İklimlendirme sisteminde farklı çalışma parametrelerinin ürün performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of different operational parameters in air conditioning system on product performance
Yazar: ATILCAN ŞİMŞEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Dünyadaki enerji tüketimlerinin payına baktığımızda ev içi elektrik tüketimi büyük bir alana sahiptir. İklimlendirme sistemlerinin enerji tüketim oranları evlerimizde kullanılan diğer ev aletleriyle kıyaslandığında daha fazla enerji tüketimine sebep olmaktadır. Bu sebeple enerji tüketimini ve enerji maliyetlerini azaltmak için iklimlendirme sistemlerini detaylı incelemek gerekmektedir. İklimlendirme sistemlerinin enerji verimliliklerini, ısıtma ve soğutma  kapasitelerini arttırmaya yönelik birçok araştırma yapılmıştır ve yapılmaya devam etmektedir. Yapılan çalışmalar ile her geçen gün klimalar daha verimli birer iklimlendirme elemanlarına dönüşmektedirler.
Bir iklimlendirme sistemi olan ev tipi klimalar buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi olarak değerlendirilebilir. Klimaların ana bileşenleri kompresör, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve kısılma elamanıdır. İdeal bir çevrimde kompresör çevrimde kullanılan soğutkanı izentropik olarak sıkıştırarak düşük sıcaklık ve basınçtan yüksek sıcaklık ve basınca ulaşmasını sağlamaktadır. Yoğuşturucular büyük miktarda ısının dışarı atılmasını sağlayan kanatlardan ve borulardan oluşan bileşenlerdir. Yoğuşturucudan sonraki aşamada borular içinde akan soğutkanın bir kısılma elemanı vasıtasıyla genleşme sağlanarak yüksek basınç ve sıcaklıktan düşük basınç ve sıcaklığa düşmesi sağlanır. Son olarak buharlaştırıcıda soğutkan buharlaşarak çevreden ısı alır ve istenen ortamın soğutulması sağlanır. Kompresöre soğutkanın dönmesi ile çevrim tamamlanmış olur.
Klimalarda soğutma performansını etkileyen birçok parametre vardır. Bu sebeple soğutma sisteminin çok iyi kurgulanması ve analiz edilmesi gerekmektedir. Sistem bileşenleri optimum soğutma kapasitesini ve enerji verimliliğini verecek şekilde çalıştırılmalıdır. Örneğin, soğutkan debisi üzerindeki etkisi sebebiyle kompresör frekansı, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı üzerinden geçen hava debisini kontrol edebilmek için fan devri, kısılma işlemindeki basınç düşüşünü kontrol edebilmek için kısılma elemanının geometrisi, sistemde dolaşan soğutkanın şarj miktarı ve tipi soğutucu tasarımında göz önünde bulundurulması gereken parametrelerdir.
Klimalar özellikle sıcak iklimlerde lüks olmaktan çıkıp ihtiyaç haline gelmiştir. Klimaların kullanım oranı her geçen gün artmaktadır. Bu sebeple klimalarda enerji verimliliğini ve soğutma kapasitesini belirleyen performans değerleri önem teşkil etmektedir. 
Bu tez kapsamında klimaların optimum soğutma performansının sağlanması için kompresör devri, fan devri, kısılma elemanı geometrisi ve soğutkan şarjı parametrelerinin üzerinde deneylerin yapılması ve sonuçların analiz edilmesi amaçlanmıştır. Bunun dışında bir diğer amaç ise istatistiksel analiz programı olan Minitab 18 yardımıyla gelecek çalışmalarda kullanılmak üzere bir tahmin denklemi çıkarmaktır.
Tezin ilk kısmında klimalar üzerindeki bu tür çalışmaların öneminden, tezin amacından ve ortaya konan hipotezden bahsedilmiştir.
Tezin ikinci kısmında literatür araştırmasından bahsedilmiştir. Literatürde sistem bileşenlerinin soğutma kapasitesi ve enerji verimliliği üzerindeki etkilerinin incelendiği çalışmalar bulunmuştur ve bu tez çalışmasında da kullanılmak üzere çıkarımlar yapılmıştır.
Tezin üçüncü kısmında bir ısı pompası sisteminin nasıl çalıştığı, ısı pompası sisteminin bileşenlerinin görevi ve ısı pompası sisteminde enerji hesaplamalarının nasıl yapıldığı ile ilgili bilgiler paylaşılmıştır. Sistemde kullanılan R410a soğutkanı hakkında bilgiler paylaşılmıştır.
Tezin dördüncü kısmında tez çalışmasında kullanılan psikometrik deney odalarının çalışma prensibi ve deney odasında kullanılan ekipmanlar hakkında bilgiler verilmiştir. Bu kısımda ayrıca deney odalarına kurulan klimanın bileşenleri ve klima üzerine yerleştirilen sensörlerin deneylere hazırlanma aşaması anlatılmıştır. Sonrasında deneylerin yapılması için gerekli standart soğutma kapasite testlerinin şartlarından bahsedilmiştir. 
Tezin beşinci kısmında deney planından ve bu deney planının nasıl kurgulandığından bahsedilmiştir. Deneyin çıktıları olarak hangi dataların elde edilebileceği açıklanmıştır. Ayrıca bu kısımda deney çıktıları paylaşılmıştır ve ilk aşamada deney çıktıları kompresör frekansı, fan devri, kapileri boyu ve şarj miktarındaki farklı parametreler için karşılaştırmalı olarak grafikler yardımıyla incelenmiştir.  
Tezin altıncı kısmında deney çıktılarının doğruluğunu kontrol etmek için temel termodinamik denklemleri ve Refprop programı kullanılarak hesaplamalar yapılmış ve bu hesaplamalar ile deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Kompresör el kitabı, sıcaklık ve basınç değerleri kullanılarak hesaplamalar için gerekli entalpi ve debi değerlerinin nasıl elde edildiği açıklanmıştır. Her bir deney sonucu hesaplama sonuçları ile karşılaştırılmış ve sapma oranları bulunmuştur. Hesaplama sonuçları ile deney sonuçlarının sapma oranının yakın olduğu ve hesaplamaların doğru olduğu sonucuna varılmıştır. Belirsizlik analizi için örnek bir deney seçilmiştir. Sonrasında deneylerde kullanılan ölçüm cihazlarının belirsizlik hesabı yapılmış ve sonuçların güvenli bölgede olduğu tespit edilmiştir. 
Tezin yedinci kısmında deney sonuçlarından gelecekteki çalışmalar için bir tahmin oluşturabilmek için Minitab programında istatistiksel bir analiz kurgulanmıştır. Matris oluşturacak şekilde 16 adet deney sonucu programın içine girilmiştir.  Deneysel veriler Minitab programındaki "Design of Experiment" deneysel analizler için kullanılan metod ile analiz edilmiştir. Analiz sonucunda sapmalara neden olacak ikili ve üçlü etkiler analiz sonucundan çıkarılmıştır. Analiz sonucu datanın tutarlılığı kontrol edilmiştir. Datanın tutarlı olduğu görülmüştür. Parametrelerin soğutma kapasitesi üzerindeki ana etki grafiği incelenmiştir. Deneylerde kullanılan parametrelerin değişiminin soğutma kapasitesi üzerindeki tekli, çiftli ve çoklu etkileri incelenmiştir. Her bir parametrenin tekli ve çoklu etkilerinin oranları tespit edilmiştir ve pasta grafiği üzerinde gösterilmiştir. En iyi ve en kötü soğutma kapasitesinin oluştuğu kombinasyonlar grafikler yardımıyla gösterilmiştir. Parametrelerdeki değişimin soğutma kapasitesini nasıl etkildeği, en çok ve en az değişimin hangi noktalarda olduğu grafikler yardımıyla incelenmiştir. Analiz sonucu gelecek çalışmalar için tahmin yapılabilecek bir eşitlik elde edilmiştir ve bu eşitlik deney sonuçları ile karşılaştırıldığında tutarlılık sağlayıp sağlamadığı kontrol edilmiştir. Eşitliğin deney sonuçlarıyla karşılaştırıldığında tutarlı olduğu ve gelecek çalışmalarda kullanıması için uygun olduğu gözlemlenmiştir.
Sekizinci ve son kısımda tezin sonucu yapılan çıkarımlar ve değerlendirmeler paylaşılmıştır. İleride yapılacak çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur. İstatiksel analiz sonucu elde edilen denklemin deney sonuçlarıyla karşılaştırmalı korelasyon grafiği gösterilmiştir.

Abstract:
When we look at the share of energy consumption in the world, domestic electricity consumption has a large area. The energy consumption rates of air conditioning systems cause more energy consumption compared to other household appliances used in our homes. For this reason, it is necessary to examine air conditioning systems in detail in order to reduce energy consumption and energy costs. A lot of research has been done and continues to be done to increase the energy efficiency, heating and cooling capacities of air conditioning systems. With the studies carried out, air conditioners are turning into more efficient air conditioning tools with each passing day.
Residential air conditioners, which are an air conditioning system, can be considered as a vapor compression refrigeration cycle. The main components of air conditioners are compressor, condenser, evaporator and throttle device. In an ideal cycle, the compressor compresses the refrigerant used in the cycle isentropically, allowing it to reach high temperature and pressure from low temperature and pressure. Condensers are components made up of fins and pipes that allow a large amount of heat to be expelled. In the stage after the condenser, the refrigerant flowing in the pipes is expanded by means of a throttling element, and it is reduced from high pressure and temperature to low pressure and temperature. Finally, the refrigerant evaporates in the evaporator, taking heat from the environment and cooling the desired environment. The cycle is completed with the return of the refrigerant to the compressor.
There are many parameters that affect the cooling performance in air conditioners. For this reason, the cooling system needs to be designed and analyzed very well. System components must be operated to give optimum cooling capacity and energy efficiency. For example, due to its effect on the refrigerant flow, the frequency of the compressor, the fan speed to control the air flow through the condenser and the evaporator, the geometry of the throttle element to control the pressure drop in the throttling process, the charge amount and type of the refrigerant circulating in the system are the parameters that should be considered in the design of the refrigeration system.
Air conditioners are no longer a luxury but a necessity, especially in hot climates. The usage rate of air conditioners is increasing day by day. For this reason, performance values that determine energy efficiency and cooling capacity in air conditioners are important.
In this thesis, it is aimed to perform experiments on compressor speed, fan speed, throttling device geometry,  refrigerant charge parameters and analyze the results in order to ensure optimum cooling performance of air conditioners. Apart from this, another aim is to generate an estimation equation to be used in future studies with the help of Minitab 18 statistical analysis program.
In the first part of the thesis, the importance of such studies on air conditioners, the aim of the thesis and the hypothesis put forward will be mentioned.
In the second part of the thesis, literature research is mentioned. Studies investigating the effects of system components on cooling capacity and energy efficiency have been found in the literature, and implications have been made for this thesis study.
In the third part of the thesis, information about how a heat pump system works, the role of the components of the heat pump system and how energy calculations are made in the heat pump system are shared. Information about the R410a refrigerant used in the system has been shared.
In the fourth part of the thesis, information about the working principle of the experimental setup used in the thesis study and the equipment used in the experimental room are given. In this section, the components of the air conditioner installed in the experimental rooms and the preparation stage of the sensors placed on the air conditioner are explained. Afterwards, the conditions of the standard cooling capacity tests required for the experiments are mentioned.
In the fifth part of the thesis, the experimental plan and how this experiment plan is constructed was mentioned. It is explained which data can be obtained as the outputs of the experiment. In addition, the test outputs are shared in this section, and in the first stage, the test outputs are examined comparatively with the help of graphs for different parameters in compressor frequency, fan speed, capillary size and charge amount.
In the sixth part of the thesis, calculations have been made using by basic thermodynamic equations and Refprop program to check the accuracy of the test outputs and these calculations are compared with the experimental results. It is explained how to obtain the necessary enthalpy and flow values for calculations with using compressor manuals, temperature and pressure values. The results of each experiment were compared with the calculation results and the deviation rates were found. It was concluded that the calculation results and experimental results were close and the deviation ratio of the calculations were correct. A sample experiment was selected for uncertainty analysis. The uncertainty calculation of the measuring devices used in the experiments was made and it was determined that the results were in the safe zone.
In the seventh part of the thesis, an analysis has been set up in the Minitab program in order to make a prediction for future studies from the experimental results. 16 test results were entered into the program to form a matrix. Experimental data were analyzed with the "Design of Experiment" method in the Minitab program. Double and triple effects that will cause deviations as a result of the analysis were excluded from the analysis result. As a result of the analysis, the consistency of the data was checked. The data was found to be consistent. The main effect graph of the parameters on the cooling capacity is examined. The single, double and multiple effects of variation of the parameters used in the experiments on the cooling capacity were investigated. The ratios of single and multiple effects of each parameter were determined and shown on the pie chart. The combinations in which the best and worst cooling capacity occur are shown with the help of graphics. How the changes in the parameters affect the cooling capacity and at which points the most and the least changes are examined with the help of graphs. As a result of the analysis, prediction equation was obtained and when this equation was compared with the experimental results, it was checked whether it provided consistency or not. It has been observed that the equation is consistent when compared with the experimental results and is suitable for use in future studies.
In the eighth and last part, the conclusions of the thesis are shared and suggestions are made for future studies. The correlation graph of the equation obtained as a result of the statistical analysis with the experimental results is shown.