Hüseyin KILIÇ YÜKSEK LİSANS MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2006 ANKARA

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE PERFORMANS DENEYLERİ Hüseyin KILIÇ YÜKSEK LİSANS MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2006 ANKARA

2 GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE PERFORMANS DENEYLERİ Hüseyin KILIÇ YÜKSEK LİSANS MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EYLÜL 2006 ANKARA

3 Hüseyin KILIÇ tarafından hazırlanan GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE PERFORMANS DENEYLERİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA Tez Yöneticisi Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Başkan : : Yrd.Doç.Dr. Osman Selim TÜRKBAŞ Danışman Üye : Yrd.Doç.Dr. Hüseyin USTA Üye : Yrd.Doç.Dr. Sezayi YILMAZ Üye : Yrd.Doç.Dr. Musa Galip ÖZKAYA Üye : Yrd.Doç.Dr. Metin KAYA Tarih : 06 / 10 / 2006 Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur.

4 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Hüseyin KILIÇ

5 iv GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE PERFORMANS DENEYLERİ (Yüksek Lisans Tezi) Hüseyin KILIÇ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Eylül 2006 ÖZET Bu çalışmada, 1m 2 düzlem yüzeyli güneş enerjisi destekli ısı pompasının performans deneyleri yapılmıştır. Güneş enerjisinin toplanmasında, siyah çelik borulardan yapılan güneş kolektörü aynı zamanda ısı pompasının buharlaştırıcısı olarak düzenlendi. Yoğunlaştırıcı ise, 2mm çelik sacdan yapılmış dışı 50mm cam yünü ile yalıtılmış su dolu 65 litrelik bir depo içerisine yerleştirildi. Isı pompası çevriminde ısıtıcı akışkan olarak 404a kullanıldı. Sonuçta 1 m 2 kolektör yüzeyine sahip güneş enerjisi destekli ısı pompasında yapılan ölçümler değerlendirilerek, ısıtma tesir katsayısı (COPı) belirlendi. COPı 3-5 arasında bulundu. Bilim Kodu : 708 Anahtar Kelimeler : Isı pompası, güneş kollektörü Sayfa Adedi : 64 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA

6 v A SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP S DESIGN, PRODUCTION AND PERFORMANCE ANALYSIS (M.Sc. Thesis) Hüseyin KILIÇ GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY September 2006 ABSTRACT In this work, 1m 2 plane-surface solar-assisted heat pump s performance analysis were done. The sun collector, made of steel black pipes, used for storing solar energy was also designed as an evaporator of heat pump. Condenser was put into a 65 litres water filled store, made of 2mm steel iron and isolated with 50mm glass wool. R404a was used as heating solvent at heat pump cycling. Finally, in solar-assisted having 1m 2 collector surface, heat pump, heating effect coefficient was determined by evaluating measurements. COPı was found out between 3-5. Science Code : 708 Key Words : Heat pump, sollar collector Page Number : 64 Adviser : Asist. Prof. Dr. Hüseyin USTA

7 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren her konuda yardımını esirgemeyen hocam Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA ya, yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım Öğr. Gör. Dr. Tayfun MENLİK e ve sistemin yapım aşamasında yardımcı olan Araş. Gör. Volkan KIRMACI ya, ayrıca çalışmalarımı destekleyen aileme teşekkürü bir borç bilirim.

8 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.. iv ABSTRACT....v TEŞEKKÜR...vi İÇİNDEKİLER vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ....xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ....xii RESİMLERİN LİSTESİ..xiv SİMGELER VE KISALTMALAR xv 1.GİRİŞ LİTERATÜR ARAŞTIRMASI BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA VE ISI POMSI Buhar Sıkıştırtmalı Soğutma Buhar sıkıştırmalı çevrimin ana elemanları Buhar sıkıştırmalı çevrimin yardımcı elemanları Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma prensibi Buhar sıkıştırmalı basit soğutma sisteminin analizi Aşırı soğutma, aşırı ısıtma Isı Pompası Isı pompasının çalışması Isı pompası uygulamaları Isı pompalarında kullanılan verim ve etkinlik kavramları....23

9 viii Sayfa 4.ISI POMPALARININ SINIFLANDIRILMASI Isı Pompası Sistemleri Birincil ısı pompaları İkincil ısı pompaları Üçüncül ısı pompaları Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması Kompresörlü ısı pompaları Absorbsiyonlu ısı pompaları Buhar jet ısı pompaları Isı Kaynakları Ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre Sınıflandırılması Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre Sınıflandırılması Monovalent işletme sistemi Bivalent işletme sistemi Multivalent işletme sisitemi ISI KAYNAKLARININ İNCELENMESİ Hava Su Yer altı suyu Yerüstü suyu Toprak Güneş Güneş kolektörleri Enerji deposu... 38

10 ix Sayfa 6.ISI POMPALARINDA KULLANILAN SOĞUTKAN AKIŞKANLAR Soğutkan Akışkanların Özelikleri Atmosferik Basınçta Soğutkan Akışkanların Uygulama Alanları Alternatif Soğutkan Akışkanlar R134a R Amonyak (NH 3 ) Diğer alternatif soğutkan akışkanlar MATERYAL VE METOT Deney Cihazlarının Tasarımı Güneş Kolektörü Isı Pompası Devresi ENERJİ DENGESİ HESAPLARI Deneylerin Yapılışı Termodinamik Hesaplamalar Kolektörün ısı kazancı hesabı Isı pompasının ısıtma tesir katsayısı hesabı Su deposunun ısı kaybı hesabı Kondenser yüzey alanı hesabı SONUÇ VE ÖNERİLER Sonuç Öneriler KAYNAKLAR. 62

11 x Sayfa ÖZGEÇMİŞ.. 64

12 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 6.1. Soğutkan akışkanların uygulama alanları Çizelge 6.2. Alternatif soğutkan akışkanların fiziksel özellikleri Çizelge 8.1. Ankara meteoroloji müdürlüğünden alınan mart 2006 saatlik güneş şiddeti değerleri... 53

13 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 3.1 Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ana kısımları..6 Şekil 3.2. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin farklı sıcaklık ve basınç bölgeleri...9 Şekil 3.3. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi Şekil 3.4a. Basit buharlı çevrimin T-S diyagramı...12 Şekil 3.4b. Basit buharlı çevrimin Log P-h diyagramı..12 Şekil 3.4c. İdeal carnot çevrimin T-S diyagramı.. 12 Şekil 3.4d. Basit buharlı çevrimin iki değişiklik ile carnot çevrimine dönüşümü Şekil 3.5a. Aşırı soğutma ve kızdırmanın Log p-h diyagramında gösterilişi 14 Şekil 3.5b. Aşırı soğutma ve kızdırma sistemi..14 Şekil 3.5c. Aşırı soğutmasız sistemdeki iş kaybının T-S diyagramındaki gösterilişi Şekil 3.5d. Aşırı soğutma sistemi. 15 Şekil 3.5e. Kızdırma sistemi.15 Şekil 3.5f. Aşırı soğutma sisteminin Log P-h diyagramı..15 Şekil 3.5g. Aşırı kızdırma sisteminin Log P-h diyagramı.15 Şekil 3.6. Gerçek soğutma çevrimi T-S diyagramı...17 Şekil 3.7. Isı pompası prensip şeması...19 Şekil 3.8. Basınç ve sıcaklık değişimi ile çalışan bir ısı pompası çevrimi. Çalışma maddesi R134a, Hava 7º C / Su 50ºC Şekil 3.9. Yaz soğutmalı, kış ısıtmalı ısı pompası devre elemanları Şekil 4.1. Bivalent Alternatif çalışan ısıtma sistemi..30

14 xiii Şekil Sayfa Şekil 5.1. İklimlendirme yapılan bir binada temiz havanın atılan ısı ve ısı pompasından yararlanılarak ısınması Şekil 5.2. Toprak kaynaklı ısı pompası ile havanın ısıtılması...36 Şekil 7.1. Güneş Kolektörünün yapısı Şekil 7.2. Isı pompasının sisteme bağlanması Şekil 7.3. Isı pompasının sisteme bağlanması Şekil 8.1. Güneş kolektörü destekli ısı pompasına ait termodinamik değerler ve semboller..54 Şekil 8.2. R404a Log(p)-h diyagramında entalpi değerlerinin okunuşu...56 Şekil 8.3. Güneşlenme şiddetine göre kondenser sıcaklığının değişimi...57 Şekil 8.4. Güneşlenme şiddetine göre COP değişimi...57 Şekil 8.5. Kondenser sıcaklığına göre COP değişimi...58 Şekil 8.6. Zamana göre COP değişimi....58

15 xiv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 7.1. Güneş destekli ısı pompalı su ısıtıcısı deney setinin görünüşü.51

16 xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler β Q H q h Q y Q b Q su Q K Q ka A C A y A s m c η C η f F b Kw K T d λ α G.V Açıklama Isı pompasının yıllık çalışma sayısı Kolektöre gelen güneş enerjisi Birim yüzeye gelen enerji Kondenserden alınan enerji Evaporatöre giren enerji Su deposuna geçen enerji Kompresör gücü Kayıp enerji Kolektör yüzey alanı Kondenser ısıtma yüzey alanı Su deposunun toplam yüzey alanı Su deposundaki suyun kütlesi Suyun özgül ısısı Kollektör verimi Kanat verimi Açı faktörü Kilowatt Isı geçirme katsayısı Sıcaklık Su deposu yüzey elemanlarının kalınlığı Isı iletim katsayısı Isı taşınım katsayısı Genleşme valfi

17 1 1. GİRİŞ İnsan vücudu için 20 C lik ortam, konfor ortamı (yaşanılacak en rahat ortam) olarak kabul edilmektedir. Hiç şüphesiz ortam sıcaklığının yanı sıra giyinme, havadaki nem oranı ve hava hızı da konfora etki eden faktörlerdir. Dış hava sıcaklığı 15 C nin altına düştüğünde ortam sıcaklığı insan vücudunu rahatsız eder. Bu durumda yaşanılan ortamı konfor derecesine ulaştırmak için ilave enerji kaynaklarına ihtiyaç vardır. Bunun için ısı enerjisine kolayca dönüşebilen enerji kaynaklarından faydalanılır. Temel enerji denilen ve tabiattan çıkartılan fosil yakıtlar (katı, sıvı ve gaz) ısı enerjisine kolayca dönüşerek enerji ihtiyacımızı giderebilirler. Ancak bu enerji kaynaklarının tükenebilir olması, pahalı olması ve çevre kirliliğine sebep olması insanlığın geleceği için endişe yaratmaktadır. Bu durum bilim adamlarını yeni enerji kaynaklarını araştırmaya yöneltmiştir. Özellikle 1974 enerji krizinden sonra bütün dünyada bu alandaki çalışmalara daha çok ağırlık verilmiştir ve bu konudaki çalışmalar devam etmektedir. Bu alanda üzerinde en çok çalışılan enerji kaynaklarından biriside güneş enerjisidir. Güneş dünyamıza enerji veren sonsuz denebilecek güce sahip tek enerji kaynağıdır. Termonükleer bir reaktör olan güneşin enerjisi hidrojen-helyum dönüşümü neticesinde oluşur. Bu dönüşüm güneşin merkezinde 20 milyon C sıcaklıkta meydana gelir. Sonuçta ısı ve ışık enerjisi açığa çıkar. Güneş kütlesinin %1 i hidrojenden helyuma dönüşmesi sonucu oluşan enerji güneşin bir milyar yıl parlamasına yeter. Bu nedenledir ki uzun zaman tükenmeden enerji verecek tek kaynak güneştir. Güneş dünyamızdaki öteki enerjilere göre 5000 kat fazla enerji gönderir. Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı vardır. Her şeyden önce bol, temiz ve yerel uygulamalar için elverişlidir. Enerjiye ihtiyaç duyulan hemen hemen her yerde güneş enerjisinden yararlanmak mümkündür. Dışa bağlı olmadığından, çıkabilecek ekonomik bunalımlardan bağımsızdır. Günümüzde

18 2 özellikle petrol fiyatlarının artması, güneş enerjisini gittikçe cazip kılmakta ve güneş enerjisinden yararlanan sistemlerin sayısı her geçen gün artmaktadır. Ülkemiz güneş enerjisi yönünde oldukça şanslı bir coğrafi yapıya sahiptir. Önemli derecede güneş alan ülkemizde, bu enerjiyi kullanmak, gerek çevre kirliliği gerekse enerji ekonomisine katkı sağlaması bakımından son derece önemlidir. Bu enerjiden yararlanmak için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu temiz enerjiyi, kaynak olarak kullanıp, ısı pompası vasıtasıyla düşük sıcaklıklardaki ısı enerjisini daha yüksek sıcaklıklara taşımak mümkündür. Isı pompalarının elektrikli ısıtmaya nazaran daha ekonomik olmaları, çevre kirliliğine neden olmamaları, istenildiğinde hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılabilmeleri nedeniyle üzerinde sıkça çalışılan bir konu olmuştur. Bilindiği üzere, soğutma makinelerinde soğutulacak ortamdan alınan ısı ile kompresöre verilen enerji, yoğunlaştırıcıda (kondenserden) dış ortama atılmaktadır. Yani soğutma devresinde soğutma işlemi buharlaştırıcının (evaporatörün) bulunduğu yerde sağlanmaktadır. Isı pompasında ise soğutma devresinde, dışarıya atılan ısı enerjisinden faydalanılmaktadır. Isı pompasında ısıtma işlemi yoğunlaştırıcının (kondenserin) bulunduğu yerde sağlanmakta olup, soğutma devresinden tek farkı amacın başka elemanlarla gerçekleştirilmesidir. Yani soğutma devresinde soğutma işlemi buharlaştırıcıda, ısı pompasında ise ısıtma işlemi yoğunlaştırıcının (kondenserin) bulunduğu yerde sağlanmaktadır. Bu çalışmada, güneş kaynaklı ısı pompası kurulmuş ve yapılan deney sonuçları verilmiştir.

19 3 2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI Bu konuda yapılan çalışmalardan bazıları aşağıda özetlenmektedir. Usta, H. yüksek lisans tezinde, ısı borusundan faydalanarak güneş enerjisi destekli ısı pompası deney seti kurmuştur. Deneyinde çalışma sıvısı olarak; ısı pompası çevriminde R12, ısı borusunda ise etanol kullanmıştır. 1 m 3 deney kamarası kullanarak, 1 m 2 kolektör yüzeyine sahip ısı borulu ısı pompasının ısıtma tesir katsayısını hesaplamıştır [1]. Çomaklı, Ö. Ve arkadaşları tarafından, Türkiye nin Karadeniz Bölgesinde evsel ısıtma için enerji depolu güneş destekli ısı pompası sisteminin performansını araştırmak için bir deney düzeneği kurulmuştur. Deneysel sonuçlar, kullanılan ısı pompasından 1992 nin ısıtma sezonu boyunca Aralık-Mayıs aylarında elde edilmiştir. Isıtma sezonu boyunca deneysel olarak elde edilen sonuçlar, kolektör verimini, ısı pompasının performans katsayısını (COP), sistem COP unu, depolama verimini ve sistemin toplam enerji tüketimini hesaplamak için kullanılmıştır. Kolektör veriminin, ısı pompası COP unun, sistem COP unun ve depolama veriminin aritmetik ortalama değeri, sırasıyla %70, %4,5, %4 ve %60 bulunmuştur [2]. İleri, A. tarafından, güneş destekli R22-DEGDME absorbsiyonlu ısı pompası sistemi ile, Ankara için saatte bir data kullanılarak bir bilgisayar simulasyonu ile 100 kw soğutma kapasitesi araştırılmıştır. Yazları jeneratör, kışları evaporatör güneş enerjisini almış diğer talepler de yardımcı ısıtıcılar tarafından karşılanmıştır. Sistemin performansı güneş enerjisinden sağlanan yük bölümünden değerlendirildiğinde, araştırmadaki biçim ve boyutların, iklimden, kaynak sıcaklık limitinden, kollektör tipi ve alanından çoğunlukla etkilenmekte, fakat depolama tankının boyutundan az etkilenmekte olduğu belirtilmiştir [3]. Abou-Ziyan, H.Z. ve arkadaşları, düşük sıcaklık uygulamaları için güneş destekli R22 ve R134a akışkanlı ısı pompası sistemleri üzerine bir çalışma yapmışlardır. Bilinen bir ısı pompası, güneşli bir hava ısıtıcısı ve seri bağlı iki güneş destekli ısı

20 4 pompası sistemleri için simülasyon sonuçları gösterilmiştir. R22, R404a ve R134a nın termodinamik özellikleri, 0,99 dan daha yüksek korelasyon faktörleri ile korelasyon şeklinde verilmiştir. Isı pompasının performans karakteristikleri, evaporatör sıcaklığı 0-45 C aralığı için, kondens sıcaklığı C aralığı için ve kütle akış oranı kg/h aralığı için bu çalışma soğutucuları kullanılarak araştırılmıştır [4]. Yamankaradeniz, R. ve Horuz, I. tarafından İstanbul da kışın güneşli günler için, güneş enerjisi kaynaklı ısı pompasının teorik ve deneysel incelemesi yapılmıştır. Teorik çalışmada, İstanbul şartlarında açık günler için anlık, aylık ve mevsimlik ortalama ısıtma tesir katsayıları ve sistemin diğer özellikleri incelenmiştir. Isı pompası devresinde 0,75 kw gücünde tam hermetik kompresör, hava soğutmalı maksimum 4.5 kw soğutma kapasiteli yoğuşturucu, enerji deposu içerisine daldırılmış maksimum 3,5 kw ısı çekebilen buharlaştırıcı ve soğutucu akışkan olarak da R-12 kullanılmıştır [5]. Torres Reyes, E. ve arkadaşları, çalışmalarında havayı ısıtmak için güneş destekli ısı pompasının teoriksel ve deneysel ekserji analizini yapmışlardır. Güneş destekli yada bilinen bir ısı pompası ile çalışan deneysel bir prototip, ekserjetik verimi, tüm sistem tersinmezliğini ve teçhizatların tersinmezliklerini belirlemek için test edilmiş. Evaporasyon ve kondeszasyon basamaklarında çalışan akışkanın optimum sıcaklığını belirlemek için bir metodoloji ileri sürülmüştür [6]. Huang, B. J. ve Chyng, J. P. tarafından integral tip güneş destekli ısı pompası su ısıtıcısının tasarım ve test edilmesi konusunda bir çalışma yapılmıştır. Depolama tankı ve Rankine çevrim ünitesi daha küçük bir boyut elde etmek için birleştirilmiştir. Yapılan testlerde 3,83 lük bir COP elde edilmiştir [7]. Esen, M. çalışmasında, ısı pompası ile alan ısıtmada kullanılan güneş destekli bir gizli ısı deposunun ısıl performansını incelemiştir. Silindirik faz değişimi depolama hakkında deneysel ve teoriksel olarak araştırma yapmıştır [8].

21 5 Kaygusuz, K. tarafından yapılan çalışmada ısı pompalı bir güneşli ısıtma sisteminin performansı deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ısıtma sezonu boyunca Kasım ayından Nisan ayına kadar elde edilmiştir. Ortalama mevsimlik ısıtma performans değerleri, seri ve paralel ısı pompası sistemleri için sırasıyla 4,0 ve 3,0 olarak bulunmuştur. Ayrıca güneşle ısıtma sisteminin analizi için bir matematiksel model geliştirilmiştir. Örneğin sistemin, COP, teorik kollektör sayıları, kollektör verimi, ısıtma kapasitesi, kompresör gücü ve depolama tankındaki sıcaklıklar gibi model parametreleri, deneysel sonuçlar kullanılarak hesaplanmıştır. Çalışmada, teorik modelin, deneysel sonuçlarla uygun olduğu belirtilmiştir [9]. Hawlader, M. N. A. ve arkadaşları, su ısıtma sisteminde güneş destekli bir ısı pompasının performansını incelemişlerdir. R134a soğutucusuna uygun bir evaporatör gibi hareket eden, üzeri camla kaplanmamış düz levha güneş kolektörlü, güneş destekli ısı pompası su ısıtma sisteminde analitik ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Sonuçlar, sistemin performansının, kolektör alanı, kompresör hızı ve güneş ışınlaması ile önemli derecede etkilendiğini göstermiş, ekonomik bir analiz ise sistem için yaklaşık iki yıllık bir minimum geri ödeme süresini ortaya koymuştur [10]. Badescu, V. bir ısıl depolama ünitesiyle tamamlanan alan ısıtmada kullanılan güneş destekli bir ısı pompası modeli üzerine çalışma yapmıştır. Güneşli hava ısıtıcıları, ısı pompasında buhar sıkıştırma işi için ve diğer maksatlar için termal enerji sağladığı ve termal enerji depolama ünitesinin, toplanan güneş enerjisinin kullanımında birçok etki sağladığı ifade edilmiştir [11]. Kuang, Y. H. ve arkadaşları tarafından, düz plaka kolektörlü basit bir güneş destekli ısı pompası sistemi, bir sıcak su depolama tankı ve bir su kaynaklı ısı pompası kurulmuştur. Yaptıkları çalışmada, tüm sistemin ve bu sistemin temel elemanlarının termal performansını, Kuzey Çin de ısıtma sezonu boyunca deneysel olarak incelemişlerdir. Deneysel olarak elde edilen sonuçlardan, potansiyel kullanıcılar için bir güneş destekli ısı pompası sisteminin gelişimi ve ilk tasarımında yardımcı olabilecek bazı önemli sonuçlar ve öneriler çıkarmışlardır [12].

22 6 3. BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA VE ISI POMPASI 3.1. Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Soğutmacılıkta en sık uygulanmakta olan ve en çok tercih edilen sistem buhar sıkıştırmalı soğutma sistemidir. Bu tip soğutma çevriminde sistemde kompresör, kondenser, (yoğunlaştırıcı) genleştirici (genleşme vanası veya kılcal boru) ve evaporatör (buharlaştırıcı) bulunur. Sistem elemanları bakır boru ile birbirlerine seri olarak bağlanırlar ve kapalı bir devre oluşturulur Buhar sıkıştırmalı çevrimin ana elemanları a) Kompresör: Soğutucu gazın sistemde dolaşmasını sağlar. Emme ve basma işlemini gerçekleştirir. b) Yoğunlaştırıcı: Sıkıştırılmış soğutucu akışkanın buhar halden sıvı hale geçtiği bölümdür. Yüzeyi genişletilerek çevreye ısı geçişi kolaylaştırılmıştır. Şekil 3.1.Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ana kısımları c) Buharlaştırıcı: Genleşme vanasından sonra düşük basınç bölgesi elemanı ve akışkanın sıvı halden buhar hale dönüştüğü bölümdür. Genellikle serpantin şeklinde

23 7 olup, çevreden ısı çektiğinden soğuma burada gerçekleşir. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ana elemanları (Şekil 3.1) de verilmiştir [13]. d) Genleşme vanası: Yüksek basınç bölgesinden gelen sıvının sistemin alçak basınç bölgesine kontrollü bir şekilde akmasını sağlar Genleşme vanası üzerinde ısı alışverişi olmaz. Küçük sistemlerde genleşme vanası yerine kılcal (kapiler) boru kullanılabilir. e) Soğutucu gaz (soğutkan): Soğutma sisteminde uygulanan yüksek basınçta sıvı hale ve düşük basınçta buhar hale kolayca dönüşebilen akışkanlar soğutkan olarak kullanılabilir. Bu özelliğinin yanında siteme ve çevreye zarar vermeyen pek çok özellik akışkan seçiminde önemli olmaktadır Buhar sıkıştırmalı çevrimin yardımcı elemanları a) Termostat: İstenilen soğukluk değerlerine ulaşıldığında sistemin durdurulup çalışmasını sağlayan elemandır. Soğutma termostatları ısıtma termostatlarından farklı çalışırlar. Isıtma termostatları yüksek sıcaklığa ulaşıldığında sistemi durdurur ve sıcaklık düşünce çalıştırırlar, soğutma termostatları istenilen soğukluğa düşünce sistemi durdurur ve sıcaklık yükselince sistemi çalıştırırlar. b) Presostat: Belli basınçlar arasında sistemin devreye girmesini veya devreden çıkmasını sağlar. Ayarlanmış en yüksek ve en düşük basınçlar arasında sistemin çalışmasını kontrol eder bu basınç değerlerinin dışında sistemi durdurur. Sadece bir basınç bölgesine bağlanan tipleri olduğu gibi hem yüksek hem de düşük basınç bölgesini kontrol eden kombine tipleri de mevcuttur. c) Kurutucu (Drayer) : Soğutma sistemlerinde su buharının bulunması sistemin işleyişini bozar. Sistemdeki su genleşme ve kılcal çıkışında donma ve tıkanmalara yol açar ve pistonun aşınmasına neden olur. Sistemin havası boşaltılırken su buharı da dışarı atılır. Vakumlama süresi su buharının da dışarı atılmasına olumlu bir katkıdır ancak sistemin iç yüzeyleri su buharı ile sıvanmış haldedir. Sistem çalışmaya

24 8 başladığında bu su buharı akışkana karışarak dolaşmaya başlar. Bunun için sistemdeki nemin tamamen alınması gerekir. Akışkanın dolaşımı sırasında su buharını almak için genleşmeden önce mutlaka bir kurutucu ilave edilmeli ve sistem her açıldığında kurutucu değiştirilmelidir. d) Gözetleme Camı: Soğutucu akışkanın durumunu (sıvı veya gaz halini) belli bir noktadan gözlemlememize yardımcı olur Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma prensibi Soğutma devresi olarak oluşturulan kapalı sistemin havası boşaltıldıktan sonra sistem içerisine bir miktar çalışma gazı (soğutucu akışkan) enjekte edilir. Sistemin çalışmasını anlamak için genleşme vanasını tam açık kabul edelim. Kompresör çalışmaya başladıktan sonra sistem içerisindeki gazı az bir basınç farkı ile dolaştıracaktır. Genleşme vanasının yavaş yavaş kısıldığını düşünelim bu takdirde sistemde iki basınç bölgesi oluşacaktır. Bu basınç bölgeleri: genleşme vanasının gerisinde kompresörün basma ucuna kadar yüksek basınç bölgesi ve genleşme vanasından sonra yine kompresörün emiş ucuna kadar düşük basınç bölgesidir. Genleşme vanası kısıldıkça basınçlar arasındaki oran artacaktır. Yüksek basınç bölgesindeki akışkan sıkıştırıldıkça sıcaklığı da artacaktır. Basınç şiddeti sistemdeki soğutucu akışkanın ısıl özelliğine bağlı olarak, belirli bir basınçta ve çevre sıcaklığından yüksek sıcaklıkta yoğunlaştırıcıda yoğunlaşır. Bu yoğunlaşma sırasında yoğunlaşma gizli ısısı açığa çıkar çevre sıcaklığından yüksek sıcaklıkta olduğu için çevreye ısı atılır. Diğer taraftan genleşme vanasından sıvı halde geçen akışkan, oluşturulan bu düşük basınçta ve düşük sıcaklıkta buharlaştırıcıda buhar hale geçer. Sıvı halden gaz hale geçen soğutucu akışkan buharlaşma gizli ısısını buharlaştırıcıdan alır buharlaştırıcı sıcaklığı çevre sıcaklığının altında olacak şekilde ayarlandığından çevreden buharlaştırıcıya ısı akışı olur. Yoğunlaştırıcıdan atılan ısı buharlaştırıcıda geri kazanılmış olur. Kazanılan bu ısı da akışkana geçer ve buharlaştırıcının bulunduğu ortamda soğuma meydana gelir.

25 9 Çevrimde iki farklı basınç ve iki farklı sıcaklık bölgesi bulunur (Şekil 3.2). Basınçlar: Emme hattındaki buharlaşma basıncı ya da alçak basınç bölgesi ile basma hattındaki yoğunlaşma basıncı veya yüksek basınç bölgeleridir. Sıcaklıklar ise emme hattındaki düşük sıcaklık bölgesi ve basma hattındaki yüksek sıcaklık bölgeleridir. Sistemde kullanılan gazın ısıl özelliği dikkate alınarak soğutulacak hacmin iç şartlarına göre düşük sıcaklık ve dış şartlara göre de yüksek sıcaklık sağlayacak şekilde basınçlar kompresör gücü, gaz miktarı ve genleşme vanası (veya kılcal boru uzunluğu) gibi üç değişkenin bileşkesi ile ayarlanır. Şekil 3.2.Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin farklı sıcaklık ve basınç bölgeleri Buhar sıkıştırmalı basit soğutma sisteminin analizi Bir soğutma devresinde soğutkan adı verilen akışkanın bir yerde soğutma sağlayarak bir takım durum değişiklerinden sonra yeniden başlangıç konumuna gelmesine soğutma çevrimi denir. Çevrim sırasında bir miktar soğutkan yoğunlaştırılıyor ve buharlaştırılıyorsa buna buhar sıkıştırmalı soğutma çevirimi denir. Yoğunlaşma ile buharlaşma işlemleri sırasındaki basınçlara da sırasıyla yoğunlaşma basıncı ve buharlaşma basıncı adı verilir. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi şematik olarak Şekil 3.3 de görülmektedir.

26 10 Şekil 3.3.Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin en önemli özelliği soğutkanın şu işlemlere uğramasıdır; 1 2 Doymuş buharın bir kompresör yardımıyla buharlaşma basıncından yoğunlaşma basıncına sıkıştırılması, 2 3 Sabit basınçta soğutularak yoğunlaştırma (doymuş sıvı haline kadar), 3 4 Isı ve iş alışverişi olmaksızın, akışa direnç gösteren bir genleşme vanasından geçirilerek, makaslanarak, sıvının basıncının yoğunlaşma basıncından buharlaşma basıncına düşürülmesi, 4 1 Sabit basınçta ısıtılarak buharlaştırma. Şekil 3.4.a ve Şekil 3.4.b de basit buharlı çevrim önce sıcaklık (T), entropi (s) diyagram üzerinde, sonra log P, entalpi (h) olan bir diyagram üzerinde gösterilmiştir. Sıkıştırmanın bir kompresör yardımıyla, mekanik iş harcanarak yapılması halinde soğuma sistemine kompresörlü soğutma sistemi adı verilir. Soğutma çevrimindeki sürtünmelerin, ısı aktarımındaki tersinmezliklerin, basınç kayıplarının ihmal

27 11 edilmesi ve verimi artırıcı diğer tedbirlerin uygulanmamış olması nedeniyle şekilde gösterilen çevrim basit olarak nitelenebilir. Şekil 3.4.c ideal Carnot çevrimidir, Şekil 3.4.d ise buharlı çevrimin iki değişik ile Carnot çevrimine dönüştürülebileceğini göstermektedir; buhar genleştirmenin makaslama yerine adyabatik, tersinir olarak yapılması ve sıkıştırmanın doymuş buhar yerine doymuş buhar halinde başlatılmasıdır. Bilindiği gibi Carnot çevrimi, verilen sıcaklıklar arasında çalışan en verimli çevrimdir; fakat doymamış buharın tersinir adyabatik sıkıştırılmasının (1 2 işlemi) zor olması ve doymuş sıvının tersinir adyabatik genleştirilmesinde (3 4 işlemi) elde edilecek iş miktarının küçük olması nedeniyle uygulanmamaktadır. Enerji denkliklerinden soğutma düzeninin parçalarının enerji ve iş alışverişleri için soğutkanın entalpileri cinsinden şu büyüklükler elde edilir; Kompresör için gerekli iş: W C = m (h 2 h 1 ) Yoğunlaştırıcıdan dışarıya verilen ısı: W K = m (h 2 h 3 ) Buharlaştırıcıda sağlanan soğutma: W E = m (h 1 h 4 ) Bağıntıları ile ifade edilir. Bu bağıntılardaki m soğutkanın kütlesel debisidir. Soğutma sistemlerinin hesabında soğutma gücü, q o, uygulama şartları tarafından belirlenir. Aynı şekilde soğutma sıcaklığına yakın olarak buharlaşma sıcaklığı ve çevre sıcaklığına yakın olacak şekilde yoğunlaşma sıcaklığı belirlenir.

28 12 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) Şekil 3.4.a) Basit buharlı çevrimin T-S diyagramı, b) Basit buharlı çevrimin LogP-h diyagramı, c) İdeal Carnot çevrimi, d) Basit buharlı çevrimin iki değişiklik ile Carnot çevrimine dönüşümü Basit soğutma çevriminde önce, şekil 3.4b deki 3 ve 1 durumları sırasıyla sıvılaştırıcı sıcaklığındaki doymuş sıvı ve buharlaştırıcı sıcaklığındaki doyuş buhar olarak belirlenir buharlaştırıcıya giriş durumu olan 4 noktası ise, 3 den geçen sabit entalpi (düşey) 1 den geçen sabit basınç çizgisinin (yatay) kesim noktasıdır.

29 13 Sıkıştırma sonrası durum olan 2 noktasını bulmak için Şekil 3.4a da doymuş buhar halindeki (1 noktası) soğutkanın sabit entropi eğrisi boyunca yoğunlaşma basıncına kadar sıkıştırıldığı düşünülür, h 2 değeri log h diyagramından okunur. Birim kütle için entalpiler belirlenince; m = h 1 q 0 h 4 = h 2 qk h 3 Bağıntısı yardımıyla soğutkanın kütlesel debisi hesaplanır. Kompresör gücü ve kondenser gücü ise debi ve entalpiler yardımıyla hesaplanır. Bilinen buharlaşma ve yoğunlaşma sıcaklıklarında çeşitli soğutkanların, hatta çeşitli çevrimlerin elverişlilik derecelerini karşılaştırmak için soğutma katsayısı ε kullanılır. Bu büyüklük, elde edilen soğutma gücünün, harcanan iş miktarına oranıdır; ε = q w 0 = h h 1 2 h h 4 1 Bu oran kj/kwh biriminde ifade edilirse özgül soğutma gücü adını alır. Belirli sıcaklıklar arasında çalışan çerimler içinde Carnot çevrimi (iç ve dış tersinir çevrim) en büyü soğutma katsayısına sahiptir ve soğutma katsayısı; ε c = T k T 0 T 0 Şeklinde tanımlanır. Bu bağıntıdaki T 0 ve T k sırasıyla buharlaştırıcı ve sıvılaştırıcının mutlak sıcaklıklarıdır. Bu nedenle çeşitli çevrimlerin soğutma katsayılarının aynı şartlardaki

30 14 Carnot çevriminin soğutma katsayısına oranı termodinamik mükemmellik derecesi olarak bir fikir verir, bu orana bağıl verim adı verilir ve η c ile gösterilir [14]. η c = ε ε c Aşırı soğutma, aşırı ısıtma Şekil 3.3 de gösterilen basit soğuma sistemi, büyük soğutma güçlerinde uygun değildir. Bazı önemlerle soğutma katsayısı ve özgül soğutma gücü artırılarak uygulanır. Yoğunlaşan soğutkan makaslanmadan önce (kompresöre girmek üzere olan doymuş buhar yardımıyla) bir ısı değiştirgecinde aşırı soğutulur. Mümkünse aşırı soğutmanın, sıvılaştırıcıdan ısıyı alan ortam (su veya hava) yardımıyla yapılması daha yaralıdır, fakat bu ancak su ile soğutmada karşıt akım kullanılarak bir dereceye kadar gerçekleştirilebilir. Böylece Şekil 3.5.a da görülen çevrim ve Şekil 3.5.b de görülen sistem elde edilir. ( a ) ( b ) Şekil 3.5.a) Aşırı soğutma ve kızdırmanın LogP-h diyagramında gösterilişi, b) Aşırı soğutma ve kızdırma sistemi, c) Aşırı soğutmasız sistemdeki iş kaybının T- S diyagramındaki gösteriliş, d) Aşırı soğutma sistemi, e) Kızdırma sistemi, f) Aşırı soğutma sisteminin LogP-h diyagramı, g) Aşırı kızdırma sisteminin LogP-h diyagramı