Soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılan transkritik çevrimlerin sayısal ve deneysel incelenmesi
An experimental and numerical investigation on the transcritical carbondioxide cycles
Yazar: ORKAN KURTULUŞ
Danışman: PROF. DR. HASAN A. HEPERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buzdolabı = Refrigerator ; Soğutma = Cooling ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Soğutma, iklimlendirme ve sıcak su hazırlama endüstrilerinde kullanılan buhar sıkıştırmalı çevrim, düşük sıcaklıkta buharlaşarak ısı çeken ve yüksek sıcaklıkta yoğuşarak bu ısıyı farklı bir ortama taşıyan soğutucu akışkanlara ihtiyaç duymaktadır. Uzun yıllardan beri bu tür sistemlerde kullanılan CFC ve HCFC gazlarının ozon tabakasına zarar verdiğinin anlaşılması üzerine, bu maddelerin kullanımı Montreal Protokolü ile yasaklanmıştır. CFC ve HCFC soğutkanlarına alternatif olarak geliştirilen HFC gazlarının ise, küresel ısınma etkisi olduğu tespit edilmiş ve bu gazların kullanımı da Kyoto Protokolü ile kısıtlanmıştır. Bu bağlamda, ozon tabakasına zarar vermeyen ve küresel ısınma etkisi olmayan alternatif soğutucu akışkanlar üzerine yapılan çalışmalar son yıllarda artmıştır.1900'lü yılların başında özellikle gemilerdeki soğutma sistemlerinde soğutkan olarak kullanılan karbondioksit [1], CFC, HCFC ve HFC soğutkanlarının çevreye verdiği zararın anlaşılması, doğal soğutkanlar olan amonyağın zehirli, hidrokarbonların (HC) ise yanıcı olması nedeniyle 1990'lı yılların ortalarında tekrar gündeme gelmiştir. Soğutma, klima ve su ısıtıcısı uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar, literatür özeti kısmında da görüleceği üzere günümüze kadar artarak devam etmiştir.Diğer soğutkanlarla karşılaştırıldığında, 31.06°C gibi oldukça düşük bir kritik sıcaklığa sahip olan karbondioksitin (CO2) farklı çevrimlerdeki uygulamalarında, ısının atıldığı ortam sıcaklığının kritik sıcaklıktan yüksek olması durumunda, kritik altı bölgede sabit sıcaklık ve basınçta gerçekleşen yoğuşma prosesinin yerini sabit basınç ? değişken sıcaklıkta gerçekleşen gaz soğuma prosesi almakta ve böylelikle transkritik soğutma / ısı pompası çevriminden bahsedilmektedir. CO2 çevrimlerinin transkritik olma özelliğinin yanısıra, aynı doyma sıcaklıklarında doyma basıncının diğer soğutkanlara göre 10-20 kat daha yüksek olması, sistemde kullanılan kompresör, ısı değiştiricisi ve kısılma cihazı gibi komponentlerin tasarımında da önemli değişiklikler gerektirmekte ve bu konular literatürde detaylı olarak çalışılan başlıklar arasında yer almaktadır.Soğutucu akışkan olarak CO2 kullanan transkritik çevrimlerin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi başlıklı proje kapsamında, literatürde bazı sayısal ve deneysel çalışmalar mevcut olsa da, özellikle -10°C'tan daha düşük buharlaşma sıcaklığı gerektiren uygulamalar için yapılmış herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Derin dondurucu bölmesine sahip ev tipi buzdolaplarında buharlaşma sıcaklığının -30°C mertebesinde olması nedeniyle, -10°C'tan daha düşük sıcaklıkları incelenmiş ve bu sıcaklıklar için optimum egzoz basıncı değerlerinin gözlemlenmiştir. Projenin deneysel kısmında, ticari olarak temin edilen CO2 kompresörünün performansının belirlenmesi için deneysel bir sistem kurulmuş ve kompresör performans karakteristikleri deneysel olarak elde edilmiştir.Proje kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda, kompresör performansının karakterize edilebilmesi için ?kalorimetre? adı verilen kompresör performans deney düzeneği kurulmuştur. Bu tür bir sistem ile kompresör giriş ve çıkış basıncı, ortam sıcaklığı ve aşırı soğuma ve aşırı kızdırma sıcaklıklarının hassas olarak kontrol edilmesi sayesinde, kompresör soğutma kapasitesi ve soğutma etkinlik katsayısının (SEK) deneysel olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
The vapor compression cycle which is widely used in refrigeration, air-conditioning and water heating industries requires a refrigerant that will absorb heat while evaporating at a low temperature and transfer this thermal energy to a different medium by condensing at a higher temperature. After it is concluded that CFC and HCFC gases that have been used for a long time in such systems damaged the ozone layer, the utilization of these substances are prohibited by the Montreal Protocol. The HFC gases, which were initially developed as alternatives to CFC and HCFCs, have been found to have Global Warming Potential and therefore the utilization of these gases will be banned in the near future. Hence, research and development activities for refrigerants that neither damage the ozone layer nor have Global Warming Potential have increased considerably in the past years.The studies on carbon dioxide (CO2) which was used as a refrigerant at the beginning of 1900s especially on ships [1], has recovered and increased up to date because of the negative environmental effects of CFC, HCFC and HFCs and the toxicity of ammonia and the flammability of hydrocarbons that are known to be the two other natural refrigerants.Since the critical temperature of CO2 is much lower than that of the other refrigerants, namely 31.06°C, the gas cooling process which occurs at a constant pressure but a variable temperature takes the place of the condensation process that occurs at both constant pressure and temperature. Therefore a transcritical refrigeration / heat pump system has to be constructed. In addition to the transcritical properties, the high saturation pressures of CO2 that could be as high as 10 to 20 times of the conventional refrigerants require challenging modifications on the system components such as the compressor, the heat exchangers and the expansion device. These topics have been covered in the literature.As a first step of the project entitled ?an experimental and numerical investigation on the transcritical carbon dioxide cycles?, the thermodynamic and thermo physical properties of CO2 collected from the literature. Even though there are some numerical and experimental studies in the literature, there does not exist a study that specifically address the applications that require evaporation temperatures lower than -10°C, which is required for domestic refrigerators that have freezer sections and evaporation temperatures down to -30°C. In the experimental part of the project, a test system constructed to determine the performance characteristics of commercially available CO2 compressors and the necessary tests performed. In addition to the experimental investigation on the compressor, a special refrigeration/heat pump test system designed and constructed to test the performance of CO2 as a refrigerant and the performance data at different operating conditions obtained.A ?calorimeter? test system constructed to test the performance of compressors. Such systems can be used to measure the refrigeration capacity and coefficient of performance of compressors in an accurate manner by controlling the compressor inlet and exit pressures, ambient temperature and subcool and superheat temperatures