Soğutucu AkıĢkanların Ekserji Verimine Bağlı Çevresel Performanslarının Ġncelenmesi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 011, Elazığ, Turkey Soğutucu AkıĢkanların Ekserji Verimine Bağlı Çevresel Performanslarının Ġncelenmesi M.Z.Sogut 1, H.Karakoç, B. KılkıĢ 3 1 Teknik Bilimler Bölümü, Kara Harp Okulu, Ankara/Türkiye, mzsogut@kho.edu.tr Sivil Havacılık Y.O., Anadolu Üniversitesi, EskiĢehir/Türkiye, hkarakoc@anadolu.edu.tr 3 Makina Müh.Böl., Mühendislik Fak. BaĢkent Üniversitesi, Ankara/Türkiye, bkilkis@baskent.edu.tr Examination of Enviromental Performances of Refrigerants on the basis of Exergy Efficiency Abstract In this study, exergy analyses of cooling applications, based on refrigerants used in domestic, commercial, transportation and industrial areas, and the environmental performances depending on exergy efficiency are investigated separately. This study is based on vapor compression cooling cycle model, which is generally preferred cooling applications, and the analyses have been made for cooling capacity with 1kW according to evaporator temperatures of the refrigerants. At the end of the study, the reasons in the refrigerant choice, the design and the selection of such a system why exergy analyses should be preferred are evaluated. Keywords Cooling systems, Refrigerants, COP, Exergy, Carbon emissions. I. GĠRĠġ ÇağdaĢ yaģamda artan konfor ve hijyen gereksinimlerinin oluģturduğu talep kısıt ve koģulların karģılanmasında giderek artan iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında geliģen süreç, bu tür sistemlerin ihtiyaç duyduklar enerji talebini de sürekli arttırmaktadır. Enerji talebindeki bu artıģı doğrudan veya dolaylı olarak sera gazları salımlarını da olumsuz yönde etkilemektedir. Nitekim iklimlendirme ve soğutma uygulamalarının enerji talebinin, dünya enerji tüketiminin yaklaģık % 9 una ulaģtığı tahmin edilmektedir [1]. Soğutma sistemleri uygulamalarının oldukça geniģ bir boyut, kapasite ve sıcaklık yelpazesine sahip olduğu görülmektedir. Örneğin, geleneksel konut tipi soğutucularda güç tüketimi 60 kw-140 kw arasında değiģirken, soğutucu akıģkan miktarının 50 gr ile 50 gr aralığında olduğu görülmektedir. Oysa endüstriyel uygulamalarda, enerji tüketimlerinin MW, soğutucu akıģkan miktarının ton düzeylerine çıktığı görülmektedir. Soğutucu uygulamalarında evaparatör sıcaklık aralığı, -70 º C ile 15 º C aralığında değiģmektedir [1]. Neredeyse tüm uygulamalarda temelde buhar sıkıģtırmalı soğutma çevrimlerinin esas alındığı görülmekte ve sektörün pazar payının yaklaģık 150 trilyon Türk Lirası na ulaģtığı tahmin edilmektedir. Son yıllarda iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında kullanılan soğutucu akıģkanların, ozon tabakasının incelmesinde ve küresel ısınmaya olan olumsuz etkilerinde oldukça etkili olduğu tespit edilmiģtir. Bu etkinin azaltılmasına yönelik olarak öncelikle, Montreal Protokolü ve Avrupa Konseyi Direktifi (3093/94) ile 1930 larda soğutma sistemlerinde yaygın olarak kullanılan amonyak gibi soğutucu akıģkanların yerine güvenli akıģkanlar olarak kullanılan hydroclorofluorocarbon (HCFC) ve clorofluorocarbon gazlarının kullanımını ve satıģları sınırlandırılmıģtır []. Bunların alternatifi olarak hydrofluorocarbon (HFC) akıģkanlar ve onların karıģımları olan R134a, R404A, R507, R407C ve R410A gazları market uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya baģlanmıģtır. Ancak bu gazların düģük ozon tabakasını inceltme potansiyellerine (ODP) karģın, yüksek küresel ısınma potansiyellerine (GWP) sahip olması çevresel etki yönüyle önemli bir problem sürecinin devam ettiğini göstermektedir [3]. Enerji, genellikle iģ ya da iģ yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Oysa enerjinin hareket ya da hareket üretebilme kabiliyeti olarak tanımlanması daha doğru olacaktır [4]. Termodinamiğin birinci yasasına dayanan enerji analizleri sistemlerin incelenmesinde temel yöntem olarak uygulanmaktadır. Ancak niceliğin ölçüldüğü bu enerji analizleri sonuçları; sistemlerin verimsizliklerinin nedenlerini değerlendirebilme yetisini bizi tam anlamı ile vermemekte, çevreye duyarlı sonuçlara ve öngörülere ulaģtıramamaktadır. Çünkü sistemlerin iģletilmesi için gerek duyulan enerji kullanılabilir enerjidir. Bu koģullarda; enerji analizleri; önemli bir parametre olan çevre Ģartlarının da göz önüne alındığı termodinamiğin ikinci yasasına göre gerçekleģtirilmelidir. Referans alınan çevre koģullarında sistemde elde edilebilecek en fazla iģ olarak tanımlanan ekserji kütle ve enerji akıģında niteliğin bir ölçüsüdür [5,6]. Ekserji analizi endüstriyel sistemler için etkili bir kavramdır ve modern termodinamik yöntemlerde geliģmiģ bir araç olarak kullanılır. Ekserji analizlerinin temel amacı ısıl ve kimyasal sistemlerde eksiklerin önemini nicel tahmin etmek ve nedenlerini araģtırmaktır. Ekserji analizleri, farklı termodinamik faktörlerin öneminin karģılaģtırılması süreç etkileri üzerine termodinamik Ģartların etkilerinin iyi anlaģılması ve değerlendirilen sürecin geliģtirilmesinin en etkili çözümlerin tanımlanması için bir yol göstericidir [7]. Ekserjiyi doğru anlamak ve sağlanabilecek bilgilerin verimliliğe ve çevresel etkilere katkısını değerlendirebilmek; sürdürülebilir enerji sistemleri alanında çalıģan bilim adamı ve mühendisler için bir gerekliliktir. Bu kapsamda yürütülen araģtırmalarda ekserji ve enerji politikalarının oluģumunda sürdürülebilir geliģme,enerji, çevre,ve ekserji arasındaki bağlantılar vurgulamıģtır [8, 9]. Soğutma süreçlerinin pek çok uygulama alanına sahip 95

2 M.Z.Söğüt, H.Karakoç ve B.Kılkış olduğu bilinmektedir. Bu çalıģmada konut tipi soğutucular, ticari soğutucu uygulamaları, endüstriyel tip soğutma uygulamaları, araç iklimlendirme ve taģımacılık (kara, deniz, hava) soğutma uygulamaları olmak üzere dört ana uygulama alanlarında tercih edilen soğutucu akıģkanlar referans alınarak ekserji analizleri ve çevresel etkileri incelenmiģtir. Bu amaçla buhar sıkıģtırmalı soğutma çevrimi model alınmıģ, her bir soğutma uygulamasının genel buharlaģtırıcı sıcaklıkları dikkate alınarak birim soğutma yükü altında analizler ve değerlendirmeler yapılmıģtır. II. SOĞUTMA SĠSTEMLERĠ VE SOĞUTUCU AKIġKANLAR Konut tipi Soğutucular: Konutlarda gıda ürünlerinin depolanması ve saklanması amacıyla kullanılan soğutucular; 0 lt ile 850 lt aralığında depolama hacimlerine sahip, soğutucu akıģkan dolum miktarları ise 50 g-50 g aralığındadır. Ġlk uygulamalarında soğutucu akıģkanın kullanıldığı ünitelerin yerine günümüzde R134a gazı kullanan üniteler almıģtır. Bu akıģkanların yerine alternatif akıģkan olarak özellikle Avrupa ülkelerinde R600a ve HC90 (isoputon=propan karıģımı) gazlarının kullanılmaya baģlandığı gözlenmektedir. 00 verilerine göre konut tipi soğutucularda kullanılan soğutucu akıģkan miktarı yıllık yaklaģık ton a ulaģmıģ, bu sistemlerin neden olduğu yıllık salım oranı ise ortalama %0,3 tür [10]. Ticari Soğutucular: Ticari amaçlı taze ve donmuģ gıdaları uygun sıcaklık aralığında depolama ve koruma iģlevini yerine getiren ünitelerdir. Soğuk gıdalarda bu sıcaklık aralığı 1 º C - 14 º C, donmuģ gıdalarda ise -1 º C ile 0 º C aralığındadır. Bu tip soğutma sistemlerinin ilk uygulamalarında gazı kullanılırken günümüzde R, R134a, R404A, R507A ve R410A gazlarının yaygın olarak kullanıldığı gözlenmektedir. 00 yılında yapılan bir çalıģmaya göre; bu sistemlerde kullanılan soğutucu akıģkanların CO salım potansiyellerinin yaklaģık %30 lara, yıllık soğutucu akıģkan miktarının ise yaklaģık 605 bin tona ulaģtığı gözlenmektedir. Soğutucu akıģkanların salım oranlarında özellikle sızıntı oranı önemli bir parametredir ve bu sistemlerde sızıntı oranının %3-%30 aralığında oluģtuğu görülmektedir [11]. Küçük ünitelerde soğutucu akıģkan Ģarj miktarları 1-5 kg aralığında değiģirken, süpermarket veya hipermarket uygulamalarında bu miktarlar kg aralığında değiģmektedir. Araçlarda soğutma: Soğuk zincir olarak ifade edilen bu tür soğutma sistemleri, demiryolları, kara, hava ve deniz taģımacılığında kendine uygulama alanı bulmuģtur. Bu alanlarda soğuk taģımacılığın ağırlıklı olarak konteyner sistemleriyle sağlandığı ve bu konteyner sayısının toplamda 500,000 i geçtiği gözlenmektedir. Bu uygulamalarda ortalama soğutma kapasitesi 5 kw, konteyner soğutmalarda kullanılan soğutucu akıģkanlar ise, R134a, R404A ve R507A dır. YaklaĢık bir milyon araç kapasitesinin aģıldığı kara taģımacılığında ise eski sistemlerde, R50 ve R gazları, yeni sistemlerde ise R134a, R407C, R404A ve R410A gazı tercih edilmektedir. Bu sistemlerde sızıntı oranın ise % 0 %5 aralığına sahip olduğu tespit edilmiģtir [10]. 00 yılında taģımacılık ve araçlarda kullanılan soğutucu akıģkan miktarı 1600 tona, yıllık salım oranı ise %38 lere ulaģmıģtır. Endüstriyel soğutma: Bu uygulama türünü gıda uygulamaları ve sanayi uygulamaları olmak üzere iki ayrı ana gruba ayırmak gerekir. Gıda uygulamalarında soğutma iģlemi gıda iģleme ve soğuk depolama süreçlerinde kullanılmaktadır. GeliĢmiĢ ve geliģmekte olan ülkelerde donmuģ gıda uygulamalarına ait ekonomik potansiyeli artıģ eğilimindedir. Dünya genelinde yıllık donmuģ gıda tüketiminin 30 Milyon tonu aģtığı ve bu oranının sürekli artıģ eğiliminde olduğu tespit edilmiģtir. DonmuĢ gıdalar, uygulamalarda -15ºC ile -30ºC aralığında uzun süreli depolanmaları gerekir. Ancak çocuklara yönelik donmuģ gıdalarda bu aralık -1ºC ile -10 ºC dir. Gıda soğutma uygulamalarının ilk örneklerinden bu yana Amonyak,, R ve R50 gazları kullanılmakta, günümüz uygulamalarında ise R134a, R404A ve R507 A gazları ile amonyak/co basamaklısı yapılar tercih edilmektedir. Amonyak/basamaklı soğutma uygulaması ile üzerinde çeģitli kısıtlar bulunan amonyakın da daha az kullanımı ile bu tür kısıtlara uyum daha kolay olmaktadır. Bu tür soğutma uygulamalarında buharlı ve sıkıģtırma absorbsiyonlu sistemlerin geliģtirilmesi çalıģmaları da yapılmaktadır. Sanayide tercih edilen soğutma uygulamalarının buz üretimi, havanın sıvılaģtırılması, ürün soğutma gibi iģlevlerin yoğun yapıldığı kimya, yağ, yakıt, gaz, çelik, plastik vb. endüstri alanlarında yoğun olarak kullanılmaktadır. Pek çok sistemde kullanılan soğutma sistemleri, diğer uygulamalarda olduğu gibi, temelde buhar sıkıģtırmalı soğutma çevrimini esas almaktadır. Uygulama alanları incelendiğinde buharlaģtırıcı sıcaklıkları 15ºC ile -70ºC aralığındadır. Sistemlerde tercih edilen soğutma aralıkları 5 kw ile 30 MW aralığında, soğutucu akıģkan dolum miktarları 0 kg ile 60 ton aralığındadır. Bu sistemlerin sanayideki ilk uygulamalarında amonyak gazı öne çıkmaktadır. Günümüzdeki uygulamalarında da R gazı ile birlikte amonyak gazı kullanılmaktadır. Küçük kapasiteli uygulamalarda ise ve R50 kullanımı, günümüzde yerini R134A, R404A, R507, R13, R503 R3, R508A ve R508B gazlarına bırakmıģtır. Küçük tip uygulamalarda buharlaģtırıcı sıcaklıkları -10ºC ile - 40ºC aralığındadır. Günümüzde alternatif soğutucu akıģkan olarak CO gazının kullanımına yönelik çalıģmalar da yapılmaktadır. CO gazı daha çok endüstriyel uygulamalarda son 15 yıldır önemli bir aģama kaydetmiģtir. Bu tür sitemlerde çalıģma basıncı diğer sistemlere oranla daha yüksektir. Bu nedenle çok kademeli soğutma tekniklerinde ilk kademelerde veya ikincil soğutucu gaz olarak kullanılmaktadır [1]. Endüstriyel uygulamalarının hepsinde 00 verilerine göre toplam soğutucu akıģkan miktarı yaklaģık 98 bin tona ulaģtığı, bu miktarın %35 ini amonyak gazı, %43 ünü R gazı oluģturmaktadır. Sistemlerin neden olduğu toplam salım oranı ise %17 dir. Soğutma sistemlerinin genelinde buhar sıkıģtırmalı soğutma çevriminin temel alındığı görülmektedir. Termodinamik süreçlerde bir çevrim esasına göre çalıģan bu model çalıģmada da temel alınmıģtır. Soğutma çevriminde, sıkıģtırıcı tarafından alçak basınçtaki soğutucu akıģkan yüksek basınca çıkartılarak buradan yoğunlaģtırıcıya gönderilir. AkıĢkan yoğunlaģtırıldıktan sonra genleģme vanasından geçerek alçak basınçta sıvı hale dönüģtürülür ve buharlaģtırıcı 96

3 Soğutucu akışkanların ekserji verimine bağlı çevresel performanslarının incelenmesi aracılığı ileile soğutma gerçekleģtirilir. Buhar sıkıģtırmalı soğutma Ģeması ġekil 1 de ġekil 1 Buhar sıkıģtırmalı soğutma çevrimi III. SOĞUTMA SĠSTEMLERĠNDE EKSERJĠ ANALĠZĠ Soğutma sistemlerinde makinelerin çalıģma verimlerinin bir ölçüsü olarak etkinlik katsayısı (COP) tanımlanmıģtır. COP, çekilen ısı miktarının sıkıģtırıcıya sağlanan enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Bir soğutma makinesi için (COP) ; QL COP (1) W net dir [13]. Burada Q L soğutulan ortamdan çekilen ısıyı, W net sıkıģtırıcıya verilen net iģi ifade eder. Soğutma makineleri bir çevrim esasına göre çalıģan sistemlerdir ve çevrim için elde edilecek net iģ; W Q Q () net H L Ģeklinde ifade edilir. Burada Q H makinenin bulunduğu dıģ ortama verilen ısıdır. Soğutma makinelarinde COP birinci yasa verimi olarak ifade edilir. Bir soğutma makinesinin gerçekte iģ yapabilme kabiliyeti termodinamiğin ikinci yasasına göre ekserji kavramı ile tanımlanır. Soğutma sistemlerinde ekserji verimi gerçek COP nin aynı çalıģma parametrelerinde tersinir bir makinanın COP tr ye oranıdır. Bir soğutma makinesindecop tr ; 1 COP (3) tr TH 1 TL dir [14]. Burada T H dıģ ortam sıcaklığını, T L ısı çekilen ortam sıcaklığını ifade eder. Bu durumda soğutma makinelerinin ekserji verimi; COP II (4) COP tr dir. Denklem (1) ve Denklem (3) birleģtirilirse; Q Q T H L TL L II (5) Wnet dir [13]. Isıl sistemlerde doğrudan CO salım miktarı, kullanılan yakıt tipine, verime, COP değerine ve tüketilen enerjiye bağlıdır: burada CO CO CO Q. COP I SM (6) kullanılan yakıtın alt ısısına karģılık ortaya çıkan birim CO salımı (KgCO /kw-h), Q soğutma sm kapasitesidir. Bir ısıl sistemde tümleģik CO salımıise; sistemin akılcı ekserji verimine, dolayısı ile ekserji yıkımına bağlı olarak yapılı çevrede tüketilmesine gerek duyulan ek enerjiye bağlı salım miktarı ile sistemde enerjinin sağlanmasında salınan miktarın toplamıdır. Bu koģulda bir sistemin yapılı çevredeki tümleģikco salım( CO ) sorumluluğu [16]; CO Q CO Q j BW i SM j CO COi CO i (7) j (1 Ri ) I COP i SM I COP j SM dir. Burada Q BW ekserji yıkımına karģılık gelen birincil enerji miktarı, akılcı ekserji verimidir[16]. akılcı ekserji verimi, soğuk tekniğinde birincil enerji kaynağının sıcaklığı, uygulama sıcaklığı, dıģ ortam sıcaklığı ve referans sıcaklığının bir fonksiyonudur [17]. III. BULGULAR VE TARTIġMALAR ÇalıĢmada dört soğutma uygulamasında yaygın kullanılan soğutucu akıģkanlar önce sınıflandırılmıģ ve bu akıģkanların çevresel parametreleri incelenmiģtir. Ġncelenen bu soğutma sistemlerinde kullanılan her bir soğutucu akıģkanın sızıntı ve salım katkı oranı, ozon tabakasını inceltme/delme ve sera gazı potansiyeli ile atmosferde yaģam süreleri Çizelge 1 de Çizelge 1. Soğutma sistemlerinde kullanılan akıģkanların çevresel parametreleri[17] Atmosferde Salım Sızıntı Soğutma Soğutucu yaģama katkı oranı ODP GWP sistemi akıģkanlar süresi oranlar (%) (Yıl) ı (%) Konut tipi soğutucular Ticari soğutucular (Market, hipermarket ve soğuk depo uygulamaları) Araçlarda soğutma (kara, deniz, hava taģımacılığı Endüstriyel Soğutma (Gıda, kimya, petrol, gaz, çimento, çelik vb. sanayi uygulamaları) R ,80 0, R134a R 0, R134a R404A R407C ~9 R410A ~9 0, R 0, R50 0, R134a R404A R407C ~9 R507A Amonyak 0 < 1-0, R 0, R , R134a R404A R507C Çizelge 1 de soğutucu akıģkanların çevresel kıstasları günümüzde tercih edilen R404A ve R507 gazlarının da 0,

4 Ekserji verimi Kompresör güç tüketimi (kw) Ekserji verimi COP M.Z.Söğüt, H.Karakoç ve B.Kılkış oldukça düģük performanslara sahip oldukları görülmektedir. Ayrıca sızıntı oranlarındaki yükseklik, giriģ bölümünde verilen yıllık toplam gaz tüketimleriyle değerlendirildiğinde; gaz sızıntı miktarının çevresel etkiler yönüyle ne kadar önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Sistemlerde soğutucu akıģkanların termodinamik performanslarını incelemek için bazı kabuller yapılmıģtır. Sistemlerde her bir akıģkan çevrimi bir kw soğutma yükü koģulunda alınmıģtır. Her bir sistemin buharlaģtırıcı sıcaklıkları için genel uygulamalarda kabul edilen parametreler tercih edilmiģ ve bu parametreler Çizelge de Çizelge Çevrim parametreleri Soğutma sistemleri BuharlaĢtırıcı Sıcaklığı ºC YoğunlaĢtırıcı Sıcaklığı ºC Konut tipi Soğutucular Buzdolabı -5/0 Dondurucular -5/0 Araçlarda soğutma Araç klimaları 0/10 TaĢımacılık -40/10 Ticari soğutma Soğuk gıdalar 1/14 DonmuĢ gıdalar -1/0 Endüstriyel soğutma Gıda -15/-30 Sanayi -40/15 Soğutma kapasitesi (kw) 40 1 Literatürde, endüstriyel uygulamalarda kullanılan akıģkana göre buharlaģtırıcı sıcaklıklarının -70ºC sıcaklık aralığına kadar uzandığı tespit edilmiģtir. Ancak özel durumlar dıģında mevcut soğutucu akıģkanlar kullanılarak soğutma çevrimlerinde bu sıcaklıklara çıkmak pek mümkün değildir. Bu nedenle çalıģmada endüstriyel soğutmanın buharlaģtırıcı sıcaklıkları olarak en fazla -40ºC de incelenmiģtir. Araç klimalarında iklimlendirme amaçlı olarak sadece 134a kullanılmaktadır. Çizelge 1 de verilen diğer akıģkanların taģımacılıkta kullanıldığı görülmektedir. Yukarıdaki parametreler ve denklem (1, 3 ve 4) kullanılarak sistemlerin termodinamik analizleri gerçekleģtirilmiģtir. Yasaklanan ve üretimi yapılmayan soğutucu akıģkanı pek çok çevre raporunda halen potansiyel tehdide sahip bir akıģkan olarak değerlendirilmektedir. Bu nedenle diğer akıģkanlarla mukayese edilebilmesi için analizlerde incelenmiģtir. Konut tipi soğutucularda kullanılan soğutucu akıģkanların termodinamiğin I ve II. Yasasına göre COP ve ekserji analizleri yapılmıģ elde edilen veriler ġekil de Konut tipi soğutucularda, sürece bağlı incelenen üç akıģkan arasında COP ve ekserji verimlerinde verilerin biri birine 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 Ekserji R134a Ekserji R Ekserji COP- COP-134a COP Evaparatör sıcaklığı C ġekil Konut tipi soğutucularda COP ve ekserji verimi oldukça yakın olduğu görülmektedir. ġekilde de görülebileceği gibi R134a gazının COP ve ekserji verimleri ortalama %57,4 ile hem, hem de R ye göre daha düģük kalmıģtır. Ayrıca bu tip soğutucular teorik sıkıģtırıcı güçleri yönüyle de incelenmiģ ve elde edilen sonuçlar ġekil 3 de 0,64 0,6 0,60 0,58 0,56 0,54 0,5 0,50 Exergy Exergy 134a R Exergy R R134a Evaparatör sıcaklığı 0,5 0,4 0,3 0, 4,5 4 3,5 3,5 1,5 0,55 0,45 0,35 0,5 ġekil 3 Konut tipi soğutucularda ekserji verimi ve güç tüketimi Bu sonuçlara göre de R134a gazının sıkıģtırıcı güç tüketimleri de ortalama 0,36 kw ile hem, hem de R gazlarından daha yüksek tüketime sahip olduğu görülmüģtür. Bu parametreler referans alınarak benzer analizler araçlar, ticari ve endüstriyel soğutucular için yapılmıģtır. 0/10ºC buharlaģma sıcaklığına sahip araç klimalarında en yaygın kullanılan R134a gazının ortalama COP değeri ve ekserji verimleri sırasıyla 5,018 ve %6,5 dur. -40/10ºC buharlaģma sıcaklığına sahip taģımacılık sektöründeki soğuk tekniklerinde kullanılan gazlar arasında R407c gazının COP değeri ve ekserji verimleri sırasıyla 3,075 ve %54,4 olarak bulunmuģtur. SıkıĢtırıcı (kompresör) güç tüketimi ise 0,437 kw tır. R134a gazının COP değeri, ekserji verimleri ve sıkıģtırıcı güç tüketimleri bu değerlere oldukça yakındır. Ancak bu iki gazın verileri R gazının verilerini aģamamıģtır. 1/14 ºC buharlaģma sıcaklıklarına sahip soğuk gıda uygulamalarında; kullanılan akıģkanlar arasında en yüksek veriler, R407c gazı için bulunmuģ ve bu gazın ortalama COP değeri, ekserji verimi ve sıkıģtırıcı güç tüketimi değerleri; sırasıyla 5,337, %60 ve 0,19 kw tır. DonmuĢ gıdalar için uygulanan ve -1/0ºC buharlaģma sıcaklığına sahip sistemlerde kullanılan soğutucu akıģkanlar arasında ise R134a 98

5 TümleĢik CO (kgco/kwh TümleĢik CO (kgco/kwh Toplam CO (kgco/kwh TümleĢik CO (kgco/kwh Soğutucu akışkanların ekserji verimine bağlı çevresel performanslarının incelenmesi gazının oldukça iyi bir seçenek olduğu görülmektedir. Bu gazın ortalama COP değeri, ekserji verimi ve sıkıģtırıcı güçleri sırasıyla 4.799, %60.7 ve 0.34 kw bulunmuģtur. R gazının verileri bu buharlaģma sıcaklığı için R134a gazının altında kalmıģtır. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan soğutma sistemleri Çizelge de verilen buharlaģma sıcaklıklarına göre iki grupta incelenmiģtir. Gıda sanayinde kullanılan soğutma sistemlerindeki soğutucu akıģkanlar arasında, belirlenen üç kıstasa göre farklı gazlar ortaya çıkmıģtır. Bu gazın -15/-30ºC buharlaģma sıcaklığında COP değerlerine göre ile R404a, ekserji verimine göre %55. ile R ve %5.8 ile R134a gazı, sıkıģtırıcı güç tüketimlerine göre ise en düģük tüketim sırasıyla R kw, R134a 0.47 kw, R kw tır. Sanayi uygulamalarında kullanılan soğutma sistemler -40/15 ºC buharlaģma sıcaklığı için incelenmiģ ve sistemlerde kullanılan akıģkanlarda da yukarıdaki benzer sonuçlara ulaģılmıģtır. COP değerlerine göre ile R134a, ekserji verimine göre %56 ile R ve %5. ile R50 gazı, sıkıģtırıcı güç tüketimlerine göre ise en düģük tüketim sırasıyla R 0.67 kw, R134a 0.73 kw, R kw tır. ın neden olduğu çevresel etkiler denklem (6 ve 7) kullanılarak toplam ortalama CO salım miktarları her bir soğutma sistemi dikkate alınarak ayrı ayrı incelenmiģtir. ÇalıĢmada referans yakıt olarak doğal gaz, fuel-oil ve kömür ele alınmıģ ve neden oldukları salım miktarları bunlara göre mukayese edilmiģtir. Konut tipi soğutucu akıģkanların 1 kw soğutma yükü altında neden oldukları ortalama tümleģik salım dağılımları ġekil 4 te 1.00 Fuel-oil R R134a ġekil 4 Konut tipi soğutucularda CO salımları ġekil 4 de gazı değerlendirme amaçlı arasında en yaygın kullanılan R134a gazı, doğal gaz referans alındığında birim soğutma yükü için kgco /kwh salım değerine sahip olduğu görülmektedir. Bu değerin diğer iki gazın salım miktarlarının üstünde olduğu görülmüģtür. Benzer etkilerin fuel-oil ve kömür için de geçerli olduğu tespit edilmiģtir. Araç soğutma sistemlerinde incelenen her iki koģul ayrı ayrı incelenmiģ ve sonuçlar ġekil 5 de Araç klimalarında kullanılan R134a gazının doğal gaz referans parametresine göre bir soğutma yükü için tümleģik CO salımı kgco /kwh bulunmuģtur. TaĢımacılıkta ise kullanılan 6 farklı soğutucu akıģkan arasında en düģük CO salım miktarının R gazı olduğu görülmüģtür. R gazını R134a ve R407c gazları takip etmektedir. Doğal gaza göre CO salım oranları; R gazı için kgco /kwh, R134a ve R407c gazları için kgco /kwh olarak bulunmuģtur. Elde edilen verilerle sistemlerin ekserji verimleri arasında paralellik de ortaya çıkmıģtır R R134a Fuel-oil R R50 R134a R404A R407C ġekil 5 Araç soğutucularda CO salımları R507A DonmuĢ gıdalara yönelik ticari soğutma uygulamalarında kullanılan 5 farklı soğutucu akıģkanlar için salım değerleri incelenmiģ, elde edilen veriler ġekil 6 da R R134a R404A R407C R410A Soğutucu akışkanlar ġekil 6 Ticari soğutucuların (DonmuĢ gıda) CO salımları Bu akıģkanlar arasında, salım miktarı en düģük akıģkanın R134a, en yüksek akıģkanın ise R404A olduğu görülmüģtür. Bu iki sınır akıģkanın salım miktarları ise; R134a için kgco /kwh, R404A için kgco /kwh bulunmuģtur. Soğuk gıdalar için uygulanan sistemlerde salım dağılımları ġekil 7 de R R134a R404A R407C R410A ġekil 7 Ticari soğutucuların (Soğuk gıda) CO salımları 99

6 TümleĢik CO (kgco/kwh TümleĢik CO (kgco/kwh M.Z.Söğüt, H.Karakoç ve B.Kılkış Bu tip soğutma uygulamalarında da R134a gazının öne çıktığı görülmüģtür. Burada da en kötü performansı R404A gazı göstermiģtir. Bu gazların bu uygulamalardaki salım miktarları; R134a için 0.87 kgco /kwh, R404A gazı için kgco /kwh bulunmuģtur. Endüstriyel uygulamalarda analizler iki farklı uygulama için 6 farklı soğutucu için yapılmıģtır. Ancak çalıģmada değerleri gazın kullanım alanının oldukça sınırlı olduğu değerlendirilmiģ ve grafiklerde verilmemiģtir. -15/-30ºC buharlaģma sıcaklık aralığına sahip gıda uygulamalarında gazlara göre salım miktarları ġekil 8 de 1.00 R R50 R134a R404A R507 ġekil 8 Endüstri soğutucuların (gıda) CO salımları Gazların salım miktarları incelendiğinde ticari soğutucularda olduğu gibi R134a ve R404A gazlarının öne çıktığı görülmektedir. Bu buharlaģma sıcaklıkları için gazların ortalama emiyon miktarları; R134a gazı için kgco /kwh, R404A gazı için kgco /kwh bulunmuģtur. Sanayi uygulamalarında kullanılan soğutucu akıģkanların ortalama salım miktarları ġekil 9 da 1.00 R R50 R134a R404A R507 ġekil 8 Endüstri soğutucuların (gıda) CO salımları -15/-30 ºC evaporasyon sıcaklığı için en düģük salım miktarının R gazı ve daha sonra R134a gazı en yüksek salım miktarı, R507 gazının olduğu görülmüģtür. Bu gazların salım miktarları sırasıyla; kgco /kwh, kgco /kwh ve kgco /kwh dır. IV. SONUÇ Bu çalıģmada 4 farklı uygulama alanına sahip soğutma sistemleri sabit soğutma yükü aıtında ve kullanılan soğutucu akıģkanlar dikkate alınarak incelenmiģ, ekserjik performanslarının neden olduğu çevresel etkiler araģtırılmıģtır. Tüm çalıģmada özellikle ve R gibi çevresel etkileri oldukça kötü olan gazların yerine yaygın olarak kullanılan baģta R134a gibi gazların performanslarının da çevresel etkiler açısından olmadığı yeterli görülmüģtür. Çevresel etkiler yönüyle bugün tercih edilen R404A ve R410A gibi çevre dostu olarak ifade edilen gazların ekserji performansları dikkate alındığında; değerlendirmelerin gerçeği tam olarak yansıtmadığı görülmüģtür. Bu nedenle soğutucu akıģkanların geliģtirilmesine yönelik çalıģmalarda, ekserjik verim ve çevresel kıstaslar göz önüne alınmalıdır. ÇalıĢmada sistemlerin tercihlerinde performans ölçütü olarak değerlendirilen COP kavramının yeterli olmadığı, bu değerlendirmenin niteliği esas alan ve sitem verimini % olarak tanımlayan ekserji verimi ile ifade edilmesinin daha kabul edilebilir bir yaklaģım olacağı görülmüģtür. Çevresel performans değerlendirmesinde sistemlerin neden olduğu gerçek salınım oranlarının tespitinde ekserjiye ve onun verdiği gerçek tersinmezliğe bağlı yapılması daha doğru olacaktır. Sistem tasarımı ve tercihlerinde de bu kıstaslar dikkate alınmalıdır. KAYNAKLAR [1] Energy Conservation Center (ECCJ), Enerji dönüģüm Merkezi, Tokyo, Japonya. [] K. Horst. Refrigerant use in Europe, ASHRAE Journal, September [3] H. Halozen., HFCs or the Old Refrigerants - what is the best Choice?, Thermal Engineering Institute, Graz Universitesi, Graz, Austria, EGNO/XIIConvegnoEnglish/ISESSIONE/Halozan_eng.pdf [4] L.Özgenr, A. Hepbasli, HVAC sistemlerinde ekserji analizinin gerekliliği ve uygulamaları, VI Ulusal Tesisat Mühendisliği kongresi ve sergisi, Ġzmir, 003. [5] P. Schlinel. P. A. J. V., Kasteren, Exergy Analysis- a tool for sustainable technology in engineering education, Eindhoven University of Technology, The Netherlands, [6] Ġ Dinçer., M. A. Rosen, Thermodiynamic aspects of renewable and sustainable development, Renewable & Sustainable Energy Reviews, , 005. [7] J. Szargut., D.R. Morris, F.R. Steward, 1988, Exergy analysis of thermal and metallurgical processes, Hemisphere Publishing Corporation, USA TJ 65. S ,. [8] Ġ Dinçer., Thermodynamics, exergy and environmental impact, Energy Sources, 73-73, 000. [9] I Dinçer., The role of exergy in energy policy making, Energy Policy 30, , 00. [10] IPCC/TEAP, Safeguarding the ozone layer and the global climate system, Ġklim değiģkliği teknolojileri ve ekonomik değerlendirme uluslararası panel özel raporu, Cambbridge Üniversitesi, Newyork,USA, 005, [11] FEA (Federal Enviromental Agency), 009, Comparative Assesment of the climate relevance of supermarket refrigeration systems and equipment Almanya Çevre Bakanlığının çevre araģtırma raporu,almanya [1] [13] Y. Çengel, M.A.Boles. Thermodynamics: an engineering approach, 4th ed. New York: McGraw-Hill; 001. [14] E.K. Akpınar, A.Hepbasli, Comparative study on exergetic assessment of two ground-source (geothermal) heat pump systems for residential applications Building and Environment 4 (007) [15] M.Z. Söğüt., Z.Oktay, A. Hepbasli, Energetic and exergetic assessment of a trass mill process in a cement plant Energy Conversion and Management 50 (009)

7 Soğutucu akışkanların ekserji verimine bağlı çevresel performanslarının incelenmesi [16] B. KılkıĢ, A Rational Exergy Management Model for sustainable buildings to reduce compound CO emissions Proc/e 40th Congress on HVAC&R KGH, 009, pp [17] B.KılkıĢ, An Analytical, Multi-objective Optimization Algorithm for Energy Efficiency in District Cooling Systems and Green Buildings, ASHRAE Paper 86030, ASHRAE Winter Meeting Proceedings, Las Vegas, 9 January, February 011. [18] USGBC Report on the Treatment by LEED of Environmental Impact of HVAC Refrigerants, U.S. Green Building Council (USGBC), Washington D.C., USA. 101