Analysis of Different Refrigerant Usage in Cabinet Air Conditioners

Abstract

The study aimed to evaluate the use of refrigerant in HVAC systems, where global expectations and demands are constantly updated, with environmental and thermal factors.In order to obtain a comparison in the study, in addition to R134a and R404A, which are the refrigerants with the largest share in the market; R32 refrigerant, which is from the same family as these refrigerants and appears to have the least environmental impact in terms of ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP), and R290 refrigerants, which are in the group of natural halogen-free refrigerants, are discussed. Analytical designs of cabinet air conditioners were made to provide similar cooling capacity for each refrigerant and all parameters were compared.It is aimed to clearly reveal the differences by evaluating refrigerants with different environmental and thermophysical effects.In the study; It is aimed to create a comprehensive framework by analyzing the issues of environment, energy, sustainability, operation, efficiency and safety among refrigerants. In thermal performance evaluation of systems; The advantages of R290 and R32 refrigerants over the other two refrigerants were revealed in each of the heat exchanger efficiency, compressor volumetric efficiency and compression ratios, general energy consumption of the systems, energy and exergy efficiency analyses. In addition to these thermal performance advantages of R290 and R32 refrigerants, their advantages in terms of environmental effects have been added with the 〖CO〗_2 equivalent charge amount analysis.Thus, in all analyses, R290 and R32 refrigerants, especially R290, a member of the halogen-free natural refrigerant group, were found to be at the forefront and presented. Based on the product discussed in this study, it is aimed to draw attention to environmental factors and climate change issues with higher usage rates.

Keywords

• Energy
• HVAC
• Cabinet Air Conditioner
• Refrigerant
• Efficiency

Pano Klimalarında Farklı Soğutucu Akışkan Kullanımının Analizi

Abstract

Çalışma sürecinde, küresel beklenti ve taleplerin sürekli değişerek güncellendiği iklimlendirme sistemlerindeki soğutucu akışkan kullanımı çevresel ve termal faktörlerce irdelenerek değerlendirme sonuçları ortaya konulmuştur.Çalışmada kıyas elde edebilmek amacıyla pazardaki en büyük paya sahip soğutucu akışkanlardan R134a ve R404A’nın yanında; bu soğutucu akışkanlar ile aynı aileden, ozonu aşındırma potansiyeli (ODP) ve küresel ısınma potansiyeli bakımından (GWP) çevre etkileri en az olarak görünenlerden R32 soğutucu akışkanı ile beraber günümüzde kazandığı ivme ile gelecektede kullanımından söz ettirmesi beklenen halojen içermeyen doğal soğutucu akışkanlar grubunda nitelendirilen ve olumlu çevresel etkileri ile öne çıkan R290 soğutucu akışkanları ele alınmış, her bir soğutucu akışkan için benzer soğutma kapasitesi sağlayacak şekilde pano kliması özelinde analitik termal tasarımlar yapılmış ve tüm parametreler genel bir kıyasa tabi tutulmuştur.Farklı çevresel ve termofiziksel etkiler barındıran akışkanların değerlendirilmesi ile aradaki farkların açıkça ortaya konulabilmesi hedeflenmiştir. Çalışmada detaylı sistem tasarımları matematiksel ve pratik kuramlar ile gerçekleştirilmiş, diğer muadiller ile çevre, enerji, sürdürülebilirlik, işletim, verimlilik, güvenlik, konularında analizler yapılarak kapsamlı bir çerçeve oluşturulması amaçlanmıştır. Sistemlerin termal performans değerlendirmesinde ölçüt olarak alınan ve matematiksel olarak sunulan; ısı eşanjörü verimliliği, kompresör hacimsel verimi ve sıkıştırma oranları, sistemlerin genel enerji tüketimleri, enerji ve ekserji verimlilik analizlerinin her birinde R290 ve R32 soğutucu akışkanlarının diğer iki soğutucu akışkana karşı avantajı ortaya konulmuştur. R290 ve R32 soğutucu akışkanlarının sahip olduğu bu termal performans avantajlarının yanına, 〖CO〗_2 eşdeğeri şarj miktarı analizi ile değerlendirilen çevresel etkiler bakımından da avantajları eklenerek tüm analizlerde başta halojen içermeyen doğal soğutucu akışkan grubu üyesi R290 olmak üzere R290 ve R32 soğutucu akışkanlarının önde olduğu tespit edilerek sunulmuştur.Bu çalışmanın ele aldığı ürün gamından yola çıkıp daha yüksek oranlarda kullanım ile çevresel faktörler ve iklim değişikliği konularına dikkat çekmesi hedeflenmektedir.

Keywords

• Soğutucu Akışkan
• HVAC
• Enerji
• Verimlilik
• Pano Kliması

Thanks

Sunulan araştırma makalesi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Bölümünde irdelenen “Pano Klimalarında Farklı Soğutucu Akışkanların Kullanımının Araştırılması” adlı yüksek lisans tezini baz alarak ortaya konulmuştur.

References

1. Özkol, N. (1999). Uygulamalı Soğutma Tekniği. Ankara: Makina Mühendisleri Odası.
2. Alarko Carrier. (2023, Şubat). Yeni Soğutucu Akışkanlara Genel Bir Bakış. Teknik Bülten(103). Nisan 8, 2023 tarihinde alındı
3. The United Nations Environment Programme (UNEP). OzonAction Kigali Bilgi Notu 1. Kigali Değişikliğine Giriş.
4. Friterm. (2016). AB Florlu Sera Gazları (F-Gaz) Yönetmeliği. (D. K. İsa, Dü.) Teknik Kitaplar Dizisi(3).
5. CALM, J., M..”The Next Generation of Refrigerants – Historical Review, Considerations, and Outlook”, International Journal of Refrigeration, 31,1123-1133, 2008.
6. DIN 3168 :2019, “Coolers for Distribution Boxes; Concepts Testing, Marking.”, 2019
7. FRITERM. FRTCoils ® Software. 2 2024 tarihinde https://www.friterm.com/adresinden alındı.
8. IPU. CoolPack ® Software. 1 2024 tarihinde https://www.ipu.dk/products/coolpack/ adresinden alındı

9. VDI. (2010). VDI Heat Atlas (2 b.). New York, USA: Springer Heidelberg Dordrecht.
10. Erdinç, M. T., & Kuru, M. N. (2022). İki Buharlaştırıcılı Kritik Nokta Üstü CO2 Soğutma Çevriminde İç Isı Değiştiricisi Kullanımının Gaz Soğutucusu ve Buharlaştırıcıların Boyutlarına Etkisi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 9(2), 1094-1109. https://doi.org/10.35193/bseufbd.1168610
11. Çengel, Y., & Ghajar, A. (2019). Isı ve Kütle Transferi (4 b.). (M. Kanoğlu, Dü., V. Tanyıldızı, & İ. Dağtekin, Çev.) Ankara: Palme Yayınevi.
12. Özşen , M., Şahin, N. (2015). Kanatlı Borulu Yoğuşturucularda İki Fazlı Akış Bağıntılarının Isıl Kapasite Hesabına Etkilerinin İncelenmesi. TESKON 2015 / Soğutma Teknolojileri Sempozyumu. İzmir: Makina Mühendisleri Odası.
13. Onat, A., İmal, M., & İnan, A. T. (2004). Soğutucu Akışkanların Ozon Tabakası Üzerine Etkilerinin Araştırılması ve Alternatif Soğutucu Akışkanlar. KSÜ Fen ve Mühendislik Dergisi.
14. Air Conditioning, Heating & Refrigeration Instıtute (AHRI). (2020). 2020 Standard for Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors. Arlington: AHRI.
15. Bayır, E., & Küçüka, S. (2009, 5). Scroll ve Pistonlu Tip Soğutma Kompresörlerinin Kapasite ve Verimlerinin Çalışma Şartları ile Değişimi. Soğutma Dünyası.
16. ISKAV. (2018). Endüstriyel Soğutma (1 b.). (M. Ertanı, Dü.) İstanbul: Doğa Yayıncılık Ltd. Şti.
17. Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (1996). Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik (2 b.). (T. Derbentli, Çev.) Literatür Yayıncılık, Dağıtım, Pazarlama, San. ve Tic. Ltd. Şti.
18. Cingiz Z., Katırcıoğlu F., Çay Y., Kolip A., “Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminde R22 alternatifi soğutucu akışkanların termodinamik analizi”, Politeknik Dergisi, 23(4): 1205-1212, (2020).
19. DIN 3168 :2019, “Coolers for Distribution Boxes; Concepts Testing, Marking.”, 2019
20. Hu, X., Zhang, Z., Yao, Y., & Wang, Q. (2017). Experimental Analysis on Refrigerant Charge Optimization for Cold Storage Unit. Procedia Engineering.
21. Danfoss. Coolselector2® Software. 2 2024 tarihinde https://www.danfoss.com/en/service-and-support/downloads/dcs/coolselector-2/coolselector-eula/ adresinden alındı
22. Şişman, S., İpekoğlu, M., & Parmaksızoğlu, İ. C. (2023). GWP Değeri Düşük Soğutucu Akışkanlı, İç Isı Değiştiricili Soğutma Sisteminin Modellenmesi. 15. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Soğutma Teknolojileri Sempozyumu. İzmir.
23. İyim, E., Altıntaş, A., & Almış, Ç. (2019). Karbondioksit Akışkanlı Transkritik Soğutma Sistemlerinde Valf Seçim Kriterleri. 14. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Soğutma Teknolojileri Sempozyumu. İzmir.
24. Wikipedia. Bakır. 1 6, 2024 tarihinde Wikipedia: https://tr.wikipedia.org/wiki/Bak%C4%B1r adresinden alındı
25. Abas, N., Kalair, A. R., Khan, N., Haider, A., Saleem, Z., & Saleem, M. S. (2018). Natural and synthetic refrigerants, global warming: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
26. Emanı, M. S., Roy, R., & Mandal, B. K. (2017). Development of Refrigerants: A Brief Revıew. Indian Journal of Scientific Research.
27. Friterm. (2017). İklimlendirme ve Soğutma Sistemlerinde Enerji Verimliliği. (K. İsa, A. Onat, Dü.) Teknik Kitaplar Dizisi(2).
28. Demirci, E., Özkaymak, M., Koşan, M., Akkoç, A. E., & Aktaş, M. (2020). Doğal Soğutucu Akışkan Kullanımında Gelişmeler. Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi.
29. S. Erten and K. Uludağ, ‘‘Soğutma Sistemlerinde R404a ve R290 Soğutucu Akışkan Kullanımının Termodinamik Analizi: Deneysel Karşılaştırma’’ VII. Uluslararası Fen, Mühendislik ve Mimarlık Bilimlerinde Akademik Çalışmalar Sempozyumu,Ankara, Türkiye, 15-17 Kasım, 2019,R. Karapınar, A. Güler, Elazığ: Asos Yayınevi, 2019, pp. 254-267.
30. D. Colbourne, T.J. Ritter, ‘‘Compatibility of non-metallic metarials with hydrocarbon refrigerants and lubricant mixtures’’, IIF – IIR Commission, Purdue University, USA, 2000.
31. Zheng, H., Tian, G., Zhao, Y., Jin, C., Ju, F., & Wang, C. (2022). Experimental Study of R290 Replacement R134a in Cold Storage Air. Case Studies in Thermal Engineering, 36.
32. M.O.Okudan, ‘‘Çatı Tipi Klimalarda R-410a Alternatifi Soğutucu Akışkanların Kullanımının Analizi’’, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2020.
33. Zeng, M. Q., Zou, L. G., Peng, Z. R., Zhang, X. R., & Li, J. (2024). Numerical Study of Condensation Heat Transfer Characteristics of R134a/R290 and R134a/R1270 Refrigerant Blends as Alternatives to Replace R404A. Applied Thermal Engineering.
34. Sanchez, D., Cabello, R., Llopis, R., Arauzo, I., Gil, J. C., & Torrella, E. (2017). Energy Performance Evaluation of R1234yf, R1234ze(E), R600a, R290 and R152a as Low-GWP R134a Alternatives. International Journal of Refrigeration.
35. Rittal. (2024). Wall-mounted cooling units with Basic controller. Ocak 15, 2024 tarihinde Rittal: https://www.rittal.com/com en/products/PG0168KLIMA1/PG0169KLIMA1/PG0173KLIMA1/PRO116164?variantId=3185330 adresinden alındı