Research Article
BibTex RIS Cite

Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu

Year 2024, Volume: 13 Issue: 3, 47 - 59, 31.12.2024

Abstract

Bu çalışmada, deneysel bir mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) ile incelenmiş ve optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Sistemin termodinamik performansının optimize edilmesi için gereken kritik parametreler evaporatör ve kondenser sıcaklıklarıdır. Bu nedenle, evaporatör sıcaklığı -12°C ile -4°C arasında, kondenser sıcaklığı ise 30°C ile 40°C arasında değişim göstermektedir. RSM yönteminde, kütlesel debi ve COP maksimize edilmesi gereken yanıt değişkenleri olarak belirlenirken, kompresör çıkış sıcaklığı ve güç tüketimi minimize edilmesi gereken yanıt değişkenleri olarak tanımlanmıştır. Bu yöntem kapsamında, her bir yanıt değişkeni için bağımsız parametrelere dayalı olarak ikinci mertebeden doğrusal olmayan denklemler oluşturulmuştur. RSM sonuçları, kompresör çıkış sıcaklığı, kütlesel debi, kompresör güç tüketimi ve performans katsayısı (COP) için istatistiksel model ile deneysel veriler arasındaki maksimum sapma değerlerinin sırasıyla %0.40, %0.14, %0.81 ve %0.84 olduğunu ortaya koymaktadır. Optimizasyon sonuçlarına göre, maksimum kütlesel debi 7.37 g/s, maksimum COP 2.37, minimum kompresör çıkış sıcaklığı 60.559°C ve minimum kompresör güç tüketimi 403.246 W'tır.

Supporting Institution

Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi

Project Number

2020/122

References

  • Belman-Flores, J.M., Heredia-Aricapa, Y., García-Pabón, J.J., Pérez-García, V., Pérez-Reguera, C.G. 2023. Drop-in replacement of R134a in a household refrigerator with low-GWP refrigerants R513A, R516A, and R1234ze (E). Energies, 16, 3422.
  • Borikar, S.A., Gupta, M.M., Alazwari, M.A., Malwe, P.D., Moustafa, E.B., Panchal, H., Elsheikh, A. 2021. A case study on experimental and statistical analysis of energy consumption of domestic refrigerator. Case Studies in Thermal Engineering, 28, 101636.
  • Box, G.E., Wilson, K.B. 1992. On the experimental attainment of optimum conditions. Breakthroughs in statistics, 270-310.
  • Calleja-Anta, D., Nebot-Andres, L., Sánchez, D., Cabello, R., Llopis, R. 2022. Drop-in substitutes for R-600a.
  • Experimental evaluation and optimization of a commercial fridge. Applied Thermal Engineering, 211, 118490. Calleja-Anta, D., Sánchez, D., Nebot-Andrés, L., Cabello, R., Llopis, R. 2023. Alternative mixtures to R-600a. Theoretical assessment and experimental energy evaluation of binary mixtures in a commercial cooler. International Journal of Refrigeration, 152, 83-92.
  • Das, M., Pektezel, O. 2022. Experimental and numerical comparison of thermodynamic performances of new and old generation refrigerants in the same cooling system. Thermal Science, 26, 4841-4854.
  • Das, M., Pektezel, O., Alic, E. 2022. Experimental and numerical investigation of thermal performances of R290 and R1234yf refrigerants in a cold room. Science and Technology for the Built Environment, 28, 970-984.
  • Devecioğlu, A.G., Vedat, O. 2021. Soğutma sistemlerinde R454C kullanılmasının deneysel incelenmesi. Politeknik Dergisi, 1-1.
  • Dupont, J., Domanski, P., Lebrun, P., Ziegler, F. 2019. The role of refrigeration in the global economy. 38th note on refrigeration technologies,
  • Erzen, S., Acar, H.I., Pektezel, O. 2022. Exergy analysis of a coal-fired thermal power plant in Kangal District of Turkey. International Journal of Exergy, 39, 262-279.
  • Kayes, I., Ratul, R.E., Abid, A., Majmader, F.B., Khan, Y., Ehsan, M.M. 2024. Multi-objective optimization and 4E (energy, exergy, economy, environmental impact) analysis of a triple cascade refrigeration system. Heliyon, Keskin Gündoğdu, T., Deniz, I., Çalışkan, G., Şahin, E.S., Azbar, N. 2016. Experimental design methods for bioengineering applications. Critical Reviews in Biotechnology, 36, 368-388.
  • Li, X., Liu, H., Zhang, Z., Hu, X., Liu, S., Guo, Y. 2023. Performance optimization of open refrigerated display cabinet based on response surface method. Applied Thermal Engineering, 219, 119608.
  • Llopis, R., Calleja-Anta, D., Sánchez, D., Nebot-Andrés, L., Catalán-Gil, J., Cabello, R. 2019. R-454C, R-459B, R-457A and R-455A as low-GWP replacements of R-404A: Experimental evaluation and optimization. International Journal of Refrigeration, 106, 133-143.
  • Llopis, R., Sánchez, D., Cabello, R., Nebot-Andres, L., Catalán-Gil, J. 2017. R-407H as drop-in of R-404A. Experimental analysis in a low temperature direct expansion commercial refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 80, 11-23.
  • Mota-Babiloni, A., Navarro-Esbrí, J., Peris, B., Molés, F., Verdú, G. 2015. Experimental evaluation of R448A as R404A lower-GWP alternative in refrigeration systems. Energy Conversion and Management, 105, 756-762.
  • Ozdemir, S.N., Taymaz, I., Okumuş, E., Boyacı San, F.G., Akgün, F. 2023. Optimization of operating parameters for boosting the performance of the PEMEC by the response surface methodology. International Journal of Green Energy, 20, 1861-1872.
  • Pektezel, O., Das, M., Acar, H.I. 2023a. Experimental exergy analysis of low-GWP R290 refrigerant and derivation of exergetic performance equations with regression algorithms. International Journal of Exergy, 40, 467-482.
  • Pektezel, O., Das, M., Ibrahim Acar, H. 2023b. Experimental analysis of different refrigerants’ thermal behavior and predicting their performance parameters. Journal of Thermophysics Heat Transfer, 37, 309-319.
  • Ye, W., Liu, F., Yan, Y., Liu, Y. 2024. Application of response surface methodology and desirability approach to optimize the performance of an ultra-low temperature cascade refrigeration system. Applied Thermal Engineering, 239, 122130.
  • Yıldırım, R., Kumaş, K., Akyüz, A.Ö. 2021. Soğutma Sisteminde R404A Yerine R454C Soğutucu Akışkanın Kullanılmasının İncelenmesi: Enerji ve Çevresel Analizi. Teknik Bilimler Dergisi, 11, 47-51.
  • Yilmaz, B., Onat, A. 2024. Pano Klimalarında Farklı Soğutucu Akışkan Kullanımının Analizi. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences, 36, 247-261.
  • Yilmaz, M., Cimsit, C., Keven, A., Karaali, R. 2024. Analysis of cascade vapor compression refrigeration system using nanorefrigerants: Energy, exergy, and environmental (3E). Case Studies in Thermal Engineering, 57, 104373.
  • Zhang, L., Yang, Z., Zhai, R., Lv, Z., Zhang, Y., Deng, Q. 2022. Flammable performance and experimental evaluation of a new blend as R404A lower-GWP alternative. International Journal of Refrigeration, 135, 113-120.

Modeling and Optimization of Performance of Vapor Compression Mechanical Refrigeration System Using Response Surface Methodology

Year 2024, Volume: 13 Issue: 3, 47 - 59, 31.12.2024

Abstract

In this study, an experimental mechanical vapor compression refrigeration system was investigated by response surface methodology (RSM), and an optimization study was carried out. The critical parameters required to optimize the thermodynamic performance of the system are the evaporator and condenser temperatures. Therefore, the evaporator temperature varies between -12°C and -4°C, and the condenser temperature ranges between 30°C and 40°C. In the RSM method, mass flow rate and COP are determined as the response variables to be maximized, while compressor discharge temperature and power consumption are defined as the response variables to be minimized. Within the scope of this method, second-order nonlinear equations were derived based on independent parameters for each response variable. RSM results reveal that the maximum deviation values between the statistical model and experimental data for compressor discharge temperature, mass flow rate, compressor power consumption, and coefficient of performance (COP) are 0.40%, 0.14%, 0.81%, and 0.84%, respectively. According to the optimization results, the maximum mass flow rate is 7.37 g/s, the maximum COP is 2.37, the minimum compressor discharge temperature is 60.559°C, and the minimum compressor power consumption is 403.246 W.

Project Number

2020/122

References

  • Belman-Flores, J.M., Heredia-Aricapa, Y., García-Pabón, J.J., Pérez-García, V., Pérez-Reguera, C.G. 2023. Drop-in replacement of R134a in a household refrigerator with low-GWP refrigerants R513A, R516A, and R1234ze (E). Energies, 16, 3422.
  • Borikar, S.A., Gupta, M.M., Alazwari, M.A., Malwe, P.D., Moustafa, E.B., Panchal, H., Elsheikh, A. 2021. A case study on experimental and statistical analysis of energy consumption of domestic refrigerator. Case Studies in Thermal Engineering, 28, 101636.
  • Box, G.E., Wilson, K.B. 1992. On the experimental attainment of optimum conditions. Breakthroughs in statistics, 270-310.
  • Calleja-Anta, D., Nebot-Andres, L., Sánchez, D., Cabello, R., Llopis, R. 2022. Drop-in substitutes for R-600a.
  • Experimental evaluation and optimization of a commercial fridge. Applied Thermal Engineering, 211, 118490. Calleja-Anta, D., Sánchez, D., Nebot-Andrés, L., Cabello, R., Llopis, R. 2023. Alternative mixtures to R-600a. Theoretical assessment and experimental energy evaluation of binary mixtures in a commercial cooler. International Journal of Refrigeration, 152, 83-92.
  • Das, M., Pektezel, O. 2022. Experimental and numerical comparison of thermodynamic performances of new and old generation refrigerants in the same cooling system. Thermal Science, 26, 4841-4854.
  • Das, M., Pektezel, O., Alic, E. 2022. Experimental and numerical investigation of thermal performances of R290 and R1234yf refrigerants in a cold room. Science and Technology for the Built Environment, 28, 970-984.
  • Devecioğlu, A.G., Vedat, O. 2021. Soğutma sistemlerinde R454C kullanılmasının deneysel incelenmesi. Politeknik Dergisi, 1-1.
  • Dupont, J., Domanski, P., Lebrun, P., Ziegler, F. 2019. The role of refrigeration in the global economy. 38th note on refrigeration technologies,
  • Erzen, S., Acar, H.I., Pektezel, O. 2022. Exergy analysis of a coal-fired thermal power plant in Kangal District of Turkey. International Journal of Exergy, 39, 262-279.
  • Kayes, I., Ratul, R.E., Abid, A., Majmader, F.B., Khan, Y., Ehsan, M.M. 2024. Multi-objective optimization and 4E (energy, exergy, economy, environmental impact) analysis of a triple cascade refrigeration system. Heliyon, Keskin Gündoğdu, T., Deniz, I., Çalışkan, G., Şahin, E.S., Azbar, N. 2016. Experimental design methods for bioengineering applications. Critical Reviews in Biotechnology, 36, 368-388.
  • Li, X., Liu, H., Zhang, Z., Hu, X., Liu, S., Guo, Y. 2023. Performance optimization of open refrigerated display cabinet based on response surface method. Applied Thermal Engineering, 219, 119608.
  • Llopis, R., Calleja-Anta, D., Sánchez, D., Nebot-Andrés, L., Catalán-Gil, J., Cabello, R. 2019. R-454C, R-459B, R-457A and R-455A as low-GWP replacements of R-404A: Experimental evaluation and optimization. International Journal of Refrigeration, 106, 133-143.
  • Llopis, R., Sánchez, D., Cabello, R., Nebot-Andres, L., Catalán-Gil, J. 2017. R-407H as drop-in of R-404A. Experimental analysis in a low temperature direct expansion commercial refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 80, 11-23.
  • Mota-Babiloni, A., Navarro-Esbrí, J., Peris, B., Molés, F., Verdú, G. 2015. Experimental evaluation of R448A as R404A lower-GWP alternative in refrigeration systems. Energy Conversion and Management, 105, 756-762.
  • Ozdemir, S.N., Taymaz, I., Okumuş, E., Boyacı San, F.G., Akgün, F. 2023. Optimization of operating parameters for boosting the performance of the PEMEC by the response surface methodology. International Journal of Green Energy, 20, 1861-1872.
  • Pektezel, O., Das, M., Acar, H.I. 2023a. Experimental exergy analysis of low-GWP R290 refrigerant and derivation of exergetic performance equations with regression algorithms. International Journal of Exergy, 40, 467-482.
  • Pektezel, O., Das, M., Ibrahim Acar, H. 2023b. Experimental analysis of different refrigerants’ thermal behavior and predicting their performance parameters. Journal of Thermophysics Heat Transfer, 37, 309-319.
  • Ye, W., Liu, F., Yan, Y., Liu, Y. 2024. Application of response surface methodology and desirability approach to optimize the performance of an ultra-low temperature cascade refrigeration system. Applied Thermal Engineering, 239, 122130.
  • Yıldırım, R., Kumaş, K., Akyüz, A.Ö. 2021. Soğutma Sisteminde R404A Yerine R454C Soğutucu Akışkanın Kullanılmasının İncelenmesi: Enerji ve Çevresel Analizi. Teknik Bilimler Dergisi, 11, 47-51.
  • Yilmaz, B., Onat, A. 2024. Pano Klimalarında Farklı Soğutucu Akışkan Kullanımının Analizi. International Journal of Advances in Engineering and Pure Sciences, 36, 247-261.
  • Yilmaz, M., Cimsit, C., Keven, A., Karaali, R. 2024. Analysis of cascade vapor compression refrigeration system using nanorefrigerants: Energy, exergy, and environmental (3E). Case Studies in Thermal Engineering, 57, 104373.
  • Zhang, L., Yang, Z., Zhai, R., Lv, Z., Zhang, Y., Deng, Q. 2022. Flammable performance and experimental evaluation of a new blend as R404A lower-GWP alternative. International Journal of Refrigeration, 135, 113-120.
There are 23 citations in total.

Details

Primary Language Turkish
Subjects Fluid Mechanics and Thermal Engineering (Other)
Journal Section Araştırma Makaleleri
Authors

Safiye Nur Özdemir

Oğuzhan Pektezel 0000-0002-8356-181X

Project Number 2020/122
Publication Date December 31, 2024
Submission Date October 15, 2024
Acceptance Date November 22, 2024
Published in Issue Year 2024 Volume: 13 Issue: 3

Cite

APA Özdemir, S. N., & Pektezel, O. (2024). Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 13(3), 47-59.
AMA Özdemir SN, Pektezel O. Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu. GBAD. December 2024;13(3):47-59.
Chicago Özdemir, Safiye Nur, and Oğuzhan Pektezel. “Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi Ile Modellenmesi Ve Optimizasyonu”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 13, no. 3 (December 2024): 47-59.
EndNote Özdemir SN, Pektezel O (December 1, 2024) Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 13 3 47–59.
IEEE S. N. Özdemir and O. Pektezel, “Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu”, GBAD, vol. 13, no. 3, pp. 47–59, 2024.
ISNAD Özdemir, Safiye Nur - Pektezel, Oğuzhan. “Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi Ile Modellenmesi Ve Optimizasyonu”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi 13/3 (December 2024), 47-59.
JAMA Özdemir SN, Pektezel O. Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu. GBAD. 2024;13:47–59.
MLA Özdemir, Safiye Nur and Oğuzhan Pektezel. “Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi Ile Modellenmesi Ve Optimizasyonu”. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, vol. 13, no. 3, 2024, pp. 47-59.
Vancouver Özdemir SN, Pektezel O. Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma Sisteminin Performansının Yanıt Yüzeyi Metodolojisi ile Modellenmesi ve Optimizasyonu. GBAD. 2024;13(3):47-59.