Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi

Transkript

1 F. Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16(1), , 2004 Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi Özet Kazım PIHTILI ve Mehmet DURANAY * Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, ELAZIĞ kpihtili@firat.edu.tr mduranay@firat.edu.tr Bu çalışmada, konutlarda ve iş yerlerinde çeşitli amaçlar için ihtiyaç duyulan sıcak suyun, ısı pompası kullanılarak temin edilebilirliği teorik ve deneysel olarak araştırılmış ve elektrikli termosifonlu sistemle mukayesesi yapılmıştır. Bu amaçla, yaygın olarak kullanılan 40 litrelik elektrikli termosifonun görevini yapacak şekilde, hava-su tipi FR-22 ile çalışır bir ısı pompası sistemi tasarlanmış ve tasarımına uygun şekilde bir deney seti hazırlanmıştır. Gerekli ölçüm cihazları ile de donatılan ısı pompası deney seti ve elektrikli termosifon ile deneyler yapılarak, elde edilen veriler tablo ve grafiklere aktarılmış ve her iki sistem enerji tüketimi ve diğer yönleri ile mukayese edilmiştir. Sonuç olarak; ısı pompası ile sıcak su temininin, elektrikli su ısıtıcısına nazaran daha verimli olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, zamana ve kaynak sıcaklığına bağlı olarak ısı pompası performansı 1.4 ile 2.4 arasında değişmiştir. Anahtar Kelimeler : Hava su tipi ısı pompası, Soğutucu akışkan, Freon-22, Isıtma tesir katsayısı. Producing Hot Water by Means of a Heat Pump and Comparing it With an Electrical Heater Abstract In this study producing domestic hot water by means of an air to water type heat pump system was researched and compared with an electrical water heater which is commonly used. For experimental studies a heat pump system which is able to produce 40 lt hot water installed. It was used Freon-22 for refrigerant in heat pump system. After the experiments coefficient of performance for heat pump system was defined, the heat pump system was compared with the electrical heater. Finally, has been seen that, water heater heat pump system is more efficient in converting electric energy than a resistance water heater.in this study, coefficient of performance of water heater heat pump has ranged between 1.8 and 2.4 depending the time and the temperature of the source. Keywords : Air to water type heat pump,resistance heater, Freon-22, Coefficient of performance. 1. Giriş Artan nüfusa paralel olarak ısı, mekanik ve elektrik enerjisine olan ihtiyaç gün geçtikce hızlı bir şekilde artmaktadır. Enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması ve enerji dönüşümündeki kayıpları azaltacak yeni sistem ve yöntemlerin geliştirilmesi günümüzde önemli araştırma faaliyetleri içinde yer almaktadır. Bu araştırma konularından biri de son zamanlarda yaygın kullanım alanı bulan ve üzerinde yoğun çalışmalar yapılan ısı pompalarıdır.

2 K. Pıhtılı ve M. Duranay Isı pompası, değişik tür enerji kaynaklarını kullanarak termodinamik kanun ve prensiplerine uygun şekilde çalışan bir sistemdir. Son yıllarda, ısı pompaları çok değişik amaçlar için kullanılmaya başlanmıştır. Hem ısıtma, hem de soğutma amacı ile kullanılabildiği için yıl boyunca yararlanılabilen bir cihaz olarak tercih edilmektedir. Özellikle ısınma ve ısıtma ihtiyacının giderilmesinde yanmasız bir yöntemle ısı temin edilerek yanmanın işlemden çıkarılması önemli bir aşama olmuştur. Bu çalışmada, konutlarda çeşitli amaçlar için ihtiyaç duyulan sıcak suyun ısı pompası yardımı ile temini konusu teorik ve uygulamalı şekilde incelenmiş ve halen yaygın olarak kullanılmakta olan elektrikli termosifonla mukayesesi yapılmıştır. 2. Yöntem Bu çalışmada ters Rankine çevrimi ile çalışan buhar sıkıştırmalı hava-su tipi FR-22 li bir ısı pompası esas alınarak gerekli analizler yapılmıştır. Isıtma amaçlı ısıtma pompalarında ısı pompası performansı (COP) veya ısıtma tesir katsayısı diye bilinen parametre aşağıda gösterildiği gibidir. Qy ITK ( COP) = (1) W veya Şekil 1 deki ideal çevrim esas alınırsa; c ITK h 2 3 = (2) h 2 h h 1 ifadesi yazılabilir. Uygulamada Şekil 1 de verilen ideal çevrimi gerçekleştirmek güç olduğundan, gerçek şartlardaki ısıtma tesir katsayısı daha küçüktür. Şekil 1. İdeal ısı pompası çevrimi 106

3 Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi 2.1. Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi Isıtma amaçlı ısı pompalarında çevrim performansını etkileyen en önemli sistemler, buharlaştırıcı, yoğuşturucu ve kompresördür. Yoğuşturucunun dizaynı ve seçimi önemli bir çalışmayı gerektirir. Yoğuşturucu ısı yükü, Q = A 0 K (kj / h) (3) y t m ifadesi yardımı ile tesbit edilebilmektedir. Burada; Q y yoğuşturucu ısı yükünü (kj/h), A o yoğuşturucu yüzeyini (m 2 ), K toplam ısı transfer katsayısını (W/m 2 K), t m logaritmik sıcaklık farkını göstermektedir. Toplam ısı transfer katsayısı; 1 1 e. A A A K h k. A h. A h. A d d d = (4) r ifadesi ile hesaplanabilmektedir [1]. o ff i s i Eşitlik (4) ifadesinde; e boru cidar kalınlığı, k boru ısı iletim katsayısı, h r buhar tarafı yüzey film katsayısı, h s su tarafı yüzey film katsayısı, h ff kirlenme faktörüdür. 1 0, h ff (m 2 K / W) (5) dir[1]. Gaz tarafı film katsayısı h r aşağıdaki denklemle tesbit edilebilmektedir. h r = g. ρ. h. fg k µ. t. n. d 1/ 4 (W / m 2 K) (6) Sıvı tarafı film katsayısı, k v. dρ c. µ h s = d µ k eşitliği ile hesaplanmıştır. 0.4 (W / m 2 K) (7) 2.2. Yoğuşturucu Yüzey Hesabı Isı pompası yardımı ile ortalama 15 o C deki 40 litre suyun, 50 o C ye çıkarılması tasarlanmıştır. Gerekli ısı transferinin temini amacı ile yoğuşturucu sıcaklığı su sıcaklığından 10 o C fazla seçilerek yoğuşturucu sıcaklığı (T y ) 60 o C, buharlaştırıcı sıcaklığı (T b ) 5 o C alınarak ideal çevrim şartları tesbit edilmiştir. Isı pompası yoğuşturucusu, 40 litrelik bir su tankı içine yerleştirilen ve dış çapı 9.65 mm, iç çapı 8.05 mm olan, spiral olarak bükülmüş bir bakır borudan oluşmuştur. 107

4 K. Pıhtılı ve M. Duranay İdeal çevrim değerleri, (3), (6), (7) nolu eşitlikler kullanılarak yoğuşturucu yüzeyi (A 0 ) hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucu, tasarlanan su sıcaklığına ulaşmak için yukarıda dış ve iç çapı verilen 9.2 m uzunluğunda bakır boruya ihtiyaç olduğu tesbit edilmiştir Geçici Rejim Şartlarında Depo Su Sıcaklığı Analizi Isı pompası yoğuşturucusunun çalışma düzeni Şekil 2 deki gibi tasarlanmıştır. Kızgın buhar halindeki R-22 (1) borusundan geçerken sabit sıcaklıkta yoğuşmakta ve depoda bulunan suya ısı aktarmaktadır. Sabit sıcaklıktaki gizli ısı değişimini, boru içerisinde sabit ısı üretimi gibi düşünerek su ve buhar tarafı için ısı transferi denklemleri yazılırsa; Borudan olan ısı transferi; dtc h1 A1 ( T1 Tc ) h2 A2 ( Tc T2 ) = ρcccvc (8) dt ifadesi ile tesbit edilir. Şekil 2. Yoğuşturucunun basit görünüşü Burada; (1) indisi kızgın buhar tarafına, (2) indisi su tarafına, ( c ) indisi boru cidarına ait özellikleri göstermektedir. Suya olan ısı transferi; dt2 h2 A2 ( Tc T2 ) = ρ 2C2V2 (9) dt ifadesi ile verilir. (7) ve (8) denklemleri düzenlenirse dt dt 2 h A A T2 Tc ρ 2C2V2 ρ 2C2V2 h = 0 (10) ifadesi elde edilir. Bu denklemin çözümü ile aşağıdaki genel çözüm ifadesi elde edilir. 108

5 Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi T T2 T1 m2 m t m 1 1 m2t T 0 1 = m 2 m 1 e m 2 m 1 e (11) (11) ifadesi yardımı ile ısı pompası devrede iken belirli zaman periyotları sonucunda depodaki suyun ulaşabileceği sıcaklıklar tespit edilebilmektedir. Bu teorik değerler sonradan deneysel değerlerle mukayese edilerek teorik ve deneysel çalışma şartlarının uyum içinde olup olmadıkları araştırılmıştır. (11) nolu ifadede; T o : Suyun başlangıçtaki sıcaklığı ( o C), T 1 : Yoğuşturma sıcaklığı ( o C), T 2 : Suyun t zaman sonraki sıcaklığıdır Deneysel Çalışmalar ve Elde Edilen Sonuçlar Yapılan tasarım ve hesaplamalar esas alınarak Şekil 3 de şematik olarak verilen bir deney seti kurulmuştur. Kompresör Kondenser Servis valfi Filtre - kurutucu R_22 Debi ölçer Genleşme valfi Evaporatör Fan Sıcaklık ölçüm cihazı Wattmetre Manometre Termokupl Şekil 3. Deney setinin şematik görünümü. Kurulan deney seti yardımı ile yaz ve kış şartlarında deneyler yapılarak, elde edilen veriler değerlendirilerek, ısı pompası enerji tüketimi ve performans açısından analize tabi tutulmuştur. Isı pompasının tükettiği güç deney seti üzerine yerleştirilen bir wattmetre ile tespit 109

6 K. Pıhtılı ve M. Duranay edilmiştir. Isı pompası Isıtma Tesir Katsayısı aşağıda verilen (12) ve (13) nolu ifade ve hesaplamaları esas alınan sürelerin, başlangıç ve bitimindeki güç tüketimlerinin ortalaması alınarak tespit edilmiştir. Q Q ITK = W + W W yağ su = (12) c f t ITK = m. c. t W t (13) Tablo 1. Deney sonuçları. Depo Üst Su Depo Alt Su Cidar Kond. Çalışma. Buharlaş. Basıncı (kpa) Buharlaş. Yoğuşma Basıncı (kpa) Yoğuşma Güç Tüketimi (W) Su Sıcaklığı (ºC) Su Sıcaklığı Yoğuşma Sıcaklığı Şekil 4. Su ve yoğuşma sıcaklıklarının zamana göre değişimleri. 110

7 Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi Ortam sıcaklığının 18 o C olduğu bir günde 10 ar dakikalık sürelerle elde edilen değerler Tablo 1 de verilmiştir. Belirli bir zaman peryodu süresince su sıcaklığının zamana göre değişimi Şekil 4 de, kompresör tarafından tüketilen enerji Şekil 5 de verilmiştir. Isı pompası ısıtma tesir katsayısının zamana göre değişimi Şekil 6 da verilmiştir Güç (W) Şekil 5. Kompresör tarafından tüketilen enerjinin zamanla değişimi. Deneysel sonuçlardan elde edilen su sıcaklığı değerleri ve (11) nolu denklem yardımı ile hesaplanan su sıcaklıklarının zamana göre değişimleri Şekil 7 de verilmiştir. Isı pompası ve elektrikli ısıtıcı ile yapılan deneylerde ulaşılan su sıcaklığı değerlerinin zamana göre değişimleri Şekil 8 de görülmektedir. ITK (COP) 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2 1,9 1,8 1, Şekil 6. Deney süresince ITK (C.O.P) değişimi Isı pompası ve elektrikli ısıtıcı ile yapılan deneylerden elde edilen sonuçların genel bir değerlendirmesi Tablo 2 de verilmiştir. Deneylerde kullanılan elektrikli ısıtıcı özellikleri Tablo 3 de verilmiştir. 111

8 K. Pıhtılı ve M. Duranay Su Sıcaklığı (ºC) Deneyde ölçülen su sıcaklığı Hesaplanan su sıcaklığı Şekil 7. Belirli zaman periyotlarında ölçülen ve hesaplanan su sıcaklıkları. Tablo 2. Sonuçların karşılaştırılması. Isı Pompası Elektrikli Isıtıcı Su kapasitesi 40 lt 40 lt Başlangıç sıcaklığı 11 o C 11 o C Son sıcaklık 50.8 o C 51 o C Isıtma süresi 80 dk 56 dk Ortalama güç 765 W 2000 W Enerji tüketimi 1020 Wh Wh Tablo 3. Elektrikli ısıtıcının özellikleri. Markası Modeli Su kapasitesi Isıtma gücü Elektrik tüketimi Arçelik ARG 6 ES 40 lt 1980 W 2 KWh 112

9 Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi Su sıcaklığı (ºC) c Isı pompası su sıcaklığı Elk.Isıtıcı su sıcaklığı Şekil 8. Isı pompası ve elektrikli ısıtıcıda su sıcaklığının zamana göre değişimi. 3. Sonuçlar ve Öneriler Şekil 7 ve Tablo 2 deki değerler analiz edildiğinde; aynı çalışma ve başlangıç şartlarında 40 litre suyun ısı pompası ile 50.8 o C ye çıkarılması için 80 dakikalık bir süre gerekmiştir. Bu süre sonunda fan ve kompresör tarafında tüketilen toplam enerji 1020 Wh olmuştur. Elektrikli ısıtıcı ile aynı miktar su, 56 dakikada 51 o C ye ısıtılabilmiş ve bu süre sonunda tüketilen elektrik enerjisi 1866,6 Wh olmuştur. Bu sonuçlardan görüleceği üzere, 40 litre suyu 50 o C ye çıkarmak için elektrikli ısıtıcı yerine ısı pompası kullanılması halinde 24 dakikalık bir gecikme ile %45 enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Bu oran büyük bir kazançtır. Öte yandan yapılan deneylerde en düşük ITK değeri, 1.4 olarak tespit edilmiştir. Bu şartlarda bile elektrikli ısıtıcıya göre %29 enerji tasarrufu elde edilmektedir. Teorik hesaplama ve deneysel sonuçların da birbiri ile uyum içinde oldukları Şekil 7 de görülmektedir. Isı pompasının gece çalıştırılması halinde daha olumlu sonuçlar alınacağı ve enerji tasarrufunun daha da artacağı görülmüştür. Isı pompasının görülebilen dezavantajları ise; ilk yatırım masraflarının fazla olması, ısı pompası ünitesi için biraz daha geniş yere ihtiyaç duyulması sayılabilir. Sonuç olarak; yapılan bu çalışma ile; ısı pompasının sadece mahal ısıtması amacı ile değil, gerektiğinde büyük oranda enerji tasarrufu sağlayacak şekilde sıcak su temininde de rahatlıkla kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Kaynaklar 1. W. F. Stoecker, J. W. Jones, Refrigeration And Air Conditioning. Second edition. McGraw Hill Book Company, New York, S. Kakaç, Y. Yener, Convective Heat Transfer. Middle East Technical University. Yayın No: 65, Ankara,

10 K. Pıhtılı ve M. Duranay 3. K. Pıhtılı, Güneş Enerjisi Takviyeli Isı Pompası Performansının Analizi. IV. Kimya ve Kimya Mühendisliği Sempozyomu, Elazığ, , J. A. Sumner, Domestica Heat Pumps. Unwin Brothers Ltd. Great Britain, K. Pıhtılı, Tasarıma Yardımcı Bilgiler. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 11,3, 31-37, C.G. Carrıngton, W. J. Sandle, D. M. Warrıngton, R. A. Bradford, Field performanca of a domestic hot water heat pump system. XVI th International Congress of Refrigeration Proceedings, Volume 5, ,