SOĞUTMA SİSTEMLERİ VE ÇALIŞMA İLKELERİ (Devamı)

Transkript

1 SOĞUTMA SİSTEMLERİ VE ÇALIŞMA İLKELERİ (Devamı)

2 Soğutma devresine ilişkin bazı parametrelerin hesaplanması "Doymuş sıvı - doymuş buhar" aralığında çalışma Basınç-entalpi grafiğinde genel bir soğutma devresi şematik olarak gösterilmiştir. Herhangi bir refrijeranta ait "basınç-entalpi" grafiği üzerinde oluşturulacak böyle bir soğutma devresi yardımıyla, soğutma sisteminin "soğutma etkinliği", "kondenserden uzaklaştırılan ısı", "kompresörün refrijeranta yaptığı iş" ve "performans katsayısı" gibi bazı parametreler hesaplanabilmektedir. Şekil. Refrijerantların basıç-entalpi grafiğinde bir soğutma devresi

3 Soğutma etkisi (SE):Sistemin soğutma etkisini (BC) doğrusu temsil eder. Buna göre soğutma etkisi B ye C noktalarının temsil ettiği H 1 ve H 2 entalpi değerleri yardımıyla hesaplanabilir. SE = H 2 -H 1 Burada: H 1 : Refrijerantin evaporatöre girişteki entalpisi, kj/ kg H 2 : Refrijerantin evaporatörden çıkıştaki entalpisi, kj/ kg Soğutma kapasitesi (Qs):Bir soğutma sisteminin soğutma kapasitesi (Qs) sistemin soğutma etkisi ile, refrijerantın soğutma sistemindeki kütlesel akış hızından yararlanılarak hesaplanır. Qs= m (H 2 -H 1 ) Burada: Burada: m: Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s Q: Toplam soğutma yükü, kw Refrijerantın kütlesel akış hızı (m):bir soğutma sisteminde refrijerantın kütlesel akış hızı, sistemin toplam soğutma yükü ile sistemin soğutma etkisine bağlıdır. Toplam soğutma yükü, sistemden uzaklaştırılması gereken toplam ısıdır. Q: Sistemin soğutma kapasitesi, kw m: Refrijerantın sistemdeki kütlesel akış hızı, kg/s

4 Kompresör tarafından yapılan iş (W): Refrijerant buharının izentropik sıkıştırılması sırasında, kompresörün refrijeranta uyguladığı iş (W), bu işlem sırasındaki entalpi artışı ile refrijerantın kütlesel akış hızından hesaplanabilir. W = m (H 3 - H 2 ) Burada W: Kompresörün refrijeranta yaptığı iş, kw m: Refrijerantın kütlesel akı hızı, kg/ s H 2 : Kompresör girişinde refrijerantın entalpisi, kj/ kg H 3 : Sıkıştırma sonunda refrijerantın entalpisi, kj/ kg (H 3 H 2 ) değeri aynı zamanda sıkıştırmaya bağlı entalpi artışı olarak da anılır. Kompresör tarafından kullanılan enerjinin tümü refrijerantı sıkıştırmaya kullanılan işe çevrilemez. Refrijerantı sıkıştırmak için harcanan enerjinin, kompresörün kullandığı toplam enerjideki oranına kompresörün "etkinlik derecesi" denir. Örneğin bir kompresörün etkinlik derecesi % 80 ise, bu kompresörün kullandığı enerjinin (kompresörün güç ihtiyacının) % 80'ini refrijerant üzerine iş olarak kullanabilmekte olduğu anlaşılır. Bu temel açıklamaya göre, kolaylıkla hesaplanabilen "kompresör tarafından yapılan iş" (W) değeri, eğer kompresörün etkinlik derecesine bölünürse, kompresörün toplam güç ihtiyacı (q w ) bulunur. ö ü Burada: q: Kompresörün toplam güç ihtiyacı, W m : Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s

5 Kondenser yükü (Qc):Refrijerantın evaporatörde kazandığı ısı ile, sıkıştırılma sonucunda kazandığı ısının toplamı, kondenserde sabit basınç altında, soğutma ortamına (su veya havaya) verilerek uzaklaştılar. Kondenserde uzaklaştırılan ısı, "kondenser yükü" olarak anılır. Q c = m (H 3 H 1 ) Burada : Q c : Kondenser yükü, kw m : Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s H 1 : Genişleme valfine girişteki refrijerantın entalpisi, kj/ kg H 3 : Kompresör çıkısında refrijerantın entalpisi, kj/ kg Performans katsayısı (C.O.P.):Bir soğutma sisteminin etkinliği, "performans katsayısı" (Coefficientof Performance= COP.) ile belirtilir. Başka bir ifadeyle soğutma sistemine giren enerjiden yararlanma düzeyine performans katsayısı denir. Buna göre: ı... C.O.P. aynı zamanda, evaporatörde absorbe edilen ısının, sisteme giren enerjiye oranıyla da ifade edilebilir. Bu oranların hesaplanmasında, önce enerji birimleri (ısı olsun, elektrik olsun) aynı cinsten ifade edilmelidir. ö ı ı... C.O.P. ayrıca, daha pratik olarak, sistemin soğutma kapasitesinin, kompresyon nedeniyle artan entalpiye oranıyla da bulunabilir. Buna göre:...

6 Performans katsayısının anlamını irdelerken şu hususlar gözden uzak tutulmamalıdır. Refrijerant buharını sıkıştırmak için gerekli olan enerji, evaporatörde refrijerant tarafından absorbe edilen ısı enerjisinden daha küçüktür. Ancak bu, az enerji sarf edilerek daha fazla enerji üretilmiş olduğu anlamında değildir. Çünkü sisteme verilen enerji, yani kompresörün çalışmasını sağlayan enerji, sadece refrijerantı sıkıştırarak sıcaklığını yükseltmek ve bu yolla absorbe edilmiş ısının dışarıya aktarılmasını sağlamak içindir. Yoksa sisteme verilen enerji, soğutma ile yapılan işin eşdeğeri değildir. Soğutma ile yapılan işin eşdeğeri, kondenserde suya veya havaya atılan ısıda aranmalıdır. Buradan atılan ısı, soğutmada absorbe edilmiş ısı ile kompresörün sistem üzerine yaptığı iş nedeniyle oluşan ısı toplamına eşittir. Bütün bu açıklamalar, performans katsayısının daima 1'den büyük bir değer olduğunu ortaya koymaktadır. Eğer entalpi-basınç grafiği incelenirse, kompresörden çıkış basıncının yüksek veya düşük olmasının çeşitli faktörlere bağlı olduğu anlaşılır. Eğer kompresör çıkış basıncı düşük tutulursa, refrijerant buharını yüksek basınçlara kadar çıkarmak gerekmediğinden, daha az enerji kullanılacaktır. Bu durumda C.O.P. değeri daha büyüyecek yani, daha etkin bir sistem elde edilecektir. Düşük çıkış basıncında çalışabilmenin en önemli koşulu, çok geniş yüzeyli bir kondenser kullanılması ve kondensasyon aracının (su veya hava) olabildiğince düşük sıcaklıkta olmasıdır. Çünkü düşük çıkış basıncındaki refrijerant buharının, bu basınca eşdeğer olan kondensasyon sıcaklığı da aynı şekilde düşük olacaktır. Bu nedenle kondenserde etkili bir ısı akışı, kondensasyon ortamının düşük sıcaklıkta olmasını zorunlu kılmaktadır

7 Örnek: Sıcaklığı -18 C'de sabit tutulan bir dondurulmuş ürün deposunda, evaporatör sıcaklığı -25 o C, kondensasyon sıcaklığı 45 o C, soğutma yükü 60 W ve kompresör etkinliği %85 olan ve R-12 gazının kullanıldığı bir sistemde; Basınç-entalpi grafiğini çizerek P 1, P 2, H 1, H 2, H 3 değerlerini bulunuz. Refrijerantın kütlesel akış hızını Sistemin soğutma kapasitesini (Q), Kompresör tarafından yapılan işi (W), ve kompresörün güç ihtiyacı (q w ) Kondanser yükünü (Qc), Performans katsayısını (COP) bulunuz. Çözüm: a) Verilen değerler: R-12 ye ait basınç entalpi grafiğinden saptanan değerler Depo sıcaklığı : -18 o C Evaporatör sıcaklığı : -25 o C Kondensasyon sıcaklığı : 45 o C Soğutma yükü : 60 kw Kompresör etkinliği : %85 Evaporatör basıncı; P 1 =125kPa Kondenser basıncı; P 2 =1100 kpa H 1 =243 kj/kg H 2 =340 kj/kg H 3 =380 kj/kg

8 11 Bar 1100kPa 1,25 Bar 125 kpa 45 o <<<<< Yoğunlaşma<<<< C -25 o C B A >>>>> Genişleme >>>> >>>>> Buharlaşma>>>>> 45 o C E C 60 o C D 0.11m 3 /kg %40 buhar H= =65 H 1 = =97(Soğutma etkisi) H 2 =340 H 3 =380 Entalpi (kj/kg) = =40(Mekanik iş eşdeğeri)

9 45 o C Mutlak Basınç (Bar) 11 Bar (1100kPa) -25 o C -25 o C 1,25 Bar (125 kpa) B A >>>>> Genişleme >>>> <<<<< Yoğunlaşma<<<< >>>>> Buharlaşma>>>>> 45 o C E C 60 o C D 60 o C 45 o C %40 buhar -25 o C H 1 =243 H 2 =340 H 3 =380 Entalpi(kj/kg)

10 b) Refrijerantın kütlesel akış hızı (m); 60 / / / c) Sistemin soğutma kapasitesi (Qs) Qs= m (H 2 -H 1 ) Qs= kg/s ( ) kj/kg = kw d) Kompresör tarafından yapılan iş (W) W = m (H 3 -H 2 ) W = kg/s ( ) kj/kg = kw Kompresörün toplam güç ihtiyacı (q w ) = ( ) ö ü = =29.08 e) Kondenser yükü (Qc) Q c = m (H 3 H 1 ) Q c = kg/s ( ) kj/kg Q c = kw f) Performans katsayısı (C.O.P.)...=...= / / =2.43

11 Örnek: 80 kw soğutma kapasitesindeki bir soğutma sisteminde refrijerant olarak amonyak kullanılmaktadır. Soğutma devresinde, buharlaşma sıcaklığı 20 o C, yoğunlaşma sıcaklığı 30 o Colarak seçilmiştir. Buna göre; a) Basınç-entalpi grafiğini çizerek P1, P2, H1, H2, H3 değerlerini bulunuz. b) Amonyağın kütlesel akış hızını (m) c) Kompresör tarafından yapılan işi (W), d) Sistemin performans katsayısını (COP) e) Kondenser yükünü (Qc), f) Her kw soğutma için güç kullanımını hesaplayınız. Çözüm: a) Amonyağa ait basınç entalpi grafiğinden saptanan değerler P 1 =P 2 = kpa P 3 = P4= 1168 kpa H 1 = kj/kg H 2 =H 4 =1437 kj/kg H 3 =1715 kj/kg Evaporatör sıcaklığı : -20 o C Kondensasyon sıcaklığı : 30 o C Soğutma yükü : 80 kw

12 b) Amonyağın kütlesel akış hızı (m); = 80 / = =0.073 / / veya m = 263 kg/h c) Kompresör tarafından yapılan iş (W) W = m (H 3 -H 2 ) W = kg/s ( ) kj/kg = 20 kw d) Kondenser yükü (Qc) Q c = m (H 3 H 1 ) Q c = kg/s ( ) kj/kg Q c = 100 kj/s e) Performans katsayısı (C.O.P.)...= =. / / =3.94 f) Her kw soğutma için güç sarfiyat değeri: Bu değer kompresör güç ihtiyacının sistemin soğutma kapasitesine (soğutma gücüne) bölümüyle bulunabilir. üç ğ = ö üç ğ = =0.25

13 Örnek:Sistem kapasitesi 2kw/h olan tek kademeli bir soğutma sistemi R-134a soğutucu akışkanla +30 o C yoğuşma, -10 o C buharlaşma sıcaklıkları arasında çalışmaktadır. Çözüm: a) Sistemin p-h diyagramını çizin. b) Sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarını bulunuz. 1 bar=100kpa, 1kWh=3600 kj a) b) = = / / = /h veya m = kg/s

14 Çok Aşamalı Kompresyon sistemi Çok düşük derecelerde soğuk üretilmesi gerektiğinde, tek aşamalı bir sistem yeterli gelmemektedir. Çünkü bu durumda refrijerantın buharlaşma sıcaklığı ile yoğunlaşma sıcaklığı arasındaki aralık çok büyüyecek ve bu sıcaklıklara karşı gelen basınçların oranı (P 2 /P 1 ) yükselecektir. P 2 /P 1 oranına "sıkıştırma oranı" denir. Sıkıştırma oranı büyüdükçe kompresörün gerek konstrüksiyonunda gerekse çalışmasında sorunlar çıkmaktadır. Örneğin sıkıştırma oranı yükseldikçe, sıcaklık o kadar yükselebilir ki, kompresördeki yağlama yağının viskozitesi azalır ve artık yağlama görevi yapamaz. Bu ve benzer sakıncalar nedeniyle sıkıştırma oranı çok yüksek değerlere ulaşınca, örneğin pistonlu kompresörlerde P2/P 1 > 8-9 ve turbokompresörlerde P 2 /P 1 > olunca, sıkıştırma iki veya daha fazla aşamada yapılır. Bunlara çok aşamalı (veya çok kademeli) sistemler denir. Çok aşamalı sistemlerin en basiti iki kademeli sistemlerdir. İki kademeli sistemlerde yaygın olarak, kademeler arasındaki soğutma, "serbest genişleme kabı" olarak adlandırılan bir ara hazne yardımlıyla yapılmaktadır. İki aşamalı sistemler, dondurulmuş ürünlerin -18 C ve altındaki sıcaklıklarda depolanmasında ve özellikle amonyaklı sistemlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

15

16 İki kademeli soğutma sistemlerinde de; tek aşamalı sistemlerde olduğu gibi, genişleme valfine soğuk, "doymuş sıvı" olarak giren (7) refrijerant, valfi aşarken genişler ve sistemde en düşük basıncın (P d ) hakim olduğu evaporatöre ulaşır (8). Evaporatörde (P d ) basıncı altında buharlaşırken çevreden ısı absorbe eder. Evaporatörü doymuş buhar olarak terk eden (1) refrijerant, düşük basınç kompresörü tarafından emilip sıkıştırıldıktan (2) sonra, ara genişleme kabındaki soğuk refrijeranta enjekte edilerek soğutulur. Bu şekilde, ara genişleme kabında orta düzey bir basınç (Pi) altında oluşan soğuk refrijerant buharı (3), yüksek basınç kompresorü yardımıyla yoğunlaşma basıncı olan yüksek bir basınca (P) kadar sıkıştırılır (4). Nihayet kondenserde, aynı basınç (P) altında yoğunlaşan refrijerant, sıvı refrijerant deposuna ulaşır. Refrijerant deposundaki doymuş sıvı refrijerant, bir şamandıra valf üzerinden, orta düzeyde bir basıncın hakim olduğu ara genişleme haznesinde genişleyerek, doymuş sıvı ve doymuş buhara dönüşürken evaporatif yolla soğur. İşte burada oluşan "doymuş sıvı" genişleme valfine yönelirken (7), doymuş buhar (3) yüksek basınç kompresörü tarafından emilerek sıkıştırılır. Yukarıda değinildiği gibi, ara genişleme kabı, aynı zamanda düşük basınç kampresöründen gelen sıcak refrijerant buharının soğutulduğu bir ünitedir.

17 İki kademeli soğutma sisteminin analizi P y basıncı : Refrijerantın yoğunlaşma sıcaklığına eşdeğer olan yüksek basınçtır. Bu basınç aynı zamanda yüksek basınç kompresöründen çıkış basıncıdır. P d basıncı : Refrijerantın evaporatördeki buharlaşma sıcaklığına eşdeğer olan bir düşük basınçtır. P i basıncı : Ara genişleme kabında hakim olan orta düzeydeki basınçtır. Sistemin en ekonomik düzeyde çalışabilmesi için bu basıncın boyutu, şu eşitlikle hesaplanır. =. Nokta 1 : Refrijerantın, evaporatörden çıkışı ve düşük basınç kompresörüne girişi sırasındaki doymuşbuharınniteliklerinitemsilederveentalpisih 1 dir. Nokta 2 : Refrijerantın düşük basınç kompresöründen çıkış koşullarını temsil eder. Burası, (1) No'lu noktadan geçen izentropik eğri ile, (Pi) izobarik hattın kesiştiği noktadır. Burada sıcak refrijerantbuharınınentalpisih 2 'dir. Nokta 3 : (Pi ) basınçtaki "doymuş buharın" yüksek basınç kompresörüne girişte bulunduğu koşullarıtemsileder.buradarefrijerantınsıcaklığı(t 3 ),entalpisih 3 'dür. Nokta 4 : Burası, 3 No 1u noktadan geçen izentropik eğri ile, yüksek basınç kompresörünün çıkış basıncınıtemsileden(py)izobarikeğrininkesişmenoktasıdır.buradaentalpih 4 'dür. Nokta 5 : Kondenserden çıkan doymuş sıvının bulunduğu koşulları temsil eden bu noktanın entalpisi,h 5 'dir. Nokta 6 : Ara genişleme kabında hakim olan (Pi) basınçtaki "sıvı-buhar" karışımını temsil eden bu noktanınentalpisih 6 'dir. Nokta7:(Pi)basınçtaki"doymuşsıvının"niteliklerinitemsileder.BuradaentalpiH 7 'dir. Nokta8:Evaporatöregirişteki"sıvı-buhar"karışımınıtemsiledenbunoktadaentalpiH 8 'dir.

18 İki kademeli soğutma devresine ilişkin bazı parametrelerin hesaplanması Refrijerantın kütlesel akış hızı (m): İki kademeli sistemde m 1 ve m 3 gibi iki grup kütlesel akış hızı söz konusudur: m 1 = m 2 = m 7 = m 8 m 3 = m 4 = m 5 = m 6 Soğutma etkisi (SE): SE = H 1 -H 8 Soğutma kapasitesi, Q E : Q E = m 1 (H 1 H 8 ) Refrijerantın kütlesel akış hızı (m 1 ve m 3 ): =, = ( ) Kompresörlerin toplam güç ihtiyacı (W) : Bu değer, düşük basınç kompresörünün güç ihtiyacı (W 1 ) ile yüksek basınç kompresörünün güç ihtiyacının (W 2 ) toplamıdır. W = W 1 + W 2 W = m 1 (H 2 H 1 ) + m 3 (H 4 H 3 ) W 1 = m 1 (H 2 H 1 ) W 2 = m 3 (H 4 H 3 ) Performans katsayısı (C.O.P.) :...= ğ = ö ü üç Kondenser yükü (Q c ): Q c =m 4 (H 4 H 5 )

19 Örnek: Refrijerant olarak amonyak kullanılan, 200 kw'lık bir soğutma sistemi; iki kompresör, tek evaporator ve ara genişleme haznesinden oluşan iki aşamalı bir sistem olarak, çalışmaktadır. Yoğunlaşma sıcaklığı 35 C, buharlaşma sıcaklığı -25 C olan bu sistemin; a) Amonyağa ait basınç-entalpi grafiğini çizerek P y, P d, P i, H 1, H 2, H 3, H 4, H 5, H 6, H 7, H 8, H 9 değerlerini bularak belirtiniz. b) Soğutma etkisini (S E ), c) Refrijerantın kütlesel akış hızları (m 1 ve m 3 ), d) Kompresörlerin toplam güç ihtiyacını (W), e) Performans katsayısını (C.O.P.), f) Kondenser yükünü (Qc) hesaplayınız.

20 Çözüm: a) =. = = , , , H 1 H 3 H 2 H 7 = H 8 H 5 = H 6 H4 1905

21 b) Soğutma etkisi (SE) : SE = H 1 -H 8 SE= = kj/kg c) Refrijerantın kütlesel akış hızları (m 1 ve m 3 ): =, = ( ) = = ( ) =0.163 / =0.203 / d) Kompresörlerin toplam güç ihtiyacı (W) W = W 1 + W 2 W = m 1 (H 2 H 1 ) + m 3 (H 4 H 3 ) W = ( ) ( ) W = = kw e) Performans katsayısı (C.O.P.) : f)kondenser yükü (Q c ): Q c = m 4 (H 4 H 5 ) = ( ) Q c = kw...= = =3.85 m 1 = m 2 = m 7 = m 8 m 3 = m 4 = m 5 = m 6