Soğutma sistemlerinde kondenser kapasite kaybının sistem performansı üzerine etkilerinin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of effect of condenser capacitiy loss on system performance in refrigeration systems
Yazar: ABDUL CAN İNAL
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, çeşitli dış etkiler altında soğutma, sistemi kondenserinde (yoğuşturucusunda) meydana gelen kapasite kayıplarının sistem üzerindeki etkileri deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Bu amaçla, soğutucu akışkan R410A kullanılan bir soğutma sistemi tasarlanarak imal edilmiştir. İmalatı yapılan soğutma sisteminin kompresör giriş-çıkış, genleşme valfi giriş-çıkış noktalarına basınç ve sıcaklık sensörleri yerleştirilmiştir. Sistemin enerji sarfiyatının tespiti amacıyla elektrik sayacı, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı taraflarındaki hava sıcaklık ve nem değerlerindeki değişimleri tespit edebilmek için ayrıca sensörler sistem üzerindeki uygun noktalara yerleştirilmiştir. Kullanılan ölçüm elemanlarından elde edilen veriler ile, sistemin kompresör, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı kapasitelerindeki değişimler, kompresör izantropik verimi, enerji sarfiyatı ve COP değerlerindeki değişim miktar ve oranlarının tespit edilmesi amaçlanmıştır. 
Yapılan çalışmanın ilk aşamasında, çevre koşulları altında, yoğuşturucu yüzey alanı %0 ile %70 arasında, %10'ar değişim sağlanacak biçimde 8 farklı yapıda XPS yalıtım malzemesi ile kapatılarak sistemin basınç, sıcaklık ve enerji sarfiyat değerlerindeki değişimler tespit edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, çevre koşulları altında ve aynı yoğuşturucu kapasite kayıplarında, evaporatif soğutma uygulamasının etkilerini incelemek için testler geçekleştirilmiştir. Çalışmanın üçüncü aşamasında ise, deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen veriler kullanılarak sistemin enerji, ekserji analizleri yapılmış ve deney yapılamayan durumlardaki sistem performans ve çalışma özelliklerini tespit edebilmek amacıyla Yapay Sinir Ağı (YSA) metodu kullanılmıştır. 

Çalışmada, YSA modeli eğitim fonksiyonu olarak levenberg marquardt algoritması, performans fonksiyonu olarak MSE ve transfer fonksiyonu olarak lojistik sigmoid fonksiyonu kullanılmıştır. YSA modelinde belirlenen farklı sıcaklık ve bağıl nem değerleri için COP, QE ve QC değerleri tahmin edilmiştir. Kullanılan YSA modeli, girdi katmanında 3, bir gizli katmanda 15 ve çıktı katmanında ise 3 hücreden oluşmaktadır. COP, QE ve QC değerlerinin tahmin edildiği YSA modelinin oldukça yüksek doğruluk oranlarına sahip olduğu R, RMSE ve MAPE değerleri ile tespit edilmiş olup, bu YSA modelinin kullanımı ile benzer çalışma koşullarındaki yüksek doğruluk oranlarına sahip tahminlerin yapılmasının mümkün olacaği belirlenmiştir.

Çalışmalarda elde edilen tüm veriler, evaporatif soğutma uygulanan ve uygulanmayan koşullar altında, yoğuşturucu kapasite kayıp oranlardaki artışın, sistem COP değerinde önemli oranlarda düşüşe sebep olduğu ve enerji sarfiyatını arttırdığını göstermektedir. Ancak, aynı yoğuşturucu kapasite kayıp değerlerinde, evaporatif soğutma uygulanmasının özellikle çevre havası sıcaklığının 30 °C ve üzeri olduğu şartlarda COP kayıplarının önemli oranlarda engellenmesine yardımcı olacağı da görülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of cooling capacity losses in the system condenser under various external factors are investigated experimentally and theoretically. Fort his purpose, a cooling system with refrigerant R410A is designed and manufactured. Pressure and temperature sensorsa re placed in the compressor inlet and outlet, expansion valve inlet and outlet points of the cooling sytem. The electricity meter is used in order to determine the energy consumption of the sytem, and the sensorsa re placed at the appropriate points on the system in order to detect the changes in the air temperature and humidity values on the condenser and evaporator sides. With the data obtained from the measurement elements used, it was aimed to determine the changes in the compressor, condenser and evaporator capacities, the compressor isanthropic efficiency, energy consumption of the system and the changes in COP values.

In the first stage of the study, the condenser surface area is covered by XPS insulation material from 0% to 70% by 10% increments and eight different setup is tested environmental conditions to determine the pressure, temperature and energy consumption values of the system. In the second phase of the study, tests have been carried out to examine the effects of evaporative cooling application under environmental conditions and in the same condenser capacity losses. In the third phase of the study, the energy and exergy analysis were performed by using the data obtained from the experiments, and Artificial Neural Network (ANN) method was used in order to determine the system performance and working characteristics of the system for untested intermediate conditions.

In the study, levenberg marquardt algorithm was used as the training function of ANN model, MSE was used as the performance function, and logistic sigmoid function was used as the transfer function. COP, QE and QC values are estimated for the different temperature and relative humidity values determined in ANN model. The ANN model used consists of 3 cells in the input layer, 15 cells in a hidden layer and 3 cells in the output layer. The R, RMSE and MAPE values indicated that the ANN model has a high accuracy and it is possible to make estimations with high accuracy values in similar working conditions.

All data obtained from the study show that the increase in the rate of capacity loss in condenser causes a significant decrease in the system COP and increases the energy consumption either evaporative cooling is applied or not. However, it has also been found that in the same condenser capacity loss values, the application of evaporative cooling will help to prevent significant loss of COP losses, especially when the ambient air temperature is 30 ° C and above.