THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A TWO-STAGE TRANSCRITICAL REFRIGERATION CYCLE WITH INTERNAL HEAT EXCHANGER

Year 2017, Volume: 9 Issue: 1, 33 - 46, 01.04.2017

Müfit Yüce , Arif Emre Özgür

Abstract

In recent years, the search for an alternative refrigerant instead of damaging ozone layer refrigerants accelerated
and interest in CO2 gas was increased. In comparison with other refrigerants CO2 applications has become
widely used today with less cause potential to environmental problems and thanks to proper thermophysical
properties. In this study, it was tried to determine the effects of internal heat exchanger application to two‐stage
transcritical cycle with an intercooler and internal heat exchanger’s optimum operating parameters. System
working pressures and temperatures has been determined as variable parameters. Determined parameters have
been digitalized in the computer program (Engineering Equation Solver - EES) and system’s thermodynamic
analysis was performed. It has been specified that the coefficient of internal heat exchanger has important effect
on the system performance. The results have been presented with graphics.

Keywords

CO2, two stage transcritical cycle, internal heat exchanger

İÇ ISI DEĞİŞTİRİCİLİ İKİ KADEMELİ ARA SOĞUTMALI BİR TRANSKRİTİK SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN TERMODİNAMİK ANALİZİ

Abstract

Son yıllarda Ozon tabakasına zarar veren soğutkanların yerine alternatif soğutkan arayışı hız kazanmıştır ve
CO2’e olan ilgi artmıştır. Diğer soğutkanlara oranla daha az çevre sorunlarına yol açma potansiyeline sahip
olması ve uygun termofiziksel özellikleri sayesinde günümüzde CO2 uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır.
Bu çalışmada ara soğutmalı ve iç ısı değiştiricili iki kademeli transkritik çevrimin optimum çalışma
parametrelerine, iç ısı değiştirici uygulamasının etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Sistemin çalışma basınçları ve
sıcaklıkları değişken parametreler olarak belirlenmiştir. Belirlenen parametreler, bir bilgisayar programında
(Engineering Equation Solver - EES) sayısallaştırılmıştır ve sistemin termodinamik analizi yapılmıştır. İç ısı
değiştiricisi etkinliğinin sistem performansına önemli oranda etki ettiği belirlenmiştir. Sonuçlar grafikler ile
sunulmuştur.  

Keywords

CO2, iki kademeli transkritik çevrim, iç ısı değiştirici

References

• Akdemir, Ö., Güngör, A., 2010. CO2 Soğutma Çevrimlerinin Maksimum Performans Analizi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 30, 2, 37‐43.
• Alan, A., 2011. Çift kademeli CO2'li soğutma sistemlerinde genleşme türbini kullanımının enerji potansiyeline etkisi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Angelo M., Ciro ,A. 2008. An experimental evaluation of the transcritical CO2 refrigerator performances using an internal heat exchanger, International Journal of Refrigeration 31 1006‐1011Ansı/Ashrae standart 34‐2007.
• Austin, Brian T.,Sumathy, K.,2011. Transcritical carbondioxide heat pump systems: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 4013–4029.
• Bayrakçı, H.C., Özgür, A.E., Dağ, A.E., 2009. Aynı Soğutma Yükü İçin CO2’li Isı Pompalarının Enerji Sarfiyatlarının Karşılaştırılması, Tesisat Mühendisliği Kongresi, Bildiriler Kitabı, 31‐35.
• Bivens, D.B. , Allgood, C.C. , Shiflett, M.B., Patron, D.M., Chisolm, T.C., Shealy, G.S., 1994. HCFC‐22 alternative for air conditioners and heat pumps, ASHRAE Trans 100 (2) 566–572.
• Boewe, D.E.,Bullard, C.W., Yin, J.M., Hrnjak, P.S., 2001. Contribution of internal heat exchanger to transcritical R‐744 cycle performance, HVAC Res 7 (2) 155–168.
• Bulgurcu, H., Kon, O., İlten, N., 2007. Soğutucu Akışkanların Çevresel Etkileri ile İlgili Yeni Yasal Düzenlemeler ve Hedefler, VIII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi.
• Cavallini A.,Cecchinato L., Corradi M., Fornasieri E., Zilio E., 2005. Two‐stage transcritical carbon dioxide cycle optimisation, A theoretical and experimental analysis, International Journal of Refrigeration 28, 1274–1283.
• Cecchinato, L.,Chiarello, M., Corradi, M., Fornasieri, E., Minetto, S., Stringari, P., Zilio, C., 2008. Thermodynamic analysis of different two‐stage transcritical carbon dioxide cycles, İnternational Journal Of Refrigeration 32(2009), 1058‐1067.
• Chen, Y.,Gu, J., 2005. The optimum high pressure for CO2 transcritical refrigeration systems with internal heat exchangers, International Journal of Refrigeration 28 1238–1249.
• Cho, H., Lee, M.Y., Kim, Y., 2009. Numerical evaluation on the performance of advanced CO2 cycles in the cooling mode operation, Applied Thermal Engineering 29 1485–1492.
• Çengel, Y.A and Boles, M.C., 2008. Termodinamik mühendislik yaklaşımıyla 5. Baskı. İzmir güven kitap evi, İzmir.
• Dağsöz, A. K., 1990. Soğutma Tekniği Isı Pompaları Isı Boruları, II. Baskı, Teknik Kitaplar, 87s. İstanbul.
• Danfoss Refrigeration and Air Conditioning Division 2007. CO2 Refrigerant for Industrial Refrigeration, Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), DKRCI. PZ.000.C1.02 / 520H2242.
• Danfoss Refrigeration and Air Conditioning Division 2009, Food Retail CO2 Refrigeration Systems, Danfoss A/S (RA Marketing/MWA), DKRCE. PA. R1. A1. 02 / 520H3371.
• Fartaj, A.,Ting D.S.K., Yang W.W., 2004. Second law analysis of the transcritical CO2 refrigeration cycle, Energy Conversion and Management 45, 2269–2281.
• International Institute of Refrigeration, Şubat 2000. 15th Informatory Note on Refrigerants International Institute of Refrigeration, 2003. Thermophysical Properties R744 Kima, S.,Kimb, Y., Leeb, G., Kim, M., 2005. The performance of a transcritical CO2 cycle with an internal heat exchanger for hot water heating, International Journal of Refrigeration 28 1064–1072
• Kızılkan, Ö., 2008. Alternatif Soğutucu Akışkanlı Değişken Hızlı Kompresörlü Bir Soğutma Sisteminin Teorik Ve Deneysel İncelenmesi. Süleyman Demirel üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 112s, Isparta.
• Liao, S.M., Zhao, T.S., Jakobsen, A., 2000. A Correlation of Optimal Heat Rejection Pressures In Transcritical Carbon Dioxide Cycles. Applied Thermal Engineering, 20, 831– 841.
• Lorentzen, G. , Pettersen, J., 1993. A new, efficient and environmentally benign system for car air‐conditioning. International Journal of Refrigeration, 16 (1) 4–12.
• Onbaşıoğlu, H., 2010. An Overview of Vapor Compression System Using Natural Refrigerant CO2, İSKİD ACV&R Journal of Turkey, 2, 48‐64.
• Özgür, A.E., 2008. The Performance Analysis of a Two‐Stage Transcritical CO2 Cooling Cycle with Various Gas Cooler Pressures, International Journal of Energy Research, 32, 14, 1309–1315.
• Özgür, A.E., 2013. An Investigation for Optimal Interstage Pressure of Two Stage Transcritical CO2 Cooling Cycle, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C, Tasarım ve Teknoloji, 1(2), 71‐79.
• Özgür, A.E., Tosun, C., Yılmaz, F., Bayrakçı, H.C., 2013. Ara Genleşme Uygulamasının İki Kademeli Transkritik CO2 Soğutma Çevriminin Performansına Etkisinin İncelenmesi, ULIBTK’13 19. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Samsun.
• Özgür, A. E., 2013. İki Kademeli Kritik Nokta Üstü CO2 Çevrimli Soğutma Sistemlerinde Optimum Ara Kademe Basıncının İncelenmesi Gazı Unıversıty Journal Of Scıence, C, 1(2),71‐79.
• Özgür, A., E. Bayrakçı, H. C., Akdağ, A. E., 2009. Kritik Nokta Üstü Çevrimli CO2 Soğutma Sistemlerinde Optimum Gaz Soğutucu Basıncı, Yeni Bir Korelâsyon, Journal of Thermal Science and Technology, 29, 2, 23–28.
• Özgür, A.E., Bayrakçı, H.C., 2007. Performance Analysis Of CO2 Coolant Usage In Transcritical Vapor Compressed Refrigerating Systems, Proceedings of 3rd International Energy, Exergyand Environment Symposium.
• Özgür, A.E., Bayrakçı, H.C., 2010. CO2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompalarında Soğutucu Akışkan Çıkış Sıcaklığının Ekserji Verimine Etkisi, Isı Bilimi Ve Tekniği Dergisi, 30, 1, 73‐78.
• Özkol, N., 1999. Uygulamalı Soğutma Tekniği, TMMOB Makine Mühendisleri Odası,115. Pearson, A., 2005. Carbon dioxide new uses for an old refrigerant, International Journal of Refrigeration, 28‐1140–1148.
• Savaş, S., 1974. Soğutma tekniğinde kullanılan soğutucu akışkanlar. Makine Mühendisleri Odası, 88.
• Span R, Wagner W., 1996. A New Equation of State For Carbon Dioxide Covering the Fluid Region From the Triple‐Point Temperature to 1100 K at Pressure up to 800 MPa, Journal of Physical and Chemical Reference Data, 26, 1509–1596.
• Wang, S.,Tuo, H., Cao, F., Xing, Z., 2012. Experimental investigation on air‐source transcritical CO2 heat pump water heater system at a fixed water inlet temperature, International Journal of Refrigeration.
• Yalçın A. Z., 2009. Küresel Çevre Politikalarının Küresel Kamusal Mallar Perspektifinden Değerlendirilmesi, Balıkesir Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 12, 21, 288‐309. Yamankaradeniz, R., Horuz, İ., Coşkun, S., 2002. Soğutma Tekniği ve Uygulamaları. VİPAŞ A.Ş, 608, Bursa.
• Yanga, J, L.,Ma Y, T., Liu S, C., 2007. Performance investigation of transcritical carbon dioxide two‐stage compression cycle with expande, Energy, 32, 237–245.
• Yari M., 2009. Performance Analysis And Optimization of a New Two‐Stage Ejector‐Expansion Transcritical CO2 Refrigeration Cycle, International Journal of Thermal Science, 48, 10, 1997–2005.
• Yari, M., 2009. Performance analysis and optimization of a new two‐stage ejector‐expansion transcritical CO2 refrigeration cycle, International Journal of Thermal Sciences 48,1997– 2005.