Termoelektrik alt soğutucu (thermoelectric subcooler, TESC), elektrikle çalışan termoelektrik modüllerin soğuk yüzeyini kullanarak yüksek basınç hattındaki CO₂'yi genleşmeden önce ek olarak soğutan ve sıcak yüzeyde açığa çıkan ısıyı da uygun bir yardımcı devreyle geri kazanabilen bir ısı pompası bileşenidir. Bu deneysel çalışma, gaz soğutucu ve iç ısı değiştirici (internal heat exchanger, IHX) içeren tek kademeli transkritik CO₂ ısı pompasında TESC entegrasyonunun optimum ısıtma performans katsayısı, ısıtma ve soğutma kapasiteleri, toplam güç tüketimi, alt soğutma ve optimum gaz soğutucu basıncı üzerindeki etkisini incelemiştir.

Deneylerde evaporatör yardımcı glikol devresinin giriş sıcaklığı 0°C ve 10°C olarak seçilmiş, gaz soğutucu su devresinin giriş sıcaklığı 40°C'de ve hem su hem glikol devresindeki sıcaklık farkı 5 K'de tutulmuştur. TESC bulunmayan BASE çevriminin optimum gaz soğutucu basıncı yaklaşık 98 bar iken TESC çevriminde yaklaşık 97,1 bar olarak belirlenmiştir. 0°C glikol girişinde TESC, optimum ısıtma COP'sini 1,65'ten 1,84'e yükselterek %11,9; toplam ısıtma kapasitesini 3404,2 W'dan 4430,9 W'a yükselterek %30,2 iyileştirmiştir. 10°C koşulunda COP artışı %6,5 ve ısıtma kapasitesi artışı %13,4'tür.

TESC aynı zamanda toplam alt soğutmayı ve evaporatör girişindeki sıvı payını artırarak soğutma kapasitesini geliştirmiştir; ancak termoelektrik modüllerin elektrik tüketimi nedeniyle sistemin toplam güç tüketimi de yükselmiştir. Sonuçlar belirli bir laboratuvar test-rig'i, belirli TESC geometrisi, 40°C su girişi, iki glikol sıcaklığı ve sabit kompresör hızı için geçerlidir. Çalışma yıllık/mevsimsel bina performansını, ekonomik geri ödeme süresini veya saha koşullarındaki uzun dönem güvenilirliği test etmemiştir.

Transkritik CO₂ ısı pompası neden farklıdır?

CO₂ düşük küresel ısınma potansiyeline sahip, yanıcı olmayan doğal bir çalışma akışkanıdır. Ancak kritik sıcaklığı yaklaşık 31,1°C olduğundan sıcak su üretimi gibi yüksek ısı atım sıcaklıklarında çevrim yüksek basınç tarafında kritik noktanın üzerinde çalışır. Bu nedenle klasik subkritik çevrimlerdeki yoğuşturucu yerine gaz soğutucu kullanılır.

Transkritik çalışma, yüksek basınç ve genleşme kayıpları nedeniyle çevrimin optimum çalışma noktasının özellikle gaz soğutucu basıncına duyarlı olmasına yol açar. Bu nedenle CO₂ ısı pompasında yalnız kompresör seçimi değil, gaz soğutucu basıncı, genleşme koşulları, IHX ve alt soğutma derecesi de sistem COP'sini belirleyen merkezi değişkenlerdir.

Araştırmanın literatür boşluğu

Termoelektrik alt soğutma, transkritik CO₂ soğutma sistemlerinde daha önce teorik ve deneysel olarak çalışılmıştır. Ancak kaynak yazarların değerlendirmesine göre, gaz soğutucudan sonra yerleştirilmiş bir TESC'nin hem CO₂'yi alt soğuttuğu hem de termoelektrik modüllerin sıcak tarafındaki ısının gaz soğutucu su devresine geri kazanıldığı transkritik CO₂ ısı pompası konfigürasyonuna ilişkin deneysel çalışma bulunmamaktaydı.

Bu araştırmanın amacı bu nedenle yalnız “TESC çalışıyor mu?” sorusunu değil, sistem düzeyinde şu soruları deneysel olarak incelemektir: Optimum gaz soğutucu basıncı nasıl değişir? TESC'ye hangi gerilim verildiğinde toplam ısı pompası COP'si en yüksek olur? Ek alt soğutma soğutma kapasitesini nasıl değiştirir? TESC'nin sıcak tarafındaki ısı geri kazanıldığında toplam ısıtma kapasitesine ne kadar katkı sağlanır? Bu kazançlar için ne kadar ek elektrik tüketilir?

Termoelektrik Alt Soğutucu TESC Bu Isı Pompasında Ne Yapar?

TESC, gaz soğutucudan çıkan yüksek basınçlı CO₂'yi termoelektrik modüllerin soğuk tarafıyla ek olarak soğutur; bu alt soğutma genleşme sonrasında evaporatör girişindeki CO₂ buhar kalitesini düşürerek kullanılabilir soğutma kapasitesini artırırken, modüllerin sıcak tarafında oluşan ısı aynı su devresine aktarılıp ısıtma kapasitesine geri kazandırılır.

Deneysel ısı pompası devresi

Çevrimin temel akışı şu şekildedir:

1. Kompresör düşük basınçlı CO₂ buharını sıkıştırır.
2. Yağ ayırıcı kompresör yağını deşarj hattından ayırıp kompresöre geri gönderir.
3. İki paralel lehimli plakalı gaz soğutucu CO₂'nin ısısını yardımcı su devresine aktarır.
4. Gaz soğutucunun aşağı akışındaki TESC, CO₂'ye ek alt soğutma uygular.
5. IHX yüksek basınç hattını ek olarak soğuturken düşük basınç hattındaki akışkanı ısıtır.
6. Geri basınç valfi gaz soğutucu basıncının deneysel kontrolünü sağlar.
7. Sıvı alıcı çevrimin kararlı çalışmasına yardımcı olur.
8. Elektronik genleşme valfi CO₂ basıncını düşürür ve aşırı kızdırmayı kontrol eder.
9. Evaporatörde CO₂, glikol-su yardımcı devresinden ısı alır.
10. Sıvı ayırıcı kompresöre sıvı taşınmasına karşı koruma sağlar.

Ana ısı pompası bileşenleri

TESC rack nasıl yapılmıştır?

TESC rack toplam altı TESC ünitesinin üç paralel hatta bağlanmasıyla oluşturulmuştur. Her TESC ünitesi üç ısı değiştirici ve dört termoelektrik modülden oluşan bir sandviç yapıdır.

Merkezde CO₂'nin içinden geçtiği bakır ana ısı değiştirici (Main Heat Exchanger, MHX) bulunur. MHX'in üstünde ve altında termoelektrik modüller, onların dış yüzeylerinde ise yardımcı suyun dolaştığı iki cold plate vardır.

TESC rack polietilen köpükle ısıl olarak yalıtılmıştır. Kaynak, köpüğün ortalama ısıl iletkenliğini 0,04 W·m⁻¹·K⁻¹ olarak vermektedir.

Termoelektrik modül neden aynı anda soğutma ve ısıtma yapıyor?

Termoelektrik modüle doğru akım uygulandığında modülün iki yüzü arasında sıcaklık farkı oluşturulur. TESC konfigürasyonunda soğuk yüz MHX üzerinden CO₂'den ısı çeker. Modülün sıcak yüzü ise yalnız CO₂'den çekilen bu ısıyı değil, modülün tükettiği elektrik enerjisinin de ısıya dönüşen bölümünü cold plate su devresine aktarır.

Bu yüzden TESC'nin sıcak taraftaki ısıtma kapasitesi, soğuk taraftaki soğutma kapasitesinden daha yüksektir:

\[ \dot Q_{h}^{TESC}=\dot Q_{c}^{TESC}+\dot W^{TESC} \]

Bu enerji dengesi çalışmanın temel sistem avantajını açıklar: TESC'nin elektrik tüketimi sistem açısından tamamen “kayıp ısı” değildir; sıcak taraf uygun biçimde su devresine bağlandığında bu enerji de ısıtma çıktısına katılır.

Deneyde sabit tutulan koşullar

• Kompresör frekansı: 50 Hz.
• Kompresör hızı: 1450 rpm.
• CO₂ şarjı: 8500 g.
• Faydalı aşırı kızdırma: 5 K.
• Gaz soğutucu su giriş sıcaklığı: 40°C.
• Gaz soğutucu su devresi sıcaklık farkı: 5 K.
• Evaporatör glikol devresi sıcaklık farkı: 5 K.

Değiştirilen deney koşulları

Kaynak içi not: Table 4 gerilim aralığını 2–8 V DC verirken Conclusions bölümü 1–8 V DC yazmaktadır. Bu makalede deney tasarımının açık tablosundaki 2–8 V DC değerleri ana yöntem değeri olarak korunmuştur.

Ölçüm ve veri toplama

Ana ısı pompasında 21 T-tip thermocouple kullanılmış ve sıcaklık ölçüm doğruluğu ±0,5 K olarak verilmiştir. Farklı basınç bölgelerinde 160, 100 ve 60 bar ölçüm aralıklarına sahip basınç sensörleri kullanılmıştır. CO₂ ve glikol kütlesel debileri Coriolis debimetrelerle, su debisi manyetik debimetreyle, kompresör gücü üç fazlı şebeke analizörüyle ölçülmüştür.

TESC rack üzerinde ek olarak 16 T-tip thermocouple, bir Coriolis su debimetresi, iki gerilim ölçüm kanalı ve üç akım transdüseri kullanılmıştır.

Her deney noktası bütün parametreler kararlı hale geldikten sonra en az 15 dakika boyunca kaydedilmiş ve örnekleme aralığı 5 saniye olmuştur.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Alt soğutma denklemleri

TESC alt soğutma derecesi kaynakta Denklem (1) ile tanımlanmıştır:

\[ SC^{TESC}=T_{CO_2,in}^{TESC}-T_{CO_2,out}^{TESC} \]

Burada giriş ve çıkış CO₂ sıcaklıkları arasındaki fark, TESC'nin yüksek basınç hattına eklediği alt soğutma derecesini K cinsinden verir.

IHX'in yüksek basınç tarafındaki alt soğutması Denklem (2)'dir:

\[ SC^{IHX}=T_{CO_2,in}^{IHX,HP}-T_{CO_2,out}^{IHX,HP} \]

Toplam alt soğutma TESC çevriminde bu iki katkının birlikte değerlendirilmesiyle anlaşılır.

IHX termal etkinliği

Kaynak Denklem (3)'ü aşağıdaki işaret ve giriş/çıkış sırasıyla vermektedir:

\[ \varepsilon \approx \frac{ T_{CO_2,in}^{IHX,LP}-T_{CO_2,out}^{IHX,LP} }{ T_{CO_2,in}^{IHX,HP}-T_{CO_2,in}^{IHX,LP} } \times100 \]

Bu ifade, düşük ısıl kapasite oranına sahip tarafın sıcaklık değişiminin iki akış arasındaki maksimum giriş sıcaklık farkına oranını yüzde olarak temsil etmektedir. Denklem yapısı kaynakta olduğu haliyle korunmuştur.

Toplam elektrik gücü

Isı pompasının toplam elektrik tüketimi kompresör ve TESC elektrik tüketiminin toplamıdır:

\[ \dot W_{total}=\dot W^{comp}+\dot W^{TESC} \]

TESC gücü:

\[ \dot W^{TESC}=I^{TEMs}\cdot U^{TEMs} \]

şeklinde hesaplanmıştır. Dolayısıyla TESC gerilimi yükseldikçe kapasite artışı elde edilebilir, fakat elektrik tüketimi de yükseldiği için sistem COP'sinin optimumu en yüksek gerilimde olmak zorunda değildir.

Isıtma kapasitesi

Yardımcı su devresinden elde edilen toplam ısıtma kapasitesi:

\[ \dot Q_h=\dot m_{water}\,c_{p,water}\,\Delta T \]

ile hesaplanmıştır. Su tarafındaki ΔT 5 K'de sabit olduğundan değişen ısıtma kapasitesi başta su debisi ve sıcaklığa bağlı özgül ısı değerindeki değişimle bağlantılıdır.

TESC'nin CO₂ tarafından çektiği ısı:

\[ \dot Q_c^{TESC} = \dot m_{CO_2} \left( h_{in}^{TESC}-h_{out}^{TESC} \right) \]

ve TESC'nin sıcak taraftaki toplam kullanılabilir ısıtma kapasitesi:

\[ \dot Q_h^{TESC} = \dot Q_c^{TESC}+\dot W^{TESC} \]

olarak verilmiştir.

Gaz soğutucuda CO₂'den atılan ısı:

\[ \dot Q_c^{GC} = \dot m_{CO_2} \left( h_{in}^{GC}-h_{out}^{GC} \right) \]

ve sistemin toplam su-ısıtma çıktısı:

\[ \dot Q_h=\dot Q_c^{GC}+\dot Q_h^{TESC} \]

ilişkisiyle ifade edilmiştir.

Evaporatör soğutma kapasitesi

Glikol devresinden hesaplanan kapasite:

\[ \dot Q_c = \dot m_{glycol}\,c_{p,glycol}\,\Delta T \]

ve soğutucu akışkan tarafından:

\[ \dot Q_c = \dot Q_h^{evap} = \dot m_{CO_2} \left( h_{out}^{evap}-h_{in}^{evap} \right) \]

şeklinde hesaplanmıştır.

COP tanımları

TESC'nin ısıtma performans katsayısı:

\[ COP_h^{TESC} = \frac{\dot Q_h^{TESC}}{\dot W^{TESC}} \]

TESC'nin soğutma performans katsayısı:

\[ COP_c^{TESC} = \frac{\dot Q_c^{TESC}}{\dot W^{TESC}} \]

ve bütün ısı pompasının ısıtma COP'si:

\[ COP_h = \frac{\dot Q_h}{\dot W_{total}} \]

olarak tanımlanmıştır. Bu son denklem çalışmanın optimizasyon hedefidir: yalnız kapasitenin yüksek olması değil, elde edilen toplam ısıtma kapasitesinin bütün elektrik tüketimine oranının en yüksek olması gerekmektedir.

Enerji dengesi doğrulaması

Kaynak, CO₂ tarafındaki entalpi tabanlı kapasite hesapları ile yardımcı su/glikol devrelerindeki kalorimetrik hesapları karşılaştırmıştır. Figure 3'te bütün deney noktalarının enerji dengesi standart sapmasının %5'in altında kaldığı bildirilmiştir. Bu kontrol, ölçüm ve hesap zincirinin deney kampanyası boyunca tutarlı olduğunu desteklemektedir.

BASE çevrimin optimum koşulları

İki glikol koşulunda da optimum gaz soğutucu basıncı yaklaşık 98 bar olarak kalmıştır. 10°C glikol girişinde evaporasyon basıncı yükselmiş, sıkıştırma oranı düşmüş ve CO₂ kütlesel debisi belirgin biçimde artmıştır. Kapasite artışı kompresör gücündeki artıştan daha güçlü olduğu için ısıtma COP'si 0°C koşuluna göre daha yüksek olmuştur.

TESC çevrimin optimum koşulları

TESC Isıtma COP'sini Ne Kadar Artırdı?

Optimum noktalarda TESC entegrasyonu ısıtma COP'sini glikol girişinin 0°C olduğu koşulda 1,65'ten 1,84'e, yani %11,9; 10°C koşulunda ise 2,16'dan 2,30'a, yani %6,5 yükseltmiştir; aynı anda ısıtma kapasitesi sırasıyla %30,2 ve %13,4 artmıştır.

*Kaynak içi tutarsızlık: Results bölümünde 10°C koşulundaki toplam güç artışı %6,5 olarak verilmektedir ve Table 5–6 değerleri 2194,4 W → 2336,6 W değişiminin yaklaşık %6,5 olduğunu göstermektedir. Conclusions maddesi ise aynı artışı %13,4 olarak yazmaktadır. Burada iki ifade gizlenmemiş; kaynak tablolara ve Results bölümüne dayanan yaklaşık %6,5 değeri gösterilmiş, Conclusions farkı ayrıca not edilmiştir.

Isıtma kapasitesi neden COP artışından daha fazla arttı?

0°C koşulunda TESC ısıtma kapasitesini %30,2 artırırken toplam elektrik tüketimini de yaklaşık %16,4 artırmıştır. COP bir kapasite değil, ısıtma çıktısının elektrik girdisine oranıdır. Bu nedenle kapasite artışının tamamı COP artışına dönüşmez; net COP kazancı %11,9 olmuştur.

10°C koşulunda TESC'nin optimum gerilimi yalnız 3,8 V olduğundan ek güç gereksinimi daha düşüktür. Aynı zamanda TESC'nin sıcak taraftaki 556 W'lık ısı katkısı toplam kapasiteye eklenmiştir. Sonuçta kapasite ve toplam güç birlikte artmış, COPh 2,16'dan 2,30'a yükselmiştir.

Alt soğutma evaporatör girişini nasıl değiştirdi?

Genleşme valfine daha düşük entalpiyle giren yüksek basınçlı CO₂, genleşmeden sonra evaporatöre daha düşük buhar kalitesiyle girmiştir. Kaynakta 0°C glikol koşulunda buhar kalitesi 0,45'ten 0,35'e, 10°C koşulunda 0,43'ten 0,37'ye düşmüştür.

Bu değişim evaporatörde buharlaştırılabilecek sıvı CO₂ miktarını artırdığı için soğutma kapasitesi 0°C koşulunda 2303,5 W'dan 2707,0 W'a ve 10°C koşulunda 3310,7 W'dan 3535,2 W'a yükselmiştir.

IHX neden daha fazla alt soğutma yaparken etkinliği düştü?

TESC çevriminde IHX alt soğutması 0°C koşulunda 4,36 K'den 4,87 K'ye ve 10°C koşulunda 3,30 K'den 3,52 K'ye hafifçe artmıştır. Buna rağmen termal etkinlik sırasıyla %42,7'den %38,4'e ve %36,1'den %34,0'a düşmüştür.

Kaynak bunu TESC'nin IHX yüksek basınç girişindeki CO₂ sıcaklığını düşürmesine bağlamaktadır. IHX'in sıcak ve soğuk tarafları arasındaki kullanılabilir maksimum sıcaklık farkı değiştiği için mutlak alt soğutma ile boyutsuz etkinlik aynı yönde değişmek zorunda değildir.

Daha Yüksek TESC Gerilimi Her Zaman Daha Yüksek Sistem Verimi Sağlar mı?

Hayır. TESC'nin ısıtma ve soğutma kapasitesi gerilim yükseldikçe artarken elektrik tüketimi de yükselir; deneylerde TESC'nin kendi ısıtma ve soğutma COP değerleri düşük gerilimlerde daha yüksek olmuş ve bütün ısı pompası için optimum COPh, test edilen maksimum 8 V yerine 0°C koşulunda 5,7 V ve 10°C koşulunda 3,8 V'ta elde edilmiştir.

TESC kapasitesinin gerilime bağımlılığı

Deney boyunca TESC'nin ısıtma kapasitesi en düşük gerilimden en yüksek gerilime doğru yaklaşık 180 W ile 1500 W arasında değişmiştir. Farklı gaz soğutucu basınçlarının bu kapasite üzerindeki farkı ortalama yaklaşık 40 W düzeyinde kalmıştır.

TESC soğutma kapasitesi ise yaklaşık 180–800 W aralığında değişmiş ve farklı gaz soğutucu basınçları arasında yaklaşık 50 W'lık küçük farklar görülmüştür. Bu sonuç, TESC kapasitesinin başlıca kontrol değişkeninin gaz soğutucu basıncından çok TEM besleme gerilimi olduğunu göstermektedir.

TESC'nin kendi optimumu ile sistem optimumu aynı değildir

Figure 15, TESC'nin kendi \(COP_h^{TESC}\) ve \(COP_c^{TESC}\) değerlerinin düşük gerilimlerde daha yüksek olduğunu göstermektedir. Buna karşılık bütün ısı pompasının optimumu, TESC'nin kapasite katkısı ile elektrik tüketiminin birlikte değerlendirildiği farklı bir noktada ortaya çıkmıştır.

Bu ayrım mühendislik açısından önemlidir. Bir alt bileşenin kendi COP'sinin maksimum olması, bütün sistemin maksimum COP'si anlamına gelmez. Sistem optimizasyonu, TESC kapasitesi, kompresör davranışı, gaz soğutucu basıncı, IHX, toplam güç ve toplam ısıtma çıktısının birlikte değerlendirilmesini gerektirir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• Gaz soğutucu sonrası su-soğutmalı TESC entegrasyonu, incelenen iki glikol sıcaklığında optimum ısıtma COP'sini artırmıştır.
• En yüksek ölçülen COPh artışı 0°C koşulunda %11,9'dur.
• En yüksek toplam ısıtma kapasitesi artışı 0°C koşulunda %30,2'dir.
• TESC, toplam alt soğutmayı belirgin biçimde artırmıştır.
• Artan alt soğutma evaporatör girişindeki CO₂ buhar kalitesini azaltmış ve soğutma kapasitesini yükseltmiştir.
• TESC sıcak tarafının ısısının yardımcı su devresine geri kazanılması toplam ısıtma kapasitesine doğrudan katkı sağlamıştır.
• Optimum gaz soğutucu basıncı TESC ile yaklaşık 1 bar düşmüştür.
• TESC elektrik tüketimi toplam sistem gücünü artırmıştır; bu nedenle gerilim optimizasyonu gereklidir.
• TESC'nin kendi COP'si ile bütün ısı pompasının optimum COP noktası aynı değildir.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• TESC'nin bütün transkritik CO₂ ısı pompalarında %11,9 COP artışı sağlayacağı gösterilmemiştir.
• Sonuçlar farklı TESC geometrilerine otomatik olarak genellenemez.
• Farklı kompresör hızları veya farklı CO₂ şarjlarında aynı optimum basınç gösterilmemiştir.
• 40°C dışındaki su giriş sıcaklıklarında aynı performans artışı kanıtlanmamıştır.
• 0°C ve 10°C dışındaki kaynak sıcaklıkları için deneysel sonuç verilmemiştir.
• Mevsimsel performans faktörü hesaplanmamıştır.
• Gerçek bir konutta, ticari binada veya bölgesel ısıtma sisteminde saha doğrulaması yapılmamıştır.
• Ekonomik fizibilite, yatırım maliyeti ve geri ödeme süresi değerlendirilmemiştir.
• TEM'lerin uzun dönem yaşlanması ve yıllar boyunca güvenilirliği test edilmemiştir.

Çalışmanın güçlü yönleri

Araştırmanın önemli güçlü yönü, TESC etkisini yalnız teorik çevrim hesabıyla değil gerçek CO₂ ısı pompası test-rig'inde ölçmesidir. BASE ve TESC konfigürasyonlarının aynı ana deney sistemi üzerinde karşılaştırılması, TESC etkisinin sistem düzeyinde izlenmesini kolaylaştırmıştır.

Çalışma yalnız COP vermemiş; optimum gaz soğutucu basıncı, evaporasyon basıncı, CO₂ debisi, kompresör gücü, alt soğutma, IHX etkinliği, evaporatör giriş buhar kalitesi, TESC güç tüketimi ve TESC'nin kendi ısıtma/soğutma COP'sini birlikte raporlamıştır. Bu çok değişkenli yapı, performans artışının termodinamik nedenini izlenebilir hale getirmektedir.

Yöntemsel sınırlar

Deney yalnız iki evaporatör glikol giriş sıcaklığında yürütülmüştür: 0°C ve 10°C. Gaz soğutucu su giriş sıcaklığı 40°C, kompresör hızı 1450 rpm, CO₂ şarjı 8500 g ve yardımcı devre sıcaklık farkları 5 K olarak sabit tutulmuştur. Bu nedenle sonuçlar geniş bir yıllık işletme haritası değildir.

Çalışma tek bir TESC rack geometrisini ve belirli LCC12-8 termoelektrik modülleri incelemektedir. Farklı TEM sayısı, yarıiletken tipi, ısı değiştirici geometrisi veya temas termal direnci farklı optimumlar üretebilir.

Deney noktaları kararlı durum koşullarında ölçülmüştür. Start-stop davranışı, defrost, dinamik bina yükleri, mevsimsel sıcaklık değişimi ve gerçek kullanım profilleri araştırılmamıştır.

Kaynakta ayrıca iki raporlama tutarsızlığı vardır: Table 4'te 2–8 V olarak verilen TESC gerilim aralığı Conclusions'ta 1–8 V olarak yazılmıştır; 10°C koşulundaki toplam güç artışı Results bölümünde yaklaşık %6,5 iken Conclusions maddesinde %13,4 olarak belirtilmiştir.

Gelecek araştırma

Kaynak yazarlar, TESC'nin etkinliğini artırmak için komponent geometrilerinin daha fazla optimize edilmesini ve sistemin çok kademeli ya da ejector-tabanlı transkritik CO₂ çevrimleri gibi alternatif mimarilerle birlikte deneysel olarak incelenmesini önermektedir.

Daha geniş bir uygulama değerlendirmesi için farklı sıcak kaynak koşulları, farklı sıcak su sıcaklıkları, değişken kompresör hızları, farklı TESC gerilim stratejileri, mevsimsel performans, uzun dönem güvenilirlik ve ekonomik analiz gibi katmanların ayrıca test edilmesi gerekir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: An experimental assessment of a CO2 transcritical heat pump aided with a thermoelectric subcooler system

Yazarlar: Tufan Özyıldız; Daniel Sánchez; Michal Haida; Jacek Smolka; Patricia Aranguren; Ramón Cabello.

Sorumlu yazar: Tufan Özyıldız.

Afiliasyon 1: Department of Thermal Technology, Silesian University of Technology, Gliwice, Poland.

Afiliasyon 2: Department of Mechanical Engineering and Construction, Jaume I University, Castellón, Spain.

Afiliasyon 3: Institute of Smart Cities, Department of Engineering, Public University of Navarre, Pamplona, Spain.

Platform: SSRN.

SSRN Abstract ID: 6903939.

DOI: 10.2139/ssrn.6903939.

SSRN gönderim tarihi: 9 Haziran 2026.

Kaynak uzunluğu: 36 sayfa.

Hakemlik durumu: Preprint; yüklenen PDF hakem değerlendirmesinden geçmediğini açıkça belirtmektedir.

Hakemli version-of-record: Güncel tam başlık aramasında ayrıca doğrulanmış bir journal version-of-record tespit edilmedi.

Lisans: Yüklenen PDF ve erişilebilen SSRN bibliyografik kaydında açık bir Creative Commons yeniden kullanım lisansı doğrulanamadı; korunan şekil/metin kullanımı için fail-closed uygulanmalıdır.

Araştırma türü: Deneysel transkritik CO₂ ısı pompası / termodinamik sistem performansı araştırması.

Çalışma akışkanı: CO₂.

Temel karşılaştırma: BASE cycle ve TESC cycle.

Isı pompası mimarisi: Tek kademeli transkritik CO₂ çevrimi; gaz soğutucu, TESC, IHX, genleşme valfi ve evaporatör.

Kompresör: Dorin CD300H; 50 Hz; 1450 rpm; 1,46 m³/h.

CO₂ şarjı: 8500 g.

Faydalı aşırı kızdırma: 5 K.

Gaz soğutucu basınç taraması: 92–100 bar.

Table 4 TESC gerilim taraması: 2–8 V DC.

Kaynak içi gerilim tutarsızlığı: Conclusions bölümü aynı aralığı 1–8 V DC olarak ifade etmektedir.

Evaporatör glikol giriş sıcaklıkları: 0°C ve 10°C.

Gaz soğutucu su giriş sıcaklığı: 40°C.

Su ve glikol yardımcı devre ΔT: 5 K.

W45 koşulu: Su girişinin 40°C ve ΔT'nin 5 K tutulmasıyla 45°C çıkış hedefi.

TESC rack: 6 TESC bloğu, 3 paralel hat, toplam 24 TEM.

TEM: Coherent Industries LCC12-8; Bismuth Telluride; 127 thermocouple; 40×40×4 mm.

MHX: Bakır; 60×86×10 mm; 0,037 m² iç ısı transfer alanı.

Cold plate: Alüminyum; 40×80×12 mm.

Veri kaydı: Kararlı durum sonrası en az 15 dakika; 5 saniye örnekleme aralığı.

Enerji dengesi doğrulaması: Deney noktalarında standart sapma %5'in altında.

BASE optimum gaz soğutucu basıncı: Yaklaşık 98,1 bar.

TESC optimum gaz soğutucu basıncı: Yaklaşık 97,1 bar.

Optimum TESC gerilimi: 0°C glikol için 5,7 V DC; 10°C için 3,8 V DC.

En yüksek COPh iyileşmesi: %11,9; 1,65 → 1,84; glikol girişi 0°C.

10°C COPh iyileşmesi: %6,5; 2,16 → 2,30.

En yüksek ısıtma kapasitesi artışı: %30,2; 3404,2 W → 4430,9 W.

10°C ısıtma kapasitesi artışı: %13,4; 4740,6 W → 5374,0 W.

Soğutma kapasitesi artışı: %17,5 ve %6,8.

TESC sıcak-yüz ısı katkısı: 922,5 W ve 556,0 W.

Toplam alt soğutma: TESC çevriminde 11,12 K ve 5,91 K.

Evaporatör giriş buhar kalitesi: BASE 0,45 / 0,43; TESC 0,35 / 0,37.

IHX etkinliği değişimi: %42,7 → %38,4 ve %36,1 → %34,0.

Toplam güç değişimi: 0°C'de 2065,7 W → 2403,7 W, yaklaşık +%16,4. 10°C'de 2194,4 W → 2336,6 W, yaklaşık +%6,5; Conclusions bölümünde ikinci oran %13,4 yazılmıştır ve kaynak içi tutarsızlık olarak korunmuştur.

Finansman: National Science Centre of Poland, UMO-2021/43/D/ST8/02631; PID2021-126926OB-C21 ve PID2021-126926OB-C22; MCIN/AEI/10.13039/501100011033; ERDF “A way of making Europe”.

Data Availability: Kaynakta ayrı bir Data Availability Statement bulunmamaktadır.

Conflict of Interest: Kaynakta ayrı bir çıkar çatışması beyanı bulunmamaktadır; yokluğu varsayılmamıştır.

CRediT / Author Contributions: Kaynakta ayrı bir yazar katkıları bölümü bulunmamaktadır.

Ana yorum sınırı: Sonuçlar belirli laboratuvar test-rig'i, belirli TESC geometrisi ve iki glikol giriş sıcaklığındaki kararlı durum optimumlarına aittir; yıllık/mevsimsel saha performansı veya ekonomik fizibilite sonucu değildir.