Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Verimliliklerinin ve Çevresel Etkilerinin İncelenmesi

Transkript

1 Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi (TATED) Cilt: 3, No: 2, 211 (15-25) Electronic Journal of Vehicle Technologies (EJVT) Vol: 3, No: 2, 211 (15-25) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: X Makale (Article) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Verimliliklerinin ve Çevresel Etkilerinin İncelenmesi E.KOÇ 1 M.Z.SOĞUT 1 ve Z.OKTAY 2 1 Teknik Bilimler Bölümü, Kara Harp Okulu, Ankara/TÜRKİYE, 2 Makina Müh. ABD, Mühendislik Fak. Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir/TÜRKİYE, emrahkoc1@gmail.com mzsogut@kho.edu.tr zoktay@gmail.com Özet Bu çalışmada benzinli, LPG ve dizel motorlarda soğutma sisteminin enerji ve ekserji analizleri yapılarak, tüketimine olan etkileri ve bu tüketimin neden olduğu çevresel etkiler incelenmiştir. Çalışmada 3.5 kw soğutma kapasitesine sahip bir motor için -18/1 ºC evaporatör sıcaklıklarındaki değişim referans alınmış ve bu verilere göre her bir sıcaklık için motorlardaki soğutma sistemi kaynaklı tüketimleri ayrı ayrı hesaplanmıştır. Çalışmanın sonunda elde edilen analiz sonuçları verilmiş ve sistemlerin termodinamik analizinde enerji verimi yerine ekserji verimi kullanılması gerektiğinin nedenleri açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Araç klima sistemleri, Soğutucu akışkanlar, COP, Ekserji, Verim. Investigation of Exergy Eficiency and Environmental Effects, Depending On Colding Fluids That Use On Vehicle Air Conditions Abstract In this study, the energy and exergy analyses of the cooling systems of the gasoline, LPG and diesel engines were made and effects of these cooling systems on fuel consumption as well as the environmental effects caused by this consumption have been investigated. For this study, temperature variation of an engine with 3.5 kw cooling capacity at -18/1 oc evaporator temperature has been taken as a reference and fuel consumption caused by the cooling system at each temperature level has been calculated separately. The findings based on the analysis of the study were discussed and reasons for using the exergy efficiency term instead of energy efficiency for the thermodynamic analysis of the systems were explained. Keywords: Vehicle air conditioning systems, Refrigerants, COP, Exergy, Efficiency GİRİŞ Gelişen teknoloji ile birlikte modern yaşamda zorunlu ihtiyaçlardan biri haline gelen araçlarda iklimlendirme ve soğutma uygulamaları gün geçtikçe önem kazanmış ve araçlarda bu özellikler standart donanım haline gelmiştir[1]. Taşıtların donanımsal özelliklerindeki gelişmeler araçlarda yükün artmasına neden olduğu ve bu özelliklerin sürdürülebilir olması için gereken enerji miktarının da gün geçtikçe arttığı görülmektedir. Birçok firma bu özelliklerin karşılanması için daha verimli motor teknolojilerinin kullanılması, süründürülebilir çevre için performanslarında çevresel etkileri arttırmayacak önlemlerin alınmasını içeren AR-GE çalışmalarını sürdürmektedir. Zira tüketimine olumsuz katkı Bu makaleye atıf yapmak için Koç E., Soğut M.Z., Oktay Z., Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Verimliliklerinin ve Çevresel Etkilerinin İncelenmesi Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 211, (3) How to cite this article Koç E., Soğut M.Z., Oktay Z., Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Verimliliklerinin ve Çevresel Etkilerinin İncelenmesi Electronic Journal of Vehicle Technologies, 211, (3) 15-25

2 Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji yaratan bu konfor parametreleri, araçlardan kaynaklanan sera gazları emisyonlarını da olumsuz etkilemektedir. Prensip olarak buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini esas alan araç klimalarında kompresörün mekanik tahriki genellikle otomobilin motorundan kayışla ve bir magnetik kavrama yardımıyla alınmakta ve aracın iklimlendirme ve soğutma sisteminin motor performansı ve verimi üzerinde etkili olduğu görülmektedir. Bu etki nedeniyle araç klimalarının doğrudan (soğutucu akışkan sızıntısı) ve dolaylı (motor performansı ve verimine etkisi) olarak çevreyi etkilemekte, ozon delinmesi ile sera gazlarının emisyon artışına katkı sağlamaktadır yılına kadar araç klima sistemlerinde soğutucu akışkan R12 gazı tercih ediliyordu. Bu clorofluorocarbons (CFC) gazın bünyesinde ihtiva ettiği klor atomları nedeniyle yüksek bir ozon tahrip gücüne ve sera etkisinin güçlendirilmesi için kuvvetli bir potansiyele sahip olduğu bilinmektedir. Son yıllarda iklimlendirme ve soğutma uygulamalarında kullanılan soğutucu akışkanların ozon delinmesine katkılarının ve küresel ısınma etkilerinin oldukça yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu etkinin azaltılmasına yönelik olarak öncelikle, Montreal Protokolü ve Avrupa Konseyi Direktifi (393/94) ile 193 larda soğutma sistemlerinde yaygın olarak kullanılan amonyak gibi soğutucu akışkanların yerine güvenli akışkanlar olarak kullanılan HCFC grubu gazların ve clorofluorocarbons gazlarının kullanımı ve satışları sınırlandırılmıştır [2]. 199 yılından beri otomobil üretimlerinde, klima sistemlerinde yaygın olarak daha az çevresel etki özelliğine sahip R134a soğutucu akışkanı kullanılmaya başlanmıştır[3]. Termodinamik süreçlerde bir sistemin performansı ve verimi genellikle enerjinin korunumuna bağlı olarak ele alınır. Enerji, genellikle iş ya da iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır. Enerjinin hareket ya da hareket üretebilme kabiliyeti olarak tanımlanması daha doğru olacaktır [4]. Termodinamiğin birinci yasasına dayanan enerji analizleri sistemlerin incelenmesinde temel yöntemdir. Ancak niceliğin ölçüldüğü enerji analizleri sonuçları; gerçek değerlere göre sistemlerin verimliliklerinin değerlendirilmesinde bizi gerçekçi sonuçlara ulaştırmamaktadır. Çünkü sistemlerin işletilmesi için gerek duyulan enerji kullanılabilir enerjidir. Bu koşullarda; enerji analizleri; önemli bir parametre olan çevre şartlarının da göz önüne alındığı termodinamiğin ikinci yasasına göre gerçekleştirilmesi gerekir. Referans alınan çevre koşullarında sistemde elde edilebilecek maksimum iş olarak tanımlanan ekserji kütle ve enerji akışında niteliğin bir ölçüsüdür [5,6]. Ekserji analizi endüstriyel sistemler için etkili bir konseptir ve modern termodinamik yöntemlerde gelişmiş bir araç olarak kullanılır. Ekserji analizlerinin temel amacı ısıl ve kimyasal sistemlerde eksiklerin önemini nicel tahmin etmek ve nedenlerini araştırmaktır. Ekserji analizleri, farklı termodinamik faktörlerin öneminin karşılaştırılması, proses etkileri üzerine termodinamik şartların etkilerinin iyi anlaşılması ve değerlendirilen prosesin geliştirilmesinin en etkili yollarının tanımlanması için yol gösterir [7]. Ekserjiyi doğru anlamak ve verimle sağlanabilecek bilgiler çevresel etki ve sürdürülebilir enerji sistemleri alanında çalışan bilim adamı ve mühendisler için gereklidir. Dinçer [8,9] araştırmasında ekserji ve enerji politikasının oluşumunda ve sürdürülebilir gelişme ve enerji, çevre ve ekserji, ekserji ve enerji arasındaki bağlantıları vurgulamıştır. 24 yılında ulaştırma sektöründe tüketilen enerjinin; %83.9'ı karayolu, %11.75'i havayolu, %2.95'i denizyolu ve %1.36'sı demiryolu ulaşımında kullanılmaktadır. İklim Değişikliği Birinci Ulusal Bildirimi'ne göre; ulaştırma sektöründe, 24 yılında karayolu taşımacılığına bağlı CO2 emisyonlarının, toplam CO2 emisyonları içindeki oranı %84 olmuştur. Bunu sivil havacılık (%12), denizyolu (%3) ve demiryolu (%1) kaynaklı emisyonlar izlemektedir. Karayolu taşımacılığı sektöründe yeni teknoloji ile üretilen motorlar ve alternatif kaynaklarının kullanılması sonucu tüketilen enerjinin daha etkin olması, araç başına km de ortaya çıkan emisyonları düşürmüştür yılları arasında araç başına km de ortaya çıkan CO2 emisyonlarındaki toplam düşüş %8.7 dir[1].çevre bakanlığı ve üretici firmaların yaklaşımına bağlı olarak emisyon azaltıcı önlemlere yönelik tedbirlere uyulması durumunda, 223 yılına kadar %7 lik daha düşüş öngörülmektedir[11]. Bu çalışmada araç klimalarında kullanılan soğutucu akışkanlar incelenmiştir. Bu amaçla araç klimalarında kullanılan soğutucu akışkanların evaporatör sıcaklıklarındaki değişimler dikkate alınarak termodinamik parametreler, özellikle ekserji verimlilikleri ve bu akışkanların çevreye yaptığı etkiler 16

3 Koç E, Soğut. M.Z, Oktay Z Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) ayrıca incelenmiştir. Ayrıca Türkiye deki binek araç sayıları dikkate alınarak soğutucu akışkan kaynaklı emisyonlarının etkileri de incelenmiştir. 2.ARAÇ KLİMALARI VE SOĞUTUCU AKIŞKANLAR Araç klimaları, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini esas almaktadır. Bir araç klimasının çalışma şeması Şekil 1 de verilmiştir. Klima sistemindeki gazın; sıvı hale dönüştürülmesi için sıkıştırılması ve soğutulması gerekir. Kompresör, klima gazını kondansere sıkıştırır. Basıncı ve sıcaklığı artan klima gazı, kondanserden geçerken ortalama 6 C sıcaklıkta sıvı hale dönüşür. Kondanser; otomobil seyir halinde iken dış hava ile, park halinde veya sıkışık trafikte ise kondanser fanı ile soğur. Basıncı yüksek sıvı haldeki klima gazı, genleşme valfinden, geniş bir hacme geçer ve basıncı düşer. Sıvı halindeki soğutucu gaz, evaporatör içerisinde buharlaşarak çevresindeki ısıyı toplar. Evaporatör yüzeyi ve çevresi -1 C ile -18 C 'ye kadar soğur. Soğuma sonucu sağlanan bu serinlik, sürücü tarafından kumanda edilen evaporatör fanı ile otomobilin içine üflenir. Bu olay; soğutucu gazın buhar halinden, tekrar sıvı haline dönüşmesi ile tekrarlanır yılı araçlarda R12 gazının kullanıldığı bilinmektedir. R12 ye yönelik yasaklamalarla birlikte, günümüz araçlarında soğutucu akışkan olarak R134A kullanılmaktadır. R12 ve R134a gazlarının termodinamik ve çevresel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 R12 ve R134a gazlarının termodinamik ve çevresel özellikleri [13] Termodinamik özellikler R12 R134A Kimyasal formu CCl2F2 CH2FCF3 Moleküler Ağırlık (kg/kmol) 12,9 12 Kaynama noktası (1.13 bar) -29,6-26,1 Buharlaşma entalpisi (kj/kg) 182,5 177,5 Kritik basınç (bar) 17 86,5 12 Cp sıvı (kj/kgk) 1,217 1,425 Cp buhar (kj/kgk).864 1,11 Çevresel özellikler ODP,82 GWP Atmosferik yaşam (yıl) 1 14

4 Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Özellikle ozon delme etkisi ve gazın atmosferdeki yaşam süresi dikkate alındığında R12 gazının ne kadar zararlı bir gaz olduğu değerlendirilebilir. Diğer yönden R134a gazının termodinamik ve fiziksel özellikleri, R12'ye oldukça yakın olduğu görülebilir. Halen ozon tüketme katsayısı olan bu gaz diğer HCFC ve CFC gazları arasında en uygun gazlardan biridir. Ozon etkisi olmasına rağmen küresel ısınma potansiyeli (GWP) Avrupa birliği ölçütleri için oldukça yüksektir. Zira Avrupa Birliği nin tespit ettiği çevre kriterlerine göre 217 yılından itibaren 15 GWP değeri üstündeki gazların kullanılmaması yönündeki girişimi nedeniyle araç klimalarında 217 yılından itibaren R134a nın yerine yeni gazlar kullanılacaktır[14]. 3. SOĞUTMA SİSTEMLERİNDE EKSERJİ ANALİZİ Soğutma sistemlerinde makinelerin çalışma verimlerinin bir ölçüsü olarak etkinlik katsayısı (COP) tanımlanmıştır. COP, çekilen ısı miktarının kompresöre verilen enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Bir soğutma makinesi için (COP) ; Q W L COP (1) net tir[15]. Burada Q L soğutulan ortamdan çekilen ısıyı, W net kompresöre verilen net işi ifade eder. Soğutma makineleri bir çevrim esasına göre çalışan sistemlerdir ve çevrim için elde edilecek net iş; W net Q Q (2) H L şeklinde ifade edilir. Burada Q H makinenin bulunduğu dış ortama verilen ısıdır. Soğutma makinelerinde COP birinci yasa verimi olarak ifade edilir. Bir soğutma makinesinin gerçekte iş yapabilme kabiliyeti termodinamiğin ikinci yasasına göre ekserji kavramı ile tanımlanır. Soğutma sistemlerinde ekserji verimi gerçek COP nin aynı çalışma parametrelerinde tersinir bir makinenin COP tr ye oranıdır. Bir soğutma makinesinde COP tr ; 1 COP (3) tr TH 1 TL dir [16]. Burada T H dış 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) birleştirilirse; Q Q T H L TL L II (5) Wnet tir[15]. Motorlu araçlar, egzoz emisyonlarına bağlı olarak çevresel kirleticiler birim başına hesaplanır. Birim başına araç kaynaklı kirletici miktarı;. (6) m bağıntısına bağlı hesaplanır. Burada kirletici miktarı (kg/lt), ın yoğunluğu (kg/lt), m bir lt ın kütlesidir. 18 emisyon katsayısı,

5 Koç E, Soğut. M.Z, Oktay Z Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) emisyon katsayısı, türüne göre ton başına kg kirletici miktarını ifade eder. emisyon katsayısı her bir için ayrı ayrı tanımlanmıştır. Aşağıdaki tabloda, çalışmada kullanılan emisyon katsayıları verilmiştir. Ancak LPG için emisyon katsayılarına ulaşılamamış bu analizlerde de benzin değerleri dikkate alınmıştır[17]. Kirleticiler Benzin Dizel CO CH x NO x SO x Pb.5 - Toplam % BULGULAR VE TARTIŞMALAR Bu çalışmada öncelikle buharlı soğutma çevrimi model olarak alınarak her iki soğutucu akışkan için, bir araç klimasının evaporatör sıcaklıklarına bağlı COP ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Araç klimalarının soğutma kapasiteleri, araçlara göre 1,2 7 kw aralığında değişmektedir. Bu çalışmada 3.5 kw soğutma yükü referans alınmıştır. Ayrıca çalışmada soğutma kapasitesinin tüketimine etkisini belirlemek amacıyla Kart [18] tarafından yapılan çalışmadaki benzinli ve LPG li bir araca ait devir sayısına bağlı enerji ve ekserji verileri ile Çalışkan [19] tarafından yapılan çalışmadaki dizel motorlarda enerji ve ekserji verileri kullanılmıştır. Çalışmada soğutma sisteminin referans değerleri ve incelenen ların termodinamik özellikleri Tablo 3 te verilmiştir. 3.5 kw soğutma yüküne sahip bir araç için -18/1 ºC evaporatör sıcaklığına göre R12 ve R134a gazları dikkate alınarak COP ve ekserji analizleri yapılmıştır. Çalışmada R12 değerleri sadece günümüzde kullanılan R134a gazının değerlendirilmesi için kullanılmıştır. Gazların COP ve ekserji verim değerleri Şekil 2 de verilmiştir. Tablo 3 Soğutma sisteminin referans değerleri ve ın termodinamik özellikleri Yakıt Türü Benzin LPG Yakıtın termodinamik özellikleri Alt ısıl değeri (kj/kg) 43 ρ (gr/cm 3 ).83 Alt ısıl değeri (kj/kg) 462 ρ (gr/cm 3 ).56 Alt ısıl değeri 425 Dizel (kj/kg) ρ (gr/cm 3 ).85 Soğutma sistemi referans değerleri Buharlaşma sıcaklığı ( ºC) Evoporatör kızgınlık değeri ( ºC) Yoğunlaşma sıcaklığı ( ºC) 19 Devir aralığı dev/dk 8-24 Soğutma kapasitesi (kw) -18/

6 Ekserji verimi Ekserji verimi COP Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Kompresör izentropik verimi ( ºC) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji COP-R134a 3.5 COP-R Ekserji verimi-r134a Ekserji verimi-r Evaparatör sıcaklığı Şekil 2 R12 ve R134a gazlarının COP ve ekserji verimleri R134a gazının -18/1 ºC COP aralığı 2,43 ile 5,86 aralığında, ekserji verimi ise %55,27 ile %62,12 aralığında değişmektedir. R134a gazının COP dağılımında R12 gazı ile paralellik göstermiştir. Ancak ekserji veriminde ºC sıcaklığının üstünde verim R12 gazının ekserji veriminden daha iyi iken, ºC nin altında verimin düşük kaldığı görülmüştür. Her iki gazın ekserji verimleriyle kompresör güç tüketimleri incelenmiş, elde edilen veriler Şekil 3 te verilmiştir Kompresör güç(r134a)-kw Kompresör güç(r12)-kw Ekserji verimi-r134a Ekserji verimi-r12 Evaparatör sıcaklığı (C) Şekil 3 R12 ve R134a gazlarının ekserji verimleri ve kompresör güçleri ºC ile -1 ºC aralığında R134a gazının kompresör güç tüketimleri R12 gazına göre az bir farkla daha yüksektir. -5 ºC sıcaklık üzerinde her iki gaz paralellik göstermektedir. Çalışmada sadece R134a gazına bağlı olarak ve kompresörlerin güç tüketimleri, motorların enerji ve ekserji verimleri dikkate alınarak soğutma yükünün evaporatör sıcaklığına bağlı tüketimleri hesaplanmıştır. Benzin ve LPG motorlarında soğutma kapasitesinin neden olduğu tüketimleri her devir sayısı için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Çalışmada 8-24 dev/dk aralığında soğutma sisteminin ortalama enerji ve ekserji verimleri, kompresör güçleri dikkate alınarak her motorun tüketimi ortalama değerleri incelenmiş ve elde edilen veriler her türü için aşağıda ayrı ayrı verilmiştir. Ayrıca çalışmada, termodinamik süreçlerde kısaca nicelik ve nitelik arasındaki fark olarak tanımlanan enerji ve ekserji analizlerinde elde edilen verim sonuçları, bu sonuçlara bağlı olarak soğutma sisteminin neden olduğu tüketimleri ve bunların farkları da ayrı ayrı hesaplanmıştır. Bu değerlendirmelere bağlı yapılan analiz sonuçlarına göre benzinli motorda 3,5 kw soğutma yükü için kompresör güçleri ve tüketimleri Şekil 4 te verilmiştir. 2

7 Kompresör gücü ( kw) Kompresör gücü ( kw) Koç E, Soğut. M.Z, Oktay Z Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Kompresör gücü Yakıt Ekserji (lt/saat) Yakıt enerji (lt/saat) Evaparatör sıcaklığı (C) Şekil 4 Benzinli motorun soğutma sistemine bağlı tüketimleri Referans alınan çalışmanın benzinli motor için ortalama enerji ve ekserji verimleri sırasıyla % ve % tir. Bu ekserji verimine sahip benzinli motorda -18/1 ºC evaporasyon sıcaklık aralığında saatlik tüketimi,,47 lt/saat ile,2 lt/saat aralığında değişmektedir. Yakıt tüketimi ortalama enerji verimine bağlı da hesaplanmış ve evaporatör sıcaklıklarına göre saatlik ortalama tüketiminin,353 lt/saat ile,15 lt/saat aralığında bulunmuştur. Referans alınan benzinli motor için enerji ve ekserji analizlerine bağlı soğutma sisteminin tüketimleri ve farkları Şekil 5 te verilmiştir Tüketim-Ekserji (lt/saat) Tüketim-Enerji ( lt/saat) Evaparatör sıcaklıkları (C) Şekil 5 Benzinli motor tüketimleri Benzinli motorlarda evaporator sıcaklıklarına gore enerji ve ekserji değerleri arasında soğutma sisteminin neden olduğu tüketim farkı.12 lt/saat ile.5 lt/saat aralığında bulunmuştur. Bu verilere gore evaporatör sıcaklıkları dikkate alndığında iki durum arasındaki fark %33.37 dir. Benzinli motor için yapılan analizler LPG li motor için yapılmıştır. Enerji ve ekserji verimlerine bağlı LPG li motorun tüketimleri ve kompresör güç tüketimleri hesaplanmış ve elde edilen veriler Şekil 6 da verilmiştir Kompresör gücü Yakıt Ekserji (lt/saat) Yakıt enerji (lt/saat) Evaparatör sıcaklığı (C) Şekil 6 LPG li motorun soğutma sistemine bağlı tüketimleri

8 Kompresör gücü ( kw) Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji Referans alınan LPG li aracın ortalama enerji ve ekserji analizi sırasıyla %43.95 ve %39.59 bulunmuştur. Bu verim değerlerine göre soğutma sistemlerinin tüketimi; ekserji verimine bağlı olarak.69 lt/saat -.29 lt/saat aralığında, enerji verimine bağlı olarak.44 lt/saat-.19 lt/saat aralığında bulunmuştur. Elde edilen verilere göre LPG li araçlarda soğutma sistemine bağlı tüketimi, %1 ile %23 aralığında benzinli araçlara göre daha fazladır. LPG li motor için motorun enerji ve ekserji verimlerine bağlı tüketimleri ve tüketim farkları incelenmiş, elde edilen sonuçlar Şekil 7 de verilmiştir Tüketim-Ekserji (lt/saat) Tüketim-Enerji ( lt/saat) Evaparatör sıcaklıkları (C) Şekil 7 LPG li motor tüketimleri LPG li aracın soğutma sisteminin evaporator sıcaklıklarına gore neden olduğu tüketiminin enerji ve ekserji değerleri arasında farkı.35 lt/saat ile.11 lt/saat aralığında değişmektedir. İki analiz sonuçları arasındaki fark ise % dir. Soğutma sisteminin tüketimine etkisi dizel motor için de incelenmiştir. Referans alınan dizel motor için de enerji ve ekserji verimleri dikkate alınarak, soğutma sisteminin evaporasyon sıcaklıklarına göre neden olduğu tüketimleri ile kompresör güç tüketimleri incelenmiş ve elde edilen sonuçlar Şekil 8 de verilmiştir Kompresör gücü Yakıt Ekserji (lt/saat) Yakıt enerji (lt/saat) Evaparatör sıcaklığı (C) Şekil 8 Dizel motorun soğutma sistemine bağlı tüketimleri Bu çalışmada soğutma sistemi için incelenen dizel motorun ortalama enerji ve ekserji verimi sırasıyla %37.8 ile %4.1 dir. Referans alınan bu motorun ortalama enerji verimine bağlı olarak soğutma yükünün neden olduğu tüketimleri, evaporator sıcaklıklarına gore.479 lt/saat ile,23 lt/saat aralığındadır. Ekserji verimine bağlı soğutma sisteminin tüketimi ise.58 lt/saat ile.215 lt/saat aralığındadır. Dizel motor için enerji ve ekserji verimlerinin referans alınma koşuluna göre soğutma sisteminin neden olduğu tüketimi ve tüketim farkları incelenmiş elde edilen sonuçlar Şekil 9 da verilmiştir. 22

9 CO salınımı (kg/lt) Koç E, Soğut. M.Z, Oktay Z Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Tüketim-Ekserji (lt/saat) Tüketim-Enerji ( lt/saat) Evaparatör sıcaklıkları (C) Şekil 9 Dizel motor tüketimleri Dizel motorun enerji ve ekserji verimlerine bağlı soğutma sisteminin evaporatör sıcaklıklarına göre tüketim farkı,27 lt/saat ile,12 lt/saat aralığındadır. İki analiz sonucu arasındaki fark ise % 5.82 dir. Küresel ısınma etkisinin önemle hissedildiği günümüzde motorlu araçlar, egzoz emisyonları ile çevre kirliliğine ve küresel ısınma potansiyeline katkı sağladıkları bilinmektedir. Bu katkı karbonmonoksit (CO), azot oksitler (NOx), karbonhidratlar (CHx), partikül (parçacık), kurşun (Pb) ve kükürt oksitler (SOx) olarak ifade edilen kirletici gaz ve maddelerdir. Tabiî ki bu oluşumda motorlu araçların soğutma sistemleri de dolaylı katkı sağlamaktadır. Çalışmanın bu bölümünde soğutma sistemlerinin tüketimlerine bağlı neden oldukları çevresel kirletme potansiyelleri araştırılmıştır. Bu kapsamda benzinli ve dizel motorların soğutma sistemlerinin neden oldukları CO salınımı Şekil 1 da verilmiştir.,16,14,12,1,8,6,4,2 Evaparatör sıcaklığı (C) CO-Ekserji-Benzin CO-Enerji-Benzin CO-Ekserji-Dizel CO-Enerji-Dizel Şekil 1 Benzinli ve dizel motor soğutma sistemlerinin neden olduğu CO salınımı Şekil 1 da verilen analizlerden de görülebileceği gibi CO salınımında enerji ve ekserji değerleri arasında benzinde %1.5 ile %3.5 aralığında, dizelde ise %,3 ile,8 aralığında bir fark ortaya çıkmıştır. Örneğin; benzinli motor için -18 ºC de evaporator sıcaklığında enerjiye göre CO salınımı,13 kg/lt iken ekserjiye göre bu değer,138 kg/lt dir. Dizelde ise aynı evaporator sıcaklığında, enerji için CO salınımı,141 kg/lt iken, ekserji için bu değer,149 kg/lt dir. Benzer çalışmalar LPG için de yapılmıştır. Ayrıca bu analizler emisyon parametreleri olan CO, NOx, CHx, partikül, Pb ve SOx için de yapılmış, enerji ve ekserji verileri açısından ın neden olduğu kirletme potansiyellerinde benzer farklar burada da açığa çıkmıştır. 5. SONUÇ Bu çalışmada benzinli, LPG ve dizel motorlarda soğutma sisteminin enerji ve ekserji analizleri yapılarak, sistemin tüketimlerine olan etkileri ve bu tüketimlerin neden olduğu çevresel etkiler incelenmiştir. Bu kapsamda; a. Araç soğutma sistemlerinde kullanılan R12 ve R134a gazlarının enerji ve ekserji analiz sonuçlarına göre verimleri; araçlarda R12 gazı için ortalama COP ve ekserji verimi sırasıyla 3,9 ve % 39,7 23

10 Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Araç Klimalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlara Bağlı Ekserji bulunmuştur. Ortalama 3,85 COP değerine sahip R134a gazı için ekserji analizleri türüne göre ayrı ayrı yapılmıştır. Bu analizlere göre; benzinli dizel ve LPG li araçların soğutma sistemlerinin ortalama ekserji verimi sırasıyla, %43.95, %37.8 ve % bulunmuştur. b. Her üç sistemine sahip araçlarda soğutma sistemlerinin enerji ve ekserji analizlerine bağlı neden oldukları tüketimleri ayrı ayrı incelenmiştir. Bu analizlere göre benzinli, dizel ve LPG li araçların soğutma sistemlerinin neden oldukları ortalama tüketimleri sırasıyla,32 lt/saat,.35 lt/saat ve.47 lt/saat olarak hesaplanmıştır. c. Ekserji analizlerine bağlı bulunan tüketimleri, enerji analizine bağlı yapılan tüketimlerine göre benzin dizel ve LPG sistemleri için sırasıyla ortalama % 33,37, %5,82 ve % 57,58 daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu veriler araçlarda hem tüketiminin hem de tüketimi kaynaklı emisyon oranlarının tespitinde oldukça önemli sapma yaratacaktır. Bu veriler ışığında araç klimalarında ve benzer tüm ısıl sistem analizlerinde, ısıl verimliliğin tespiti ve gerçek tersinmezliklerin potansiyelin tespit etmede ekserji analizleri öncelikle kullanılmalıdır. 6. KAYNAKLAR 1. ECCJ (Energy Conservation Center Japonya), Enerji dönüşüm Merkezi, Tokyo, Japonya Horst K., September 2, Refrigerant use in Europe, ASHRAE journal, 3. Halozen H., HFCs or the Old Refrigerants - what is the best Choice?, Thermal Mühendislik enstitüsü, Graz Universitesi, Graz, Austria, SSIONE/Halozan_eng.pdf 4. Özgener L, Hepbaşlı A, VI Ulusal Tesisat Mühendisliği kongresi ve sergisi HVAC sistemlerinde ekserji analizinin gerekliliği ve uygulamaları konulu bildiri Schıjnel P. P. A. J. v., Kasteren j. M. N., F.j.j.G. Janssen, 1998, Exergy Analysis- a tool for sustainable technology in engineering education, Eindhoven University of Technology, The Netherlands. 6. Dinçer İ., M. A. Rosen, 25 Thermodynamic aspects of renewable and sustainable development, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Szargut j., D.R. Morris, F.R. Steward, 1988, Exergy analysis of thermal and metallurgical processes, Hemisphere Publishing Corporation, TJ 265. S , USA. 8. Dinçer I., 2, Thermodynamics, exergy and environmental impact, Energy Sources, Dinçer I., 22, The role of exergy in energy policy making, Energy Policy 3, TÜİK, Çevresel göstergeler 26, T.C. Başbakanlık Türkiye İstatistik Kurumu Şahin M., I. ulusal bildirim ve ülkemiz politikaları, Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü Hava Yönetimi Dairesi Başkanlığı, Ankara, Mart 27 24

11 Koç E, Soğut. M.Z, Oktay Z Teknolojik Araştırmalar: TATED 211 (3) Kayfeci M., Gedik E., Sağıroğlu S., Kurt H., Taşıt iklimlendirmesinde alternatif klima sistemlerinin kullanımının araştırılması, 5 nci Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu(IATS 9), 29, Karabük, Türkiye 13. Calm J.M., Hourahan G.C., Refrigerant Data Summary, Engineered Systems, 18(11):74-88, 21, Tilley D.S., Global ınsıght - West European lıght Vehıcle a/c refrıgerant scenarıo Forecasts , Director auto consulting, Londra, 26, Cengel Y., Boles M.A. Thermodynamics: an engineering approach, 4th ed. New York: McGraw-Hill; Akpınar E.K., Hepbaşlı A., Comparative study on exergetic assessment of two ground-source (geothermal) heat pump systems for residential applications Building and Environment 42 (27) Öztürk Z., Motorlu araçlardan oluşan kirlilik ve egzoz emisyon regülasyonları. II. Ulaşım Ve Trafik Kongresi Sergisi, Ankara, 2, Karta A., LPG İle Çalışan Bir Benzin Motorunda Ekserji Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Çalışkan H., İçten Yanmalı Motorlarda Ekserji Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ocak 29 25