Metal köpük iç ısı değiştiricili R404A soğutma çevriminin ısıl modellenmesi ve deneysel olarak incelenmesi
Thermal modeling and experimental investigation of an R404A refrigeration cycle with metal foam heat exchanger
- Tez No: 930379
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL CEM PARMAKSIZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Energy, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
Soğutma, gıdaların üretimi ve güvenli şekilde saklanması, ilaçların korunması ve taşınması, sağlık sektörü, iklimlendirme ile ısıl konfor sağlanması, elektronik ve bilgisayar sistemleri ile üretim süreçleri gibi birçok alanda kritik bir rol oynamaktadır. Soğutma sistemlerindeki verim artışı, bu sistemlerin yaygın kullanım alanı ve sayısı göz önüne alındığında, toplam enerji tüketimi üzerinde önemli bir etki yaratmaktadır. Bu bağlamda, soğutma etkenliğinin artırılması, enerji tüketiminin ve dolayısıyla sera gazı emisyonlarının azalmasını sağlayarak çevre üzerinde olumlu ve sürdürülebilir etkiler oluşturma potansiyeline sahiptir. Bu tez çalışmasında, soğutma sistemlerinin performansını artırmak için ısıl modelleme ve deneysel yöntemler kullanılmıştır. Isıl modelleme ile soğutma sistemi elemanları ayrı ayrı analiz edilmiştir. Soğutma kompresörleri için bir model geliştirilmiş ve buhar tarafında metal köpük bulunan iç ısı değiştiricinin, buhar tarafındaki ısı geçişi ve basınç düşüşü teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Soğutma tesisatının etkinliğinin artırılması amacıyla, soğutma gazı kütlesel debisi, soğutma elemanları kapasiteleri ve iç ısı değiştirici tasarım değişkenlerinin en uygun değerlerinin belirlenmesinde kullanılabilecek bir ısıl model ve yazılım geliştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında, 1- Isıl model yazılımı geliştirilmiş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. 2- Buhar tarafında metal köpük bulunan iç ısı değiştiricisinin buhar tarafındaki ısı geçişi için aşağıdaki Nu bağıntısı yapay sinir ağları yardımıyla deneysel olarak elde edilmiştir. 3- Ürün bazlı olan EN12900 standardına alternatif olacak ve standart ile uyumlu yağlama ve sürtünme etkilerini dikkate alan kompresör modeli geliştirilmiştir. Bu model deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneysel olarak doğrulanmıştır. 4- Buhar tarafında metal köpük bulunan iç ısı değiştiricisinin basınç düşüşü incelenmiştir. Basınç düşüşü bağıntısı yapay sinir ağları yardımıyla deneysel olarak elde edilmiştir. Sonuç olarak, buhar tarafında, metal köpük bulunan iç ısı değiştiricisi ile buhar tarafı ısı taşınım katsayısının ve bu yolla ısı değiştirici etkenliğin arttığı görülmüştür. Bu durumda aşırı soğutma miktarı artarak soğutma kapasitesi artmıştır. Aşırı kızdırma ve basınç artışı ile kompresör verim düşüşüne karşın daha düşük soğutucu akışkan debi değerlerinde istenen soğutma etkinliğine ulaşılabildiği görülmüştür. Aşırı soğutmalı ve aşırı soğutmasız durumlarda soğutma kapasitesinin değişimi incelendiğinde metal köpük katkısı ile soğutma kapasitesinin arttığı gözlemlenmiştir. İç ısı değiştirici buhar tarafına metal köpük katkısı ile soğutma kapasitesinin, ısıl modelleme ile ve deneysel olarak yaklaşık %8 oranında arttığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Cooling systems play a critical role in many areas, such as the production and safe storage of food, the preservation and transportation of pharmaceuticals, the healthcare sector, climate control for thermal comfort, electronic and computer systems, and various industrial production processes. Given the widespread use of cooling systems and the ever-increasing demand for energy, any improvement in the efficiency of these systems has a profound impact on overall energy consumption. Enhancing cooling effectiveness can reduce energy use and greenhouse gas emissions, thereby contributing positively and sustainably to the environment. In this thesis, the objective was to increase the performance and efficiency of cooling systems by employing both thermal modeling and experimental methods. Each component of the cooling system was carefully analyzed using detailed thermal modeling. A specialized model for cooling compressors was developed, and, in parallel, the performance of an internal heat exchanger—designed with a metal foam layer on its vapor side—was investigated both theoretically and experimentally. The focus was on understanding how integrating metal foam affects the heat transfer and pressure drop characteristics on the vapor side, which are critical for improving the overall cooling performance. To further enhance the cooling system's effectiveness, a thermal model and accompanying software were developed. This model was designed to help determine the optimal values for key parameters such as the refrigerant mass flow rate, the capacities of various cooling components, and the design variables of the internal heat exchanger. By optimizing these parameters, the system not only becomes more energy efficient but also uses less refrigerant, thus helping to mitigate adverse environmental impacts. The research comprised several key components: A comprehensive thermal modeling software was created and rigorously validated against experimental results. This software allowed the detailed analysis of each cooling system element, leading to a better understanding of how individual components interact within the overall system. The software was developed in a MATLAB environment, and it incorporated the CoolProp library to retrieve accurate thermodynamic properties of refrigerants. This integration ensured that the model's predictions closely mirrored the real behavior of the cooling system, providing a reliable tool for optimizing design variables. Investigation of the Internal Heat Exchanger with Metal Foam: A significant portion of the study focused on an internal heat exchanger (IHX) that utilizes a metal foam layer on its vapor side. By introducing metal foam, the heat transfer surface area is substantially increased. As a result, the vapor-side heat transfer coefficient is significantly improved. Experimental analyses, supported by artificial neural network (ANN) techniques, were used to derive a new Nusselt number correlation specific to the metal foam configuration. The correlation obtained, which closely matched results from other sources within a 5% margin, confirmed that metal foam can effectively boost heat transfer. This enhanced heat transfer was directly linked to an increased degree of subcooling, thereby improving the overall cooling capacity of the system. In addition to the IHX investigation, a novel compressor model was developed. This model was designed as an alternative to the product-based EN12900 standard by explicitly taking into account the effects of lubrication and friction. The model's predictions were compared with experimental results, and the results showed a good agreement—typically within a 5% deviation for specified temperature differences. This validation not only confirms the accuracy of the model but also demonstrates its potential utility in real-world applications where precision in compressor performance is critical. Along with heat transfer, the pressure drop on the vapor side of the internal heat exchanger was examined in detail. Using artificial neural networks, a pressure drop correlation was developed based on the experimental data. The derived correlation, expressed in the form ΔP/L = a·exp(b·V) (where ΔP/L represents the pressure drop per unit length and V denotes the Darcy velocity), was found to be in close agreement with experimental measurements. This finding is significant because it highlights the feasibility of using metal foam in cooling systems without incurring prohibitive pressure losses, even as the enhanced surface area and increased turbulence contribute positively to heat transfer. The experimental setup designed for this study played a crucial role in validating the theoretical models. The apparatus was capable of conducting detailed measurements of both heat and mass transfer processes within the cooling cycle. By integrating analog data from the experimental rig into the MATLAB-based software, a wide range of refrigerants and operating conditions could be simulated. This allowed the researchers to evaluate the impact of design modifications, such as the inclusion of metal foam, on system performance. The overall results of the research are promising. The experiments demonstrated that when metal foam is incorporated into the vapor side of the internal heat exchanger, not only is the heat transfer coefficient improved, but the cooling capacity of the system is also enhanced by approximately 8%. This increase in performance is primarily due to the enhanced degree of subcooling, which allows the cooling system to operate effectively even at lower refrigerant mass flow rates. Although the improved cooling process sometimes leads to slight reductions in compressor efficiency due to superheating and pressure increases, the net effect is a more effective and energy-efficient cooling system. Additional analyses revealed further advantages. For example, the use of metal foam allowed for a reduction in the physical size of the internal heat exchanger—a factor that is particularly important in applications such as Organic Rankine Cycle (ORC) systems for waste heat recovery. In such applications, minimizing the size of the heat exchanger without sacrificing performance is a critical design consideration. The thesis also addressed the potential for integrating the developed software and experimental setup with broader applications. In its current state, the MATLAB program not only processes data for various refrigerants and mixtures but also provides detailed cycle, power, and efficiency calculations. Planned future work includes expanding the software's capabilities to incorporate a user-friendly interface, additional models for compressors, throttling valves, evaporators, and condensers, and even the thermal insulation effects of piping networks. This expanded functionality will allow for even more precise control over the experimental parameters and help to minimize measurement errors—particularly in pressure readings and valve performance—thus narrowing the gap between theoretical predictions and actual system behavior. Looking ahead, the research opens several avenues for future work. The developed experimental setup and software are expected to be adapted for use with ORC systems, enabling further studies on waste heat recovery. The possibility of investigating the long-term performance of metal foam in terms of pressure drop and heat transfer degradation under continuous operation is another promising direction. Ultimately, the work presented in this thesis lays the groundwork for more efficient and sustainable cooling systems that can be reliably used in both industrial and academic settings. In conclusion, this study provides a comprehensive analysis of how the integration of metal foam in the vapor side of an internal heat exchanger, along with advanced compressor modeling and optimized thermal simulations, can significantly enhance the performance of cooling systems. The findings not only offer a practical route to reducing energy consumption and greenhouse gas emissions but also contribute to the broader field of thermal management. By combining robust thermal modeling with meticulous experimental validation, the research demonstrates that even small modifications—such as the addition of metal foam—can yield substantial improvements in system efficiency. The tools and methodologies developed here are expected to have far-reaching implications, offering a reliable foundation for future innovations in cooling technology and waste heat recovery applications
Benzer Tezler
- Metalik köpüklerin taşıtlarda ısı değiştiricisi olarak kullanımının araştırılması
Investigation of use of metal foams as heat exchanger in vehicles
İLKAY ONUR ŞERBETÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM YAVUZ
- Experimental investigation of heat transfer and pressure drop in a double tube heat exchanger with metal foam
Metal köpük içeren bir çift borulu ısı değiştiricisinde ısı geçişi ve basınç düşüşünün deneysel incelenmesi
ATAKAN COŞKUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- Isıl işlem uygulanmış genleştirilmiş kil–alümina takviyeli sintaktik köpük metalin üretimi, içyapı ve mekanik özelliklerin analizi
Production of heat-treated expanded clay-alumina reinforced syntactic foam metal, analysis of internal structure and mechanical properties
ALİ TUNÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ
- Experimental and numerical investigation of momentum and heat transfer in open-cell metal foam subjected to oscillating flow
Salınımlı akış koşullarında açık hücreli metal köpükte akış ve ısı geçişinin deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
ÖZER BAĞCI
Doktora
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
PROF. DR. NİHAD DUKHAN
- Genleştirilmiş cam, genleştirilmiş kil ve hibrit takviyeli sintaktik köpük metallerin üretimi, içyapı ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Expanded glass, expanded clay and hybri̇d added syntactic foam metal production, microstructure and mechanical properties analysis
ENGİN KARAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ GÖKŞENLİ