Thermodynamic Performance Evaluation of a Two-Stage Cascade Refrigeration System Using Parametric Analysis and Support Vector Machine Algorithm

Abstract

In this study, a thermodynamic design of a two-stage cascade refrigeration system capable of reaching ultra-low temperatures was developed, and energy and exergy analyses were conducted. The performance of four refrigerant pairs—R744/R152a, R744/R32, R41/R152a, and R41/R32—was evaluated. Parametric analysis results, carried out across evaporator temperatures ranging from -70 °C to -50 °C and condenser temperatures between 25 °C and 45 °C, showed that R41/R152a was the most efficient pair. A maximum COP of 1.421 was achieved at -50 °C evaporator temperature, and the highest exergy efficiency of 0.4407 was recorded at -60 °C. In the second phase, an SVM approach was applied to predict COP and exergy efficiency, yielding very low MAE values of 0.0040 and 0.0009 in the test set, respectively. The outcomes of the energy-exergy analysis and SVM modeling are expected to provide valuable guidance for designing low-temperature cascade refrigeration systems.

Bu çalışmada, ultra düşük sıcaklıklara ulaşabilen iki kademeli kaskad bir soğutma sisteminin termodinamik tasarımı yapılmış ve enerji ile ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Dört soğutucu akışkan çiftinin—R744/R152a, R744/R32, R41/R152a ve R41/R32—performansı değerlendirilmiştir. -70 °C ile -50 °C arasındaki evaporatör sıcaklıkları ve 25 °C ile 45 °C arasındaki kondenser sıcaklıkları boyunca yürütülen parametrik analiz sonuçları, R41/R152a'nın en verimli çift olduğunu göstermiştir. -50 °C evaporatör sıcaklığında maksimum 1.421 COP değeri elde edilmiş ve en yüksek 0.4407 ekserji verimi -60 °C’de kaydedilmiştir. İkinci aşamada, COP ve ekserji verimini tahmin etmek için SVM yöntemi uygulanmış ve sırasıyla test setinde çok düşük MAE değerleri olan 0.0040 ve 0.0009 elde edilmiştir. Enerji-ekserji analizi ve SVM modellemesinin sonuçlarının, düşük sıcaklıklı kaskad soğutma sistemlerinin tasarımı için değerli bir rehberlik sağlaması beklenmektedir.