The Analysis of Next-Generation Refrigerants in Terms of Energy, Exergy, and LCCP Perspective

Abstract

In this study, commonly used hydrofluorocarbon (HFC)-based refrigerants R404A and R410A, as well as hydrofluoroolefin (HFO)-based environmentally friendly next-generation refrigerant R1234yf with a low global warming potential (GWP), were analyzed in terms of energy, exergy, and life cycle climate performance (LCCP) in refrigeration and air conditioning systems. All three refrigerants were examined at four different evaporation temperatures (-30°C, -15°C, -5°C, 0°C) with a constant condenser temperature of 50°C using a simulation program. For different evaporation temperatures, the performance of the refrigerants was evaluated using the first and second laws of thermodynamics, and performance coefficients, exergy efficiency, and exergy destruction were calculated. Additionally, the amount of kgCO₂e equivalent was calculated using the LCCP method. In the study, it was found that the compressor energy consumption of R410A and R1234yf refrigerants was similar and approximately 7% lower than that of the R404A refrigerant. The highest coefficient of performance (COP) value was determined for R1234yf. It was observed that R1234yf refrigerant had the highest exergy efficiency starting from -15°C. The kgCO₂e equivalent emission values calculated using the LCCP method revealed that R404A had the highest CO₂ emissions, while R1234yf had the lowest. Furthermore, based on the simulation study and theoretical calculations, it was determined that R410A and R1234yf refrigerants could be considered as alternative choices to R404A refrigerants in systems where two refrigerants are used.

Keywords

• Energy
• Exergy
• GWP
• LCCP
• Refrigerant

Yeni Nesil Soğutucu Akışkanların Enerji, Ekserji ve LCCP Perspektifinde Analizi

Abstract

Bu çalışmada, soğutma ve iklimlendirme sistemlerinde yaygın olarak kullanılan hidroflorokarbon (HFC) tabanlı R404A, R410A akışkanları ile hidrofloroolefein (HFO) tabanlı düşük küresel ısınma potansiyel oranına sahip ve ozon tabasına dost yeni nesil soğutucu akışkan olan R1234yf enerji, ekserji ve yaşam döngüsü iklim performansı (LCCP) açısından incelenmiştir. Her üç soğutucu akışkan dört farklı buharlaşma sıcaklığı (-30°C, -15°C, -5°C, 0°C) ile sabit kondenser sıcaklığında (50°C) simülasyon programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı buharlaşma sıcaklıkları için, soğutucu akışkanların performansları termodinamiğin birinci ve ikinci kanunu kullanılarak değerlendirilmiş ve sistemlere ait performans katsayıları, ekserji verimi, ekserji yıkımı hesaplanmış, LCCP yöntemiyle de kgCO₂eşd. miktarı hesaplanmıştır. Çalışmanın sonunda R410A ve R1234yf soğutucu akışkanlarının kompresör enerji tüketimlerinin birbirine yakın ve R404A soğutucu akışkanına göre yaklaşık %7 daha düşük olduğu tespit edilirken en yüksek COP değeri R1234yf olarak belirlenmiştir. R1234yf soğutucu akışkanın -15°C'den itibaren en yüksek ekserji verimine sahip olduğu görülmüştür. LCCP yöntemi ile hesaplanan kgCO₂eşd. emisyon değerlerinde CO₂ emisyonu yüksek olan soğutucu akışkanın R404A, en düşüğün ise R1234yf olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca yapılan simülasyon çalışması ve teorik hesaplamalar sonucunda ele alınan soğutucu akışkanlardan R404A soğutucu akışkanı yerine R410A ve R1234yf soğutucu akışkanlarının kullanılması iki soğutucu akışkanın kullanıldığı sistemlerde alternatif olarak kullanılabilir olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Enerji
• Ekserji
• GWP
• LCCP
• Soğutucu Akışkan

References

1. [1] A. Keogh, “Soğutucu Akışkan Seçimi ve Su Soğutma Grubu Tasarımı Paket Tip Su Soğutma Gruplarında R410A Kullanımı,” Alarko, Türkiye, Rap. 4, 2005.
2. [2] U. Berk, “R422A Ve R424A Soğutucu Akişkanlariyla Çalişan Bir Soğutma Sisteminin Deneysel Incelenmesi,” Yüksek lisans, Makina Mühendisliği, Dicle Üniversitesi, Diyarbakır, Türkiye, 2019.
3. [3] B. Kılıç, E. Arabacı, “Lpg (R1270-Propilen) Soğutucu Akışkan Kullanılan Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Enerji Analizi,” Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Uygulamalı Bilimler Dergisi, c. 2., ss. 75–81, 2018.
4. [4] A. Yıldız, R. Yıldırım, “R134a’ya Alternatif Bir Soğutucu Akışkan (R513A) Kullanan Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sistemlerinin Enerji ve Çevresel Analizi,” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 8, s. 2, ss. 1817–1828, 2020.
5. [5] S. Choi, Y. Jung, Y. Kim, H. Lee, Y. Hwang, “Environmental effect evaluation of refrigerator cycle with life cycle climate performance”, International Journal of Refrigeration, vol. 122, pp. 134–146, 2021.
6. [6] H. Wan, T. Cao, Y. Hwang, R. Radermacher, S. Chin, “Comprehensive investigations on Life Cycle Climate Performance of unitary air-conditioners,” International Journal of Refrigeration, vol. 129, pp. 332–341, 2021.
7. [7] T. Menlik, A. Demircioǧlu, M.G. Özkaya, “Energy and exergy analysis of R22 and its alternatives in a vapour compression refrigeration system,” International Journal of Exergy, vol. 12, pp. 11–30, 2013.
8. [8] A. Ergün, A.E. Gürel, İ. Ceylan, “Ticari Soğutma Sistemlerinde R22 Akışkanının Alternatifi Olarak R438A ve R417A Akişkanlarinin Performansının İncelenmesi,” Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, c.6, s.4, ss. 824–833, 2018.

9. [9] A.E. Özgür, “HFC-134a ve Alternatifi Soğutkanların (HFO-1234yf ve HFO-1234ze) Soğutma Çevrimi Performansı Açısından Karşılaştırması,” Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., c. 28, s. 2, ss. 465–472, 2013.
10. [10] T.J. Leck, “New High Performance, Low GWP Refrigerants for Stationary AC and Refrigeration,” International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2010, pp. 1–8.
11. [11] J.M. Calm, “The next generation of refrigerants-Historical review, considerations, and outlook,” International Journal of Refrigeration, vol. 31, pp. 1123–1133, 2008.
12. [12] E. Demirci, M. Özkaymak, M. Koşan, A.M. Akkoç ve D. Aktaş, “Soğutucu Akışkan Kullanımında Gelişmeler, G. Mühendislik Bilimleri, Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 6, ss. 184–199, 2015.
13. [13] M. Araz, A. Güngör, A. Hepbaşli, “Düşük Küresel Isınma Potansiyeline Sahip Soğutucu Akişkanların Soğutma Uygulamalarındaki Kullanımının Değerlendirilmesi,” 11. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 2013, pp. 575–602.
14. [14] Genetron® AZ-20 (R-410A) | European Refrigerants, Bilgisayar Programı, MSDOS version, 2023.
15. [15] Y.A. Çengel, M.A. Boles, A. Pınarbaşı, Mühendislik yaklaşımıyla termodinamik, 5. baskı, İstanbul, Türkiye: Güven Bili, Palme, 2011.
16. [16] M.O. Karaağaç, A. Kabul, F. Yiğit, “Kombine Doğalgaz Çevrim Santralinin Performans Analizi,” Politeknik Dergisi, c. 22, s. 2, ss. 319–325, 2019.