Influencia de la longitud del tubo capilar en el rendimiento de un frigorífico doméstico con eco

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 14460 (2022) Citar este artículo

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El sistema de calefacción y refrigeración del hogar suele utilizar el dispositivo capilar. El uso del capilar helicoidal elimina la necesidad de dispositivos de refrigeración livianos en el sistema. La presión capilar se ve notablemente afectada por los parámetros geométricos del capilar, como la longitud, el diámetro medio y el paso. Este artículo se ocupa de los efectos de la longitud de los capilares en el rendimiento del sistema. En el experimento se utilizaron tres tubos capilares de longitudes separadas. Los datos sobre R152a se estudiaron en diversas condiciones para evaluar el impacto de variar la longitud. El COP máximo se obtiene a una temperatura del evaporador de -12 °C y una longitud del capilar de 3,65 m. El resultado es que el rendimiento del sistema mejora cuando la longitud del capilar aumenta a 3,65 m en comparación con 3,35 my 3,96 m. Como resultado, a medida que la longitud del capilar aumenta hasta una cantidad específica, el rendimiento del sistema mejora. Los resultados del experimento se compararon con los del análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD).

Un refrigerador es un aparato de enfriamiento que comprende un compartimiento aislado térmicamente, y un sistema de refrigeración es un sistema que produce un efecto de enfriamiento en el compartimiento aislado. Como la refrigeración se define como un proceso de eliminar calor de un espacio o sustancia y transferir ese calor a otro espacio o sustancia. Hoy en día, los refrigeradores se utilizan ampliamente para almacenar alimentos que se deterioran a temperatura ambiente; El deterioro por crecimiento bacteriano y otros procesos es mucho más lento en el refrigerador que tiene bajas temperaturas. El refrigerante es el fluido de trabajo utilizado como absorbente de calor o agente refrigerante en el proceso de refrigeración. El refrigerante acumula calor evaporándose a bajas temperaturas y presiones y luego se condensa a temperaturas y presiones más altas para liberarlo. La región parece enfriarse a medida que el calor se evacua de la cámara refrigerada. El proceso de refrigeración se lleva a cabo en un sistema que incluye un compresor, un condensador, un capilar y un evaporador. El refrigerador es la planta de refrigeración empleada en este estudio. Los refrigeradores se utilizan ampliamente en todo el mundo y este equipo se ha convertido en una necesidad doméstica. El rendimiento de un frigorífico moderno es bastante eficiente, pero aún se están realizando investigaciones para mejorar el sistema. Una de las principales desventajas del R134a es que se sabe que no es tóxico, pero tiene un potencial de calentamiento global (GWP) muy alto. El R134a, utilizado en frigoríficos domésticos, fue incorporado en el Protocolo de Kioto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático1,2. Sin embargo, como consecuencia, el uso de R134a debe reducirse significativamente3. Desde los problemas ecológicos, fiscales y de salud, es importante encontrar refrigerantes de bajo calentamiento global4. Múltiples investigaciones han demostrado que el R152a es un refrigerante ecológicamente sostenible. Mohanraj et al.5 investigaron la viabilidad teórica de emplear refrigerantes R152a e hidrocarburos en refrigeradores domésticos. Se ha descubierto que los hidrocarburos son ineficientes como refrigerantes independientes. El R152a es más eficiente energéticamente y más respetuoso con el medio ambiente que los refrigerantes descatalogados. Bolaji et al.6. En un refrigerador por compresión de vapor, se comparó el rendimiento de tres refrigerantes HFC ecológicos. Llegaron a la conclusión de que el R152a se puede emplear en sistemas de compresión de vapor y se puede sustituir por el R134a. El R32 tiene desventajas como alta presión y un bajo coeficiente de rendimiento (COP). Bolaji et al.7 probaron R152a y R32 como sustitutos del R134a en un frigorífico residencial. Según la investigación, el R152a tiene un COP promedio un 4,7 por ciento más alto que el R134a. Cabello et al probaron el R152a y el R134a en una planta de refrigeración con un compresor hermético. 8. Bolaji et al.9 probaron el R152a en un sistema de refrigeración. Concluyeron que el R152a era el más eficiente energéticamente, con una potencia de refrigeración por tonelada un 10,6% menor que la del anterior R134a. Se demostró una mayor capacidad de refrigeración volumétrica y COP en R152a. Chavhan et al.10 analizaron el desempeño de R134a y R152a. En el estudio de dos refrigerantes investigados, se demostró que el R152a es el más eficiente energéticamente. El R152a tiene un COP 3,769 por ciento mayor que el R134a y puede usarse como sustituto directo. Bolaji et al.11 estudiaron varios refrigerantes de bajo PCA como alternativas al R134a en sistemas de refrigeración porque tienen un bajo potencial de calentamiento global. El rendimiento energético más alto de los refrigerantes evaluados fue el R152a, que utilizó un 30,5 por ciento menos de electricidad por tonelada de refrigeración que el R134a. Según los autores, será necesario rediseñar completamente el R161 antes de poder utilizarlo como sustituto. Muchos investigadores llevaron a cabo varios trabajos experimentales en el refrigerador doméstico para mejorar el rendimiento del sistema con refrigerantes de bajo PCA y mezclarlos con R134a como próxima alternativa de reemplazo en el sistema de refrigeración12,13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23. Baskaran et al.24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35 examinaron el rendimiento de varios refrigerantes ecológicos y combinaciones con R134a como posible reemplazo alternativo en varias pruebas en un Sistema de refrigeración por compresión de vapor. Tiwari et al.36 utilizaron análisis experimentales y CFD para comparar el rendimiento de tubos capilares con diferentes refrigerantes y diámetros de tubo. El análisis se realiza mediante el software ANSYS CFX. Se recomienda el mejor diseño en espiral helicoidal. Punia et al.16 investigaron el efecto de la longitud, el diámetro y el diámetro del serpentín del tubo capilar sobre el caudal másico de refrigerante de GLP a través de tubos de serpentín helicoidales. Según los resultados, el ajuste del rango de longitud del capilar entre 4,5 y 2,5 m aumentó el caudal másico en una media del 25%. Söylemez et al.16 utilizaron tres modelos de turbulencia (viscosos) diferentes para realizar un análisis CFD para un compartimento de alimentos frescos de un refrigerador doméstico (DR) para obtener información no solo sobre el tiempo de enfriamiento del compartimento de alimentos frescos sino también del aire y Distribución de temperatura dentro del compartimento cuando se cargó. Las predicciones del modelo CFD desarrollado ilustran vívidamente los campos de flujo de aire y temperatura dentro del FFC.

Este artículo examina los hallazgos de una investigación experimental realizada para establecer el rendimiento de un refrigerador residencial que utiliza refrigerante R152a, que es beneficioso para el medio ambiente y no tiene riesgo de potencial de depresión de la capa de ozono (ODP).

En esta investigación, se seleccionan como secciones de prueba las longitudes de tubo capilar de 3,35 m, 3,65 m y 3,96 m. Luego se realizaron experimentos con el refrigerante R152a, de bajo calentamiento global, y se calcularon los parámetros de rendimiento. El comportamiento del refrigerante en el tubo capilar también se analiza mediante el software CFD. Los resultados del CFD se compararon con los resultados de los experimentos.

Como se muestra en la Fig. 1, se ve una representación fotográfica de un frigorífico doméstico de 185 L, que está destinado a investigación. Consta de un evaporador, un compresor alternativo herméticamente cerrado y un condensador enfriado por aire. En la entrada del compresor, la entrada del condensador y la salida del evaporador, había cuatro medidores. Para evitar vibraciones durante las pruebas, estos medidores se instalaron en un panel. Para leer la temperatura del termopar, todos los cables del termopar están conectados al escáner de termopar. Se montaron diez medidas de temperatura en la entrada del evaporador, la succión del compresor, la descarga del compresor, el compartimiento y la entrada del refrigerador, la entrada del condensador, el congelador y la salida del condensador. También se informaron el voltaje y la corriente consumidos. El instrumento de medición de flujo que estaba unido al enlace de la tubería se fijó al panel de madera. Los registros se almacenaron cada 10 s utilizando una unidad de interfaz hombre-máquina (HMI). Se utiliza una mirilla para comprobar la uniformidad del flujo de un líquido condensado.

Vista del set experimental.

Para cuantificar la potencia y la energía se utilizó un medidor de energía Selec MFM384 con un voltaje de entrada de 100 a 500 V. Se instalaron puertos de servicio del sistema en la parte superior del compresor para cargar y recargar el refrigerante. El primer paso fue drenar la humedad del sistema a través de puertos de servicio. Para limpiar el sistema de cualquier contaminante, se purgó con gas nitrógeno. El sistema se cargó mediante una bomba de vacío, que evacuó el dispositivo a una presión de -30 mm de mercurio. La Tabla 1 muestra las especificaciones técnicas de la unidad de prueba del refrigerador doméstico, mientras que la Tabla 2 muestra las cantidades medidas, así como su rango y precisión.

Las características de los refrigerantes utilizados en refrigeradores y congeladores domésticos se muestran en la Tabla 3.

Las pruebas se realizaron de acuerdo con las recomendaciones del manual ASHRAE 2010, bajo las siguientes condiciones:

Unidad congeladora: − 19 a − 16 °C

Unidad perecedera: 4–6 °C

Temperatura ambiente: 26–33 °C.

Además, se realizaron controles para garantizar la repetibilidad de los resultados. Se recogieron la temperatura, la presión, el caudal de refrigerante y el consumo de energía mientras las condiciones de trabajo se mantenían en un estado estable. Se midieron la temperatura, la presión, la energía, la potencia y el caudal para determinar las características de rendimiento del sistema. Utilizando una temperatura dada, el efecto de refrigeración y el COP se encuentran para valores específicos de caudal másico y potencia.

La influencia de la longitud del capilar se puede calcular fácilmente utilizando el análisis CFD para los flujos de fase dual dentro de tubos enrollados helicoidalmente en refrigeradores domésticos. El análisis CFD simplifica el seguimiento del movimiento de las partículas del fluido. Mediante el programa CFD FLUENT se realiza el análisis del refrigerante que pasa por el interior del serpentín helicoidal. Las dimensiones de las bobinas capilares se presentan en la Tabla 4.

El modelador de malla del software FLUENT producirá el modelo estructural de diseño y la malla (las figuras 2, 3 y 4 muestran las versiones de ANSYS Fluent). El volumen de fluido de la tubería se utilizó para crear la malla límite. Aquí está la cuadrícula que se utilizó para esta investigación.

Modelo ANSYS FLUENT de Tubo-1 (3352,8 mm).

Modelo ANSYS FLUENT de Tube-2 (3657,6 mm).

Modelo ANSYS FLUENT de Tube-3 (3962,4 mm).

El modelo CFD fue desarrollado utilizando la plataforma ANSYS FLUENT. Sólo se iban a representar los universos de fluidos en movimiento, por lo que el flujo de cada bobina capilar se modeló en función del diámetro del capilar.

El modelo GEOMETRY fue importado al programa ANSYS MESH. ANSYS está trabajando en el código del programa, en el que ANSYS fue el modelo combinado y las condiciones de contorno agregadas. La Figura 4 muestra el modelo ANSYS FLUENT de Tube-3 (3962,4 mm). El elemento tetraedro proporciona más coherencia, que se muestra en la Fig. 5. Después de crear una malla maestra, el archivo se guardó como malla. La cara lateral de la bobina se conoce como entrada, y el lado opuesto que mira hacia la salida. Estas caras circulares permanecen como paredes de tubería. Se utilizan medios fluidos para construir el modelo.

Malla tetraédrica.

El programa utilizado para encontrar la solución es FLUENT. Esto incluirá los siguientes pasos:

El modelo se convierte a milímetros. Se probó la solución de la grilla del modelo.

Las unidades de presión y longitud se convierten a Pascal y milímetros.

Las cuadrículas y las condiciones de los límites se verificaron visualmente utilizando la opción Visualización de cuadrícula.

La solución se eligió independientemente de cómo se sentía el usuario acerca de la cantidad de presión, y se seleccionaron las opciones 3D. Se han activado fórmulas para generar electricidad.

Cuando el flujo se considera caótico, es altamente no lineal. Por lo tanto, para cumplir con el flujo se eligió el K-épsilon.

Si se elige una alternativa especificada por el usuario, el medio será el siguiente: Se describieron las propiedades termodinámicas del refrigerante R152a. Las propiedades del formulario se almacenan como entidades de base de datos.

El cobre fue descrito como la pared del tubo fluido del medio.

Los patrones climáticos se mantuvieron sin cambios. Se estableció la velocidad de entrada, 12,5 bar de presión y se describió 45 °C.

Se dijo que la salida estaba identificada por el flujo de salida.

La respuesta queda con su configuración predeterminada.

La solución de entrada se utilizó como punto de partida para el cálculo de la solución.

La malla tetraédrica y el modelo Fluent Grid se representan en las Figs. 5 y 6, respectivamente.

Finalmente, en la decimoquinta iteración, se probó la solución y convergió en la decimoquinta iteración, como se muestra en la Fig. 7.

El modelo de cuadrícula fluida.

Resultado de CFD para una presión total de Bobina-1 (3352,8 mm).

Es el método de mapear y analizar los hallazgos. Los contornos de los datos de presión y temperatura se trazan utilizando el monitor. Después de esto, se determinaron los parámetros generales de presión y temperatura y temperatura total. Estos datos muestran la caída de presión general para las bobinas (1, 2 y 3) en las Figs. 7, 8 y 9, respectivamente. Estos hallazgos se extrajeron del programa fluido.

Resultado de CFD para una presión total de Bobina-2 (3657,6 mm).

Resultado de CFD para una presión total de Bobina-3 (3962,4 mm).

La Figura 10 muestra la variación del COP frente a diversas longitudes de evaporación y capilares. El COP aumenta a medida que aumenta la temperatura de evaporación, como se muestra en el gráfico. Cuando se llega a los tramos capilares de 3,65 my 3,96 m, se adquiere el mayor y el menor COP. Si la longitud del capilar aumenta hasta cierta cantidad, el COP disminuye.

Variación del COP frente a la longitud del capilar y la temperatura de evaporación.

Debido a los diferentes niveles de temperatura de evaporación y longitudes de capilares, la variación en la capacidad de refrigeración se representa en la Fig. 11. El efecto capilar provoca una reducción en la capacidad de refrigeración. La capacidad de refrigeración más baja se obtiene con un punto de ebullición de -16 °C. La mayor capacidad de refrigeración se observa en el capilar, cuya longitud es de aproximadamente 3,65 my - 12 °C.

Variación de la capacidad frigorífica frente a la longitud del capilar y la temperatura de evaporación.

La Figura 12 muestra la variación de la potencia del compresor frente a la longitud del capilar y la temperatura de evaporación. Además, el gráfico muestra que a medida que aumenta la longitud del capilar y disminuye la temperatura de evaporación, la potencia disminuye. La menor potencia del compresor se obtiene en la longitud del capilar de 3,96 m a una temperatura de evaporación de -16 °C.

Variación de la potencia del compresor frente a la longitud del capilar y la temperatura de evaporación.

Para validar los resultados de CFD, se utilizan datos experimentales existentes. En esta validación, los parámetros de entrada considerados para la simulación experimental se aplicaron para la simulación CFD. Los resultados obtenidos se validan frente a las magnitudes de presión estática. Los resultados obtenidos indican que la presión estática a la salida del tubo capilar fue menor en comparación con la entrada del tubo. El resultado de la validación muestra que un incremento en la longitud del tubo capilar hasta un cierto límite disminuye la caída de presión. Además, una disminución en la caída de presión estática entre la entrada y la salida del tubo capilar aumenta el COP del sistema de refrigeración. Los resultados de CFD obtenidos concuerdan bien con los resultados experimentales existentes. Los resultados de la validación se muestran en las Figs. 13, 14, 15 y 16. En esta investigación, se utilizaron tres longitudes diferentes de tubos capilares. La longitud de los tubos es de 3,35 m, 3,65 my 3,96 m. Se observó que la caída de presión estática entre la entrada y la salida del tubo capilar aumenta cuando la longitud del tubo llega a ser 3,35 m. además, se observó que la presión de salida aumenta en el tubo capilar cuando el tamaño del tubo es de 3,35 m.

ANSYS Solución fluida de presión estática para serpentín capilar 1 (3,35 m).

ANSYS Solución fluida de presión estática para serpentín capilar 2 (3,65 m).

ANSYS Solución fluida de presión estática para serpentín capilar 3 (3,96 m).

Variación de la presión de salida del capilar con varias longitudes de tubo para R152a.

Además, cuando el tamaño del tubo aumenta de 3,35 a 3,65 m, la caída de presión disminuye entre la entrada y la salida del tubo capilar. Se observó que la presión de salida del tubo capilar disminuyó drásticamente en la salida. Por esta razón, el COP aumenta en esta longitud del tubo capilar. Además, un incremento en la longitud del tubo de 3,65 a 3,96 m reduce nuevamente la caída de presión. Se observó que la caída de presión disminuyó por debajo del nivel óptimo en esta longitud. Disminuye el COP del frigorífico. Por lo tanto, los contornos de presión estática indican que la longitud del tubo capilar de 3,65 m produce un rendimiento óptimo en el frigorífico. Además, un incremento en la caída de presión aumenta el consumo de energía.

A partir de los hallazgos experimentales, queda claro que el refrigerante R152a tiene una menor capacidad de refrigeración a medida que la longitud del tubo crece. La capacidad de refrigeración es máxima para la primera batería (− 12 °C) y mínima para la tercera batería (− 16 °C). El COP máximo se obtiene a una temperatura del evaporador de -12 °C y una longitud del capilar de 3,65 m. La potencia del compresor disminuye a medida que crece la longitud del tubo capilar. La potencia de entrada del compresor es máxima a la temperatura del evaporador de −12 °C y mínima a −16 °C. Se comparan las lecturas de CFD y presión de salida para la longitud del capilar. Se ve, pues, que las circunstancias son las mismas en ambos casos. El resultado es que la salida del sistema mejora cuando la longitud del capilar aumenta a 3,65 m en comparación con 3,35 my 3,96 m. Como resultado, a medida que la longitud del capilar aumenta hasta una cantidad específica, el rendimiento del sistema mejora.

Las limitaciones requieren el desarrollo de técnicas de CFD más rápidas, simples y menos costosas, aunque la aplicación de CFD en industrias y plantas de energía térmicas mejorará nuestra comprensión de la dinámica y la física de una operación de análisis térmico. Esto nos ayudará a optimizar y diseñar los equipos existentes. El avance del software CFD hará realidad el diseño y la optimización automáticos, y la creación de un CFD basado en la web aumentará la accesibilidad a la tecnología. Todos estos avances ayudarán a que el CFD se convierta en un campo establecido y una potente herramienta de ingeniería. Por lo tanto, el uso de CFD en ingeniería térmica se adoptará más amplia y rápidamente en el futuro.

Los datos están incluidos dentro del artículo.

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Departamento de Física, Facultad de Ciencias Naturales y Computacionales, Universidad Dambi Dollo, Dambi Dollo, Etiopía

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Centro para la Excelencia: Conocimiento Indígena, Transferencia de Tecnología Innovadora y Emprendimiento, Universidad Dambi Dollo, Dembi Dolo, Etiopía

Leta Tesfaye Jule y Krishnaraj Ramaswamy

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería y Tecnología ULTRA, Madurai, Tamilnadu, 625104, India

N. Nagaprasad

Ministerio de Innovación y Tecnología, Addis Abeba, Etiopía

Bayissa Badassa y Krishnaraj Ramaswamy

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de California, Berkeley

Krishnaraj Ramaswamy

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería Sri Eshwar, Coimbatore, India

Venkatesh Senivasan

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Conceptualización BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Curación de datos, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Análisis y Validación, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Análisis formal, Licenciatura. MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Investigación, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Metodología, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Administración de proyectos, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR Recursos, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Software, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR, Supervisión, KR y LTJ; Validación, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Visualización, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR; Redacción: borrador original, BA, MN, LTJ, NN, AS, VS y KR, visualización de datos, edición y reescritura, BA, MN, LTJ, NN, AS, BB, VS y KR

Correspondencia a Krishnaraj Ramaswamy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Baskaran, A., Manikandan, N., Jule, L. et al. Influencia de la longitud del tubo capilar en el rendimiento de un frigorífico doméstico con refrigerante ecológico R152a. Informe científico 12, 14460 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18606-w

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Recibido: 27 de abril de 2022

Aceptado: 16 de agosto de 2022

Publicado: 24 de agosto de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18606-w

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