Numerical Investigation of The Effects of Subcooling and Superheating on The System Performance of a Two Stage Refrigeration System Working in Ultra Low Temperatures

Soğutma sistemleri çalışılmak istenen soğutma sıcaklığına bağlı olarak çeşitli kategorilere ayrılmaktadır. -50°C ve -100°C sıcaklık aralığında gerçekleştirilen soğutma işlemleri ultra düşük sıcaklık uygulaması sınıfına girmektedir. Soğutma sistemleri; kompresör sıkıştırma oranı, dış hava sıcaklıkları ve kullanılan akışkan özellikleriyle sınırlandırıldığından dolayı bu sıcaklık değerlerini tek kademeli bir soğutma sistemiyle elde edebilmek çok zordur. Bu sebeple iki kademeli soğutma sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemlerin yüksek sıcaklık çevrimlerinde R134a, R404A ve R507A gibi akışkanlar; düşük sıcaklık çevriminde ise R23, R503 ve R508B gibi akışkanlar kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, yüksek sıcaklık çevriminde R404A; düşük sıcaklık çevriminde ise R508B akışkanının kullanıldığı iki kademeli bir soğutma sistemi termodinamik olarak incelenmiştir. EES (Engineering Equation Solver) yazılımı kullanılarak ultra düşük oda sıcaklıklarında çalışan bir soğutma sistemine ait ekipmanların enerji ve ekserji analizi yapılmış ve sonuçlar irdelenmiştir. Gerçekleştirilen çalışmada kaskat ısı değiştiricisindeki buharlaşma sıcaklığının artışı sistem performansını arttırmakta kaskat ısı değiştiricisindeki sıcaklık farkının artışının ise performans değerini azalttığı görülmüştür. Sistem performansının ise -30 oC ile -35 oC arasındaki kaskat ısı değiştirici buharlaşma sıcaklığında azami değerine ulaştığı sonucuna varılmıştır.Refrigeration systems can be categorized according to the refrigeration temperature needed. The systems operating at the temperatures between -50°C and -100°C are classified as the ultra-low temperature refrigeration systems. Since the parameters such as compression ratio, ambient air temperature and refrigerant properties limit the operation of refrigeration system, it is difficult to obtain these operating temperatures with a single-stage refrigeration system. Therefore, double-stage, cascade, ones are preferred for this purpose. While refrigerants such as R134a, R404A, and R507A are used at the high temperature cycle of cascade systems, R23, R503 and R508B can be used at the low temperature cycles. In this study, a cascade refrigeration system with R404A at the high temperature and R508B at the low temperature cycle is thermodynamically analyzed. Using Energy Equation Solver (EES) software, energy and exergy analysis of the equipments of a system operating at ultra-low temperatures were performed and the results were investigated for different operating conditions. In this study; increasing evaporation temperature in the cascade heat exchanger has an increasing effect on system performancei nevertheless increasing temperature difference in cascade heat exchanger has an decreasing effect on system performance. Coefficient of performance has a maximum value between -30 oC and -35 oC cascade evaporation temperatures