Otomobil klima sisteminde R134a yerine R1234yf kullanımının teorik ve deneysel incelenmesi
Theoretical and experimental investigation of using R1234yf instead of R134a in an automobile air conditioning system
Yazar: ALPASLAN ALKAN
Danışman: DOÇ. DR. AHMET KOLİP
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, R134a soğutucu akışkanına alternatif olan R1234yf soğutucu akışkanın bir otomobil klima sisteminde kullanımı teorik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Deneysel kısımda, R1234yf ve R134a soğutucu akışkanı ile çalışabilen orijinal otomobil klima sistemi parçalarından oluşan deneysel otomobil klima sistemi laboratuvar ortamında kurularak çeşitli mekanik ve elektriksel ölçüm cihazlarıyla donatılmıştır. Sistemin soğutma çevrimi, evaporatör, kondenser, sıvı tankı, kompresör, genleşme elemanı ve iç ısı değiştiriciden oluşmaktadır. Oluşturulan deneysel otomobil klima sistemi anlık olarak kontrol yapabilen ve veri alabilen sistemler ile donatılmıştır. Deneysel sistemde karşılaştırma deneyleri, kompresör devrine, kondenser ile evaporatör giriş hava akım sıcaklıkları ve hava akım geçiş hızlarına bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneyler sonucu elde edilen verilere enerji ve ekserji analizleri uygulanarak R1234yf ve R134a soğutucu akışkanlı sistemlerin çeşitli performans parametreleri belirlenmiş ve grafikler halinde karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre, kompresör devri ile evaporatör ve kondenser hava akım sıcaklıklarının artması sonucu her iki sistem için de soğutma kapasitesi, kompresör gücü, kondenserden atılan ısı, soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığı, soğutucu akışkan debisi ve çevrimde yok edilen toplam ekserji değerleri artar iken soğutma tesir katsayısının (STK) azalmakta olduğu görülmüştür. Evaporatör hava akım hızının artması ile her iki sistem için de soğutma kapasitesi, kompresör gücü, kondenserden atılan ısı, STK, soğutucu akışkan debisi, soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığı ve çevrimde yok edilen toplam ekserji değerlerinin artmakta olduğu görülmüştür. Kondenser hava akım hızının artması ile her iki sistem için de soğutma kapasitesi, kondenserden atılan ısı ve STK artmakta iken kompresör gücü, soğutucu akışkan debisi, soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığı ve çevrimde yok edilen toplam ekserji değerlerinin azalmakta olduğu görülmüştür. R1234yf soğutucu akışkanlı sistemin R134a soğutucu akışkanlı sisteme göre %1–13 arasında daha az soğutma kapasitesine, %7–12 arasında daha düşük STK ile 4–16 C arası daha düşük kompresör çıkış sıcaklığına sahip iken %8–18 arasında daha fazla soğutucu akışkan debisine sahip olduğu görülmüştür. Her iki sisteme eklenen iç ısı değiştiricisi soğutma kapasitesi, kondenserden atılan ısı, STK, soğutucu akışkan debisi, soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığını genel olarak azaltır iken çevrimde yok edilen toplam ekserji değerlerini arttırmakta olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın teorik kısmında öncelikli olarak R1234yf ve R134a soğutucu akışkanların soğutma çevriminin çeşitli noktalarındaki termodinamik özellikleri polinom denklemler halinde modellenerek soğutma çevrimi termodinamik simülasyon programı oluşturulmuştur. Daha sonra, deneysel veriler ve soğutma çevrimi elemanlarının özelliklerinden faydalanılarak bu program ilerletilmiştir. Sonuçta, kompresör devri ile evaporatör ve kondenser hava akım sıcaklıkları ile hızlarına bağlı olarak R1234yf ve R134a kullanan sistemlerin performans değerlerini ortaya koyan bir simülasyon programı elde edilmiştir. Simülasyon sonuçları ile deneysel sonuçlar arasında yaklaşık % 2-10 arasında birbirine yakın sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, the use of R1234yf refrigerant in an automobile air conditioning system, which is an alternative to R134a refrigerant, was investigated both theoretically and experimentally. In the experimental part of the study, an experimental R134a and R1234yf automobile air conditioning system made up from original components has been set up in the laboratory and equipped with various mechanical and electrical instruments. The refrigeration circuit of the system consists of evaporator, condenser, liquid tank, compressor, expansion valve and internal heat exchanger. The experimental automobile air conditioning system has been equipped with systems that can acquire data and control the operation of the system continually. In the experimental system, comparative tests were performed by changing the compressor speed, condenser-evaporator inlet air flow temperatures and speeds of the air streams. By applying energy and exergy analyses to the experimental system, various performance parameters of the systems using R134a and R1234yf have been determined and presented in graphics comparatively. For both systems, the results show that the cooling capacity, compressor power, condenser heat rejection rate, compressor discharge temperature, refrigerant flow rate and the rate of total exergy destruction in the refrigeration circuit increase whereas coefficient of performance (COP) decreases on rising the compressor speed and temperatures of the evaporator-condenser air streams. Furthermore, the cooling capacity, compressor power, condenser heat rejection rate, COP, refrigerant flow rate, compressor discharge temperature and the rate of total exergy destruction in the circuit increase with the speed of the evaporator air stream for both systems. The cooling capacity, condenser heat rejection rate and COP increase with the speed of the condenser air stream while compressor power, refrigerant flow rate, compressor discharge temperature and the rate of total exergy destruction in the circuit decrease with it. It was determined that R1234yf system has a less cooling capacity (in the range of 1-13 %), less COP (in the range of 7-12 %) and less compressor discharge temperature (in the range of 4-16 oC) while it has more refrigerant flow rate (in the range of 8-18 %) than R134a system. When an internal heat exchanger is added, the cooling capacity, condenser heat rejection rate, COP, refrigerant flow rate and compressor discharge temperature decrease while the rate of total exergy destruction in the circuit increases for both refrigerant cases. In the theoretical part of the study, thermodynamic properties of each refrigerant at various points of the refrigeration circuit have been modelled as polynomial equations, and a thermodynamic simulation program of the refrigeration circuit was developed. Then, utilising experimental data and specifications of the refrigeration circuit components, this program was advanced. Consequently, a simulation program yielding the performance of R1234yf and R134a systems as functions of compressor speed as well as speeds and temperatures of the evaporator and condenser air streams has been obtained. The simulation and experimental results in about 2-10% of similar results were obtained.