Türkiye için CO2 booster soğutma sistemlerinin süpermarket uygulamalarının termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of CO2 booster refrigeration systems of supermarket applications for Türkiye
Yazar: METEHAN IŞIK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NAGİHAN BİLİR SAĞ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Emisyon = Emission ; Karbon dioksit = Carbon dioxide ; Soğutma = Cooling ; Süpermarketler = Supermarkets

Özet:
Gelişmiş toplumlar için vazgeçilmez konumda olan süpermarketlerin elektrik tüketimlerinin yaklaşık yarısı soğutma sistemlerinden kaynaklanmaktadır. Bu sistemlerin elektrik tüketimini ve bunun yanı sıra küresel ısınmaya sağladıkları katkıyı azaltmak amacıyla CO2 akışkanlı booster soğutma çevrimleri geliştirilmiştir. Bu tez çalışmasında enerjetik açıdan performansı yüksek, ekonomik olarak uygulanabilir ve doğa dostu olmasıyla öne çıkan üç farklı CO2 akışkanlı booster soğutma çevrimi ele alınmıştır. Bu çevrimler, CO2 soğutucu akışkanlı standart booster çevrimi (BSÇ), yaş tip evaporatörlü booster çevrimi (BSÇ-YAS) ve yaş tip evaporatörlü paralel kompresörlü booster çevrimidir (BSÇ-YAS-PAR). Çevrimlerin matematiksel modelleri oluşturulmuş ve Engineering Equation Solver (EES) yazılımı kullanılarak enerji analizleri yapılmıştır. Farklı çevre şartları için çevrimlerin güç tüketimi ve soğutma performans katsayısı (COP) değerleri hesaplanmıştır ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Ayrıca, çevrimlerin yıllık enerji tüketimleri, kurulum ve işletim maliyetleri ve CO2 emisyon miktarları Türkiye'de seçilen 12 il için hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar süpermarketlerde yaygın olarak kullanılan R404A akışkanlı referans soğutma sistemi ile kıyaslanmıştır.
Araştırılan çalışma şartlarında, çevre sıcaklığı arttıkça CO2 akışkanlı soğutma sistemlerinin COP'sinin azaldığı belirlenmiştir. 30 ℃ çevre sıcaklığına kadar BSÇ-YAS-PAR en yüksek COP değerine (BSÇ'ye göre %15,1, BSÇ-YAS'a göre %11,2, R404A referans sistemine göre %66,7'ye kadar daha yüksek) sahipken bu sıcaklığın üzerindeki çevre sıcaklıklarında R404A akışkanlı referans soğutma sisteminin en yüksek COP değerine (BSÇ'ye göre %29,1, BSÇ-YAS'a göre %19,6, BSÇ-YAS-PAR'a göre %8,5'e kadar daha yüksek) sahip olduğu bulunmuştur. CO2 booster soğutma çevrimlerinin yıllık enerji tüketim değerleri karşılaştırıldığında BSÇ en yüksek enerji tüketimine sahipken BSÇ-YAS-PAR'ın en az enerji tüketimine sahip olduğu belirlenmiştir. BSÇ-YAS-PAR ele alınan tüm illerde R404A referans soğutma sistemine göre en yüksek tasarrufun (%2,2-%19,4) sağlandığı çevrim olarak öne çıkmıştır. Araştırılan CO2 akışkanlı booster soğutma çevrimlerinin R404A referans soğutma sisteminden %23,4 ila %52,2 arasında daha düşük emisyon değerine sahip oldukları belirlenmiştir.

Abstract:
Refrigeration systems account for nearly half of the electricity consumed by supermarkets, which are essential in developed societies. In order to reduce the electricity consumption of these systems as well as their contribution to global warming, CO2 booster refrigeration cycles have been developed. This thesis discusses three different CO2 booster refrigeration cycles that stand out for their high energy efficiency, economic feasibility, and environmental friendliness. These cycles are the CO2 standard booster cycle (BSÇ), the booster refrigeration cycle with the flooded evaporator (BSÇ-YAS), and the booster refrigeration cycle with the flooded evaporator and parallel compressor (BSÇ-YAS-PAR). Mathematical models of the cycles were generated, and energy analyzes were performed using Engineering Equation Solver (EES) software. The power consumption and coefficient of performance (COP) values of the cycles were calculated for different environmental conditions and the results were compared. Additionally, annual energy consumption, installation and operating costs, and CO2 emission amounts of the cycles are calculated for 12 selected cities in Türkiye. The results were compared with the reference refrigeration system using R404A refrigerant, which is commonly used in supermarkets. 
It was determined that the COP of the CO2 refrigeration booster systems decreased as the ambient temperature increased under the investigated operating conditions. BSÇ-YAS-PAR has the highest COP (up to 15.1% according to BSÇ, 11.2% according to BSÇ-YAS, 66.7% according to the R404A reference refrigeration system) up to 30 °C ambient temperature. Above this temperature, it has been found that the R404A reference refrigeration system has the highest COP value (up to 29.1% according to BSÇ, 19.6% according to BSÇ-YAS, 8.5% according to BSÇ-YAS-PAR). When the annual energy consumption values of CO2 booster refrigeration cycles are compared, it was determined that BSÇ has the highest energy consumption, while BSÇ-YAS-PAR has the lowest energy consumption. BSÇ-YAS-PAR was the cycle with the highest saving (2.2%-19.4%) as compared to the R404A reference refrigeration system in all cities considered. It was determined that the investigated CO2 booster refrigeration cycles have lower emission values between 23.4% and 52.2% than the R404A reference refrigeration system.