Endüstriyel ölçekli bir soğuk hava deposunun soğutma yükü hesabı veC02/NH3 kaskad soğutma sisteminin incelenmesi
Cooling load of an industrial refrigeration facility and analysing of C02/NH3 cascade refrigeration system
Yazar: ÜNAL TİRYAKİ
Danışman: PROF. DR. EROL UZAL
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez calişmasında mevcut endüstriyel bir gida tesisinin soğutma sistemi yükleri hesabı ve soğutma sistemi olarak kullanilan C02/NH3 kaskad sisteminin tasarim ve termodonamik açidan analizi icelenmiştir. Tesisin soğutma sistemi icin eğer iki kademeli NH3 lü soğutma sistemi kullanilmış olsaydı COP degeri hesaplanarak NH3 lü sistemi ile CO2/ NH3 kaskad sistem karşilaştirmasi yapilmiştir.

Kaskad sistemin düşük sicaklik kademesinde yani alçak kademede CO2 (Karbondioksit) kullanılmış olup tesisin tüm soğutma ihtiyacı CO2 li Evaporatorlerle karşilanmistir. Yüksek sıcaklık kademesinde ise NH3 yani amonyak kullanılmıştır.

Tesiste soğutulan mahaller ve soğutma kapasiteleri aşağıda belirtildiği şekilde farklı evaporasyon sıcaklarına göre tasarlanmıştır.
1-) -50°C Evaporasyon  ve toplam 900 kW soğutma kapasitesi olan -40°C ürün şoklama odaları.
2-) -33°C Evaporasyon ve toplam 340 kW soğutma kapasiteli -25°C donmuş muhafaza odaları. 
3-) -5°C Evaporasyon ve toplam 982 kW soğutma kapasitesi olan 0°C sıcaklığında soğuk muhafaza odaları.
4-) -5°C Evaporasyon sicakliginda toplam 720 kW soğutma kapasitesi olan +7°C ürün işleme, paketleme, sevkiyat ve koridor alanlarindan oluşmaktadir. 
Ayrıca tesisin taze hava ihtiyacını karşılayan bir adet klima santralinin 200 kw soğutma kapasitesi de -5°C evaporasyon sıcaklığına ilave edilmiştir.
Toplam soğutma yükü alçak kademe CO2 evaporatör kapasiteleri toplamı olan 3142 Kw dır.

Sistemin alçak kademe tarafında her bir rejim icin bir adet olmak üzere toplam 4 adet (-50°C,  -33°C, -5°C ve 0°C) CO2 likit ayırıcı tankları bulunmaktadir. Ayırıcı tanklardaki CO2 soğutucu akışkan gaz ve likit fazda bulunur, likit karbondioksit soğutulacak ortamda bulunan evaporatörlere pompalarla gönderilir. Evaporatorde soğutma yükünü alan CO2 tekrar ayırıcı tanklara geri döner. Ayırıcı tanktaki doymuş buhar fazındaki CO2, kompresörler tarafından emilerek kaskad kondensere kızgın buhar olarak basılır ve kaskad kondenserde yoğuşup doymuş sıvı fazına geçerek ayırıcı tanklara bu defa sıvı soğutkan olarak geri döner ve bu şekilde çevrim devam eder. 
Sistemde iki adet kaskad kondenser mevcut olup çalışma sıcaklıkları;
1-) CO2 / NH3= -5 °C / -9 °C  
2-) CO2 / NH3= 0 °C / -4°C  dir.
Sistem sıcak gaz defrostlu olup evaporatörlerin defrost ihtiyacı +9/+12°C sıcaklık aralığındaki karbondioksit gazıyla sağlanmaktadır. 

Sistemin yüksek kademesinde (NH3 tarafı) ise 2 adet NH3 surge tank (-9°C  ve -4°C  sicaklikta) bulunmaktadir. Amonyak kaskad kondenserde buharlastiktan sonra surge tanklara ıslak buhar olarak geri döner, tanklarda likit ve gaz fazı olarak ayrışır, gaz fazındaki doymuş NH3, amonyak kompresorleri tarafindan emilerek yüksek kademe kondanserlerine kizgin buhar olarak basilir. 

Yüksek kademe konderseri olarak kullanılan 2 adet evaporatif tip konenserde amonyak taşidiği ısıyı atmosfere atarak likit faza gecer. Likit fazdaki amonyak  sistemdeki amonyak resiverinde toplanır. Resiverde toplanan yüksek basınçlı likit amonyak surge tanklarinin likit beslemesi olarak çevrimini sürdürür.

Abstract:
In this thesis, the calculation of the cooling loads, design and thermodynamic analysis of the CO2/NH3 cascade system of an existing industrial food facility are discussed. Instead of cascade system if a two-stage NH3 cooling system was used for the cooling system of the facility, the COP value was calculated and a comparison of the NH3 system with the CO2/NH3 cascade system was made.

CO2 (carbon dioxide) was used in the low temperature stage of the cascade system and the entire cooling requirement of the facility was met by CO2 evaporators. NH3 (ammonia) is used for the high stage of the system.  

The cold storage areas and cooling capacities are designed according to different evaporation temperatures as stated below.
1-) Evaporation temp. -50°C and total cooling capacity of 900 kW for -40°C freezing chambers   
2-) Evaporation temp. -33°C and total cooling capacity of 340 kW for -25°C frozen storage.
3-) Evaporation temp. -5°C and total cooling capacity of 982 kW for 0 ° C cold storage rooms.
4-) Evaporation temp. -5°C and total cooling capacity of 720 kW for +7°C product processing, packaging, shipping and corridor areas.
In addition, a 200 kW coil capacity for air handling unit has been added to -5 ° C evaporation for fresh air supply for the +7°C product process areas. 
The total cooling load is 3142 kW, which is the sum of low stage CO2 evaporator capacities.

There are a total of 4 pieces of CO2 liquid separator tanks (-50°C, -33°C, -5°C and 0°C), one for each regime at the low stage of the system. CO2 refrigerant in separator tanks is cosist of gas and liquid phase, liquid carbondioxide is pumped to the evaporators. The CO2 that takes the cooling load in the evaporator returns to the separator tanks. The CO2 in the saturated vapor phase in the separator tank is absorbed by the compressors and discharged into the cascade condenser as superheated vapour then condenses in the cascade condenser and returns to the separator tanks as saturated liquid and recirculate for the cycle. There are two cascade condensers in the system and their operating temperatures are;
1-) CO2 / NH3= -5 °C / -9 °C  
2-) CO2 / NH3= 0 °C  / -4°C  
Hot gas defrost system is used for defrost requirement of the evaporators. There are separate CO2 compressors to provide defrost gas between + 9/+12°C . 

In the high stage of the system, there are 2 pieces of NH3 surge tanks (-9°C and -4°C). Ammonia returns to surge tanks as wet vapor after evaporated in the cascade condenser, in the surge tanks it gets separated as liquid and gas phases, saturated vapor NH3 then is absorbed by ammonia compressors and discharged into high stage condensers as superheated vapour.

For high stage condensers, 2 pieces of evaporative type NH3 condensers are used. Superheated ammonia discharges the heat that it carries into the atmosphere and becomes high pressure satureted liquid and collected in the ammonia receiver.  Then continues the recirculate as the liquid feed of the NH3 surge tanks.