Thermodynamic, Environmental and Economic Analyses of Solar Ejector Refrigeration System Application for Cold Storage

Abstract

The refrigeration processes have been widely applied for especially in cold storages. In these plants, the systems working with compressed vapour cooling cycles have been used as a classical method. In general, electrical energy is used for compressing in these processes. Although, mainly the electricity itself has no pollution effect on the environment, the fossil fuels that are widely used to produce electricity in the most of the world, affect the nature terribly. In short, these refrigeration plants, because of the source of the electricity pollute the nature indirectly. However, for compression an ejector refrigeration system requires one of the important renewable energy sources with negligible pollution impact on the environment, namely solar energy from a thermal source. Thermodynamical, environmental and economical aspects of the ejector refrigeration system working with solar energy was investigated in this study. As a pilot case, apple cold storage plants widely used in ISPARTA city, which 1/5 th of apple production of TURKEY has been provided from, was chosen. Enviromental and economical advantages of solar ejector refrigeration system application for cold storage dictated by thermodynamic, economic and enviromental analyses in this research.

Keywords

• Ejector refrigeration, Energy, Economy, Environment, Thermoeconomics, Levelized cost.

Soğuk Depolama için Güneş Enerjili Ejektör Soğutma Sistemi Uygulamasının Termodinamik Çevresel ve Ekonomik Analizleri

Öz

Soğutma prosesleri, özellikle soğuk depolama tesislerinde geniş çaplı olarak uygulanmaktadır. Bu tesislerde buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan sistemler klasik bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerde sıkıştırma işini yapan kompresör genel olarak elektrik enerjisi ile çalışmaktadır. Elektrik enerjisinin hiçbir çevresel kirletici etkisi olmamasına rağmen, dünyanın pek çok yerinde, elektrik enerjisi üretiminde kullanılan fosil kökenli enerji kaynakları oldukça kirletici etkiye sahiptir. Kısaca yaygın olarak kullanılan bu soğuk depoların (kullandıkları elektriğin menşei nedeniyle) dolaylıda olsa çevresel kirleticilikleri vardır. Oysa ejektörlü soğutma sistemleri sıkıştırma için gerekli enerjiyi, çevresel etkileri ihmal edilebilecek düzeydeki yenilenebilir enerji kaynaklarından önemli biri olan güneş enerjisi gibi bir ısıl kaynaktan alır. Bu çalışmada; güneş enerjili ejektör soğutma sisteminin termodinamik, çevresel ve ekonomik incelenmesi yapılmıştır. Çalışmada örnek uygulama olarak, Türkiye'nin elma üretiminin 1/5'ini karşılayan Isparta ilinde yoğun olarak kullanılan elma soğuk depolama tesisleri seçilmiştir. Bu araştırma ile soğuk depolamada, güneş enerjili ejektörlü soğutma sistemi uygulamasının çevresel ve ekonomik avantajları; termodinamik, ekonomik ve çevresel analizlerle ortaya konmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Ejektörlü soğutma, Enerji, Ekonomi, Çevre, Termoekonomi, Bir değere getirilmiş maliyet.

Kaynakça

1. Üçgül, İ. 2006. TUBİTAK Proje Raporu, Yenilenebilir Enerji Kaynaklı Isının Soğutma ve İklimlendirme proseslerinde Kullanım Potansiyelleri, Proje no: 104M375, Temmuz, 2006.
2. UNDP, 2006. GEF Destek Programı (SPG), Küresel İklim Değişiklikleri için Yerel Çözümler ve SPG Yaklaşımı, TTGV., ART Tanıtım LTD. Şti. 8-12.
3. Tarakcıoğlu, I. 1984. Tekstil Proses İşlemlerinde Enerji Tüketimleri ve Ekonomisi, Uludağ Üniversitesi. Tekstil Müh. Böl. Yayınları, 18.
4. TUSIAD, 1998. Türk Sanayici ve İşadamları Derneği, 21 Yüzyıla Girerken Türkiye’nin Enerji Stratejilerinin Değerlendirilmesi Raporu. 12-239, İstanbul. Isparta Valiliği Web sitesi, 2006. URL(http://www.isparta.gov.tr).
5. Khattab, N. M., Barakat, M. H. 2002. Modeling the design and performance characteristics of solar steam-jet cooling for comfort air conditioning, Solar Energy. 73 (4), 257-267.
6. Huang, B. J., Petrenko, V. A., Samofatov, I. YA., Shchetining, N. A. 2001. Collector selection for solar ejector cooling system, Solar Energy. 71 (4), 269-274.
7. Selbas, R., Ucgul, I., Sencan, A., Kızılkan, O. 2003. “Güneş enerjisi Destekli Buhar- Jet Soğutma Sisteminin İklimlendirmede Uygulanabilirliğinin Araştırılması” Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, TMMOB, MMO, 20-21 Haziran 2003, Mersin.
8. Aphornratana, S., Eames, I. W. A. 1997. Small capacity steam-ejector refrigerator: experimental investigation of a system using ejector with movable primary nozzle., Int.J.Refring. 20 (5), 352-358.

9. Sun, D.W. 1999. Comparative study of the performance of an ejector sogutma cycle operating with various refrigerating, Energy convers. Mgmt. (40), 873–884.
10. Huang, B. J., Chang, M. J., Petrenko, V. A., Zhuk, K. B. A. 1998. Solar ejector cooling system using refrigerant R141b, Solar Energy. 64 (4-6), 223-226.
11. Pridasawas, W., Lundqvist, P. 2004. An exergy analysis of a solar-driven ejector refrigeration system, Solar Energy. (76), 369-379.
12. El-Dessouky, H., Ettouney, H., Aladiqi, I., Al-Nuwaibit, G. 2002. Evaluation of steam jet ejectors, Chemical Eng. and Processing. (41), 551–561.
13. Arbel, A., Sokolov, M. 2004. Revisiting solar powered ejector air conditioner. The greener the better, Solar Energy. (77), 57–66.
14. Sun, D. W. 1997. Solar powered Combined ejector vapor compression cycle for air conditioning and refrigeration, Energy converts. Mgmt. 38 (5), 479-491.
15. Sherif, S. A., Goswami, D. Y., Mathur, G. D., Iyer, S. V., Davanager, B. S., Natarajan, S., Colacino, F. A. 1998. Feasibility Study of Steam-jet refrigeration, İnt, journal of Energy research. (22), 13231336.
16. Ashrae, 1983. Refrigerants, In ASHRAE Equipment Handbook. Chapter. 13.
17. Alexis, G. K., Karayiannis E. K. 2005. A solar ejector cooling system using refrigerant R134 a in the Athens area, Renewable Energy. (30), 1457-1469.
18. Chunnanond, K., Aphornratana S. 2004. Ejectors: applications in refrigeration technology, Renewable and Sustainable Energy Reviews. (8), 129-155.
19. Rogdakis E. D., Alexis G. K. 2003. Design and parametric investigation of an ejector in an airconditioning system, Applied Thermal Engineering. (20), 213-226.
20. Selvaraju A., Mani A. 2004. Analysis of an ejector with enviromently friendly refrigerants, Applied Thermal Engineering. (24), 827- 838.
21. Sun D. W. 1999. Comparative study of the performance of an ejector refrigeration cycle operating with various refrigerating, Energy convers. Mgmt. (40), 873-884.
22. Acar, M., Üçgül, İ., Koyun, T. 2005. “Jeotermal Buhar Ejektörlü Soğutma Sistemi Tersinmezliklerinin İncelenmesi” Ulusal İklimlendirme Sempozyumu ve Sergisi, 25-26-27 Şubat, 2005. Antalya.
23. Üçgül İ., Selbaş R., Ünlü F., Elbir A. 2006. “Ejektörlü soğutma sistemlerine uygun soğutucu akışkanların belirlenmesi” VI. Ulusal temiz enerji sempozyumu, 408-413, 25-27 Mayıs, 2006. Isparta.
24. Bejan, A., Tsatsaronis, G., Moran, M. 1996. Thermal Design and Optimization, John Wiley & Sons Inc., New York.
25. Tsatsaronis, G., Cziesla, F. 2002. Thermoeconomics, Encyclopedia of Physical Science and Technolgy, Academic Press, Third Ed. (16), 659–680.
26. Temir, G., Bilge, D. 2004. Isıl Sistemlerin Termoekonomik Çözümlemesi, Termodinamik. 88-94, Eylül, 2004.
27. Isparta Sanayi Ticaret İl Müd, 2003-2006. Yıllık Raporlar.
28. El-Sayed, Y.M. 2001. Designing desalination systems for higher productivity, Desalination. (134), 129158.
29. El- Mudir, W., El-Bousiffi, M., Al-Hengari, S. 2004. Performance evaluation of small size TVC desalination plant, Desalination. (165), 269-279.
30. Mabrouk, A.A, Nafey, A.S., Fath, H.E.S. 2007. Thermoeconomic analysis of some existing desalination processes, Desalination. (205), 354-373.
31. Kalogirou, S. 2003. The potential of solar industrial process heat applications, Applied Energy. (76), 337-361.
32. Hasan, A. 1999. Sizing solar space heating system: A case study, Renewable Energy. (16), 720 -724.