THEORITICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF OIL-REFRIGERANT TWO-PHASE FLOW REFRIGERATION SYSTEM

THEORITICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF OIL-REFRIGERANT TWO-PHASE FLOW REFRIGERATION SYSTEM. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Dissertation-Ayman Alazazmeh)
PhD Dissertation - Ayman Alazazmeh- Theo. & Exp. Investigation of Oil-Ref.pdf
Restricted to Repository staff only until 1 December 2021.

Download (22MB)

Arabic Abstract

تناقش اطروحة الدكتوراة دراسة تحليلية نظرية وعملية لنظام التبريد ثنائي الطور وتم مقارنة النتائج النظرية مع نتائح الفحص المخبرية لأنظمة التبريد والتكييف. النظام ثنائي الطور أومتعدد المراحل (الغاز و السائل) يوجد بشكل كبير وواسع في مختلف الصناعات الرئيسية والهامة. هذة الانظمة متعددة المراحل (الغاز و السائل) له دور كبير في صناعات التبريد وتكييف الهواء ، وقد استخدم في مجموعة واسعة من التقنيات والتطبيقات الهندسية. تقدم هذه الرسالة مقارنة استقصائية بين نتائج الفحص المخبرية و الحسابات النظرية والفنية لأداء أنظمة التبريد التجارية بسعات تتراوح من 6 إلى 26 طن تبريد. وكما تقدم هذة الدراسة نتائج حساسة وحاسمة للمقارنة بين الانظمة أحادية الطور التقليدية والمستخدمة على نطاق واسع والانظمة ثنائية الطوروالتي تمثل الشكل الفعلي لعمل انظمة التكييف والتبريد في الواقع . تم إجراء الاختبار تحت ظروف عملية تحاكي وتشابه الواقع في النموذج المختبري باستخدام حمل تبريد متغير. وكما يتم إجراء الاختبارات في غرفة مناخية باستخدام معدات متقدمة و متطورة للتحكم في درجة الحرارة والرطوبة. كما ان استخدام هذة الغرف المناخية التي تمكننا من محاكاة مجموعة واسعة من أوضاع التشغيل الفعلية، والتي تساهم في التحقق من أداء نظام التبريد ثنائي الطور المقترح ومقارنة نتائج الفحص المخبرية مع النتائج النظرية والحسابات الفنية التي تم الحصول عليها من نظام أحادي الطور. اثبتت النتائج المخبرية بأن نظام أحادي الطور والذي عادة ما يكون الطريقة التقليدية التي لا تظهر نتائج جيدة مقارنة بالنظام ثنائي الطور، حيث ان الانظمة ثنائية الطور تحاكي الشكل الفعلي لعمل الانظمة في الواقع. اثبتت هذة الدراسة بأن أنظمة التبريد ذات السعات التبريدية الكبيرة ذات كفاءة تشغيلية مماثلة وقريبة جدا من النتائج النظرية للأنظمة ثنائية الطور مقارنة بالأنظمة ثنائية الطور ذات السعات التبريدية الصغيرة. كما أظهرت النتائج الفحص المختبرية نسبة توافق كبيرة جدا مع النتائج النظرية لنموذج الأنظمة ثنائية الطور مع نسبة خطأ تقارب 10٪ مقارنة بنسبة خطأ تقارب 20٪ لنموذج الأنظمة أحادي الطور. خلصت هذه الدراسة إلى أن انظمة التبريد التي تستخدم غاز R410A هي أكثر الأنظمة الواعدة بسبب كفاءة التبريد العالية ، والقدرة التبريدية العالية، واستهلاك أقل للطاقة ، وتكلفة أقل للصيانة السنوية ، وتحتاج مساحة اقل، والتكلفة الأولية المعتدلة، وعدم وجود تأثير بيئي ضار. يتميز نظام التبريد التي تستخدم غاز R410A بأعلى طاقة تبريدية نظرية وعملية ومعامل كفاءة مقارنة بجميع أنظمة التبريد التي تم فحصها. درجة حرارة التبخر لها تأثير واضح على معامل الكفاءة والقدرة التبريدية حيث أن زيادة درجة حرارة التبخر تؤدي إلى تحسين معامل الكفاءة والقدرة التبريدية. بينما درجة حرارة التكثيف لها تأثير سلبي على القدرة التبريدية ومعامل الكفاءة حيث تؤدي زيادة درجة حرارة التكثيف إلى تقليل معامل الكفاءة التبريدية بشكل ملحوظ. الضاغط هو المكون الرئيسي لخسارة الطاقة في جميع أنظمة التبريد التي تم فحصها بسبب اختلاف درجات الحرارة المرتفعة أثناء عملية الضغط وفقد الحرارة الى المناطق المحيطة. المكثف هو الجزء الرئيسي الثاني الاكثر مساهمة في خسارة الطاقة الناتجة عن اختلاف درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا. يعد خسارة الطاقة في المبخر والمكثف لنظام التبريد باستخدام انظمة التبريد التي تستخدم غاز R410A أقل من الأنظمة الأخرى التي تم فحصها بسبب الموصلية الحرارية العالية لانظمة التبريد التي تستخدم غاز R410A مما يؤدي إلى أداء أفضل لنقل الحرارة في المبخر والمكثف. في هذه الدراسة تم تطوير برنامج (REFLEX) بخاصية مناسبة وسلسة للمستخدم. يصمم هذا البرنامج اقطار انابيب أنظمة التبريد وكما يحاكي هذا البرنامج (REFLEX) انماط تدفق الموائع بجميع اشكالها المختلفة للانظمة متعددة الطور. كما يحاكي هذا البرنامج (REFLEX)عديد انظمة التبريد المختلفة والانظمة الاخرى وظروف التشغيل المختلفة. يحلل برنامج (REFLEX) انماط التدفق متعدد الأطوار في جميع مكونات النظام مثل أنماط التدفق ، ومستوى السائل في الانبوب ، والسرعات الفعلية للغاز والسائل وأنخفاض الضغط.

English Abstract

Multi-phase flow (gas-liquid) occurs frequently in various major and important industries. Two-phase flow plays a significant role in the refrigeration and air conditioning industries and has been used in a wide range of engineering technologies and applications. This dissertation presents experimental and theoretical thermodynamic investigations of the performance of commercial refrigeration systems with capacities varying from 6 to 26 tons of refrigeration. The analysis considers a critical comparison between the conventional and widely used single-phase approach and the actual multiphase methodology. The tests were performed under practical conditions with state of the art experimental setups using variable cooling loads. The tests were performed in a climate chamber with ambient temperature and humidity control advanced equipment. This enabled us to simulate a wide range of operating modes in order to validate the performances of the proposed two-phase refrigeration system with theoretical results obtained from single-phase modelling. It was also found that the refrigeration system with larger cooling capacity exhibited an operational performance close to two-phase theoretical results more than small refrigeration system capacity. The experimental results were found to comply with the theoretical results within an error of approximately 10% for the two-phase approach compared to an error of approximately 20% for the single-phase approach. This study includes the analysis of four different refrigerants and concludes that the refrigeration system with R410A is the most promising system due to high coefficient of performance, high refrigeration effect, less energy consumption, less annual maintenance cost, smaller footprint, moderate initial-cost and no adverse environment impact. The evaporation temperature has a significant effect on the coefficient of performance and refrigeration effect. Increasing evaporation temperature leads to improvement in the coefficient of performance and refrigeration effect. The condensing temperature has a significant impact on the refrigeration effect and coefficient of performance, increasing the condensing temperature leads to degrading the coefficient of performance. The compressor is the major component of exergy destruction in all investigated refrigeration systems due to the high temperature difference during the process and heat lost to the surrounding. The condenser is the second major part in contribution to the exergy destruction due to relatively high temperature difference. The exergy destruction in the evaporator and condenser of the R410A system is lower than other systems due to high thermal conductivity of R410A refrigerants which leads to better heat transfer performance in the evaporator and the condenser. In this study a user interface REfrigerant FLow EXpert (REFLEX) software had been developed. REFLEX software predicts the refrigerant pipe sizing and all multiphase flow parameters in all system components. Different refrigerants and different operational conditions can be implemented in REFLEX. REFLEX software determines multiphase flow parameters in all system components such as flow pattern, liquid holdup, gas and liquid actual velocities and pressure gradient.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Alsarkhi, Abdelsalam
Committee Members: Sahin, Ahmet and Bahaidarah, Haitham and ALHEMS, Luai and Asif, Muhammad
Depositing User: AYMAN JAMAL ALAZAZMEH (g201204580)
Date Deposited: 17 Dec 2020 09:20
Last Modified: 17 Dec 2020 09:20
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141751