CO2 akışkanlı transkritik soğutma sistemleri için gaz soğutucu hesaplama modülünün geliştirilmesi
Development of gas cooler calculation modul for the transcritical CO2 cooling systems
Yazar: FATİH KASAP
Danışman: PROF. DR. A. FERİDUN ÖZGÜÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı değiştiriciler = Heat exchangers ; Isı geçişi = Heat transfer

Özet:
Yaşamın her alanında geçmişten geleceğe mutlak ihtiyaç olan soğutma sistemlerinde uzun sürelerden bu yana CFC ve HCFC soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Bu kimyasal gazlar sera etkisi problemi yarattığından dolayı kürsel ısınma probleminin artmasına neden olmaktadır. 1980'li yıllardan itibaren yapılan çalışmalar çevre bilincinin artması sonucu Montreal ve Kyoto Protokolleri yürürlüğe girmiştir. Yasal kısıtlamalardan dolayı soğutma sistemlerinde soğutucu akışkan olarak yeni alternatifler arayışına gidilmiştir. Amonyağın zehirleyici ve propanın kolay patlayıcı olması bu noktada dikkatleri CO2(R744) üzerine çekmektedir. R744 gazı için ozon tüketme faktörü sıfır ve küresel ısınma yaratma potansiyeli birdir. Çok ucuz olmasının yanı sıra temin edilmesi de kolaydır. En önemli özellikleri ise yüksek hacimsel soğutma kapasitesi ve ısı iletim katsayısıdır. Bu durum hem boru tesisatın emme ve basma hatlarında hem kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerin boru çaplarında küçülmeye gidilmesini olanak tanır. Tüm bu önemli avantajların yanında R744 gazının en önemli dezavantajı kritik nokta sıcaklığının 31? ve basıncının 73.6 bar olmasıdır. Kritik nokta basıncının diğer gazlara kıyasla çok yüksek olmasının özellikle güvenlik açısından problem yaratmaması için boru kalınlıkları artmıştır. Bu durumda boru seçimi ve boru üretim teknolojisi önem kazanmaktadır. Kritik nokta sıcaklığının düşük olması özellikle ılıman ve sıcak iklime sahip ülkelerde sistemi basma hattının kritik üstü sıcaklıkta çalışması konusunda zorlamaktadır. Bu zorlama neticesinde sistemde iki fazlı yoğuşma meydana gelmediği için kondenserin yerini gaz soğutucular almıştır. Gaz soğutucu kritik üstü noktadaki basma hattında kompresör çıkışındaki sıcak gazı soğutarak kısılma vanasına aktarır. Evaporatörün girişindeki kuruluk derecesi sistemin soğutma performansını önemli biçimde etkilediğinden dolayı gaz soğutucu çok efektif bir biçimde çalışmalıdır. Öyle ki optimum tasarım için gaz çıkış sıcaklığı mümkün mertebe gaz soğutucu girişindeki havanın sıcaklığına yaklaştırılmalıdır. Kritik üstü bölgede gazın termofiziksel özelikleri, özellikle özgül ısı ve ısı iletim katsayısı, bazı bölgelerde hızlı değişim göstermektedir. Hacimsel hesap yaklaşımlarında ortalama olarak belirlenen gazın termofiziksel özelikleri yapılan hatayı arttırabilmektedir. Dolayısıyla yeni hesaplama yöntemlerinin geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Hesaplama programlarının ticari nitelikte olması ve hızlı çalışması gerekliliği CFD analiz programlarının tercih edilmesini azaltmaktadır. Özet olarak CFD analiz programlarına yakın hassasiyette ve hacimsel yaklaşımla yapılan programlar kadar da hızlı hesaplama algoritması geliştirilmelidir. Kanatlı borulu ısı değiştiricisini alt parçalara ayırarak çözümlemek bu problemi ortadan kaldıracak en iyi alternatif olarak görülmektedir. Bu hesaplama yöntemini destelemek için deneysel çalışmalar ve karşılaştırmalı incelemeler yapılmaktadır.

Abstract:
CFC and HCFC refrigerants are used in the cooling cycles for a long time. These chemical gases cause global warming because of green house effect. As result of development of consciousness regarding to environmental problems since 1980s, Montreal and Kyoto protocols are signed among nations. Recently utilized natural refrigerants are begun to improve widely a result of legal restrictions. Ammonia is toxic and propane is flammable so that R744 becomes more preferable tan other natural refrigerants. CO2 has low level of both GWF and ODP factors. In fact, it is very cheap and easy to provide. Moreover, it has high heat conductivity and volumetric cooling capacity. This case decreases sizes of suction lines, discharge lines, liquid lines and the pipes of heat exchangers. On the other hand, the most important disadvantage of R744 is low critical temperature 31? and high critical pressure 73.6 bar. This situation makes the safety problem extremely critical and increases the thickness the pipes. As result of low critical temperature, the high pressure side of cooling systems are designed in temperate climate regions. In the transcritical region of system, especially heat conductivity and specific heat coefficients vary drastically during gas cooling process. In the classical calculation methods such as volumetric approaches, the calculated results may involve inaccuracies. CFD analyzes can be useful but the calculation programs have to be user friendly and commercially easy to utilize. As a result of these problems, new calculation methods have to be developed. The finned tube type heat exchanger is divided into pieces and each part is calculated distinctly. This method is compared with experimental results and other researches during this project.