Ultra-düşük sıcaklıkta çalışan kaskad soğutma sisteminin tasarımı, enerji, ekserji ve maliyet analizi
The design, energy, exergy and cost analysis of cascade refrigeration system at ultra-low temperature
Yazar: HÜSAMETTİN TAN
Danışman: PROF. DR. ALİ ERİŞEN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Düşük sıcaklık = Low temprature ; Ekserji = Exergy ; Enerji analizi = Energy analysis ; Kaskadlar = Cascades ; Maliyet analizi = Cost analysis ; Optimizasyon = Optimization ; Performans = Performance ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Bu tez çalışmasında, ultra düşük sıcaklıkta (-80 oC) çalışan, literatür dikkate alınarak 
belirlenen kaskad soğutma sistemi tasarımlarının enerji, ekserji ve maliyet analizleri 
yapılmıştır. Tasarımı yapılan modeller arasından sistem performansı ve diğer 
parametreler dikkate alınarak seçilen sistem için çoklu-amaç optimizasyonu 
yapılarak optimum çalışma şartları belirlenmiştir. Tasarımı yapılan modeller için ilk 
olarak farklı soğutucu akışkanların, aynı çalışma şartlarında EES paket programı 
kullanılarak termodinamik analizleri yapılmıştır. Yüksek sıcaklık çevriminde, 
çevrim için düşünülen tasarım sıcaklığı ve GWP değerlerine göre uygun olarak, 
R744, R290, R1270, R410A, R32, düşük sıcaklık çevriminde ise yine uygun olarak, 
R170, R1150, R23 ve R508B akışkanları kullanılmıştır. Akışkanların 
belirlenmesinde, kaynama noktası sıcaklığı ve GWP değerlerine göre Refprop 9.0 
paket programının akışkan arama ara yüzü kullanılmıştır. 
Termodinamik analiz sonuçlarına göre, tasarımı yapılan modellerden performans ve 
diğer parametrelerin değerlendirilmesi ile en olumlu sonuçların elde edildiği, R410A 
ve R23 akışkan çifti ile parametrik analizler yapılmıştır. Parametrik analizlerde, DSÇ 
(düşük sıcaklık çevrimi) yoğuşturucu çıkış, YSÇ (yüksek sıcaklık çevrimi) kaskad 
ısı değiştirici çıkış, YSÇ genleştirici çıkış sıcaklıkları ve kaskad ısı değiştirici çalışma 
basıncı olmak üzere dört değişken belirlenmiştir. Belirlenen değişkenlerin, seçilen 
uygun değer aralığında, farklı değerleri için tüm modellerde enerji ve ekserji 
analizleri yapılarak modellerin performans karşılaştırması yapılmıştır. Ek olarak, 
parametrik analiz değişkenlerinin sistem performansına etkileri sayısal olarak incelenmiştir. 
Parametrik analizler sonucunda seçilen Model 3 için tasarım parametrelerinin 
belirlenen değer aralıklarında, enerji, ekserji analizlerine ek olarak, maliyet analizleri
de yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar arasından, çoklu-amaç optimizasyonu yapılarak, 
maliyet ve yok olan ekserji açısından TOPSIS yöntemi ile Model 3 için en iyi çalışma 
şartları belirlenmiştir. Model 3 için en iyi çalışma şartlarında (T2=-35 oC, T9=-43 oC 
ve T5=-9 oC) sistem performansı, yok olan ekserji ve maliyet değeri sırasıyla 0,3661, 
2,249 kW ve 14.996,42 $ olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this thesis, energy, exergy and cost analyzes of cascade refrigeration system 
designs determined by considering the literature operating at ultra-low temperature 
(-80 oC) were made. Optimum working conditions were determined by performing 
multi-objective optimization for the selected system, according to system 
performance and other parameters among the designed models. For the designed 
models, firstly, thermodynamic analyzes were carried out using the EES package 
program under the same operating conditions of different refrigerants. In the high 
temperature cycle, R744, R290, R1270, R410A, R32 were used in accordance with 
the design temperature and GWP values considered for the cycle, and R170, R1150, 
R23 and R508B were used in the low temperature cycle. In the determination of the 
fluids, the fluid search interface of the Refprop 9.0 package program was used 
according to the boiling point temperature and GWP values.
According to the results of the thermodynamic analysis, parametric analyzes were 
performed with the R410A and R23 refrigerant couple, in which the most positive 
results were obtained by evaluating the performance and other parameters of the 
designed models. In parametric analyses, four variables were determined as LTC
(low temperature cycle) condenser outlet, HTC (high temperature cycle) cascade heat 
exchanger outlet, HTC expander outlet temperatures and cascade heat exchanger 
operating pressure. For the different values of the determined variables, energy and 
exergy analyzes were made in all models and the models were compared. In addition, 
the effects of parametric analysis variables on system performance were investigated as numerically.
In addition to energy and exergy analyzes, cost analyzes were also carried out for 
Model 3, which was selected as a result of parametric analyzes, within the specified 
value ranges of the design parameters. By making multi-objective optimization of 
the obtained analysis results, the best operating conditions for Model 3 were 
determined with the TOPSIS method in terms of the parameters of cost and destroyed 
exergy. For Model 3, system performance, exergy destroyed and cost were 
determined as 0.3661, 2.249 kW and 14,996.42 $, respectively, under the best 
operating conditions (T2=-35 oC, T9=-43 oC ve T5=-9 oC).