Güneş enerjisi destekli absorbsiyonlu ve buhar sıkıştırmalı kaskad soğutma çevriminin termodinamik performansının iyileştirilmesi
Improvement of thermodynamic performance of solar assisted absorption and vapor compression cascade refrigeration cycle
Yazar: CENKER AKTEMUR
Danışman: PROF. DR. İLHAN TEKİN ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında düşük sıcaklıklara soğutma yapabilen ve yüksek miktarda elektrik enerjisi kullanan sadece buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerine alternatif olan güneş enerjisi destekli absorbsiyonlu ve buhar sıkıştırmalı kaskad soğutma çevriminin termodinamik performansının iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Etkin termodinamik parametrelerin analizi sonucunda kaskad soğutma çevriminin buhar sıkıştırmalı ve absorbsiyonlu kısmı için en performanslı nanopartikül katkılı soğutucu akışkan ve çözelti karışımı belirlenmiştir. Belirlenen çalışma akışkanları doğrultusunda her iki çevrim kaskad olarak birleştirilip sistemin farklı çalışma sıcaklıklarına göre termodinamik analizi ve termoekonomik optimizasyonu yapılmıştır. Çözelti karışımı (LiBr+LiCl/H2O) ve nanopartikül katkılı soğutucu akışkan (R152a+%0,5 Cu) kullanılan ve önerilen kaskad soğutma sistemi ile LiBr/H2O-R152a kullanılan klasik kaskad soğutma sistemi karşılaştırıldığında soğutma tesir katsayısı (STK), ekserji verimi ve toplam ekserji yıkımı sırasıyla %16,79, %18,58 ve %36,18 oranında iyileşmiştir. Ayrıca buharlaştırıcı sıcaklığının -40°C ile -25°C arasında değişen değerleri için R152a kullanan klasik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemine kıyasla önerilen kaskad soğutma sisteminde elektrik enerjisinde azalma %69,47-72,10 arasında elde edilmiştir. Daha sonra kaskad soğutma sisteminin güneş enerjisi ile ilgili termodinamik analizi Kocaeli, İzmir ve Antalya için yapılmıştır. Oluşturulan sistem için gerekli enerji depolama tankı kapasitesi, vakum tüplü toplayıcı ve fotovoltaik panel için gerekli alan ihtiyaçlarının yanı sıra diğer termodinamik parametreler için Antalya'da kurulacak sistemde avantajlı olduğu gözlemlenmiştir. Nihai olarak sistemin termoekonomik analizi ve optimizasyonu yapılmıştır. Termoekonomik analizi ve optimizasyonu gerçekleştirebilmek için bir dizi karar değişkeni ve aralıkları belirlenmiştir. Amaç fonksiyonu olarak seçilen sistemin referans alınan duruma göre toplam minumum maliyet akısı Kocaeli için %14,84, İzmir için %14,62 ve Antalya için %14,59 azaltılmıştır.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to improve the thermodynamic performance of solar energy asissted absorption and vapor compression cascade refrigeration cycle, which is an alternative to only vapor compression refrigeration systems that can cool to low temperatures and use high electrical energy. As a result of the analysis of effective thermodynamic parameters, the solution mixture was determined as well as the most performance nanoparticle-doped refrigerant. In line with the determined working fluids, both cycles were combined as a cascade and thermodynamic analysis of the system was carried out according to different operating temperatures. Coefficient of Performance (COP), exergy efficiency and total exergy destruction of the proposed cascade refrigeration system using the proposed solution mixture (LiBr+LiCl/H2O) and nanoparticle-doped refrigerant (R152a+0.5% Cu) compared to the classical cascade refrigeration system using LiBr/H2O-R152a was improved by 16.79%, 18.58% and 36.18%, respectively. In addition, a reduction in electrical energy of 69.47-72.10% was obtained in the proposed cascade refrigeration system, compared to the classical vapor compression refrigeration system using R152a for evaporator temperature values ranging from -40 to -25°C. Then, thermodynamic analysis of the cascade refrigeration system related to solar energy was carried out for Kocaeli, Izmir and Antalya. The results showed that the city of Antalya is advantageous for the energy storage tank capacity required for the system, the space requirements for the vacuum tube collector and photovoltaic panel, as well as the other thermodynamic parameters. Finally, the thermoeconomic analysis and optimization of the system was carried out. In order to perform the thermoeconomic analysis and optimization, a number of decision variables and ranges was determined. The total minimum product cost rate of the system chosen as the objective function showed a reduction of 14.84% for Kocaeli, 14.62% for Izmir and 14.59% for Antalya, compared to the base case.