Ultra-düşük sıcaklık uygulamaları için ejektörlü ve nanopartikül katkılı alternatif kaskad çevrimlerin termoekonomik ve çevresel performanslarının incelenmesi
Investigation of thermoeconomic and environmental performance of alternative cascade cycles incorporating ejector and nanoparticle additives for ultra-low temperature applications
Yazar: SERVET GİRAY HACIPAŞAOĞLU
Danışman: PROF. DR. İLHAN TEKİN ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında literatürde yer alan kaskad soğutma sistemlerine alternatif oluşturabilecek, ultra-düşük sıcaklıklarda soğutma yapmak amacıyla yeni ara soğutuculu ejektörlü kaskad soğutma çevrimi (ASEKSÇ) ve ejektörlü yükselticili kaskad soğutma çevrimi (EYKSÇ) geliştirilmiştir. Literatürde mevcut farklı kaskad soğutma sistemleri ve tez kapsamında önerilen kaskad soğutma sistemleri için nanopartikül katkısız ve nanopartikül katkılı durumlar enerji, ekserji, termoekonomik ve çevresel etkiler bakımından incelenmiştir. Nanopartikül katkısız ASEKSÇ için, RE170/R170 soğutucu akışkan çiftinin en yüksek performansı ortaya koyduğu belirlenmiştir. Nanopartikül katkısız durum için, soğutma tesir katsayısı (STK) değişimi açısından değerlendirildiğinde, ASEKSÇ; EYKSÇ, ejektörlü kaskad soğutma çevrimi (EKSÇ) ve klasik buhar sıkıştırmalı kaskad soğutma çevrimi (KBSKSÇ) ile farklı çalışma koşullarında karşılaştırıldığında sırasıyla minimum ve maksimum %3,11-8,68, %9,54-16,05 ve %24,27-39,74 civarında bir iyileşme sergilemiştir. Nanopartikül katkılı durum için, kaskad soğutma sistemlerinin incelenmesinde; yüksek sıcaklık çevrimi (YSÇ)'de RE170 ile ağırlıkça %2 CuO nanopartikül ve düşük sıcaklık çevrimi (DSÇ)'de saf soğutucu R170 kullanılmıştır. Nanopartikül katkılı durum için, sistemlerin karşılaştırması STK açısından incelendiğinde; ASEKSÇ, EKSÇ'ye kıyasla %11,83-%17,02 aralığında, ASEKSÇ, KBSKSÇ'ye kıyasla %29,75-%43,02 aralığında artış göstermiştir. Nanopartikül katkılı durum için, ASEKSÇ; EKSÇ'ye göre (Tevap=-80°C, Tkond=45°C) sistemin toplam ürün maliyet akısında %5,31, KBSKSÇ'ye göre %22,94 azalış elde edilmiştir. ASEKSÇ için ilk tasarım esas alınarak yapılan termoekonomik optimizasyon sonuçlarına göre, (Tevap=-80°C, Tkond=45°C) sistemin toplam ürün maliyet akısı %1,36 oranında azalmıştır. ASEKSÇ; EKSÇ'ye göre toplam çevresel etkide %13,03 ve KBSKSÇ'ye göre %32,53 azalış sağlamıştır. Literatürde mevcut en performanslı çevrim olan nanopartikül katkısız EKSÇ çevrimine göre, ASEKSÇ çevriminin nanopartikül katkılı durumu ile STK ve ekserji veriminde sırasıyla, %24,68 ve %31,34 oranında artış elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, a novel ejector cascade refrigeration cycle with intercooler (ASEKSÇ) and a novel cascade refrigeration cycle with ejector booster (EYKSÇ) have been developed for refrigeration at ultra-low temperatures, which can be an alternative to the cascade refrigeration systems in the literature. For different cascade refrigeration systems available in the literature and the cascade refrigeration systems proposed in this thesis, the cases without and with nanoparticle are analyzed in terms of energy, exergy, thermoeconomic and environmental impacts. For the ASEKSÇ without nanoparticle, it was determined that the RE170/R170 refrigerant pair showed the highest performance. For the case without nanoparticles, when evaluated in terms of refrigeration coefficient of performance (COP) change, ASEKSÇ exhibited a minimum and maximum improvement of 3.11-8.68%, 9.54-16.05% and 24.27-39.74%, respectively, when compared with EYKSÇ, ejector cascade refrigeration cycle (EKSÇ) and conventional vapor compression cascade refrigeration cycle (KBSKSÇ) under different operating conditions. For the with nanoparticle case, the cascade refrigeration systems were investigated using RE170 with 2 wt% CuO nanoparticles in the high temperature cycle and pure refrigerant R170 in the low temperature cycle. For the with nanoparticle case, when the comparison of the systems is analyzed in terms of COP; ASEKSÇ increased in the range of 11.83%-17.02% compared to EKSÇ and ASEKSÇ increased in the range of 29.75%-43.02% compared to KBSKSÇ. For the with nanoparticle case, ASEKSÇ showed a 5.31% decrease in the total product cost flow of the system compared to EKSÇ (Tevap=-80°C, Tkond=45°C) and a 22.94% decrease compared to KBSKSÇ. According to the thermoeconomic optimization results based on the initial design for ASEKSÇ (Tevap=-80°C, Tkond=45°C), the total product cost flow of the system decreased by 1.36%. ASEKSÇ reduced the total environmental impact by 13.03% compared to EKSÇ and 32.53% compared to KBSKSÇ. Compared to the EKSÇ cycle without nanoparticle, which is the best performing cycle available in the literature, the with nanoparticle case of the ASEKSÇ cycle resulted in an increase of 24.68% and 31.34% in COP and exergy efficiency, respectively.