Thermodynamic Analysis of a Vortex Tube-Assisted Ejector Auto-Cascade Refrigeration System Using R41/R1234yf Mixture

Koeling is een fundamentele technologie van de moderne wereld, maar de machines die het mogelijk maken, vertrouwen vaak op een eenvoudige, enigszins verspillende truc: het door een klein gaatje persen van een hoogwaardig gas om het koud te maken. Dit proces, bekend als throttling, is effectief maar inefficiënt, omdat het een aanzienlijke hoeveelheid potentiële energie als warmte weggooit. In de zoektocht naar betere koeling, met name voor diepvriestoepassingen zoals het bewaren van medische monsters of het vloeibaar maken van gassen, zoeken ingenieurs al lang naar manieren om die verloren energie terug te winnen. Een veelbelovende aanpak houdt in dat er een mengsel van verschillende gassen wordt gebruikt die bij verschillende temperaturen koken, waardoor ze op natuurlijke wijze kunnen scheiden en samen in een cyclus kunnen werken. Echter, zelfs deze geavanceerde systemen laten er ruimte voor verbetering. De uitdaging ligt in het vastleggen van het koelvermogen dat gewoon wordt weggegooid en het gebruiken daarvan om het systeem harder te laten werken zonder meer elektriciteit te verbruiken.

Een team van onderzoekers van de Inner Mongolia University of Science and Technology en de Irkutsk National Research Technical University heeft een nieuwe manier voorgesteld om dit probleem aan te pakken. Ze ontwierpen een koelsysteem dat twee verschillende apparaten combineert: een vortexbuis en een ejector. De vortexbuis is een eenvoudig, solide metalen apparaat zonder bewegende delen dat een stroom samengeperst gas in twee aparte stromen kan splitsen — één zeer warme en één zeer koude stroom — enkel door de fysica van een draaiende beweging te gebruiken. De ejector is een mondstuk-achtig apparaat dat een hogesnelheidsstraal gas gebruikt om een tweede gasstroom aan te zuigen en te comprimeren, waardoor het effectief werkt als een pomp zonder dat er een motor voor nodig is. Door deze twee apparaten te koppelen aan een standaard koelcyclus, creëerden de onderzoekers een systeem dat zijn eigen interne energie effectiever recycleert dan traditionele ontwerpen.

Het systeem maakt gebruik van een specifieke mix van twee milieuvriendelijke gassen, R1234yf en R41. Deze gassen worden gemengd omdat ze verschillend reageren wanneer ze worden afgekoeld; de een condenseert gemakkelijker tot een vloeistof dan de ander. In deze nieuwe opstelling wordt het gemengde gas gecomprimeerd en vervolgens afgekoeld totdat het begint te scheiden in vloeistof en damp. Het dampgedeelte, dat rijk is aan het gas dat bij een lagere temperatuur kookt, wordt naar de vortexbuis gestuurd. Binnen de buis draait het gas heftig rond en splitst het zich. Het koude uiteinde van deze splitsing wordt niet verspild; in plaats daarvan wordt het teruggeleid door een warmtewisselaar om het hoogwaardige gas af te koelen voordat het de hoofdkoelcel binnengaat. Deze pre-koelstap maakt het gas veel kouder dan het anders zou zijn, waardoor het systeem meer koelvermogen kan produceren. Ondertussen wordt het warme uiteinde van de splitsing van de vortexbuis naar de ejector gestuurd, waar het helpt om de hoofdgasstroom aan te zuigen en te comprimeren, wat de arbeid die de hoofdfabriek van de compressor moet verrichten, vermindert.

Om te begrijpen hoe goed dit idee werkt, bouwden de onderzoekers een gedetailleerd computermodel van het systeem. Ze hebben geen fysieke machine in een laboratorium gebouwd voor deze studie; in plaats daarvan simuleerden ze de gasstroom en de warmteoverdracht met behulp van wiskundige vergelijkingen gebaseerd op de bekende eigenschappen van de R1234yf en R41-mengsels. Ze testten het systeem onder verschillende omstandigheden, waarbij ze de temperatuur van de buitenlucht, de hoeveelheid gas die door de leidingen stroomt en de verhouding van de twee gassen in het mengsel veranderden. Het doel was om te zien hoe deze veranderingen de bekwaamheid van het systeem om koud te produceren en de efficiëntie waarmee het energie gebruikt, beïften.

De simulaties toonden aan dat het nieuwe systeem aanzienlijk beter presteert dan een standaard koelcyclus die wel een ejector gebruikt maar geen vortexbuis. Wanneer de onderzoekers de twee ontwerpen onder dezelfde omstandigheden vergeleken, produceerde het nieuwe vortexbuis-ondersteunde systeem 58,37 procent meer koelcapaciteit. Het verbeterde ook de coefficient of performance, een maatstaf voor efficiëntie, met 4نو 49,03 procent. Dit betekent dat het systeem dingen sneller kan bevriezen en minder energie verbruikt om dit te doen. De onderzoekers ontdekten dat de grootste winsten voortkwamen uit het slimme gebruik van de koude stroom van de vortexbuis. Door deze koude stroom te gebruiken om het hoogwaardige gas voor te koelen, verminderde het systeem de hoeveelheid energie die verloren gaat tijdens het expansieproces.

De studie toonde ook aan dat de prestaties van het systeem sterk afhangen van hoe het mengsel van gassen wordt beheerd. Het verhogen van de hoeveelheid gas met een laag kookpunt, R41, in het mengsel verbeterde de koelcapaciteit en efficiëntie, tot op een bepaald punt. De onderzoekers ontdekten ook dat de temperatuur waarbij het gas de condensor verlaat ertoe doet; een lagere condensatortemperatuur leidde tot betere prestaties. Omgekeerd leidde het verhogen van de droogte van het gas dat de condensor verlaat (wat betekent dat er een hoger aandeel damp is) tot een verbeterde koeloutput van het systeem. Hoewel een hoger droogtefractie de concentratie van het gas met een laag kookpunt in de gescheiden damp iets verminderde, nam de totale hoeveelheid damp die door de cyclus stroomt aanzienlijk toe. Deze grotere dampstroom leverde meer koelmiddel voor het daaropvolgende lage-temperatuurproces en meer doorstroming voor de vortexbuis om te scheiden, wat uiteindelijk de koelcapaciteit, de COP en de exergie-efficiëntie verhoogde, ondanks de lagere concentratie.

Een van de belangrijkste bevindingen was dat het systeem het best werkt wanneer de verschillende onderdelen van de cyclus zorgvuldig in balans zijn. De vortexbuis biedt een bron van kou die in andere systemen meestal genegeerd wordt, en de ejector biedt een manier om druk te herstellen zonder extra motoren. Wanneer deze twee elementen samenwerken, creëren ze een cyclus waarin de restwarmte en de verloren kou constant worden hergebruikt. De onderzoekers merkten op dat hoewel het verhogen van de hoeveelheid R41-gas de prestaties verbeterde, het ook de druk binnen het systeem verhoogde, een factor die ingenieurs in overweging zouden moeten nemen bij het bouwen van een echte machine.

De resultaten van dit onderzoek suggereren dat het combineren van een vortexbuis met een ejector een levensvatbare manier is om de prestaties van auto-cascade koelsystemen te verbeteren. Deze systemen worden al gebruikt in gespecialiseerde velden zoals gasliquefactie en laagtemperatuuronderzoek, waar het bereiken van zeer lage temperaturen cruciaal is. Door de efficiëntie van deze machines te verbeteren, kan het nieuwe ontwerp leiden tot kleinere, krachtigere koelunits die minder elektriciteit verbruiken. De onderzoekers benadrukken dat hun bevindingen gebaseerd zijn op simulaties, wat betekent dat de volgende stap het bouwen van een fysiek prototype is om te bevestigen dat de cijfers standhouden in de echte wereld. De duidelijke boodschap van de gegevens is echter dat het vastleggen en hergebruiken van de interne energie van het koelmiddel, in plaats van het te laten ontsnappen, een substantiële weg vooruit biedt voor meer efficiënte koeltechnologie.