Numerical analysis of a cascade refrigeration system operating at ultra-low temperatures - Sınar, Ünal (My University, 2018)
Soğutma sistemleri, soğutulacak mahal sıcaklığına göre çeşitli kategorilere ayrılmaktadır. Çalışılacak sıcaklık -50°C ve -100°C arasında olduğunda, soğutma prosesi ASHRAE tanımına göre ultra-düşük sıcaklık uygulaması sınıfına girmektedir. Bu sıcaklık değerleri; bakteri, kan hücresi, kemik iliği ve aşı gibi daha ziyade biyolojik ürünlerin soğuk muhafazası için kullanılmaktadır. Bu sistemler; konfor klimaları, süpermarket uygulamaları, yapı soğutma gibi yaygın uygulamalar olmamasına rağmen; ilaç, kimya, petrol endüstrisi gibi alanlarda ihtiyaç duyulan sistemlerdir. Düşük kapasiteli sistemler için laboratuvar uygulaması olarak getirilebilecek farklı çözümler olmasına karşın endüstriyel soğutma gibi büyük kapasitede ihtiyaçlar için buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri bir çözüm olabilmektedir. Fakat sistem çalışma sıcaklık ve basınç değerleri kullanılan soğutucu akışkanlar standart uygulamalara göre farklılık gösterdiğinden soğutma sistemi tasarımının ve analizinin detaylı irdelenmesi gerekmektedir. Bu sebeple, ultra-düşük sıcaklıkta çalışan farklı (endüsriyel ölçekte) sistemler teorik olarak performans açısından incelenmiştir. Ayrıca bu konuyla ilgili literatüre katkı yapılması amaçlanmıştır.Bu tez çalışmasında, ultra düşük sıcaklıklarda çalışabilecek farklı sistem önerileri üzerinde durulmuştur. Birden fazla çevrimden oluşan bu sistemlerde yüksek sıcaklık çevriminde R404A, düşük sıcaklık çevriminde R508B akışkanının kullanıldığı biri referans olmak üzere dört farklı konfigürasyonda kaskat soğutma sistemi tasarlanmıştır. EES yazılımı ile matematik modeli oluşturulan bu sistemlerin termodinamik ve termoekonomik analizleri gerçekleştirilmiş ve farklı çalışma koşullarında performansları karşılaştırılmıştır. Çevreye olan etkileri de irdelenen sistemlerin alternatif soğutucu akışkanlarla kullanıldığında verdiği sonuçlar gözlemlenmiş ve yorumlanmıştır.

Refrigeration systems are categorized based on the temperature of target space that needs to be refrigerated. When the temperature of target space is between -50°C and -100°C, the refrigeration process is evaluated as ultra-low temperature application according to ASHRAE definition. These temperature values are used for the cold storage of especially biological products such as bacteria, blood cell, bone marrow and vaccine. Although, these systems are not common like comfort air conditioning, supermarket applications, building cooling, they are particularly needed for pharmaceutical, chemical, and petroleum industries. For low-capacity systems, there can be several alternative systems as laboratory applications; however, vapor compression refrigeration systems can be a solution for high-capacity systems as industrial refrigeration. Since the system operating temperature and pressure values and the refrigerants used differ from standard applications, the design and analysis of the refrigeration system targeted needs to be well-investigated. Therefore, different systems operating at ultra-low temperatures (industrial scaled) are investigated based on the performance. Furthermore, it is aimed to contribute to the literature.In this thesis study, the different alternative systems operating at ultra-low temperatures are evaluated. Four cascade refrigeration system configurations, as one of them is the reference, are designed on which R404A is at high temperature cycle and R508B is at low temperature cycle. Their mathematical models are developed using EES software and thermodynamic and thermoeconomic analysis are performed; their performances are compared to each other at different operating conditions. The environmental impacts of the systems are investigated and the results of the case, in which alternative refrigerants are used, are observed and evaluated.
Keywords: Cascade; Heat transfer; Isı transferi; Kaskat; Makine mühendisliği; Mechanical engineering; Numerical analysis; R508B; Sayısal Analiz Refrigeration; Soğutma; Termodinamik; Thermodynamics; Ultra düşük sıcaklık; Ultra low temperature