Alternatif soğutucu akışkanların performanslarının ekserji yöntemi ile belirlenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında su soğutmalı bir ısı pompasında çevre dostu alternatif soğutucu akışkanlar olan hidrokarbonlar ve karışımlarının birinci ve ikinci kanun analizi yapılmıştır. Çalışma, deneysel ve teorik olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma su soğutmalı bir ısı pompasında ve teorik çalışma bu ısı pompasının simülasyonun hazırlanması ile yapılmıştır. Su soğutmalı ısı pompası R134a için dizayn edildiğinden bu akışkan referans olarak ele alınmıştır. Alternatif akışkanlar olarak R290, R600, R600a ve R1270 soğutucu akışkanlarının değişik kütlesel oranlarda karışımları ve R134a ile hidrokarbonların belli oranlarda karıştırılması ile elde edilen karışımlar kullanılmıştır.Hidrokarbonların kullanılmasının temel nedeni tamamen doğal ve çevreye zararsız olmalarıdır. 1987 Montreal protokolüne göre 2010 yılı itibariyle Kloroflorokarbonlar ülkemizde yasaklanmıştır. 2030 yılından itibaren de Hidroflorokarbon kullanımı yasaklanacaktır. Bu çalışmada kullanılan akışkanlar 2030 projeksiyonuna uygundur.Deneyler sırasında hidrokarbonların yanıcılık özelliklerine karşı hazırlanan Avrupa Birliği yönetmeliklere uygun olarak çalışılmıştır.Deneysel çalışmalarda performans hesaplamaları elde edilen verilere karşılık gelen termodinamik özellikler REFPROP 7.0 programı yardımıyla yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda 3 farklı soğutma suyu debisi ve her su debisi için 3 farklı fan hava hızı ile 9 farklı durum ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlar ile akışkanın kendi içerisinde de karşılaştırılabilmesi sağlanmıştır.HC karışımı 9 durumda R134a'dan %24-35 arasında daha fazla enerji tüketmekte ve %20'ye kadar daha yüksek soğutma kapasitesine sahiptir. HC karışımı kullanılan soğutma sisteminde ekserji kaybı artmakta ve ekserji verimi ve oransal verim değerleri düşüş göstermektedir. Her ne kadar HC karışımı enerji ve ekserji analizinde R134a ile kıyasla daha iyi sonuçlar vermemişse de saf HC ve karışımlarının çevre dostu oluşu ve 2030 yılı itibariyle HFC'lerin üretimi ve ticaretinin yasaklanacağı gerçeğini göz önünde bulundurursak uygun sistem tasarımı veya CFC, HCFC ve HFC ile uyumlu sistemlerin optimizasyonu ile saf HC ve HC karışımları daha yüksek I. ve II. kanun verimleri ile alternatif soğutucu akışkanlar olarak kullanılabilirler.

In this thesis study, the first and second law analyses of environmentally friendly hydrocarbons and hydrocarbon mixtures have been studied on a water-cooled heat pump unit. The study has been conducted both theorically and experimentally. The experimental studies have been conducted on a water cooled heat pump test rig and a simulation of this test rig has been prepared for theoretical studies. As the heat pump is compatible with R134a, this refrigerant has been considered as the reference refrigerant. Various mass rates of R290, R600, R600a and R1270 hydrocarbon refrigerant mixtures and R134a/HC mixtures have been used as alternatives.The basic reason of HC usage as alternatives is that HCs are natural and environmentally friendly. Chlorofluorocarbons have been phased out by the year 2010 in our country with respect to Montreal Protocol in 1987. By the year 2030hydro fluorocarbon usage will be restrained. Refrigerants used in this study are appropriate for 2030 projections. Experiments have been conducted by considering European Union regulations for flammability properties of Hydrocarbons.Thermodynamic properties that correspond to the data obtained in experimental studies have been specified with contribution of REFPROP 7.0 program. In experimental studies 3 different cooling water mass flows and for every water mass flow, three different fan air flow speeds have been considered. In this manner, an internal comparison has been enabled for the refrigerant itself.Energy consumption and refrigeration capacity of HC mixture have been increased between %24 and % 35 and % 19-20 comparing to R134a respectively. The exergy destruction has been increased; exergetic and rational efficiencies have been decreased in the refrigeration unit using HC mixture. Even though HC refrigerant has lower first and second law efficiencies comparing to R134a, it should be considered that HC refrigerants are environmentally friendly and HFC production and trade will be phased out until 2030. With a proper system design or optimization of systems compatible with CFC, HCFC and HFCs, HC mixtures can be used as alternative refrigerants with higher first and second law efficiencies.