Ev tipi buzdolaplarında enerji tüketimine etki eden parametrelerin incelenmesi
An investigation of the parameters affecting on the energy consumption of refrigerators
Yazar: ÖZGÜN SAKALLI
Danışman: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buzdolabı = Refrigerator ; Enerji tüketimi = Energy consumption ; Soğutma = Cooling

Özet:
Enerji kaynaklarının sınırlı olması ve çoğu enerji üretim yönteminin çevre kirliliğine yol açması nedeniyle enerji tüketiminin kontrol altında tutulması gerekmektedir. Günümüzde, insanların artık ihtiyaç olarak gördüğü ve vazgeçemediği bazı i?lerin gerçekle?mesi için enerji kullanımı kaçınılmazdır. Enerji verimliliğinin önemi, vazgeçilemez olan bu i?lerin daha az enerjiyle gerçekle?tirilebilmesinin sağlanarak toplam enerji tüketiminin azaltılabilmesi imkanının yaratılabilmesi ile ortaya çıkmaktadır.Enerji tüketiminin önemli bir bölümünü olu?turan evsel elektrik kullanımı içerisinde en büyük enerji tüketen cihaz genellikle buzdolabıdır. Tüm dünyadaki ev tipi buzdolaplarının daha verimli hale getirilmesi ile önemli ölçüde enerji tasarrufu sağlanabilir.Ev tipi buzdolaplarını daha verimli hale getirmek için çok sayıda seçenek bulunmaktadır. Bu seçenekler arasında en öne çıkanı, yalıtım kalınlığının arttırılmasıdır. Etkili bir yöntem olmasına rağmen kalın yalıtım kullanımı, ya buzdolabının iç hacminin küçültülmesini ya da dı? ölçülerin büyütülmesini gerektirir. Kullanıcıların beklentileri daha fazla gıdanın saklanabileceği büyük iç hacim ve evde fazla yer kaplamaması için küçük dı? ölçüler yönünde olduğundan dolayı yalıtım arttırımı her zaman tercih edilememektedir. Diğer verimlilik seçenekleri arasında bulunan verimli kompresör kullanımı, ısı deği?tiricilerin (buharla?tırıcı, yoğu?turucu, kılcal boru-dönü? borusu ısı deği?tiricisi) ısı geçi? performanslarının arttırılması gibi seçenekler de önemli araçlar olmasına rağmen çe?itli tasarım kısıtları ve maliyet artı?ı sebebiyle bunlardan sınırlı ölçüde faydalanılabilmektedir.Kar yapmayan buzdolaplarında buharla?tırıcı üzerinden geçirilerek kabine üflenen hava debisi ve buharla?tırıcı sıcaklığı, genellikle maliyet deği?imi getirmeyen ve kolaylıkla deği?tirilebilen parametrelerdir. Uygun fan motoru, kılcal boru ve kompresör seçimi ile bu parametreler istenilen değere getirilebilmektedir. Bu parametrelerin doğru seçilmesi ile buzdolabının enerji verimliliği arttırılabilmektedir.Tez çalı?maları kapsamında, ev tipi iki bölmeli bir buzdolabının dondurucu bölmesindeki hava debisi ve buharla?tırıcı sıcaklığı parametrelerinin deği?tirilebildiği bir deney düzeneği kurulmu?tur. Deney düzeneğinde gerçekle?tirilen çalı?ma sonucunda farklı durumlar için sistemin davranı?ı incelenmi? ve en dü?ük enerji tüketimi ile bölmenin yeterli soğutulabilmesini sağlayacak olan parametreler belirlenmi?tir. Deneysel çalı?maların yanı sıra, aynı parametrelerin enerji tüketimine olan etkisinin görülebildiği bir teorik model olu?turulmu?tur. Model yardımıyla gerçekle?tirilen hesaplamaların deneysel sonuçlar ile olan tutarlılığı gösterilmi?tir. Buzdolabı enerji tüketiminin seçilen parametrelerden önemli ölçüde etkilendiği belirlenmi?tir.xviiiTez çalı?masının ilk bölümünde, ev tipi buzdolaplarının enerji tüketimindeki payları istatistiksel bilgiler yardımıyla gösterilmi? ve verimli buzdolaplarının kullanılması ile sağlanabilecek enerji tasarrufunun miktarı gösterilmi?tir. Ayrıca, ev tipi buzdolaplarında kullanılan soğutma sistemi tanıtılmı? ve kullanılan parçalar gösterilmi?tir.?kinci bölümde, gerçekle?tirilen literatür ara?tırması özetlenmi?tir. Literatürde, tez çalı?ması ile ilgili konularda çalı?malara rastlanmı?tır. Ara?tırma kapsamında kar?ıla?ılan çalı?ma konuları arasında: dondurucu bölmede hava hızı ve sıcaklık dağıtımı, buzdolabı enerji tüketiminin modellenmesi, buharla?tırıcı ısı geçi?i ve basınç dü?üm karakterinin belirlenmesi ve dondurucuda çalı?ma oranına etki eden parametrelerin incelenmesi bulunmaktadır.Tez çalı?masının üçüncü bölümünde, ev tipi buzdolaplarının enerji tüketimi ölçümünün ilgili standarda göre nasıl gerçekle?tirildiği anlatılmı?tır. Deney düzeneğinde ve modelde referans alınan buzdolabının enerji tüketimi ölçüm deneyinde toplanan verileri payla?ılmı? ve yorumlanmı?tır.Dördüncü bölümde, çalı?ma kapsamında kurulan deney düzeneği anlatılmı?tır. Düzenekte kullanılan soğutma, su ?artlandırma, ölçüm ve veri toplama sistemlerinin ayrıntıları verilmi?tir. Daha sonra, deney düzeneğinde gerçekle?tirilen deneylerin sonuçları payla?ılmı? ve yorumlanmı?tır. Deney düzeneğinde ve enerji tüketimi modelinde referans olarak kullanılan PIV ile hava debisi ölçümü ve RHL ile kabin ısı kazancının belirlenmesi de bu bölümde yer almaktadır.Be?inci bölümde, buzdolabı enerji tüketimini seçilen çalı?ma parametrelerine göre veren model anlatılmı?tır. Model yardımıyla gerçekle?trilien hesaplamaların sonuçları payla?ılmı? ve yorumlanmı?tır. Deneylerde elde edilen sonuçlar ile model yardımıyla gerçekle?tirilen hesaplama sonuçları kar?ıla?tırılmı? ve model sonuçlarının doğruluğu gösterilmi?tir.Tez çalı?masının altıncı ve son bölümünde ise deney ve model sonuçları irdelenmi? ve gelecekte gerçekle?tirilebilecek çalı?malar için önerilerde bulunulmu?tur.

Abstract:
Energy consumption needs to be under control due to the restricted sources of energy and the contamination caused by most energy production processes. In the modern era, energy consumption is inevitable for many matters that are considered a necessity and cannot be avoided. The importance of energy efficiency is emphasized as it is possible reduce overall energy consumption by carrying out the same work with less energy.Refrigerator is usually the appliance that consumes the most energy in the household while household electricity consumption constitutes an important portion in the overall energy consumption. It is possible to realize considerable amounts of energy saving by making household refrigerators more efficient.A wide variety of choices exist for making household refrigerators more efficient. The prominent way of providing energy efficiency is to improve insulation by thickening. Although it is an effective solution, the use of thick insulation either reduces the inner volume of the refrigerator or increases the outer dimensions. As the expectancy of the consumers is a large interior volume to store more food with outer dimensions as small as possible so that the appliance does not cover much space in the house; a contradiction appears that limits the application of more insulation. Among other efficiency tools there are: using more efficient compressors, increasing the performance of heat exchangers (evaporator, condenser, suction line heat exchanger) which are important tools. However, these applications also can be limited because of various design constraints and cost-ups.The rate of the air flow that goes through the evaporator and is blown inside the refrigerated section along with the evaporator temperature are important parameters that usually do not bring cost-ups and are changed easily. These parameters can be set to the desired value by the proper choice of fan motor, capillary tube and compressor. The energy efficiency of the refrigerator can be improved by the right selection of these system parameters.The major engineering conflict in this area lies between the run time ratio and energy consumption. Most household refrigerators have a cyclic cooling system that makes the compressor to run until a preset time or temperature value is reached and allows the system to stand by until another preset time or temperature value is reached. It can simply be deduced that a refrigeration system with a high cooling capacity can provide faster cooling and thus has a low run time ratio. Likewise, a refrigeration system with a low cooling capacity cannot provide fast cooling and thus has a high run time ratio. In terms of energy consumption, a low run time ratio may seem appropriate as the stand by time of the system in which no (or ver small) energy is consumed. However, high capacity systems that provide a low run time ratio tend to consume higher power whereas low capacity systems consume less. As thexxintegration of the power consumption over time gives the energy consumption, the choice of the right cooling capacity becomes an optimization problem.Along with capacity optimization, some other factors exist that influence the energy consumption. The flow rate of the cooled air that is blown into the freezer compartment affects the temperature distribution of the test packages which are loaded inside the compartment for the energy consumption test. If a non-homogeneous temperature distribution is reached among the test packages, some portion of the compartment can be said to be cooled more than necessary. This unnecessary cooling increases the energy consumption although it may not seem to increase cooling performance. As the temperature of the highest package is considered when determining the storage temperature, the over-cooled packages do not improve the storage condition at all. The right air flow rate must be chosen for the system to optimize energy efficiency, considering higher flow rates bring higher fan motor power consumption.The evaporator temperature also directly affects the run time ratio. The cooling capacity and air blowing temperature directly depend on evaporator temperature. The boiling temperature of the refrigerant is the major (and somewhat only) parameter that determines the evaporator temperature. While low boiling temperatures may be desired to provide lower air blowing temperatures and small run times, the COP of the system decreases. As the refrigeration system efficiency greatly depends on the COP value, the boiling temperature needs to be chosen properly in order to minimize energy consumption.Within the scope of this thesis study, an experimental setup in which the parameters of air flow rate and evaporator temperature can be adjusted inside the freezer compartment of a household refrigerator. The air flow rate is controlled by defining the supply voltage of the DC fan that drives the evaporator fan inside the freezer compartment. The motor power, and thus the fan speed can be changed by setting the desired supply voltage. The evaporator temperatıre, that is in direct relation to the boiling pressure, is determined by the utilization of a variable capacity compressor and an expansion valve. As a result of the experiments conducted using the experimental setup, the system behaviour under various operating conditions have been investigated and the parameters that provide the least energy consumption while enough cooling is obtained in the freezer compartment. In addition to the experimental work, a theoretical model was built by which the effect of the chosen parameters on energy consumption can be analyzed. The consistency of the results obtained by model is shown by comparing the calculated results to the experimental results. The energy consumption of the refrigerator is deducted to be affected considerably by the chosen parameters.In the first section of this study, the share of household refrigerators in the total energy consumption is shown by laying out statistical data. The possible energy saving that can be obtained by the use of energy efficient refrigerators is explained. Also, the cooling system used in household refrigerators is introduced and the parts of the system are presented.In the second section, the literature research that is carried out to support this work is summarized. Various works have been spotted that are in relation with this study. Among the areas of work that have been come across during the research are: air velocity and temperature distribution in the freezer compartment, modelling of refrigerator energy consumption, calculation of evaporator heat exchange andxxipressure drop characteristics and investigation the parameters affecting the run time ratio of freezer compartment.In the third section of the thesis, the energy consumption test is is explained according to the related standard. The data of the reference refrigerator that is investigated both in the experimental setup and the theoretical model is shared and analyzed. The system running condition such as the condensing and subcooling temperatures are based on the values measured in this test.In the fourth section, the experimental setup that is built within the scope of this study is explained. The details of the cooling, water conditioning, measurement and data acquisition systems are given. The results of the experiments that are carried out in the experimental setup are presented and analyzed. The auxiliary RHL test and PIV measurement are explained in this section. The heat gain performance of the cabinet is determined with the help of RHL test. The air flow rates for different fan speeds are determined by the help of PIV measurements.The model that gives the refrigerator energy consumption value for the chosen system parameters is presented in the fifth section of this thesis. The results obtained by the model are shown and analyzed. The experimental results and the results obtained by the model are compared and the validity of the modelled results is shown.In the final section of this study, the experimental and modelled results are studied. Recommendations are made for the future work that may be carried out on this subject.