Ultra Düşük Sıcaklıkta (-78 °C) Kaskad Soğutma Sisteminin Farklı Tasarım ve Operasyon Parametreleri İçin Teorik Analizi

Theoretical Analysis of Ultra-Low Temperature (-78 °C) Cascade Refrigeration System for Different Design and Operation Parameters

Özet

Ultra düşük sıcaklıkta çalışan soğutma sistemlerinin kullanım alanları oldukça yaygındır. Özellikle biyolojik ürünlerin uzun süre depolanabilmesi için ultra düşük sıcaklıklarda çalışabilen soğutma sistemlerine ihtiyaç vardır. Bunun önemli örneklerinden biri Covıd-19 salgınını sonlandırmaya yönelik SARS-CoV-2 virüsüne karşı geliştirilmiş Pfizer/BioNTech aşısı için gerekli saklama koşulları, -70 °C’de 6 ay, buzdolabında ise +4 °C’de 5 gün saklanabilmektedir. Ayrıca, hayati önem taşıyan kan ve kan bileşenlerinin de uzun süre depolanması işlemi bu sıcaklık şartlarında gerçekleştiğinden bu sistemlerin verimli bir şekilde çalışması oldukça önemlidir. Ultra düşük sıcaklık değerlerini sağlamak için uygulamalarda iki kademeli soğutma sistemleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada, biyolojik ürünlerin depolama sıcaklığını ultra düşük bir sıcaklık (-78 °C) değerine düşürebilecek farklı soğutma kapasitelerinde (1, 3, 6, 9 kW) tasarlanan bir kaskad soğutma sistemi teorik olarak modellenmiştir. Kaskad soğutma sisteminin yüksek sıcaklık çevriminde R404A; düşük sıcaklık çevriminde ise R508B soğutucu akışkanı kullanıldı. Modelde yoğuşma, kaskad buharlaşma sıcaklıkları gibi çalışma parametrelerinin sistem performans katsayısına (COP) etkileri belirlendi. Böylece farklı soğutma kapasiteleri için optimum çalışma parametreleri önerildi.

Abstract

The application areas of ultra-low temperature refrigeration systems are widespread. In particular, it is required refrigeration systems that can operate at ultra-low temperatures for long-term storage of biological products. An important example of this is the conditions required to store the Pfizer/BioNTech vaccine developed against the SARS-CoV-2 virus to end the COVID-19 pandemic. It can be stored for 6 months at -70 °C and 5 days at +4 °C. Moreover, the storage of vital blood and blood components for a long time is performed at these temperature conditions; therefore, the operation of these systems efficiently is of great importance. Two-stage refrigeration systems are used in applications to provide ultra-low temperature values. A theoretical model of a cascade refrigeration system designed with different refrigeration capacities (1, 3, 6, 9 kW) could reduce biological products’ storage temperature to an ultra-low temperature (-78 °C) was developed in this study. R404A was used in the high-temperature cycle of the cascad refrigeration system, while R508B refrigerant was circulated in the low-temperature cycle. The effects of operating parameters such as condensation and cascade evaporation temperatures on the coefficient of performans (COP) were determined in the model. Thus, optimum operating parameters were proposed for different refrigeration capacities.