compressores herméticos.8. Bolaji et al9 testaram o refrigerante R152a em sistemas de refrigeração.Eles concluíram que o R152a era o mais eficiente em termos energéticos, com 10,6% menos capacidade de resfriamento por tonelada do que o R134a anterior.O R152a apresenta maior capacidade e eficiência de refrigeração volumétrica.Chavhan et al.10 analisaram as características do R134a e R152a.Em um estudo de dois refrigerantes, o R152a foi considerado o mais eficiente em termos energéticos.O R152a é 3,769% mais eficiente que o R134a e pode ser usado como substituto direto.Bolaji et al.11 investigaram vários refrigerantes de baixo GWP como substitutos do R134a em sistemas de refrigeração devido ao seu menor potencial de aquecimento global.Entre os refrigerantes avaliados, o R152a apresenta o maior desempenho energético, reduzindo o consumo de eletricidade por tonelada de refrigeração em 30,5% em comparação com o R134a.Segundo os autores, o R161 precisa ser completamente redesenhado antes de poder ser usado como substituto.Vários trabalhos experimentais foram realizados por muitos pesquisadores de refrigeração doméstica para melhorar o desempenho de sistemas refrigerantes de baixo GWP e com mistura de R134a como um futuro substituto em sistemas de refrigeração12,13,14,15,16,17,18, 19, 20, 21, 22, 23 Baskaran et al.24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35 estudaram o desempenho de vários refrigerantes ecologicamente corretos e sua combinação com R134a como uma alternativa potencial para vários testes de compressão de vapor.Sistema.Tiwari et al.36 usaram experimentos e análises de CFD para comparar o desempenho de tubos capilares com diferentes refrigerantes e diâmetros de tubo.Use o software ANSYS CFX para análise.Recomenda-se o melhor design de bobina helicoidal.Punia et al.16 investigaram o efeito do comprimento capilar, diâmetro e diâmetro da bobina no fluxo de massa do refrigerante GLP através de uma bobina espiral.De acordo com os resultados do estudo, ajustar o comprimento do capilar na faixa de 4,5 a 2,5 m permite aumentar o fluxo de massa em média 25%.Söylemez et al.16 realizaram uma análise CFD de um compartimento de frescor de refrigerador doméstico (DR) usando três modelos turbulentos (viscosos) diferentes para obter informações sobre a velocidade de resfriamento do compartimento de frescor e a distribuição de temperatura no ar e no compartimento durante o carregamento.As previsões do modelo CFD desenvolvido ilustram claramente o fluxo de ar e os campos de temperatura dentro do FFC.
Este artigo discute os resultados de um estudo piloto para determinar o desempenho de refrigeradores domésticos que utilizam refrigerante R152a, que é ecologicamente correto e não apresenta risco de potencial de destruição da camada de ozônio (PDO).
Neste estudo, capilares de 3,35 m, 3,65 m e 3,96 m foram selecionados como locais de teste.Experimentos foram então realizados com refrigerante R152a de baixo aquecimento global e os parâmetros operacionais foram calculados.O comportamento do refrigerante no capilar também foi analisado utilizando o software CFD.Os resultados do CFD foram comparados com os resultados experimentais.
Conforme mostrado na Figura 1, é possível ver a fotografia de uma geladeira doméstica de 185 litros utilizada para o estudo.Consiste em um evaporador, um compressor alternativo hermético e um condensador resfriado a ar.Quatro manômetros são instalados na entrada do compressor, na entrada do condensador e na saída do evaporador.Para evitar vibrações durante os testes, esses medidores são montados em painel.Para ler a temperatura do termopar, todos os fios do termopar são conectados a um scanner de termopar.Dez dispositivos de medição de temperatura são instalados na entrada do evaporador, sucção do compressor, descarga do compressor, compartimento e entrada do refrigerador, entrada do condensador, compartimento do freezer e saída do condensador.O consumo de tensão e corrente também é relatado.Um medidor de vazão conectado a uma seção de tubo é fixado em uma placa de madeira.As gravações são salvas a cada 10 segundos usando a unidade Interface Homem-Máquina (HMI).O visor é usado para verificar a uniformidade do fluxo de condensado.
Um amperímetro Selec MFM384 com tensão de entrada de 100–500 V foi usado para quantificar potência e energia.Uma porta de serviço do sistema é instalada na parte superior do compressor para carregar e recarregar o refrigerante.O primeiro passo é drenar a umidade do sistema através da porta de serviço.Para remover qualquer contaminação do sistema, lave-o com nitrogênio.O sistema é carregado por meio de uma bomba de vácuo, que evacua a unidade a uma pressão de -30 mmHg.A Tabela 1 lista as características do equipamento de teste de refrigeradores domésticos e a Tabela 2 lista os valores medidos, bem como seu alcance e precisão.
As características dos refrigerantes utilizados em refrigeradores e freezers domésticos são mostradas na Tabela 3.
O teste foi conduzido de acordo com as recomendações do Manual ASHRAE 2010 sob as seguintes condições:
Além disso, por precaução, foram feitas verificações para garantir a reprodutibilidade dos resultados.Desde que as condições de funcionamento permaneçam estáveis, a temperatura, a pressão, o fluxo de refrigerante e o consumo de energia são registados.Temperatura, pressão, energia, potência e vazão são medidas para determinar o desempenho do sistema.Encontre o efeito de resfriamento e a eficiência para fluxo de massa específico e potência em uma determinada temperatura.
Usando CFD para analisar o fluxo bifásico em uma bobina espiral de refrigerador doméstico, o efeito do comprimento capilar pode ser facilmente calculado.A análise CFD facilita o rastreamento do movimento das partículas fluidas.O refrigerante que passa pelo interior da bobina espiral foi analisado utilizando o programa CFD FLUENT.A Tabela 4 mostra as dimensões das bobinas capilares.
O simulador de malha do software FLUENT irá gerar um modelo de projeto estrutural e malha (Figuras 2, 3 e 4 mostram a versão ANSYS Fluent).O volume de fluido do tubo é usado para criar a malha limite.Esta é a grade utilizada para este estudo.
O modelo CFD foi desenvolvido utilizando a plataforma ANSYS FLUENT.Apenas o universo fluido em movimento é representado, portanto o fluxo de cada serpentina capilar é modelado em termos do diâmetro do capilar.
O modelo GEOMETRY foi importado para o programa ANSYS MESH.ANSYS escreve código onde ANSYS é uma combinação de modelos e condições de contorno adicionadas.Na fig.4 mostra o modelo pipe-3 (3962,4 mm) no ANSYS FLUENT.Os elementos tetraédricos proporcionam maior uniformidade, conforme mostrado na Figura 5. Após a criação da malha principal, o arquivo é salvo como malha.O lado da bobina é chamado de entrada, enquanto o lado oposto fica voltado para a saída.Essas faces redondas são salvas como paredes do tubo.Meios líquidos são usados para construir modelos.
Independentemente de como o usuário se sente em relação à pressão, a solução foi escolhida e a opção 3D foi escolhida.A fórmula de geração de energia foi ativada.
Quando o fluxo é considerado caótico, é altamente não linear.Portanto, o fluxo K-épsilon foi escolhido.
Se for selecionada uma alternativa especificada pelo usuário, o ambiente será: Descreve as propriedades termodinâmicas do refrigerante R152a.Os atributos do formulário são armazenados como objetos de banco de dados.
As condições meteorológicas permanecem inalteradas.Foi determinada uma velocidade de entrada, uma pressão de 12,5 bar e uma temperatura de 45°C foram descritas.
Finalmente, na décima quinta iteração, a solução é testada e converge na décima quinta iteração, conforme mostrado na Figura 7.
É um método de mapeamento e análise de resultados.Trace loops de dados de pressão e temperatura usando o Monitor.Depois disso, são determinados a pressão e temperatura totais e os parâmetros gerais de temperatura.Estes dados mostram a queda de pressão total nas bobinas (1, 2 e 3) nas figuras 1 e 2, 7, 8 e 9 respectivamente.Esses resultados foram extraídos de um programa descontrolado.
Na fig.10 mostra a mudança na eficiência para diferentes comprimentos de evaporação e capilar.Como pode ser visto, a eficiência aumenta com o aumento da temperatura de evaporação.As maiores e menores eficiências foram obtidas ao atingir vãos capilares de 3,65 m e 3,96 m.Se o comprimento do capilar for aumentado em certa medida, a eficiência diminuirá.
A mudança na capacidade de resfriamento devido a diferentes níveis de temperatura de evaporação e comprimento capilar é mostrada na fig.11. O efeito capilar leva à diminuição da capacidade de refrigeração.A capacidade mínima de refrigeração é alcançada a um ponto de ebulição de -16°C.A maior capacidade de resfriamento é observada em capilares com comprimento de cerca de 3,65 m e temperatura de -12°C.
Na fig.12 mostra a dependência da potência do compressor no comprimento do capilar e na temperatura de evaporação.Além disso, o gráfico mostra que a potência diminui com o aumento do comprimento do capilar e a diminuição da temperatura de evaporação.A uma temperatura de evaporação de -16 °C, obtém-se uma menor potência do compressor com um comprimento capilar de 3,96 m.
Dados experimentais existentes foram utilizados para verificar os resultados do CFD.Neste teste, os parâmetros de entrada utilizados para a simulação experimental são aplicados à simulação CFD.Os resultados obtidos são comparados com o valor da pressão estática.Os resultados obtidos mostram que a pressão estática na saída do capilar é menor que na entrada do tubo.Os resultados dos testes mostram que aumentar o comprimento do capilar até um certo limite reduz a queda de pressão.Além disso, a redução da queda de pressão estática entre a entrada e a saída do capilar aumenta a eficiência do sistema de refrigeração.Os resultados de CFD obtidos estão de acordo com os resultados experimentais existentes.Os resultados dos testes são mostrados nas Figuras 1 e 2. 13, 14, 15 e 16. Três capilares de diferentes comprimentos foram utilizados neste estudo.Os comprimentos dos tubos são 3,35m, 3,65m e 3,96m.Observou-se que a queda de pressão estática entre a entrada e a saída do capilar aumentou quando o comprimento do tubo foi alterado para 3,35m.Observe também que a pressão de saída no capilar aumenta com um tamanho de tubo de 3,35 m.
Além disso, a queda de pressão entre a entrada e a saída do capilar diminui à medida que o tamanho do tubo aumenta de 3,35 para 3,65 m.Observou-se que a pressão na saída do capilar caiu drasticamente na saída.Por esta razão, a eficiência aumenta com este comprimento capilar.Além disso, aumentar o comprimento do tubo de 3,65 para 3,96 m reduz novamente a queda de pressão.Foi observado que ao longo deste comprimento a queda de pressão cai abaixo do nível ideal.Isto reduz o COP do refrigerador.Portanto, os loops de pressão estática mostram que o capilar de 3,65 m proporciona o melhor desempenho no refrigerador.Além disso, um aumento na queda de pressão aumenta o consumo de energia.
A partir dos resultados do experimento, pode-se observar que a capacidade de resfriamento do refrigerante R152a diminui com o aumento do comprimento do tubo.A primeira serpentina tem a maior capacidade de resfriamento (-12°C) e a terceira serpentina tem a menor capacidade de resfriamento (-16°C).A eficiência máxima é alcançada com uma temperatura do evaporador de -12 °C e um comprimento capilar de 3,65 m.A potência do compressor diminui com o aumento do comprimento do capilar.A entrada de energia do compressor é máxima a uma temperatura do evaporador de -12 °C e mínima a -16 °C.Compare as leituras de CFD e de pressão a jusante para comprimento capilar.Percebe-se que a situação é a mesma em ambos os casos.Os resultados mostram que o desempenho do sistema aumenta à medida que o comprimento do capilar aumenta para 3,65 m em comparação com 3,35 me 3,96 m.Portanto, quando o comprimento do capilar aumenta em certa medida, o desempenho do sistema aumenta.
Embora a aplicação de CFD a usinas térmicas e de energia melhore nossa compreensão da dinâmica e da física das operações de análise térmica, as limitações exigem o desenvolvimento de métodos de CFD mais rápidos, mais simples e menos dispendiosos.Isso nos ajudará a otimizar e projetar equipamentos existentes.Os avanços no software de CFD permitirão o design e a otimização automatizados, e a criação de CFDs pela Internet aumentará a disponibilidade da tecnologia.Todos esses avanços ajudarão o CFD a se tornar um campo maduro e uma poderosa ferramenta de engenharia.Assim, a aplicação de CFD na engenharia térmica se tornará mais ampla e rápida no futuro.
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Horário da postagem: 14 de janeiro de 2023