Ev tipi bir buzdolabının dinamik çevrim davranışının modellenmesi ve farklı parametrelerin sistem üzerindeki etkilerinin deneysel validasyonu
Modeling the dynamic cycle behavior of a domestic refrigerator and experimental validation of the effects of different parameters on the system
Yazar: AKIN ÇAĞLAYAN
Danışman: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bugünlerde karşı karşıya olduğumuz en önemli problemlerden biri dünyanın enerji kaynaklarının hızla tükenmesidir. Dünyada artan nüfus ve sınırlı kaynaklar nedeniyle enerji kaynaklarının verimli bir şekilde kullanılması büyük önem kazanmıştır. Ev tipi buzdolapları da enerji tüketiminde büyük bir orana sahiptir ve buzdolaplarında yapılacak küçük verim iyileştirmeleri bile toplamda büyük etkiler yaratabilecektir. Tüm durumlar düşünüldüğünde buzdolabı soğutma çevrimi verimini arttırmak için yapılacak her çalışma önem taşımaktadır. Buzdolabı sistem performansını değerlendirme ve çevrim verimini arttırma çalışmalarında deneysel metotlarla ilerlemek geleneksel olarak kullanılan bir araçtır. Ancak gelişen dünya ile birlikte artan taleplere hızlı cevaplar verme ihtiyacı tasarım süreçlerinin hızlandırılması gerekliliğini doğurmaktadır ve tüm tasarım durumları belirleme sürecini sadece deneysel olarak yürütmek yetersiz kalmaktadır. Sonuç olarak, simülasyon ortamında mevcut sistemlerin dijital ikizlerini oluşturarak çok daha kısa sürelerde sistem parametreleri belirlemek bir ihtiyaç haline gelmiştir.
Bu yüksek lisans tez çalışmasında ilk olarak, tek kabinli geleneksel ev tipi bir buzdolabının dinamik simülasyon modelinin oluşturulması ve buzdolabı çevrim davranışının deneylerle doğrulanması hedeflenmiştir. Asıl amaç ise standart durum ile doğrulanması sağlanan modelin farklı parametrelerin değişimine deney sonuçları ile benzer tepkiyi verip veremediğinin incelenmesidir. Bu parametreler buzdolabı performans seviyesini belirlemek ve gerekli iyileştirmeleri yapmak için kullanılan durumlar üzerinden seçilmiştir. Mevcut modelleme yaklaşımının yeterli seviyede performans gösterdiği görülürse, farklı buzdolabı yapıları için hazırlanacak simülasyon modellerinde bu detayda bir doğrulama sürecine girilmeden gerekli çalışmalar yapılabilecektir. 
Buzdolabı soğutma sistemi ve buzdolabında bulunan her bir bileşenin modellenmesi için Modelica yazılım dili kullanılmıştır. Modelica dilini kullanarak sistem modellemesi yapılan birçok program mevcuttur. Çalışmaları yürütmek için Dymola programından yararlanılmıştır.
Soğutma çevrimini modellemeye yönelik çeşitli yaklaşımlar kullanılarak birçok çalışma yapılmıştır. Bu yaklaşımlar genel olarak iki başlık altında değerlendirilir. İlki kararlı durum yani zamandan bağımsız olarak çözüm yapan modelleme yaklaşımıdır. Diğeri ise dinamik durum yani zamana bağlı çözüm  yapan modelleme yaklaşımıdır. Bu tez çalışmasında zamana bağlı çözüm yapan dinamik modelleme yaklaşımı kullanılmıştır.
Dinamik buzdolabı modelini oluşturmak için öncelikle her bir bileşenin modellenmesi gerekmektedir. Soğutma çevrimi ve kabin yapısının modellenmesi için ticari bir kütüphane kullanılmıştır. Bu kütüphane, TLK-Thermo şirketi tarafından hazırlanmıştır. Termal sistemlerin modellenmesi için tasarlanan bu kütüphanenin ismi TIL'dir. Kütüphane içerisinde bulunan komponentlerde gerekli düzenlemeler yapılarak modele eklenmiştir. Kütüphane içerisinde bulunmayan komponentler ve durumlar ise Modelica yazılım diline uygun olarak modellenmiştir. Her bir komponentin modeli tamamlandıktan sonra ise çalışması yapılacak ev tipi buzdolabına ait dinamik model oluşturulmuştur.
Dinamik buzdolabı modelini oluşturmak için öncelikle her bir bileşenin modellenmesi gerekmektedir. Buzdolabı kabin modelinde, her bir duvar elemanı, hava hacmi, kabin içerisindeki kütleler ve ortam arasındaki ısı transferi mekanizması gerçekleştirilmiştir. Kabine ait boyutları parametrik hale getirerek gerçek duruma en yakın dinamik bir model oluşturulması amaçlanmıştır. Farklı malzeme tiplerinin ve bu malzemelere ait gerekli özelliklerin tanımlanabildiği bir yapı oluşturulmuştur. Kompresör modeli, meydana gelen kayıp durumlarını göz önünde bulundurularak hazırlanmıştır. Gerçek durumda sıkıştırma işlemini izentropik olmayan hale getiren çeşitli kayıplar mevcuttur ve bu kayıplar emme hattı basınç düşüşü, basma hattı basınç düşüşü, iç kaçak, soğutucu akışkanın tekrar genleşmesi ve mekanik sürtünmedir. Kütlesel debi ve güç değerlerini gerçek duruma en yakın şekilde hesaplamak için bu kayıp durumları kütle ve enerji dengesinin zamana bağlı formları ile birlikte kullanılır. Her bir kayıp durumunu hesaplamak için uygun denklemler kullanılmıştır. Bu denklemlerin içinde kompresöre ait fiziksel parametreler vardır. Parametrelere ait değerler, deney sonuçları kullanılarak istatiksel mantıkla çalışan bir program ile elde edilmiştir. Isı değiştirici (evaporatör ve kondenser) modelinde, sonlu hacimler yaklaşımıyla çözüm yapılmaktadır. Boru belirli sayıda elemana bölünür ve her eleman için kütle, momentum ve enerji dengesi denklemleri çözülür. Kılcal boru, modele hem sürtünme hem de momentum basınç kayıpları dahil edilerek modellenmiştir. Kılcal boru ve emiş hattı arasındaki ısı transferi mekanizması, ısıl portları arasına termal direnç elemanı eklenerek modellenmiştir. Algoritma modeli gerçekteki duruma benzer çalışma şekliyle oluşturulmuştur. Model içerisine alt ve üst hedef sıcaklıkları parametre olarak eklenmiştir. Kabin havasının sıcaklığı ile belirtilen alt ve üst hedef sıcaklıklarına göre kompresörün çalışıp çalışmaması için gerekli koşul komutları tanımlanarak model tamamlanmıştır. Her bir komponentin ve durumun modeli tamamlandıktan sonra ise çalışması yapılacak ev tipi buzdolabına ait dinamik model oluşturulmuştur.
Deneysel çalışmalarda öncelikle buzdolabının üretimi gerçekleştirilen ilk sistem değerleri ile test edilmesi işlemi yapılmıştır. Bu sayede standart durumda modelin davranışı görülmüş olacaktır. Sonrasında belirlenen parametrelerin farklı değerleri üzerinden testler gerçekleştirilmiştir. Bu parametreler kılcal boru uzunluğu, sistem içindeki soğutucu akışkan miktarı, kabin set sıcaklığı, ortam sıcaklığı ve farklı bir kompresör takılıp çeşitli hız değerlerinin test edilmesidir. Bu durumların dışında son olarak iki etkinin birlikte değiştirilip model ile karşılaştırması yapılmıştır. Yapılan durumda sabit devirli olarak çalışan farklı bir kompresör takılıp aynı zamanda standart durumdaki ortam sıcaklığı değiştirilerek başka bir ortam sıcaklığında test gerçekleştirilmiştir. Buzdolabı kabini ısınma ve soğuma süresi, soğuma ve ısınma sürelerine bağlı olarak kompresör çalışma oranı, güç tüketimi, evaporasyon sıcaklığı, kondenzasyon sıcaklığı ve enerji tüketimi değerleri üzerinden deney ve model sonuçlarının karşılaştırması yapılmıştır.
Buzdolabının standart durumu ve belirlenen diğer parametreler için deney ile model sonuçları karşılaştırılmıştır. Standart durum ve diğer parametre durumları değerlendirildiğinde genel olarak deney ile model sonuçlarının uyumlu olduğu ortaya çıkmıştır. Deney sonuçları ile model sonuçlarının kıyaslanmasıyla birlikte mevcut modelleme yaklaşımının güvenilirliğinin ve değişim durumlarına karşı hassasiyetinin iyi seviyede olduğu görülmüştür. Bu sayede mevcut soğutma sisteminde kullanılan bileşenler üzerinden değişiklikler yapılarak model ortamında istenilen herhangi bir durum incelenebilecektir. Ayrıca tekil olarak modellenen bileşenler ile farklı soğutma sistemine sahip buzdolabı yapıları modellenebilecek ve bu buzdolabı modellerinde istenilen performans geliştirme çalışmaları yapılabilecektir.
Yapılan çalışma ile modelin geliştirmeye açık yönleri de belirlenmiştir. Kompresörün çalışmaya başladığı anlarda soğutucu akışkanın evaporatörü tamamen doldurması gerçek duruma daha yakın bir şekilde gerçekleşebilir. Bu sayede çalışmaya başladığı ilk anlardaki kompresör güç tüketimi değerleri gerçeğe en yakın şekilde hesaplanmış olur. Bir başka durum ise kompresörün durma anlarında evaporasyon sıcaklığı davranışıdır. Modelin deney göre daha hızlı ve yüksek seviyelere ısınmasını engellemek için iki olası sebebi modele eklemek gerekmektedir. Durma zamanlarında soğutucu akışkan dağılımı ve evaporatör üzerinde meydana gelen buz oluşumu durumu modele eklenerek gerçek duruma daha yakın bir evaporasyon sıcaklığı davranışı elde edilebilir.

Abstract:
One of the biggest problems facing the world today is the growing rate of depletion of the world's energy resources. As the world's population continues to rise, the need to use the earth's limited resources in the most efficient way has become ever-important. Domestic refrigerators have a  significant share in the total energy consumption of the world. Therefore, even small improvements in the appliance's efficiency can have a large impact on reducing global energy usage. This has been the motivation of many studies focusing on enhancing the performance of a domestic refrigerator and the associated thermodynamic cycle. These studies have generally employed experimental methods. As the demand for better refrigerators continues to rise, optimising all the various parameters purely through experimental is getting impractical and insufficient. There is thus an urgent need to develop simulation methods which can help speed up the determination of optimal system parameters.
In this master's thesis, one aim is to create a dynamic model of a single door domestic refrigerator and validate the simulated cyclic operation experimentally. Another, more important objective is to carry out a sensitivity analysis of the model by varying different parameters and comparing the results with their experimental counterparts. These parameters are selected based on the factors which affect a refrigerator's performance. If the model is shown to be sufficiently accurate, different refrigerators may be optimised directly using simulations without the need for experimental validation. 
The Modelica programming language was used to create individual models of all the components present in a refrigerator and connect them into the final cooling system. Many modelling software today are based on Modelica. One such software, Dymola, was used in this study.
There are many approaches used to model a refrigeration cycle. They can broadly be classified into two categories: Steady state and dynamic. In the former the solution is time-independent, while in the latter it includes time-varying characteristics. In this thesis the time-dependant dynamic approach is used.
The first step in creating a dynamic model of a refrigerator is to model all of the individual components comprising a refrigerator. A commercial library was used to model the cooling cycle and cabinet models. This library, called TIL, has been prepared by a company called TLK-Thermo, with the special purpose of modelling thermal systems. The component models already present in the library were integrated into the study by making necessary adjustments to make them more appropriate for the refrigerator at hand. Components and cases not present in the library- but nonetheless important for a refrigerator- were prepared in-house using the Modelica language syntax. After all the models of the components were completed, the dynamic model of the refrigerator to be studied was constructed.
As mentioned above, it is necessary to model all the individual components before creating the complete dynamic refrigerator model. To this end, the cabinet of the refrigerator, the most conspicuous component, was treated by modelling the heat transfer between the ambient and the components comprising a cabinet, namely, the wall elements, total air volume and  masses such as shelves. The dimensions of the real cabinet were entered as parametric values in order to capture the real case as closely as possible. Different materials and their thermal properties were also included as parameters to allow the treatment of different materials making up a cabinet. The compressor model was prepared by taking into account the myriad losses which occur as a compressor runs. These losses, which include suction and discharge side pressure drop, internal leakage, re-expansion of the refrigerant, and mechanical friction, make the actual operation of a compressor deviate from the ideal isentropic case. To calculate the mass flow rate and power values as accurately as possible, the aforementioned losses were used together with the mass and energy conservation equations. Equations appropriate for each type of loss were used in the model. The equations include the physical parameters pertaining to a compressor, which were found by statistically fitting experimental data to its simulation counterpart. As for the heat exchangers (evaporator and condenser), the finite volume approach was used. The pipes modelling the heat exchangers were divided into a certain number of elements, and the mass, momentum and energy conservation equations were solved for each element. The capillary tube was modelled by including both the friction and momentum pressure drop. To model the heat transfer between the capillary tube and suction line, a thermal resistance element was added between the heat ports attached at each component. The algorithm model controlling cyclic operation was set up by taking into consideration the actual operation of the refrigerator. Upper and lower temperature limits were entered as parameters in the model. The compressor model was signalled to turn on and off such that the air temperature of the cabinet stays within the two limits.  After all of the components were modelled satisfactorily, the dynamic cycle model pertaining to the refrigerator used in this study was constructed.
As for the experimental part of the study, the original refrigerator was tested as-is to validate the model in the standard state. Further experiments were then carried out by setting specified parameters to  various values. The parameters tested were the capillary tube length, refrigerant charge, temperature control setting, ambient temperature, and compressor speed (of a compressor different from the original). The case of varying two parameters was also investigated by varying the compressor type and ambient temperature in the same experiment. The experimental values of the refrigerator's cooling and heating times and the associated compressor run-time, as well other quantities such as power consumption, evaporation temperature, condensation temperature and energy consumption were compared with their simulated counterparts.
Simulations were carried out for both the standard reference case and after varying some parameters in the model. The simulations results were compared with experimental ones for validation. It was found that the model was generally able to capture the experimental values well. Comparison showed that the model is reliable and can respond to a change in parameters with the desired sensitivity. Thus, the model may be used to assess the effect of changing any parameter of the cooling system. Moreover, the individual component models used to create this refrigerator model may be used to set up models for different refrigerators, which may have a different cooling circuitry. Those models may then again be used to carry out performance enhancement studies.
The study revealed possible areas of improvement as well. The real case of the evaporator taking some time to fill when the compressor first starts operation may be included in the model to capture the high power values of the compressor during start-up. Another case which may be improved is that the simulation shows a steep rise in evaporation temperature when the compressor stops. This is not close to the real case and may be prevented by incorporating two phenomena which occur in reality: refrigerant migration and ice formation on the surface of the evaporator. If the model includes those two cases, the behaviour of the evaporation temperature during off-state may be captured more accurately.