Mehmet ÖZKAYMAK, Esra DEMİRCİ, Mustafa AKTAŞ, Ahmet Eren AKKOÇ, Meltem KOŞAN

Doğal Soğutucu Akışkan Kullanımında Gelişmeler

Günümüzde son zamanlarda, insanoğlu tarafından enerji sistemlerinin ısıtma ve soğutma amacıyla kullanılan sentetik soğutucu akışkanların yol açtığı hava, su, toprak kirliliği, ozon tabakasının tahribatı ve küresel ısınma gibi çevresel sorunlar yalnızca insan sağlığını tehdit etmeyip tüm canlı ve cansız türlerin yaşamlarını ve geleceğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada, çevreye olan zararların minimum seviyeye indirilmesi için sentetik soğutucu akışkanlara alternatif olarak kullanılabilecek doğal soğutucu akışkanlardan (R290, R600, R717, R744 vb.) ve uygulama örneklerinden bahsedilmiştir. Doğal soğutucu akışkanların kullanımı, soğutma sistemi performans katsayısı ve sistemin teknolojik özellikleri açısından yapılan çalışmalar incelenmiştir. Elde edilen bulgular ve çıkarımlar ısıtma ve soğutma sistemi tasarımcılarına enerji verimliliği ve çevre kriterleri anlamında ışık tutacaktır.

Developments in Natural Refrigerant Usage

Recently, environmental problems such as air, water, soil pollution, ozone layer destruction, and global warming caused by synthetic refrigerants used by human beings for heating and cooling of energy systems do not only threaten human health but also significantly affect the lives and future of all living and non-living species. In this study, natural refrigerants (R290, R600, R717, R744 etc.) that can be used as an alternative to synthetic refrigerants and application examples are mentioned in order to minimize environmental damage. Studies conducted in terms of the use of natural refrigerants, cooling system performance coefficient, and technological features of the system have been examined. The findings and inferences obtained will shed light on the heating and cooling system designers in terms of energy efficiency and environmental criteria.

PDF

___

[1] I. Garg and V.K. Bajpai, “To study various performance parameter of a vapor compression refrigeration system with two evaporators using R134a”, Journal of Basic And Applied Engineering Research, Vol. 5 (4), pp. 268-271, 2018.
[2] M.C. Elvas, I. Peres, S. Carvalho, “Making Science Cooler: Carré’s Apparatus”, The Circulation of Science and Technology: Proceedings of the 4th International Conference of the Eshs, Barcelona, vol. 441, pp. 18-20, November, 2010.
[3] T. Koyun, A. Koyun and M. Acar, ‘‘Soğutma Sistemlerinde Kullanılan Soğutucu Akışkanlar ve Bu Akışkanların Ozon Tabakası Üzerine Etkileri’’ Tesisat Mühendisliği Dergisi, vol. 88, pp. 46-53, 2005.
[4] M. Aktaş, M. Koşan, E. Arslan and A.D. Tuncer, “Designing a novel solar-assisted heat pump system with modification of a thermal energy storage unit”, Proc IMechE Part A: J Power and Energy. Vol. 233(5), pp. 588-603, 2019. doi: 10.1177/0957650919847934
[5] A. Mcculloch, "CFC and Halon Replacements in the Environment," Journal of Fluorine Chemistry, vol. 100 (1-2), pp. 163-173, 1999. doi: 10.1016/S0022-1139(99)00198-0
[6] E. Beşer, “Soğutucu Maddelerle İlgili Dünya’da ve Türkiye’deki Gelişmeler”, Ш. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi,TESKON 1997, İzmir,20-23 Kasım 1997,A. Güngör, Z. İlken, A. Hepbaşlı, E. Pelin, Ö. Ertöz, N. Bozokalfa,1997Bildiriler Kitabı,MMO Yayın No:203, Cilt 2,pp. 679-697.
[7] N. Abas, A.R. Kalair, N. Khan, A. Haider, Z. Saleem and M.S. Saleem, “Natural and synthetic refrigerants, global warming: A review”. Renewable And Sustainable Energy Reviews, vol. 90, pp. 557– 569, July 2018. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.099
[8] D. Colbourne, K.O. Suen, T.X. Li, I. Vince, A. Vonsild. “General framework for revising class A3 refrigerant charge limits – a discussion” International Journal of Refrigeration, vol. 117, pp. 209-217, September 2020. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2020.04.024
[9] K. Harby, “Hydrocarbons and Their Mixtures As Alternatives to Environmental Unfriendly Halogenated Refrigerants: An Updated Overview”, Renewable And Sustainable Energy Reviews, vol. 73, pp. 1247–1264, June 2017. doi:10.1016/j.rser.2017.02.039
[10] R. Yajima, K. Kita, S.Taira, N.Domyo,‘‘R32 as a Solution for Energy Conservation and Low Emission’’Eighth International Refrigeration and Air Conditioning Conference, USA, 25-28 July,2000.Available:https://docs.lib.purdue.edu/iracc/ 509/ [Accessed: 1 Nov. 2020].
[11] E. Arcaklıoğlu and A. Erişen A, ‘‘Soğutucu Akışkan Karışımlarının Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminde Termodinamik Analizi’’, PamukkaleÜniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Vol.9, pp.153-162, Kasım 2003.
[12] A. Mota-Babiloni, M.M. Joybari, J. NavarroEsbrí, C. Mateu-Royo, A. Barragán-Cervera M. Amat-Albuixecha, Molés, F. “Ultralow-temperature refrigeration systems: Configurations and refrigerants to reduce the environmental impact”. International Journal of Refrigeration, vol. 111, pp.147-158, March 2020. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2019.11.016
[13] B.O. Bolaji and Z. Huan, “Ozone Depletion and Global Warming: Case For The Use of Natural Refrigerant–A Review”. Renewable And Sustainable Energy Reviews, vol.18, pp. 49-54, February 2013. doi: 10.1016/j.rser.2012.10.008
[14] S.B. Riffat, C.F. Afonso, A.C. Oliveira and D.A. Reay, “Natural Refrigerants For Refrigeration and Air-Conditioning Systems”. Applied Thermal Engineering, vol. 17(1), pp. 33-42, January 1997. Doi: 10.1016/1359-4311(96)00030-0
[15] E. Dikmen, A.Ş. Şahin, Ö.İ. Deveci and E. Akdağ, “GWP Değeri Düşük Soğutucu Akışkanların Kullanıldığı Kaskad Soğutma Sisteminin Karşılaştırmalı Performans Analizi”, El-Cezerî Journal of Science And Engineering, Vol: 7(1), pp. 338-345, 2020. doi: 10.31202/ecjse.630262
[16] M. Boumaza, “Performances Assessment of Natural Refrigerants As Substitutes To Cfc and Hcfc İn Hot Climate”. Int. J. Of Thermal & Environmental Engineering, vol. 1(2), 125-130, 2010. doi:10.5383/IJTEE.01.02.008
[17] H.M. Kim, J. Pettersen and C.W. Bullard, “Fundamental Process And System Design Issues in CO2 Vapor Compression Systems”, Progress in Energy And Combustion Science, vol. 30, pp. 119- 174, 2004. Doi: 10.1016/j.pecs.2003.09.002
[18] E. Ertaş, “Doğal Soğutkanlarla Güncel Uygulamalar”, TESKON 2003,IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Mayıs 2009,Bildiriler Kitabı,MMO Yayın No: E/2009/494-1, pp. 846.
[19] H.G. Özcan, H. Günerhan and H. Yaldırak, ‘‘Alternatif Soğutkan Karbondioksit ve Otobüs Klimalarında Uygulaması’’, TESKON 2013,11.Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 17-20 Nisan 2013, Bildiriler Kitabı, MMO Yayın No:E/2013/601-1, pp. 695.
[20] A.A. Kharazi and N. Müller, “Comparing Water (R718) to other Refrigerants”. Process Industries, 2006. doi: 10.1115/IMECE2006-13341
[21] W. Xi, D. Chaobin, X. Shiming, E. Hihara, “State of the art on the flammability of hydrofluoroolefin (HFO) refrigerants”, International Journal of Refrigeration, vol. 108, pp. 209-223, December 2019. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2019.08.025
[22] Ö. Kızılkan, ‘‘A Comparative Investigation of Natural Refrigerants: A Case Study For Cold Storage Application’’, SDU International Journal of Technological Science, vol. 7(3) December 2015.
[23] C.S. Choudhari and S.N. Sapali, “Performance Investigation of Natural Refrigerant R290 As A Substitute To R22 in Refrigeration Systems”. Energy Procedia, vol. 109, pp. 346-352, 2017. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.084
[24] M. Pitarch, E. Navarro-Peris, J. GonzálvezMaciá and J.M. Corberán, “Evaluation of Different Heat Pump Systems For Sanitary Hot Water Production Using Natural Refrigerants”. Applied Energy, vol. 190, pp. 911-919, March 2017. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.12.166
[25] S. Erten and K. Uludağ, ‘‘Soğutma Sistemlerinde R404a ve R290 Soğutucu Akışkan Kullanımının Termodinamik Analizi: Deneysel Karşılaştırma’’ VII. Uluslararası Fen, Mühendislik ve Mimarlık Bilimlerinde Akademik Çalışmalar Sempozyumu,Ankara, Türkiye, 15-17 Kasım, 2019,R. Karapınar, A. Güler, Elazığ: Asos Yayınevi, 2019, pp. 254-267.
[26] S.V. Shaik and T.PA. Babu, “Thermodynamic performance analysis of eco friendly refrigerant mixtures to replace R22 used in air conditioning applications”. Energy Procedia, vol. 109, pp. 56 – 63, March 2017. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.049
[27] A. Özyurt, N. Erdönmez, B. Yılmaz, D. Yılmaz M.K. Sevindir and E. Mançuhan, ‘‘CO2/NH3 Kaskad Soğutma Sisteminin Termodinamik Analizi ve Performans Değerlendirmesi’’, TESKON 2015, 12. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi,İzmir,8-11 Nisan 2015,Bildiriler Kitabı, MMO Yayın No: E/2015/634-1, 2015. pp. 1101-1110.
[28] H. Cho, ‘‘Comparative Study On The Performance And Exergy Efficiency Of Solar Hybrid Heat Pump Using R22 and R744’’, Energy, vol. 93, pp. 1267-1276, December 2015. doi: 10.1016/j.energy.2015.10.016
[29] A. Nguyen, “Influence of an İnternal Heat Exchanger on the Operation of a CO2 Direct Expansion Ground Source Heat Pump”, Energy & Buildings, vol. 202, pp. 110, November 2019. doi:10.1016/j.enbuild.2019.109343
[30] A. D., Silva, E. P. B., Filho, A. H. P., Antunes, “Comparison of a R744 Cascade Refrigeration System with R404A and R22 Conventional Systems for Supermarkets”, Applied Thermal Engineering, vol. 41, pp. 30-35, August 2012. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2011.12.019
[31] O. O., Yolcan ‘‘Kütahya Bölgesinde Farklı Soğutucu Akışkan Kullanılan Hava, Toprak Ve Güneş Destekli Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının TeknoEkonomik Analizi’’, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi, Kütahya, Türkiye, 2017.
[32] D. Colbourne, T.J. Ritter, ‘‘Compatibility of nonmetallic metarials with hydrocarbon refrigerants and lubricant mixtures’’, IIF – IIR Commission, Purdue University, USA, 2000.
[33] K. Boran, T. Menlik ve H. Alpsoy, ‘‘R134a/R152a Soğutucu akışkan karışımlarının performanslarının ısı pompasında deneysel olarak araştırılması’’, Politeknik Dergisi, vol. 18(4), pp. 251- 256, 2015. doi: 10.2339/2015.18.4
[34] Y.S. Lee, C.C. Su, ‘‘Experimental studies of isobutane (R600a) in domestic refrigeration system’’, Applied Thermal Engineering, vol. 22, pp. 507-519, April 2002. doi: 10.1016/S1359-4311(01)00106-5
[35] S.Ender, ‘‘R404A Soğutucu Akışkanı Kullanan Sistemlerde R442A ve R453A Soğutucu Akışkanları Kullanılarak Sistem Verimlerinin Arttırılması’’, Yüksek Lisans Tezi, Dicle Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı,Diyarbakır, Türkiye, 2018.
[36] S.Hocaoğlu, ‘‘Sistem Parametrelerinin Hidrokarbon Soğutucu Akışkanlı Isı Pompalı Sistemin Yoğuşma Performansı Üzerine Etkisi’’, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2018.
[37] B.Başaran, ‘‘Düşük Gwp’li Soğutucu Akışkanların Isı Pompalı Kurutucularda Deneysel Analizi’’, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2019.
[38] İ.Vural, ‘‘R22 İle Çalışan Bir İklimlendirme Sisteminde R417A ile R422D Alternatif Soğutucu Akışkanlarının Kullanılmasının Termodinamik Analizi’’, Yüksek Lisans Tezi, Dicle Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Diyarbakır, Türkiye, 2019.
[39] E.Soylu, ‘‘Otomobil İklimlendirme Sistemleri İçin Farklı Alternatif Soğutucu Akışkanların Performanslarının Değerlendirilmesi’’, Yüksek Lisans Tezi, Yalova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalı, Yalova, Türkiye, 2019.
[40] B.Aksu,‘‘Farklı Çalışma Şartlarında CO2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompası Performansının Deneysel Ve Teorik Olarak İncelenmesi’’, Doktora Tezi, Karabük Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Karabük, Türkiye, 2019.
[41] A. Arora, and S.C.Kaushik, “Theoretical analysis of a vapour compression refrigeration system with R502, R404A and R507A”, International Journal of Refrigeration, vol. 31, pp. 998-1005, 2008. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2007.12.015
[42] B. Niu, and Y. Zhang, “Experimentalstudy of the refrigeration cycle performance for the R744/R290 mixtures”, International Journal of Refrigeration, vol. 30, pp. 37-42, January 2007. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2006.06.002
[43] M.O.Okudan, ‘‘Çatı Tipi Klimalarda R-410a Alternatifi Soğutucu Akışkanların Kullanımının Analizi’’, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, 2020.
[44] M. Padilla, R. Revellin, J. Bonjour, ‘‘Exergy analysis of R413A as replacement of R12 in a domestic refrigeration system’’, Energy Conversion and Management, vol. 51, pp. 2195-2201, November 2010. doi: 10.1016/j.enconman.2010.03.013
[45] M. Fatouh, M. El Kafafy, “Experimental evaluation of a domestic refrigerator working with LPG”, Applied Thermal Engineering, vol. 26, pp. 1593-1603, October 2006. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2005.11.026
[46] M. Kim, M.S. Kim, and Y. Kim, “Experimental study on the performance of a heat pump system with refrigerant mixtures composition change”, Energy, vol. 29, pp. 1053-1068, June 2004. doi: 10.1016/j.energy.2003.12.004
[47] D. Jung, Y. Songand and B. Park, ‘‘Performance des Melanges de Frigorigenes Utilizes Pour Remplacer le HCFC22”, International Journal of Refrigeration, vol. 23, pp. 466-474, September 2000. doi: 10.1016/S0140-7007(99)00066-3
[48] P. Rohlin, “Zeotropik Refrigerant Mixtures in Systems and in Flow Boiling”, PhD thesis Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 1996.
[49] Y. Jeon, S. Kim, S.H. Lee, H.J. Chung, “Seasonal energy performance characteristics of novel ejectorexpansion air conditioners with low-GWP refrigerants”, Applied Energy, vol. 278, 115715, November 2020. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115715
[50] Y.J. He, X.Y. Liang, J.C. Cheng, L.L. Shao, C.L. Zhang, “Approaching optimum COP by refrigerant charge management in transcritical CO2 heat pump water heater”, International Journal of Refrigeration, vol. 118, pp. 161-172, October 2020. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2020.06.011
[51] S.M. Opalic, M. Goodwin, L.J. Jiao, H.K. Nielsen, A.A. Pardinas, A. Hafner, M.L. Kolhe, “ANN modelling of CO2 refrigerant cooling system COP in a smart warehouse”, Journal of Cleaner Production, vol. 260, 120887, July 2020. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.120887
[52] D. Wu, B. Hu, R.Z. Wang, H. Fan, R. Wang, “The performance comparison of high temperature heat pump among R718 and other refrigerants”, Renewable Energy, vol. 154, pp. 715-722, March 2020. doi: 10.1016/j.renene.2020.03.034
[53] L.H.P. Massuchetto, R.B.C. Nascimento, S.M.R. Carvalho, H.V. Araujo, J.V.H. Angelo, “Thermodynamic performance evaluation of a cascade refrigeration system with mixed refrigerants: R744/R1270, R744/R717 and R744/RE170”, International Journal of Refrigeration, vol. 106, pp. 201-212, October 2019. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2019.07.005
[54] W.M. Duarte, T.F. Paulino, J.J.G. Pabon, S. Sawalha, L. Machado, “Refrigerants selection for a direct expansion solar assisted heat pump for domestic hot water”, Solar Energy, vol. 184, pp. 527-538, May 2019. doi: 10.1016/j.solener.2019.04.02