家庭用冷凍システムにおけるジメチルエーテルおよびその混合物の第二法則評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 275 (2023) この記事を引用

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この研究の第二法則分析では、ジメチルエーテル (DME) とその冷媒ブレンド (R429A、R435A、および R510A) が R134a の代替品として検討されています。蒸気圧縮冷凍システムにおけるさまざまな冷媒の性能は、設計パッケージ CYCLE D を使用して検査されます。ソフトウェア REFPROP 9.0 を使用して、DME およびその冷媒ブレンドの熱的および物理的パラメータをすべて抽出します。効率欠陥、エントロピー生成、ExergyEfficiency などの第 2 法則パフォーマンスパラメーターについて説明します。冷媒 R429A および R510A は、蒸発温度 -10 °C で凝縮温度 30 ～ 55 °C の範囲にわたって R134a よりもエネルギー効率が高くなります。 R134a は、発熱効率の点で R429A と R510A がそれぞれ 2.08 % と 0.43% 上回りました。さまざまなコンポーネントの他の損失と比較して、コンプレッサーのエクセルギー損失は総エクセルギー損失の 37 ～ 40% と大きくなります。 RE170 とそのブレンドを採用することにより、蒸気圧縮冷凍システムは多くの場合、第 2 法則の下で R134a よりも優れた性能を発揮します。

結果は、圧縮機の効率欠陥が最も大きく、次に凝縮器と蒸発器が続くことを示しています。したがって、圧縮機の設計の改善は、全体の不可逆性を低下させてシステムの性能を向上させるために最も重要です。

R134a は、ODP と GWP1,2 が高い CFC の代替として家庭用冷蔵庫 (GWP 1430) に有効に使用されています。 1997 年の京都議定書では、これを温室効果ガスとして指定しました。したがって、その生産と使用は今後数十年以内に終了するでしょう。その結果、環境に優しい冷媒がその代わりとなるでしょう3、4。 EU の規制によれば、現在、GWP の低い代替冷媒を見つけることが不可欠となっています5,6。表 1 に、調査対象の冷媒の物理的特性を示します。 Nicholas Cox7 氏によると、温度の変化や分離がないため、ジメチルエーテルは炭化水素ブレンドよりも優れた性能を発揮します。 Valentinapostol ら 8 は、冷凍システム内で冷媒 R717、R12、R134A、R22、DME、および混合 R404A、R407C を使用して比較熱力学分析を行っています。この研究の結果によると、DME は冷媒として利用でき、R12 および R134a の優れた代替品となる可能性があります。

BM Adamson9 によれば、ジメチルエーテル (DME、C2H6O) は、R134a の代替品として多くの望ましい特性を備えています。これらのいくつかには、強化された熱伝達能力、天然潤滑剤による好ましい圧力/温度安定性、比較的安価で迅速なアクセスなどが挙げられます。また、環境にも非常に優しく、冷凍システムに使用されるほとんどの材料と互換性があります。

さまざまな研究者10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31はVCRの熱性能を分析しました。 DME とそのブレンドを使用したシステム。この結果は、調査した冷媒が R134a の代替候補として適合することを示しています。 Ki-Jung Park ら 32 は、R429A を使用して家庭用浄水器の性能を調査しました。結果は、R134a と比較して、コンプレッサーの吐出温度とエネルギー消費量が 13.40 ℃、28.9% 低いことを示しています。 Choedaeseong ら 33 は、R134a 家庭用浄水器の代替品として R435A (DME と R152a の組み合わせ) の性能を調査しました。 HFC 134a と比較して、電力使用量と放出温度はそれぞれ 12.7% と 3.7 °C 低くなりました。 Ki-Jung Park ら 34 は、R510A の使用を通じて家庭用浄水器の性能を調査しました。その結果、R134a35,36と比較すると、コンプレッサーの吐出温度とエネルギー消費量が3.70℃、22.3%低いことが分かりました。この研究では、R134a の代替候補として冷媒 RE170、R429A、R435A、および R510A を使用して、システムの第 2 法則性能を調査します。

図1と図2に冷凍システムのブロック図とP-H線図を示します。

冷凍システムのブロック図。

P-H 線図冷凍システム。

動作サイクルの詳細は以下の通りです。

等エントロピー圧縮 (ステージ 1 ～ 2)。

結露 (ステージ 2 ～ 3)。

スロットリング (ステージ 3 ～ 4)。

蒸発 (ステージ 4–1)。

さまざまな成分のエクセルギー解析に使用される方程式は次のとおりです。

エクセルギー:

蒸発器:

熱の吸収

エクセルギー損失、

コンプレッサー:

エクセルギー損失、

コンデンサー：

エクセルギー損失、

膨張弁:

エクセルギー損失、

総エクセルギー損失、

効率の欠陥:

コンプレッサーの場合、

コンデンサー、

膨張弁、

蒸発器、

エクセルギー効率、

R134a、ジメチルエーテル、および以下の選択された混合物の適用について、理論的研究が実施されました。

R510A は、RE170 と R600a の 88% と 12% のブレンドで構成されています。

R435A は、RE170 と R152a の 80% と 20% のブレンドで構成されています。

R 429A は、RE170、R600a、および R152a の 60%、30%、および 10% の混合物で構成されています。

CYCLE D 4.0 プログラム 36 を使用して蒸気圧縮冷凍システムの動作を検査する際には、次の条件が考慮されました。

コンプレッサーの等エントロピー効率と体積効率は 0.75 です。

冷却能力 = 1.00 kW。

電気モーターの効率 = 0.75。

吸込ライン熱交換器効率 = 0.80。

エバポレーターの動作温度 = − 50 °C ～ + 20 °C。

凝縮器の動作温度 = 45 °C。

過熱温度 = 10 °C。

過冷却温度 = 5 °C。

研究に必要なエンタルピーとエントロピーの値を取得するには、REFPROP 9.0 が使用されます 35。この理論的研究では、システムコンポーネントのエネルギー効率 (Ex.eff) と効率欠陥 (Exd) の影響を調査します。蒸発温度と凝縮温度に対するエクセルギー効率の変化を図2と図3に示します。それぞれ3と4。システムコンポーネントの効率欠陥 (Exd) の変動を図 5 から 6 にプロットします。VCR システムの第 2 法則性能パラメータの観察と偏差を表 2 と表 3 に示します。さまざまなコンポーネントでのエントロピーの生成を示します。表 4 にさまざまなコンポーネントのエクセルギー損失を表 5 に示します。

蒸発温度の関数としてのエクセルギー効率。

エクセルギー効率と凝縮温度。

図 3 は、蒸発温度の変化における発熱効率 (ηex) の影響を示しています。蒸発器の温度が上昇すると、エクセルギー効率は最適蒸発器温度まではさらに増加しますが、それ以降は減少します。最も発熱効率は最適な蒸発器温度で達成されます。エクセルギー効率の違いは 2 つの要因によって引き起こされます。一つはエクセルギーです。 2番目の問題は、コンプレッサーで行わなければならない作業です。蒸発器の温度が上昇すると、コンプレッサーの仕事が減少します。結果として、これら 2 つの要素は、最適蒸発器温度に達するまでエクセルギー効率を向上させ、それを超えると温度は低下します。蒸発温度が低い場合、冷媒 R429A は R134a よりもエネルギー効率が高くなります。蒸発温度が上昇すると、選択されたすべての冷媒の発熱効率が向上します。幅広い蒸発温度にわたって、R429A は R134a よりも高い発熱効率値を示します。 R429A は R134a よりも 1.6 ～ 2.3% 優れた発熱効率を持っています。

発熱効率 (ex) に対する凝縮温度の影響を図 4 に示します。凝縮器温度が上昇すると、発熱効率は低下します。凝縮温度が低い場合、冷媒 R429A は R134a よりもエネルギー効率が高くなります。より高い凝縮温度では、選択されたすべての冷媒の発熱効率が向上します。広範囲の凝縮温度にわたって、R429A および R510A は R134a よりも高い発熱効率を示します。 R429A は R134a よりも 0.30 ～ 2.49% 高い発熱効率を持っています。

図 5 は、さまざまな蒸発器温度における、R510A、RE170、R429A、R435A、および R134a の圧縮機の効率欠陥の影響を示しています。グラフに示すように、蒸発器内の温度が上昇するにつれて、コンプレッサー効率の欠陥が増大します。結果は、R510A、R435A、R429A、および RE170 は、R134a よりもコンプレッサー効率の欠陥が少ないことを示しています。

蒸発器温度の関数としてのコンプレッサー効率の欠陥。

図 6 は、蒸発器温度を変化させた場合の R510A、RE170、R429A、R435A、および R134a の凝縮器の効率欠陥の影響を示しています。この図は、蒸発器温度が -25 °C まで上昇するにつれて凝縮器効率の欠陥が減少し、その後増加することを示しています。この結果は、調査した冷媒の凝縮器効率の欠陥が R134a の欠陥よりも大きいことを示しています。

蒸発器温度の関数としての凝縮器効率の欠陥。

RE170、R429A、R435A、R510A、および R134a について、図 7 は蒸発器温度の変化に伴う膨張弁の効率障害の影響を示しています。グラフに見られるように、膨張弁の効率欠陥は、蒸発器温度が -10 °C まで上昇すると減少し、その後増加します。結果によると、RE170、R429A、R435A、および R510A は、R134a よりも膨張弁効率の欠陥が低い37、38、39。

蒸発器温度の関数としての膨張弁の効率欠陥。

RE170、R429A、R435A、R510A、および R134a について、図 8 は蒸発器温度の関数として蒸発器効率障害の影響を示しています。グラフに見られるように、蒸発器内の温度が - 15 °C まで上昇し、その後低下すると、蒸発器効率の欠陥が増加します。結果によると、R510A、R435A、R429A、および RE170 の蒸発器効率の障害は R134a よりも高くなります40、41。

蒸発器温度の関数としての蒸発器効率の欠陥。

RE170、R429A、R435A、R510A、および R134a の蒸発器温度に対する吸入ライン熱交換器の効率不良の影響を図 9 に示します。蒸発器内の温度が上昇すると、吸入ライン熱交換器の効率不良は減少します。グラフに示されているように。結果は、RE170、R429A、R435A、および R510A は、R134a よりも吸引ライン熱交換器の効率欠陥が低いことを示しています。熱交換器 (吸引ライン - 毛細管) は、基準毛細管 (吸引なし) と比較して、COP と効率が大幅に向上しました。線）過冷却ゾーンの増加による42、43、44。

蒸発器温度の関数としての熱交換器効率の欠陥。

第 2 法則に基づく VCR システムの性能は、冷媒 R510A、R435A、R429A、および RE170 について調査されています。性能パラメータに関しては、蒸発温度と凝縮温度の影響が示されています。

この分析における観察結果は次のとおりです。

冷媒 R429A および R510A は、蒸発温度 -10 °C で凝縮温度 30 ～ 55 °C の範囲にわたって、R134a よりもエネルギー効率が高くなります。R429A および R510A は、R134a よりも発熱効率が 0.31 ～ 2.46% および 0.37 ～ 1.29% 優れていました。それぞれ。

コンプレッサーにおけるエクセルギー損失は、総エクセルギー損失の 37 ～ 40% であり、さまざまなコンポーネントの他の損失よりも高くなります。

システム内の R429A および R510A の主な効率の欠陥は、体系的に R134a よりも優れています。

圧縮機、凝縮器、蒸発器で選択した冷媒を使用すると、最高効率の欠陥が得られました。

RE170 とそのブレンドを採用することにより、蒸気圧縮冷凍システムは一般に、第 2 法則の下で R134a よりも優れた性能を発揮します。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ジメチルエーテル

地球温暖化係数

オゾン層破壊

標準沸点

ハイドロフロカーボン

蒸気圧縮冷凍

エクセルギー(kW)

エンタルピー (kJ/kg)

温度(℃)

エントロピー (kJ/kg.K)

質量流量(kg/秒)

蒸発器における不可逆性 (kW)

冷凍効果(kW)

蒸発器温度 (°C)

電力(kW)

凝縮器での放散熱 (kW)

凝縮器の不可逆性 (kW)

凝縮器温度(℃)

合計不可逆性 (°C)

膨張弁の不可逆性（kW）

コンプレッサーの不可逆性 (kW)

膨張弁の効率不良

コンプレッサーの効率不良

コンデンサーの効率不良

蒸発器の効率欠陥

エクセルギー効率

エントロピー生成 (kW/K)

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バスカラン、A.、マニカンダン、N.、ナガプラサド、N. 他家庭用冷凍システムにおけるジメチルエーテルおよびその混合物の第二法則評価。 Sci Rep 13、275 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27600-9

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受信日: 2022 年 9 月 24 日

受理日: 2023 年 1 月 4 日

公開日: 2023 年 1 月 6 日

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