CO2 akışkanlı soğutma sistemlerinde kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerinin termal analizi

Abstract

Endüstriyel Soğutma uygulamalarında yaygın kullanılan halokarbon soğutucu akışkanların çevre üzerindeki olumsuz etkilerinin anlaşılması ve bu konuda ülkelerarası çeşitli yasal yönetmeliklerin sonucu ortaya çıkan yaptırımlar, doğal ve alternatif soğutucu akışkanlara yönelik araştırma faaliyetlerine hız kazandırmıştır. Üstün termofiziksel özelliklerinin yanı sıra düşük küresel ısınma etkisi (GWP=1) ve sıfır ozon tüketme potansiyeli (ODP=0) ile soğutucu akışkan olarak CO2 kullanımı, uzun bir aradan sonra endüstriyel soğutma uygulama ve araştırma faaliyetlerinde tekrar ilgi çekici konuma gelmiştir. CO2, 31,06 °C düşük kritik nokta sıcaklığı ve 73,6 bar yüksek kritik nokta basıncına sahiptir. Transkritik CO2 çevriminde, klasik buhar sıkıştırmalı çevrimlerde olduğu gibi akışkanın kondenserde yoğuşarak atmosfere ısı atması mümkün değildir. Transkritik bölgede çevreye ısı geçişi gaz fazındaki CO2' in yoğuşmadan, sıcaklığının düşmesiyle gerçekleşir. Özellikle çevre ortam sıcaklığının kritik nokta üzerinde seyrettiği iklim bölgelerinde çevrim uygulaması "Kritik Üstü (Transkritik)" ve çevrimde kullanılan basma hattı ısı değiştiricisi ise "Gaz Soğutucu" olarak adlandırılmaktadır. Kritik üstü bölgede farklı sıcaklık ve basınç değerlerinde CO2' in özgül ısısı ve ısı taşınım katsayısında keskin değişimler görülmektedir. Bu parametrelerdeki sapmalar teorik olarak Nusselt sayısında dolayısıyla gaz soğutucu kapasite hesaplamalarında hataya yol açmaktadır. Bu çalışmada, 'Ortalama Logaritmik Sıcaklık Farkı (LMTD)' yöntemi kullanılarak kanatlı borulu gaz soğutucu ısıl kapasitesi nümerik olarak MathCad 14 yazılımında hesaplanmıştır. Tasarımı yapılan iki farklı prototip EN327 – EN328 standartlarında kurulmuş olan 'Ortamla Dengeli Kalorimetrik Test Odasında' test edilerek, kapasiteler ve teorik hesaplamaların regresyon analizi yapılmış ve deney sonuçları ile en hassas sonucu veren korelasyon belirlenmiştir.Understanding of the direct negative effects of halocarbon refrigerants which are widely used in industrial cooling systems on the environment and the sanctions resulting from various legal regulations on this issue have accelerated the research activities for natural and alternative refrigerants. In addition to its superior thermophysical properties, its low global warming effect and its zero Ozone Depletion Potential, CO2 use as refrigerant has become interesting again in industrial cooling applications and research activities. The critical point of CO2 is at a relatively low temperature at (31,06 °C), at high pressure (73.6 bar). The supercritical CO2 cycle heat rejection to ambient air which is different from conventional vapor compression cycle is occur at above the critical point and without any condensation. In transcritical region, heat transfer to the environment occurs with decreasing of the temperature without condensing of fluid. Especially in the climate regions where the ambient temperature is above the critical point, the cycle application is called 'Transcritical' and the heat exchanger used in discharge line is called 'Gas Cooler'. In supercritical region, the specific heat of carbon dioxide and the heat conductivity are drastically changed at different temperature and pressure values. The deviations in these parameters lead to uncertainty in theoretically calculated Nusselt numbers and also gas cooler thermal capacity. In this study, the thermal capacity of the finned tube gas cooler was calculated numerically in MathCad 14 software by using the Logarithmic Mean Temperature Difference method. The two different prototypes designed were tested in the Environment Balanced Calorimetric Test Room established in EN327 - EN328 standards, and capacities and theoretical calculations were evaluated with the regretion analyses. The most sensitive correlation with the experimental results were determined.