Matlab ortamında deneysel olarak bir buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ve otomasyonunun analizi
Experimental analysis of a vapor compression refrigeration cycle and its automation in the Matlab environment
Yazar: İSMAİL TUTUMEL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İ. YALÇIN URALCAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buhar sıkıştırmalı çevrim = Vapor compression cycle ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Frekans çeviriciler = Frequency converters ; Kompresör = Compressor ; PI denetleme = PI control ; PID denetleme = PID control ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Günümüzde, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri, küçük kapasiteli ofis ve ev uygulamalarından (soğutucular, derin dondurucular ve split klima cihazları gibi), büyük kapasiteli endüstriyel ve ticari uygulamalara (kimya ve gıda sanayindeki proses soğutma sistemleri veya büyük otel ve iş merkezlerinin merkezi iklimlendirme sistemleri gibi) kadar çok değişik alanlarda ve kapasitelerde kullanılmaktadırlar. Dünya elektrik enerjisi tüketiminin %25'e yakın kısmının evsel, ticari ve endüstriyel soğutma sistemlerince kullanılması; bu oranın, kimya ve gıda sanayinde ve iklimlendirme sistemlerinde %50-80'lere çıkması, soğutma sistemlerinin enerji verimliliğinde sağlanacak iyileştirmeleri, gerek ekonomiklik ve gerekse de çevresel etkiler açısından çok önemli kılmaktadır.Bu çalışmada, bir buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin enerji etkenliğine, otomatik kontrol türünün ve senaryosunun tesiri, deneysel olarak araştırılmıştır. Bu amaçla, tek soğutma haznesine sahip olan bir evsel buzdolabı üzerinde çalışılmıştır. Buzdolabı kabini, değişken soğutma yükünü simüle etmek üzere ısıtıcılar ile donatılmıştır. Soğutma yükü dalgalanmaları karşısında, kabinin iç hava sıcaklığı salınımını önlemek amacıyla, sistem kompresörüne değişken frekans kontrolü uygulanmış ve kontrol türlerinin ve senaryolarının (P, PI, PID) etkisi deneysel olarak gözlemlenmiştir. Gerek kabin içerisinde sıcaklık ve gerekse de soğutucu akışkan devresi üzerinde debi, basınç, sıcaklık ve güç ölçümlerini gerçekleştirmek ve değişken frekans kontrollü kompresörün kontrolünü yapmak üzere, MATLAB ortamında programlanan ve yönetilen bir veri toplama ve kontrol sistemi kurulmuştur. Deney verilerinden hareketle, uygulanan kontrol algoritmaları karşılaştırılmış ve sistemin enerji etkenliği üzerindeki tesirleri irdelenmiştir.Yapılan deneyler sonucunda, darbe giriş esnasındaki enerji tüketimleri bütün kontrol algoritmalarında yaklaşık olarak aynıdır. Darbe girişi uygulandıktan sonra, kararlı duruma dönüp yerleşme süresi en kısa olan ve en az enerji tüketimi yapan sistem PID kontrol algoritmasıdır. Kararlı durumdaki toplam süre uzadıkça en az enerji tüketimi yapan sistem ise PI kontrol algoritması olmuştur.

Abstract:
Recently, vapour compression refrigeration systems are used in various fields and capacities which extend from small capacity office and household appliances (refrigerations, deep-freezers and split air conditioners etc.) to high capacity industrial and commercial applications (process refrigeration systems in chemical and food industries or central air conditioner systems of hotels and high-rise buildings etc.). Consumption of nearly 25% of world electrical energy production in residential, commercial and industrial refrigeration systems and increase of this ratio to 50-80% in chemical and food industries and air-conditioning systems have rendered great importance to enhancement of refrigeration system energy efficiency.In this study, the influence of the type and scenario of automatic control on the energy efficiency of a vapour compression refrigeration system is investigated experimentally. Tests and modelling are performed on a domestic refrigerator with a section. Heaters are installed in the cabinet to simulate variable cooling loads. A variable frequency inverter is used to drive the compressor in order to control cabinet temperatures against cooling load oscillations and the response of the system to the automatic control type and scenario (P, PI, PID) are then observed. A data acquisition and automatic control system to conduct flow, pressure, temperature and power measurements and control the variable speed drive is programmed and powered in the MATLAB environment. Experimental data, thus obtained, have been analysed to compare applied control algorithms and evaluate the energy efficiency of the system.As a result of the experiments, energy consumption during the pulse input is approximately the same as all the control algorithms. After applying the pulse input, the system which return to steady-state with the shortest settlement duration and make the lowest energy consumption is the PID control algorithm. For the longer period in steady-state, PI control algorithm is the best control method in terms of least energy consumption.