Ultra-düşük sıcaklıkta çalışan kaskad soğutma sisteminin tasarımı, enerji, ekserji ve maliyet analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında, ultra düşük sıcaklıkta (-80 oC) çalışan, literatür dikkate alınarak belirlenen kaskad soğutma sistemi tasarımlarının enerji, ekserji ve maliyet analizleri yapılmıştır. Tasarımı yapılan modeller arasından sistem performansı ve diğer parametreler dikkate alınarak seçilen sistem için çoklu-amaç optimizasyonu yapılarak optimum çalışma şartları belirlenmiştir. Tasarımı yapılan modeller için ilk olarak farklı soğutucu akışkanların, aynı çalışma şartlarında EES paket programı kullanılarak termodinamik analizleri yapılmıştır. Yüksek sıcaklık çevriminde, çevrim için düşünülen tasarım sıcaklığı ve GWP değerlerine göre uygun olarak, R744, R290, R1270, R410A, R32, düşük sıcaklık çevriminde ise yine uygun olarak, R170, R1150, R23 ve R508B akışkanları kullanılmıştır. Akışkanların belirlenmesinde, kaynama noktası sıcaklığı ve GWP değerlerine göre Refprop 9.0 paket programının akışkan arama ara yüzü kullanılmıştır. Termodinamik analiz sonuçlarına göre, tasarımı yapılan modellerden performans ve diğer parametrelerin değerlendirilmesi ile en olumlu sonuçların elde edildiği, R410A ve R23 akışkan çifti ile parametrik analizler yapılmıştır. Parametrik analizlerde, DSÇ (düşük sıcaklık çevrimi) yoğuşturucu çıkış, YSÇ (yüksek sıcaklık çevrimi) kaskad ısı değiştirici çıkış, YSÇ genleştirici çıkış sıcaklıkları ve kaskad ısı değiştirici çalışma basıncı olmak üzere dört değişken belirlenmiştir. Belirlenen değişkenlerin, seçilen uygun değer aralığında, farklı değerleri için tüm modellerde enerji ve ekserji analizleri yapılarak modellerin performans karşılaştırması yapılmıştır. Ek olarak, parametrik analiz değişkenlerinin sistem performansına etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Parametrik analizler sonucunda seçilen Model 3 için tasarım parametrelerinin belirlenen değer aralıklarında, enerji, ekserji analizlerine ek olarak, maliyet analizleri de yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar arasından, çoklu-amaç optimizasyonu yapılarak, maliyet ve yok olan ekserji açısından TOPSIS yöntemi ile Model 3 için en iyi çalışma şartları belirlenmiştir. Model 3 için en iyi çalışma şartlarında (T2=-35 oC, T9=-43 oC ve T5=-9 oC) sistem performansı, yok olan ekserji ve maliyet değeri sırasıyla 0,3661, 2,249 kW ve 14.996,42 $ olarak hesaplanmıştır.

In this thesis, energy, exergy and cost analyzes of cascade refrigeration system designs determined by considering the literature operating at ultra-low temperature (-80 oC) were made. Optimum working conditions were determined by performing multi-objective optimization for the selected system, according to system performance and other parameters among the designed models. For the designed models, firstly, thermodynamic analyzes were carried out using the EES package program under the same operating conditions of different refrigerants. In the high temperature cycle, R744, R290, R1270, R410A, R32 were used in accordance with the design temperature and GWP values considered for the cycle, and R170, R1150, R23 and R508B were used in the low temperature cycle. In the determination of the fluids, the fluid search interface of the Refprop 9.0 package program was used according to the boiling point temperature and GWP values. According to the results of the thermodynamic analysis, parametric analyzes were performed with the R410A and R23 refrigerant couple, in which the most positive results were obtained by evaluating the performance and other parameters of the designed models. In parametric analyses, four variables were determined as LTC (low temperature cycle) condenser outlet, HTC (high temperature cycle) cascade heat exchanger outlet, HTC expander outlet temperatures and cascade heat exchanger operating pressure. For the different values of the determined variables, energy and exergy analyzes were made in all models and the models were compared. In addition, the effects of parametric analysis variables on system performance were investigated as numerically. In addition to energy and exergy analyzes, cost analyzes were also carried out for Model 3, which was selected as a result of parametric analyzes, within the specified value ranges of the design parameters. By making multi-objective optimization of the obtained analysis results, the best operating conditions for Model 3 were determined with the TOPSIS method in terms of the parameters of cost and destroyed exergy. For Model 3, system performance, exergy destroyed and cost were determined as 0.3661, 2.249 kW and 14,996.42 $, respectively, under the best operating conditions (T2=-35 oC, T9=-43 oC ve T5=-9 oC).