Alternatif Soğutucu AkıĢkanlar Olarak Çevre Dostu Hidrokarbonların Kullanılması Üzerine Bir Değerlendirme

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Alternatif Soğutucu AkıĢkanlar Olarak Çevre Dostu Hidrokarbonların Kullanılması Üzerine Bir Değerlendirme H. Özcan 1, E. Arcaklıoğlu 2 1 Karabük Üniversitesi, Karabük/Türkiye, ozcanh@karabuk.edu.tr 2 Karabük Üniversitesi, Karabük/Türkiye, arcakli@karabuk.edu.tr A review on Environmentally Friendly Hydrocarbons as Alternative Refrigerants Abstract Currently, halogenated refrigerants (CFC, HCFC) are widely used as a constituent of refrigerating units in developing countries due to their superior thermodynamic and thermophysical properties, low cost and long maintenance interval. Through the halogenated refrigerants include chlorine atoms they cause ozone depletion and the chemical structure of halogenated refrigerants causes global warming. Halogenated refrigerants have been decided to be phased out as stated in the Montreal and the Kyoto Protocol. This paper aims to assess studies offering environmentally friendly pure HC refrigerants, HC mixtures and HFC/HC mixtures as alternatives to halogenated refrigerants. A discussion has been made for safety factors and compatibility issues which may occur in short and long terms while running HCs and their mixtures as refrigerants. Keywords Refrigeration Units, Alternative Refrigerants, Hydrocarbons, Safety Factors, Compatibility. I. INTRODUCTION 1900 lü yılların baģlarında soğutma endüstrisinde yaygın olarak kullanılan Metil Klorid, Sülfür Dioksit ve Amonyak keskin kokuları nedeniyle her ne kadar sızıntıların anlaģılmasını kolaylaģtırsa da konutsal soğutma için problem teģkil ediyordu [1]. Bu nedenle hidrokarbonlara alternatif olabilecek soğutucu akıģkanlar üzerine çalıģmalar yapıldı lu yılların baģlarında Migley ve Henne klor ve flor atomlarının hidrokarbonların kaynama noktası, yanma ve zehirlilik özellikleri üzerine etkilerini incelemiģler, bu atomların hidrokarbonların istenmeyen özelliklerini büyük oranda düģürdüğünü gözlemlemiģlerdir. Bu çalıģmaları takiben ilk CFC (kloroflorokarbon) üretimi ticari olarak ile 1931 yılında gerçekleģmiģtir. yi takiben 1932 yılında R11 üretimi baģlamıģ ve 1950 li yıllarda HCFC (hidrokloroflorokarbon) ların üretimi ve yaygın olarak kullanımı baģlamıģtır [2,3] yılında Molina ve Rowland, yaptıkları Nobel ödüllü çalıģmaları sonucunda masum görünen CFC ve HCFC lerin ozonu tükettiğini bildirmiģlerdir [4]. Bu çalıģma üzerine BirleĢmiĢ Milletler Çevre Programı dâhilinde CFC ve HCFC lerin ozon tüketim potansiyeli (ODP) belirlenerek, tedavülden kaldırılması için Ģartlar oluģturulmuģtur. GeliĢmekte olan ülkelerde CFC lerin tamamen tedavülden kaldırılması için tarih 2010 olarak, HCFC ler için 2040 olarak belirlenmiģtir [5,6]. CFC ve HCFC ler yerine ozon tüketmeyen HFC kullanımı yaygınlaģmaya baģladıysa da saf HFC lerin yüksek küresel ısınma potansiyelleri (GWP) Kyoto Protokolünde belirlenmiģ, HFC üretimi ve kullanımının azaltılması için ortak karar alınmıģtır [7]. Bu çalıģmada soğutma sistemlerinde kullanılan çevre dostu HC ve HFC/HC karıģımlarının teorik veya pratik analizlerinin yapıldığı çalıģmalar kapsamlı olarak değerlendirilmiģ, bu karıģımların kullanılmasıyla ileri vadede ortaya çıkabilecek zorluklar ve mevcut önlemler ele alınmıģtır. II. SOĞUTUCU AKIġKAN OLARAK HĠDROKARBONLARIN ÖZELLĠKLERĠ A. Hidrokarbonların Genel Özellikleri Hidrokarbonlar; doğal, zehirsiz, ozonu tüketmeyen, yüksek enerji verimliliği sağlayan, küresel ısınma potansiyeli değeri ihmal edilebilir düzeyde olan, soğutma sistemi ekipmanları değiģmeden çalıģabilen ve mevcut soğutucu akıģkan yağları ile uyumluluk gösteren akıģkanlardır. Doğada saf olarak bulundukları için üretimi kolay ve maliyeti düģüktür [8]. ġekil 1 de hidrokarbonlar ve halokarbonlar arasındaki ODP ve GWP değerlerinin karģılaģtırmasını gösterilmektedir. Alternatif soğutucu akıģkanların seçiminde termodinamik ve termofiziksel özellikleri göz önünde bulundurulur. Performans etkenliği, hacimsel soğutma kapasitesi, kritik sıcaklık ve basınç, moleküler ağırlık değerleri alternatifi olacakları akıģkanlara göre yakın ya da üstün olmalıdır [9]. Tablo 1 de literatürde kullanılan hidrokarbonlar ve, ve soğutucu akıģkanlarına ait bazı termodinamik ve termofiziksel değerler gösterilmiģtir. ġekil 1: Bazı soğutucu akıģkanların ODP ve GWP (x1000) Değerleri [10]. 66

2 Alternatif Soğutucu Akışkanlar Olarak Çevre Dostu Hidrokarbonların Kullanılması Üzerine Bir Değerlendirme Propan () ve Propilen (70) in normal kaynama sıcaklıkları -40ºC nin altında olduğu için genel soğutma uygulamaları için uygundur. Bütan (R600) ve isobütan (R600a) ın normal kaynama sıcaklıkları 0,-10ºC civarında olsa da, yüksek kritik sıcaklık değerleri sayesinde bu iki akıģkan soğutma uygulamalarında verimli bir Ģekilde çalıģabilirler. Yanıcılıkları nedeniyle sızdırmazlık baģta olmak üzere alınacak güvenlik önlemleri ile araç, konutsal ve endüstriyel soğutma sistemlerinde halojenlere göre daha verimli ve sessiz olarak çalıģabilirler[11]. Tablo 1: +30/-40 ºC yoğuģma/buharlaģma sıcaklıklarında soğutucu akıģkan özellikleri [9, 12, 13]. R600 R600a 70 GK A1 A1 A1 A3 A3 A3 A3 T kn ( o C) -29,8-40,8-26,07-42,11-0,49-11,75-47,62 M(kg/kmol) 120,9 86,47 102,03 44,096 58,12 58,122 42,08 T c ( o C) 117,9 96,14 101,06 96,74 151,9 134,66 91,061 P c (Mpa) 4,136 4,99 4,06 4,25 3,796 3,629 4,555 COP 2,547 2,519 2,484 2,468 2,589 2,499 2,471 HSK (J/dm 3 ) 453,1 765,3 387,37 693,36 138,1 211,56 883,55 Tablo 1 de görüldüğü üzere karģılaģtırılan akıģkanların COP (Performans Etkenliği) değerleri arasındaki değiģim %1 civarındadır ve R600 ün COP değeri karģılaģtırıldığı diğer halokarbonlardan daha üstündür. HSK (Hacimsel Kapasitesi) soğutucu akıģkanların birim hacimde ortamdan alabileceği ısı miktarının bir göstergesidir. Tüm soğutucu akıģkanlarda HSK değerleri normal kaynama sıcaklıkları ile doğru orantılı olarak değiģmektedir ve en düģük normal kaynama sıcaklığına sahip olan 70, en yüksek hacimsel soğutma kapasitesine sahiptir. B. Güvenlik Önlemleri Hidrokarbonların yüksek yanıcılık ve patlayıcılık özellikleri, üreticileri kapsamlı güvenlik önlemleri almaya zorlamıģ ve soğutma sistemlerinde hidrokarbon kullanan birçok ülkede bu sistemlerin çalıģma standartlarını belirlemek üzere kanun ve tebliğler yürürlüğe sokulmuģtur. Avrupa Birliği ve Amerika da belirlenen bazı standartlar ile hidrokarbonların soğutma sistemlerindeki kullanım miktarı kısıtlanmıģtır [14]. Soğutucu akıģkanların ASHRAE tarafından sınıflandırma Ģekli Tablo 2 de gösterilmiģtir. Sınıflandırmada kullanılan harfler zehirlilik özeliğini, sayılar ise yanıcılık özelliğini göstermektedir. Güvenli sistem tasarımı ve konstrüksiyonu için gerekli ön koģulların değerlendirilmesi yapıldıktan sonra sistem ekipmanların seçimi ön plana çıkar. HC li sistemlerde var olan kompresör teknolojisi yalnızca yarı hermetik kompresörlerdir. Avrupa Birliği nin PED (Pressure Equipment Directive) yönetmeliği nedeniyle hermetik, pistonlu ve skrol kompresörlerin bu sistemlerde kullanımı yasaktır [15]. Ġlerleyen yıllarda Avrupa Birliği uyum süreci çerçevesinde Türkiye de bu yönetmeliklere tâbi olacaktır. Tablo 2: Soğutucu akıģkanların emniyet yönünden sınıflandırılması Yanıcılık Sınıfı Zehirlilik Sınıfı A DüĢük Zehirli B Yüksek Zehirli 1 Alevlenme Özelliği Yok A1 B1 2 DüĢük Yanıcı A2 B2 3 Yüksek Yanıcı A3 B3 Sistem tesisatı kurulurken boru bağlantıları parlama ve alevlenmeye karģı sızdırmaz olmalıdır. 1 kg ve üzeri HC Ģarjı yapılan soğutma sistemlerine basınç göstergeleri yerleģtirilmelidir. Üretici firma kataloglarında belirtilen basınç aralığında çalıģmayan soğutma ünitelerinin kullanımı yasaklanmıģtır. HC detektörleri soğutma sistemi için belirlenmiģ L (En düģük yanıcılık limiti) faktörünün %20 sinde aktif hale gelerek soğutma sisteminin havalandırma sistemini otomatik olarak devreye sokmalıdır. 2.5 kg üzeri HC Ģarjı ile çalıģan soğutma ünitelerinin bulunduğu ortamlardaki elektrik donanımları uygun Ģekilde korunmalı ya da tamamen uzaklaģtırılmalıdır [17]. III. DENEYSEL VE TEORĠK ÇALIġMALAR UNEP (United Nations Environmental Programme, Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer, 1987) görüģmeleri sonrasında dünyanın çeģitli ülkelerinde alternatif soğutucu akıģkanlar üzerine birçok çalıģma yapılmıģtır. Halojenlere alternatif olarak CFC/HCFC karıģımları, HCFC/HFC karıģımları ve saf HFC soğutucu akıģkanlar önerilmiģtir. Kısa süreli çözüm vadeden bu çalıģmaların yanı sıra uzun vadede alternatif çözüm için saf HC, HFC/HC ve HC karıģımları üzerine deneysel ve teorik çalıģmalar yapılmıģtır. Didion ve Bivens, alternatif azeotrop, yakın azeotrop ve zeotrop soğutucu akıģkan karıģımlarının termodinamik özeliklerini belirleme ve saf akıģkan kullanan sistemlere olan uyumlulukları üzerine çalıģma yapmıģlardır. Özellikle üçlü azeotroplar özellik seçiminde esneklik gösterse de bu karıģımların çeģitliliği yok denecek kadar azdır. Yakın azeotroplar, azeotroplara yakın davranıģlar gösterse de faz değiģimi sırasında kompozisyonları değiģebileceğinden yeniden Ģarj edilirken hata yapma riskini de beraberinde getirmektedir. Zeotroplar, enerji verimliliği açısından olumlu iken, sistem ekipmanlarının değiģimini gerektirdiğinden yalnızca yeni sistemlerde kullanımı uygundur [18]. A. Saf Hidrokarbonlar James ve Missenden, ın evsel soğutma sistemlerdeki performansını incelemiģ, ayrıca CFC ile uyumlu sistemlere ın uyumluluğu, çevresel etkileri, yanıcılık gibi güvenlik faktörleri üzerine yaptığı çalıģmanın sonucunda ın CFC lere alternatif olabileceğini bildirmiģtir [19]. Petz ve Wolf, kullanılan bir soğutma sisteminde, R600a ve ile enerji tüketimi ve soğutma kapasitesi deneyleri 67

3 E. Arcaklıoğlu, H. Özcan yapmıģlardır. ın soğutma kapasitesi ye göre %20 fazla, fakat enerji tüketimini %5 fazla olarak tespit edilmiģtir. R600a nın ise soğutma kapasitesi nin yarısı kadar olsa da enerji tüketimi den %10 azdır. Piston contaları ve vanalar boyunca oluģan soğutucu akıģkan sızıntılarının engellenmesi ile ve R600a için daha yüksek enerji verimliliği elde edilebileceğini belirtmiģlerdir [20]. Lee ve Su, 150 gr R600a Ģarj ettikleri soğutma sisteminde soğuk depo uygulamaları için 4ºC ve dondurma uygulamaları için 10ºC soğutma sıcaklıklarında deneysel performans analizi yapmıģlardır. Deneyler sonucunda R600a kullanılan sistemde soğuk depo uygulaması için 4.5 ve dondurma uygulaması için 3.5 COP değeri elde etmiģlerdir. Bu soğutucu akıģkan ve ye alternatif olarak sunulmuģtur [21]. Tablo 3: Saf Hidrokarbonlar üzerine deneysel ve teorik çalıģmalar Ref. Durum Sistem AkıĢkan Alternatif [19] Deneysel [20] Deneysel Araç Ġklimlendirme [21] Deneysel Soğuk Depo [22] Deneysel [23] Deneysel [24] Teorik Soğuk Oda R600a R600a R401A R404A R410A R600a Halimic ve ark. ye alternatif olarak, R401A ve soğutucu akıģkanlarının performansını deneysel olarak incelemiģlerdir. karģılaģtırıldığı akıģkanlara göre en yüksek soğutma kapasitesini ve ye göre en düģük TEWI (kgco 2-Toplam eģdeğer ısınma etkisi) değerini göstermiģtir. Bu değer soğutma ünitesi için gerekli elektrik gücünün üretiminde oluģan CO 2 miktarının bir ölçüsüdür [22]. Spatz ve Motta, ye alternatif olarak R404A, R410A ve ın performanslarını deneysel olarak incelemiģlerdir., ye göre %5 e yakın daha iyi verimlilik gösterse de çevresel etkileri optimize edilerek giderilmiģ HFC410A yı alternatif olarak sunmuģtur [23]. Kabul ve ark. teorik olarak yaptıkları enerji ve ekserji analizi sonucunda değiģen soğutma kapasitesi, kondenser sıcaklığı ve evaporatör sıcaklığı değerlerinde R600a nın COP, verim oranı ve ekserji etkenliği değerlerini incelemiģlerdir. Artan evaporatör sıcaklığında bu değerlerde artıģ gözlenmiģ ve toplam tersinmezlik düģmüģtür. Kondenser sıcaklığının yükselmesi ile de bu değerlerde düģüģ görülmüģtür [24]. Tablo 3 te ve ye alternatif saf hidrokarbonlar üzerine yapılan teorik ve deneysel çalıģmalar özet halinde gösterilmektedir. B. Hidrokarbon Karışımları Richardson ve Butterworth, evsel buhar sıkıģtırmalı soğutma sisteminde ile %56/44 ve %43/57 oranlarında /R600a ile performans ölçümü yapmıģlardır. %56/44 oranındaki karıģım den daha yüksek COP değeri göstermiģtir. %43/57 oranlı karıģım ise yalnızca -10ºC üzerindeki sıcaklıklarda yüksek performans göstermektedir [25]. Alsaad ve Hammad, sırasıyla %24.4/56.4/17.2 kütlesel oranında, R600 ve R600a içeren LPG (Liqufied Petroleum Gas) soğutucu akıģkanı ile ile çalıģmaya uyumlu konutsal bir soğutma sisteminde yaptıkları deneysel çalıģmada 27ºC kondenser sıcaklığı ve 20ºC ortam sıcaklığında 3.4 COP değeri ve -15ºC ye kadar evaporatör sıcaklığı elde edilmiģtir. Bir baģka deneysel çalıģmada ise ile uyumlu konutsal soğutma sistemine 4 farklı HC karıģımları (%100, %75/9,1/5,9, %50/38.3/11.7 ve %25/57.5/17.5 kütlesel oranlarında /R600/R600a) Ģarj ederek performans ölçümü yapmıģlardır. %50/38.3/11.7 oranındaki karıģım 27ºC kondenser sıcaklığında 3.7 COP değeri ve -16ºC evaporatör sıcaklığı ile en yüksek performansı göstermiģtir. Bu karıģım aynı koģullarda 3.6 COP değeri gösteren ye alternatif olarak sunulmuģtur [26,27]. Coulbourne ve Ritter %45.2/54.8 oranında /R600a karıģımının mevcut HC karıģımları içinde en popüler karıģım olduğunu vurgulamıģ, kimyasal olarak kararlı davranıģ gösteren, hermetik kompresörlerde metal olmayan ekipmanlarla tepkimeye girmeyen yapıda olduğunu göstermiģlerdir [28]. Arcaklıoğlu, tez çalıģmasında ye alternatif bulmak için yaptığı teorik performans çalıģmasında, /R600a nın performansını 9 farklı karıģım oranında (40/60, 43/57, 48/52, 50/50, 56/44, 60/40, 70/30, 80/20, 90/10) hesap etmiģtir. %14/86 oranında R152a/, %18/82 oranında R600a/ ve %5/95 oranında / karıģımlarına göre daha iyi hacimsel soğutma katsayısı gösteren /R600a nın %56/44 oranlı karıģımı ye en iyi alternatif olarak sunulmuģtur [29]. Wongwises ve Chimres, R600 ve R600a soğutucu akıģkanlarını saf, ikili ve üçlü olarak orta boy hermetik buhar sıkıģtırmalı soğutma sisteminde ya alternatif sunmak için kullanmıģtır. Sistem, %60/40 oranlı /R600 ile dan daha az enerji tüketmektedir. Bunun sebebi de bu karıģımın doyma sıcaklığının dan düģük, erime sıcaklığı da yüksek olmasıdır. Aynı zamanda sisteme 60g HC Ģarjı yapılırken, Ģarjı 120g dır. Bu nedenle HC karıģımının daha ekonomik olduğu da söylenebilir. BaĢka bir çalıģmada ise Wongwises ve ark. araç iklimlendirme sisteminde yaptıkları deneysel çalıģmada %50/40/10 oranında /R600/R600a karıģımının dan daha düģük kompresör deģarj sıcaklığı ve basıncı gösterdiğini, 4-6ºC evaporatör sıcaklığında dan %16.5 daha yüksek COP değerine sahip olduğunu göstermiģlerdir [30,31]. 68

4 Alternatif Soğutucu Akışkanlar Olarak Çevre Dostu Hidrokarbonların Kullanılması Üzerine Bir Değerlendirme Tablo 4: Hidrokarbon karıģımları üzerine deneysel ve teorik çalıģmalar Ref. Durum Sistem AkıĢkan Alternatif [25] Deneysel [26] Deneysel [27] Deneysel [28] Deneysel [29] Teorik [30] Deneysel [31] Deneysel [32] Deneysel [33] Deneysel [34] Deneysel [35] Deneysel [36] Deneysel [37] Teorik Araç Ġklimlendirme Joule- Thomson Makinesi Isı Pompası Saf Soğutucu AkıĢkanlar /R600a (%56/44) LPG /R600/R600a (%24.4/56.4/17.2) /R600/R600a (%50/38.3/11.7) /R600a (%45.2/54.8) /R600a (%56/44) /R600 /R600/R600a (%40/50/10) LPG /R600 (%60/40) /R600a/R600 (%40 Propan) /R600a (%68/32) /R170/R50 (%29.5/57/13,5) (%35/35/30) (%74.5/21/4.5) R170/ (%6/94) /R600a (%40/60) /70 (%20/80) Fatouh ve Kafafy %60 propan %40 ticari bütan içeren LPG kullanarak yaptıkları deneysel analiz sonucunda, LPG kullanılan soğutma sisteminin enerji tüketiminin %10.8 azaldığını, COP değerinin %7.6 arttığını göstermiģlerdir. LPG nin sisteme Ģarjı arttıkça deģarj sıcaklığı, elektrik tüketimi ve soğutma kapasitesi artmaktadır. Bu nedenle optimum LPG Ģarjı 60g olarak belirlenmiģtir. Bir baģka çalıģmalarında da -35ºC ve -10ºC arası evaporatör sıcaklıkları ve 40-60ºC kondenser sıcaklıkları göz önüne alarak HC ve HC karıģımları için simülasyon hazırlamıģlardır. %60 propanlı Propan/bütan/ticari bütan karıģımı ile hemen aynı buhar basıncındadır. dan 2ºC daha fazla deģarj sıcaklığı gösterir, COP değeri ise %2,3 fazladır. ve HC karıģımı için gerekli giriģ gücü hemen hemen aynıdır [32,33]. Mani ve Selludari %68/32 oranında /R600a HC karıģımını ve ya alternatif olarak deneysel bir çalıģma ile sunmuģtur. Deneysel analiz sonucu /R600a diğerlerine göre yüksek soğutma kapasitesi ve yüksek enerji tüketimi göstermiģtir. Yüksek evaporatör sıcaklığı ve düģük kondenser sıcaklıklarında HC karıģımı en iyi performansı göstermektedir [34]. Rozhentsev ve Naer, Linde çevrimi ile çalıģan bir Joule-Thomson soğutma makinesinde HC karıģımları ile çalıģmıģ ve bu soğutma sisteminin karıģımlarla, saf akıģkanlardan daha verimli çalıģtığını göstermiģlerdir [35]. Park ve Jung R170/ Ģarjı yaptıkları ısı pompasının performansını incelemiģlerdir. R170 oranı artan karıģımın soğutma kapasitesi artmakta, deģarj sıcaklığı düģmektedir. DüĢük deģarj sıcaklığı sistem güvenilirliği ve ömrü açısından üreticilere fayda sağlamaktadır. KarıĢımın sıvı yoğunluğu düģük olduğu için den %58 daha fazla Ģarj gerektirmektedir. %6 R170 içeren karıģımın COP değeri den %6 fazladır ve bu karıģım ye uzun vadede alternatif olarak sunulmuģtur[36]. Dalkılıç ve Wongwises, teorik çalıģmalarında bir buhar sıkıģtırmalı soğutma sisteminde birçok saf HC, HFC ve HC karıģımları ile performans analizi yapmıģlardır. ÇalıĢmalar sonucunda 50ºC kondenser ve -10ºC evaporatör sıcaklığında ye alternatif olarak %40/60 oranlı /R600a ve alternatifi olarak %20/80 oranlı /70 karıģımı uygun bulmuģlardır [37]. Tablo 4,, ve gibi ozon tüketen ve küresel ısınmaya sebep olan soğutucu akıģkanlara alternatif olarak HC karıģımları ile yapılan deneysel ve teorik çalıģmaları özetlemektedir. C. HFC/HC Karışımları Kim ve ark azeotropik davranıģ gösteren / (%45/55) ve /R600a (%80/20) karıģımlarının performanslarını bir ısı pompasında değerlendirmiģlerdir. KarıĢımların kompresör deģarj sıcaklığı saf akıģkanlarınkinden daha azdır. / karıģımının soğutma kapasitesi ve dan yüksektir. /R600a karıģımının COP değeri ve dan yüksek olarak bulunmuģtur [38]. Defibaugh ve Morrison, CSD (Carnahan-Starling-Desantis) hal denklemini kullanarak tek nokta ölçüm cihazı ile 15 farklı akıģkan için etkileģim katsayılarını hesaplamıģ ve REFPROP programı değerleri ile kıyaslamıģtır [39]. REFPROP, saf soğutucu akıģkan ve 5'li karıģıma kadar soğutucu akıģkan karıģımlarının termodinamik özelliklerini veren bir paket programdır. Özellikle HFC karıģımlarında Helmholtz Enerji Hal Denklemini, diğer karıģımlarda ise ilgili karıģıma uygun hal denklemlerini kullanmaktadır. Doyma bölgesi, kızgın buhar bölgesi ve aģırı soğutulmuģ sıvı bölgesi için ve bilinen özelliklere göre hesaplanacak termodinamik değerleri ayrı alt programlarla hesaplayan REFPROP ile akıģkanlara ait T-s, P- h, P-x, T-x diyagramları da çizilebilmektedir. Sekhar ve ark, 3 farklı //R600a karıģımının deneysel analizini yapmıģtır. HC karıģımını %7, %9 ve %11 alarak ile karıģtırmıģlardır. /R600a %45.2/54.8 oranında karıģtırılmıģtır. /HC (%91/9) karıģımının enerji tüketimi den %6.4 e kadar azdır. Teorik COP değeri %3-12, gerçek COP değeri %3-8 arasında den fazladır. Sıcaklık kayması 3ºC civarındadır ve kabul edilebilir değerdedir saatlik çalıģma sonucunda yağ uyumluluğu konusunda da hiçbir problem yaģanmamıģtır. BaĢka bir çalıģmada Sekhar ve Lal, /HC (%91/9) karıģımının performansını evsel soğutucu, derin dondurucu, soğuk oda ve otomat soğutucuda değerlendirmiģtir. HC karıģımı %44.8/55.2 /R600a dan oluģmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre HFC/HC karıģımı den değiģik koģullar altında %

5 E. Arcaklıoğlu, H. Özcan arası daha iyi performans ve %5-15 arası daha az enerji tüketimi değerleri göstermiģtir [40,41] Tablo 5: HFC/HC karıģımları üzerine teorik ve deneysel çalıģmalar Ref. Durum Sistem AkıĢkan Alternatif [38] Deneysel Isı Pompası [40] Teorik Deneysel [41] Deneysel Soğutucu, Derin Dondurucu, Soğuk Oda, Otomat Soğutucu [42] Deneysel Soğuk Depo [43] Deneysel Pencere Tipi Soğutucu [44] Deneysel Isı Pompası [45] Deneysel [46] Teorik [47] Deneysel Konutsal Su Arıtıcı Transkritik Çevrimli Isı Pompası / (%55/45) /R600a (%80/20) /HC[Ref 28 ] (%91/9) /HC[Ref 28] (%91/9) R417A(5// R600) (%46.6/50/3.4) R407C/HC[Ref 28] (%80/20) 70//DME (%45/40/15) R430A (R152a/R600a) (%76/24) R32/ R413A(/R218/R 600a) (%88/9/3) Apprea ve Renno R417A(5//R600, %46.6/50/3.4) ile nin deneysel olarak enerji ve ekserji performanslarını kıyaslamıģlardır. Soğuk depo düzeneğinde yaz ve kıģ için elde edilen verilere göre, R417a dan daha üstün performans gösterse de R417A eski sistemlere tam uyumu ve çevre dostu olması nedeniyle uzun vade alternatifi olarak göz önüne alınabilir [42]. Jabaraj ve ark. %80/20 R407C/HC karıģımının performansını ye alternatif olarak pencere tipi iklimlendiricide incelemiģlerdir. HC karıģımı %54.8/45.2 R600a/ dır. nin sistem yağları ile uyumlu olmayan R407C ye HC karıģımı katılınca bu problem çözülmektedir. %20 oranında HC karıģımı ile sıcaklık kayması değeri 6ºC civarında olsa da ye alternatif olabilecek durumdadır [43]. Park ve Jung, 7 farklı karıģım ile deneysel su soğutmalı ısı pompası/klima sisteminde ye alternatif aramıģlardır. Yakın azeotrop olan 70//DME (%45/40/15) %5.7 daha iyi COP değeri göstermiģtir. 70/ (%20/80) in kapasitesi den azdır. Tüm karıģımların deģarj sıcaklığı den azdır. DüĢük yoğunlukları nedeniyle tüm karıģımların Ģarjı den %55 e kadar fazladır. BaĢka bir çalıģmada, R430A (%76/24 R152a/R600a) ya alternatif olarak konutsal su arıtıcılarında incelenmiģtir. n küçük hacmi soğutucu akıģkan Ģarjının performansa olan etkisini arttırmıģtır g Ģarj ile R430A dan %13.4 daha az enerji tüketmiģtir. Kılcal tüp optimizasyonu ve uygun yağlayıcı seçimi ile bu akıģkan uzun vade alternatifi olarak sunulabilir [44,45]. Yu ve ark. R32/ (%70/30) karıģımı ile su ısıtma ısı pompasının transkritik çevriminin termodinamik analizini yapmıģlardır. Kritik sıcaklığı ortam sıcaklığının altında olan soğutucu akıģkan kullanan soğutma çevrimlerinde kondenser yerine gaz soğutucu kullanılır. Bu çevrimler transkritik çevrim olarak adlandırılır. Kompresör sıcaklığı 90ºC, gaz soğutucu sıcaklığı 35ºC ve evaporatör sıcaklık aralığı -10 ile 20ºC olarak çalıģıldığında, iç ısı değiģtirici kullanılınca temel sistemden % e kadar daha iyi COP değeri sağlanmakta ve kompresör çıkıģ basıncı % düģmektedir. Küçük ısı pompalı su ısıtıcılarında R32/ karıģımı 90 ºC ye kadar sıcak su sağlayabilmekte ve alternatif olabilmektedir[46]. Padilla ve ark. R413A (/R218 /R600a %88/9/3) karıģımını konutsal soğutma için ye alternatif olarak sunmuģtur. Deneysel çalıģmalar sonucunda bu karıģımın ekserji verimi den daha iyidir, düģük enerji tüketimi gösterir[47]. Tablo 5 de,, ve a alternatif olarak HC/HFC soğutucu akıģkanları ile yapılan deneysel ve teorik çalıģmaları özetlenmektedir. IV. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER Hidrokarbonlar üzerine yapılan deneysel ve teorik çalıģmalarda çevre dostu bu soğutucu akıģkanlar, mevcut soğutma sistemlerinde kullanılan, ozonu tüketen ve küresel ısınmaya sebebiyet veren soğutucu akıģkanlara çevre dostu alternatif olarak sunulmuģtur yılları arasında yapılan çalıģmalar değerlendirme kapsamına alınmıģtır. ÇalıĢmalar sonucunda yalnızca HC kullanılan deneylerde her ne kadar yüksek performans etkenliği değerleri elde edilse de yüksek enerji tüketimi saf hidrokarbonları dezavantajlı alternatifler olarak göstermektedir. HFC/HC karıģımları ve HC karıģımları kısa ve uzun vadede saf hidrokarbonlara göre daha iyi alternatiflerdir. sistemi tasarımı yapılırken hidrokarbon kullanımından kaynaklanabilecek yanıcılık ve patlayıcılık gibi riskler göz önünde bulundurulmalıdır. Soğutucu akıģkanın sistemde kullanım miktarı minimum seviyede tutulmalıdır. Sızıntı ve kaçakları tespit edecek detektörlerin sisteme dâhil edilmesi hayati önem taģımaktadır. Hidrokarbonlu soğutma sisteminin bulunduğu ortamlar havalandırılmalı, kapalı alan içerisindeki elektrikli ekipmanların kıvılcım ve kaçak gibi olasılıkları göz önünde bulundurularak önlem alınmalıdır. sistemi içerisindeki bağlantı noktaları minimuma indirilmeli ve tam sızdırmazlık sağlanmalıdır. Ülkemizde CFC lerin üretimi ve kullanımı 2010 yılı baģında durdurulmuģtur. HFC ler de 2030 yılına kadar piyasadan tamamen kaldırılacaktır. Mevcut çalıģmalarda gelecekte bu akıģkanlara en iyi alternatifler olarak hidrokarbonlar önerilmiģtir. Çevre dostu hidrokarbonların soğutma sistemlerinde kullanımı üzerine ülkemizde daha kapsamlı bilimsel çalıģmalar yapılmalıdır. Farklı oranlarda HC karıģımları, CFC ve HFC ile çalıģan sistemlere uygunlukları, mevcut yağlama yağları ile uyumlulukları ve güvenlik önlemleri üzerine ilave çalıģmalarla bu soğutucu akıģkanlar soğutma sistemlerinde sorunsuz olarak çalıģabilir. 70

6 Alternatif Soğutucu Akışkanlar Olarak Çevre Dostu Hidrokarbonların Kullanılması Üzerine Bir Değerlendirme KAYNAKLAR [1] B. Palm, Hydrocarbons as refrigerants in small heat pump and refrigeration systems- A review International Journal of Refrigeration, Vol. 31, pp , [2] T. Midgley Jr., A.L. Henne, Organic fluorides as refrigerants, Journal of Industrial Engineering and Chemistry, Vol. 22, pp , [3] J.M. Calm, The next generation of refrigerants-historical review, Considerations and Outlook, International Journal of Refrigeration, Vol. 31, pp , 2008 [4] M.J. Molina, F.S. Rowland, Stratosphere sink for chlorofluoro-methanes chlorine catalyzed destruction of ozone Nature, Vol. 249, pp , [5] United Nations Environment Program (UNEP), Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer, 1987 [6] R.L. Powell, CFC phase out: Have we met the challenge?, Journal of Flourine Chemistry, Vol. 114, pp , 2002 [7] United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), Kyoto Protocol on Climate Change, 1997 [8] Available on : [9] B. Saleh, M. Wendland, Screening of Pure Fluids as alternative refrigerants,international Journal of Refrigeration, Vol. 29, pp , [10] M. Mohanraj, S. Jayaraj, C. Muraleedharan, Environment friendly alternatives to halogenated refrigerants-a Review, International Journal of Green House Gas Control, Vol. 3, pp , 2009 [11] S.F. Pearson, New, Natural and Alternative Refrigerants, Star Refrigeration Limited, 2003 [12] E.W. Lemmon, M.O. McLinden, M.L. Huber, NIST reference fluid thermodynamic and transport properties-refprop, NIST standard reference database, 23-Version 7.0; 2002 [13] ASHRAE, Safety Code for Mechanical Refrigeration, USA. [14] J.M. Corberan, J. Segurado, D. Colbourne, J. Gonzalvez, Review of standards for the use of hydrocarbon refrigerants in A/C, heat pump and refrigeration equipment, International Journal of Refrigeration, Vol. 31, pp , 2008 [15] PED. Pressure Equipment Directive. Directive of the European Community 97/23/EC, 1997 [16] H. Bulgurcu, O. Kon, N Ġlten, Soğutucu akıģkanların çevresel etkileri ile ilgili yasal düzenlemeler ve hedefler, VIII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, pp , 2007 [17] IEC 60079: Electrical apparatus for explosive gas atmospheres [18] D.A. Didion, D.B. Bivens, Role of refrigerant mixtures as alternatives, International Journal of Refrigeration, Vol. 13, pp , 1990 [19] R.W. James, J.F. Missenden, The use of Propane in domestic refrigerator, International Journal of Refrigeration, Vol. 15, pp , 1992 [20] M. Petz, R. Wolf, Performance tests of a vehicle refrigerant compressor with,, and R600a, Hydrocarbons and other progressive answers to refrigeration, Greenpeace, Hamburg, pp , 1995 [21] Y.S. Lee, C.C. Su, Experimental studies of isobutane (R600a) in domestic refrigeration system, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, pp , 2001 [22] E. Halimic, D. Ross, B. Agnew, A. Anderson, I. Potts, A comparison of the operating performance of alternative refrigerants Applied Thermal Engineering, Vol. 23, pp , 2003 [23] M.W. Spatz, S.F.Y. Motta, An evaluation of options for replacing HCFC-22 in medium temperature refrigeration systems, International Journal of Refrigeration, Vol. 27, pp , 2004 [24] A. Kabul, Ö. Kızılkan, A.K. Yakut, Performance and exergetic analysis of vapor compression refrigeration system with an internal heat exchanger using a hydrocarbon, isobutane (R600a), International Journal of Energy Research, Vol. 32, pp , 2008 [25] R. Richardson, J. Butterworth, The performance of propane/isobutane in a vapor-compression refrigeration system, International Journal of Refrigeration, Vol. 18, pp.58, 1995 [26] M.A. Alsaad, M.A. Hammad, The application of propane/butane mixture for domestic refrigerators, Applied Thermal Engineering, Vol. 18, pp , 1998 [27] M.A. Alsaad, M.A. Hammad, The use of Hydrocarbon mixtures as refrigerants in domestic refrigerators, Applied Thermal Engineering, Vol. 19, pp , 1999 [28] D. Colbourne, T.J. Ritter, Compatibility of non-metallic metarials with hydrocarbon refrigerants and lubricant mixtures, IIF IIR Commission, Purdue University, USA,2000 [29] E. Arcaklıoğlu,, ve R502 Soğutucu AkıĢkanları ve Alternatif KarıĢımlarının Sistemlerindeki Termodinamik Analizi, Doktora Tezi, Kırıkkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Anabilim Dalı, Kırıkkale,Türkiye, 2002 [30] S. Wongwises, N. Chimres, Experimental study of hydrocarbon mixtures to replace HFC-134a in a domestic refrigerator, Energy Conversion and Management, Vol. 46, pp , 2005 [31] S. Wongwises, A. Kamboon, B. Orachon, Experimental investigation of hydrocarbon mixtures to replace HFC-134a in an automotive air conditioner, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp , [32] M. Fatouh, M. El Kafafy, Experimental evaluation of a domestic refrigerator working with LPG, Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp , [33] M. Fatouh, M. El Kafafy, Assessment of Propane/commercial butane mixtures as possible alternatives to in domestic refrigerators, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp , [34] K. Mani, V. Selludari, Experimental Analysis of a new refrigerant mixture as drop-in replacement for CFC12 and HFC134a, International Journal of Refrigeration, Vol. 47, pp , 2008 [35] A. Rohentsev, V. Naer, Investigation of the starting modes of the lowtemperature refrigerating machines working on the mixtures of refrigerants, International Journal of Refrigeration, Vol. 32, pp , 2009 [36] K.J. Park, D. Jung, Performance of heat pumps charged with R170/ mixture, Applied Energy, Vol. 86, pp , 2009 [37] A.S. Dalkilic, S. Wongwises, A performance comparison of vapourcompression refrigeration system using various alternative refrigerants, International Communications In Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp , 2010 [38] M.S. Kim, W.J. Mulroy, D.A. Didion, Performance Evaluation of Two Azeotropic Refrigerant Mixtures of HFC-134a With R-290 (Propane) and R- 600a (Isobutane), Journal of Energy Resources Technology, Vol. 116, pp , 1994 [39] D. Defibaugh, G. Morrison, Interaction coefficients for 15 mixtures of flammable and non-flammable components, International Journal of Refrigeration, Vol. 18, pp. 518, 1995 [40] S.J. Sekhar, D.M. Lal, S. Renganarayanan, Improved energy efficiency for CFC domestic refrigerators retrofitted with ozone-friendly HFC134a/HC refrigerant mixture, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 43, pp , 2003 [41] S.J. Sekhar, D.M. Lal, HFC134a/HC600a/HC290 mixture a retrofit for CFC12 systems, International Journal of Refrigeration, Vol. 28, pp , 2005 [42] C. Aprea, C. Renno, Experimental comparison of with R417A performance in a vapour compression refrigeration plant subjected toa cold store, Energy Conversion and Management, Vol. 45, pp , 2003 [43] D.B. Jabaraj, P. Avinash, D.M. Lal, S. Renganarayan, Experimental investigation of HFC407C/HC290/HC600a mixture in a window air conditioner, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp , [44] K.J. Park, D. Jung, Thermodynamic performance of HCFC22 alternative refrigerants for residential air-conditioning applications, Energy and Buildings, Vol. 39, pp , 2007 [45] K.J. Park, D. Jung, Performance of alternative refrigerant R430A on domestic water purifiers, Energy Conversion and Management, Vol. 50, pp , 2009 [46] J. Yu, Z. Xu, G. Tian, A thermodynamic analysis of a transcritical cycle with refrigerant mixture R32/ for a small heat pump water heater, Energy and Buildings, Vol. 42, pp , 2010 [47] M. Padilla, R. Revellin, J. Bonjour, Exergy analysis of R413A as replacement of in a domestic refrigeration system, Energy Conversion and Management, Vol. 51, pp ,