Evaluación de la segunda ley del dimetil éter y sus mezclas en sistemas de refrigeración domésticos.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 275 (2023) Citar este artículo

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El dimetiléter (DME) y su mezcla de refrigerantes (R429A, R435A y R510A) se consideran en el análisis de la segunda ley de este estudio como posibles sustitutos del R134a. El rendimiento de varios refrigerantes en un sistema de refrigeración por compresión de vapor se examina utilizando el paquete de diseño CYCLE D. El software REFPROP 9.0 se utiliza para extraer todos los parámetros térmicos y físicos de DME y su mezcla de refrigerantes. Se analizan los parámetros de rendimiento de la Segunda Ley, como los defectos de eficiencia, la generación de entropía y la eficiencia energética. Los refrigerantes R429A y R510A son más eficientes energéticamente que el R134a en un rango de temperatura de condensación de 30 a 55 °C a una temperatura de evaporación de -10 °C. El R134a fue superado por el R429A y el R510A en términos de eficiencia exergética en un 2,08 y un 0,43%, respectivamente. En comparación con otras pérdidas en diferentes componentes, la pérdida de exergía del compresor es mayor, entre un 37% y un 40% de la pérdida total de exergía. Al emplear RE170 y sus mezclas, el sistema de refrigeración por compresión de vapor a menudo funciona mejor según la segunda ley que el R134a.

El resultado muestra que los defectos de eficiencia en el compresor son los mayores, seguido por el condensador y el evaporador. Por lo tanto, la mejora del diseño de un compresor es de máxima importancia para mejorar el rendimiento del sistema al reducir la irreversibilidad general.

El R134a se utiliza eficazmente en refrigeradores domésticos (GWP 1430) como alternativa al CFC, que tiene un alto PAO y GWP1,2. El Protocolo de Kioto de 1997 lo designó como gas de efecto invernadero; por tanto, su producción y uso finalizarán en las próximas décadas. Como resultado, los refrigerantes ecológicos ocuparán su lugar3,4. Según la normativa de la UE, ahora es esencial encontrar un refrigerante de repuesto con un bajo GWP5,6. La Tabla 1 enumera las características físicas de los refrigerantes bajo investigación. Según Nicholas Cox7, la ausencia de deslizamiento de temperatura y separación hace que el dimetiléter funcione mejor que la mezcla de hidrocarburos. Valentinapostol et al.8 realizan un análisis termodinámico comparativo utilizando los refrigerantes R717, R12, R134A, R22, DME y una mezcla de R404A, R407C en un sistema de refrigeración. Según los hallazgos de este estudio, el DME podría utilizarse como refrigerante y como buen sustituto del R12 y el R134a.

El dimetiléter (DME, C2H6O), según BM Adamson9, posee una serie de características deseables como sustituto del R134a. Algunos de ellos son capacidades mejoradas de transferencia de calor, estabilidad favorable de presión/temperatura con lubricantes naturales, acceso relativamente económico y rápido. También es muy ecológico y compatible con la mayoría de los materiales utilizados en los sistemas de refrigeración.

Varios investigadores10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 analizaron el rendimiento térmico de la videograbadora. sistemas con DME y sus mezclas. El resultado indica que los refrigerantes investigados se configuran como posibles alternativas al R134a. Ki-Jung Park et al.32 investigaron el rendimiento del purificador de agua doméstico utilizando R429A. Los resultados indican que la temperatura de descarga del compresor y el consumo de energía es de 13,40 C y un 28,9% menor en comparación con el R134a. Choedaeseong et al.33 investigaron el rendimiento del R435A (una combinación de DME y R152a) como sustituto de los purificadores de agua domésticos R134a. En comparación con el HFC 134a, las temperaturas de consumo y liberación de electricidad fueron respectivamente un 12,7 % y 3,7 °C inferiores. Mediante el uso de R510A, Ki-Jung Park et al.34 examinaron el rendimiento de los purificadores de agua domésticos. El resultado indica que la temperatura de descarga del compresor y el consumo de energía es de 3,70 C y un 22,3% menor en comparación con el R134a35,36. En este estudio, se investiga el comportamiento de la segunda ley del sistema con los refrigerantes RE170, R429A, R435A y R510A como posibles alternativas al R134a.

Las figuras 1 y 2 muestran el diagrama de bloques del sistema de refrigeración y el diagrama P–H.

Diagrama de bloques de un sistema de refrigeración.

Diagrama P-H del sistema de refrigeración.

El detalle del ciclo operativo es el siguiente.

Compresión isentrópica (Etapa 1-2).

Condensación (Etapa 2-3).

Estrangulamiento (Etapa 3-4).

Evaporación (Etapa 4-1).

Las ecuaciones utilizadas para el análisis de exergía en diferentes componentes:

Exergía:

Evaporador:

Abstracción de calor

Pérdidas de exergía,

Compresor:

pérdida de exergía,

Condensador:

pérdida de exergía,

Válvula de expansión:

pérdida de exergía,

Pérdida total de exergía,

Defecto de eficiencia:

para compresor,

Condensador,

Válvula de expansión,

Evaporador,

Eficiencia exergetica,

Para la aplicación de R134a, Dimetil éter y las siguientes mezclas elegidas se realizó un estudio teórico.

R510A se compone de 88% y 12%, una mezcla de RE170 y R600a.

El R435A se compone de una mezcla de 80 % y 20 % de RE170 y R152a.

El R 429A se compone de una mezcla de 60 %, 30 % y 10 % de RE170, R600a y R152a.

Las siguientes condiciones se tomaron en consideración cuando se examinó el comportamiento del sistema de refrigeración por compresión de vapor utilizando el programa CYCLE D 4.036.

La eficiencia isentrópica y volumétrica del compresor = 0,75.

Capacidad de refrigeración = 1,00 kW.

La eficiencia del motor eléctrico = 0,75.

Eficiencia del intercambiador de calor de la línea de succión = 0,80.

Temperatura de funcionamiento del evaporador = − 50 °C a + 20 °C.

Temperatura de funcionamiento del condensador = 45 °C.

Temperatura de sobrecalentamiento = 10 °C.

Temperatura de subenfriamiento = 5 °C.

Para obtener los valores de entalpía y entropía necesarios para el estudio se utiliza REFPROP 9.035. Este estudio teórico examina el impacto de la eficiencia energética (Ex.eff) y los fallos de eficiencia (Exd) en los componentes del sistema. La variación de la eficiencia exergética frente a la temperatura de evaporación y condensación se muestra en las Figs. 3 y 4, respectivamente. La variación de los defectos de eficiencia (Exd) en los componentes del sistema se representa en las figuras 5 a 6. Las observaciones y desviaciones de los parámetros de rendimiento de la segunda ley en el sistema VCR se presentan en las Tablas 2 y 3. Se presenta la generación de entropía en varios componentes. en la Tabla 4. Las pérdidas de exergía en varios componentes se enumeran en la Tabla 5.

Eficiencia exergética en función de la temperatura de evaporación.

Eficiencia exergética y temperatura de condensación.

La Figura 3 indica el efecto de la eficiencia exergética (ηex) en el cambio de temperaturas para la evaporación. Cuando la temperatura del evaporador aumenta, la eficiencia exergética aumenta además hasta la temperatura óptima del evaporador y luego disminuye. La mayor eficiencia exergética se logra a la temperatura óptima del evaporador. La diferencia en la eficiencia exergética se debe a dos cosas. Uno es la exergía. La segunda cuestión es el trabajo que se debe realizar en el compresor. A medida que aumenta la temperatura del evaporador, el trabajo del compresor disminuye. Como resultado, estos dos elementos mejoran la eficiencia exergética hasta alcanzar la temperatura óptima del evaporador, más allá de la cual desciende. A temperaturas de evaporación más bajas, el refrigerante R429A tiene una mayor eficiencia energética que el R134a. Al aumentar las temperaturas de evaporación, la eficiencia exergética de todos los refrigerantes elegidos ha mejorado. En un amplio rango de temperaturas de evaporación, el R429A tiene un valor de eficiencia exergética más alto que el R134a. El R429A tiene una eficiencia exergética entre un 1,6% y un 2,3% mejor que el R134a.

La influencia de las temperaturas de condensación en la eficiencia exergética (ex) se ve en la Fig. 4. La eficiencia exergética disminuye a medida que aumentan las temperaturas del condensador. A temperaturas de condensación más bajas, el refrigerante R429A tiene más eficiencia energética que el R134a. A temperaturas de condensación más altas, la eficiencia exergética de todos los refrigerantes elegidos ha mejorado. En un amplio rango de temperaturas de condensación, el R429A y el R510A tienen una eficiencia exergética mayor que el R134a. El R429A tiene una eficiencia exergética entre un 0,30% y un 2,49% mayor que el R134a.

Con varias temperaturas de evaporador, la Fig. 5 muestra el efecto de una falla de eficiencia en el compresor para R510A, RE170, R429A, R435A y R134a. El defecto de eficiencia del compresor crece a medida que aumenta la temperatura en el evaporador, como se muestra en el gráfico. Los resultados muestran que R510A, R435A, R429A y RE170 tienen menos defectos de eficiencia del compresor que R134a.

Defecto de eficiencia del compresor en función de la temperatura del evaporador.

La Figura 6 indica el efecto del defecto de eficiencia en el condensador para R510A, RE170, R429A, R435A y R134a con temperatura variable del evaporador. La figura revela que el defecto de eficiencia del condensador se reduce con el aumento de la temperatura del evaporador hasta -25 °C y luego aumenta. El resultado indica que los defectos de eficiencia del condensador de los refrigerantes investigados son mayores que los del R134a.

Defecto de eficiencia del condensador en función de la temperatura del evaporador.

Para RE170, R429A, R435A, R510A y R134a, la Fig. 7 muestra el efecto de una falla de eficiencia de la válvula de expansión a medida que varía la temperatura del evaporador. El defecto de eficiencia de la válvula de expansión se reduce al aumentar la temperatura del evaporador hasta -10 °C y luego aumenta, como se ve en el gráfico. RE170, R429A, R435A y R510A tienen menores defectos de eficiencia de la válvula de expansión que R134a, según los resultados37,38,39.

Defecto de eficiencia de la válvula de expansión en función de la temperatura del evaporador.

Para RE170, R429A, R435A, R510A y R134a, la Fig. 8 muestra el efecto de una falla de eficiencia del evaporador en función de la temperatura del evaporador. El defecto de eficiencia del evaporador aumenta cuando la temperatura en el evaporador aumenta a -15 °C y luego disminuye, como se ve en el gráfico. La falla de eficiencia del evaporador para R510A, R435A, R429A y RE170 es mayor que para R134a, según los resultados40,41.

Defecto de eficiencia del evaporador en función de la temperatura del evaporador.

El efecto de una falla de eficiencia del intercambiador de calor de la línea de succión en la temperatura del evaporador para RE170, R429A, R435A, R510A y R134a se muestra en la Fig. 9. Cuando la temperatura en el evaporador aumenta, el defecto de eficiencia en el intercambiador de calor de la línea de succión se reduce. como se muestra en el gráfico. Los resultados muestran que RE170, R429A, R435A y R510A tienen menores defectos de eficiencia en el intercambiador de calor de la línea de succión que el R134a. El intercambiador de calor (línea de succión-tubo capilar) logró una buena mejora en COP y efectividad en comparación con el tubo capilar de referencia (sin succión). línea) debido al aumento de la zona de subenfriamiento42,43,44.

Defecto de eficiencia del intercambiador de calor en función de la temperatura del evaporador.

Se investiga el rendimiento del sistema VCR según la segunda ley para los refrigerantes R510A, R435A, R429A y RE170. En el parámetro de rendimiento, se muestran los impactos de la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación.

Las observaciones en este análisis se dan a continuación.

Los refrigerantes R429A y R510A son más eficientes energéticamente que el R134a en un rango de temperatura de condensación de 30 a 55 °C a una temperatura de evaporación de -10 °C. respectivamente.

En el compresor, la pérdida de exergía es del 37 al 40% de la pérdida total de exergía, que es mayor que las otras pérdidas en varios componentes.

La mayoría de los defectos de eficiencia con R429A y R510A en el sistema son sistemáticamente mejores que con R134a.

Los defectos de mayor eficiencia se obtuvieron utilizando refrigerantes seleccionados en compresor, condensador y evaporador.

Al emplear RE170 y sus mezclas, el sistema de refrigeración por compresión de vapor generalmente funciona mejor según la segunda ley que el R134a.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Dimetil éter

Potencial de calentamiento global

Agotamiento de la capa de ozono

Punto de ebullición normal

Hidrofluorocarbono

Refrigeración por compresión de vapor

Exergía (kW)

Entalpía (kJ/kg)

Temperatura (°C)

Entropía (kJ/kg.K)

Caudal másico (kg/seg)

Irreversibilidad en evaporador (kW)

Efecto de refrigeración (kW)

Temperatura del evaporador (°C)

Potencia eléctrica (kW)

Calor disipado en el condensador (kW)

Irreversibilidad en condensador (kW)

Temperatura del condensador (°C)

Irreversibilidad total (°C)

Irreversibilidad en válvula de expansión (kW)

Irreversibilidad en compresor (kW)

Defecto de eficiencia en válvula de expansión.

Defecto de eficiencia en el compresor.

Defecto de eficiencia en el condensador.

Defecto de eficiencia en el evaporador

Eficiencia exergetica

Generación de entropía (kW/K)

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A. Baskaran y N. Manikandan

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

N. Nagaprasad

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

Krishnaraj Ramaswamy

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Dambi Dollo, Dambi Dollo, Etiopía

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Correspondencia a Krishnaraj Ramaswamy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Baskaran, A., Manikandan, N., Nagaprasad, N. et al. Evaluación de la segunda ley del dimetil éter y sus mezclas en sistemas de refrigeración domésticos. Representante científico 13, 275 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27600-9

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Recibido: 24 de septiembre de 2022

Aceptado: 04 de enero de 2023

Publicado: 06 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27600-9

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