Kompakt buhar sıkıştırmalı bir soğutma sisteminin deneysel ve matematik modelleme çalışması
Experimental and mathematical modelling studies of a compact vapor compression refrigeration system
Yazar: MUHSİN CAN AKKURT
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine sahip harici bir soğutma sistemindeki ısı geçişi olayları; deneysel çalışmalar ve matematik modelleme çalışmaları dahilinde incelenmektedir. Bu soğutma sisteminde temel elemanlar olarak hermetik kompresör, kılcal boru, buharlaştırıcı, buharlaştırıcı fanı, yoğuşturucu ve yoğuşturucu fanı yer almaktadır. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu olarak kaydırılmış sıralı borulu düz kanatlı ısı değiştiricileri kullanılmaktadır. Bu ısı değiştiricileri üzerindeki hava hızlarının sistem performansına ve sistemdeki  sıcaklıkların değişimlerine olan etkisi ele alınmaktadır. Öte yandan, soğutma hacmindeki soğuma davranışları tek bir hava hızı için incelenmektedir.
Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin anlaşılabilmesi amacıyla öncelikle,  çevrim elemanları ve çevre koşullarına ait  termodinamik, akış ve ısı geçişi  kısaca özetlenmektedir. Soğutma sistemi elemanlarının görevleri ve buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi hakkında genel bilgiler üzerinde durulmaktadır. İdeal ve gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimleri arasındaki farklara değinilmektedir. Soğutma sistemindeki bileşenlerin modellemesinde ve sisteme ait ısı kazancının belirlenmesinde kullanılabilecek denklemler, bileşenlerin çevrimde aldığı görevlere uygun olarak verilmektedir. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcıda iç akış tarafında faz değişimi  baskın olduğundan, ısı taşınım katsayıları bulunurken her iki eleman için farklı korelasyonlar verilmektedir. Dış taraftaki akış özellikleri benzer olduğundan tek bir korelasyon verilmektedir. Isı değiştiricilerindeki ısı geçişi hesaplamalarında kullanılanılan  ε-NTU metodu kısaca  açıklanmaktadır. Bunun yanı sıra, kaydırılmış sıralı borulu düz kanatlı ısı değiştiricilerinin kanat hesabına değinilmektedir. Aynı bölümde, kabin içindeki hava ile çevre ortamı arasında gerçekleşen ısı geçişine ait denklemler çıkarılmaktadır. Kabin içerisine bir maddenin yerleştirilmesi durumunda meydana gelen ısı ve kütle geçişi ifadeleri belirlenmektedir.  
Deneysel çalışmalar bölümünde; soğutma çevrimi elemanlarında, soğutma yapılacak olan hacimde ve soğutma sistemi ile hacim arasındaki bağlantıyı sağlayan hava kanallarında belirli noktalara termoeleman bağlanarak bu noktaların sıcaklık ölçümleri yapılmaktadır. Sıcaklık ölçümleri ile eş zamanlı olarak soğutma sisteminin performansını belirlemek için sistemin çektiği güç ölçümleri de yapılmaktadır. Bu ölçümler buharlaştırıcı ve yoğuşturucu fanının besleme voltajı değiştirilerek altı farklı kombinasyonda tekrarlanmaktadır. Soğutma sisteminin performansını etkileyen bir parametre olan buharlaştırıcı fanının debisi, soğutma sistemine uygun olarak tasarlanan bir düzenek ile 6V, 9V ve 12V fan besleme voltajı değerleri için ölçülmektedir. Bu deneysel çalışmaların dışında, soğutma sistemine bir yük yerleştirilerek tek bir fan hızı kombinasyonu için yükün ve soğutma hacminin sıcaklık değişimi incelenmektedir. Yükün kütle değişiminin de incelenmesi için sisteme yük olarak gıda maddesi konularak kütle kaybı deneyleri gerçekleştirilmektedir.
Deneysel çalışmaları yapılan soğutma sistemine uygun olarak, soğutma çevrimi ve soğutma hacmi için matematik model kurulmaktadır. Soğutma çevrimi için oluşturulan modelde, her çevrim elemanı için uygun kabuller yapılarak elemanlar ayrı ayrı ele alınmaktadır. Her bir bileşen için yapılan uygun kabuller doğrultusunda meydana gelen özel durumlara ait korelasyonlar literatürden alınmaktadır. Bu bağıntılar yardımıyla oluşturulan matematik modellerin hesabı, bilgisayar ortamında oluşturulan bir program ile yapılamaktadır. Programdan elde edilen bileşen sıcaklıkları grafikler halinde verilmektedir. Soğutma hacmi için kurulan matematik modelde ise, soğutma hacmindeki havanın ve hacme yerleştirilen yükün sıcaklığının, zamana bağlı olarak tahmin edilebilmesi amaçlanmıştır.
Çalışmanın son bölümünde, soğutma sisteminin farklı buharlaştırıcı fan debileri için deneysel çalışmalardan elde edilen; sistemin harcadığı enerji miktarları, çalışma oranları ve benzeri performans değerleri irdelenmektedir. Performans değerleri incelendiğinde, buharlaştırıcıdaki hava hızı arttıkça sistemin çalışma oranı (runtime) düşeceğinden soğutma hacminin istenilen sıcaklık değerine gelme süresi ve bu sürede harcadığı enerji miktarının azaldığı söylenebilmektedir. Benzer şekilde çalışma oranının, sistemlerin dengeye geldikten sonra harcadığı enerji miktarlarında da etkili olduğu görülmektedir. Ardından, soğutma hacmindeki yük paketi için deneyden ve modelden elde edilen soğuma eğrileri karşılaştırılmaktadır. Yük paketinin ve gerçek bir gıda maddesinin soğuma eğrileri ise modelden elde edilen sonuçlar kullanılarak karşılaştırılmaktadır. Oda sıcaklığında soğutma hacmine yerleştirilen yük paketinin  7 saat sonunda sıcaklığı yaklaşık 6°C'ye ulaşırken, aynı sıcaklıkta yerleştirilen gerçek bir gıdanın sıcaklığı, gıdadan soğutma hacmine geçen nem miktarının da matematik modele dahil edilmesi nedeniyle yaklaşık 9°C dolaylarına ulaştığı görülmektedir. Son olarak, soğutma çevrim elemanlarının üç farklı fan kombinasyonu için matematik modelden elde edilen sıcaklık değerleri ile deneylerden elde edilen sıcaklık verileri karşılaştırılmaktadır. Çevrim bileşenleri için yapılan kabuller nedeniyle bazı nokta sıcaklıklarında elde edilen iki veri arasında bir miktar fark görülse de büyük oranda benzer sonuçlara ulaşılmıştır. Her iki veri de incelendiğinde buharlaştırıcı üzerindeki hava hızı arttıkça sistemin çalıştığı sıcaklık aralığının arttığı gözlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, heat transfer phenomena in a cooling system with vapor compression refrigeration cycle is investigated through experimental and mathematical modeling studies. Experimental studies were carried out in a compact cooling system using R134a as refrigerant. The effect of air velocities on evaporator and condenser on the system performance is experimentally considered. A mathematical model is developed to calculate instantaneous temperature values of system components at three different air velocities on heat exchangers. The generated model is solved by using MathCAD with the evaporation and condensation pressures being taken from the experimental data. The obtained values are compared with the temperature outputs from experiments. On the other hand, the temperature changes depending on time of the air in the cooling volume and a material placed in the volume was obtained from experiments and mathematical models, and these curves of the temperature changes were compared.
Vapor compression refrigeration system in which the experimental works are performed has an hermetic compressor, expansion valve, evaporator, evaporator fan, condenser and condenser fan as basic components. A capillary tube is used as an expansion valve for the refrigerator. As the evaporator and condenser, plate-fin heat exchangers with staggered tube arrangement that are frequently used in household refrigeration applications were used. This cooling system is a compact structure located at the bottom of the cooling volume. The cooling volume, which has a constant volume, is wanted to be cooled to 5°C from room temperature and maintained around this temperature. Cooling operation is provided by the cold air taken from the evaporator located under the cooling volume using the evaporator fan. The cold air is delivered to the cooled cabinet by the air blowing duct, and after receiving some heat from the cabinet, it is conveyed back to the evaporator by the air suction duct.
In experimental studies, firstly temperature measurements are made for certain points in the refrigeration cycle components, the volume to be cooled and the air ducts by connecting thermoelements. Simultaneously conducted in the same experiment with temperature measurements, measurements of the power are taken by the system to determine the performance of the cooling system. These measurements are repeated for six different combinations by changing the supply voltage of the evaporator and condenser fans. The flow rate of the evaporator fan, a parameter that affects the performance of the cooling system, is measured for fan supply voltage values of 6V, 9V and 12V by using a setup designed for the blowing duct. In addition, a load is placed on the cooling system for a single fan supply voltage combination to examine the temperature change of the load and the cooling volume. In these experiments, a load package with similar thermal properties of a foodstuff (fillet steak) was used as the load. Apart from the temperature change experiments, two different mass loss experiments are carried out in which foodstuff (fillet steak) and water are placed in the system. These experiments are carried out by continuously measuring the mass using a precision balance placed in the cooling volume.
In the section where the Mathematical Model is created, the cooling volume is first investigated. It is aimed to obtain the time-dependent cooling curves of the cooling volume and material placed in the volume. For this reason, two differential equations are established in accordance with the energy balance for the control volumes of the cooling volume and the cooled material. In these equations, the temperature of the air entering the cabinet (cooling volume) is considered constant. On the other hand, it is assumed that the air at the exit of the cabinet is the function of the time and equal to the temperature of the air inside the cabinet. The heat gain from the piping system of the refrigeration cycle is neglected. The natural and forced convection expressions were used to determine the heat gain from the cabinet. The inside temperature of the cabin and the temperature of the material are taken as 24.5 °C (room temperature), the initial conditions. The two equations are solved in the MathCAD program with these initial conditions and assumptions to obtain the cooling curves of the air and the material inside the cabinet. Two different solutions have been obtained for the cases in which the material placed in the system was a load package used in experiments and was real foodstuff. In the case of real food material, the heat transfer due to transferred moisture to the air from the food should also be considered. For this reason, the amount of heat transfer due to water evaporation is added to the energy balance equations established for the control volumes.
The other mathematical model is created for the whole refrigeration cycle in order to obtain instantaneous tempreratures of the components of the cycle. The model created by making suitable assumptions for all components are solved using the MathCAD program. As the models are constructed in this section, the evaporation and condensation pressures are taken from the experimental datas as inputs.
The number of revolutions, power and displacement volume of the compressor are taken from the catalog information in order to determine mass flow rate circulating in the cycle.In the compressor model, it is assumed that the compression process is adiabatic and reversible. 
The expansion process in the capillary tube is assumed to be adiabatic, and the enthalpies at the inlet and outlet of the component are considered to be equal.
In the models of the condenser and the evaporator, similar expressions are used because both heat exchangers are plate-fin heat exchangers with staggered tube arrangement. The correlation used to find the heat transfer coefficient in external flow side for this type of heat exchanger is the same for the both components. On the internal flow side, a correlation that is valid for the cases in which condensation occurs in circular tubes is used in the part of the condenser where condensation occurs, In the phase-change part of the evaporator, a correlation is selected which is valid for the case of evaporation in straight-line pipelines. On the other hand, in the parts of both components where the phase of the refrigerant does not change, the same correlation obtained from the literature was used. In the mathematical model, all dimensions of the heat exchangers were taken as input. After calculating the fin efficiencies of the heat exchangers, the heat transfer quantities in these components were determined using the ε-NTU method. Thus exit enthalpies have been obtained. As the evaporation and condensation pressures are known, the temperatures at the exits of the components were obtained.
In the last part of the thesis, the amount of energy consumed by the system, run-time and some performance values obtained from the experimental studies for the different flow rates of the evaporator fan of the cooling system are examined. According to the performance outputs, it can be said that as the air velocity on the evaporator increases, the runtime of the system decreases. In other words, the time the system runs in a certain period of time is decreasing. Therefore  the duration of reaching the desired temperature of cooling volume is reduced so that the amount of energy consumed decreases during this period. In a similar way, it is seen that the run-time is also effective in the amount of energy that the systems consume after they have stabilized. Then, the cooling curves obtained from the experiment and the mathematical model are compared for the load package in the cooling volume. On the other hand, cooling curves of the load package and a real foodstuff (fillet steak) are compared using the results obtained from the model. It is observed that the temperature of the load pack placed at room temperature reaches about 6 °C after 7 hours, the temperature of the foodstuff placed at the same temperature reaches about 9°C because of the amount of moisture passing from the food to the cooling volume. Finally, the temperature values of the cycle components.obtained from the experiments are compared with the values obtained from the mathematical model for the three different evaporator fan voltage combinations. Although there are some differences between the data obtained for some points due to the assumptions made for the cycle components, very similar results have been achieved from both studies. It is observed that as the air velocity on the evaporator increases, the temperature range that the system operates also increases.