Numerical and experimental investigation of the effect of refrigerant mixtures on the refrigeration system

Abstract

Increasing energy costs urge not only developing but also developed countries to have new regulations on energy prevention and recovery. Several protocols have already applied to reduce global warming and ozone depletion potential. These protocols force producers and suppliers to work with less harmful refrigerants in the refrigeration and air conditioning sector. Besides using environment-friendly refrigerants, it is also demanded to increase the energy efficiency of such devices to compete with the rivals of the global market. Reciprocating compressors in the refrigeration systems such as refrigerators and freezers are the main components in the household appliances. Moreover, the largest part of the electric consumption related to refrigerators is caused by compressors. Due to the increasing demands on new refrigerants considering their efficiency and the regulations for the protection of the environment, the natural refrigerants or refrigerant blends are widely used. Within the study, the effect of refrigerant mixtures on the household refrigeration system is studied. In addition to the refrigerant mixtures, the optimum lubricant is investigated for the reciprocating compressors. In the first chapter, a brief introduction to the vapor compression refrigeration systems is given. Lubricants and compressors used in vapor compression refrigeration systems are mentioned and a comprehensive literature survey is presented in this chapter. In the second chapter, experimental studies are discussed. This chapter divided into two parts. In the first part, the effect of refrigerant mixtures on the household refrigeration is studied. In this context, in house refrigerant mixtures test stand is constructed. The performance evaluation of the three different refrigerant mixtures of R600a/R290 is compared with R600a. The performance results of the test stand are compared with calorimeter tests carried out by Arcelik A.S. and the results of both test stands are showed that increase in energy efficiency is possible by using R600a/R290 refrigerant mixture. In the second part, the lubrication system of the hermetic reciprocating compressor is investigated in detail. Oil management and lubrication mechanism in journal bearings may change drastically between compressor maximum and minimum speeds. Nevertheless, sufficient lubrication should be provided to the bearings and all moving parts to avoid any mechanical damage on the compressor. In this context, in house lubrication test bench is built using various instruments. Experiments are conducted to investigate the effect of viscosity and compressor speed on the oil mass flow rate of the compressor. In addition to the oil mass flow rate measurements, flow visualization is performed and flow patterns inside the compressor are given for start-up and steady-state operating conditions. In the third chapter, numerical investigations are presented in detail. This chapter is divided into two sections. Firstly, the numerical modeling of the lubrication system of a compact inverter compressor (CIC) is presented. In the numerical modeling, a finite volume-based ANSYS-FLUENT package is used to model two-phase (air-oil) flow inside the compressor using the Volume of Fluid Method (VoF) method. Transient behavior of the oil flow under laminar flow conditions is both simulated by imposing Sliding Mesh (SM) and the Moving Reference Frame (MRF) methods at various crankshaft speeds varying between 1200 and 4500 rpm. The measurements are used to compare/validate CFD results obtained from SM and MRF methods. Moreover, the start-up behavior of the compressor is studied and the instantaneous flow field is given for both methods. Advantage and disadvantage of the methods are mentioned in the study.

Artan enerji maliyetleri, sadece gelişmekte olan ülkeleri değil, aynı zamanda gelişmiş ülkeleri de enerji kısıtlama ve iyileştirme konusunda yeni düzenlemelere sahip olmaya teşvik etmektedir. Küresel ısınma ve ozon tabakasının incelme potansiyelini azaltmak için halihazırda çeşitli protokoller uygulanmıştır. Bu protokoller üreticileri ve tedarikçileri soğutma ve iklimlendirme sektöründe daha az zararlı soğutucu akışkanlarla çalışmaya zorlar. Çevre dostu soğutucuların kullanılmasının yanı sıra, küresel pazarın rakipleriyle rekabet etmek için bu tür cihazların enerji verimliliğinin artırılması da talep edilmektedir. Daha verimli ürünler geliştirmek ile birlikte, dünyanın karşılaştığı bir diğer sorun olan küresel ısınmanın azaltılmasına ilişkin soğutma sistemleri üzerinde birçok kısıtlama vardır. Soğutma sektörü küresel sera gazı emisyonlarının % 7.8'ini oluşturmaktadır. HFC'lerin üretimini ve tüketimini aşamalı olarak azaltmayı amaçlayan 2016 yılında onaylanan Montreal Protokolü'ndeki Kigali Değişikliği, 65 ülke tarafından onaylandıktan sonra 1 Ocak 2019'da yürürlüğe girdi. Değişikliğin amacı 2047 yılına kadar HFC kullanımını % 80 oranında azaltmak ve 2100 yılına kadar gerçekleşmesi beklenen 0.1 ℃ ile 0.3 ℃ arasındaki küresel sıcaklık artışından kaçınmaktır. Dünya genelinde kullanılan toplam soğutma, klima ve ısı pompası sistemi sayısı 3 milyar civarındadır ve soğutma sektörü dünya çapında kullanılan toplam elektriğin yaklaşık % 17'sini tüketmektedir. Buzdolapları ve dondurucular gibi soğutma sistemlerinde pistonlu kompresörler ve çamaşır kurutucularında kullanılan ısı pompaları için dönel kompresörler bu ev aletlerinin ana bileşenleridir. Buzdolapları ve kurutucularla ilgili elektrik tüketiminin en büyük kısmı kompresörlerden kaynaklanmaktadır. Bu çalışma kapsamında, soğutucu karışımlarının soğutma sistemleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Soğutucu karışımlarına uygun yağlar kullanılması kompresör ömrü açısından son derece önemlidir. Bu bağlamda, tez kapsamında çeşitli nümerik ve deneysel çalışmalara yer verilmiştir. Tezin birinci bölümünde, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi kısaca tanıtılmıştır. Soğutucu akışkanların tarihi ve çevresel etkileri kısaca açıklanmış ve buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinde kullanılan kompresörler ve yağlara değinilerek, konu ile ilgili detaylı bir literatür çalışması verilmiştir. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmalar ikinci bölümde verilmiştir. Bu bölüm iki kısma ayrılarak incelenmiştir. Birinci kısımda soğutkan karışımlarının soğutma çevrimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu bağlamda, kurum içi soğutkan karışımları test düzeneği kurulmuştur. Test düzeneği oluşturan bileşenlerin listesi verilmiş ve ilgili cihazların ölçme hassasiyetleri belirtilmiştir. Test sisteminin sızdırmazlığı, yüksek basınç ve vakum ortamında gösterilmiştir. Kompresör çalışmasından sistemin kararlı hale gelene kadar geçen sürede basınç ve sıcaklık değişimleri gösterilmiş ve deney süresince emme ve basma basıncı, emme sıcaklığı ve debimetredeki ölçüm dalgalanmaları çizdirilmiştir. Bu çalkantı aralıklarının +-%1 bandında gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Soğutkan karışımları test sisteminde öncelikle R600a gazının COP değerleri ASHRAE koşulları için elde edilmiş, daha sonra buharlaşma sıcaklığının kompresör performansına etkisine değinilmiştir. Daha sonra R600a/R290 karışımı ağırlıkça üç farklı oranda %40/%60, %60/%40 ve %30/%70 basılarak deneyler tekrar edilmiştir. Soğutkan karışımları kullanılarak elde edilen bağıl COP artışları verilmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlar Arçelik A.Ş. tarafından yapılmış kalorimetre testleri ile kıyaslanmıştır. Her iki sistemden elde edilen sonuçlara göre R600a/R290 soğutkan karışımı kullanarak enerji tasarrufu mümkün olmaktadır. Bir sonraki bölümde ise TU Dresden Üniversitesi'nde bulunan küçük kompresörler için güç tüketimi test kurulumu verilmiş ve kurulan sistem ile temel farklılıklarına değinilmiştir. Sonuç olarak R600a/R290 (ağırlıkça %40 ve %60) kullanarak %15 oranında COP artışı gözlemlenmiştir. İkinci kısımda, temel olarak hermetik inverter kompresörün yağlama sistemi ele alınmıştır. Yağ kütlesel debisinin elde edilebilmesi için kurum içi deneysel yağ ölçüm sistemi çeşitli komponentler kullanılarak oluşturulmuştur. Kompresör hızının kütlesel yağ debisine etkisi, kompresör çalışma aralığı olan 1200-4500 devir/dak. arasında, detaylı bir şekilde taranarak incelenmiştir. Bunun yanında, yağ viskozitesinin etkisi üç farklı kinematik viskozite değeri 3, 5 ve 10 cSt kullanılarak incelenmiştir. Kompresör yağlama sisteminde temel olarak etkili olan dönel ve viskoz kuvvetlerin etkili olduğu bölgelere bağlı olarak sonuçlar yorumlanmıştır. Ayrıca, hızlı kamera kullanılarak akış görselleştirme yapılmış, kompresör içerisindeki yağ dağılımı deneysel olarak görselleştirilmiştir. Akış görselleştirme deneyleri, kompresörün kalkış anı ve daimi rejime ulaşma anında yapılmıştır. Motor kalkış verisi bu görsellerin işlenmesi ile elde edilerek bir sonraki bölümde kullanılmıştır Üçüncü bölümde ise tez kapsamında gerçekleştirilen nümerik çalışmalara yer verilmiştir. Bu bölüm kapsamınca yağlama sistemi sayısal olarak modellenmiştir. Kompresör yağlama sistemindeki krank milinin hareketi birinci kısımda Kayan Çözüm Ağı (SM) ikinci kısımda ise Hareketli Referans Çerçevesi (MRF) metodları kullanılarak modellenmiştir. SM metodu, sayısal alandaki sınırların ve çözüm ağlarının katı cisim hareketinde birlikte hareket ettiği özel bir dinamik çözüm ağı hareketi türüdür. SM metodu çözüm ağının zamanla hareketinden dolayı doğal olarak zamana bağımlıdır. Hesaplama alanındaki çözüm ağları herhangi bir deformasyona uğramaz ve yönetici denklemler MRF metodundan farklıdır. SM metodu, çoklu referans çerçevesindeki akışları modellemenmesi için en doğru yöntem olarak tanımlanır. Bu metod, aynı zamanda uzun hesapla süresi gerektirir. MRF metodunda ise hareketli bölgenin bağıl hareketi hesaba katılmaz, başka bir deyişle çözüm ağı sabitlenir. Bu hermetik pistonlu bir kompresörün krank milinin hareketinin sabit bir pozisyonda dondurulması ve anlık akış alanlarının bu pozisyon üzerinden hesaplanması anlamına gelir. Akış alanında dönen bir parçanın bulunduğu birçok mühendislik uygulamasında, nümerik metod olarak MRF yaygın olarak tercih edilir. Bunun bazı örnekleri zayıf rotor-stator etkileşimli turbomakina uygulamaları, rüzgar türbinleri ve karıştırma tanklarıdır. Simülasyonlar sonlu hacimler tabanlı ANSYS-FLUENT yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her bir metod için sayısal çözüm alanı, yönetici denklemler, çözüm ağı ve zaman adımından bağımsızlık testleri verilmiştir. Her bir model için kompresör hızının etkisi geniş bir bant aralığında taranmış ve deneysel olarak elde edilen sonuçlarla valide edilmiştir. SM metodu tahminlerinin 2800 d/dak. ve üzerinde, deney sonuçlara daha yaklaştığı görülmektedir. Ayrıca SM metodu ile kompresör içerisindeki anlık yağ hareketi görselleştirilmiştir. Bu metod ile krank milinin farklı konumlarındaki pozisyonu nümerik olarak modellenebilmektedir. Ek olarak, viskozite etkisi ve soğutkanın yağ içinde çözünmesi sayısal olarak incelenmiştir. SM ve MRF metodu ile yapılan analizlerde viskozite azaldıkça yağ kütlesel debisi arttığı görülmüştür. Buna ek olarak, kullanılan soğutkan/yağ karışımı için, soğutkanın yağ içerisindeki çözünme oranına göre karışımın viskozite değişimini veren Daniel eğrileri ile, üç farklı çözünme orandaki viskozite değerleri elde edilmiştir. Böylece soğutkanın yağ içerisindeki çözünme oranın artmasıyla viskozitenin azaldığı ve bunun da kütlesel yağ debisini arttırdığı görülmüştür. Bu çalışmalara ek olarak, elektrik motorunun kalkışı Kullanıcı Tanımlı Fonksiyon (UDF) kullanılarak modellenmiş ve yağ tırmanma zamanı iki farklı metod için hesaplanmıştır.