Exergy Analysis of a Transkritical CO2 Compression Refrigeration System with Internal Heat Exchanger for Different Design Parameters

Öz

In this study, effect of the design parameters of a transkritical refrigeration cycle using carbon dioxide refrigerant (R744) with internal heat exchanger on energy and exergy efficiencies were investigated. Quality of the refrigerant at the exit of the expansion valve and amount of superheating supplied by the internal heat exchanger were considered as design parameters. For this aim, in order to determine the energy transfer, the exergy destruction, entropy generation and exergy efficiency within the all components, the calculations were carried out at evaporation temperature of 0 oC and condensation pressure of 10 MPa. In addition to this, performance coefficient and the exergy efficiency of the whole system were calculated. The most suitable refrigerant qualities at superheating values of 5 oC and 30 oC were determined as between 0,42–0,47 and 0,31–0,36, respectively.

Anahtar Kelimeler

• Transkritical refrigeration cycle
• Internal heat exchanger
• Carbon dioxide
• Exergy destruction

İç Isı Değiştiricili Transkritik CO2 Soğutma Sisteminin Farklı Tasarım Parametreleri için Ekserji Analizi

Öz

Bu çalışmada iç ısı değiştiricili karbon dioksit soğutucu akışkanla (R744) çalışan kritik nokta üstü (transkritik) soğutma çevriminin tasarım parametrelerinin enerji ve ekserji verimine olan etkileri incelenmiştir. Tasarım parametreleri olarak genleşme elemanı çıkışında soğutucu akışkanın kuruluk derecesi ile iç ısı değiştiricisiyle sağlanan kızgınlık derecesi dikkate alınmıştır. Bu amaçla, iç ısı değiştiricili CO2 soğutma çevriminin tüm bileşenlerindeki enerji transferini, ekserji yıkımını, entropi üretimini ve ekserji verimini hesaplamak amacıyla buharlaşma sıcaklığı 0 oC ve yoğuşma basıncı 10 MPa alındı. Buna ek olarak, etkinlik katsayısı ile tüm sistemin ekserji verimi hesaplandı. 5 oC ve 30 oC kızgınlık değerlerinde en uygun kuruluk derecesi sırasıyla 0,42–0,47 ve 0,31–0,36 aralığında olduğu belirlendi.

Anahtar Kelimeler

• Transkritik soğutma çevrimi
• İç ısı değiştirici
• Karbon dioksit
• Ekserji yıkımı

Kaynakça

1. 1. Bilgili, M., Şimşek, E., Karaçaylı, İ., 2016. Bir Split Klimanın Farklı Atmosfer Hava Sıcaklıklarında Enerji ve Ekserji Analizi, 1st International Conference on Engeneering Technology and Applied Sciences Afyon Kocatepe University, 703-708.
2. 2. Kasap, F., Acül, H., Canbaz, H., Erbil, S., 2011. R744 (CO2) Soğutucu Akışkanlı Soğutma Sistemleri, Kanatlı Borulu R744 (CO2) Evaporatör ve Gaz Soğutucu Tasarımı, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir.
3. 3. Akdemir, Ö., Güngör, A., 2010. CO2 Soğutma Çevrimlerinin Maksimum Performans Analizi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 30(2), 37-43.
4. 4. Özcan, H.G., Günerhan, H., Yaldırak, H., 2013. Alternatif Soğutkan Karbondioksit ve Otobüs Klimalarında Uygulaması. XI. Teskon, İzmir, 653-697.
5. 5. Yamasaki, H., Yamanaka, M., Matsumoto, K., Shimada, G., 2004. Introduction of Transcritical Refrigeration Cycle Utilizing CO2 as Working Fluid, International Compressor Engineering Conference, Purdue University.
6. 6. Danfoss A/S, 2008, Transcritical Refrigeration Systems with Carbon Dioxide, Danfoss Refrigeration and Air Conditioning Division.
7. 7. Kim, M.H., Pettersen, J., Bullard, C.W., 2004, Fundamental Process and System Design Issues in CO2 Vapor Compression Systems, Prog. Energy Combust. Sci., 30(2), 119–174.
8. 8. Aksu, B., Kurt, H., 2014. CO2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompasının Soğutma ve Isıtma Karakteristiklerinin İncelenmesi, 2nd Int. Sym. on Inno. Tech. in Eng. and Sci., Karabük, 1074-1083.

9. 9. Özgür, A.E., Bayrakçı, H.C., Akdağ, A.E., 2009. Kritik Nokta Üstü Çevrimli CO2 Soğutma Sistemlerinde Optimum Gaz Soğutucu Basıncı: Yeni Bir Korelâsyon, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 29(2), 23-28.
10. 10. Gullo, P., Elmegaard, B., Cortella, G., 2015. Energetic, Exergetic and Exergoeconomic Analysis of CO2 Refrigeration Systems Operating in Hot Climates, The 28th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, France.
11. 11. Tao, Y.B., He, Y.L., Tao, W.Q., 2010. Exergetic Analysis of Transcritical CO2 Residential Air-Conditioning System Based on Experimental Data, Applied Energy, 87, 3065–3072.
12. 12. 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.
13. 13. Sarkar, J., Bhattacharyya, S., Gopal, M.R., 2005. Transcritical CO2 Heat Pump Systems: Exergy Analysis Including Heat Transfer and Fluid Flow Effects, Energy Conversion and Management, 46, 2053–2067.
14. 14. Shariatzadeh, O.J., Abolhassani, S.S., Rahmani, M., Nejad, M.Z., 2016. Comparison of Transcritical CO2 Refrigeration Cycle with Expander and Throttling Valve Including/Excluding Internal Heat Exchanger: xergy and Energy Points of View, Applied Thermal Engineering, 93, 779–787.
15. 15. Wang, Z., Han, F., Sunden, F., 2018. Parametric Evaluation and Performance Comparison of a Modified CO2 Transcritical Refrigeration Cycle in Air-Conditioning Applications, Chemical Engineering Research and Design, 131, 617-625.
16. 16. Bellos, E., Tzivanidis, C., 2019. CO2 Transcritical Refrigeration Cycle with Dedicated Subcooling: Mechanical Compression vs. Absorption Chiller, Applied Sciences, 9, 1605.
17. 17. Kılıç, B., 2017. Kritik Nokta Üzeri Çalışan Karbondioksitli Soğutma Çevrimlerinin Karşılaştırmalı Performans Analizi, Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 8(2), 510-514.
18. 18. Bai, T., Yu, J., Yan, G., 2016. Advanced Exergy Analyses of an Ejector Expansion Transcritical CO2 Refrigeration System, Energy Conversion and Management, 126, 850–861.
19. 19. Bellos, E., Tzivanidis, C., 2019. A Comparative Study of CO2 Refrigeration Systems, Energy Conversion and Management: X, 1, Article 100002.
20. 20. Yılmaz, A., Yılmaz, T., 2016. Çapraz Akışlı Paralel Borulu Boru Demetinde Entropi Üretiminin Analitik ve Deneysel Olarak İncelenmesi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(1), 223-230.
21. 21. Cengel, Y.A., Boles, M.A., 2015. Thermodynamic: An Engineering Approach. McGraw-Hill Education, New York.