BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA SİSTEMLERİNDE AŞIRI SOĞUTMA VE AŞIRI KIZDIRMA ETKİSİNİN ISIL EKONOMİK AÇIDAN İNCELENMESİ

Transkript

1 Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. J. Fc. ng. Arch. Gz Unv. l, No, , 006 Vol, No, , 006 BUHAR SŞRMAL SOĞUMA SİSMLRİND AŞR SOĞUMA V AŞR ZDRMA KİSİNİN SL KONOMİK AÇDAN İNLNMSİ Önder ZLKAN, Reş SLBAŞ ve Arzu ŞNAN Mne ğm Bölümü, en ğm Füles, Süleymn Demrel Ünverses, 360, spr zln@ef.sdu.edu.r, selbs@ef.sdu.edu.r, sencn@ef.sdu.edu.r (Gelş/Receved: ; Kbul/Acceped: ) ÖZ Bu çlışmd, eor br buhr sıışırmlı soğum ssemnn şırı ızdırm ve şırı soğum ısı değşrclernn, frlı soğuucu ışn çn ısıl eonom yönden nlz ypılmış ve ssemn en y çlışm şrlrı belrlenmşr. sıl eonom en yleme meodu olr, ypısl bğ syılrı meodu ullnılmışır. Anlzler, R soğuucu ışnı ve bun lernf olr R407c soğuucu ışnı çn ypılmışır. Sonuç olr, şırı ızdırm ve şırı soğum ısı değşrclernn eonom ve çlışm performnsı çısındn en y lnlrı esp edlmşr. Br soğum ssem srımınd, ısı değşrcs lnının zlmsı, ssem mlyen düşürür. F ısı değşrcs lnının düşürülmes ssem vermn de düşürmeedr. Ypıln çlışmd, ısı değşrcs lnının, ve ssem vermnn en y olduğu şrlr belrlenmşr. Anhr Kelmeler: sıl eonom en yleme, ypısl bğ syılrı, şırı ızdır şırı soğum. NVSGAON OF SUBOOLNG AND SUPRHANG FFS N RFRGRAON SYSMS N RMS OF HRMOONOMS ABSRA n hs sudy, subcoolng nd superheng he exchngers of vpor compressed refrgeron sysem were nvesged n erms of hermoeconomcs for wo dfferen refrgerns nd mum worng condons were deermned. oeffcen of srucurl bonds ws used s hermoeconomc mzon mehod. Anlyses were crred ou for refrgern R nd lernve of, refrgern R407c. As resul, mum res of subcoolng nd superheng he exchngers re deermned n relon o economcs nd worng performnce. For refrgeron sysem desgn, decrese of he exchnger re, ffecs he sysem cos s decrese. However, decrese of he exchnger re, cuses decrese n effcency vlue of sysem. n he presen sudy, mum condons for he mum he exchnger re nd mum sysem effcency re deermned. Keywords: hermoeconomc mzon, coeffcen of srucurl bonds, subcoolng, superheng.. GİRİŞ Kompresörlü soğum ssemler, düşü sıclı br ormdn ısıyı çeere yüse sıclı orm n ve böylece bulunduğu ormı soğun ssemledr. Bu şlemler soğuucu ışnlr yrdımıyl ve dışrıdn enerj hrcnr ypılır []. Kompresörlü soğum ssemlernde, soğuucu ışnın yoğuşurucu çıışınd şırı soğuulmsı, buhrlşırıcıy düşü ısıl lede grmesne ve böylece ışnın dh fzl ısı çemesne neden olur. Bunun sonucu performns syısı değer rr. Ayrıc, soğuucu ışnın yoğuşurucudn çıın sonr buhr brcılrı hlnde genleşme vlfne grmes, genleşme vlfnn psesn düşürür ve buhrlşırıcıy gren soğuucu ışn mrı zlır. Aşırı soğum şlem bu sıncyı ordn ldırır []. Buhrlşırıcı çıışınd ypıln şırı ızdırm şlem se soğuulm senen ormdn dh fzl ısı çelmesn ve böylece ssem performnsının rmsını sğlr. Bunun ynınd şırı ızdırm şlemyle ompresöre sıvı soğuucu ışn grmes

2 Ö. Kızıln vd. Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... de önlenmş olur. Aşırı ızdırm sıclığının senen değerlerden yüse seçlmes se ompresörün dh fzl buhr hcmn sıışırmsı yn dh fzl güç hrcmsı nlmın gelr. Bu nedenle şırı ızdırm sıclığının deneysel verlerle spnmış ve vsye edlen değerlerde lınmsı gereldr. Büün bunlrdn dolyı şırı ızdırm ve şırı soğum sıclı mrlrı ssem performnsını dre olr elemeedr [3]. Aşırı soğumlı ve şırı ızdırmlı eor br soğum çevrmnn ess şemsı Şel de, çevrmn P-h ve -s dygrmlrı se Şel de göserlmşr. Bu çlışmd, yoğuşurucu, üç yrı bölgeye bölünere, buhrlşırıcı se bölgeye bölünere ncelenmşr. 6 Soğum suyu grş 4 5 Aşırı Soğum sı Değşrcs Genleşme Vlf sım suyu çıış P Yoğuşurucu. Bölge Buhrlşırıcı 4 Bu çlışmd buhr sıışırmlı br soğum çevrmnn ısıl eonom en ylemes ypılr şırı ızdırm ve şırı soğum ısı değşrclernn eonoml ve çlışm performnsı çısındn en y boyulrı esp edlmşr. Anlzler, ozon bsın zrrı nspeen z olup ıs vdede ullnılmsın devmı öngörülen R ve mmen çevre dosu oln R407c soğuucu ışnlrı çn ypılmışır Soğum suyu çıış Yoğuşurucu. Bölge (ızgınlığın lındığı bölge) Kompresör Aşırı Kızdırm sı Değşrcs sım suyu grş Şel. Aşırı soğumlı ve şırı ızdırmlı soğum çevrm P-h ve -s dygrmı h s W Şel. Aşırı soğumlı ve şırı ızdırmlı soğum çevrm ess şemsı 7 3. SİSM LMANLARNN KSRJİ ANALİZİ serj genellle ermomensel ve mysl eserjlern lmı olr değerlendrlr. ermomensel eserj, herhng br durum (, P) le sdece çevrenn sıclığı ( 0 ) ve bsıncı (P 0 ) le dengede oln br durum rsınd eserjdr. 0 ve P 0 çevre şrlrınd br durumun, çevreyle mysl olr dengede olduğu durum rsınd eserjye mysl eserj dı verlmeedr. ermomensel eserj, mysl eserj ermler hml edlere şğıd şelde belrlenr [5]: ε ( h 0s) V gz ( h0 0s0 ) () () denlemnde ponsyel ve ne enerj ermler hml edlrse şğıd denlem elde edlr: ( h s) ( h ) ε () 0 0 0s0 Kompresörlü eor soğum ssemnn üm elemnlrının ersnmezllernn hesplnblmes çn, her br elemn çn gren ve çın eserj mrlrının hesplnmsı gerer. Bunun çn ssemn eserj denges şğıd gb yzılır: W Q m ε mε (3) gren çın sıl eonom en ylemenn l dımını oluşurn eserj nlznde yurıd denle soğum çevrmnn her br elemnın uygulnmsıyl ersnmezl eşller blo de gb elde edlmşr. blo. Ssem elemnlrının ersnmezl eşller Ssem ersnmezl şlğ lemnı Kompresör m R ( s ) Genleşme 0 s vlf V m R 0 ( s6 s5 ) Yoğuşurucu. Bölge Yoğuşurucu. Bölge Aşırı Soğum sı Değşrcs 0 ( s s) m R ( s s3 0 ( s3 s ) m R ( s3 s4 0 ( s 4 s3 ) m R ( s4 s5 Buhrlşırıcı 0 me ( se se ) m R ( s6 s7 Aşırı Kızdırm sı değşrcs 0 ( se3 se ) m R ( s7 s 388 Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No, 006

3 Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... Ö. Kızıln vd. Ssemn lm ersnmezlğ, ssem elemnlrının ersnmezllernn lmın eşr: (4) V Ssem elemnlrının ersnmezller Denlem (4) de yerne onurs ve gerel düzenlemeler ypılırs soğum çevrmnn lm ersnmezl formülü şğıd gb elde edlr: 0 K m c p me c p A ln K ( ) ( 3 ) K A ln m c p 3 A K A ln 3 ln e ( ) K A ln (5) e me c p e e 3. SL KONOMİK N İYİLM sıl eono eserj meodu le eonom nlz vrmlrını brleşren br dsplndr. sıl eonom en ylemenn mcı, verlen br ssem ypısı çnde, sermye mlye gderler le eserj gderler rsınd ssem ürününün mlyen mnmum ypn br bğ urmır. serj meodunu ullnn ısıl eonom en yleme yönemler emel olr ye yrılır. Ypısl yönem olr blnen ve Beyer rfındn ory ıln l yöne ypısl syılrın ullnımın ve yerel brm ersnmezl mlyelernn hesplnmsın dynır [5]. rbus vd. nn ory ığı dğer yöne üzernde çlışıln ssem elemnlrın gren ve çın eserj yerel brm mlyen ullnr, ssem elmnlrının özer olr ısıl eonom en ylemeye oln sğlr. Bu meod Auonomous yönem denr [6]. sıl eonom en yleme onusu le lgl lerürde frlı yönemlern ullnıldığı görülmüşür [7-8]. Bu çlışmd ypısl bğ syılrı (oeffcen of Srucurl Bonds) olr d blnen ypısl yönem ullnılmışır. Sürel rejmde çlışn br ssem ve onu oluşurn elemnlrı göz önüne lınc olurs, ssemn herhng br elemnının ersnmezlğ nın ve lm ersnmezl nn ssem prmeres x ye bğlı olr ornsl değşm: σ, (6) olr fde edlr ve elemnının x değşen çısındn ypısl bğ syısı olr nımlnır. e e e Ssemn eserj blnsı de lındığınd, ssemn ersnmezlğnn değşmnn, grşe eserj değşmne eş olduğu esp edlr [5]: n ou, ou sb (7) n yleme çn mç fonsyonu, yıllı lm şleme mlyen çeren denlemdr ve şğıd gb yzılblr [5]: ( x ) nn ( x ) l ( x ) n l b (8) (7) ve (8) denlemnn, x ssem prmeresne göre ürevler lınırs; n n n n l l (9) (0) elde edlr. Denlem (9), Denlem (0) de yerne onurs; n n l l () Denlem () n sğ rfınd nc erm err düzenlenrse; n n l l l l () denlem elde edlr. Bu denlemde l dır. Yn l lsmges, en ylemenn uygulndığı elemn hrç, ssemn herhng br elemnını emsl emeedr. Bu denlemn sğ rfınd l erm err düzenlenrse; n n l l l l (3) denlem meydn gelr. Denlemn en sğ rfınd erm sermye mlye syısıdır ve ζ, le nımlnır (Kos, 985); n l, l ζ (4) Denlemler (), (), (3) ve (4) err düzenlenrse şğıd denlem elde edlr: Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No,

4 Ö. Kızıln vd. Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... n ζ, (5) elemnlrını d çermes nlmın gelmeedr. Yoğuşurucu. Bölge: Denlem (6) dn; σ, (6) yzılblr. Bu eşl, Denlem (5) de yerne onurs;, ζ, nσ (7) denlem elde edlr. Denlemn sğ rfınd l er ersnmezlğn lm mlyenn x prmeres le değşmn gösermeedr. İnc er mze edlen elemnın ersnmezlğnn değşmyle dğer elemnlrın mlyende değşm gösermeedr. Üçüncü erm se mze edlen elemnın mlyenn x prmeres le değşmn emsl emeedr. Denlem (7) err düzenlenrse;, (8) yzılblr. Burd,, erm;, nσ, ζ, (9) şelnde nımlnmışır ve lol ersnmezl brm mlyedr [5]. lm mlye y mze eme çn Denlem (8) sıfır eşlenrse;, (0) n σ σ () Yoğuşurucu. Bölge: nσ σ Aşırı Soğum sı değşrcs: n σ Buhrlşırıcı: σ () (3) denlem elde edlr. Bu denle ssemn ıncı elemnının x prmeresne göre ısıl eonom en yleme denlemdr. 4. SİSM LMANLARNN SL KONOMİK N İYİLMSİ Genel en yleme eşllern elde eme çn soğum ssemnn üm elemnlrın Denlem (0) de en yleme fdes uygulnmışır. Bun göre her br ssem elemnı çn elde edlen eşller şğıd verlmşr. Bu eşllerde d edleceğ üzere, denlemn sol rfı, en ylemenn ypıldığı bölgenn ersnmezlğnn ürevnn lnın ürevne ornıdır. Sğ rfınd eşle se prnez çersnde değerler, en yleme ypıln ısım dışınd ln bölgeler çermeedr. Bu d en yleme şlemnn, sdece lgl ısmı değl ynı zmnd ssemn dğer n σ Aşırı Kızdırm sı değşrcs: σ (4) 390 Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No, 006

5 Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... Ö. Kızıln vd. n σ σ (5) Bu denlemler, denlem (0) nn her br ssem elemnı çn uygulnmsı le elde edlmşr. Ayrıc, r şlemlern uzunluğu sebebyle burd yer verlmşr. 5. BULGULAR ve ARŞMA Kompresörlü soğum çevrmnn ısıl eonom en ylemes çn soğum pses W olr lınmışır. Anlzler frlı yoğuşurucu, buhrlşırıcı, şırı soğum ve şırı ısım sıclılrı çn ypılmışır. Ssemde üm ısı değşrcler ç çe borulu ve ers ışlı ısı değşrclerdr. İç boru çpı 3.5 mm olr lınmışır. Ayrıc nlzlerde ssemn çlışm süres 000 s/yıl, fz ornı % 3.5, eserj brm mlye 0.09 $/Wh ve ssemn ömrü 0 yıl olr lınmışır. Yoğuşurucu ve buhrlşırıcı mlyeler Byındırlı Bnlığının 005 yılı brm fylrındn elde edlere dolr urun çevrlmşr [6]. sı değşrcs lnlrı ve bunlr rşılı gelen ısı değşrc mlyeler, grf hlne gerlere şğıd denlemler çırılmışır. 56.6A K (6) A 3.95 (7) eor soğum ssem yurıd verlen prmerelere göre, değş buhrlşırıcı, yoğuşurucu, şırı soğum ve şırı ızdırm sıclılrı çn ısıl eonom en ylemeye b uulmuşur. n yleme necesnde, en y ısı değşrc lnlrı ve bunlr rşılı gelen en y sıclılr belrlenere ssemn her br bölges çn blo, 3, 4 ve 5 e verlmşr. esp edlen bu değerlerde sse en y yırım ve şleme mlyene shpr. Örneğn, R soğuucu ışnı çn yoğuşurucu sıclığı 35, buhrlşırıcı sıclığı lınr ypıln ısıl eonom en yleme sonucund şırı soğum sıclığı s 5.6, şırı ızdırm sıclığı olr bulunmuşur. Verlen bu örne çn ssem elemnlrının ve üm ssemn en y lnlrı hesplnr blo 6 d yrıc verlmşr. Aynı zmnd en y OP değernn ve en y ersnmezlğn de W olduğu esp edlmşr. blo. Çeşl yoğuşurucu sıclılrı çn en yleme sonuçlrı (R) K 35 K 45 K 55, s, , A K, m A, m A, m A, m blo 3. Çeşl buhrlşırıcı sıclılrı çn en yleme sonuçlrı (R) 8 0.5, s, , A K, m A, m A, m A, m blo 4. Çeşl yoğuşurucu sıclılrı çn en yleme sonuçlrı (R407c) K 35 K 45 K 55, s, , A K, m A, m A, m A, m Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No,

6 Ö. Kızıln vd. Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... blo 5. Çeşl buhrlşırıcı sıclılrı çn en yleme sonuçlrı (R407c) 9 3, s, , A K, m A, m A, m A, m blo 6. R soğuucu ışnı çn en y ısı değşrc lnlrı le en y OP ve ersnmel değer ( K 45,, s 5.6, ) A K, m A, m A, m A, m A OP , W Yoğuşurucu sıclığı 45, buhrlşırıcı sıclığı lınr R soğuucu ışnı çn ypıln ısıl eonom nlz sonucu en y lm lnın m olduğu görülmeedr. n y lnın esp çn ypıln ersyon sonucu Şel 3 e görülmeedr. 6. SONUÇLAR Kompresörlü soğum ssemler, soğum uygulmlrınd en ço ullnıln ssemlerdr. Soğum ssemlernde şırı soğum ve şırı ızdırm şlemler, ssem performnsını rırmdır. Anc şırı ızdırm şlemnn senen değerlern üzernde ypılmsı, ssemn olumsuz yönde elenmesne neden olmdır. Ypıln çlışmd, ompresörlü eor br soğum ssemnn ermodnm ve ısıl eonom nlzler ypılmışır. eor br soğum ssem çn şırı ızdırm ve şırı soğum ısı değşrclernn eonoml ve ssem performnsı çısındn en y şırı ızdırm ve şırı soğum sıclılrı le bunlr rşılı gelen en y ısı değşrc lnlrı esp edlmşr. sıl eonom en yleme meodund, Kos ın (985) en yleme prosedürü ullnılmışır. Anlzler, günümüzde hlen ullnılmsın devm edlen f önümüzde yıllrd mmen durdurulc oln R soğunı le ozon bsın zrr vermeyen ve çevre dosu, yen br soğuucu ışn oln R407c çn ypılmışır. Ypıln nlz sonuçlrı grfler ve blolr hlnde verlmşr. Buhr sıışırmlı ompresörlü br soğum ssem srımınd, ssemn performnsını dre olr eleyen çlışm sıclılrı ve prmerelernn en y değerlernn esp edlmes büyü önem şımdır. Arn enerj fylrı ve yırım mlyeleryle berber br ısıl ssemn verlen çlışm şrlrı dhlnde en y boyulndırılmsınd ısıl eonom nlzler büyü olylılr sğlmdır. Bu çlışmd nlzler, ompresörlü soğum ssemlernn srımı ve en y çlışm şrlrının belrlenmes onusund yen soğuucu ışnlr çn lerde ypılc oln uygulmlr öneml ölçüde ı sğlycır. SMBOLLR A Aln, m Sermye yleşrme förü, brmsz b n ylemeden elenmemş yıllı mlye, brmsz,, (A ) m Şel 3. sıl eonom en ylemede en y ln (R) A 39 Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No, 006

7 Buhr Sıışırmlı Soğum Ssemlernde Aşırı Soğum ve Aşırı Kızdırm snn sıl... Ö. Kızıln vd. Mlye, $ n serj grş brm fyı, $/yıl ersnmezl brm mlye, $/W Yırım mlye, $/W c p Özgül ısı, j/gk serj, W ε Özgül eserj, J/g g Yerçem vmes, m/s h Özgül enlp, J/g ersnmezl, W K lm ısı rnsfer syısı, W/m K m Orlm logrm sıclı frı, º m Aışn debs, g/s Q sı ısı, W s Özgül enr, J/gK Sıclı, º Çlışm süres, yıl W İş, W V Aış hızı, m/s Z Referns sevyeden yüsel, m s Aşırı soğum sıclığı, º Aşırı ızdırm sıclığı, º σ Ypısl bğ syısı, brmsz ζ Sermye mlye syısı, brmsz Al İndsler Aşırı ızdırm Aşırı soğum Kompresör Buhrlşırıcı V Genleşme vlf e Buhrlşırıcı ısım suyu n Grş K Yoğuşurucu Yoğuşurucu. bölge Yoğuşurucu. bölge Yoğuşurucu soğum suyu R Soğuucu ışn lm ou Çıış 0 Çevre şrlrı KAYNLAR. Çengel, A.Y., Boles, A.M, hermodynmcs: An ngneerng Approch, McGrw-Hll, New Yor, A.B.D., Ashre, Fundmenls, Amercn Socey of Heng Refrgerng nd Ar ondonng ngneers nc., Aln, A.B.D., Doss, R.J., Prncples of Refrgeron, Prence Hll, New Jersey, A.B.D., Bejn, A., Advnced ngneerng hermodynmcs, John Wley nd Sons, New Yor, A.B.D., Kos,.J., he xergy Mehod of herml Pln Anlyss, Buer-Worhs, London, nglnd, Koçoğlu, A., hermo-economc mzon of Sngle Se He Pump, Mser hess, M...U. he Grdue School of Nurl nd Appled Scences, hen, J., hermodynmc nd hermoeconomc Anlyss of n rreversble ombned rno He ngne Sysem, nernonl Journl of nergy Reserch, l 5, 43-46, Dngeç, H., hermoeconomc mzon of Smple Refrgerors, Mser hess, M...U. he Grdue School of Nurl nd Appled Scences, Scubb,., Beyond hermoeconomcs? he oncep of xended xergy Accounng nd s Applcon o he Anlyss nd Desgn of herml Sysems, xergy, An nernonl Journl, l, No, 68-84, Wll, G., hermoeconomc mzon of He Pump Sysem, Physcl Resource heory Group, Repor No: 85-5, Göeborg. Sweden, Zhng, G.Q., Wng, L., Lu, L., Wng, Z., hermoeconomc mzon of Smll Sze enrl Ar ondoner, Appled herml ngneerng, l 4, No 4, , Al-Ob, A.D., Dncer,., Klyon, M., hermoeconomc mzon of Vpor- ompresson Refrgeron Sysems, n. omm. He Mss rnsfer, l 3, No, 95-07, D Accd, M.D., Fcher, A., Ssso, M., Vdr, M., Deermnng he ml onfguron of He xchnger (Wh wo Phse Refrgern) Usng xergoeconomcs, Appled nergy, l 7, No 3, 9-03, D ccd, M.D., Ssso M., xergec os nd xergoeconomc vluon of Vpour- ompresson He Pumps, nergy, l 3, No, , D Accd, M.D., Ross, F., hermoeconomc mzon of Refrgeron Pln, n. J. Refrg., l, No, 4-54, hen, Q., Prsd, R.. Smulon of Vpour- ompresson Refrgeron ycle usng HF 34 nd F, n. omm. He Mss rnsfer, 6(4), 53-5, Yumruş, R., Kunduz, M., Knoğlu, M. xergy Anlyss of Vpor ompresson Refrgeron Sysems, xergy, n nernonl Journl, (4), 66-74, Kzln, Ö. xmnon of Superheng nd Subcoolng ffecs n Refrgeron Sysems wh ompressor n erms of hermoeconomcs for Dfferen Refrgerns, S.D.Ü., he Grdue School of Nurl nd Appled Scences, Mser hess, 7 p, spr, Brmfy, Os Yzılı hp:// Gz Ünv. Müh. Mm. F. Der. l, No,