Évaluation de la deuxième loi de l'éther diméthylique et de ses mélanges dans le système de réfrigération domestique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 275 (2023) Citer cet article

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L'éther diméthylique (DME) et son mélange de réfrigérants (R429A, R435A et R510A) sont considérés dans l'analyse de la deuxième loi de cette étude comme des substituts potentiels du R134a. Les performances de divers réfrigérants dans un système de réfrigération à compression de vapeur sont examinées à l'aide du progiciel de conception CYCLE D. Le logiciel REFPROP 9.0 est utilisé pour extraire tous les paramètres thermiques et physiques du DME et de son mélange de réfrigérants. Les paramètres de performance de la deuxième loi tels que les défauts d'efficacité, la génération d'entropie et l'efficacité exergétique sont discutés. Les réfrigérants R429A et R510A sont plus économes en énergie que le R134a sur une plage de température de condensation de 30 à 55 °C à une température d'évaporation de − 10 °C. Le R134a a été dépassé par le R429A et le R510A en termes d'efficacité exergétique de 2,08 et 0,43 %, respectivement. Par rapport à d'autres pertes dans différents composants, la perte d'exergie du compresseur est supérieure à 37 à 40% de la perte d'exergie totale. En utilisant le RE170 et ses mélanges, le système de réfrigération à compression de vapeur fonctionne souvent mieux selon la deuxième loi que le R134a.

Le résultat montre que les défauts d'efficacité du compresseur sont les plus importants, suivis du condenseur et de l'évaporateur. Ainsi, l'amélioration de la conception d'un compresseur est tout au plus importante pour améliorer les performances du système en réduisant l'irréversibilité globale.

Le R134a est effectivement utilisé dans les réfrigérateurs domestiques (GWP 1430) comme alternative au CFC, qui a un ODP et un GWP1,2 élevés. Le protocole de Kyoto de 1997 l'a désigné comme gaz à effet de serre ; ainsi, sa production et son utilisation prendront fin dans les prochaines décennies. En conséquence, les réfrigérants écologiques prendront leur place3,4. Selon la réglementation européenne, il est désormais indispensable de trouver un fluide frigorigène de remplacement à faible GWP5,6. Le tableau 1 énumère les caractéristiques physiques des fluides frigorigènes étudiés. Selon Nicholas Cox7, l'absence de glissement de température et de séparation rend l'éther diméthylique plus performant que le mélange d'hydrocarbures. Valentinapostol et al.8 effectuent une analyse thermodynamique comparative en utilisant les réfrigérants R717, R12, R134A, R22, DME et mélangent R404A, R407C dans un système de réfrigération. DME pourrait être utilisé comme réfrigérant et un bon remplacement pour R12 et R134a, selon les résultats de cette étude.

L'éther diméthylique (DME, C2H6O), selon BM Adamson9, possède un certain nombre de caractéristiques souhaitables en remplacement du R134a. Quelques-uns d'entre eux sont des capacités de transfert de chaleur améliorées, une stabilité pression/température favorable avec des lubrifiants naturels, un accès relativement peu coûteux et rapide. Il est également très écologique et compatible avec la majorité des matériaux utilisés dans les systèmes de réfrigération.

Divers chercheurs10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 ont analysé les performances thermiques du VCR systèmes avec DME et ses mélanges. Le résultat indique que les fluides frigorigènes étudiés sont conformes comme alternatives possibles au R134a. Ki-Jung Park et al.32 ont étudié les performances des purificateurs d'eau domestiques utilisant le R429A. Les résultats indiquent que la température de refoulement du compresseur et la consommation d'énergie sont de 13,40 C et de 28,9 % inférieures à celles du R134a. Choedaeseong et al.33 ont étudié les performances du R435A (une combinaison de DME et de R152a) en remplacement des purificateurs d'eau domestiques R134a. Par rapport au HFC 134a, les températures de consommation et de rejet d'électricité étaient respectivement inférieures de 12,7 % et 3,7 °C. Grâce à l'utilisation du R510A, Ki-Jung Park et al.34 ont examiné les performances des purificateurs d'eau domestiques. Le résultat indique que la température de refoulement du compresseur et la consommation d'énergie sont de 3,70 C et 22,3 % inférieures à celles du R134a35,36. Dans cette étude, la performance de la deuxième loi du système est étudiée avec les réfrigérants RE170, R429A, R435A et R510A comme alternatives possibles au R134a.

Les figures 1 et 2 montrent le schéma fonctionnel du système de réfrigération et le diagramme P–H.

Schéma fonctionnel d'un système de réfrigération.

Système de réfrigération à diagramme P–H.

Les détails du cycle de fonctionnement sont les suivants.

Compression isentropique (étape 1–2).

Condensation (Étape 2–3).

Limitation (Étape 3–4).

Évaporation (Étape 4–1).

Les équations utilisées pour l'analyse exergétique dans différents composants :

Exergie :

Évaporateur:

Extraction de chaleur

Pertes exergétiques,

Compresseur:

Perte d'exergie,

Condenseur:

Perte d'exergie,

Soupape de détente:

Perte d'exergie,

Perte d'exergie totale,

Défaut d'efficacité :

Pour compresseur,

Condenseur,

Soupape de détente,

Évaporateur,

Efficacité exergétique,

Pour l'application du R134a, de l'éther diméthylique et des mélanges choisis suivants, une étude théorique a été réalisée.

Le R510A est composé à 88% et 12%, d'un mélange de RE170 et de R600a.

Le R435A est composé d'un mélange de 80% et 20% de RE170 et R152a

Le R 429A est composé d'un mélange à 60 %, 30 % et 10 % de RE170, R600a et R152a.

Les conditions suivantes ont été prises en considération lors de l'examen du comportement du système de réfrigération à compression de vapeur à l'aide du programme CYCLE D 4.036.

Le rendement isentropique et volumétrique du compresseur = 0,75.

Capacité de refroidissement = 1,00 kW.

L'efficacité du moteur électrique = 0,75.

Efficacité de l'échangeur de chaleur de la ligne d'aspiration = 0,80.

Température de fonctionnement de l'évaporateur = − 50 °C à + 20 °C.

Température de fonctionnement du condenseur = 45 °C.

Température de surchauffe = 10 °C.

Température de sous-refroidissement = 5 °C.

Pour obtenir les valeurs d'enthalpie et d'entropie nécessaires à l'étude, REFPROP 9.0 est utilisé35. Cette étude théorique examine l'impact de l'efficacité énergétique (Ex.eff) et des défauts d'efficacité (Exd) dans les composants du système. La variation de l'efficacité exergétique en fonction de la température d'évaporation et de condensation est illustrée aux Fig. 3 et 4, respectivement. La variation des défauts d'efficacité (Exd) dans les composants du système est tracée dans les figures de 5 à 6. Les observations et les écarts des paramètres de performance de la seconde loi dans le système VCR sont présentés dans les tableaux 2 et 3. La génération d'entropie dans divers composants est présentée. dans le tableau 4. Les pertes exergétiques dans divers composants sont répertoriées dans le tableau 5.

Efficacité exergétique en fonction de la température d'évaporation.

Efficacité exergétique et température de condensation.

La figure 3 indique l'effet de l'efficacité exergétique (ηex) dans les changements de température pour l'évaporation. Lorsque la température de l'évaporateur augmente, le rendement exergétique augmente encore jusqu'à la température optimale de l'évaporateur, puis il diminue. L'efficacité la plus exergétique est obtenue à la température optimale de l'évaporateur. La différence d'efficacité exergétique est causée par deux choses. L'une est l'exergie. Le deuxième problème est le travail qui doit être fait sur le compresseur. Lorsque la température de l'évaporateur augmente, le travail du compresseur diminue. De ce fait, ces deux éléments améliorent le rendement exergétique jusqu'à ce qu'il atteigne la température optimale de l'évaporateur, au-delà de laquelle il chute. À des températures d'évaporation plus basses, le réfrigérant R429A a une plus grande efficacité énergétique que le R134a. À des températures d'évaporation croissantes, l'efficacité exergétique de tous les réfrigérants choisis s'est améliorée. Sur une large plage de températures d'évaporation, le R429A a une valeur d'efficacité exergétique supérieure à celle du R134a. Le R429A a une efficacité exergétique supérieure de 1,6 à 2,3 % à celle du R134a.

L'influence des températures de condensation sur l'efficacité exergétique (ex) est illustrée à la Fig. 4. L'efficacité exergétique diminue à mesure que les températures du condenseur augmentent. À des températures de condensation plus basses, le réfrigérant R429A a une efficacité énergétique supérieure à celle du R134a. À des températures de condensation plus élevées, l'efficacité exergétique de tous les réfrigérants choisis s'est améliorée. Sur une large plage de températures de condensation, le R429A et le R510A ont une efficacité exergétique supérieure à celle du R134a. Le R429A a une efficacité exergétique supérieure de 0,30 à 2,49 % à celle du R134a.

Avec différentes températures d'évaporateur, la Fig. 5 illustre l'effet d'un défaut d'efficacité dans le compresseur pour le R510A, le RE170, le R429A, le R435A et le R134a. Le défaut d'efficacité du compresseur augmente à mesure que la température dans l'évaporateur augmente, comme le montre le graphique. Les résultats montrent que le R510A, le R435A, le R429A et le RE170 ont moins de défauts d'efficacité du compresseur que le R134a.

Défaut d'efficacité du compresseur en fonction de la température de l'évaporateur.

La figure 6 indique l'effet du défaut d'efficacité dans le condenseur pour le R510A, le RE170, le R429A, le R435A et le R134a avec une température d'évaporateur variable. La figure révèle que le défaut d'efficacité du condenseur diminue avec l'augmentation de la température de l'évaporateur jusqu'à − 25 °C, puis augmente. Le résultat indique que les défauts d'efficacité du condenseur pour les réfrigérants étudiés sont supérieurs à ceux du R134a.

Défaut d'efficacité du condenseur en fonction de la température de l'évaporateur.

Pour RE170, R429A, R435A, R510A et R134a, la Fig. 7 illustre l'effet d'une défaillance de l'efficacité du détendeur lorsque la température de l'évaporateur varie. Le défaut d'efficacité du détendeur diminue avec l'augmentation de la température de l'évaporateur jusqu'à − 10 °C et augmente ensuite, comme le montre le graphique. Les RE170, R429A, R435A et R510A présentent des défauts d'efficacité du détendeur inférieurs à ceux du R134a, selon les résultats37,38,39.

Défaut d'efficacité du détendeur en fonction de la température de l'évaporateur.

Pour RE170, R429A, R435A, R510A et R134a, la Fig. 8 illustre l'effet d'un défaut d'efficacité de l'évaporateur en fonction de la température de l'évaporateur. Le défaut d'efficacité de l'évaporateur augmente lorsque la température dans l'évaporateur monte à − 15 °C puis diminue, comme le montre le graphique. Le défaut d'efficacité de l'évaporateur pour le R510A, le R435A, le R429A et le RE170 est supérieur au R134a, selon les résultats40,41.

Défaut d'efficacité de l'évaporateur en fonction de la température de l'évaporateur.

L'effet d'un défaut d'efficacité de l'échangeur de chaleur de la ligne d'aspiration sur la température de l'évaporateur pour RE170, R429A, R435A, R510A et R134a est illustré à la Fig. 9. Lorsque la température dans l'évaporateur augmente, le défaut d'efficacité de l'échangeur de chaleur de la ligne d'aspiration diminue, comme le montre le graphique. Les résultats montrent que les RE170, R429A, R435A et R510A ont des défauts d'efficacité de l'échangeur de chaleur de la ligne d'aspiration inférieurs à ceux du R134a. L'échangeur de chaleur (ligne d'aspiration-tube capillaire) a obtenu une bonne amélioration du COP et de l'efficacité par rapport au tube capillaire de référence (sans aspiration). ligne) en raison de l'augmentation de la zone de sous-refroidissement42,43,44.

Défaut d'efficacité de l'échangeur en fonction de la température de l'évaporateur.

Les performances du système VCR selon la deuxième loi sont étudiées pour les réfrigérants R510A, R435A, R429A et RE170. Sur le paramètre de performance, les impacts de la température d'évaporation et de la température de condensation sont indiqués.

Les observations de cette analyse sont données comme suit.

Les réfrigérants R429A et R510A sont plus économes en énergie que le R134a sur une plage de température de condensation de 30 à 55 °C à une température d'évaporation de − 10 °C. Le R429A et le R510A avaient une meilleure efficacité exergétique que le R134a de 0,31 à 2,46 % et de 0,37 à 1,29 %, respectivement.

Dans le compresseur, la perte d'exergie est de 37 à 40% de la perte d'exergie totale, ce qui est supérieur aux autres pertes dans divers composants.

La plupart du temps, le défaut d'efficacité avec le R429A et le R510A dans le système est systématiquement meilleur que le R134a.

Les défauts d'efficacité les plus élevés ont été obtenus en utilisant des réfrigérants sélectionnés dans le compresseur, le condenseur et l'évaporateur.

En utilisant le RE170 et ses mélanges, le système de réfrigération à compression de vapeur fonctionne généralement mieux selon la deuxième loi que le R134a.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Éther diméthylique

Potentiel de réchauffement planétaire

Destruction de la couche d'ozone

Point d'ébullition normal

Hydro carbone fluo

Réfrigération à compression de vapeur

Exergie (kW)

Enthalpie (kJ/kg)

Température (°C)

Entropie (kJ/kg.K)

Débit massique (kg/sec)

Irréversibilité dans l'évaporateur (kW)

Effet de réfrigération (kW)

Température de l'évaporateur (°C)

Puissance électrique (kW)

Chaleur dissipée dans le condenseur (kW)

Irréversibilité dans le condenseur (kW)

Température du condenseur (°C)

Irréversibilité totale (°C)

Irréversibilité dans le détendeur (kW)

Irréversibilité dans le compresseur (kW)

Défaut d'efficacité du détendeur

Défaut d'efficacité dans le compresseur

Défaut d'efficacité dans le condenseur

Défaut d'efficacité dans l'évaporateur

Efficacité exergétique

Génération d'entropie (kW/K)

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Centre d'excellence pour les connaissances autochtones, le transfert de technologies innovantes et l'entrepreneuriat, Université Dambi Dollo, Dambi Dollo, Éthiopie

Krishnaraj Ramaswamy

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Krishnaraj Ramaswamy

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Correspondance à Krishnaraj Ramaswamy.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Baskaran, A., Manikandan, N., Nagaprasad, N. et al. Évaluation de deuxième loi de l'éther diméthylique et de ses mélanges dans le système de réfrigération domestique. Sci Rep 13, 275 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27600-9

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Reçu : 24 septembre 2022

Accepté : 04 janvier 2023

Publié: 06 janvier 2023

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

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