Rejeneratörlü klima sistemlerinin ısıl performanslarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of thermal performance of regenerator air conditioning systems
Yazar: TUNAY KARA
Danışman: PROF. DR. MESUT GÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Endüstri devriminden itibaren dünyamızda enerjinin önemi giderek artmıştır ve enerjinin üretimi ile tüketimi arasındaki ilişki, çevreye verdiği olası etkiler pek çok araştırmaya konu olmuştur. İnsan ihtiyaçlarının karşılanması ve gelişimin sürdürülmesi için enerji büyük bir gerekliliktir. Ancak günümüzde hızlı nüfus artışı ve sanayileşme süreçleri sonucunda enerji tüketiminde meydana artış doğal kaynakların hızla tükenmesine ve beraberinde gelen çevre sorunlarına sebebiyet vermiştir. Bu sebeple enerji verimliliği bir yandan ihtiyaçlarımızı karşılayıp gelişimimizi sürdürmek bir yandan da yaşadığımız ekosistemin dengesini korumak için büyük bir önem taşımaktadır.
Binalarda enerji tüketiminin oranı ülkemizde ve dünyada toplam enerji tüketimi içerisinde önemli bir paya sahiptir. Bu tüketilen enerjinin detayına indiğimiz zaman iklimlendirme cihazlarının önemini görmekteyiz. İklimlendirme cihazları tükettikleri enerji, verimlilik durumları pek çok araştırmaya konu olmuştur. Öyle ki bu cihazların verimliliğini yükseltmek için pek çok çalışma yapılmış ve halen yapılmaya devam edilmektedir.
İklimlendirme cihazlarının büyük bir çoğunluğu buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi esas almaktadır. Bu çevrimin ana elemanlarını kompresör, genleşme elemanı, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve soğutucu akışkan oluşturmaktadır. İdeal çevrimde kompresör soğutucu akışkanı izentropik olarak yüksek sıcaklık ve basınca getirmekte, yoğuşturucu ise ısısının büyük bir kısmını dış ortama atmaktadır. Soğutucu akışkan buharlaştırıya girmeden önce genleşme elemanında basıncını kaybedip sıcaklığı düşmektedir ve bu işlem teoride izentalpik olarak gerçekleşmektedir. Buharlaştırıcı da ise ortamın ısısı çekilerek soğutma işlemi gerçekleşmekte ve akışkan kompresöre girerek çevrim tamamlanmaktadır.
Soğutma cihazında enerji verimliliğinin arttırılabilmesi için bu kapalı sistemin çok iyi değerlendirilmesi gerekmektedir. İhtiyaç duyulan kapasite değerini minimum iş harcayarak elde etmek için sistemin doğru kurgulanması, ısı değiştiricilerin doğru analiz edilmesi gerekmektedir.
Klima da bu kapsamda değerlendirilen, günümüzde lüks olmaktan çıkıp her evin bir ihtiyacı haline gelen iklimlendirme cihazlarından bir tanesidir. Öyle ki günümüzde ev tipi klimalarda ki artış ciddi boyutlara ulaşmıştır ve durum böyle olunca araştırmacılar için çok daha ciddi bir konu haline gelmiştir.
Tez çalışmaları kapsamında ise ev tipi klimaların yoğunlaştırıcı ve buharlaştırıcının performansını iyileştirip, toplam verimliliği arttırmak amacı ile iç içe eş eksenli ve ters akışlı ısı değiştirici tasarımı yapılmış ve sistemin verimliliği incelenmiştir.
Tez çalışması kapsamında kompresör ile yoğunlaştırıcı arasında iç içe eş eksenli ve ters akışlı ısı değiştiricisi tasarlanmış ve bu ısı değiştiricisinde meydana gelen ısı transferi ile buharlaştırıcıya giren akışkanın daha düşük kuruluk derecesinde girmesi, dolayısıyla buharlaştırıcının performansının iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Matematik modelleme ile iç içe eş eksenli ve ters akışlı ısı değiştiricinin geometrik parametreleri belirlenmiş ve sistem performansına olan etkileri psikometrik odalarda standartlara uygun kurulan test düzenekleri ile incelenmiştir.
Literatür araştırılmalarında soğutma sistemleri için iç içe eş merkezli ısı değiştiricilerin analizi yapıldığı zaman genel itibariyle emme hattı olarak belirtilen buharlaştırıcı ile kompresör arasındaki boru ile kılcal boru olarak belirtilen yoğunlaştırıcı ile buharlaştırıcı arasında boru arasında ısı değiştirici çalışmaları yapılmış, sistem performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Isı değiştiricisindeki iç boru yani kılcal borunun çapı, uzunluğu gibi faktörlerin ısı geçişine ve sistem performansına yönelik etkileri incelenmiş, ampirik bağlantılar çıkarılmıştır.
Tezin ilk kısmında enerji tüketiminin ve enerji verimliliğinin öneminden bahsedilmiştir. İklimlendirme cihazlarında enerji verimliliğini sağlayabilmek için sistemi doğru analiz etmek gerekmektedir.
Tezin ikinci kısmında ısı değiştiricilerin üzerinde durulmuştur. Genel olarak ısı değiştiricilerinin ne olduğu, sınıflandırılmaları, birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. Isı değiştiricilerin ısıl hesapları hakkında bilgilendirme yapılmış olup, bir ısı değiştiricinin çözümlenme metotları anlatılmıştır.
Tezin üçüncü bölümünde literatür çalışmalarından bahsedilmiştir. Soğutma cihazları için iç içe geçmiş borulu ısı değiştiricilerin sistem üzerindeki etkilerinden bahsedilmiştir.
Tezin dördüncü bölümünde deneysel çalışmalardan bahsedilmiştir. İlk olarak deney düzeneği tarif edilmiştir. Performans iyileştirmek amaçlı yola çıkılan tez için performansın nasıl ölçüleceği detaylı olarak anlatılmıştır. Psikometrik tip odalar tariflenmiş, sıcaklık ve hava debisi ölçüm sistemleri anlatılmıştır. Deney numunesini performans testine hazırlanma aşamalarından bahsedilmiştir. Bu bölümde deneysel çalışmalar kısmında yapılacak deneyler için düzenek önceden tanıtılmıştır. Ardından psikometrik tip odalarda numune üzerine yapılacak testler anlatılmıştır. Standartlara uygun şekilde tariflenen testlerin nasıl yapılacağı, sonuçların nasıl alınacağı, sonuçların nasıl değerlendirilip nominal ve sezonsal verimliliğin nasıl hesaplanacağı anlatılmıştır. Deneysel çalışmalar kısmında yapılacak olan deneyler bu kısımda tariflenen kurallar çerçevesinde yapılıp sonuçları analiz edilmiştir.
Daha sonra yapılan deneysel çalışmalardan bahsedilmiştir. Deneysel çalışmalar ilk olarak mevcut numune üzerinde yapılmıştır ve elde edilen sonuçlar yapılacak çalışmanın temelini oluşturmuştur. Kondanser sıcaklık dağılımı belirlenmiş, 3 faz için kondanser üzerinde kapladıkları alan analiz edilmiştir. İlave olarak deneysel çalışmalar ile tek fazlı buhar ve sıvının toplam ısı taşınım katsayısı bulunmuş, sayısal modellemeye temel oluşturmuştur. Sayısal modelleme sonucu tasarım parametreleri netleştirilen iç içe borulu eş merkezli ısı değiştirici tasarlanmış ve deneysel çalışmalar devam etmiştir. Deney çalışmaların birinci aşamasında buharlaştırıcıya kuruluk seviyesi mevcut duruma göre daha düşük giren soğutucu akışkan sayesinde performans ve nominal verimlilikte artış gözlemlenmiştir. Birinci aşamada iç içe eş merkezli ters akışlı ısı değiştiricisi ile elde edilen sonuçlar sayısal modelleme de öngörülene uygun bir çalışma olduğunu göstermektedir. İkinci aşamada ise artan kapasite kompresör frekans değeri düşürülerek mevcut duruma getirilmiş ve bu da ürünün toplam çektiği güç değerinde düşüş ile sonuçlanmıştır. Böylelikle ilk durumda artan nominal verimliliğe oranla daha yüksek bir nominal verimlilik elde edilmiştir. Üçüncü aşamada ise sezonsal verimlilik testleri yapılmış ve mevcut ürüne göre artış gözlemlenmiştir. Sonuç olarak deneysel çalışmalar sonucunda iç içe borulu eş merkezli ters akışlı ısı değiştirici ile mevcut duruma kıyasla nominal ve sezonsal verimlilikte artış gözlemlenmiştir.
Tezin beşinci bölümünde sayısal modelleme anlatılmıştır. Dördüncü bölümde mevcut numunenin analizi beşinci bölüm için önem arz etmektedir. Ürünün algoritması gereği test yapılan koşullarda kondanzasyon sıcaklığının mevcut durum ile aynı olması modellemenin tek fazlı akışkanlar için yapılmasına imkan vermiştir. İlk olarak deneysel çalışmalar ile mevcut durum modellenmiş, tek fazlı akışkanlar için toplam ısı geçiş katsayısı elde edilmiştir. Ardından ters akışlı ısı değiştiricinin sebep olacağı yeni kondanser giriş ve çıkış sıcaklıkları için logaritmik sıcaklık farkı metodu ile kondanser giriş ve çıkış sıcaklıkları modellenmiştir. Bu sıcaklar ayrıca ters akışlı ısı değiştiricinin sıcak akışkan çıkış ve soğuk akışkan giriş sıcaklıklarıdır. Böylelikle ilk modelleme ters akışlı ısı değiştiricisinin modellemesini beslemiştir. Ters akışlı ısı değiştiricinin modellemesi ile giriş çıkış sıcaklıkları belirlendikten sonra modellemeler yardımı ile tasarım parametreleri belirlenmiş ve EES ile MİNİTAB programlarının yardımı ile sistem çözdürülerek performans iyileşmesi analiz edilmiştir.
Altıncı ve son bölümde ise sonuçlar ve değerlendirmeler anlatılmıştır. Sayısal model ile deney sonuçları kıyaslanmıştır. Yapılan çalışmanın sonuçları analiz edilmiş, hangi çalışmalar ilham verebileceğinden bahsedilmiştir. İlave olarak maliyette sağladığı avantajdan bahsedilmiştir. Çalışmanın ek kısmında EES programda yapılan modelleme paylaşılmıştır.

Abstract:
Since the industrial revolution, the importance of energy has gradually increased in the world, and the relation between the production and consumption of energy and its possible impacts on the environment have been the subject of many studies.Every day, our species chews its way through more than a milion terajoules of energy. Energy has been a major requirement for providing human needs and sustaining development.There can be no doubt that implementing a shift in where we get our energy from is one of the grand challenges facing our planet today.However, today's rapid population growth and the increase in energy consumption as a result of industrialization processes have caused the rapid depletion of natural resources and the accompanying environmental problems. The rise in cooling demand will be particularly important in the hotter regions of the world. For this reason, energy efficiency is of great importance in order to provide human needs and maintain our development while maintaining the balance of the ecosystem.
The rate of energy consumption in buildings has an important share in total energy consumption in not only our country but in the world. Importance of the air conditioning can be seen while going into the details of this energy consumed. Energy consumption and efficiency of air conditioners have been the subject of many studies. As a result of that significant share, a lot of work has been done to improve the efficiency of these devices and there are still ongoing studies in place.
Air conditionin devices has the majority of the vapor compression refrigeration based. The main components of this cycle are the compressor, expansion element, condenser, evaporator and refrigerant. In the ideal cycle of the air conditioner, the compressor brings the refrigerant to isentropically high temperature and pressure, while the condenser discharges a large portion of its heat to the outside. Before the refrigerant enters the evaporator, the expansion element loses its pressure and decreases its temperature, which in theory is isentalpically. In the evaporator, the cooling process takes place by removing the heat of the medium and the cycle is completed by entering the fluid compressor.
In order to increase the energy efficiency of the cooling device, mentioned closed system should be evaluated very deeply and clearly. To be able to obtain the required capacity value with minimum work which is called efficiency, the system must be configured correctly and the heat exchangers must be analyzed correctly.
Air conditioning is also considered as one of the air conditioning devices that have become a necessity of every house. Due to the significant increase in home-type air conditioners has reached a serious level today, and this increase has become a much more serious issue for researchers.
Within the scope of thesis study, in order to improve the performance of the condenser and the evaporator and to increase the total efficiency, a co-axial and counter flow heat exchanger design has been designed and the efficiency of the system has been examined by several tests based on a mathematical formula.
In this thesis study, a coaxial and counter-flow heat exchanger is designed between compressor and condenser and it is aimed to improve the performance of the evaporator in order to enter the fluid entering the evaporator at a lower degree of dryness with the heat transfer occurring in this heat exchanger. The geometric parameters of the coaxial and counter flow heat exchangers were determined by numerical modeling and their effects on the system performance were examined with test devices established in standards in psychometric rooms.
In the literature study, when heat exchangers are analyzed for nested concentric heat exchangers for cooling systems, heat exchangers between condenser and evaporator, which are generally designated as suction lines and between condenser and evaporator, which are designated as suction lines, have been investigated and their effects on system performance have been captured. Classifications of the heat exchangers are captured under six different categories based on the properties. The effects of factors such as the diameter and length of the inner tube, namely the capillary tube, on the heat transfer and system performance in the heat exchanger were examined and empirical connections were extracted.
In the first part of the thesis study, the importance of energy consumption and energy efficiency are mentioned. As previously mentioned it is necessary to analyze the system correctly, in order to ensure energy efficiency in air conditioning devices.
In the second part of the thesis study, heat exchangers are emphasized. Heat exchangers definition, their classification, advantages and disadvantages compared to each other are captured. Information about the thermal calculations of heat exchangers is given and the methods of solving a heat exchanger are explained.
In the third part of the thesis study covers the literature part. Effects of nested tube heat exchangers for cooling devices on the system are mentioned.
In the fourth part of the thesis, the experimental setup is described. It has been explained in detail how to measure the performance for the study aimed at improving performance. Psychometric type room, temperature and air flow measurement systems are explained. The steps of preparing the test sample for performance testing are captured. In this part of the thesis study, the mechanism for the experiments to be carried out in the experimental studies section is introduced in advance.
And then, the tests on the sample in psychometric type rooms are captured. How to carry out the tests described in accordance with the standards are mentioned. The way of getting the results are explained in detail and after gathering the results together, evaluation of the results are shown based on the respective criterias. Besides, calculation of the nominal and seasonal efficiency have been mentioned. The experiments to be performed in the experimental studies part were conducted in accordance with the rules determined in this section and the results were analyzed.
After that experimental studies are mentioned. In order to have the initial values of the current setup, experimental studies were first performed on the existing sample and the results were the basis of the study. Condenser temperature distribution was determined and the area they occupied on the condenser for 3 phases was analyzed. In addition, total heat transfer coefficient of single phase steam and liquid was found by experimental studies and formed the basis for numerical modeling. As a result of numerical modeling, the design parameters of the nested tube concentric heat exchanger were designed and experimental studies were continued. In the first stage of the experimental studies, an increase in performance and nominal efficiency was observed thanks to the refrigerant entering the evaporator with a lower level of dryness than the current situation. The results obtained with the nested concentric counter flow heat exchanger show that the numerical modeling is a suitable operation. In the second stage, increasing capacity was reduced by reducing the compressor frequency value, resulting in a decrease in the total power output of the product. Thus, in the first case, a higher nominal efficiency was achieved compared to increased nominal efficiency. In the third stage, seasonal productivity tests were performed and an increase was observed compared to the current product. As a result of experimental studies, an increase in nominal and seasonal efficiency compared to the present situation was observed with the nested tube concentric counter flow heat exchanger.
In the fifth part of the thesis where the numerical modeling is explained. It is important to have the initial analysis for the current model from the sixth part of the study to be able to differentiate the difference between present and future model. Firstly, the current situation is modeled by experimental studies and total heat transfer coefficient is obtained for single phase fluids. Then, the logarithmic temperature difference method was used to model the condenser inlet and outlet temperatures for the new condenser inlet and outlet temperatures caused by the counter flow heat exchanger. According to the algorithm of the product, the condensation temperature in the test conditions is the same as the current situation, allowing modeling to be done for single phase fluids. Logarithmic temperature difference method is used to model condenser inlet and outlet temperatures. These temperatures are also the hot fluid outlet and cold fluid inlet temperatures of the counterflow heat exchanger. Thus, the first modeling fed the modeling of the counter flow heat exchanger. The design parameters were determined by modeling and performance improvement was analyzed by dissolving the system with the help of EES and MINITAB programs.
The results are explained in the sixth which is the last part. Numerical model and experimental results were compared. The results of the structured study were analyzed and the studies which could have been get inspired from this study was mentioned. Additionally, cost advantage is mentioned. The modelling EES program was shared as an attachment on the appendix part.