HFO1234YF soğutucu akışkanlı bir otomobil kliması ve ısı pompası sisteminin deneysel ve teorik performans analizi
Experimental and theoretical performance analysis of an automobile air conditioning and heat pump system using HFO1234YF as refrigerant
Yazar: ERKUTAY TAŞDEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. MURAT HOŞÖZ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Hava kaynaklı ısı pompası = Air source heat pump ; Performans modelleme = Performance modelling

Özet:
Sedan bir otomobilin iklimlendirme sistemine ait orijinal elemanlar kullanılarak sabit ve değişken kapasiteli kompresörlerden istenilen birisi ile hem soğutma hem de ısı pompası modunda çalışabilecek şekilde deneysel bir otomobil iklimlendirme ve ısı pompası sistemi kurulmuş ve çeşitli mekanik ölçüm cihazları ile donatılmıştır. Deneysel sistemde genleşme elemanı olarak termostatik genleşme valfi kullanılmakta, ayrıca sistemin emme ve sıvı hatları arasında ısı alışverişi yapan bir iç ısı değiştirici (ID) de bulunmaktadır. Deneysel sistemde R134a ve R1234yf soğutucu akışkanları kullanılarak dört farklı devir ve dört farklı hava akımı giriş sıcaklığında soğutma, dört farklı devir ve üç farklı hava akımı giriş sıcaklığında ise ısı pompası testleri yapılmıştır. Elde edilen veriler işlenerek deneysel sistemin soğutma ve ısı pompası modlarındaki enerji ve ekserji performansları belirlenmiş ve her iki soğutucu akışkan için kompresör tipine göre, ID kullanımının etkisini de gösterecek şekilde karşılaştırmaları yapılmıştır. İç ve dış ünite hava akımlarının giriş sıcaklıklarının ve kompresör devrinin artması ile hem soğutma hem ısı pompası modlarında soğutucu akışkan debisi, soğutma/ısıtma kapasitesi, kompresör gücü, toplam güç ve kompresör çıkış sıcaklığında artış olduğu belirlenmiştir. Ancak, soğutma ve ısıtma tesir katsayıları ile toplam güç tüketimine göre belirlenmiş soğutma ve ısıtma tesir katsayıları azalmıştır. Her iki mod için toplam ekserji yıkımları, kompresör devrinin ve hava akımı giriş sıcaklıklarının artması ile yükselmiştir. En büyük ekserji yıkımının sırasıyla kompresör, evaporatör ve kondenserde gerçekleştiği belirlenmiştir. R1234yf kullanıldığı durumlarda ID'nin devreye alınması ile soğutma ve ısı pompası modlarında kompresör devrinin artması ve hava akımı sıcaklıklarının yükselmesi ile soğutma ve ısıtma tesir katsayılarında iyileşme olduğu belirlenmiştir. ID kullanımı, toplam ekserji yıkımında ise önemli düşüşlere sebep olmuştur. Değişken kapasiteli kompresör ile R1234yf soğutucu akışkanının çok fazla performans düşüklüğüne sebep olmadan çalışılabileceği ve ID'nin devreye alınması ile sistem performansının R134a'lı sisteme yaklaştığı tespit edilmiştir. Deneysel sistemin bileşenlerinin sürekli rejim performansını teorik olarak belirlemek için literatürde geçerliliği ispatlanmış korelasyonlardan faydalanılarak kondenser, evaporatör ve kompresör modelleri oluşturulmuştur. Bu elemanlar için oluşturulan modellerin mühendislik denklem çözümleme programında kodlanması ile bu bileşenlerin performanslarını veren teorik sonuçlar elde edilmiş ve deneysel sonuçlar ile çeşitli istatistik performans parametreleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Geliştirilen modellerin tamamının deneysel sonuçlar ile yüksek uyuma sahip olduğu anlaşılmıştır. Bunun üzerine bileşen modelleri kullanılarak sistemin soğutma modundaki genel model oluşturulmuştur. Deney sonuçları ile karşılaştırıldığında, model sonuçlarının yüzde beşlik hata bantları içerisinde olduğu ve genel modelin oldukça doğru sonuçlar verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
An experimental automobile air conditioning (AC) and heat pump (HP) system using the original components of an AC system belonging to a sedan automobile has been set up and equipped with various mechanical measurement devices. The system could be operated in cooling and HP modes by employing either a fixed capacity or variable capacity compressor. In the experimental system, a thermostatic expansion valve was used as expansion device, and there was an internal heat exchanger (IHX) that transfers heat between the suction and liquid lines of the system. By using R134a and R1234yf as refrigerants, the system was tested at four different compressor speeds and four different air inlet temperatures in the cooling mode, while it was tested at four different compressor speeds and three different air inlet temperatures in the HP mode. The energy and exergy performances of the system in the cooling and HP modes were determined by processing the data, and comparisons were made in terms of the compressor type for both refrigerants, including the effect of the use of IHX. When the inlet temperatures of the air streams entering the indoor and outdoor units and the compressor speed increased, the refrigerant flow rate, cooling/heating capacity, compressor power, total power and compressor discharge temperature increased in both cooling and HP modes. However, the coefficients of performance for cooling (COPc) and heating (COPh) and the coefficients of performance based on total power consumption decreased. The total exergy destruction rates in both modes increased with rising compressor speed and air inlet temperatures. The greatest exergy destructions occurred in the compressor, evaporator and condenser, respectively. In R1234yf operations with activated IHX, there were improvements in the COPc and COPh with rising compressor speed and air inlet temperatures in both modes. The use of IHX resulted in significant reductions in the total exergy destruction. The R1234yf operations with the variable capacity compressor did not cause appreciable performance degradation, and the performance of the R1234yf system with activated IHX approached to that of the R134a. Then, condenser, evaporator and compressor models were developed using correlations validated in the literature to theoretically determine the steady−state performance of these components. The theoretical performance results of these components were obtained by coding these models in an engineering equation solving program, and they were compared with the experimental ones using various statistical performance parameters. All model results were found to be in good agreement with the experimental ones. Then, an overall cycle model of the system in the cooling mode was developed by using the component models. Compared with experimental ones, the model results were within the five percent error bands, and the cycle model provided quite accurate results.