Evaluación de la segunda ley del dimetil éter y sus mezclas en el sistema de refrigeración doméstico

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

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Detalles de métricas

El éter dimetílico (DME) y su mezcla de refrigerantes (R429A, R435A y R510A) se consideran en el análisis de la segunda ley de este estudio como posibles reemplazos del R134a. El desempeño de varios refrigerantes en un sistema de refrigeración por compresión de vapor se examina usando el paquete de diseño CYCLE D. El software REFPROP 9.0 se usa para extraer todos los parámetros térmicos y físicos de DME y su mezcla de refrigerantes. Se discuten los parámetros de rendimiento de la segunda ley, como los defectos de eficiencia, la generación de entropía y la eficiencia de exergía. 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, del 37 al 40 % de la pérdida de exergía total. 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 más grandes, seguido del condensador y el evaporador. Por lo tanto, la mejora del diseño de un compresor es de suma importancia para mejorar el rendimiento del sistema al reducir la irreversibilidad general.

El R134a se usa efectivamente en refrigeradores domésticos (GWP 1430) como una alternativa al CFC, que tiene un PAO alto y un GWP1,2. El Protocolo de Kioto de 1997 lo designó como gas de efecto invernadero; por lo tanto, su producción y uso terminarán en las próximas décadas. Como resultado, los refrigerantes ecológicos ocuparán su lugar3,4. De acuerdo con las regulaciones de la UE, ahora es esencial encontrar un refrigerante de reemplazo 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 éter dimetílico funcione mejor que la mezcla de hidrocarburos. Valentinapostol et al.8 realizan un análisis termodinámico comparativo utilizando refrigerantes R717, R12, R134A, R22, DME y mezclan R404A, R407C en un sistema de refrigeración. El DME podría utilizarse como refrigerante y como un buen sustituto del R12 y el R134a, según los hallazgos de este estudio.

El dimetiléter (DME, C2H6O), según BM Adamson9, posee una serie de características deseables como sustituto del R134a. Algunos de estos son capacidades mejoradas de transferencia de calor, estabilidad favorable de presión/temperatura con lubricantes naturales, acceso rápido y relativamente económico. También es muy ecológico y es 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 VCR sistemas con DME y sus mezclas. El resultado indica que los refrigerantes investigados se conforman 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% inferior al compararlo con el R134a. Choedaeseong et al.33 investigaron el rendimiento del R435A (una combinación de DME y R152a) como reemplazo de los purificadores de agua domésticos R134a. En comparación con el HFC 134a, las temperaturas de uso y liberación de electricidad fueron, respectivamente, un 12,7 % y 3,7 °C más bajas. 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% inferior al compararlo 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 y el diagrama P–H del sistema de refrigeración.

Diagrama de bloques de un sistema de refrigeración.

Diagrama P-H del sistema de refrigeración.

Los detalles del ciclo operativo son los siguientes.

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, Di metil éter y las siguientes mezclas seleccionadas, se realizó un estudio teórico.

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

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

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

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

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

Capacidad frigorífica = 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 emplea REFPROP 9.035. Este estudio teórico examina el impacto de la eficiencia energética (Ex.eff) y fallas 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 representan 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 temperatura para la evaporación. Cuando la temperatura del evaporador aumenta, la eficiencia exergética aumenta aún más hasta la temperatura óptima del evaporador, y después de eso, disminuirá. 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. El segundo problema es el trabajo que debe hacerse en el compresor. A medida que aumenta la temperatura del evaporador, disminuye el trabajo del compresor. 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, ha mejorado la eficiencia exergética de todos los refrigerantes elegidos. En una amplia gama de temperaturas de evaporación, el R429A tiene un valor de eficiencia exergética más alto que el R134a. El R429A tiene una eficiencia exergética de 1,6 a 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 aumenta la temperatura 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 una amplia gama de temperaturas de condensación, el R429A y el R510A tienen una eficiencia exergética más alta que el R134a. El R429A tiene una eficiencia exergética entre un 0,30 y un 2,49 % superior a la del R134a.

Con varias temperaturas del 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 de evaporador variable. 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 para 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 en la 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 defectos de eficiencia de válvula de expansión más bajos 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 sube 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 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 del 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 el COP y la 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 desempeño del sistema VCR bajo 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. El R429A y el R510A tuvieron una mejor eficiencia exergética que el R134a en un 0,31–2,46 % y un 0,37–1,29 %. respectivamente.

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

La mayor parte del defecto de eficiencia con R429A y R510A en el sistema es sistemáticamente mejor que 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 pedido 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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Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería y Tecnología de Pensilvania, Pollachi, 642002, Tamilnadu, India

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 de Dambi Dollo, Dambi Dollo, Etiopía

Krishnaraj Ramaswamy

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Correspondencia a Krishnaraj Ramaswamy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Baskaran, A., Manikandan, N., Nagaprasad, N. et al. Evaluación de la segunda ley del dimetil éter y sus mezclas en el sistema de refrigeración doméstico. Informe 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 enero 2023

Publicado: 06 enero 2023

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

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