R134a ve R1234yf soğutucu akışkanlı bir otomobil iklimlendirme sisteminde iç ısı değiştirici kullanımının sistem performansına etkilerinin deneysel analizi
Experimental analysis of the effects of using internal heat exchanger on the performance of an automobile air conditioning system with refrigerants R134a and R1234yf
Yazar: UMUT GÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. MURAT HOŞÖZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, R134a ve R1234yf soğutucu akışkanları kullanılan bir otomobil iklimlendirme sistemi, laboratuvar ortamında kurulmuştur. Sistem, genleşme elemanı olarak termostatik genleşme valfi (TXV) ve orifis tüp (OT) ile donatılmıştır. Ayrıca sistemin performansı arttırmak amacıyla emme ve sıvı hatları arasına bir de koaksiyel iç ısı eşanjörü eklenmiştir. Sistemin testleri, TXV ile OT tipi genleşme elemanları için ısı eşanjörü devreye alınmadan ve alınarak her iki soğutucu akışkan için gerçekleştirilmiştir. Sistemin performansını belirlemek amacıyla soğutucu akışkan debisi ile soğutma devresinin çeşitli noktalarından soğutucu akışkan basınç ve sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Ölçüm sonuçlarına bağlı olarak sistem bileşenlerinin enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Sistemdeki soğutucu akışkan debisi, evaporatör buharlaşma sıcaklığı, soğutma kapasitesi, kompresör gücü, soğutma tesir katsayısı, kompresör çıkışındaki soğutucu akışkan sıcaklığı, soğutma tesir katsayısı (STK), kondenserde atılan ısı, yok edilen toplam ekserji ve ekserji verimi gibi performans parametreleri hesaplanarak, sonuçlar karşılaştırmalı grafikler ile sunulmuştur. TXV kullanan eşanjörsüz R1234yf'li sisteminin soğutma kapasitesi ile STK değerlerinin, eşanjörsüz R134a'lı sisteme göre sırası ile ortalama %12,9 ve %5,3 daha düşük olduğu belirlenmiştir. R1234yf'li sisteme eşanjör eklendiğinde ise soğutma kapasitesi ile STK değerlerinin, eşanjörsüz R134a'lı sisteme göre sırası ile ortalama %11,2 ve %2,5 daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Eşanjörün aktif hale getirilmesiyle, soğutma kapasitesi ve STK değerlerinde sırası ile ortalama %2,2 ve %2,9 iyileşme sağlandığı anlaşılmıştır. OT kullanan eşanjörsüz R1234yf'li sistemin soğutma kapasitesi ve STK değerlerinin ise eşanjörsüz R134a'lı sisteme göre sırası ile ortalama %22,5 ve %10,9 daha düşük olduğu bulunmuştur.  R1234yf'li sistemdeki eşanjör devreye alındığında ise eşanjörsüz R134a'lı sisteme göre soğutma kapasitesi ortalama %6,9 daha yüksek olmasına rağmen STK değeri ortalama %3,5 daha düşük olmaktadır. OT kullanan R1234yf'li sistemde eşanjörün devreye alınmasının, soğutma kapasitesi ile STK değerlerini sırası ile ortalama %27,8 ve %7,6 yükselttiği anlaşılmaktadır. Bu durumda, özellikle genleşme elemanı olarak OT kullanan R1234yf soğutucu akışkanlı otomobil iklimlendirme sistemlerinin performansının iç ısı eşanjörü kullanımıyla iyileştirilebileceği, böylece R1234yf kullanan otomobil iklimlendirme sistemlerinin, R134a soğutucu akışkanı kullanan sistemler ile daha rekabetçi olabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this study, an automobile air conditioning (AAC) system using refrigerants R134a and R1234yf was set up in laboratory environment. The system was equipped with a thermostatic expansion valve (TXV) and an orifice tube (OT) as expansion device. Furthermore, a coaxial internal heat exchanger (HEX) was installed between the suction and liquid lines to increase the performance of the AAC system. The system was tested with TXV and OT by employing and not employing the HEX for both refrigerants. In order to evaluate the performance of the system, the refrigerant mass flow rate, refrigerant pressure and refrigerant temperature measurements were conducted at various points of the refrigeration circuit. Based on measurement data, energy and exergy analysis of the AAC system components were performed. Then, performance parameters such as the refrigerant mass flow rate, evaporating temperature, cooling capacity, compressor power, coefficient of performance (COP), condenser heat rejection rate, total exergy destruction rate and exergetic efficiency were calculated, and the results were presented in comparative graphics. It was found that the R1234yf AAC system using TXV and not using HEX had 12.9% lower cooling capacity and 5.3% lower COP in comparison to the R134a AAC system not using HEX. When the HEX was employed in the R1234yf system with TXV, it provided 11.2% lower cooling capacity and 2.5% lower COP relative to the R134a AAC system not using HEX. It was determined that the cooling capacity and COP increased on average 2.2% and 2.9%, respectively, by activating the HEX in the R1234yf system with TXV. Furthermore, it was found that the R1234yf AAC system using OT and not using HEX had 22.5% lower cooling capacity and 10.9% lower COP in comparison to the R134a AAC system not using HEX. When the HEX was employed in the R1234yf system with OT, it provided 6.9% higher cooling capacity but 3.5% lower COP relative to the R134a AAC system not using HEX. It was determined that the cooling capacity and COP increased on average 27.8% and 7.6%, respectively, by activating the HEX in the R1234yf AAC system with OT. Consequently, it was revealed that especially the performance of R1234yf AAC systems using OT can be improved by employing an internal HEX. Thus, the AAC systems using R1234yf can be more competitive with the ones using R134a.