R290(Propan) ve R600(N-Bütan) Soğutucu Akışkanlarının Kullanıldığı Ardışık İki Kademeli (Kaskad) Bir Soğutma Sisteminin Optimum Çalışma Parametrelerinin Belirlenmesi

Ardışık iki kademeli soğutma sistemleri özellikle buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin düşük sıcaklık uygulamaları için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tarz sistemlerin daha verimli çalışabilmesi için izlenecek önemli adımlardan biri sistemde kullanılacak soğutucu akışkanın seçimidir. Çünkü bir soğutma çevriminde en yüksek COP değerini elde etmek özellikle soğutucu akışkan seçimine ve çalışma parametrelerinin en iyi şekilde belirlenmesine bağlıdır. Hidrokarbonlar topraktaki madde döngüsünden ortaya çıktıkları için doğal soğutucu akışkan olarak adlandırılırlar. Özellikle propan (R290) ve bütan (R600) sağladığı avantajlardan dolayı son yıllarda soğutucu akışkan olarak tercih edilen doğal hidrokarbonlardır. Bu çalışmada, örnek olarak, R290 ve R600 soğutucu akışkanının kullanıldığı iki kademeli bir soğutma çevrimi modeli geliştirilerek sistemin optimum çalışma şartları belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda Java programlama dili kullanılarak örnek bir simülasyon modeli geliştirilmiştir. Bu modelde, olası hataları önlemek için stokastik (istatistiksel) optimizasyon yöntemleri kullanılmıştır. Ayrıca, soğutucu akışkanın bütün fazlarına ait termodinamik özellikler için Java dilinde ayrı bir simülasyon modeli geliştirilmiştir. Termodinamik özelliklerin belirlenmesi için geliştirilen simülasyon çalışmasında sıvı ve kızgın buhar bölgesi için özellikler Helmholtz gerçek gaz hal denklemi kullanılarak belirlenmiştir. Soğutucu akışkanların doyma bölgesi özellikleri de kübik şerit polinom denklemleri kullanılarak hesaplanmıştır. Geliştirilen bu simülasyon çalışmasından elde edilen sonuçların gerçek bir soğutma çevrimi önemli ölçüde uyum gösterdiği ve bu çalışma kapsamında geliştirilen bu modelin endüstriyel soğutma uygulamalarında özellikle sistem tasarımı ve analizi aşamasında önemli avantajlar sağlayacağı gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Soğutma sistemleri, soğutucu akışkanlar, termodinamik özellikler

Determination Of The Optimum Operating Parameters Of The A Sequential Two-Stage Cooling System (Cascade), Using R290 (Propane) And R600 (N-Butane) Refrigerants

Successive two-stage refrigeration systems are widely used, especially for low-temperature applications of vapor compression cooling cycles. One of the important steps to be taken for the more efficient operation of such systems is the selection of the refrigerant to be used in the system. Because achieving the highest COP value in refrigeration cycle depends particularly on the selection of refrigerant and the optimal determination of the operating parameters. Hydrocarbons are called natural refrigerants since they reveal from the material cycle in the soil. In this study, as an example, a two-stage refrigeration cycle model using R290 and R600 refrigerants were developed and the optimal operating conditions of the system were determined. For this purpose, a simulation model has been developed by using Java language. In this model, stochastic (statistical) optimization methods have been utilized to prevent possible errors. In addition, a separate simulation model has been improved in the Java language for calculating the thermodynamic properties of all phases of the refrigerants. In the simulation study developed for the determination of thermodynamic properties, the properties for the liquid and superheated vapor zones were determined using the Helmholtz real gas state equation. The saturation properties of the refrigerants were also calculated using the cubic spline polynomial equations. It has been observed that the results obtained from this simulation study are significantly compatible with the actual cooling cycle and the model developed in this study will provide significant advantages, especially in the system design and analysis stage in industrial cooling applications.

Keywords:

Refrigerants, thermodynamic properties, cooling cycles.,

PDF

___

[1] Angelo J.V.H., Aute V., Radermacher R., 2016, Performance Evaluation of a Vapor Injection Refrigeration System Using Mixture Refrigerant R290/R600a, Int. J. Refrigeration, 65, 194-208. [2] Chen Q., Yu J., Yan G., 2016, Performance Analysis of a Modified Zeotropic Mixture (R290/R600) Refrigeration Cycle with Internal Subcooler for Freezer Applications, Applied Thermal Engineering, 108, 172-180.
[3] Ju F., Fan X., Chen Y., Quyang H., Kuang A., Ma S., Wang F., 2018, Experiment and Simulation Study on Performances of Heat Pump Water Heater Using Blend of R744/R290, Energy & Buildings, 169, 148-156.
[4 ] Wang Q., Li D.H., Wang J.P., Sun T.F., Han X.H., Chen G.M., 2013, Numerical Investigations on the Performance of a Single-Stage Auto- Cascade Refrigerator Operating with Two Vapor-Liquid Separators and Environmentally Benign Binary Refrigerants, Applied Energy, 112,949-955.
[5] Yan G., Hu H., Yu J., 2014, Performance Evaluation on an Internal Auto-Cascade Refrigeration Cycle with Mixture Refrigerant R290/R600a, Applied Thermal Engineering, 75, 994-1000.
[6] Yan G., He C., Yu J., 2018, Theoretical on the Performance of a Modified Refrigeration Cycle Using Binary Zeotropic Hydrocarbon Mixture R170/R290, Int. J. Refrigeration,
[7 Yılmaz İ., Çekin S., Bayrakçı H.C., Özgür A.E., 2017, Alternatif Soğutkanlı Kaskad Soğutma Çevrimleri ve Güncel Gelişmeler, 13. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 1675-1688.
[8] International Standard ISO 17584 Refrigerant Properties, Reference Number: ISO 17584:2005(E), 2010.
[9] Buecker, D., Wagner, W. 2006. Reference equations of state for the thermodynamic properties of fluid phase n-butane and isobutene. Journal of physical and chemical reference data, 35(2), 929-1019.
[10 ] Lemmon, E.W., MCLinden, M.O., Wagner, W., 2009. Thermodynamic properties of propane. III. A reference equation of state for temperatures from the melting line to 650 K and pressures up to 1000 MPa. Journal of Chemical & Engineering Data, 54(12), 3141-3180.
[11] Xin-She Yang, Engineering Optimization, An introduction with Meta heuristic applications, John Willey & Sons , 2010, ISBN 978-0-470-58246-6
[12] Xin-She Yang.: A New Meta heuristic Bat-Inspired Algorithm. Nature Inspired Cooperative Strategies for Optimization (NICSO 2010). Studies in Computational Intelligence Vol. 284 (2010) 65-74.
[13] Xin-She Yang, Engineering Optimization, An introduction with Meta heuristic applications, John Willey & Sons , 2010, ISBN 978-0-470-58246-6 .