ORTAM SICAKLIĞININ SOĞUTMA ÇEVRİMİNE ETKİSİNİN SAYISAL OLARAK MODELLENMESİ

Transkript

1 ORTAM SICAKLIĞININ SOĞUTMA ÇEVRİMİNE ETKİSİNİN SAYISAL OLARAK MODELLENMESİ Srkan SUNU - Srhan KÜÇÜKA Dokuz Eylül Ünivrsitsi Makina Mühndisliği Bölümü -posta: srhan.kuuka@du.du.tr Özt: Bu çalışmada, komprsör, yoğuşturuu, buharlaştırıı v gnlşm vanasından oluşan bir soğutma çvrimind çvr sıaklıklarının tkisi sayısal olarak modllnmiştir. Yoğuşturuu v buharlaştırııya gln hava v suyun dbi v sıaklıkları, yoğuşturuu v buharlaştırıının ısı aktarım kapasitlri (UA), komprsör miş hami, komprsör mişindki kızgınlık drsi v yoğuşturuu çıkışındaki aşırı soğuma miktarı modld kullanılan tml vrilrdir. Soğutuu akışkanın kaynama v buharlaşma sıaklıkları -NTU yöntmi il hsaplanmıştır. Bu şkild, dğişn ortam şartlarında yoğuşma v buharlaşma sıaklıklarını v tüm çvrimin davranış dğişimini izlmk mümkün olmuştur. Gliştiriln modl yoğuşturuusu hava soğutmalı olan basit bir su soğutma gurubuna uygulanmış, dnysl v sayısal sonuçların uyumlu olduğu göstrilmiştir. Anahtar Sözüklr: Soğutma çvrimi modli, -NTU yöntmi, yoğuşturuu, buharlaştırıı. A NUMERICAL MODEL FOR COOLING CYCLE PERFORMANCES UNDER CHANGING AMBIENT TEMPERATURES Abstrat: A basi ooling systm onsists of omprssor, ondnsr, vaporator and xpansion valv has bn modld numrially. Th basi data of th modl ar tmpraturs and mass flow rats of air and watr flowing ovr ondnsr and vaporator, hat transfr apaitis (UA) of ondnsr and vaporator, swap volum of omprssor, suprhatd and sub ooling dgrs of rfrigrant. Th ondnsing and vaporation tmpraturs hav bn alulatd via -NTU mthod to s how hangs ths tmpraturs and thrmodynami bhaviors of whol systm. Th modl was applid for a hillr group with air oold ondnsr and th numrial rsults obtaind from th modl ar sam as xprimntal rsults. Kywords: Cooling yl simulation, -NTU mthod, ondnsr, vaporator. SEMBOLLER C p h Q m T UA V W η isn η v υ Özgül ısı [kj/kg-k] Entalpi [kj/kg] Isı yükü [kw] Kütlsl dbi [kg/s] Sıaklık [ºC] Isı aktarım kapasitsi [kw/k] Haimsl dbi [m 3 /s] Güç [kw] Isı dğiştirii tkinliği İsntropik vrim Volumtrik vrim Özgül haim [m 3 /kg Alt İndislr a Hava Yoğuşturuu Buharlaştırıı r Soğutkan w Su. GİRİŞ Soğutma çvrimlri, çvrimin yoğuşturuu vya buharlaştırıı tarafındaki dış sıaklıkların dğişimindn doğrudan tkilnir. Bunun yanında, çvrimin hr bir noktasındaki trmodinamik durum dğişimi, tüm çvrimi tkilr. Soğutma çvrimlrinin sayısal olarak modllnmsi, farklı sistmin farklı çalışma şartlarındaki davranışını izlybilmk açısından grklidir. Jin (2002) soğutma çvrimlri v ısı pompaları için gliştirilmiş olan modllri, soğutma çvriminin hr bir lmanının özlliklrinin tanımlanmasına bağlı blirlyii (grkiri, dtrminist) modllr, çalışma şartlarındaki katalog vrilrindn harkt diln ğri uydurmaya yönlik modllr, bu ikisinin karışımından oluşan modllr olarak sınıflamış v sudan suya ısı pompaları için bir paramtr tahmin modli gliştirmiştir. Gliştiriln modl katalog vrilri üzrindn, bir ya da birkaç paramtryi şzamanlı olarak tahmin drk sistmi oluşturan lmanların farklı çalışma şartlarındaki

2 kapasitlrini öngörmktdir. Ayni ünivrsitd gliştiriln diğr bir tz çalışmasında (Shnoy, 2004) is, bir binanın dinamik analizini yapan kapsamlı modld alt lman olarak kullanılmak üzr, toprak kaynaklı ısı pompaları için bir modl gliştirilmiştir. WEB üzrindn ulaşılabiln bu iki tz çalışmasının dışında, soğutma vya ısı pompası çvrimlrinin farklı çalışma şartlarındaki prformansının araştırılmasına vya ani durum dğişimindki dinamik davranışın modllnmsin yönlik pk çok çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmaların bir tansind, Li v Zahruddin (2005) bir su soğutma gurubunu modllmişlr v kontrol vanası karaktristiğini göz önün alarak, sistm davranışının komprsör hızına bağlı dinamik dğişimini inlmişlrdir. L v Yoo (2000) tarafından yürütüln çalışmada is, nmli havanın buharlaştırııdaki ntalpi dğişimini v yoğuşturuu v buharlaştırııdaki ısı taşınım katsayılarını sas alan bir modl kullanılmıştır. Havanın giriş hızına bağlı olarak ısı taşınım katsayısı blirlnmiş v -NTU yöntmi yardımı il ısı transfri miktarı hsaplanmıştır. Buharlaştırıı tarafı kızdırma v buharlaşma bölümlrindn; yoğuşturuu tarafı is kızdırma, yoğuşma v aşırı soğuma bölglrindn oluşmaktadır. Soğutuu akışkanın yoğuşturuuyu doymuş durumda trk tmsi için grkli yoğuşma basını öngörülrk, akışkanın yoğuşturuu v buharlaştırıı giriş v çıkışındaki trmodinamik durumları hsaplanmıştır. Bu vrilr yardımı il, yoğuşturuu yüzy alanının dğişimin bağlı olarak soğutma tkinliğinin dğişimi hsaplanmıştır. Bu çalışmada is farklı hava giriş sıaklıkları için soğutma çvrimi prformansının dğişimini inlybilmk amaı il, L v Yoo (2000) tarafından gliştiriln modl basitlştirilrk kullanılmıştır. Yoğuşturuu v buharlaştırııdaki ısı transfr katsayılarının, komprsör miş haminin v isntropik vriminin, yoğuşturuu çıkışındaki aşırı soğuma v buharlaştırıı çıkışındaki kızgınlık miktarlarının bilindiği varsayılmıştır. Yoğuşma v buharlaşma sıaklıkları çvr sıaklığına v ısı transfr miktarına bağlı olarak dğişmktdir. Sonuçta, komprsörün miş kapasitsi, buharlaşma v yoğuşma basınçları v soğutuu akışkan dbilri birbiri il uyumlu olaak şkild buharlaştırıı v yoğuşturuunun ısıl kapasitlri itrasyonla hsaplanmış v çalışma durumu blirlnmiştir. Önki bir çalışmada modl bir su soğutma gurubuna uyarlanarak farklı dış hava giriş sıaklıkları v soğutma suyu giriş sıaklıkları için soğutma gurubunun prformans dğişimi çıkarılmıştı (Sunu v Küçüka, 2008). Bu çalışmada is gliştiriln modld sas alınan hususlar öztlnmkt v modldn ld diln sayısal sonuçlar, ynidn düznlnmiş olan dnysl sonuçlarla karşılaştırılmaktadır. 2. SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN VE ÇEVRİMDE KULLANILAN ELEMANLARIN GENEL ÖZELLİKLERİ Basit bir soğutma çvrimind komprsör, gnlşm lmanı, yoğuşturuu v buharlaştırıı olmak üzr 4 tml lman mvuttur. Çvrimin modllnmsi için hr bir lmanın karaktristik özlliklri v trmodinamik davranışının bilinmsi grkir. Komprsör: Soğutma çvrimind dolaştırılan gaz miktarı komprsör tarafında blirlnir. Komprsörün miş şartlarındaki akışkan özgül yoğunluğunun komprsör miş hami il çarpımı çvrimd dolaşanın akışkan kütlsl dbisini vrir. Pistonlu komprsörlrd sıkıştırma sonuu kalan ölü haim ndni il miş sırasında silindird bir miktar sıkıştırma sonrasından kalmış gaz bulunmaktadır. Ayrıa soğutkan gaz silindir için dolarkn miş klapsindki basınç düşümü v sürtünm v ısı transfri il sıaklığının artmasının sonuu özgül hami artmaktadır. Tüm bu sbplrl grçk miş hami dvir sayısının strok il çarpımından hsaplanan miş hamindn daha küçüktür. Grçk miş haminin idal miş hamin oranı haimsl vrim olarak tanımlanır. Pistonlu komprsörlrd haimsl vrim, /n ' P2 ν η v = +ξ ξ () P ν bağıntısı il ld dilir. Burada, ξ, ölü hamin strok hamin oranı (V /V st ) n, politropik sıkıştırma üssünü, P, Sıkıştırma başlangıı basını P 2, Sıkıştırma sonu basını ν, Akışkanın silindir içind sıkıştırma başlangıç özgül hami ' ν, Komprsör mişi önsi özgül hami olarak tanımlanır. Akışkanın silindir için girrkn özgül haminin artması ndni il, miş hami silindir strok hamindn küçüktür. Sroll komprsörlrd, haimsl vrimdki dğişim daha düşük oranda olup, küçük sıkıştırma oranları için miş hami yaklaşık sabit kabul dilbilir. Komprsör işinin v akışkanın komprsördn çıkış durumunun hsaplanmasında, isntropik vrim ayrıa dikkat alınmalıdır. Katalog dğrlrindn, soğutma komprsörlrind isntropik vrimin %70 vya altında kaldığı görülmktdir. Gnlşm Elmanı: Soğutma sistmlrind n yaygın olarak kullanılan gnlşm lmanları kılal borular v trmostatik gnlşm vanalarıdır (TEV). Trmostatik gnlşm vanaları, komprsör mişind yay basını il ayarlanmış bir kızgınlık dğrini sağlamaya çalışmaktadır. Vananın tam açık durumu için ayarlanan kızgınlık miktarı, buharlaşma v yoğuşma basınçlarının dğişimindn tkilnir v soğutma yükünün azalması il doğrusal olarak azalır.

3 Yoğuşturuu v buharlaştırıı: Bir soğutma sistminin yoğuşturuusunda gaz akışının olduğu kızgınlık gidrii, iki fazlı akışın olduğu yoğuşturuu v sıvı akışının olduğu aşırı soğutma (alt soğutma) kısımları ısı transfri açısından ayrı ayrı inlnbilir. Buharlaştırıı is buharlaşma v kızdırma kısımlarını içrir. Buharlaştırıı v yoğuşturuudaki ısı aktarımları n gnl şkli il; çvr akışkanı il soğutuu akışkan arasındaki sıaklık farkına, çvr akışkanının hızına v ısı transfr özlliklrin, soğutuu akışkanın trmodinamik durumuna v akış hızına bağlı olarak dğişir. Soğutma çvriminin trmodinamik durumunu tkilyn diğr bir dğişkn is aşırı soğutma miktarıdır. Aşırı soğuma miktarı: Borulardaki basınç düşümü ndni il soğutuu akışkanın gnlşm lmanı önsi il buharlaşmaya başlamasını ngllmk için, yoğuşturuudan doymuş durumun biraz altında çıkması istnir. Aşırı soğuma miktarını sistmd bulunan soğutkan miktarı blirlr. Sistmd soğutuu akışkan miktarı arttırılırsa, yoğuşturuu doyma basını yükslir v akışkanın fazlası yoğuşturuuda sıvı halind birikir. Aşırı soğutma miktarının artması soğutuu akışkanın buharlaştırııdaki ısı alma kapasitsini arttırır. Anak yoğuşma basınının yükslmsi komprsör işinin d artmasına ndn olmaktadır. Aşırı soğuma miktarı çalışma şartları v yoğuşma sıaklığı il dğişiklik göstrmsin karşın, gnl olarak 4-8ºC arasında olması bklnir. 3. BENZEŞİM MODELİ Yukarıda dğinildiği gibi, bir soğutma çvriminin ayrıntılı bir modli, komprsörün v gnlşm lmanının karaktristik özlliklrini, yoğuşturuu v buharlaştırııdaki ısı transfrinin şartlara bağlı dğişimini v bunlara bağlı olarak soğutuu akışkanın çvrimin hr noktasındaki davranışını içrmlidir. Bu çalışmada is basitlştirilmiş bir modl kullanılmıştır. Kurulan basitlştirilmiş modld, gnlşm vanasının komprsör mişindki kızgınlığı sabit tuttuğu göz önün alınmış v ayrıa modllnmsin ihtiyaç olmamıştır. Bnzr şkild yoğuşturuu çıkışındaki aşırı soğuma miktarı da sabit tutulmuştur. Komprsörün miş hami v isntropik vriminin çalışma koşulları il dğişimi göz önün alınmamıştır. Yoğuşturuu v buharlaştırııdaki ısı transfri, yüzy alanı v ısı transfr katsayısının, logaritmik sıaklık farkı il çarpılması il hsaplanmıştır. Yoğuşturuu için kızgınlık gidrm, yoğuşma, aşırı soğuma; buharlaştırıı için buharlaşma v kızdırma bölglrind ısı transfr katsayısındaki dğişim göz önün alınmamış v farklı çalışma koşullarında ortalama ısı transfr katsayısının dğişmdiği varsayılmıştır. Buharlaşma v yoğuşma sıaklık v basınçlarının çok fazla dğişmdiği bir iklimlndirm uygulamasında, bu varsayımlar gçrliliğini yaklaşık olarak korur. Modlin içrdiği hususlar aşağıdaki gibi öztlnbilir. Komprsör miş hami v isntropik sıkıştırma vrimi tanımlanmıştır. Komprsör mişindki kızgınlık drsi v yoğuşturuu çıkışındaki aşırı soğuma miktarı tanımlanmış sabit dğrlrdir. Isı transfri miktarı, yüzy alanının, ortalama ısı transfr katsayısının v çvr il soğutuu akışkan arasındaki sıaklık farkının çarpımı il hsaplanır. Toplam ısı transfr katsayılarının çalışma koşullarına gör dğişmdiği varsayılarak, buharlaştırıı v yoğuşturuu için birr ısı aktarım kapasitsi UA dğri tanımlanmıştır. Matmatiksl Modl: Yukarıdaki kabullr kullanılarak, soğutma çvriminin matmatiksl modli aşağıdaki gibi kurulmuştur:. Yoğuşturuu v buharlaştırıı yüzy alanları v ısı aktarım katsayıları (UA), komprsör miş haimsl dbisi v isntropik vrimi, çvrimin aşırı soğuma v kızgınlık miktarları, dış akışkan (su/hava) kütlsl dbilri v gliş sıaklıkları v kullanılan soğutkan tanımlanır. 2. Buharlaştırıı v yoğuşturuunun tkinlik katsayıları UA = xp (2a) p,w w UA = xp (2b) p,a a Bu bağıntılarda buharlaştırıı üzrindn gçn çvr akışkanı su olarak kabul dilmiş v özgül ısısı v kütlsl dbisi w alt indisi il göstrilmiştir. Yoğuşturuu üzrind is a alt indisi il göstriln hava akışı olduğu varsayılmıştır. 3. Buharlaştırıı v yoğuşturuu ısı yüklri için bir öngörü yapılarak buharlaşma v yoğuşma sıaklıkları Q T = Tw,i (3a) x p,w w Q T = Ta,i + (3b) x p,a a Buharlaşma v yoğuşma sıaklıklarına karşı gln basınçlar akışkanın trmodinamik özlliklrindn dğrlndirilir. 4. Komprsör miş basını buharlaştırıı basınına şit olup, miş sıaklığı doyma sıaklığından tanımlanmış kızgınlık miktarı kadar yüksktir. Akışkanın bu noktadaki ntalpi, ntropi v özgül haim dğrlri (h, s, ν ) trmodinamik tablolar kullanılarak dğrlndirilir. Çvrimd dolaşan akışkan kütlsl

4 dbisi, miş haminin soğutuu akışkan özgül hamin bölünmsi il η υ V om m r = (4) ν 5. Komprsör çıkış basını, yoğuşma basınına şittir. İdal çıkış ntalpisi (h 2s ) isntropik durum dğişimindn bulunur. Grçk çıkış ntalpisi v komprsör işi isntropik vrimdn h2 = h + ( h2s h ) η isn (5) W = m h h (6) om r 2 6. Soğutuu akışkan yoğuşturuuyu sıvı durumunda trk dr. Çıkış sıaklığı (T 3 ) doyma sıaklığından aşırı soğutma miktarı kadar küçüktür. Akışkan ntalpisi (h 3 ) trmodinamik özllik tablolarından dğrlndirilir. Akışkanın yoğuşturuuda bıraktığı ısı ntalpi farkından Q = m h h (7) r Akışkanın buharlaştırııya giriş ntalpisi yoğuşturuudan çıkış ntalpisin şittir. Komprsör miş şartlarındaki ntalpi d bilinmktdir. Buharlaştırııda aktarılan ısı ntalpi dğişimindn Q = m h h (8) r 4 8. Yoğuşturuu v buharlaştırıı ısı yüklrinin, başlangıçta öngörüln dğrlrdn farklı olması halind, 3. maddy gri dönülrk yoğuşma v buharlaşma sıaklıkları tkrar hsaplanır. 4. MODEL SONUÇLARININ DENEYLERLE KARŞILAŞTIRILMASI EXCEL makroları kullanılarak yukarıdaki saslar dahilind bir bnzşim programı hazırlanmıştır. Karşılaştırma için Bayır v Küçüka (2009) tarafından vrilmiş olan bir gurup dny kullanılmıştır. Dnylrd hava giriş sıaklığı yaklaşık 34ºC da sabit tutulmakta olup, soğutma çvriminin prformansı su giriş sıaklığı il dğişmktdir. Hr bir dny için, dny sonuçları kullanılarak komprsör miş hami, isntropik vrim, komprsör miş kızgınlığı, aşırı soğutma miktarı v ısı dğiştirii UA dğrlri hsaplanmış vya blirlnmiştir. Bu dğrlrin vri olarak girilmsi il bnzşim modli çalıştırılmış v yoğuşma v buharlaşma sıaklıkları v ısı yüklri hsaplanmıştır. Modlin dny koşulları altında çalıştırılması il hsaplanan ısı yüklri il dnyd ölçüln yüklr arasındaki sapma, ortalama %,9 v n çok %3,9 oranında grçklşmiştir (Şkil-5). Modldn hsaplanan yoğuşma v buharlaşma sıaklıkları il dnysl ölçümlr arasındaki farkın n yüksk dğri is, 0.6ºC ı aşmamıştır (Şkil- 6). Yapılan çalışmada, yoğuşturuu v buharlaştırıı ısı yüklri v sıaklıkları için modl v dny sonuçlarının tama yakın uyum sağladığı görülmktdir. Anak dnysl sonuçları olmayan bir durumun modllnmsi halind, modl sas alınan komprsör miş hami, vrimi, kızgınlık v aşırı soğutma sıaklıkları v yoğuşturuu v buharlaştırıı ısı taşınım katsayılarının dny şartlarına bağlı dğişimlri ndni il, modlin grçk durumdan bir miktar sapması bklnmlidir. Isıl yük, kw Yoğuşturuu y ükü, dny sl Yoğuşturuu y ükü, modl Buharlaştırıı y ükü, dny sl Buharlaştırıı y ükü, modl Dny Dny 2 Dny 3 Dny 4 Dny 5 Dny 6 Dny 7 Dny 8 Dny 9 Dny 0 Dny Dny 2 Dny 3 Şkil - 5 Buharlaştırıı v yoğuşturuu yüklrinin sayısal modl sonuçlarıyla karşılaştırılması Sıaklık, C Yoğuşma sıak., dny sl Yoğuşma sıak., modl Dny Dny 2 Buharlaşma sıak., dny sl Buharlaşma sıak., modl Dny 3 Dny 4 Dny 5 Dny 6 Dny 7 Dny 8 Dny 9 Dny 0 Dny Dny 2 Dny 3 Şkil - 6 Buharlaşma v yoğuşma sıaklıklarının sayısal modl sonuçlarıyla karşılaştırılması 5. SONUÇLAR Soğutma sistmlrinin kapasit v vrimliliklri, çvr sıaklıklarının dğişmsi il doğrudan dğişmktdir. WEB üzrindn rişiln v soğutma çvrimini modllyn mvut programlardan farklı olarak gliştiriln modlin kullanılması il yoğuşma v buharlaşma sıaklıklarının dış sıaklıklar il dğişimi izlnbilmktdir. Modlin tml özlliklri Yoğuşma v buharlaşma sıaklık v basınçlarının ısı dğiştirii UA katsayılarına v dış akışkan kütlsl dbi v sıaklığına bağlı olarak hsaplanması, Bu sıaklık v basınçlara bağlı olarak çvrimin trmodinamik inlmsinin yapılması, komprsör miş hamin bağlı olarak dolaşan soğutkan dbisi v ısıl yüklrin hsaplanması olarak tanımlanabilir. Yoğuşturuu v buharlaştırııdaki toplam taşınım katsayılarının hsaplanması, farklı çalışma şartlarındaki kızgınlık v aşırı soğuma miktarlarının hsaplanması v farklı soğutkanların trmodinamik özliklrinin dahil dilmsi il modl gliştirilbilir. Anak bu hali il d, bir soğutma çvrimind yoğuşturuu v buharlaştırıı üzrindn gçn dış akışkan dbi v sıaklıklarının v yoğuşturuu v buharlaştırıı yüzy alanlarının dğişiminin çvrim tkisinin görülmsini sağlamaktadır.

5 TEŞEKKÜR Bu bildiri Dokuz Eylül Ünivrsitsi Bilimsl Araştırma Fonu tarafından dstklnn 2005.KB.FEN.055 numaralı Buharlaşma v yoğuşma sıaklıklarının dğişiminin soğutma çvrimi prformansına tkisi isimli proj kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar dstğindn dolayı Dokuz Eylül Ünivrsitsi Bilimsl Araştırmalar Fonuna tşkkür drlr. KAYNAKLAR Bayır, E., Küçüka, Sroll v Pistonlu Tip Soğutma Komprsörlrinin Kapasit v Vrimlrinin Çalışma Şartları il Dğişimi, TESKON IX. Ulusal Tsisat Mühndisliği Kongrsi Bildirilr Kitabı, , L, G.,H., Yoo, J.,H., Prforman analysis and simulation of automobil air onditioning systm, Intrnational Journal of Rfrigration, 23, , 2000 Li, Z.,. Zahruddin, M., Dynami simulation and analysis of a watr hillr rfrigration systm, Applid Thrmal Enginring 25, , Shnoy, A., Simulation, modling and analysis of a watr to air hat pump, M.S. Thsis., Oklahoma Stat Univrsity, Sunu, S., Küçüka S., Hava Soğutmalı Kondnsrli Bir Soğuksu Gurubunda Dış Sıaklıkların Dğişiminin Soğutma Kapasitsi v Etknliğin Etkisi, I. Soğutma Tknolojilri Smpozyumu Bildirilr Kitabı, s. 5-64, İzmir, 2008.