CO2 soğutucu akışkanlı soğutma sistemlerinin performans kriterlerinin araştırılması
Investigation of performance criteria of CO2 refrigerant cooling systems
Yazar: ZEYAD TAREQ SATTAR SATTAR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Teknolojik ve endüstriyel alanlarda hızlı bir şekilde artan yenilikler ve ilerlemeler arasında soğutma sistemleri de önemli bir yer tutmaktadır. Son yüzyılda soğutma sistemlerinin karşılaştığı en büyük sorunlardan biri, çevresel etkileri giderek artan küresel ısınmadır. Bu nedenle, soğutma sistemleri geliştirilirken çevresel faktörler göz önünde bulundurularak çalışmalar yürütülmektedir. Karbondioksit (CO₂) soğutucu, çevre dostu ve modern çağın gereksinimlerine uygun bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışmada, karbondioksit bazlı soğutma sistemlerinin performans kriterleri literatür taramasıyla analiz edilmiş ve incelenmiştir. Ayrıca, karbondioksit soğutucu akışkanlı bir soğutma sistemi geliştirilmiş ve bu sistem yoğurt üretiminde kullanılmıştır. Kullanılan soğutma sistemi, ısıtma, orta ve düşük sıcaklıkta soğutma işlemleri için iki aşamalı ejektörlü bir yapıya sahiptir. Soğutma sisteminin amacı, ısıtma işleminde gaz soğutucunun ısısını sirkülasyon yöntemiyle gıda içeren ısıtma işleminde kullanmak ve soğutma işleminde evaporatörden alınan soğuk akışkanı sirkülasyon yöntemiyle soğutma ve muhafaza işlemlerini gerçekleştirmektir. Çalışma esnasında, ısıtma işlemi için gaz soğutucu kullanılarak CO2 soğutucu akışkandan suya ısı transferi gerçekleştirilmiş ve bu işlem sonucunda 144,3°C sıcaklıkta, 99,66 kW'lık bir ısıtma kapasitesi elde edilmiştir. Isıtma işlemine ait performans katsayısı (COP) 1,26 olarak hesaplanmıştır. Soğutma işlemi için, evaporatör kısmında -30°C sıcaklıkta çıkan CO2 soğutucu akışkan, sirkülasyon yöntemiyle soğutucu akışkan ile ısı değişimi yapmıştır. Bu süreçte, soğutucu akışkan istenilen soğutma alanlarında ısı değişimine uğramış ve sonuç olarak 165,56 kW soğutma kapasitesi elde edilmiştir. Sisteme ait soğutma COP (performans katsayısı) ise 2,11 olarak hesaplanmıştır. Soğutma sisteminin ikili performans değeri ise 3,38 olarak belirlenmiştir. Bu bağlamda, soğutma sistemi 79,08 kW değerinde bir iş gücü tüketerek 265,22  kW kapasitede hem ısıtma hem de soğutma elde etmiştir. Bu çalışma, karbondioksit bazlı soğutma sistemlerinin çevresel açıdan sürdürülebilir ve verimli bir alternatif olduğunu göstermekte, endüstriyel uygulamalarda kullanılabilirliğini ortaya koymaktadır.

Abstract:
Refrigeration systems hold a significant place among the rapidly increasing innovations and advancements in technological and industrial fields. One of the biggest challenges faced by refrigeration systems in the last century is global warming, which is increasingly impacting the environment. Therefore, the development of refrigeration systems is carried out with consideration of environmental factors. Carbon dioxide (CO₂) refrigerant stands out as an environmentally friendly and modern alternative that meets the requirements of the current era. In this study, the performance criteria of carbon dioxide-based refrigeration systems were analyzed and reviewed through a literature survey. Additionally, a carbon dioxide refrigerant-based refrigeration system was developed and utilized in yogurt production. The refrigeration system employed has a two-stage ejector structure, designed for heating, medium-temperature cooling, and low-temperature cooling processes. The aim of the refrigeration system is to utilize the heat from the gas cooler in the heating process for food heating via circulation and to perform cooling and preservation processes in the cooling operation by circulating the cold fluid obtained from the evaporator. During the study, heat transfer from CO₂ refrigerant to water was achieved using the gas cooler for the heating process, resulting in a heating capacity of 99.66 kW at a temperature of 144.3°C. The coefficient of performance (COP) for the heating process was calculated as 1.26. For the cooling process, CO₂ refrigerant exiting the evaporator at -30°C exchanged heat with the secondary refrigerant via circulation. During this process, the secondary refrigerant underwent heat exchange in the desired cooling areas, resulting in a cooling capacity of 165.56 kW. The COP for the cooling system was calculated as 2.11. The combined performance value of the refrigeration system was determined to be 3.38. In this context, the refrigeration system consumed 79.08 kW of power to achieve a total capacity of 265.22 kW, providing both heating and cooling. This study demonstrates that carbon dioxide-based refrigeration systems are environmentally sustainable and efficient alternatives, highlighting their applicability in industrial practices.