The Thermodynamic Analysis of the Refrigerants Alternative to R22 in the Vapor Compression Refrigeration System

Abstract

In this study, the performances of the R417A, R438A, R422A and R422D refrigerants which are alternative to the commonly used and ozone layer-friendly R22 refrigerant are examined according to the first and second law of thermodynamics. Chemours Refrigerant Expert 1.0 and Genetron Properties 1.4 were used for the design of the vapor compression cycle. While the condensing temperature was kept constant during the analyses, the evaporation temperatures were determined according to the EUROVENT conditions (0 °C, -8 °C, -25 °C, -31 °C). The parameters calculated according to different evaporation temperatures are the required compressor power, performance coefficient (COP), and the required refrigerant mass flow rate. The results showed that the COP values of the R438A and R417A refrigerants were very close to that of R22. The COP values were 5%, 6%, 15% and 10% lower in R438A, in R471A, in R422A, and in R422D, respectively compared to the R22 refrigerant. The COP values were calculated as 13% for R422D and 17% for R422A. The highest exergy efficiency of the analyzed systems was calculated as 31.74% for R438A, 31% for R417A, 27.46% for R422A, and 29.24% for R422D at -25°C evaporation temperature. The results of our study revealed that among the R417A, R438A, R422A and R422D refrigerants developed as an alternative to R22 refrigerant, the R438A refrigerant had comparatively higher COP values. Also, when the condenser and compressor loads were examined, it was found that the R438A, R417A, R422D and R422A refrigerants yielded the best results, respectively. Among the four alternative refrigerants examined, R438A and R417A were found to be better alternatives to R22 in terms of COP values, exergy efficiency, and exergy destruction.

Keywords

• COP,GWP,ODP,Energy,Refrigerant,Exergy

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminde R22 Alternatifi Soğutucu Akışkanların Termodinamik Analizi

Abstract

Bu çalışmada, soğutma sistemlerinde yaygın olarak kullanılan R22 soğutucu akışkanına alternatif ve ozon tabakasına dost R417A, R438A, R422A ve R422D soğutucu akışkanlarının performansları termodinamiğin birinci ve ikinci yasasına göre incelenmiştir. Buhar sıkıştırmalı çevrimin tasarımı için Chemours Refrigerant Expert 1.0 programı kullanılmıştır. Yapılan analizlerde yoğuşma sıcaklığı sabit (50 ºC) tutulurken, evaporasyon sıcaklıkları EUROVENT şartlarına göre (0 °C, -8 °C, -25 °C, -31 °C) belirlenmiştir. Farklı evaporasyon sıcaklıklarına göre hesaplanan parametreler, gerekli kompresör gücü, performans katsayısı (COP) ve gerekli soğutucu akışkan kütle akış oranıdır. Sonuçlar, R438A ve R417A soğutucu akışkanlarının COP değerlerinin R22’ye çok yakın olduğunu göstermiştir. R22 soğutucu akışkanına göre COP değerleri, R438A’da %5, R471A’da %6, R422A’da %15 ve R422D’de %10 düşük olmuştur. Bu değerler R422D için %13 ve R422A için ise %17 olarak hesaplanmıştır. Analiz edilen sistemlere ait en yüksek ekserji verimi, -25 °C evaporasyon sıcaklığında R438A için %31.74, R417A için %31 ve R422A için %27.46 ve R422D için ise %29.24 olarak hesaplanmıştır. Çalışmanın sonunda, R22 soğutucu akışkanına alternatif olarak geliştirilen R417A, R438A, R422A ve R422D akışkanlarından, R438A akışkanının daha yüksek COP değerlerine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca kondenser ve kompresör yükleri incelendiğinde en iyi sonuçları sırası ile R438A, R417A, R422D ve R422A akışkanlarının verdiği görülmüştür. Genel olarak incelen 4 alternatif akışkandan R438A ve R417A’nın, COP, ekserji verimliliği, ekserji yıkımları açısından R22 için daha iyi bir alternatif olacağı belirlenmiştir

Keywords

• Enerji,Soğutucu Akışkan,Ekserji,COP,GWP,ODP

References

1. Llopis R., Torrella E., Cabello R. Sanchez D., HCFC- 22 replacement with drop-in and retrofit HFC refrigerants in a two-stage refrigeration plant for low temperature, Int. J. Refrig, 35, 810-816, 2012.
2. Yang Z., Wu X., Retrofits and options for the alternatives to HCFC-22, Energy, 59, 1-21, 2013.
3. Aprea C., Maiorino A., Mastrullo R., Exergy analysis of a cooling system: Experimental investigation on the consequences of the retrofit of R22 with R422D, International Journal of Low-Carbon Technologies, 9, 71-79, 2014.
4. Oruç V., Devecioğlu A. G., Buhar sıkıştırmalı bir soğutma sisteminde R22 yerine N20 ve R444B soğutucu akışkanlarını kullanmanın termodinamik performansa etkisi, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 31:4, 859-869, 2016.
5. Rocca, V., Panno, G., Experimental performance evaluation of a compression refrigeration plant when replacing R22 with alternative refrigerants, Appl. Energy., 88, pp. 2809-2815, 2011.
6. Allgood, C.C., Lawson, C. C., “Performance of R-438A in R22 refrigeration and air conditioning systems,” Int. Refrigeration and Air Conditioning Conference at Purdue, July 12-15,2010.
7. Rocca, V. , Panno, G., “Experimental performance evaluation of a vapour compression refrigerating plant when replacing R22 with alternative refrigerants”. Applied Energy, 88 (8), pp.2809-2815, 2011.
8. Elgendy, E., Schmidt, J., Rating Charts of R-22 Alternatives Flow through Adiabatic Capillary Tubes, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering Vol:7, No:8, 2013.

9. Rocca, A., L., Rocca V., L., Messineo, A., Panno, D., USE OF HFC FLUIDS AS SUITABLE REPLACEMENTS IN LOW-TEMPERATURE REFRIGERATION PLANTS, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, VOL. 9, NO. 1, JANUARY 2014.
10. Ergün, A., Gürel, A. E., Ceylan, İ., Ticari Soğutma Sistemlerinde R22 Akışkanının Alternatifi Olarak R438a ve R417a Akışkanlarının Performansının İncelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C, 5 (1), 2018.
11. http://www.ethermo.us (Thermodynamics&Transport Properties Calculation Platform)
12. http://www.linde-gas.com/en/products_and_supply/refrigerants/hfc_refrigerants/index.html
13. Seara, J. F., Uhia, F.J., Diz, R., Dopazo, J.A., Vapour condensation of R22 retrofit substitutes R417A, R422A and R422D on CuNi turbo C tubes, International Journal Of Refrigeration, 33, 148-157, 2010.
14. http://www.bock.de/media/files/PDF/Produktinformationen/96151_Alternative-refrigerants_R22_Gb.pdf
15. http://www.lindegaz.com.tr/en/products_and_supply/refrigerants/hcfc_refrigerants/r22/index.html
16. https://www.chemours.com/Refrigerants/en_US/products/DUPREX/DUPREX.html
17. Devecioğlu A.G., Oruç V., Soğuk Oda Cihazlarında R404a Yerine R442a Soğutucu Akışkanının Kullanılmasının Teorik Olarak İncelenmesi, Soğutma Dünyası, 75:62-68, (2016).