Bir içecek fabrikasının soğutma sisteminin kütle, enerji ve ekserji analizlerinin gerçekleştirilmesi
Mass, energy and exergy analysis of cooling system of a beverage plant
Yazar: ÜMİT ÜNAL
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN DEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, içecek üreten bir endüstri kuruluşunun bünyesindeki buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi, dört hafta boyunca saatte bir alınan veriler ışığında termodinamik olarak incelenmiştir. Sistemin birincil soğutucu akışkanı amonyak, ikincil soğutucu akışkanı ise monoetilen glikollü sudur.
İlk olarak kütle analizi uygulanmış ve temel kütle denkliği kullanılarak, belirlenmiş kontrol hacimleri için soğutucu akışkan debileri saptanmıştır. Tespit edilen soğutucu akışkan debileri kullanılarak ikinci aşama olan enerji analizleri gerçekleştirilmiştir. Kontrol hacimleri için yapılan kabuller doğrultusunda temel enerji denkliği kullanılarak, kontrol hacimlerine giren ve(ya) kontrol hacimlerinden çıkan ısı ve(ya) iş miktarları saptanmıştır. Ayrıca enerji analizi vasıtasıyla çevrimin COP değerleri de belirlenmiştir. Çevrimdeki kontrol hacimleri için belirlenen debi, iş ve ısı değerleri kullanılarak üçüncü ve son aşama olan ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Kontrol hacimleri için dikkate alınan kabuller ışığında temel ekserji denkliği kullanılarak, kontrol hacimlerinde meydana gelen ekserji kayıpları tespit edilmiştir. En yüksek ekserji kayıpları sırasıyla kompresör sistemlerinde (%59.53), evaporatörlerde (%27.86), genleşme valflerinde (%7.11) ve kondenserlerde (%5.5) saptanmıştır. Bunun yanı sıra, ekserji analizi ile kontrol hacimlerine giren ekserji miktarları belirlenmiştir. Böylece, ekserji kaybı ve giren ekserji değerleri kullanılarak kontrol hacimlerinin ekserji verimleri tespit edilmiştir. 
Bu çalışmada, kontrol hacimleri için tespit edilen ekserji kayıplarının, ekserji verimlerinin ve COP değerlerinin, soğutucu akışkan debisi, evaporatör sıcaklığı ve zamana göre değişimleri de incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, grafikler halinde verilmiştir. Sistemin düşük kapasitede çalıştırıldığı zamanlarda kayıpların oldukça arttığı, enerji ve ekserji verimlerinin kayda değer şekilde düştüğü belirlenmiştir.
İşletmedeki soğutma sistemine aşırı kızdırma, aşırı soğutma ve kondenser sıcaklığının düşürülmesi gibi yöntemler uygulanmamaktadır. Bu uygulamaların bir ideal çevrim üzerindeki etkileri saptanmış ve ekserji kaybının açık ara kompresör sistemlerinde gerçekleştiği dikkate alınarak optimizasyon seçenekleri değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this study, vapor compression cooling system of a beverage plant was investigated thermodynamically using hourly data that was recorded once for four weeks. There are two refrigerant cycles; primary refrigerant is ammonia and secondary refrigerant is mixture of monoethylene glycol-water in the system.
Firstly, mass analyses were carried out and refrigerant mass flow values for control volumes were obtained by using conservation of mass equation. Energy analyses were realized by using mass flow rates as second phase. Heat and work interactions were determined for control volumes using conservation of energy equation in accordance with assumptions for control volumes. Also COP values were obtained by carrying out energy analysis. Exergy analyses were carried out by using mass flow rates, heat and work values obtained for control volumes in cycle as last phase. Exergy losses occurred in control volumes were determined by using exergy balance equation in accordance with assumptions for control volumes. The biggest exergy losses were occurred in compressors (%59.53) followed by evaporators (%27.86), expansion valves (%7.11) and condensers (%5.5). Besides, inputs of exergy to control volumes were obtained by using exergy analysis. Thus exergy efficiencies of control volumes were determined by using exergy losses and inputs exergy values.
In this study, it was observed that exergy losses, exergy efficiencies and COP values determined for control volumes were investigated for different refrigerant mass flow rates, evaporator temperatures and time. The values obtained were given in graphical forms. It was observed that system which was operated in low capacities causes exergy losses highly increase and exergy efficiencies and COPR values decrease significantly.
Superheating, subcooling and decreasing temperature of condenser are not applied in the plant. Effects of the applications on an ideal cycle were investigated and in this regard optimization options were discussed by considering the biggest exergy loss in compressors.