SCROLL VE PİSTONLU TİP SOĞUTMA KOMPRESÖRLERİNİN KAPASİTE VE VERİMLERİNİN ÇALIŞMA ŞARTLARI İLE DEĞİŞİMİ

Transkript

1 SCROLL VE PİSTONLU TİP SOĞUTMA KOMPRESÖRLERİNİN KAPASİTE VE VERİMLERİNİN ÇALIŞMA ŞARTLARI İLE DEĞİŞİMİ Emirhan BAYIR / Serhan KÜÇÜKA DSİ Bursa Bölge Müdürlüğü Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü

2 İÇERİK Giriş Kompresör Performans Değerlerinin Elde Edilmesi Scroll, Hermetik ve Yarı Hermetik Pistonlu Kompresörlerin Performans Değişimleri Scroll, Hermetik ve Yarı Hermetik Pistonlu Kompresörlerin Performanslarının Bir Arada Değerlendirilmesi Deney Sonuçları ile Katalog Değerlerinin Karşılaştırılması Sonuçlar

3 GİRİŞ Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

4 KOMPRESÖRLER Pozitif Yer Değiştirmeli Dinamik Pistonlu Santrifüj Scroll Vidalı Dönel

5 İdeal Kompresör Verilen işletme şartlarında bir kompresörün kapasitesi, birim zamanda sıkıştırılan gazın kütlesinin fonksiyonudur. İdeal olarak, kütle akısı birim zamanda gerçekleşen pozitif sıkıştırma ve gaz yoğunluğunun ürünüdür. ω0 = ρv d İdeal soğutma kapasitesi = ω q 0 soğutma etkisi İdeal kütle akısı (ω 0 ) kullanılarak, İdeal soğutma kapasitesi = ω q İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, 0 soğutma etkisi İdeal durumda kompresöre verilen güç = ω w q soğutma etkisi = (h1 h 4) w = (h h ) kompresör işi kompresör işi

6 Gerçek Kompresör Çeşitli kayıplar yüzünden gerçek kompresörün etkinliği ideal kompresörden sapar ve ideal koşullar asla gerçekleşmez. Kompresör tipine bağlı olarak şu nedenler kompresör performansına önemli etki yapabilir: 1. Kompresör ünitesi içindeki basınç düşümleri 2. Soğutkana olan ısı kazanımı 3. Valf verimsizliği 4. İç kısımdan gerçekleşen gaz kaçakları 5. Yağ sirkülâsyonu 6. Yeniden genişleme 7. İsentropik sıkıştırmadan sapma 8. Aşırı ya da az sıkışma

7 Kompresör Verimleri Hacimsel verim (η v ), kompresöre giren gerçek gaz hacminin, kompresörün geometrik yer değiştirmesine oranıdır. Pistonlu kompresörlerde hacimsel verim: 1/n P V 2 ' 1' η v = 1 +ξ ξ P 1' V1 V 1' P 1 T 1' İdeal gazlar için = V 1 P 1' T 1

8 Kompresör Verimleri Sıkıştırma verimi (η c ), gerçek sıkıştırmanın, isentropik sıkıştırmadan sapmasının ölçüsüdür. İsentropik sıkıştırma için gerekli işin, sıkıştırma hacmi içindeki gaza verilen işe oranı olarak tanımlanır. Mekanik verim (η m ), sıkıştırılan gaza verilen işin (ölçümle elde edilir), kompresör şaftına verilen işe oranıdır. İsentropik (Tersinir Adyabatik) verim (η isent ), isentropik sıkıştırma için gerekli işin, kompresör şaftına verilen işe oranıdır. η isent = η c η m

9 Soğutma etkinlik katsayısı (COP) COP, hermetik kompresörlerde motorun ve kompresörün verimini birlikte ifade eder. COP(hermetik) = Soğutma kapasitesi,q e Motora verilen güç, W COP, açık kompresörlerde ise motor verimini içermez. COP(açık) = Soğutma kapasitesi, Q e Kompresör miline verilen güç, W

10 Gerçek soğutma kapasitesi Gerçek soğutma kapasitesi = ηω = mq q v 0 soğutma etkisi r soğutma etkisi Gerçek mil gücü w m w W ωη = = ηη η 0 v isent r isent c m isent İdeal gaz yaklaşımı ile tersinir politropik mil gücü n 1 n 1 n n n P 2 n P 2 W = m rrt 1 1 PV = n 1 P1 n 1 P 1

11 Pistonlu Kompresörler Silindir içine yerleştirilmiş ileri-geri hareket eden piston ve piston hareketine uyumlu çalışan emme ve basma valflerinden oluşur. Bu şekilde gaz halindeki akışkanın yüksek basınca basılması sağlanmaktadır.

12 a) hermetik b) yarı hermetik c) açık

13 Scroll Kompresörler Scroll kompresörler, spiral şeklinde iç içe geçmiş iki eleman ile sıkıştırma yapan, yörüngesel hareketli, pozitif yer değiştirme makineleridir (ASHRAE, 2004).

14 Kompresör Performans Değerlerinin Elde Edilmesi Kompresör kataloglarından elde edilen geometrik yer değiştirme, farklı yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarındaki soğutma yükü ve kompresör gücünden faydalanarak; kompresör emiş hacmi, isentropik verim, hacimsel verim, soğutma etkinlik katsayısı ve basınç oranı hesaplanmış ve bu veriler tablolara aktarılmıştır. Tablolardaki veriler, Microsoft Excel programı ile grafiğe dönüştürülmüştür. Tüm kompresörlerde R-22 soğutucu akışkanı için sağlanan veriler kullanılmıştır. Katalogların tamamında ortam sıcaklığı 35 C olarak verilmiştir. Her bir kompresör tipi için, genel performans eğilimini yansıtan tek bir model bu bölümde ayrıntılı olarak incelenmiştir.

15 Kompresör Performans Değerlerinin Elde Edilmesi Farklı yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarındaki soğutma yükü ve kompresör gücü Geometrik yer değiştirme Kompresör emiş hacmi İsentropik verim Hacimsel verim Soğutma etkinlik katsayısı Basınç oranı

16 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrileri Tablo 2. Pistonlu hermetik kompresörün performans değerleri Verilen değerler Hesaplanan değerler

17 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Soğutma kapasitesi (W) Buharlaşma sıcaklığı ( C) Tc=25 C Tc=30 C Tc=35 C Tc=40 C Tc=45 C Tc=50 C Tc=55 C Tc=60 C Tc=65 C Şekil 1. Soğutma kapasitesinin buharlaşma sıcaklığı ile değişimi

18 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Güç (W) Buharlaşma sıcaklığı ( C) Tc=25 C Tc=30 C Tc=35 C Tc=40 C Tc=45 C Tc=50 C Tc=55 C Tc=60 C Tc=65 C Şekil 2. Pistonlu hermetik kompresörün harcadığı gücün buharlaşma sıcaklığına bağlı gösterimi

19 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Soğutma etkinlik kats, COP Te= -10 C 10 8 Te=-5 C Te=0 C 6 Te=5 C Te=10 C Yoğuşma sıcaklığı ( C) Şekil 3. Pistonlu hermetik kompresörde soğutma etkinlik katsayısının yoğuşma sıcaklığı ile değişimi

20 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi 0,69 İsentropik verim, η isent 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62 0, Basınç oranı, P 2 /P 1 Şekil 4. Pistonlu hermetik kompresörde isentropik verimin basınç oranına bağlı değişimi

21 Pistonlu Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Hacimsel verim, η v 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 Te=-10 C Te=-5 C Te=0 C Te=5 C Te=10 C 0, Yoğuşma sıcaklığı ( C) Şekil 5. Pistonlu hermetik kompresörde hacimsel verimin yoğuşma sıcaklığına bağlı değişimi

22 Scroll Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Copeland ZB26KCE-TF5 model scroll kompresör 2950 devir/dakika 200/220 v, 50 Hz ve 3 faz Tablo 3. Copeland ZB26KCE-TF 5 model scroll kompresörün performans verileri

23 Scroll Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Soğutma Kapasitesi (W) Tc=30 C Tc=35 C Tc=40 C Tc=45 C Tc=50 C Tc=55 C Tc=60 C Buharlaşma Sıcaklığı ( C) Şekil 6. Scroll kompresörün soğutma kapasitesinin buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimi

24 Scroll Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi Güç (W) Tc=30 C Tc=40 C Tc=50 C Tc=60 C Buharlaşma sıcaklığı ( C) Şekil 7. Scroll kompresörün gücünün buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimi

25 Yarı Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi

26 Yarı Hermetik Kompresörün Performans Eğrilerinin İncelenmesi 110 Soğutma kapasitesi (kw) Buharlaşma sıcaklığı ( C) Tc=30 C Tc=35 C Tc=40 C Tc=45 C Tc=50 C Tc=55 C Şekil 8. Yarı hermetik pistonlu kompresör soğutma kapasitesinin buharlaşma sıcaklığı ile değişimi

27 Scroll, Hermetik ve Yarı Hermetik Pistonlu Kompresörlerin Performanslarının Bir Arada Değerlendirilmesi 1 Emiş hacmi değişimi 0,9 0,8 0,7 0,6 Scroll Yarı hermetik Hermetik 0, Basınç oranı, P 2 /P 1 Şekil 9. Basınç oranına bağlı olarak farklı tip kompresörlerin emiş hacmindeki değişim

28 Scroll, Hermetik ve Yarı Hermetik Pistonlu Kompresörlerin Performanslarının Bir Arada Değerlendirilmesi 0,80 İsentropik verim, ηisent 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 Scroll Yarı hermetik Hermetik 0, Basınç oranı, P 2 /P 1 Şekil 10. Farklı tip kompresörlerin isentropik verim- basınç oranı değişimlerinin bir arada gösterimi

29 DENEY SONUÇLARI İLE KATALOGLARDAN ELDE EDİLEN VERİLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Soğutma etk. kats., COP Deney değerleri eğim çizgisi Katalog değerleri eğim çizgisi 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 Katalog Deney Bas ınç Oranı, P 2 /P 1 Şekil 11. Soğutma etkinlik katsayısının basınç oranı ile değişimi

30 DENEY SONUÇLARI İLE KATALOGLARDAN ELDE EDİLEN VERİLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Emiş hacmi (m 3 /h) Katalog Deney Basınç oranı, P 2 /P 1 Şekil 12. Emiş hacminin basınç oranı ile değişimi

31 DENEY SONUÇLARI İLE KATALOGLARDAN ELDE EDİLEN VERİLERİN KARŞILAŞTIRILMASI İsentropik verim, η isent Katalog Deney Basınç oranı, P 2 /P 1 Şekil 13. İsentropik verimin basınç oranı ile değişimi

32 SONUÇLAR Kompresör kataloglarında, farklı çalışma şartlarındaki soğutma kapasitesi ve güç tüketimi verilmiştir. Bu değerlerden hareketle soğutma etkinlik katsayısı, emiş hacmi, isentropik verim, sıkıştırma oranı hesaplanmış ve grafiklere aktarılmıştır. Tüm kompresör tipleri için, buharlaşma sıcaklığının artışı ve yoğuşma sıcaklığının düşüşü ile birlikte, soğutkan kütlesel debisi ve birim soğutkanın soğutma etkisi artmaktadır. Bunun sonucunda soğutma kapasitesi artış göstermektedir.

33 SONUÇLAR Basınç oranının 2 den 5 e artması ile, Scroll kompresör emiş hacmi yaklaşık %10 azalırken, aynı basınç oranı için hermetik pistonlu kompresörün emiş hacmi %25 azalmaktadır. Pistonlu kompresörlerde buharlaşma basıncının artması ile birlikte kompresörün harcadığı güç artar. Scroll kompresörlerde ise emiş hacminin değişimi çok daha sınırlı olduğundan, kompresör gücünün buharlaşma basıncı ile değişimi sınırlı orandadır. Yoğuşma sıcaklığının artması çıkış basıncını arttırdığından her tip kompresör için kompresör gücünde artışa neden olmaktadır.

34 SONUÇLAR Scroll ve pistonlu hermetik kompresörlerde isentropik verim, basınç oranının artması ile belli bir noktaya kadar artış gösterirken, bu noktadan sonra azalmaktadır. Pistonlu yarı hermetik kompresörler düşük buharlaşma sıcaklıklarında (yüksek basınç oranlarında) yüksek isentropik verime sahiptirler.

35 SONUÇLAR Farklı markaların yayınladığı kataloglarda, yoğuşma ve buharlaşma basınçları, aşırı soğuma ve kızgınlık değerleri için tam bir uyum yoktur. Her firma farklı aşırı soğutma ve kızdırma değerlerinde kataloglarını hazırlamaktadır. Bu durum, farklı tip ve marka kompresörlerin performanslarını karşılaştırmayı zorlaştırmaktadır.

36 SONUÇLAR Scroll tip soğutma kompresörünün deney sonuçları katalog değerleri ile karşılaştırılmıştır. Kataloglarda verilen kompresör emiş hacmi değerlerine deneysel olarak da ulaşılabildiği, isentropik verimin ise katalog değerlerinden %10 kadar düşük olduğu görülmektedir. Aradaki fark, kısmen ölçüm belirsizliklerinden, kısmen de deneylerde sağlanan çalışma şartlarının (emiş kızgınlığı) katalog değerlerinden farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Farklı basınç oranları için deneylerde elde edilmiş olan etkinlik katsayısı, katalog değerleri ile aynı olmakla birlikte, kataloglarda tanımlanan aşırı soğutma ve emiş kızgınlıklarının sağlanamamasından dolayı, tam bir karşılaştırma yapılamamıştır.