Berçem Kıran YILDIRIM, Deniz YILMAZ, Ebru MANÇUHAN

Ultra Düşük Sıcaklıkta (-78 °C) Kaskad Soğutma Sisteminin Farklı Tasarım ve Operasyon Parametreleri İçin Teorik Analizi

Ultra düşük sıcaklıkta çalışan soğutma sistemlerinin kullanım alanları oldukça yaygındır. Özellikle biyolojik ürünlerin uzun süre depolanabilmesi için ultra düşük sıcaklıklarda çalışabilen soğutma sistemlerine ihtiyaç vardır. Bunun önemli örneklerinden biri Covıd-19 salgınını sonlandırmaya yönelik SARS-CoV-2 virüsüne karşı geliştirilmiş Pfizer/BioNTech aşısı için gerekli saklama koşulları, -70 °C’de 6 ay, buzdolabında ise +4 °C’de 5 gün saklanabilmektedir. Ayrıca, hayati önem taşıyan kan ve kan bileşenlerinin de uzun süre depolanması işlemi bu sıcaklık şartlarında gerçekleştiğinden bu sistemlerin verimli bir şekilde çalışması oldukça önemlidir. Ultra düşük sıcaklık değerlerini sağlamak için uygulamalarda iki kademeli soğutma sistemleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada, biyolojik ürünlerin depolama sıcaklığını ultra düşük bir sıcaklık (-78 °C) değerine düşürebilecek farklı soğutma kapasitelerinde (1, 3, 6, 9 kW) tasarlanan bir kaskad soğutma sistemi teorik olarak modellenmiştir. Kaskad soğutma sisteminin yüksek sıcaklık çevriminde R404A; düşük sıcaklık çevriminde ise R508B soğutucu akışkanı kullanıldı. Modelde yoğuşma, kaskad buharlaşma sıcaklıkları gibi çalışma parametrelerinin sistem performans katsayısına (COP) etkileri belirlendi. Böylece farklı soğutma kapasiteleri için optimum çalışma parametreleri önerildi.

Theoretical Analysis of Ultra-Low Temperature (-78 °C) Cascade Refrigeration System for Different Design and Operation Parameters

The application areas of ultra-low temperature refrigeration systems are widespread. In particular, it is required refrigeration systems that can operate at ultra-low temperatures for long-term storage of biological products. An important example of this is the conditions required to store the Pfizer/BioNTech vaccine developed against the SARS-CoV-2 virus to end the COVID-19 pandemic. It can be stored for 6 months at -70 °C and 5 days at +4 °C. Moreover, the storage of vital blood and blood components for a long time is performed at these temperature conditions; therefore, the operation of these systems efficiently is of great importance. Two-stage refrigeration systems are used in applications to provide ultra-low temperature values. A theoretical model of a cascade refrigeration system designed with different refrigeration capacities (1, 3, 6, 9 kW) could reduce biological products’ storage temperature to an ultra-low temperature (-78 °C) was developed in this study. R404A was used in the high-temperature cycle of the cascad refrigeration system, while R508B refrigerant was circulated in the low-temperature cycle. The effects of operating parameters such as condensation and cascade evaporation temperatures on the coefficient of performans (COP) were determined in the model. Thus, optimum operating parameters were proposed for different refrigeration capacities.

PDF

___

[1] Tullis, J.L., Ketchel, M.M., Pyle, H.M., Pennell, R.B., Gibson, J.G., Tinch, R.J., Driscoll, S.G., Studies on the in Vivo Survival of Glycerolized and Frozen Human Red Blood Cells, The Journal of the American Medical Association, 168, 399-404, 1958.
[2] Tullis, J.L., Haynes, L., Pyle. H., Wallach, S., Pennell. R., Sproul, M., Khoubesserian, A., Clinical Use of Frozen Blood, Archives of Surgery, 1960, 81:169.
[3] Bohonĕk, M., Cryopreservation of Blood, Blood Transfusion in Clinical Practice, InTech, 2012.
[4] Aprea, C., Maiorino, A., Autocascade Refrigeartion System: Experimental Results in Acheiving Ultra Low Temperature, International Journal of Energy Research, 33, 565 – 575, 2009.
[5] Park, S.N., Kim, M.S., Rivet, P., Radermacher, R., Performance of Autocascade Refrigeration System Using Carbon Dioxide and R134a, Natural Working Fluids Gustav Lorentzen Conference, Oslo, 357–367, 1998.
[6] Weng, C., Non-CFC Autocascade Refrigeration System, U.S. Patents 5408848.
[7] Kim, S.G., Kim, M.S., Experiment and Simulation on the Performance of an Autocascade Refrigeration System Using Carbon Dioxide as a Refrigerant, International Journal of Refrigeration, 25, 1093–1101, 2002.
[8] Han, R., Autocascade System and Low Temperature Refrigeration, International Journal of Refrigeration, 4, 59–61, 1999.
[9] Hugh, N., Mathison, M., Bowman, A., Modeling and Testing of an R23/R134a Mixed Refrigerant System for Low Temperature Refrigeration, Mechanical Engineering Faculty Research and Publications, 2013
[10] Parekh, A.D., Tailor, P.R., Thermodynamic Analysis of R507a-R23 Cascade Refrigeration System, World Academy of Science, Engineering and Technology, 2011.
[11] Yılmaz, D., Sınar, Ü., Özyurt, A., Yılmaz, B., Mançuhan, E., Ultra Düşük Sıcaklıklarda Çalışan İki Kademeli Bir Soğutma Sisteminde Aşırı Soğutma ve Isıtmanın Performansa Etkilerinin Sayısal İncelenmesi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17, 1172-1180, 2017.
[12] Yılmaz, B., Mançuhan, E., Yılmaz, D., Sınar, Ü., Theoretical Analysis of a Cascade Refrigeration System with Natural and Synthetic Working Fluid Pairs for Ultra Low Temperature Applications, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 40, 141-153, 2020.
[13] Niu, X., Yamaguchi, H., Iwamoto, Y., Neksa, P., Experimental Study on a CO2 Solid-GasFlow-Based Ultra-Low Temperature Cascade Refrigeration System, Internation Journal of Low Carbon Technologies, 6, 93-99, 2010.
[14] Mota-Babiloni, A., Joybari, M.M., Navarro-Esbrí , J., Mateu-Royo, C., Barragán-Cervera, A., Amat-Albuixech M., Molés, F., Ultralow-Temperature Refrigeration Systems: Configurations and Refrigerants to Reduce the Environmental Impact, International Journal of Refrigeration, 111, 147-158, 2020.
[15] Klein, S.A., Engineering Equation Solver (EES), Academic Professional V10.294, F-Chart Software, Madison, WI, USA, 2017.
[16] Brunin, O., Feidt, M., Hivet, B., Comparison of the Working Domains of Some Compression Heat Pumps and a Compression-Absorption Heat Pump, International Journal of Refrigeration, 20, 308-318, 1997.
[17] SWEP Company 2016, http://www.swep.cn/ refrigerant-handbook/10.- systems/asdf2/
[18] Parekh, A. D., Tailor, P.R., Thermodynamic Analysis of R507A-R23 Cascade Refrigeration System, International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering, 5, 1912-1916, 2011.