CO2 REFRIGERANT ECO-DESIGN OUTDOOR UNIT DEVELOPMENT FOR REFRIGERATED DISPLAY CABINET

Abstract

Reducing the environmental impacts of energy systems and efficient use of energy are important for ecological balance. Standards and regulations in cooling systems limit the use of refrigerants, which consume energy, trap heat and increase global warming through the greenhouse effect. In refrigerated Display cabinets (RDC), there has been a recent increase in the use of natural refrigerants, especially carbon dioxide, ammonia, hydrocarbons, etc. to reduce environmental impacts. With the developing refrigeration and chemical industries, different fluids with low global warming potential (GWP) and ozone depletion potential (ODP) values have begun to be used. Today, environmentally friendly refrigerants are preferred, especially carbon dioxide CO2 (R744), which has a GWP value of 1 and an ODP value of 0, and has become an important alternative because it does not burn or ignite, and does not contain any toxic substances. In this sense in study, a compact eco-design outdoor unit containing multiple compressors was designed using CO2 (R744), an environmentally friendly natural refrigerant, for refrigerated display cabinet in positive temperature (PT) (-1 °C / +5 °C ) and negative temperature (NT) (-15 °C / -30 °C ) classes. The designed outdoor unit has the ability to synchronously operate RDCs in multiple different temperature classes in supermarkets. The designed central (remote) cooler with outdoor unit was tested in test rooms within the scope of TS EN ISO 23953-2: 2017 standard and its performance was analyzed using PS-NS compressors and multi-ejector system. Total energy consumption for coolers (indoor units) in PS and NS classes is calculated as 27.86 kWh/day and 36.1 kWh/day, respectively, and the energy classes are C and E classes, respectively. The maximum and minimum package temperatures for these coolers are in the range of -0.8 / +5 °C and -16 / -27 °C respectively. As a result of the analyses, the required cooling loads at different temperatures were met and the temperature class specified within the scope of the standard was achieved for the products cooled in the cabinet. So, with this design, supermarket etc. by eliminating the need for an outdoor unit for each different temperature in refrigerated display cabinet in sales areas, a CO2 refrigerated cooling system that provides different temperature classes with a single system has been introduced.

Keywords

• Refrigeration
• Refrigerated Display Cabinet
• Carbon Dioxide
• Refrigerant

TEŞHİR TİPİ SOĞUTUCULAR İÇİN CO2 SOĞUTKANLI EKO-TASARIM DIŞ ÜNİTE GELİŞTİRİLMESİ

Öz

Enerji sistemlerinin çevresel etkilerinin azaltılması ve enerjinin verimli kullanımı ekolojik denge açısından önemlidir. Soğutma sistemlerindeki standartlar ve yönetmelikler, enerji tüketerek ısıyı hapseden ve sera etkisiyle küresel ısınmayı artıran soğutucu akışkanların kullanımını sınırlamaktadır. Teşhir tipi soğutucularda (TTS), son zamanlarda çevresel etkileri azaltmak amacıyla doğal soğutucu akışkanlar, özellikle karbondioksit, amonyak, hidrokarbonlar vb. kullanımına yönelik çalışmalar artmıştır. Gelişen soğutma ve kimya endüstrileriyle birlikte, düşük küresel ısınma potansiyeli (KIP) ve ozon delme potansiyeli (ODP) değerlerine sahip farklı akışkanlar kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde çevre dostu soğutucu akışkanlar tercih edilmekte olup, özellikle karbon dioksit CO2 (R744), KIP değerinin 1, ODP değerinin 0 olması aynı zamanda yanma ve tutuşma özelliğine sahip olmamakla birlikte toksit içerikli herhangi bir madde içermemesi nedeniyle önemli bir alternatif haline gelmiştir. Bu anlamda çalışmada, pozitif sıcaklık (PS) (-1 °C / +5 °C ) ve negatif sıcaklık (NS) (-15 °C / -30 °C ) sınıflarındaki teşhir tipi soğutucular için çevre dostu doğal soğutucu akışkan olan CO2 (R744) kullanılarak, birden fazla kompresörü içeren eko-tasarıma uygun kompakt bir dış ünite tasarlanmıştır. Tasarlanan dış ünite, süpermarketlerde birden fazla farklı sıcaklık sınıfındaki TTS’leri senkronize olarak çalıştırabilme özelliğine sahiptir. Tasarlanan dış üniteli merkezi (remote) soğutucu TS EN ISO 23953-2: 2017 standardı kapsamında test odalarında test edilmiş ve PS-NS kompresörleri ve multi-ejektör sistemi kullanılarak performansı analiz edilmiştir. PS ve NS sınıflarındaki soğutucular (iç üniteler) için toplam enerji tüketimleri sırasıyla 27,86 kWh/gün ve 36,1 kWh/gün olarak hesaplanmış ve enerji sınıfları ise sırasıyla C ve E sınıfıdır. Bu soğutucular için maksimum ve minimum paket sıcaklıkları sırasıyla -0,8 / +5 °C ve -16 / -27 °C aralığındadır. Yapılan analizler neticesinde istenilen farklı sıcaklıklardaki soğutma yükleri karşılanmış ve kabin içinde soğutulan ürünlerin standart kapsamında belirtilen sıcaklık sınıfını sağlanmıştır. Böylece, bu tasarım ile süpermarket vb. satış alanlarında teşhir tipi soğutucularda farklı her bir sıcaklık için bir dış ünitenin önüne geçilerek, tek bir sistem ile farklı sıcaklık sınıflarını sağlayan CO2 soğutkanlı bir soğutma sistemi ortaya konmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Soğutma
• Teşhir Tipi Soğutucu
• Karbondioksit
• Soğutucu Akışkan

Kaynakça

1. [1] Kasap, F., Acül, H., Canbaz, H., & Erbil, S. (2011). R744 (CO2) soğutucu akışkanlı soğutma sistemleri, kanatlı borulu R744 (CO2) evaporatör ve gaz soğutucu tasarım esasları. X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 1, 369-389.
2. [2] Dai, B., Cao, Y., Zhou, X., Liu, S., Fu, R., Li, C., & Wang, D. (2024). Exergy, carbon footprint and cost lifecycle evaluation of cascade mechanical subcooling CO2 commercial refrigeration system in China. Journal of Cleaner Production, 434, 140186.
3. [3] Sengupta, A., & Dasgupta, M. S. (2023). Energy and advanced exergoeconomic analysis of a novel ejector-based CO2 refrigeration system and its optimization for supermarket application in warm climates. Thermal Science and Engineering Progress, 44, 102056.
4. [4] Chi, W., Yang, Q., Chen, X., Li, L., Liu, G., & Zhao, Y. (2023). Advanced exergy analysis of NH3/CO2 cascade refrigeration system with ejector. International Journal of Refrigeration, 145, 185-195.
5. [5] Li, L., Tian, H., Liu, K., Wu, Y., Wang, X., Liang, X., & Shu, G. (2024). Optimum pressure control with three controllable ejectors of a CO2 multi-ejector refrigeration system. International Journal of Refrigeration, 157, 172-185.
6. [6] Yang, D., Zhu, J., Wang, N., & Xie, J. (2023). Experimental study on the performance of trans-critical CO2 two-stage compression refrigeration system with and without an ejector at low temperatures. International Journal of Refrigeration, 154, 231-242.
7. [7] Leerbeck, K., Bacher, P., Heerup, C., & Madsen, H. (2023). Grey box modeling of supermarket refrigeration cabinets. Energy and AI, 11, 100211.
8. [8] Yilmaz, D., Mancuhan, E., & Yılmaz, B. (2020). Experimental investigation of PCM location in a commercial display cabinet cooled by a transcritical CO2 system. International Journal of Refrigeration, 120, 396-405.

9. [9] Sánchez, D., Vidan-Falomir, F., Nebot-Andrés, L., Llopis, R., & Cabello, R. (2023). Alternative blends of CO2 for transcritical refrigeration systems. Experimental approach and energy analysis. Energy Conversion and Management, 279, 116690.
10. [10] Singh, S., Maiya, P. M., Hafner, A., Banasiak, K., & Neksa, P. (2020). Energy efficient multiejector CO2 cooling system for high ambient temperature. Thermal Science and Engineering Progress, 19, 100590.
11. [11] Yu, B., Wang, D., Liu, C., Jiang, F., Shi, J., & Chen, J. (2018). Performance improvements evaluation of an automobile air conditioning system using CO2-propane mixture as a refrigerant. International Journal of Refrigeration, 88, 172-181.
12. [12] Aktaş, M., Koşan, M., Arslan, E. ve Tuncer, AD (2019). Termal enerji depolama ünitesinin modifikasyonu ile yeni bir güneş destekli ısı pompası sisteminin tasarlanması. Makine Mühendisleri Enstitüsü Bildirileri, Bölüm A: Güç ve Enerji Dergisi, 233 (5), 603.
13. [13] TS EN ISO 23953-2:2017 Refrigerated display cabinets-Part 2: Classification, requirements and test conditions.
14. [14] Commission Delegated Regulation (EU) 2019/2018 of 11 March 2019 supplementing Regulation (EU) 2017/1369 of the European Parliament and of the Council with regard to energy labelling of refrigerating appliances with a direct sales function (Text with EEA relevance). (2019, 11 March). Office Journal of the Europian Union (L 315). http://data.europa.eu/eli/ reg_del/2019/2018/oj
15. [15] İyim E., Altintaş A., Almiş Ç. Karbondioksit Akışkanlı Transkritik Soğutma Sistemlerinde Valf Seçim Kriterleri.