Theoretical analysis on the prediction of performance coefficient of two-stage cascade refrigeration system using various alternative refrigerants

Bu çalışmada CFC-12, HCFC-22, CFC-502 soğutkanları ve HFC-134a, HFC-152a, HFC-404A, HFC-407C,HC-290, HC-600a, R717 (amonyak) gibi alternatifleri ile üç adet HFC-134a, HFC-152a, HC-600a, HC-290’danoluşan karışım soğutkanların karşılaştırılması sunulmuştur.Bir kaskad soğutma sistemi hakkındaki teorik çalışma biradet ısı değiştirici ile bağlantılı iki adet soğutma çevrimi kullanılarak yapılmıştır. Isı değiştirici yüksek basınççevriminde buharlaştırıcı olarak, düşük basınç çevriminde yoğuşturucu olarak çalışmaktadır. Yoğuşma sıcaklıkları40°Cve 60 °C, buharlaştırıcı sıcaklıkları -50 C ve -10 C arasında değişmekte olup ısı değiştirici sıcaklığı 1 Csıcaklıkta sabit tutulmuştur. Başlangıçta her iki çevrimdeki akışkanlar aynı kabul edilmiştir. Teorik analizin sonucunagore HFC-152a ve R717 alternatif soğutkanları diğer soğutkanlardan daha yüksek performans katsayısına (COP) sahipoldukları ve daha düşük şarj miktarları gerektirdikleri örnek çalışmada incelenen tüm çalışma şartlarında bulunmuştur.Bazi soğutkanların ozon tabakasının bozulmasına olan etkileri, küresel ısınmayı artıcı etkileri, alevlenme ve zehirlemekarakteristikleri göz önüne alınarak alternatif soğutkan karışımları önerilmiştir. Analizlerde azeotrop olmayanHC290/HC600a (55/45 %) karşımının, azeotrop olan HFC-152a/HFC-134a (14/86 %) ve HFC-134a/HC600a (82/18%) karışımlarının kendi baz soğutkanlarından daha düşük performans katsayıları verdikleri ve daha düşük şarjmiktarlarına gereksinim duydukları bulunmuştur. Kaskad sisteminin yüksek basınç bölgesinde R717 ve alçak basınçbölgesinde HFC-152a soğutkanlarının ayrı kullanımlarının performans katsayısı ve soğutkan şarj miktarınınbulunmasıyla ilgili olarak en iyi kombinasyon olduğu bulunmuştur. Endüstriyel sistemlerin alternatif soğutkanlardanyararlanarak çalıştırılması durumunda çalışmanın sonuçları teknolojik öneme sahiptir.

Çeşitli alternatif soğutkanlar kullanılarak iki kademeli kaskad soğutma sisteminin performans katsayısının tahmini hakkında teorik çalışma

This paper presents a comparison of the refrigerants CFC-12, HCFC-22, CFC-502, and their alternatives,such as HFC-134a, HFC-152a, HFC-404A, HFC-407C, HC-290, HC-600a, R717 (ammonia), and three mixturescomposed of HFC-134a, HFC-152a, HC-600a, and HC-290. A theoretical performance study on a cascaderefrigeration system was performed using two refrigeration cycles connected through a heat exchanger in the middleworking as an evaporator for the high-pressure cycle and a condenser for the low-pressure cycle. The condensingtemperatures varied between 40 and 60 °C, the evaporating temperatures varied between -50 and -10 C, and the heatexchanger temperature was kept constant at 1 °C. The refrigerants in both cycles are assumed to be same at first. Thealternative refrigerants of HFC-152a and R717 had higher coefficients of performance (COPs) than other refrigerantsand also low refrigerant charge rates for all operating conditions in the case study, according to the results of thetheoretical analysis. The effects of the investigated refrigerants on the depletion of the ozone layer, increase in globalwarming, and flammable and toxic characteristics were considered and alternative refrigerant mixtures that may besuggested were determined. It was found that refrigerant blends of HC290/HC600a (55/45 by wt%), as a non- azeotropic mixture, and HFC-152a/HFC-134a (14/86 by wt%) and HFC-134a/HC600a (82/18 by wt%), as azeotropicmixtures, gave lower performance coefficients (COPs) and required lower refrigerant charge rates than their base purerefrigerants in the analysis. The separate usage of the refrigerants R717 and HFC-152a for the high- and low-pressuresections of the cascade system, respectively, were found to be the best combination in terms of the analysis for thedetermination of coefficients of performance (COP) and refrigerant charge rates. The results of this study are oftechnological importance for efficient design when the industrial systems are assigned to utilize various alternativerefrigerants.

PDF

___

Cengel, Y., Boles, M.A., Thermodynamics-An Engineering Approach, McGraw-Hill, 2010.
Chen, J., Yu, J., Performance of New Refrigerant Cycle Using Refrigerant Mixture R32/R134a for Residential Air-Conditioner Applications, Energy and Buildings 40, 2022-2027, 2008.
Devotta, S., Gopichand, S., Pendyola, V., Assessment of HFCs, Fluorinated Ethers and Amine as Alternatives to CFC 12, Int. Journal of Refrigeration 16, 84-89, 1993.
Dopazo, J. A., Fernández-Seara, J., Sieres, J., Uhía, F.J., Theoretical Analysis of a CO2-NH3 Cascade Refrigeration System for Cooling Applications at Low Temperatures, Applied Thermal Engineering 29, 1577- 1583, 2009.
Getu, H.M., Bansal, P.K., Thermodynamic Analysis of an R744–R717 Cascade Refrigeration System, Int. Journal of Refrigeration 31, 45-54, 2008.
Granryd, E., Hydrocarbons-an Overview, International Journal of Refrigeration 24, 15-24, 2001.
Hammad, M.A., Alsaad, M.A., The use of hydrocarbon mixtures as refrigerants in domestic refrigerators, Applied Thermal Engineering 19, 1181-1189, 1999.
Han, X.H., Wang, Q., Zhu, Z.W., Chen, G.M., Cycle Performance Study on R-32/R-125/R-161 as Alternative Refrigerant to R-407C, Applied Thermal Engineering 27, 2559-2565, 2007.
Hoşöz, M., Performance Comparison of Single-Stage and Cascade Refrigeration Systems Using R134a as The Working Fluid, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences 29, 285-296, 2005.
Jung, D., Kim, C.B., Lim, B.H., Lee, H.W., Testing of a Hydrocarbon Mixture in Domestic Refrigerators, ASHRAE Transactions 3, 1077-1084, 1996.
Kanoğlu, M., Exergy Analysis of Multistage Cascade Refrigeration Cycle Used for Natural Gas Liquefaction, Int. Journal of Energy Research, 26, 763-774, 2002.
Kilicarslan, A., An Experimental Investigation of a Different Type Vapor Compression Cascade Refrigeration System, Applied Thermal Engineering 24, 2611-2626, 2004.
Lee, Y.S., Su, C.C., Experimental Studies of Isobutane (R600a) as The Refrigerant in Domestic Refrigeration System, Applied Thermal Engineering 22, 507-519, 2002.
Lee, T.S., Liu, C.H., Chen, T.W., Thermodynamic Analysis of Optimal Condensing Temperature of Cascade-Condenser in CO2/NH3 Cascade Refrigeration Systems, Int. Journal of Refrigeration 29, 1100-1108, 2006.
Mani, K., Selladurai, V., Experimental Analysis of a New Refrigerant Mixture as Drop-in Replacement for CFC12 and HFC134a, Int. Journal of Thermal Sciences 47, 1490-1495, 2008.
Park, K.J., Seo, T., Jung, D., Performance of Alternative Refrigerants for Residential Air-Conditioning Applications, Applied Energy 84, 985-991, 2007.
REFPROP, Thermodynamic Properties of Refrigerants and Refrigerant Mixtures, version 7, Gaithersburg, M.D. National Institute of Standards and Technology, 2001.
Wongwises, S., Kamboon, A., Orachon, B., Experimental Investigation of Hydrocarbon Mixtures to Replace HFC-134a in an Automotive Air Conditioning System, Energy Conversion and Management 47, 1644- 1659, 2006.
Wongwises, S., Chimres, N., Experimental Study of Hydrocarbon Mixtures to Replace HFC-134a in a Domestic Refrigerator, Energy Conversion and Management 46, 85-100, 2005.