R600A soğutkan kullanılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde diyabatik kılcal boru içerisindeki akışın modellenmesi

Abstract

21. yüzyılın başlarında özellikle ev tipi soğutucularda Avrupalı üreticiler arasında çevreye zararlı bir etkisi olmayan hidrokarbon esaslı R600a (izobütan) soğutkan kullanımı giderek yaygınlaşmıştır. Buna bağlı olarak R600a bulunan soğutma sistemlerinin dizaynı ve yeniden boyutlandırılması önemli hale gelmiştir. Buna rağmen R600a soğutkan kullanılan soğutma sistemlerinde soğutma performansında önemli etkisi bulunan kılcal boru dizaynına yönelik literatürde yeterli düzeyde deneysel çalışmaların bulunmadığı görülmektedir. Bu doktora tez çalışmasında, eşanjörü üzerine bitişik olan yatay diyabatik kılcal boru içinde R600a soğutkan akışı deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Tez çalışması yedi ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmaya başlama nedenleri ve ulaşılmak istenen sonuçlar genel olarak açıklanarak giriş yapılmıştır. İkinci bölümde buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, kılcal boru genel teorisi ve kılcal boru içinde soğutkan akış karakteristiğinde etkili olan parametreler paylaşılmıştır. Üçüncü bölümde konu ile ilgili literatür araştırma sonuçları özetlenmiş ve diyabatik kılcal boruya yönelik deneysel ve nümerik çalışmaların bir kısmı detaylı olarak paylaşılmıştır. Dördüncü bölümde Arçelik A.Ş. Merkez Ar-Ge laboratuvar altyapısı kullanılarak gerçekleştirilen deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Diyabatik tipteki kılcal boru içinde akan R600a soğutkan akışının incelenebilmesi için iki adet farklı deney düzeneği kurulmuştur. İlk deney düzeneği kılcal boru içinde iki fazlı akımların gelişimini görsellemek amacıyla kullanılmıştır. İkinci düzenek ise eşanjörü üzerine bitişik olan yatay kılcal boru tasarım unsurlarının(kılcal boru giriş basıncı, iç çapı ve boyu, eşanjör uzunluğu, konumu ve giriş sıcaklığı, kılcal boru girişinde aşırı soğuma miktarı) incelenmesi için kurulmuştur. Bu bölümde DOE(Design of Experiment) metodolojisi esas alınarak veriler analiz edilmiştir. Soğutkan kütle debisi ve kılcal boru içindeki basınç düşüş miktarını hesaplayan ampirik korelasyonlar türetilmiştir. Beşinci bölümde nümerik modelleme çalışmalarında kullanılan kütle, enerji ve momentum korunum denklemlerinin sadeleştirilmiş halleri paylaşılmıştır. Altıncı bölümde matlab yazılım programı kullanılarak geliştirilen numerik çözüm sonuçları ve bunların deneysel datalar ile doğrulandığı durumlar paylaşılmıştır.Yedinci bölümde sonuçlar ve öneriler sunulmuştur.Bu doktora tez çalışmasında R600a kullanılan diyabatik tipte kılcal boruda yapılan parametrik deneylerle hem literatürün yoksun olduğu deneysel veriler elde edilmiş, hem de elde edilen bu veriler ışığında soğutkan kütle debisi, basınç düşümü ve eşanjör boru çıkış sıcaklığını hesaplayan ampirik denklemler türetilmiştir. Buna ek olarak kütle, momentum ve enerji korunum denklemleri esas alınarak ve bunların çözümünü daha basit hale getirebilmek için yapılan bazı kabuller ile diyabatik tipte kılcal boruda R600a soğutkan akışı nümerik olarak çözülmüştür. Ampirik ve nümerik model çözüm sonuçları, deneysel sonuçlar ile valide edilmiş ve bunların iyi bir uyum içinde (±%12) olduğu belirlenmiştir. Elde edilen her iki model, ev tipi soğutucu kılcal boru tasarım çalışmaları için güçlü bir araç olup, verimli ürün tasarım süreçlerinin hızlandırılmasını sağlamıştır.

At the beginning of the 21st century, the use of environment friendly hydrocarbon based R600a (isobutane) refrigerant in the refrigeration system of household refrigerators became widespread among European manufacturers. As a result; the design and the dimensioning of the refrigeration systems using R600a refrigerant became crucial. However; it is observed that in literature there are hardly any experimental studies analyzing the capillary tube design, which has a significant effect on the cooling performance of the refrigeration system using R600a refrigerant. In this Ph.D. study, the flow of R600a refrigerant inside horizontal non-adiabatic lateral type capillary tube is both experimentally and numerically investigated. This Ph.D. study is formed of seven main parts. In the first chapter, the reasons for initiating this study, as well as the goal of the work are explained. In the second chapter, the vapor compression system, theoretical information about capillary tube and the parameters that affect the flow characteristics of the refrigerant inside capillary tube are presented. In the third chapter, the results of literature investigation are summarized and some of the experimental and numerical studies on non-adiabatic capillary tube are explained in detail.In the fourth chapter, the experimental studies that were carried out in the Arcelik A.S. laboratory are explained. Two different experimental setups are prepared in order to investigate R600a refrigerant flow inside non-adiabatic capillary tube. The first experimental setup is used in order to visualize the formation of two-phase flow inside capillary tube. The second experimental is used in order to investigate the design parameters (capillary tube inlet pressure, capillary tube inlet diameter and length, heat exchanger length and position, heat exchanger inlet temperature, capillary tube subcooling degree) of lateral type non-adiabatic capillary tube. The experimental data are analyzed by using DOE (Design of Experiment) methodology. Empirical correlations for calculating the pressure loss and mass flow rate inside the capillary tube are derived. In the fifth chapter, simplified versions of the mass, energy, momentum conservation equations, which are used in numerical modelling, are presented. In the sixth part, the results obtained by the numerical solution derived by using matlab software are compared with experimental data. In the seventh chapter, the conclusions and proposals have been presented.In this Ph.D. study, both the experimental data is obtained and an empirical correlations which calculates refrigerant mass flow rate, pressure loss and outlet temperature of the suction pipe, are derived. In addition to this, the flow of R600a refrigerant inside horizontal non-adiabatic lateral type capillary tube is solved by the numerical model solution based on mass, momentum and energy conservation equations. The results of empirical and numerical model are validated with the experimental results and it is observed that the calculated mass flow rates and the pressure loss are within an error band of %±12. These models can be used as a strong tool to design the non-adiabatic lateral type capillary tube and to improve the design process.