Karbondioksitli Kaskad Soğutma Sistemlerinin Enerji Performans Değerlendirilmesi

MAKÜ-Uyg. Bil. Derg., 4(1), 22-32, 2020 Karbondioksitli Kaskad Soğutma Sistemlerinin Enerji Performans Değerlendirilmesi Tuğba KOVACI 1* 1 Dr., Turkey Geliş Tarihi/Received: 02.01.2020 Kabul Tarihi/Accepted: 24.01.2020 Doi: doi.org/10.31200/makuubd.669252 Araştırma Makalesi/Research Article ÖZET Bu çalışmada, R744 + R717 / R1234ze / R134a / R152a soğutkanları kullanılan dört farklı kaskad sisteminin karşılaştırılması sunulmuştur. Analiz -45°C’den -20°C’ye değişen farklı evaporatör sıcaklıklarında ve 30°C’den 50°C’ye değişen farklı kondenser sıcaklıklarında gerçekleştirilmiştir. Evaporatör sıcaklığı 25°C arttırıldığında, tüm sistemin soğutma performansı (COPSYS) değeri yaklaşık %60 ila %64 arasında artmış ve kompresör gücü de yaklaşık %38 oranında azalmıştır. Kondenser sıcaklığının 20°C arttırılması, COPSYS'de %29 34 oranında bir azalmaya ve kompresör gücünde yaklaşık %38-50 oranında bir artışa neden olmuştur. Sonuçlara göre, düşük küresel ısınma potansiyeli (GWP) ve yüksek soğutma performansı değerine sahip olan R744/R717 soğutucu akışkanları kullanılan "sistem 1" kombinasyonunun, incelenen diğer kaskad soğutma sistemlerinden daha verimli olduğunu belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Kaskad Soğutma, R744, COP. Energy Performance Assessment of CO2 Cascade Refrigeration Systems ABSTRACT In this study, a comparison of the four different cascade systems using R744+R717/R1234ze/R134a/R152a refrigerant pairs has been presented. The analysis has been performed for different evaporator temperatures ranged from -45 up to -20°C, and different condenser temperatures ranged from 30 up to 50°C. When the evaporator temperature has been increased by 25°C, the system cooling performance (COPSYS) value has increased by about 60% to 64%, and the compressor work has decreased by about 38%. Increasing the condenser 22 * Sorumlu yazar/Corresponding author E-mail/e-ileti: Kovacı, T. temperature by 20°C has resulted in a decrease in COPSYS of 29-34% and an increase in compressor work by about 38% to 50%. According to the results, the combination of “system 1” using R744/R717 refrigerants which having low GWP and high cooling performance has been determined more efficient than other examined cascade refrigeration systems. Keywords: Cascade Refrigeration, R744, COP. 1. GİRİŞ Tek çevrimli bir buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin kullanımı sadece -40oC civarında etkili bir soğutma sağlayabilir ve buharlaşma ile yoğunlaşma sıcaklıkları arasındaki büyük fark nedeniyle -35°C'nin altında verimlilik bozulmaya başlar. Bu nedenle daha düşük bir sıcaklığa ulaşmak için kademeli bir soğutma sistemi kullanmak gerekir. Kaskad soğutma sistemleri düşük sıcaklıkta (LTC) ve yüksek sıcaklıkta (HTC) bağımsız olarak çalışan iki kademeli soğutma sisteminden oluşur. İki soğutma sistemi, düşük sıcaklık çevrimindeki kondenser tarafından serbest bırakılan sıcaklığın, yüksek sıcaklık çevriminde evaporatör tarafından emildiği bir ısı değiştirici ile birbirine bağlanır (Parmar ve Kapadia, 2015; Alhamid ve Syaka, 2010). Yüksek bir soğutma performansı elde etmek için uygun bir soğutucu seçimi yapılmalıdır. Sınırlı enerji kaynakları, nüfus artışı ve dolayısıyla soğutma sistemlerine olan talebin artması ile soğutucu akışkan seçiminde, enerji ve maliyet tasarrufu yanında çevresel etkiler de önplana çıkmıştır (Boyaghchi ve Asgari, 2017). İyi termodinamik özellikleri nedeniyle CFC’ler yıllarca yaygın olarak kullanılmıştır. 20. yüzyılın sonlarında klor içeren soğutucu akışkanların atmosferdeki ozonun tükenmesi ile ilgili çevresel sorunlara neden oldukları belirlenmiştir. Bu soğutucu akışkanlara alternatif olarak HCFC ve HFC türü halokarbon soğutkanlar üretilmiştir, fakat bu soğutucu akışkanlar da küresel ısınmaya katkıda bulunmuşlardır. İklim değişklikleri ve ozon krizi gibi sorunlarla birlikte soğutucu akışkanların seçiminde amonyak, karbon dioksit ve hidrokarbonlar gibi doğal soğutucu akışkanlara son zamanlarda ilgi artmıştır (Başaran ve Özgener, 2013, Aminyavari vd., 2014). Farklı soğutkaların kullanıldığı kaskad soğutma sistemlerinin karşılaştırıldığı birçok çalışma vardır. Oruç vd. (2018) çalışmalarında yüksek GWP'ye sahip R404A ile düşük GWP'ye sahip R442A ve R453A soğutucularını deneysel olarak karşılaştırmıştır. Mancuhan vd. (2019) çalışmalarında kaskad sistemi için R134a/CO2, R152a/CO2 ve NH3/CO2 sistemleri ile R134a/R404a, R152a/R404a ve NH3/R404a sistemlerinin olduğu iki durum için teorik bir 23 MAKÜ-Uyg. Bil. Derg., 4(1), 22-32, 2020 model önermişlerdir. Singh ve Dasgupta (2016), soğutucu akışkan olarak R1234yf ve R744 kullanılan bir kaskad soğutma sisteminin termodinamik analizini yapmıştır. Dopazo vd. (2009), düşük ve yüksek sıcaklık çevrimlerinde çalışma sıvıları olarak CO2 ve NH3 kullanılan bir kaskad soğutma sisteminin analizini sunmuşlardır. Yilmaz vd. (2014) çalışmalarında düşük sıcaklık ve yüksek sıcaklık çevrimlerinde CO2 ve R404a soğutucu akışkanları kullanılan iki aşamalı kaskad soğutma sisteminin enerji ve ekserji analizini yapmışlardır. Mishra (2018) çalışmasında düşük sıcaklık çevriminde HFO-1234yf ve yüksek sıcaklık devresinde HFO1234ze alışkanları kullanılan kaskad soğutma sistemi için enerji ve ekserji analizi ile termodinamik performans değerlendirmesini sunmuştur. Karbondioksit, kaskad soğutma sistemlerinin düşük sıcaklık devrelerinde en popüler ve en verimli çalışma akışkanı olarak ortaya çıkmaktadır. Karbondioksit, toksik olmayan, yanıcı olmayan, kolayca temin edilebilir, ucuz ve iklim dostu bir soğutucu akışkandır. Referans değeri 1 olan düşük küresel ısınma potansiyeli (GWP) endeksine ve sıfır ozon tükenme potansiyeli (ODP) endeksine sahip olan CO2, yüksek çalışma basıncı, düşük kritik sıcaklık ve düşük viskozite dahil olmak üzere kendine özgü termodinamik özellikleri nedeniyle, enerji açısından da büyük bir potansiyel sunmaktadır. Bununla birlikte, üçlü CO2 noktası - 56ºC olduğundan, 85ºC gibi düşük sıcaklıkların gerektiği çalışmalar için diğer soğutucu maddelerle (örneğin bir hidrokarbon) birlikte kullanılması gerekmektedir (Alhamid ve Syaka, 2010, da Silva vd., 2012, Messineo, 2012, Khanmohammadi vd., 2018). Tablo 1. İlgili soğutucu akışkanların bazı fiziksel, çevresel ve güvenlik özellikleri Soğutucu akışkan Kritik basınç [Mpa] Kritik sıcaklık [°C] ODP GWP R744 (CO2) 7.37 31 0 1 R1234ze 3.63 109.4 0 7 R134a 4 101.1 0 1200 R152a 4.52 113.33 0 140 R717 (NH3) 11.3 132.25 0 0 Kaynak: Llopis vd., 2015, Lizarte vd., 2017, Yılmaz ve Selbaş, 2017 Bu çalışmada düşük sıcaklık çevriminde soğutkan olarak CO2 (R744)’in kullanıldığı, yüksek sıcaklık çevriminde soğutkan olarak R717 (NH3), R1234ze, R134a ve R152a akışkanlarının kullanıldığı kaskad soğutma sisteminde, çeşitli çalışma parametrelerinin soğutma performansı üzerindeki etkisi karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Seçilen soğutkanlar ve bazı özellikleri Tablo 1'de gösterilmektedir. 24 Kovacı, T. 2. KASKAD BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK MODELLENMESİ 2.1. Sistem Modellem (...truncated)