Dikey derin dondurucularda sistem optimizasyonu
System optimization in upright freezers
Yazar: TUĞBA SARIÇAY
Danışman: PROF. DR. L. BERRİN ERBAY
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buharlaştırıcılar = Evaporators ; Derin dondurucular = Deep freezers ; Kompresör = Compressor

Özet:
Bu tez çalışmasında, başta buharlaştırıcı soğutma kapasitesi ve ısı geçiş performansının iyileştirilmesi olmak üzere, soğutma sistemi elemanlarında yapılacak iyileştirmelerle enerji tüketiminin azaltılması amaçlanmaktadır. Gerekli iyileştirmelerin buharlaştırıcı akış sıralaması, yoğuşturucu boru sayısı ve boru aralıkları, kapileri boru uzunluğu ve kompresör COP değerinin değiştirilmesiyle elde edilebileceği tespit edilmiştir.Bu çalışmada, açık levha borulu (tube on sheet-TOS) buharlaştırıcıya sahip dikey derin dondurucuda, soğutkan göçü ısıtma etkisinin sıcak raflar yerine soğuk raflara yönlendirilmesi sağlanacak şekilde boru akış sıralamaları belirlenerek buzdolabı performansına etkileri ve enerji tüketim değerleri karşılaştırılmıştır.Buharlaştırıcı içinde akış karakterinin belirlenmesi amacıyla görselleme çalışması yapılmıştır. Literatürde R134a gazlı sistemde buharlaştırıcı görselleme çalışması bulunmasına rağmen R600a gazlı sistemlerde böyle bir çalışmaya rastlanmamıştır. Kompresörün çalışmaya başlamasından durma periyodu başlangıcına kadar olan süreçte buharlaştırıcıdaki akışın karakteristiklerinin ortaya çıkarılması sağlanmıştır. Akış karakteristiklerinin tespitinin ısı transferi üzerine etkili olduğu dikkate alınarak akış görselleme çalışması yapılmıştır.Sistem performansını etkileyen en önemli uygulamalardan biri olan kapileri-dönüş borusu hattındaki ısı değiştiricinin veriminin arttırılması amacıyla, ısı değiştiricinin yerini ve olması gereken uzunluğunu belirleyecek parametrik deneyler yapılmıştır. Kapileri-dönüş borusu ısı değiştiricisi yerinin ve kapileri uzunluğunun derin dondurucu COP'sine ve kapasite-denge karakteristiğine etkileri incelenmiştir.Yoğuşturucu pas sayısının ve pas aralıklarının sistem performansına etkileri incelenmiştir. Derin dondurucuda diğer komponentler sabit tutulurken farklı COP'ye sahip kompresörler kullanılarak en uygun soğutma sistemi belirlenmiştir. Soğutma sistemi üzerine yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, regresyon analizi ile ampirik sistem performansı korelasyonu oluşturulmuştur.Çalışmanın sonucunda, buharlaştırıcı akış sıralaması üzerine yapılan deneylerde, 2-1-6-5-4-3 akış sıralamalı buharlaştırıcının en iyi soğutma performansını sağladığı görülmüştür. Buharlaştırıcı görselleme çalışmasında, kompresörün ilk çalışma anında akış formu habbeli (bubly) akış olduğu, gaz hızının artmasıyla dalgalı akışın meydana geldiği gözlenmiştir.Isı değiştirici öncesi kapileri uzunluğunun azaltılması ile kılcal boru içerisinde ilk kabarcık oluşum noktası buharlaştırıcı yönünde ötelendiğinden, soğutkanın buharlaştırıcı giriş kuruluk derecesi arttığı ve sistemin performansının azaldığı sonucuna varılmıştır.Farklı numunelerin değişen kondansasyon sıcaklıklarında sistem COP değerleri incelenmiş ve kapileri boyu arttırıldıkça sistem COP'sinin azaldığı görülmüştür. Yoğuşturucu pas aralıkları arttıkça kabin içi raf sıcaklıkları azaldığı görülmüş aynı zamanda enerji tüketimlerinin de azaldığı, yoğuşturucu pas sayısının azaltılmasının ise sistemin soğutma performansını kötü yönde etkileyerek kabin içi sıcaklıkların artmasına neden olduğu ve enerji tüketimini arttırdığı sonucuna varılmıştır.Farklı COP'lere sahip kompresörlerle yapılan enerji deneyleri sonucunda, kompresörlerin sahip oldukları COP değerleri arttıkça çekilen gücün azaldığı bunun sonucunda da günlük enerji tüketiminin azaldığı görülmüştür.Tez çalışması boyunca yapılan deneylerden elde edilen veriler analiz edilerek, derin dondurucu buzdolabında sistemin COP değerini veren ampirik bir bağıntı elde edilmiştir. Elde edilen bağıntı, sistemin evaporasyon ve kondansasyon sıcaklığına bağlı olarak sistem için COP değerini vermektedir.

Abstract:
In this thesis project; it is aimed to decrease the energy consumption of the product by optimizing the cooling system components starting with cooling capacity and heat transfer performance of the evaporator. It is determined that required optimization should be done by optimizing evaporator flow arrangement, condenser pass quantity and distance, capillary tube length, and COP of the compressor.In this thesis, a refrigerant flow path in order to prevent the refrigerant migration by guiding the refrigerator to cold shelves instead of hot shelves on an upright freezer which has a Tube-On-Sheet (TOS) evaporator has been studied and their effects on the energy consumption values has been observed.Flow visualization has been studied in order to determine the flow characteristic of the refrigerant. Even though there are researches about visualization of R134a refrigerant in the literature, no study has been found about R600a. Flow characteristic of the refrigerant in the evaporator is provided in the time period between starting of the compressor and stopping of the compressor. Flow visualization has been studied considering that flow characteristic has influence on heat transfer.Parametrical experiments have been carried out to determine the length and position of the heat exchanger which is the one of the most important applications on the capillary tube and suction pipe line. Effectiveness of the capillary tube-suction pipe line heat exchanger on the COP of the system and capacity ? balance characteristic.Effect of the condenser pass quantity and pass distances on the system performance has been observed. Keeping other components in the upright freezer constant, variety of compressors with different COP values has been used to determine the optimum configuration of the cooling system. An empirical correlation for the system performance has been found using the experiments conducted during the experimental study by regression.At the end of the study, it is revealed that 2-1-6-5-4-3 shelf orientation for the refrigerant flow results in the best cooling performance. Bubly flow has been observed at the first operating moment of the compressor. After speed of the refrigerant increases, wavy flow take place..Moreover, since decrease in the capillary tube length before the heat exchanger moved first bubble formation to the evaporator side, it is decided that quality of the refrigerant entering the evaporator increases and system performance deteriorates.System COP values of different samples has been observed with different condensation temperatures and it is found that as the capillary length increases, system COP decreases. Furthermore, increase in the pass distance of the condenser results in shelf temperatures of the cabinet decreases as well as the energy consumption decreases. Should the pass distance of the condenser decreases, shelf temperatures of the cabinet increases while raising energy consumption by affecting the cooling system performance unfavorably.Experiments conducted with a range of compressors which have various COP values showed that power of the compressor and daily energy consumption of the freezer decrease as the COP value of the compressor increases.An empirical correlation for the system COP of the upright freezer has been found using the experiments conducted during the thesis study. The correlation gives the COP value of the system with respect to the evaporation and condensation temperatures of the system.