Experimental investigation of charge distribution and dynamic modeling of refrigeration

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi şarj dağılımının deneysel incelenmesi

Abstract

Vapor compression refrigeration cycle is widely used in industrial and residential refrigeration systems. The system performance is seriously affected by refrigerant selection and amount used as well as choice of cycle components like compressor, evaporator, and condenser. One major milestone for the refrigeration industry is discovery of CFC’s at 1930’s. CFC’s make excellent choice for vapor compression refrigeration with their high molecular weight and non-flammability properties. At 1987 the use of CFC’s are limited because of their effects on Ozone layer by Montreal Protocol. In 1990 R134a is launched as a HFC class refrigerant, but the HFC’s still have a high global warming potential value beside their suitable ozone depletion potential values. The following years HC’s and specially R600a are became popular for small refrigeration systems, because only negative property of R600a is flammability is not a big concern in small amounts. In this study, for better understanding of vapor compression refrigeration system working conditions, the charge distribution at the system components and effects of different parameters to this distribution is investigated with R600a refrigerant. The charge distribution measurement methods expect complicated and expensive ones depend on weighting methods. The separate and weight method usually needs more time and workforce. Two experimental setups are prepared for this purpose; first one is extended version of balance system in literature with replacing balance with load cells that have a higher precision. This system gives rapid results for the measurement but needs a data reduction process for frost formation and waves formed by hanging system. Second setup is based on principle of expanding the refrigerant, closed in components by quick closing valves at a specified moment of the cycle. The refrigerant amount can be easily calculated from pressure and temperature values for the expanded gas that have superheated condition. A computer program developed in the study controls the pressure stabilization, reaching steady conditions, closing of valves at the desired data point and expanding of component charges to the tank one by one. The measurement of one data point takes nearly 8-10 hours, and measurement of an on-off cycle with lots of data points take more than a week. But the data obtained are more precise than the other system and includes results about dryer and compressor gas volume. The refrigerant distribution is measured under steady state and cyclic working conditions, and effect of parameters like total charge value, use of variable capacity compressor and different cycle times with these setups. The experiments for different total charge values show that the maximum change is in evaporator. The value of 35 g for 75 grams total charge decreases to 24 g for 57 g total charge. The other measured charge from components like dryer, compressor volume, and calculated charge dissolved in compressor oil is not affected by total charge change. The results show that for total charge values over the necessary amount of refrigerant changes the charge load for evaporator and the other components are not affected much. The refrigerant regime in heat exchangers that holds the most of the refrigerant and shows the effect of dynamic working conditions is mostly two-phase conditions. The most important parameter for two-phase charge calculations is void fraction value and assumptions for void fraction correlation. The distributed charge amount is calculated for experimental working conditions and literature void fraction correlations. It is obvious that the selection of void fraction correlation have a major effect on charge amount calculation. The Premoli void fraction correlation based on mass flux value gives best validation with the experimental results. The void fraction correlation chosen from heat exchanger calculations is used for charge predictions in a steady state model that calculates the system performance values. The model can calculate the charge amount for different heat exchanger types. The calculated charge distribution for a freezer with wire and tube heat exchangers is compared with charge measurements from two setups. The model result gives good agreement with the valve experiment setup; the evaporator charge is seemed to over measured by load cell setup. Refrigerant system charge distribution for different conditions is calculated and modeling approach for charge assumptions at design period is developed in this study. The correct assumption about refrigerant charge will obtain a shorter design time and less prototyping work.

Özet

Bu çalışmada R600a ile yapılan deneylerle sistem çalışma şartlarını daha iyi anlaşılmasını sağlamak amacıyla sistem elemanlarındaki şarj dağılımı ve çeşitli parametrik değişimlerin bu dağılıma etkileri incelenmiştir. Bu amaçla iki farklı deney düzeneği kurulmuştur; ilk deney düzeneği yük hücreleri ile ısı değiştiricilerin sürekli tartılması prensibine dayanmaktadır. İkinci düzenek ise soğuma sistemi elemanlarında şarjın çevrimin belli bir anında vanalar yardımıyla birbirinden ayrılarak büyük bir tanka genişletilmesi ile aşırı kızmış şartlara geçmesi ve sıcaklık, basınç değerleri yardımıyla yoğunluğunun hesap edilmesi prensibine dayanmaktadır. Bu deney düzenekleri ile sürekli çalışma ve çevrimsel çalışma durumlarındaki şarj dağılımları yanı sıra toplam şarj miktarı, değişken kapasiteli kompresör kullanımı ve çevrim süresi değişimlerinin soğutma sistemi elemanlarında biriken şarj miktarı tespit edilmiştir. Farklı toplam şarj miktarı ile yapılan deneysel çalışmalar eleman bazında incelendiğinde en önemli değişimin buharlaştırıcı şarj miktarlarında olduğu görülmektedir. Bu sonuçlardan sistemin çalışması için yeterli belli bir şarj değerinin üstünden yapılan değişikliklerin direk olarak buharlaştırıcı doluluk oranı üstünde etkili olduğu diğer elemanların belirli bir denge içinde çalışmaya devam ettikleri görülmektedir. Isı değiştirici hesaplamalarından seçilen boşluk oranı korelasyonu kararlı halde soğutma sistemi performansını hesaplandığı bir soğutma sistemi modelinde sistem elemanlarındaki şarj miktarının hesaplanması için kullanılmıştır. Deney sisteminden telli borulu ısı değiştiricili bir derin dondurucu için ölçülen değerler kararlı hal modeli sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada vana deney düzeneği için olan ölçümlerin model sonuçları ile uyumlu olduğu, yük hücresi deney düzeneği ile buharlaştırıcıda şarj miktarını daha yüksek ölçüldüğü görülmektedir.