Effect of the Internal Heat Exchanger Usage in the Two Evaporator Transcritical 〖CO〗_2 Refrigeration System on the Dimensions of the Gas Cooler and Evaporators

Öz

In refrigeration systems, the use of natural refrigerants become widespread instead of artificial refrigerants that cause global warming. 〖CO〗_2 is a natural refrigerant used in refrigeration systems due to its environmentally friendly, low cost, ozone layer depletion potential and low global warming potential. However, since the energy efficiency of systems working with 〖CO〗_2 is lower than that of artificial refrigerants, the performance of the refrigeration system is increased by adding an internal heat exchanger. In the refrigeration industry, it is desirable in many applications to obtain environments with different evaporator temperatures. In this study, 〖CO〗_2 refrigeration cycle with two evaporators with two different evaporator temperatures is investigated separately for the cases with and without an internal heat exchanger. It is assumed that 〖CO〗_2 changes state above the critical point in the gas cooler. The dimensions of the gas cooler and evaporators are compared at different gas cooler pressures and evaporator temperatures. By obtaining the optimum gas cooler pressures, it was investigated how the situation with the internal heat exchanger improves the performance of the system and how it affects the dimensions of the system. As the pressure of the gas cooler increases, the length of the gas cooler decreases and the length of the evaporators increases. For all studied cases, the optimum gas cooler pressure is reduced by around 3% with the use of the internal heat exchanger, and the COP values are increased by around 6%. 〖COP〗_max and optimum gas cooler pressure were obtained as 1.887 and 9685 kPa at T_(b,1)=5 °C and T_(b,2)=0 °C. At this optimum gas cooler pressure, the use of the internal heat exchanger reduced the length of the gas cooler by approximately 17%, while the length of evaporator 1 increased by 6.02% and the length of evaporator 2 by 9.35%.

Anahtar Kelimeler

• Internal Heat Exchanger
• Two Evaporator
• Gas Cooler
• Dimensioning
• Optimum

İki Buharlaştırıcılı Kritik Nokta Üstü CO2 Soğutma Çevriminde İç Isı Değiştiricisi Kullanımının Gaz Soğutucusu ve Buharlaştırıcıların Boyutlarına Etkisi

Öz

Soğutma sistemlerinde, küresel ısınmaya neden olan yapay soğutucu akışkanların yerine doğal soğutucu akışkanların kullanımı yaygınlaşmaktadır. 〖CO〗_2 çevre dostu, maliyetinin düşük olması, ozon tabakasını delme potansiyeli ve küresel ısınma potansiyelinin düşüklüğü nedeniyle soğutma sistemlerinde kullanılan doğal soğutucu akışkandır. Bununla birlikte, 〖CO〗_2 ile çalışan sistemlerin enerji verimliliğinin yapay soğutucu akışkanlara göre düşük olmasından dolayı, soğutma sisteminin etkinliği iç ısı değiştiricisi eklenerek arttırılmaktadır. Soğutma endüstrisinde, farklı buharlaştırıcı sıcaklığına sahip ortamların elde edilmesi birçok uygulamada istenmektedir. Bu çalışmada, iki farklı buharlaştırıcı sıcaklığına sahip iki buharlaştırıcılı 〖CO〗_2 soğutma çevrimi iç ısı değiştiricisiz ve iç ısı değiştiricili durumlar için ayrı ayrı incelenmiştir. 〖CO〗_2’in gaz soğutucusunda kritik nokta üstünde hal değiştirdiği kabul edilmiştir. Farklı gaz soğutucusu basınçlarında ve buharlaştırıcı sıcaklıklarında, gaz soğutucusu ve buharlaştırıcıların boyutları karşılaştırılmıştır. Optimum gaz soğutucu basınçları elde edilerek, iç ısı değiştiricili durumun sistemin etkinliğini ne kadar iyileştirdiği ve boyutları nasıl etkilediği incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre gaz soğutucusu basıncı arttıkça gaz soğutucusunun boyu azalmakta, ancak buharlaştırıcıların boyu artmaktadır. Çalışılan tüm durumlar için, optimum gaz soğutucusu basıncı iç ısı değiştiricisi kullanımı ile %3 civarında düşmüştür ve COP değerlerinde %6 civarında artış olmaktadır. COP_max ve optimum gaz soğutucusu basıncı, 1,887 ve 9685 kPa olarak T_(b,1)=5 °C ve T_(b,2)=0 °C’de elde edilmiştir. Bu optimum gaz soğutucusu basıncında, iç ısı değiştiricisi kullanımı ile gaz soğutucusunun boyu yaklaşık olarak yüzde %17 azalırken, gerekli olan buharlaştırıcı 1’in boyu %6,02 ve buharlaştırıcı 2’nin boyu %9,35 artmıştır.

Anahtar Kelimeler

• iç ısı değiştiricisi
• iki buharlaştırıcı
• gaz soğutucusu
• boyutlandırma
• optimum

Kaynakça

1. Kim, M. H., Pettersen, J., & Bullard, C. W. (2004). Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems. Progress in Energy and Combustion Science, 30, 119-174. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2003.09.002
2. Cabello, R., Sánchez, D., Llopis, R., & Torrella, E. (2008). Experimental evaluation of the energy efficiency of a CO2 refrigerating plant working in transcritical conditions. Applied Thermal Engineering, 28(13), 1596–1604. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.10.026
3. Özgür, A. E., Bayrakçı, H. C., & Akdağ, A. E. (2009). Kritik nokta üstü çevri̇mli̇ CO2 soğutma si̇stemleri̇nde opti̇mum gaz soğutucu basıncı: yeni̇ bi̇r korelâsyon. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 29(2), 23–28.
4. Ahammed, M. E., Bhattacharyya, S., & Ramgopal, M. (2014). Thermodynamic design and simulation of a CO2 based transcritical vapour compression refrigeration system with an ejector. Energy Economics, 45, 177–188. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.06.010
5. Fartaj, A., Ting, D. S. K., & Yang, W. W. (2004). Second law analysis of the transcritical CO2 refrigeration cycle. Energy Conversion and Management, 45(13–14), 2269–2281. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2003.07.001
6. Llopis, R., Sanz-Kock, C., Cabello, R., Sánchez, D., & Torrella, E. (2015). Experimental evaluation of an internal heat exchanger in a CO2 subcritical refrigeration cycle with gas-cooler. Applied Thermal Engineering, 80, 31–41. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.01.040
7. Karaçaylı, İ., & Şimşek, E. (2020). İç ısı değiştiricili transkritik CO2 soğutma sisteminin farklı tasarım parametreleri için ekserji analizi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35(2), 389–399.
8. Yataganbaba, A., Kılıcarslan, A., & Kurtbaş, I. (2015). Exergy analysis of R1234yf and R1234ze as R134a replacements in a two evaporator vapour compression refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 60, 26–37. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.08.010

9. Ünal, S., Erdinç, M. T., & Kutlu, Ç. (2016). Çift buharlastırıcılı ve ejektörlü bir soğutma sisteminin termodinamik analizi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(4), 1039–1047. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.278459
10. Kutlu, Ç., Ünal, S., Erdinç, M. T., & Cihan, E. (2017). Energy and exergy analysis of bus refrigeration system using two-phase ejector with natural refrigerant R744. International Journal of Exergy, 22(4), 331–351. https://doi.org/10.1504/IJEX.2017.083946
11. Erdinç, M. T., Kuru, M. N., Kutlu, Ç. & Ünal, Ş. (2021). İki buharlaştırıcılı transkritik soğutma sisteminde iç ısı değiştiricisi kullanımının incelenmesi. Uluslararası Katılımlı 23. Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi (1833–1840). Gaziantep.
12. Kuru, M. N., & Erdinç, M. T. (2022). İki buharlaştırcılı karbondioksit (CO2) - amonyak (NH3) kaskad soğutma sisteminin termodinamik analizi ve optimum tasarım parametrelerinin belirlenmesi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 25(4), 655-669.
13. Engineering Equation Solver Academic Professional, (2020). F-Chart Software, Klein SA.
14. Richter, M. R., Bullard, C. W., Hrnjak, P. S., & Phoenix, H. (2001). Comparison of R744 and R410A for residential heating and cooling applications general motors corporation. Industrial Engineering, 61801(217).
15. Dittus, F. W. (1930). Heat transfer in automobile radiators of the tubler type. Univ. Calif. Pubs. Eng., 2, 443.
16. Kenning, D. B. R., & Cooper, M. G. (1989). Saturated flow boiling of water in vertical tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer, 32(3), 445–458.
17. Kays, W. M., & London, A. L. (1984). Compact heat exchangers. McGraw-Hill, New York.
18. Rich, D. G. (1975). The effect of the number of tube rows on heat transfer performance of smooth plate fin-and-tube heat exchangers, ASHRAE Transactions, 81(1), 307-317.
19. Liao, S. M., Zhao, T. S., & Jakobsen, A. (2000). Correlation of optimal heat rejection pressures in transcritical carbon dioxide cycles. Applied Thermal Engineering, 20(9), 831–841. https://doi.org/10.1016/S1359-4311(99)00070-8
20. Sarkar, J., Bhattacharyya, S., & Gopal, M. R. (2004). Optimization of a transcritical CO2 heat pump cycle for simultaneous cooling and heating applications. International Journal of Refrigeration, 27(8), 830–838. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2004.03.006