GELİŞTİRİLEN BİLGİSAYAR PROGRAMI YARDIMIYLA R12 VE R134a KULLANAN OTOMOBİL KLİMALARININ PERFORMANS ANALİZİ

Transkript

1 GELİŞTİRİLEN BİLGİAYAR PROGRAMI YARDIMIYLA R VE Ra KULLANAN OTOMOBİL KLİMALARININ PERFORMAN ANALİZİ Dilek Özlem EEN Muat HOŞÖZ ÖZET 9. yüzyılın ikinci yaısında geliştiilmeye başlanan ilk soğutma sistemleinde kabondioksit, hava, su, amonyak gibi doğal maddele soğutucu akışkan olaak kullanılmıştı. İzleyen yüzyılda, yapay olaak elde edilen klooflookabon ve hidoklooflookabonla bu maddelein bi kısmının yeini almış ve yoğun şekilde kullanılmıştı. Ancak bu maddelein zaman içeisinde atmosfee kaışması sonucunda, sea etkisinin atması ve ozon tabakasının tahibatı gibi çeşitli çeve sounlaı otaya çıkmıştı. Özellikle canlılaı zaalı güneş ışınlaından kouyan ozon tabakası soğutucu maddelein yapısında bulunan klo atomlaının sebest kalıp zayıf ozon molekülleini paçalamasıyla tahip olmaktadı. Ozon tabakasının tahip olması sounu, tüm dünyada önem kazanmış ve ülkele bu tahibatı önlemek için bilikte haekete geçmişledi. Bu haeketin pensipleini çizen ve 987 yılında ülke taafından imzalanan Monteal Potokolü ile R nin de içinde bulunduğu CFC gubu soğutucu akışkanlaın üetim ve kullanımı aşamalı olaak kısıtlanmıştı. Günümüzde R ye altenatif olaak gösteilen soğutucu akışkanladan bi tanesi olan Ra, 99 yılından bu yana üetilen otomobillede yaygın olaak kullanılmaktadı. Hidojen, flo, kabon atomlaı içeen bi soğutucu akışkan olan ve HFC gubuna ait Ra, klo atomu içemediğinden ozon tabakasına zaa vemez. Bunun sonucu olaak Ra nın Ozon Tüketme Potansiyeli(ODP) değei de sıfıdı. Bahsedilen bu olumsuzluklaın yanında, R nin gideek pahalılaşması ve temininin zolaşması, R kullanan aaç klimalaının Ra soğutucu akışkanlı sisteme dönüşümünü zounlu kılmaktadı. Bu çalışmada, R kullanan aaç klimalaının Ra kullanı hale dönüştüülmesinden sona pefomanslaında göülecek değişimle teoik olaak otaya konmuştu. Bu amaçla, R ve Ra soğutucu akışkanlaının temodinamik özellikleini veen denklemleden yola çıkılaak, bu denklemle bi bilgisaya simülasyon pogamı haline getiilmişti. onuçta klima sisteminin, soğutma gücü, kompesö gücü, TK gibi paametelei hesaplanmış ve iki ayı akışkana ait sonuçla gafikle halinde sunulmuştu..giriş Çeşitli sanayi sektöleinde kullanılan biçok yapay veya doğal maddenin teka kullanılamaması ve çeveye atılması yüzünden yılladı çeve kiletilmektedi. Kililiğin sebep olduğu çeve sounlaının atması ile bilikte son yıllada tüm dünyada çeveyi tahip eden maddele üzeinde yoğun aaştımala başlatılmıştı. Bu aaştımala neticesinde soğutma ve klima sektöünde kullanılan soğutucu maddele ile çeşitli sanayi kollaında kullanılan CFC (klooflookabon) içeen maddelein ozonu tüketmesi ve çeveye olan etkilei ağılıklı olaak gündeme gelmişti. Bu çalışmada otomobil klima sisteminde kullanılan soğutucu akışkanlaın tanıtımı, başta ozon tahibatı olmak üzee çeve etkilei, ozon tahibatının otaya çıkması ile R soğutucu akışkanının

2 kullanan otomobil klimalaının Ra lı sisteme dönüşümü sonası pefomans paameteleindeki değişimle üzeinde duulmuştu. Bu amaçla bi bilgisaya simülasyon pogamı geliştiilmiş ve elde edilen paametele gafikle halinde sunulmuştu.. OTOMOBİL KLİMA İTEMİNDE KULLANILAN R VE RA OĞUTUCU AKIŞKANLARI VE ÇEVREYE ETKİLERİ R: R ( CCl F ) ağılıklı olaak ev tipi soğutuculada ve aaç klimalaında kullanılmaktadı. Klo içeen bileşikle atmosfee yayıldığında güneş ışınlaının etkisi ile ayışmakta, klo(cl) atomlaı sebest kalmaktadı. Oldukça zayıf bağlaa sahip olan ozon moleküllei (O ), sebest kalan klo ile eaksiyona gieek klomonoksite (ClO) dönüşmektedi. Bu eaksiyon sonucu, süekli olaak O moleküllei O ye dönüşmektedi. Bu eaksiyon zincileme devam etmektedi. Açığa çıkan klo atomlaı, statosfeden çıkana kada binlece ozon molekülünü etkilemektedi. Ra:Ra (CF CH F ), temodinamik ve fiziksel özelliklei ile R'ye en yakın soğutucudu. Ozon tüketme katsayısı sıfıdı. Aaç klimalaı ve ev tipi soğutucula için en uygun altenatifti. Ticai olaak da temini kolaydı. Yüksek ve ota buhalaşma sıcaklıklaında sistemin soğutma tesi katsayısı değei R ile yaklaşık aynı olmaktadı. RA VE R KULLANAN OTOMOBİL KLİMAINA AİT İMULAYON PROGRAMI Ra ve R kullanan otomobil kliması soğutma çeviminin temodinamik modeli ve simülasyonu geliştiilmişti. Bu amaçla bi akış diyagamı oluştuulmuş ve bi bilgisaya pogamı hazılanmıştı. Pogam çalıştıılmadan önce, buhalaşma sıcaklığı, yoğuşma sıcaklığı, aşıı soğutma, kızgınlık, kütlesel debi ve kompesö izentopik veim değelei pogam taafından istenmektedi. Bunun sonucunda pogam, çevimin bütün köşe noktalaındaki soğutucu akışkan entalpi ve entopisi ile evapoatödeki soğutma yükü, kondeseden atılan ısıyı, kompesöde akışkana veilen izentopik işi ve soğutma tesi katsayısını(tk) hesaplayabilmektedi. İki faklı soğutucu akışkan içeen çevimlee ait akış diyagamı, Ra ve R soğutucu akışkanlaının hal denklemi ve çeşitli temodinamik özelliklee ait liteatüdeki denklemle kullanılaak hazılanmıştı. Pogamın çalıştıılması ile elde edilen pefomans paametelei, gafikle halinde kaşılaştımalı olaak veilmişti... Ra oğutucu Akışkanı Kullanan Klima soğutma Çevimine Ait Temodinamik imülasyon Pogamının Akış Diyagamı BAŞLA TEVAP,TKOND,ETA UBCOOLING,m, UPERHEAT PEVAP=PEVAP(TEVAP) (), (8) PKOND=PKOND(TKOND) YOG=YOG(TR) V=/YOG (), (9)

3 H=H(TR) =(TR) HL=HL(TR) L=L(TR) ()(), (0)() PB=PB(TK,TR,VB) (), () hayı PB-PEVAP <0. evet HB=HB(PEVAP,VB,TK,TR) (6), () X=(H-H) / (HB-HL) B=B(TK,TR,VB) =X*(B-L) (7), () P=P(TK,TR,V) (), () hayı P-PEVAP <0. evet H=H(PEVAP,V,TK,TR) =(V,TK,TR) (6)(7), ()() P=P(T,TR,V) (), () P-PKOND <0.0 hayı evet

4 hayı - <0.0 evet =(T,TR,V) (7), () H=H(T,V,TR) (6), () hayı P-PKOND <0.0 evet HH=HH(PKOND,TK,V,TR) (6), () hayı H-H <0. evet HH=HH(PKOND,TK,V,T) (6), () =(TK,TR,V) (7), () QEVAP=M.(H-H) (),(6)(7)(8) QKOND=M.(H-H) WKOMP=M.(H-H) COP=QEVAP/WKOMP END Buada (*) Ra soğutucu akışkanı için, ( ) R soğutucu akışkanı için kullanılacak denklemlei ifade etmektedi.

5 .. Ra oğutucu Akışkanına Ait Temodinamik Özellikle ve Hal Denklemi Ra Doymuş ıvı Basıncı (Kpa): [] = A B / T CT DT log( F T ). E. ( F T ) T ( ) ln P / A=.80, B= *E, C= -.0*E(-), D=.*E(-), E=.998, F=.787*E Ra Doymuş ıvı Yoğunluğu (kg/m ) : [] ρ = ρ D ( T ) / D ( T ) / D ( T ) D ( T ) / ( ) L C D =89.68, D =0.8, D =-6.77, D =789.79, ρ C =. T =T/T C, T C =7. Ra Doymuş ıvı Entalpisi (kj/kg): [] H = E E ( T ) / E ( T ) / E ( T ) E ( T ) / ( ) E =9.98, E =-70, E =-6.8, E =76.8, E = -6.8 Denklemdeki katsayıla, Ra soğutucu akışkanına ait doymuş sıvı entalpilei [] nolu kaynaktan alınmak suetiyle, MATLAB 6. de eği uyduulaak elde edilmişti. Ra Doymuş ıvı Entopisi (kj/kg o C): [] / = F F ( T ) / F ( T ) / F ( T ) F ( T ) ( ) F =.88, F = -., F = -.8, F =.0, F = -.9 Denklemdeki katsayıla, Ra soğutucu akışkanına ait doymuş sıvı entopilei [] nolu kaynaktan alınmak suetiyle, MATLAB 6. de eği uyduulaak elde edilmişti. Hal denklemi: [] P = RT A. /( V b) A ( ). ( ) BT Ce K T T / V b A BT Ce K / V b ( ). T V b A B T C e K ( V ) ( ) / b / A = -.90, A =.7797E(-), A = , A = b =.67*E(-) Ra Kızgın Buha Entalpisi (kj/kg): [] H K j = H 0 j( PV RT ) ( CP T CP. T / CPT / CPT / C PlnT ) ( A /( V b) A / ( V b) A / ( V b) A / ( V b) ) K. T ( ) ( C /( V b) C / ( V b) C / ( V b) C / ( V b) ) je KT ( 6 ) C P = -.7*E(-), C P =.967*E(-), C P = -,07*E(-6), C P =0, C P =.87

6 6 A = -.90, A =.7797E(-), A = , A = H 0 = 9.8, j =, R = *E(-) C =-.9, C =.6698*0(-), C =0, C =-.069*E(-9), K=.7 Ra Kızgın Buha Entopisi (kj/kg o C) [] K = 0 ( CP T CPT CPT / CPT / CP / T ) jr ln ( V b). ( B /( V b) B / ( V b) B / ( V b) B / ( V b) ) K. T jk / T C e ( C / V b C / V b C / V b C / V b ) [ P / RT ] ln 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( 7) B =.79*E(-), B = -.89E(-7), B =0 B =.69806*E(-), 0 =.966, P 0 =0.9.. R oğutucu Akışkanına Ait Temodinamik Özellikle ve Hal Denklemi R Doymuş ıvı Basıncı (psia): [] log P log 0 = A B / T C T DT ET FT ( 8 ) A= , B= -6.68, C= -..78, D=.70*E(-), E=0, F=0 R Doymuş ıvı Yoğunluğu (ft /lb): [] ρ = D D L D 6 ( T ) / D ( T ) / D ( T ) D ( T ) ( T ) / D ( T ) 7 / ( 9 ) D =,8, D =.87, D =0, D =8.697 T =T/T C, T C =69. Ra Doymuş ıvı Entalpisi (Btu/lb) : [] H = E E ( T ) / E ( T ) / E ( T ) E ( T ) / ( 0 ) E =9.98, E =-70, E =-6.8, E =76.8, E = -6.8 Denklemdeki katsayıla, R soğutucu akışkanına ait doymuş sıvı entalpilei [6] nolu kaynaktan alınmak suetiyle, MATLAB 6. de eği uyduulaak elde edilmişti. R Doymuş ıvı Entopisi (Btu/lbR) : [] / = F F ( T ) / F ( T ) / F ( T ) F ( T ) ( ) F =.09, F = -.687, F =.088, F =-7.78, F = 8.97 Denklemdeki katsayıla, R soğutucu akışkanına ait doymuş sıvı entopilei [6] nolu kaynaktan alınmak suetiyle, MATLAB 6. de eği uyduulaak elde edilmişti.

7 7 Hal denklemi: P = RT A. /( V b) A ( ). ( ) BT Ce K T T / V b A BT Ce K / V b [] ( ). T V b A B T C e K ( V ) ( ) / b / A = , A =.06096, A = *E(-), A = 0 b = R Kızgın Buha Entalpisi (Btu/lb) : [] H = ( CP T CP. T / CPT / CPT / C P/ T ) jpv ( A /( V b) A / ( V b) A / ( V b) A / ( V b) ) K. T ( ) ( ) ( ) ( ) ( C V b C V b C V b C ( V b ) / / / ) X K j je KT / ( ) C P = 8.09*E(-), C P =.66*E(-), C P = -.896*E(-7), C P =6.76*E(-), C P = 0 A = A =.06096, A = , A = 0 C = C =.9908, C =0, C = *E(-), K=.7 X=9.6, j =.80, R =.0887 R Kızgın Buha Entopisi (Btu/lbR): [] K j = ( CP (ln0) logt CPT CPT / CPT / CP / T ) jr ln0log( V b) ( B /( V b) B / ( V b) B / ( V b) B / ( V b) ) K. T / T C. e ( C V b C / V b C / V b C / V b ) Y jk ( ) ( ) ( ) ( ) / ( ) B =.988*E(-), B = E(-), B =0, B =.688*E(-), Y= R DEN RA YA DÖNÜŞÜMÜ YAPILAN BİR OTOMOBİL KLİMAININ BİLGİAYAR İMÜLAYON PROGRAMI YARDIMIYLA PERFORMAN PARAMETRELERİNİN KARŞILAŞTIRILMAI R soğutucu akışkanı kullanan otomobil klimalaının pefomansı, Ra kullanı hale dönüştüüldükten sonaki pefomanslaı ile teoik yönden kıyaslanmaktadı. Kaşılaştıılan iki çevimde sabit tutulan paametele, geçek duumdaki değeleine yakın olacak şekilde aşağıdaki gibi seçilmişti. oğutma Yükü. kw Yoğuşma ıcaklığı 0 C Buhalaşma ıcaklığı -,0,, C Kondensedeki Aşıı oğuma C Evapoatödeki Kızgınlık C Kompesö İzentopik Veimi % 80 Geliştiilen pogam, çeşitli pefomans paameteleini aşağıdaki denklemleden hesaplamaktadı.

8 oğutma Yükü Q evap. ( h = m h ). m : Kütlesel Debi [g/s] 8 ( ) h = Evapoatö çıkışındaki entalpi [kj/kg] h = Evapoatö giişindeki entalpi [kj/kg] Kondensede Atılan Isı. = m h h ) Q kond ( ( 6) h = Kondense giişindeki entalpi [kj/kg] h = Kondense çıkışındaki entalpi [kj/kg] ıkıştıma İşi W komp. = m h ( h ) h =Kompesö giişindeki entalpi [kj/kg] h = Kompesö çıkışındaki entalpi [kj/kg] oğutma Tesi Katsayısı COP = Q evap / W komp ( 7 ) ( 8 ) Bunlaa göe, bi otomobil klimasının iki faklı soğutucu akışkanla çalıştıılması duumunda alınacak teoik sonuçla gafik olaak sunulmuştu. TK,9,8,7,6,,,,, - 0 Buhalaşma ıcaklığı [C] Ra Şekil. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Buhalaşma ıcaklığına Göe oğutma Tesi Katsayılaı R

9 9 Kompesö Gücü 0,8 0,8 0,78 0,76 0,7 0,7 0,7 0,68 0,66 Ra R - 0 Buhalaşma ıcaklığı [C] Şekil. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Buhalaşma ıcaklığına Göe Kompesö Güçlei Kütlesel Debi [g/s] Buhalaşma ıcaklığı [C] Ra R Şekil. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Buhalaşma ıcaklığına Göe Çevimde Dolaşan oğutucu Akışkan Debisi Kütlesel Debi [g/s] Ra R,, oğutma Yükü [kw] Şekil. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Evapoatö Yüküne Göe Çevimde Dolaşan oğutucu Akışkan Debisi

10 _ 0 Basma Hattı ıcaklığı [C] Buhalaşma ıcaklığı [C] Ra R Şekil. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Buhalaşma ıcaklığına Göe Kompesö Çıkışındaki oğutucu Akışkan ıcaklığı ıkıştıma Oanı [Pe/Pc],,, 0, 0-0 Buhalaşma ıcaklığı [C] Ra R Şekil 6. R ve Ra ile Çalışan Otomobil Klimalaında Buhalaşma ıcaklığına Göe ıkıştıma Oanlaı Mutlak Buhalaşma Basıncı [ba],,,,,9,8,7,6, Ra R - 0 Buhalaşma ıcaklığı [C] Şekil 7. Buhalaşma ıcaklığına Göe R ve Ra nın Buhalaşma Basınçlaı

11 _ Mutlak Yoğuşma Basıncı [ba] Ra R Yoğuşma ıcaklığı [C] Şekil 8. Yoğuşma ıcaklığına Göe R ve Ra nın Yoğuşma Basınçlaı Şekil de gösteilen soğutma tesi katsayısı değelei incelendiğinde, R li sistemin Ra lı olandan yaklaşık %- daha yüksek değele vediği anlaşılmaktadı. Kompesöün motodan aldığı mekanik güç sabit kabul edilise, soğutma tesi katsayısındaki düşmenin, aynı oanda soğutma yükünü de azaltacağı söylenebili. Şekil yadımıyla, he iki sistemde de. kw olaak belilenen soğutma yükünü kaşılamak amacıyla geek duyulan kompesö güçlei kaşılaştııldığında, Ra nın R ye kıyasla % kada daha fazla güç geektidiği anlaşılmaktadı.. kw lık sabit soğutma yükünü kaşılamak için, çevimde dolaşması geeken soğutucu akışkan debisinin buhalaşma sıcaklığına bağlı değişimi Şekil de gösteilmişti. Buadan Ra nın R ye göe yaklaşık % 8-0 daha düşük bi kütlesel debi geektidiği göülmektedi. Bu nedenle Ra ya dönüşümü yapılan sisteme, R şajının %7-90 ı kada Ra yüklemek yeteli olmaktadı. Şekil de, otomobil klimalaında kaşılaşılabilecek evapoatö yük aalığı için iki faklı sistemdeki kütlesel debi değişimi göülmektedi.şekil den, basma hattı sıcaklığının, R li sistemlede Ra lı olanladan yaklaşık C yüksek olduğu göülmektedi.şekil 6 dan ise, Ra nın R den daha yüksek sıkıştıma oanlaı geektidiği anlaşılmaktadı.şekil7 den otomobil klimalaında kaşılaşılan buhalaşma sıcaklığı aalığında, R nin buhalaşma basıncının Ra ya göe daha büyük olduğu göülmektedi Şekil 8 de, yoğuşma sıcaklığına bağlı olaak iki faklı soğutucu akışkanın yoğuşma basınçlaı gösteilmişti. Ra nın yoğuşma basıncının R ye kıyasla daha büyük olduğu göülmektedi. Bu duumun, Ra ya dönüştüülen sistemlede basma hattı basıncına mauz paçala üzeinde ek geilmelee ve kaçaklaa neden olacağı açıktı..onuç Ozon tahibatı ve çeveye olumsuz etkilei yüzünden Monteal Potokolü ile üetim ve kullanımlaı denetim altına alınan soğutucu akışkanladan bii olan, R soğutucu akışkanı otomobil klima sisteminde yeini Ra soğutucu akışkanına bıakmıştı. Yapılan bilgisaya simülasyon pogamı yadımıyla teoik olaak, dönüşüm sonası he iki soğutucu akışkan için pefomans paameteleinin nasıl değiştiği belilenmişti. eçilen değelee göe, soğutma tesi katsayısı değeleine bakıldığında, R li sistemin Ra lı sistemden yaklaşık %- daha yüksek olduğu ve bunun sonucunda sistemin soğutma kapasitesinde bi azalma olduğu göülmektedi. Yoğuşma sıcaklığına bağlı olaak yoğuşma

12 _ basınçlaı incelendiğinde, Ra yoğuşma basıncının R den daha yüksek olduğu ve bunun sistemi yüksek bi basma hattı basıncına mauz bıakacağı açıktı. Bi diğe önemli husus da, Ra nın R ye oanla aynı soğutma yükünde şekilden de göüldüğü üzee yaklaşık % 8-0 daha düşük bi kütlesel debi ile çalışabilmesidi. Bu nedenle Ra ya dönüşümü yapılan sisteme, R şajının %7-90 ı kada Ra yüklemek yeteli olmaktadı.ayıca, he iki sistemde de. kw olaak belilenen soğutma yüküne kaşılık, geek duyulan kompesö güçlei kaşılaştııldığında, Ra nın R den daha fazla bi kompesö gücü geektidiği anlaşılmaktadı. KAYNAKLAR [] WILON, D.P.,BAU, R.., Themodynamic Popeties of A New tatospheically afe Woking Fluid Refigeant a, Ashae Tansaction, 9(), 09, 988 [] DOWNINIG,R.C., Refigeant Equations, Ashae Tansactions, 80(), 8-69,97 [] Klea 07C(Klea 66) Data heet [] Retofitting with Non-CFC ubstitutes, Industy and Envionment, 99 [] ÇENGEL, Y.A., MICHAEL, A.B., Mühendislik Yaklaşımıyla Temodinamik, 996, 8-87 [6] BLACK, Z.B., Themodynamics, Hape Collins Publishes, 99, A-9-A-0 ÖZGEÇMİŞLER Dilek Özlem EEN 97 yılında İzmit te doğdu. İlk ve ota öğenimini İzmit te tamamladı. 99 yılında, Takya Ünivesitesi Mühendislik Mimalık Fakültesi Makine Mühendisliğinden lisans deecesi aldı.99 yılında Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümüne aaştıma göevlisi olaak atandı. 997 yılında Kocaeli Ünivesitesi Fen Bilimlei Enstitüsünde Isı-Eneji Anabilim dalında yüksek lisans deecesi aldı.aynı yıl doktoa pogamına başladı. Halen Kocaeli Ünivesitesi nde, aynı bölümde doktoa çalışmalaına devam etmekte ve aaştıma göevlisi olaak çalışmaktadı. Muat HOŞÖZ 967 yılında Busa da doğdu. 988 yılında Uludağ Ünivesitesi Makine Mühendisliği Bölümünde lisans, 990 yılında İTÜ Fen Bilimlei Enstitüsü Makine Anabilim Dalı Eneji Pogamında Yüksek Lisans eğitimini tamamladı.uludağ Ünivesitesinde Aaştıma Göevlisi, Kocaeli Ünivesitesinde Öğetim Göevlisi olaak çalıştı. İTÜ Fen Bilimlei Enstitüsü Eneji Pogamında 999 da tamamladığı Doktoa Eğitiminden bu yana Kocaeli Ünivesitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümünde Yadımcı Doçent olaak çalışmaktadı.