Araç tipi klima sistemlerinde çalışma koşullarının deneysel ve teorik incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of the working of conditions in vehicle-type air conditioning systems
Yazar: MUHAMMET UFUK UÇAR
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, araç tipi bir soğutma sisteminde yaklaşık 30°C yoğuşturucu giriş sıcaklığında, değişken kompresör devirleri, farklı soğutucu akışkan şarj miktarlarının ve sisteme eklenen IHX'nin, soğutma kapasitesi değişimleri ve enerji sarfiyatına olan etkileri deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Bu amaçla, soğutucu akışkan R134a ile çalışan bir araç tipi klima sistemi kullanılmış ve kullanılan sistemde birçok ölçüm noktası için modifikasyon yapılmıştır. Kompresör tahriki için üçfazlı elektrik motoru kayış kasnak bağlantısı kullanılarak kompresöre bağlanmış ve invertör motor sürücü yardımı ile devir kontrolü sağlanmıştır. Yoğuşturucu yalıtılmış bir kanal içerisine yerleştirilmiştir. Yoğuşturucunun giriş havası sıcaklığını ayarlayabilmek amacıyla dimmer kontrollü serpantin rezistans demeti montajı yapılmıştır. Buharlaştırıcı çok iyi yalıtılmış bir soğutma kabinine yerleştirilmiş ve kabin içerisinde ısı kazancı sağlamak amacı ile dimmer devre kontrollü serpantin rezistans demeti buharlaştırıcı çıkışına monte edilmiştir. İmalatı yapılan soğutma sisteminin kompresör ve genleşme valfi giriş-çıkış noktalarına basınç ve sıcaklık sensörü, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı girişine nem sensörü, buharlaştırıcı çıkışına anemometre probu monte edilmiştir. Sistemin enerji sarfiyatının tespiti amacıyla yoğuşturucu ve buharlaştırıcı fanları tek fazlı elektrik sayacına, kompresör tahriki için kullanılan elektrik motoru için ise üç fazlı elektrik sayacına bağlanmıştır. Kullanılan ölçüm elemanlarından elde edilen veriler ile sistemin kompresör, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasitelerindeki değişimleri, enerji sarfiyatı, kompresör izantropik verimi, COP değerleri ve ekserji verimindeki değişim miktar ve oranlarının tespit edilmesi amaçlanmıştır.

Yapılan çalışmanın ilk aşamasında, sisteme R134a soğutucu akışkanı emme hattından 700-925 gram arasında, her bir deney için 75 gram artışla hassas terazi ile tartılarak şarj edilmiştir. Daha sonra basınç, sıcaklık, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı girişi bağıl nemi, buharlaştırıcı çıkışındaki havanın hacimsel debisi ve sistemin enerji sarfiyat değişim verileri bilgisayar ortamına kayıt edilmiştir. 

Çalışmanın ikinci aşamasında, sisteme soğutucu akışkan R1234yf soğutucu akışkanıda aynı şartlarda şarj edilmiş ve sisteme verilen soğutucu akışkan miktarı hassas terazi ile ölçülmüştür. Daha sonra, R134a şarj edilmiş sistemin aynı çevre şartları altında basınç, sıcaklık, yoğuşturucu giriş-çıkış bağıl nemi, buharlaştırıcı çıkışındaki havanın hacimsel debisi ve sistemin enerji sarfiyat değişimleri tespit edilerek kayıt altına alınmıştır. 

Çalışmanın üçüncü aşamasında, sisteme IHX eklenmiş ve sisteme R1234yf soğutucu akışkanı hassas bir terazi ile aynı şartlarda şarj edilmiş ve diğer aşamalarda olduğu gibi basınç, sıcaklık, yoğuşturucu giriş-çıkış bağıl nemi, buharlaştırıcı çıkışındaki havanın hacimsel debisi ve sistemin enerji sarfiyat değişimleri tespit edilerek kayıt altına alınmıştır.

Çalışmanın dördüncü aşamasında ise, deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen tüm 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 kompresör devirleri, ısıtıcı yükü uygulanan ve uygulanmayan durumlar ve farklı soğutucu akışkan şarj miktarları için COP, QE ve WC değerleri tahmin edilmiştir. Kullanılan YSA modeli, girdi katmanı dört, bir gizli katmanı onüç ve çıktı katmanı ise üç hücreden oluşmaktadır. COP, QE ve WC değerlerinin tahmin edildiği YSA modelinin oldukça yüksek doğruluk oranlarına sahip olduğu R, RMSE ve MAPE değerleriyle tespit edilmiş ve bu YSA modelinin kullanımıyla benzer çalışma koşullarında yapılan çalışmalarda da yüksek doğruluk oranlarına sahip tahminlerin yapılmasının mümkün olabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, the effects of various compressor speed, different amounts of coolant charge and IHX addition to the system on cooling capacity and energy consumption were investigated experimentally and theoretically in a vehicle type cooling system at 30°C of condenser input temperature. For this purpose, a vehicle type air conditioning system with R134a as the refrigerant was used and modifications were made for a number of measurement points on the system. A triphase electric motor is coupled with the compressor using strap pulley connection and the compressor speed was controlled by an inverter motor driver. The condenser is placed in an insulated duct. In order to adjust the inlet air temperature of the condenser, a dimmer controlled serpentine resistance bundle has been installed. The evaporator is placed in a well insulated cooling cabinet and a bunch of dimmer controlled serpentine resistance mounted to the evaporator outlet to provide heat gain inside the cabinet. Pressure and temperature sensors are mounted at the inlet and outlet of he compressor and expansion valve of the manufactured cooling system. Humidity sensor is intalled to the condenser and evaporator inlet, and an anemometer probe is mounted to the evaporator outlet. In order to determine the energy consumption of the system, the condenser and evaporator fans are connected to the monophase electric meter and the compressor motor is connected to triphase electric meter. With the data obtained from the measurements, it is aimed to determine of changes in compressor, evaporator and condenser capacities, energy consumption, isentropic efficiency of compressor, COP values, change in the exergy efficiency.

In the first stage of the study, the coolant R134a was charged to the system between 700-925 grams from the suction line by increasing 75 grams using a precision scale for each test. Then, the pressure, temperature, the relative humidity of the condenser and evaporator ınlets, volumetric flow rate of air at the evaporator outlet and the energy consumption of the system was recorded in the computer.

In the second stage of the study, the coolant R1234yf was charged to the system under the same conditions and again the amount of gas supplied to the system was measured with precision scale. Then, in the same conditions with R134a, the pressure, temperature, relative humidity at the condenser inlet-outlet, volumetric flow rate of air at the evaporator outlet, and energy consumption data of the system was recorded in the computer.

In the third stage of the study, IHX was added to the system and the coolant R1234yf was charged to the system under the same conditions and again the amount of gas supplied to the system was measured with precision scale. Then, in the same conditions with R134a, the pressure, temperature, relative humidity at the condenser inlet-outlet, volumetric flow rate of air at the evaporator outlet, and energy consumption data of the system was recorded in the computer.

In the fourth stage of the study, energy and exergy analysis of the system were done by using all data obtained as a result of experimental studies. Artificial Neural Network (ANN) method was used in order to determine system performance and operating characteristics in cases where test cannot be performed.

In the study, the ANN model used the levenberg marquardt algorithm as the training function, MSE was used as performance function, logistic sigmoid function was used as transfer function. COP, Q_E and W_C values were estimated for different compressor speeds, heater load applied and non-applied conditions and different coolant charge amounts by the ANN model. The ANN model used in the study employs four input layers, one hidden layer with thirteen cells and an output layer with three cells. It  can be concluded that the ANN model where COP, Q_E  and W_C  values are estimated have very high accuracy rates and also supported by values of R, RMSE and MAPE. And with the use of this YSA model, it is possible to make predictions with high accuracy rates in similar working conditions.