Thermodynamic Analysis of Using with Low GWP Refrigerants Alternative of R404A in Vapor Compression Refrigeration System

Yıl 2024, Cilt: 11 Sayı: 2, 407 - 421, 29.11.2024

Nazan Sevtap Can , Ragıp Yıldırım , Arzu Şencan Şahin

https://doi.org/10.35193/bseufbd.1407429

Öz

Refrigerants are used as working fluids in the heating and cooling industry. In order to prevent environmental issues such as greenhouse gas emissions and global warming, which are on the rise due to increasing environmental problems worldwide, the use of environmentally harmful fluids is tried to be reduced. In this study, the theoretical analysis of a vapor compression refrigeration system using alternative refrigerants instead of R404A, which has a high global warming potential (GWP), was carried out using the Engineering Equation Solver (EES) program. R454A, R454C, R455A, R457A and R459B refrigerants with low GWP were used in the vapor compression refrigeration system. The thermodynamic properties of the refrigerants were obtained from REFROP software. As a result of the analysis, the highest coefficient of performance (COP) value was found to be 8.03 in the system operating with R457A refrigerant when the condenser temperature was 30oC and the evaporator temperature was 5oC. Under the same conditions, the COP value was found to be 7.94 in the system operating with R404A refrigerant. The highest exergy efficiency was found to be 0.59 in the system operating with R457A refrigerant when the condenser temperature was 30oC and the evaporator temperature was -5oC. Under the same conditions, the exergy efficiency was found to be 0.58 in the system operating with R404A refrigerant. The highest exergy destruction was observed in the evaporator of the cooling system. As a result, it was determined that R457A is one of the most suitable alternative refrigerants that can be used instead of R404A in terms of both GWP and COP and exergy efficiency.

Anahtar Kelimeler

Cooling, energy, exergy, new generation refrigerants

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminde R404A Alternatifi GWP Değeri Düşük Soğutucu Akışkanların Kullanılmasının Termodinamik Analizi

Öz

Isıtma ve soğutma endüstrisinde çalışma akışkanı olarak soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Çevresel sorunların artmasıyla birlikte dünyada giderek artan sera gazı emisyonu, küresel ısınma gibi çevresel problemlerin önüne geçmek için çevreye zarar veren akışkanların kullanımı azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu kapsamda birçok soğutucu akışkan geliştirilmiş ve geliştirilmeye devam edilmektedir. Bu çalışmada, küresel ısınma potansiyeli (GWP) yüksek olan R404A yerine alternatif soğutucu akışkanlarının kullanıldığı buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin teorik analizi, mühendislik denklem çözücü (EES) programı kullanılarak yapılmıştır. Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminde GWP değeri düşük olan R454A, R454C, R455A, R457A ve R459B soğutucu akışkanları kullanılmıştır. Soğutucu akışkanların termodinamik özellikleri REFROP yazılımından alınmıştır. Yapılan analizler sonucunda en yüksek soğutma performans katsayısı (COP) değeri, kondenser sıcaklığı 30oC ve evaporatör sıcaklığı 5 oC iken R457A soğutucu akışkanı ile çalışan sistemde 8.03 olarak bulunmuştur. Aynı şartlarda, R404A soğutucu akışkanıyla çalışan sistemde, COP değeri 7.94 olarak bulunmuştur. En yüksek ekserji verimi ise kondenser sıcaklığı 30oC ve evaporatör sıcaklığı -5oC iken R457A soğutucu akışkanı ile çalışan sistemde 0.59 olarak bulunmuştur. Aynı şartlarda, R404A soğutucu akışkanıyla çalışan sistemde ekserji verimi 0.58 olarak bulunmuştur. En yüksek ekserji yıkımının ise soğutma sisteminin evaporatöründe olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, R457A'nın hem GWP hem de COP ve ekserji verimliliği açısından R404A yerine kullanılabilecek en uygun alternatif soğutucu akışkanlardan biri olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Soğutma, enerji, ekserji Yeni nesil soğutucu akışkanlar

Kaynakça

• The European Parliament and the Council of the European Union. Regulation (EC) No 842/2006 of the European Parliament and of Council of 17 May 2006 on certain fluorinated greenhouse gases. 2006.
• The European Parliament and the Council of the European Union. Regulation (EC) No 517/2014 of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases and repealing Regulation (EC) No 842/2006. 2014.
• Sürerdem, K. (2020). Çatı tipi klimalarda kullanılan soğutucu akışkanların performans ve çevresel etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
• Altınkaynak, M. (2021). Exergetic Performance Analysis of HFO Based Refrigerants (R452A, R454C, R455A). Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 25(2), 245-254.
• Devecioğlu, A. G., & Oruç, V. (2020). Experimental comparison of R404A and R452A in refrigeration systems. Science and Technology for the Built Environment, 27(1), 61-69.
• Oruç, V., & Devecioğlu, A. G. (2021). Experimental investigation on the low-GWP HFC/HFO blends R454A and R454C in a R404A refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 128, 242-251.
• Llopis, R., Calleja-Anta, D., Sánchez, D., Nebot-Andrés, L., Catalán-Gil, J., & Cabello, R. (2019). R-454C, R-459B, R-457A and R-455A as low-GWP replacements of R-404A: Experimental evaluation and optimization. International Journal of Refrigeration, 106, 133-143.
• Yıldırım, R., Kumaş, K., & Akyüz, A. Ö. (2021). Soğutma Sisteminde R404A Yerine R454C Soğutucu Akışkanın Kullanılmasının İncelenmesi: Enerji ve Çevresel Analizi. Teknik Bilimler Dergisi, 11(2), 47-51.
• Ender, S. (2018). R404a soğutucu akışkanı kullanan sistemlerde R442a ve R453a soğutucu akışkanları kullanılarak sistem verimliliklerinin artırılması. Yüksek lisans tezi, Dicle Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Diyarbakır.
• Mendoza-Miranda, J. M., Mota-Babiloni, A., & Navarro-Esbrí, J. (2016). Evaluation of R448A and R450A as low-GWP alternatives for R404A and R134a using a micro-fin tube evaporator model. Applied Thermal Engineering, 98, 330-339.
• Mota-Babiloni, A., Navarro-Esbrí, J., Peris, B., Molés, F., & Verdú, G. (2015). Experimental evaluation of R448A as R404A lower-GWP alternative in refrigeration systems. Energy Conversion and Management, 105, 756-762.
• Li, G. (2017). Comprehensive investigation of transport refrigeration life cycle climate performance. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 21, 33-49.
• Zhang, L., Yang, Z., Zhai, R., Lv, Z., Zhang, Y., & Deng, Q. (2022). Flammable performance and experimental evaluation of a new blend as R404A lower-GWP alternative. International Journal of Refrigeration, 135, 113-120.
• Yang, Z., Feng, B., Ma, H., Zhang, L., Duan, C., Liu, B., ... & Yang, Z. (2021). Analysis of lower GWP and flammable alternative refrigerants. International Journal of Refrigeration, 126, 12-22.
• Yıldırım, R., Gungor, A., Akyüz, A., & Tuncer, A. D. (2023). A new approach for environmental analysis of vapor compression refrigeration systems: Environmental impact index. Thermal Science and Engineering Progress, 42, 101871.
• Can, S.N. (2023). Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminde R404A Alternatifi GWP Değeri Düşük Soğutucu Akışkanların Kullanılmasının Termodinamik Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Isparta.