Bewertung des zweiten Gesetzes von Dimethylether und seinen Mischungen in häuslichen Kühlsystemen

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 275 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Dimethylether (DME) und seine Kältemittelmischung (R429A, R435A und R510A) werden in der zweiten Hauptsatzanalyse dieser Studie als potenzieller Ersatz für R134a betrachtet. Die Leistung verschiedener Kältemittel in einem Dampfkompressionskältesystem wird mit dem Designpaket CYCLE D untersucht. Die Software REFPROP 9.0 wird verwendet, um alle thermischen und physikalischen Parameter von DME und seiner Kältemittelmischung zu extrahieren. Die Leistungsparameter des zweiten Hauptsatzes wie Effizienzdefekte, Entropieerzeugung und Exergieeffizienz werden diskutiert. Die Kältemittel R429A und R510A sind in einem Verflüssigungstemperaturbereich von 30 bis 55 °C bei − 10 °C Verdampfungstemperatur energieeffizienter als R134a. R134a wurde von R429A und R510A hinsichtlich der exergetischen Effizienz um 2,08 bzw. 0,43 % übertroffen. Im Vergleich zu anderen Verlusten in anderen Komponenten ist der Exergieverlust des Kompressors mit 37–40 % des gesamten Exergieverlusts größer. Durch den Einsatz von RE170 und seinen Mischungen erzielt das Dampfkompressionskältesystem nach dem zweiten Hauptsatz häufig eine bessere Leistung als R134a.

Das Ergebnis zeigt, dass die Effizienzmängel beim Kompressor am größten sind, gefolgt vom Kondensator und Verdampfer. Daher ist die konstruktive Verbesserung eines Kompressors vor allem für die Verbesserung der Systemleistung durch Verringerung der Gesamtirreversibilität von Bedeutung.

R134a wird effektiv in Haushaltskühlschränken (GWP 1430) als Alternative zu FCKW verwendet, das einen hohen ODP und GWP1,2 aufweist. Im Kyoto-Protokoll von 1997 wurde es als Treibhausgas eingestuft; Daher wird seine Produktion und Nutzung in den nächsten Jahrzehnten eingestellt. Dadurch werden umweltfreundliche Kältemittel an ihre Stelle treten3,4. Gemäß den EU-Vorschriften ist es nun unerlässlich, ein Ersatzkältemittel mit einem niedrigen GWP5,6 zu finden. Tabelle 1 listet die physikalischen Eigenschaften der untersuchten Kältemittel auf. Laut Nicholas Cox7 führt das Fehlen von Temperaturgleiten und -trennung dazu, dass der Dimethylether eine bessere Leistung erbringt als die Kohlenwasserstoffmischung. Valentinapostol et al.8 führen eine vergleichende thermodynamische Analyse mit den Kältemitteln R717, R12, R134A, R22, DME und einer Mischung aus R404A und R407C in einem Kühlsystem durch. Den Ergebnissen dieser Studie zufolge könnte DME als Kältemittel und ein guter Ersatz für R12 und R134a eingesetzt werden.

Der Dimethylether (DME, C2H6O) besitzt laut BM Adamson9 eine Reihe wünschenswerter Eigenschaften als Ersatz für R134a. Einige davon sind verbesserte Wärmeübertragungsfähigkeiten, günstige Druck-/Temperaturstabilität mit natürlichen Schmiermitteln, relativ kostengünstig und schneller Zugang. Es ist außerdem sehr umweltfreundlich und mit den meisten Materialien kompatibel, die in Kühlsystemen verwendet werden.

Verschiedene Forscher10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 analysierten die thermische Leistung von Videorecordern Systeme mit DME und seinen Mischungen. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass die untersuchten Kältemittel als mögliche Alternativen zu R134a gelten. Ki-Jung Park et al.32 untersuchten die Leistung von Haushaltswasserreinigern mit R429A. Die Ergebnisse zeigen, dass die Austrittstemperatur des Kompressors und der Energieverbrauch im Vergleich zu R134a um 13,40 °C und 28,9 % niedriger sind. Choedaeseong et al.33 untersuchten die Leistung von R435A (eine Kombination aus DME und R152a) als Ersatz für R134a-Hauswasserreiniger. Im Vergleich zu HFKW 134a waren der Stromverbrauch und die Freisetzungstemperaturen um 12,7 % bzw. 3,7 °C niedriger. Mithilfe von R510A untersuchten Ki-Jung Park et al.34 die Leistung von Haushaltswasserreinigern. Das Ergebnis zeigt, dass die Auslasstemperatur des Kompressors und der Energieverbrauch im Vergleich zu R134a35,36 um 3,70 °C und 22,3 % niedriger sind. In dieser Studie wird die Leistung des Systems nach dem zweiten Hauptsatz mit den Kältemitteln RE170, R429A, R435A und R510A als mögliche Alternativen zu R134a untersucht.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen das Blockdiagramm und das PH-Diagramm der Kälteanlage.

Blockschaltbild einer Kühlanlage.

P-H-Diagramm-Kühlsystem.

Die Einzelheiten des Betriebszyklus sind wie folgt.

Isentrope Kompression (Stadium 1–2).

Kondensation (Stufe 2–3).

Drosselung (Stufe 3–4).

Verdunstung (Stufe 4–1).

Die für die Exergieanalyse in verschiedenen Komponenten verwendeten Gleichungen:

Exergie:

Verdampfer:

Wärmeableitung

Exergieverluste,

Kompressor:

Exergieverlust,

Kondensator:

Exergieverlust,

Expansionsventil:

Exergieverlust,

Totaler Exergieverlust,

Effizienzmangel:

Für Kompressor,

Kondensator,

Expansionsventil,

Verdampfer,

Exergieeffizienz,

Für den Einsatz von R134a, Dimethylether und den folgenden ausgewählten Mischungen wurde eine theoretische Studie durchgeführt.

R510A besteht zu 88 % und zu 12 % aus einer Mischung aus RE170 und R600a.

R435A besteht zu 80 % und zu 20 % aus einer Mischung von RE170 und R152a

R 429A besteht zu 60 %, 30 % und 10 % aus einer Mischung aus RE170, R600a und R152a.

Bei der Untersuchung des Verhaltens der Dampfkompressionskälteanlage mit dem Programm CYCLE D 4.036 wurden folgende Bedingungen berücksichtigt.

Der isentrope und volumetrische Wirkungsgrad des Kompressors = 0,75.

Kühlleistung = 1,00 kW.

Der Wirkungsgrad des Elektromotors = 0,75.

Wirkungsgrad des Saugleitungswärmetauschers = 0,80.

Betriebstemperatur des Verdampfers = − 50 °C bis + 20 °C.

Betriebstemperatur des Kondensators = 45 °C.

Überhitzungstemperatur = 10 °C.

Unterkühlungstemperatur = 5 °C.

Um die für die Studie erforderlichen Enthalpie- und Entropiewerte zu erhalten, wird REFPROP 9.0 verwendet35. Diese theoretische Studie untersucht die Auswirkungen von energetischer Effizienz (Ex.eff) und Effizienzmängeln (Exd) in Systemkomponenten. Die Variation der Exergieeffizienz in Abhängigkeit von der Verdampfungs- und Kondensationstemperatur ist in den Abbildungen dargestellt. 3 bzw. 4. Die Variation der Effizienzdefekte (Exd) in den Systemkomponenten ist in den Abbildungen 5 bis 6 dargestellt. Die Beobachtungen und Abweichungen der Leistungsparameter des zweiten Hauptsatzes im VCR-System sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Die Entropieerzeugung in verschiedenen Komponenten wird dargestellt in Tabelle 4. Exergieverluste in verschiedenen Komponenten sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Exergieeffizienz als Funktion der Verdampfungstemperatur.

Exergieeffizienz und Kondensationstemperatur.

Abbildung 3 zeigt die Auswirkung der exergetischen Effizienz (ηex) bei sich ändernden Verdampfungstemperaturen. Wenn die Temperatur des Verdampfers steigt, steigt die Exergieeffizienz bis zur optimalen Verdampfertemperatur weiter an und sinkt danach wieder ab. Der höchste exergetische Wirkungsgrad wird bei optimaler Verdampfertemperatur erreicht. Der Unterschied in der Exergieeffizienz wird durch zwei Dinge verursacht. Einer davon ist die Exergie. Das zweite Problem betrifft die Arbeiten, die am Kompressor durchgeführt werden müssen. Wenn die Temperatur des Verdampfers steigt, nimmt die Arbeit des Kompressors ab. Dadurch verbessern diese beiden Elemente die Exergieeffizienz, bis die optimale Verdampfertemperatur erreicht ist, bei deren Überschreiten sie abfällt. Bei niedrigeren Verdampfungstemperaturen weist das Kältemittel R429A eine höhere Energieeffizienz auf als R134a. Bei steigenden Verdampfungstemperaturen hat sich die exergetische Effizienz aller ausgewählten Kältemittel verbessert. Über einen weiten Verdampfungstemperaturbereich hat R429A einen höheren exergetischen Wirkungsgrad als R134a. R429A hat einen um 1,6–2,3 % besseren exergetischen Wirkungsgrad als R134a.

Der Einfluss der Kondensationstemperaturen auf den exergetischen Wirkungsgrad (ex) ist in Abb. 4 dargestellt. Der exergetische Wirkungsgrad nimmt mit steigenden Kondensatortemperaturen ab. Bei niedrigeren Kondensationstemperaturen weist das Kältemittel R429A eine höhere Energieeffizienz auf als R134a. Bei höheren Kondensationstemperaturen hat sich die exergetische Effizienz aller ausgewählten Kältemittel verbessert. R429A und R510A haben über einen weiten Verflüssigungstemperaturbereich eine höhere exergetische Effizienz als R134a. R429A hat einen um 0,30–2,49 % höheren exergetischen Wirkungsgrad als R134a.

Abb. 5 zeigt die Auswirkung eines Effizienzmangels im Kompressor bei unterschiedlichen Verdampfertemperaturen für R510A, RE170, R429A, R435A und R134a. Der Wirkungsgradfehler des Kompressors nimmt zu, wenn die Temperatur im Verdampfer steigt, wie in der Grafik dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass R510A, R435A, R429A und RE170 weniger Mängel bei der Kompressoreffizienz aufweisen als R134a.

Defekt der Kompressoreffizienz als Funktion der Verdampfertemperatur.

Abbildung 6 zeigt die Auswirkung eines Effizienzdefekts im Kondensator für R510A, RE170, R429A, R435A und R134a bei variierender Verdampfertemperatur. Die Abbildung zeigt, dass der Effizienzdefekt des Kondensators mit einem Anstieg der Verdampfertemperatur auf bis zu –25 °C abnimmt und dann zunimmt. Das Ergebnis zeigt, dass die Kondensatoreffizienzmängel bei den untersuchten Kältemitteln größer sind als bei R134a.

Defekt der Kondensatoreffizienz als Funktion der Verdampfertemperatur.

Für RE170, R429A, R435A, R510A und R134a zeigt Abb. 7 die Auswirkung eines Effizienzausfalls eines Expansionsventils bei schwankender Verdampfertemperatur. Der Effizienzdefizit des Expansionsventils verringert sich mit zunehmender Verdampfertemperatur bis zu – 10 °C und nimmt danach zu, wie in der Grafik dargestellt. Den Ergebnissen zufolge weisen RE170, R429A, R435A und R510A geringere Mängel bei der Effizienz des Expansionsventils auf als R134a37,38,39.

Defekt der Effizienz des Expansionsventils als Funktion der Verdampfertemperatur.

Für RE170, R429A, R435A, R510A und R134a zeigt Abb. 8 die Auswirkung eines Verdampfereffizienzfehlers als Funktion der Verdampfertemperatur. Der Effizienzfehler des Verdampfers nimmt zu, wenn die Temperatur im Verdampfer auf –15 °C ansteigt und dann abfällt, wie in der Grafik dargestellt. Den Ergebnissen zufolge ist der Verdampfereffizienzfehler für R510A, R435A, R429A und RE170 höher als für R134a40,41.

Defekt der Verdampfereffizienz als Funktion der Verdampfertemperatur.

Die Auswirkung eines Wirkungsgradfehlers des Saugleitungswärmetauschers auf die Verdampfertemperatur für RE170, R429A, R435A, R510A und R134a ist in Abb. 9 dargestellt. Wenn die Temperatur im Verdampfer steigt, verringert sich der Wirkungsgradfehler im Saugleitungswärmetauscher. wie in der Grafik dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass RE170, R429A, R435A und R510A geringere Leistungsdefekte des Saugleitungswärmetauschers aufweisen als R134a. Der Wärmetauscher (Saugleitung-Kapillarrohr) erzielte im Vergleich zum Referenzkapillarrohr (ohne Saugleitung) eine gute Steigerung des COP und der Wirksamkeit Leitung) aufgrund der Vergrößerung der Unterkühlzone42,43,44.

Defekt der Wärmetauschereffizienz als Funktion der Verdampfertemperatur.

Die Leistung des VCR-Systems nach dem zweiten Hauptsatz wird für die Kältemittel R510A, R435A, R429A und RE170 untersucht. Auf den Leistungsparameter werden die Auswirkungen der Verdampfungstemperatur und der Verflüssigungstemperatur dargestellt.

Die Beobachtungen in dieser Analyse werden wie folgt wiedergegeben.

Die Kältemittel R429A und R510A sind über einen Kondensationstemperaturbereich von 30 bis 55 °C bei − 10 °C Verdampfungstemperatur energieeffizienter als R134a. R429A und R510A hatten einen um 0,31–2,46 % bzw. 0,37–1,29 % besseren exergetischen Wirkungsgrad als R134a. jeweils.

Im Kompressor beträgt der Exergieverlust 37–40 % des gesamten Exergieverlusts und ist damit höher als die anderen Verluste in verschiedenen Komponenten.

Meistens ist der Wirkungsgrad bei R429A und R510A im System systematisch besser als bei R134a.

Die höchsten Effizienzmängel wurden bei ausgewählten Kältemitteln in Kompressor, Kondensator und Verdampfer erzielt.

Durch den Einsatz von RE170 und seinen Mischungen erzielt das Dampfkompressionskältesystem im Allgemeinen eine bessere Leistung nach dem zweiten Hauptsatz als R134a.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Dimethylether

Treibhauspotenzial

Ozonschichtabbau

Normaler Siedepunkt

Hydrofluorkohlenstoff

Dampfkompressionskühlung

Exergie (kW)

Enthalpie (kJ/kg)

Temperatur (°C)

Entropie (kJ/kg.K)

Massendurchfluss (kg/s)

Irreversibilität im Verdampfer (kW)

Kühlwirkung (kW)

Verdampfertemperatur (°C)

Elektrische Leistung (kW)

Im Kondensator abgegebene Wärme (kW)

Irreversibilität im Kondensator (kW)

Kondensatortemperatur (°C)

Totale Irreversibilität (°C)

Irreversibilität im Expansionsventil (kW)

Irreversibilität im Kompressor (kW)

Leistungsdefekt im Expansionsventil

Effizienzdefekt im Kompressor

Effizienzdefekt im Kondensator

Effizienzdefekt im Verdampfer

Exergieeffizienz

Entropieerzeugung (kW/K)

Baskaran, A., Manikandan, N., Tesfaye, JL, Nagaprasad, N. & Krishnaraj, R. Untersuchung der Exergieleistung umweltfreundlicher Kältemittelmischungen als Alternative zu R134a in einem Haushaltskühlschrank. Int. J. Photoenergy 2022, 1–9 (2022).

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Krishnaraj Ramaswamy

Fakultät für Maschinenbau, Dambi Dollo University, Dambi Dollo, Äthiopien

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Baskaran, A., Manikandan, N., Nagaprasad, N. et al. Bewertung des zweiten Gesetzes von Dimethylether und seinen Mischungen in häuslichen Kühlsystemen. Sci Rep 13, 275 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27600-9

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Eingegangen: 24. September 2022

Angenommen: 04. Januar 2023

Veröffentlicht: 06. Januar 2023

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

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