Çok Amaçlı Yüksek Performanslı CO2 Soğutucu Akışkanlı Soğutma Sistemi Tasarımı

Year 2025, EARLY VIEW, 1 - 1

Zeyad Tareq Sattar Sattar , Mustafa Aktaş , Yaren Güven , Elif Merve Bahar

https://doi.org/10.2339/politeknik.1532175

Abstract

Enerji tüketiminin ve sera gazı emisyonlarının artması ciddi çevresel sorunlara neden olmaktadır. Çevresel endişeleri azaltırken enerji verimliliği sağlamak için çevre dostu soğutucu akışkanların kullanılması gerekmektedir. Doğal bir soğutucu akışkan olan karbondioksit, bu konuda büyük rol oynamaktadır. Bu çalışmada, iki kademeli ejektörlü karbondioksit soğutucu akışkanlı soğutma sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan soğutma sisteminin ısıtma ile orta ve düşük sıcaklıktaki soğutma işlemleri için kullanılması amaçlanmıştır. Isıtma ve soğutma odalarının ısıtılması ve soğutulması için su ve soğutucu akışkan sirkülasyon sistemi kullanılmıştır. Isıtma işlemi için gaz soğutucu kullanılarak 144,3°C sıcaklıkta 99,66 kW'lık ısıtma kapasitesi elde edilmiş, COP değeri 1,26 olarak hesaplanmıştır. Soğutma işlemi için ise evaporatör kısmında -30°C sıcaklıkta 165,56 kW soğutma kapasitesi elde edilmiş, COP değeri 2,11 olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan soğutma sisteminde, kompresörün tükettiği güç 79,08 kW olarak hesaplanmış, ısıtma ve soğutma işlemlerinde 265,22 kW kapasite elde edilmiştir. Bu da 3,38 değerinde bir ikili performans katsayısı elde edildiğini göstermektedir.

Keywords

CO2 soğutucu akışkan, enerji verimliği, performans katsayısı, soğutma ve ısıtma.

Multi-Purpose High-Performance CO2 Refrigerant Refrigeration System Design

Abstract

Increasing energy consumption and greenhouse gas emissions are causing serious environmental problems. Environmentally friendly refrigerants must be used to achieve energy efficiency while reducing environmental concerns. Carbon dioxide, a natural refrigerant, plays a major role. In this study, a two-stage ejector carbon dioxide refrigerant refrigeration system is designed. The designed refrigeration system was intended for heating and medium and low-temperature refrigeration processes. Water and refrigerant circulation system was used for heating and refrigeration of the heating and refrigeration chambers. Using a gas cooler for heating, a heating capacity of 99.66 kW was obtained at a temperature of 144.3°C, and the COP value was calculated as 1.26. For the refrigeration process, a refrigeration capacity of 165,56 kW was obtained at -30°C in the evaporator section, and the COP value was calculated as 2.11. In the designed refrigeration system, the power consumed by the compressor was calculated as 79.08 kW, and a capacity of 265.22 kW was obtained in heating and refrigeration processes. This shows that a dual coefficient of performance of 3.38 was obtained.

Keywords

CO2 refrigerant, energy efficiency, coefficient of performance, refrigeration and heating.

References

• [1] Güven, Y., Aktaş, A., Aktaş, M., Erten, S., Öder, M., “An Example of Remote Monitoring for A Refrigerated Display Cabinet: Effects on Energy Performance”, Gazi University Journal of Science,
• [2] İpekçi, E., Tanyaş, M., “Soğuk zincir Lojistiği Uygulamaları ve Türkiye’de Soğuk Zincir Lojistiğinin SWOT Analizi”, Dicle Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 26: 46-64, (2021).
• [3] Sunmonu, M. O., Falua, K. J., David, A. O., “Development of A Low-Cost Refrigerator for Fruits and Vegetables Storage”, International Journal of Basic and Applied Science, 2: 85-93, (2014).
• [4] Akdemir, Ö., Güngör, A. “CO2 Soğutma Çevrimlerinin Maksimum Performans Analizi”, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 30(2): 37-43, (2010).
• [5] Özcan, H. G., Günerhan, H., Yaldırak, H., “Alternatif Soğutkan Karbondioksit ve Otobüs Klimalarında Uygulaması”, 11. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 653-697, (2013).
• [6] Bellos, E., Tzivanidis, C., “A Comparative Study of CO2 Refrigeration Systems”, Energy Conversion and Management: X, 1: 100002, (2019).
• [7] Mitsopoulos, G., Syngounas, E., Tsimpoukis, D., Bellos, E., Tzivanidis, C., Anagnostatos S. “Annual Performance of A Supermarket Refrigeration System Using Different Configurations with CO2 Refrigerant”, Energy Conversion and Management: X, 1: 100006, (2019).
• [8] Liu, X., Hou, K., He, M., “A Self-Condensation Supercritical Carbon Dioxide Rankine Cycle System Realized by Absorption Refrigeration”, Applied Thermal Engineering, 230: 120648, (2023).
• [9] Elbir, A., Bayrakçı, H. C., Özgür, A. E., Deniz, Ö., “CO2 Soğutucu Akışkanı ile Çalışan Transkritik Bir Isı Pompası Sisteminin Farklı Basınçlarda Termodinamik Analizi”, Teknik Bilimler Dergisi, 12(1): 24-32, (2022).
• [10] Kurtuluş, O., Olgun, B., Oğuz, E., Heperkan, H., “CO2 İle Çalışan Transkritik Soğutma Çevriminin Deneysel İncelenmesi”, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 423-430, (2011).
• [11] Bai, T., Shi, R., Yu, J., “Thermodynamic Performance Evaluation of An Ejector-Enhanced Transcritical CO2 Parallel Compression Refrigeration Cycle”, International Journal of Refrigeration, 149: 49–61, (2023).
• [12] Kasap, F., Acül, H., Canbaz, H., Erbil, S., “R744 (CO2) Soğutucu Akışkanlı Soğutma Sistemleri, Kanatlı Borulu R744 (CO2) Evaporatör ve Gaz Soğutucu Tasarım Esasları”, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, (2011).
• [13] Çalışkan, O., Ersoy, H. K., “Energy Analysis and Performance Comparison of Transcritical CO2 Supermarket Refrigeration Cycles”, The Journal of Supercritical Fluids, 189: 105698, (2022).
• [14] Gibelhaus, A., Fidorra, N., Lanzeratha, F., Bauc, U., Köhler, J., Bardow, A., “Hybrid Refrigeration by CO2 Vapour Compression Cycle and Water-Based Adsorption Chiller: An Efficient Combination of Natural Working Fluids”, International Journal of Refrigeration, 103: 204–214, (2019).
• [15] Lianga, Y., Sun, Z., Dong, M., Lu, J., Yu, Z., “Investigation of A Refrigeration System based on Combined Supercritical CO2 Power and Transcritical CO2 Refrigeration Cycles by Waste Heat Recovery of Engine”, International Journal of Refrigeration, 118: 470–482, (2020).
• [16] Demirci, E., “R744 (CO2) Soğutucu Akışkanlı Endüstriyel Soğutma Sistemlerinin Termodinamik Analizi ve Enerji Performansının Değerlendirilmesi”, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Karabük, (2021).
• [17] Dönmez, Y. D., “Kompresör-Genişletici Destekli Aşırı Soğutmalı Soğutma Sisteminin Ekserji Analizi”, Yüksek Lisans Tezi, Tarsus Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin, (2024).
• [18] S´anchez, D., Larrondo, R., Vidan-Falomir, F., Cabello, R., “Experimental Evaluation of the CO2-based Mixtures CO2/R32, CO2/R1234yf and CO2/R1270 in A Transcritical Refrigerating Plant Considering the Effect of the Internal Heat Exchanger (IHX)”, Applied Thermal Engineering, 236: 121473, (2024).
• [19] Mubashir, W., Adnan, M., Zaman, M., Imran, M., Naqvi, S. R., Mehmood A., “ Thermo-Economic Evaluation of Supercritical CO2 Brayton Cycle Integrated with Absorption Refrigeration System and Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery”, Thermal Science and Engineering Progress, 44: 102073, (2023).
• [20] Kumar, K., Gupta, H. K., Kumar, P., “Analysis of A Hybrid Transcritical CO2 Vapor Compression and Vapor Ejector Refrigeration System”, Applied Thermal Engineering, 181: 115945, (2020).
• [21] Patel, V., Panchal, D., Prajapati, A., Mudgal, A., Davies, P., “An Efficient Optimization and Comparative Analysis of Cascade Refrigeration System Using NH3/CO2 and C3H8/CO2 Refrigerant Pairs”, International Journal of Refrigeration, 102: 62–76, (2019).
• [22] Lianga, Y., Sun, Z., Dong, M., Lu, J., Yu, Z., “Investigation of A Refrigeration System based on Combined Supercritical CO2 Power and Transcritical CO2 Refrigeration Cycles by Waste Heat Recovery of Engine”, International Journal of Refrigeration, 118: 470–482, (2020).
• [23] Sengupta, A., Dasgupta, M. S., “Energy and Advanced Exergoeconomic Analysis of A Novel Ejector-Based CO2 Refrigeration System and Its Optimization for Supermarket Application in Warm Climates”, Thermal Science and Engineering Progress, 44: 102056, (2023).
• [24] Yang, D., Zhu, J., Wang, N., Xie, J., “Experimental Study on the Performance of Trans-Critical CO2 Two-Stage Compression Refrigeration System with and without An Ejector at Low Temperatures”, Applied Thermal Engineering, 230: 120732, (2023).
• [25] Zeng, Y., Zou, A., Luo, E., “Numerical Study on Two-phase Supersonic Expansion Refrigeration in Novel CO2 Refrigeration Technology”, Applied Thermal Engineering, 230: 120732, (2023).
• [26] Bellos , E., Tzivanidis, C. A., “Theoretical Comparative Study of CO2 Cascade Refrigeration Systems”, Applied Sciences, 9(4): 790, (2019).
• [27] Çulun, P., “Kademeli Soğutma Sistemlerinde Belirli Soğutucu Akışkanlar İçin İkinci Kanun Analizi”, 2. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu ve Sergisi, Balıkesir, (2014).
• [28] Aktaş, M., Deniz, Z. Güven, Y., Durak, V., Ulular, M., Gökben, D., “Nozul Soğutma Sisteminde Verimliliğin Arttırılmasına Yönelik Bir Araştırma”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 11(2): 455-463, (2023).
• [29] Sonntag, R. E., Borgnakke, C., “Fundamentals of Thermodynamics”, Wiley, (2003).
• [30] White, F, M., “Fluid Mechanics”, McFraw Hill (Sekizinci Baskı), (2015).
• [31] Yıldırım, B. Ş., Şahin, A. Ş. “Farklı Akışkanların Kullanıldığı iki Kademeli Soğutma Sisteminin Enerji ve Ekserji Analizi”, Teknik Bilimleri Dergisi, 10(2): 37-41, (2020).