Ev tipi klimanın dinamik modellenmesi ve deneysel olarak doğrulanması
Dynamic modeling and experimental validation of residential air conditioner
Yazar: OKAN AYDIN
Danışman: PROF. DR. ÖZDEN AĞRA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
İklimlendirme ve ısı pompası sistemleri sera gazı emisyonlarında önemli pay sahibidir. Montreal Protokolü ve Kigali Değişikliği'nin getirdiği sınırlamalarla birlikte düşük küresel ısınma potansiyelli (KIP) soğutucu akışkanlar kullanılması gerekmektedir. Bu nedenle, ısı pompası sistemlerinde R32, R410A'nın yerini almaktadır. R32, 2088 KIP'a sahip R410A'ya kıyasla 675 KIP ile çok daha düşük bir KIP'a sahiptir. R32'nin termofiziksel özellikleri R410A ile benzerdir.  R32 hidrokarbonlara göre daha az yanıcıdır ve izin verilen soğutucu akışkan şarj limiti daha yüksektir. Böylece, aynı ısı pompasında R410A yerine R32 kullanıldığında daha verimli ve yüksek kapasiteli ısı pompaları elde edilebilirken; aynı verim ve kapasitede daha küçük boyutlarda ve daha az akışkan kullanılan ısı pompası da tasarlanabilmektedir. Bununla beraber R32'nin yüksek kompresör çıkış sıcaklıkları, özellikle yüksek dış ortam sıcaklıklarında ısı pompası uygulamalarını sınırlamaktadır. 
Karşı karşıya olduğumuz bir diğer problem de dünyanın enerji kaynaklarının hızla tükenmesidir. Bu nedenle enerji kaynaklarının verimli kullanılması büyük önem kazanmıştır. Ev tipi iklimlendirme sistemleri de bina enerji tüketiminde önemli rol oynamaktadır. Bu durumlar göz önüne alındığında sistemin enerji verimliliğinin arttırılması çok daha önemli hale gelmiştir. Sistem verimini arttırmak için genellikle deneysel yöntemlere başvurulmaktadır. Fakat dünyanın hızla gelişmesiyle birlikte artan taleplere daha hızlı cevap vermek için deney sürelerinin azaltılması ve tasarım süreçlerini hızlandırılması gerekliliği ortaya çıkmıştır.  Bütün bunlar ışığında çalışılan sistemlerin modellenmesi, yani dijital ortama aktarılması ihtiyaç haline gelmiştir. 
Bu yüksek lisans çalışmasının ilk kısmında R410A kullanılan 12000 Btu/h inverter klima tasarımı yapılmıştır. Kondenser ve evaporator Coil Designer programı kullanılarak tasarlanmıştır. Kapileri uzunluğu ve şarj miktarı literatürden elde edilen korelasyonlar ile teorik olarak hesaplanmıştır. Klima, soğutma ve ısıtma modunda EN-14511(2,3,4)-2011 şartlarında psikrometrik tip kalorimetre odasında test edilmiştir. Testler boyunca klimanın iç ve dış ünite fan devirleri sabit tutulmuş ve kompresör 3 farklı devirde sürülmüştür. Böylece optimum kompresör devri belirlenmiştir. Çalışmanın devamında R32 için şarj miktarı hesaplanmıştır. R32 şarj miktarının R410A'dan %27 daha az olduğu bulunmuştur. Sistemde hiçbir değişiklik yapılmadan, klima aynı koşullarda R32 ile test edilmiştir. Sisteme R32 doğrudan şarj edildiği durumda, ısıtma ve soğutma kapasitesinin sırasıyla %2,53 ve %2,4; COP değerinin ise sırasıyla %1,17 ve % 4,6 arttığı görülmüştür. Optimize edilmiş durumda R32'nin R410A'ya göre kapasitesi soğutma ve ısıtma modunda sırasıyla %6,02 ve %4,28; COP'nin ise sırasıyla %8,95 ve %3,04 arttığı görülmüştür. Çalışmanın devamında her iki akışkanın da yüksek sıcaklıklar altında kompresör çıkış sıcalıkları karşılaştırılmıştır. R32'nin bütün durumdalarda daha yüksek çıkış sıcaklığına dahip olduğu görülmüştür. En yüksek fark ise 46°C dış ortam sıcaklığında 4,87°C olarak gerçekleşmiştir. 
Çalışmanın ikinci kısmında klima soğutma çevrimi Dymola programında Modelica dili kullanılarak modellenmiştir. Eveporatör, kondenser, kompresör ve kapileri modelleri TIL kütüphanesi yardımıyla oluşturulmuştur. Yapılan simülasyon çalışmasında her iki akışkan için kapasite, giriş gücü ve COP parametrelerinde model ile deneyin ±%5,2 aralığında uyumlu olduğu görülmüştür. Sistem sıcaklıkları karşılaştırıldığında ise model ile deney farkının ±3,5°C aralığında kabul edilebilir seviyede olduğu görülmüştür.

Abstract:
Air conditioning and heat pump systems contribute greatly to greenhouse gas emissions. Montreal Protocol and Kigali Amendment phases down the consumption of hydrofluorocarbons refrigerants and encourage low global warming potential (GWP) refrigerants to be used. Therefore, R32 replaces R410A in heat pump systems. The thermophysical properties of R32 are similar to R410A however it has a much lower GWP with 675 GWP compared to the R410A with 2088 GWP. R32 is less flammable than hydrocarbons and has a higher refrigerant charge limit as well as it has significantly good heat transfer characteristics. Thus, while using R32 instead of R410A in the same heat pump, more efficient and high-capacity heat pumps can be obtained; It is also possible to design a heat pump with the same efficiency and capacity in smaller sizes with less refrigerant. However, the high compressor outlet temperatures of R32 limit heat pump applications, especially at high outdoor temperatures.
Another problem we face is the rapid depletion of the world's energy resources. For this reason, the efficient use of energy resources has gained great importance. Household air conditioning systems also play an important role in building energy consumption. Considering these situations, increasing the energy efficiency of the system has become much more important. Experimental methods are generally used to increase system efficiency. However, with the rapid development of the world, it has become necessary to reduce the test times and speed up the design processes in order to respond more quickly to the increasing demands. In the light of all these, modeling of the systems studied, that is, transferring them to the digital environment, has become a necessity.
In the first part of this study, 12000 Btu/h inverter air conditioner design using R410A designed. Condenser and evaporator are designed using Coil Designer program. The capillary length and charge amount were calculated theoretically with the correlations obtained from the literature. It has been tested in a psychrometric type of calorimeter chamber under the conditions of EN-14511(2,3,4)-2011 in air conditioning, cooling and heating mode. During the tests, the indoor and outdoor fan speeds of the air conditioner were kept constant, and the compressor was driven at 3 different speeds. Thus, the optimum compressor speed was determined. In the continuation of the study, the charge amount for R32 was calculated. R32 charge amount was found to be 27% less than R410A. The air conditioner has been tested with R32 under the same conditions, without making any changes to the system. When R32 is directly charged to the system, the heating and cooling capacity is 2.53% and 2.4% respectively and the COP value increased by 1.17% and 4.6%, respectively. In the optimized condition, the capacity of R32 relative to R410A is 6.02% and 4.28% in cooling and heating mode, respectively; and the COP increased by 8.95% and 3.04%, respectively. In the continuation of the study, the compressor outlet temperatures of both fluids were compared under high temperatures. R32 was found to have a higher exit temperature in all cases. The highest difference was 4.87°C at 46°C outdoor temperature.
 In the second part of the study, the air conditioning refrigeration cycle is modeled in the Dymola program using the Modelica language. Evaporator, condenser, compressor and capillary models were created with the help of TIL library. In the simulation study, it was seen that the model and the experiment were compatible in the range of ±5% in the capacity, input power and COP parameters for both refrigerants. When the system temperatures were compared, it was seen that the difference between the model and the experiment was at an acceptable level in the range of ±3.5°C.