Basınç EntalpiDiyagramlarının Kullanımı ve Tasarım Sıcaklı ındaki De i imin Sistem Performansı Üzerindeki Etkileri

Transkript

1 1 st International Conference on EngineeringTechnology and Applied Sciences Afyon Kocatepe University, Turkey April 2016 Basınç EntalpiDiyagramlarının Kullanımı ve Tasarım Sıcaklı ındaki De i imin Sistem Performansı Üzerindeki Etkileri Erdo an im ek 1 brahim Karaçaylı 2,* Sabri Can Ekerer 3 Özet: Bu çalı mada, LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramlarının kullanımı ön planda tutularak evaporatör ve kondenser sıcaklıklarındaki de i imin sistemin etkinlik katsayıları üzerindeki etkileri incelenmi tir. Sistem tasarımınıntemeli olan basınç entalpidiyagramının kullanımı a ama a ama gösterilerek örneklerle açıklanmı tır. Evaporatör ve kondenser sıcaklıklarındaki de i imin birim so utma de erine kar ı harcanan enerjinin sayısal de erlerini etkilemesi, de i en kondenser ve evaporatör sıcaklıklarının so utucu akı kan debisi üzerindeki etkileri, sayısal ve grafiksel olarak incelenmi tir. A ırı so utma ve kızgınlık de erlerinin sistem performansı üzerindeki etkileri diyagramlarda gösterilmi tir. Basınç entalpi diyagramı, en basit haliyle anlatılarak so utma sisteminin optimum tasarımının yapılması için bu diyagramın yorumlanması konusu irdelenmi tir. Çe itli sıcaklıklar için verilen örnek uygulamalar ile sistemin so utma etkinli inin (COP) nasıl de i ti i ve optimum tasarım de erlerine ula ılmak için yapılması gerekenler özetlenmi tir. Anahtar kelimeler: COP, Basınç Entalpi Diyagramı, So utma 1G R Günümüzde buhar sıkı tırmalı so utma çevrimleri, en sık kullanılan so utma aracı haline gelmi tir [3]. Bu çevrimin irdelenmesinde ve termodinamik çözümlenmesinde kullanılan basınç entalpi diyagramları hem çevrimin anla ılması hem de tasarlanacak bir sistemin optimize edilmesinde önemli rol oynamaktadır. Bir so utma sisteminin tasarımına ba lanıldı ında ilk olarak so utulacak ortamın sıcaklı ı, ortamın istenilen so uklu a gelmesi için ortamdan ısı çekecek so utma elemanının sıcaklı ı, ısının dı arıya atılaca ı ortam sıcaklı ı ve dı ortama ısı verecek so utma elemanının sıcaklı ının belirlenmesi gerekir. So utulan ortamdan ısı çeken temel eleman olan evaporatöre giren so utucu akı kanın genellikle % 75 i sıvı fazında, % 25 i ise buhar fazındadır. Kompresör giri inde ise so utucu akı kanın mutlaka kızgın buhar fazında olması gerekir. Superheat olarak adlandırılan bu sıcaklık genellikle doymu buhar noktasından daha yüksek olarak tespit edilir. Kılcal boru ya da di er akı kan kontrol cihazlarından çıkıp evaporatöre giren so utucu akı kanın %25 lik kısmı anında buharla ır. So utulan ortamdan çekilen ısının dı ortama atıldı ı sistem elemanı olan kondenserin sıcaklı ı, dı ortam sıcaklı ından daha yüksek olmalıdır. Kondenserden çıkı ta so utucu akı kanın mutlaka doymu sıvı sıcaklı ından daha dü ük sıcaklıklara indirilmesi gerekir. Bu i leme a ırı so utma denir. A ırı so utulan so utucu akı kanın sıcaklı ı genellikle doymu sıvı sıcaklı ından en az daha dü ük olmalıdır. Bu çalı mada teorik diyagram çizimi ön plana alınmı tır. 2 YÖNTEM Bu makalede so utma sistem tasarımında kullanılan basınç entalpidiyagramı kullanımı esas alınmı tır. Sistemde ısı transferi gerçekle tiren temel elemanlardaki sıcaklık de i imleri incelenmi, termodinamik özellik tabloları kullanılmı, elde edilen de erler ve diyagram üzerindenokunan de erler kar ıla tırılmı tır. Böylece ortaya çıkan sayısal de erlerformüllerde kullanılarak devrede dola an so utucu akı kan miktarları, ortamdan ısı çekme ve bu ısıyı dı ortama transfer etme kapasiteleri, elde edilen birim so utma de erinin harcanan enerjiye oranı hesaplanmı tır. Bu hesapların yapılmasında kullanılan diyagramlar ve termodinamik tablolarcoolpack isimli yazılımdan alınmı tır. 2.1 Basınç - Entalpi Diyagramı (Molier Diyagramı) Bir sistemi tasarlamanın temeli, so utma yükü hesabının do ru yapılmasıyla ba lar. So utma sistemlerinde so utma i levini gerçekle tiren ana ö e so utucu akı kandır. So utucu akı kan, evaporatörde dü ük basınç ve sıcaklıkta buharla ırken ortamın ısısını içerisine absorbe eder; kondenserdeyo u urken içerisine absorbe etti i bu ısıyı yüksek basınç ve sıcaklıkta dı ortama transfer eder. Çevrimde dola an so utucu akı kanın durumu, basınca, sıcaklı a ve çevresel etkilere ba lı olarak sürekli de i ir. LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramı, so utucu akı kandaki hal de i ikliklerinin görülebilece i aynı zamanda sistemin boyutlandırılabilece i diyagramdır. LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramları her so utucu akı kan için ayrı ayrı hazırlanmı tır. Bu diyagramlarda entalpi, yatay çizgi eksen üzerinde; mutlak basınç ise dikey çizgi eksen üzerinde yer alır. Basınç entalpie risi, doymu sıvı e risi, doymu buhar e risi gibi birçok e ri bu diyagram üzerinde gösterilebilir. Bütün bu e riler de i ik noktalarda kesi irler. Basınç entalpi diyagramında doymu sıvı, doymu buhar e rileri ve ıslak buhar çizgileri bulunur. Sa dan ve soldan çizilen doymu buhar ve doymu sıvıe rilerin kesi ti i nokta kritik noktadır.doymu sıvı e risi üzerindeki bütün akı kanlar sıvı haldedir ve sıcaklık, mutlak basınç, özgül hacim, entalpi ve entropi de erleri ilgili termodinamik tablolarda mevcuttur. Doymu sıvı e risinin sol tarafında yer alan bölgede so utucu akı kan a ırı so utulmu sıvı haldedir. Sa a do ru gidildikçe so utucu akı kan buhar haline geçer. 695

2 Bu bölge ıslak buhar bölgesidir. Kritik noktanın sa ından a a ı do ru inen e ri doymu buhar e risidir. Bu e ri üzerinde bütün akı kanlar buhar haldedir ve sıcaklık, mutlak basınç, özgül hacim, entalpi ve entropi de erleri termodinamik tablolarda mevcuttur. Doymu buhar e risinin sa tarafında yer alan bölgede so utucu akı kan kızgın buhar haldedir [1-2]. So utucu akı kanın basıncı, içerisinde dola tı ı sistem elemanlarının birim yüzeylerine etki eden kuvvet olup birimi bar dır. Entalpi, izafi bir de er olup so utucu akı kanın kütlesinin birim a ırlı ının termodinamik gücünü ifade eder;iç enerji ile sıkı tırma ve/veya akı enerjisinin toplamıdır. Entalpi, yatay eksen üzerinde yer alır. Birim kj/kg dır. Sa a do ru gidildikçe so utucu akı kanın entalpi de eri veya bünyesine aldı ı duyulur ve gizli ısı miktarlarının toplamı artar. Basınç entalpi diyagramında özgül hacim ve entropi e rileri de bulunmaktadır. Özgül hacim, so utucu akı kanın birim a ırlı ının hacmidir. Birimi m 3 /kg dır. Yukarıdan a a ı do ru inildikçe so utucu akı kanın özgül hacminde artı görülür. Entropi ise so utucu akı kanın moleküllerindeki düzensizli in ölçüsüdür. Birimi kj/kg dır. Yukarıdan a a ı do ru inildikçe entropide artı gözlenir [1]. Buhar sıkı tırmalı tek kademeli so utma sistemi; kompresör, kondenser, kılcal boru ve evaporatör kısımlarından meydana gelir. Sistemin elemanları ve eması ekil 1 de görülmektedir Buhar Sıkı tırmalı Tek Kademeli So utma Sistemi ekil 2. LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında kompresörde sıkı tırma i leminin gösterilmesi Çevre ortam sıcaklı ından daha yüksek sıcaklı a sahip olan so utucu akı kan, bir fan yardımıyla ya da do al olarak dı ortama sabit basınçta ısı transfer ederken önce doymu buhar, sonra ıslak buhar, sonra doymu sıvı haline dönü ür ( ekil 3; 2 3). Burada bir faz de i imi söz konusudur ve sabit basınçta so utucu akı kan kondenserde faz de i imine u rayarak sıvı hale gelir[1]. ekil 3. LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında kondenserde yo u ma i lemininn gösterilmesi Sistemde genle me elemanı olarak kullanılan kılcal boruya sıvı halinde giren so utucu akı kan, dar olan boru çeperlerine sürtünmekte ve geni evaporatör serpantinlerine püskürtülerek sabit entalpide basınç dü ümüne u rar ( ekil 4; 3 4)[3]. ekil 1. Buhar sıkı tırmalı tek kademeli so utma sistemi Buhar sıkı tırmalı tek kademeli so utma çevriminde kompresör kızgın buhar halinde so utucuakı kanı kondensere basar (1 2). Sıcaklı ı ve basıncı yükselen so utucu akı kan, kondensere kızgın buhar halinde girer. Bu durum ekil 2 de gösterilmi tir. ekil 4. LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında genle me valfinde basınç dü ümünün gösterilmesi Evaporatöre ıslak buhar halinde dü ük basınç ve sıcaklıkta giren so utucu akı kan, bir fan yardımıyla ya da do al olarak so utulacak ortamdan sabit basınçta ısı çekerek ortamı so utur. Evaporatör çıkı ında so utucu akı kan, doymu buhar olarak kompresör silindirlerine tekrar emilmektedir ( ekil 5; 4 1). 696

3 Tablo 1. R134a So utucuakı kanınıntermodinamiközellikleri T, C P,Bar V l,dm3/kg V g,m 3 /kg h l,kj/kg H g,kj/kg R,kJ/kg S l,kj/(kg K) S g,kj/(kg K) -35 0,665 0,7127 0, ,89 375,99 220,1 0,8281 1, ,067 0,728 0, ,03 382,21 214,18 0,8778 1, ,868 0,856 0, ,75 415,9 167,15 1,1661 1, ,164 0,8714 0, ,16 418,21 162,05 1,1896 1,7071 ekil 5. LnP(Basınç)-h(Entalpi) diyagramında evaporatörde buharla ma i leminin gösterilmesi Böylece buharla ırken evaporatörde ısı çekme ve bu ısıyı yo u urken çevre ortama iletme i levi gerçekle mekte ve so utucu akı kan bir çevrimi tamamlamaktadır. Evaporatör serpantininde so utucu akı kan tarafından absorbe edilen ısı yanında özellikle hermetik kompresörlerde ortaya çıkan ısı da so utucu akı kan tarafından absorbe edilerek kondenserden çevre ortama transfer edilir. So utucu akı kanın birim a ırlı ının evaporatörde içerisine absorbe etti i ısı miktarına so utucu akı kanın so utma etkisi denir. So utma sistemlerinde kullanılan kompresörler, evaporatörde buharla an so utucu akı kan buharını emip sıcaklı ını ve basıncını yükselterek kondensere kızgın buhar halinde basabilecek, kondenser çıkı ında sıvı hale gelmi so utucu akı kanı genle me valfinin dar yüzeylerinden geçirip evaporatöre buharla abilece i so utucu akı kan devridaimini sa layabilecek basınç ve debi özelliklerini ta ımalıdır. Bir so utma çevriminde ilk tasarım artlarının korunması için, evaporatör serpantinlerinde istenen artlarla kompresör kapasitesi arasında bir denge olmalıdır. Bu kapasite, kompresörün basıncına ve hacimsel verimlili ine ba lıdır. Bir kompresörün kapasitesi, sıkı tırma oranına, silindirlerin sayısına, çap ve stroklarına ve kompresörün dönme hızına ba lıdır [1]. ekil 6. R134a so utucu akı kanında buharla ma ve yo u ma sıcaklı ına ait LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramının gösterilmesi LnP hdiyagramında ve yatay çizgileri bulunur. Bu sıcaklık de erlerine kar ılık gelen basınç de erlerini bulabilmek için yatay çizgiler doymu buhar noktalarından basınç cetveline kadar çizilerek alçak ve yüksek basınç de erleri 1,067 bar ve 10,164 bar olarak bulunur. Bu i lem ekil 7 de görülmektedir Çevrim Diyagramları So utma yükü belirlendikten sonra so utma sistemlerine ait elemanlarının özelliklerinin tespit edilebilmesi için, buharla tırıcı ve yo u turucudaki sıcaklıkların belirlenmesinden sonra P hdiyagramları kullanılarak gerekli sayısal de erler bulunur. Kondenser sıcaklı ı dı ortam sıcaklı ının üzeri, evaporatör sıcaklı ı ise lamelli ve fanlı tiplerde, statik fansız tiplerde ise daha dü ük alınabilir. Sayısal de erlerin tespitinde her so utucu akı kan için hazırlanan termodinamik tablolardan da faydalanılabilir. Aynı zamanda bazı hazır programlarda kullanılarak direkt sonuçlar bulunabilir. R134a so utucu akı kanının termodinamik özellikleri Tablo 1 de verilmi tir [1-2]. ekil 7. ve sıcaklık de erlerine kar ılık gelen basınç de erlerinin bulunması Dü ey 4 5do rusu (genle me i lemi) alt eksene do ru uzatıldı ında, 'lik doymu sıvının entalpi de eri olan 256,16 kj/kg'lık de er okunur. Bu durum ekil 8 de gösterilmi tir So utma leri Buhar sıkı tırmalı so utma çevriminde ba langıç noktası olarak evaporatör çıkı ı yani kompresör giri i seçilebilir. 'lik yo u ma, 'lik buharla ma sıcaklı ına kar ılık gelen de erlere göre basınç entalpi diyagramı ekil 6 daki gibi çizilir. ekil 8. ve sıcaklık de erlerine kar ılık gelen entalpi de erlerinin bulunması 697

4 5 noktasından yataya paralel olarak çizilen çizgi ile doymu buhar e risinin kesi ti i nokta 1 numaralı noktadır. Bu noktadaki entalpi de eri 382,20 kj/kg dır. 1 numaralı nokta evaporatör çıkı kompresör emi noktasıdır. Bu noktanın bulunması ekil 9 da görülmektedir. ekil 9. Evaporatör çıkı, kompresör giri noktasının bulunması ve entalpi de erinin gösterimi 2 numaralı noktanın bulunması için sıcaklı a kar ılık gelen doymu buhar noktasından 1 entropi çizgilerine paralel bir çizgi çizilir. ; kompresörde sıkı tırma ; kondenserden dı ortama ısı transfer edilerek so utucu akı kanın kızgın buhar halinden doymu haline geçi i ; kondenserden dı ortama sabit sıcaklıkta ısı transfer edilerek so utucu akı kanın doymu buhar fazından doymu sıvı fazına geçi i ; sabit entalpide basınç dü ümü ; sabit basınçta evaporatöre ıslak buhar halinde ve dü ük basınçta giren so utucu akı kanın ortamdan ısı çekerek doymu buhar haline gelmesi [8 9]. 5 ve 1 noktaları arasında so utucu akı kan dü ük basınçta oldu undan ortamdan ısı çekerek buharla ır. 5 noktasından 1 noktasına do ru hareket edildikçe so utucu akı kanın sıvı oranı azalır, buhar oranı artar. So utucu akı kanda faz de i imi söz konusu oldu undan çekilen ısı, gizli ısıdır. 5 noktasında so utucu akı kan tamamen buharla ır. çizgisi üzerindeki 5 noktası, doymu buhar noktasıdır ve so utucu akı kanın tamamen buharla tı ını ve kompresörde sıkı tırma i lemine hazır oldu unu gösterir. 1 noktasının entalpi de eri 382,20 kj/kg, 5 noktasının entalpi de eri 256,16 kj/kg dır. h 5 ile h 1 arasındaki fark 126,04 kj/kg dır. Bu fark net so utma etkisi olarak adlandırılır. Net so utma etkisi ekil 12 de görülmektedir [1 8]. ekil 10.2 numaralı kompresör çıkı, kondenser giri noktasının bulunması. Bu paralel çizginin sıcaklı a tekabül eden doymu buhar noktasının sa ına kadar uzatılarak çizilen yatay do ru ile kesi me noktası, 2 noktasını verir. Bu noktanın entalpi de eri 428,97 kj/kg dır. Kompresör çıkı ındaki 2 noktasında so utucu akı kan kızgın buhar haldedir.3 numaralı nokta, sıcaklık için doymu buhar noktasıdır. Bu nokta, 2 numaralı nokta ile birle tirilerek diyagram çizimi tamamlanmı olur. 3 noktasının entalpi de eri 418,21 kj/kg dır. ekil 11. ile sıcaklık aralı ında çalı an so utma çevriminin basınç entalpi diyagramının gösterilmesi. ekil 12.Basınç Entalpi diyagramında net so utma etkisi. 1 2noktaları arasında kompresörde sıkı tırma i lemi gerçekle ir. So utucu akı kan sıkı tırma süresince kızgın buhar halindedir. So utucu akı kanın kızgın buhar fazında olması nedeniyle hem sıcaklı ı hem de basıncı artar. Sıcaklık artı ı çevre ortam sıcaklı ından daha yüksek olmalıdır ki evaporatörde so utucu akı kana transfer edilen ısı, kondenserde so utucu akı kandan çevre ortama transfer edilebilsin. 1 2arasında yapılan i lem sıkı tırma i lemidir ve sıkı tırma i i olarak adlandırılır [1]. 'lik yo u ma sıcaklı ına kar ılık yüksek basınç göstergesinden 9,151 bar okunacaktır; ancak P h diyagramında mutlak basınçlar vardır, ölçülen bu de ere 1,013 bar de erindeki atmosferik basınç eklenip gerçek basınç de eri, 10,164 bar bulunur. 2 noktasının 'lik basınç de eri 10,164 bar dır. Bu nokta kızgın buhar alanı içerisindedir. 2 noktasının entalpi de eri, 428,97 kj/kg'dır. ile arasındaki fark, yani kompresörde 1 noktasından alınan doymu buhara eklenen entalpi 46,77 kj/kg'dır. Bu de er, sıkı tırma çevrimi arasında yapılan 698

5 i e e ittir. Yani sıkı tırma, kompresör i i 46,77 kj/kg'dır. Doymu buhar olarak kompresör tarafından emilen so utucu akı kan evaporatörü terk etmeden bir miktar ısı alıp kızgın buhar olarak kompresör silindirlerince emilir. Kompresör silindirlerinde sıkı tırılarak sıcaklı ı ve basıncı yükselen kızgın buhar halindeki so utucu akı kanın sıcaklı ı, kondenser giri inde çevre sıcaklı ından daha yüksek sıcaklıkta olur. Bu de erler, sistemin çalı ma ko ulları ve malzemenin özelliklerine göre de i kenlik gösterebilir. Kondenser sıcaklı ındaki dü me, dı ortama transfer edilen ısı miktarında da azalma demektir. Bu da sistemin performansında dü ü e neden olur. haline gelir. Çok az ısı verilirse so utucu akı kan sıvı buhar(ıslak buhar) fazına geçer. kondenserde ısının faz de i imiyle dı arı atılma noktaları arasıdır. So utucu akı kan doymu buhar fazından doymu sıvı fazına geçer. Bu faz de i imi sırasında yo u ma gerçekle irken dı ortama atılan entalpi de eri162,05 kj/kg' dır So utma Tesir Katsayısı Bir so utma makinesinin so utma tesir katsayısı (COP) elde edilmek istenen so utma de erine kar ılık bu so utma de erini elde etmek için harcanan i tir. ekil 13. Basınç Entalpi diyagramında sıkı tırma i i 2 3 do rusu, kızgın buhardan doymu buhara do ru dı ortama atılması gereken kızdırma ısısı miktarını gösterir. 3 noktasından a a ı dü ey olarak ısı miktarı eksenindeki h 3 noktasının entalpi de eri 418,21 kj/kg dır. kızgın buhardan çekilen ısı miktarı ise 10,76 kj/kg dır. Bu kızdırma ısısı, genellikle kompresör çıkı ından sonra basma hattından itibaren kondenserin ortalama %5 lik kısmından çevre ortama transfer edilen sıcaklıkta bir dü ü e neden olan ısıdır. ekil 14. Basınç Entalpi diyagramında kızdırma ısısı 3 4 do rusu, kondenserdeki yo u ma i lemini temsil eder. 3 noktasında so utucu akı kanın yo u ma sıcaklı ı ve mutlak basıncı 10,164 bar dır. Bu noktada so utucu akı kan, doymu buhar fazındadır. 4 noktasında da sıcaklık ve basınç aynıdır, ancak so utucu akı kan ısısını dı ortama transfer etmi ve tamamen sıvı hale gelmi tir. 4 noktası doymu sıvı noktasıdır. So utucu akı kan 2 3arası kızgın buhar fazından doymu buhar fazına, buradan(3) ısı transferi devametti i sürece sıvı oranında artı a ve 4 noktasında tamamen sıvı haline dönü ür. Bu noktadan sonra çok az ısı çekilse dahi so utucu akı kan a ırı so utulmu sıvı ekil 15. buharla ma, yo u ma sıcaklı ındaki LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında de erlerin gösterilmesi buharla ma yo u ma sıcaklıkları için P h diyagramından alınan de erler;,,,, olarak görülmektedir. COP de erinin hesaplanması için (2) numaralı formül kullanılmalıdır; (2) Formülde görülebilece i gibi so utma i lemi için kompresörde ne kadar az enerji harcanırsa COP de eri o kadar artar. COP de eri yüksek bir sistem, aynı i i yapan COP de eri dü ük sistemden daha kârlıdır. lk yatırım maliyet hesabı yapılırken her zaman COP de eri dikkate alınmalı, pahalı olsa dahi zaman içerisinde geri dönü ümü olaca ından COP de eri yüksek so utma sistemleri tercih edilmelidir [10]. 4 kw so utma yükü için devrede dola an so utucu akı kan miktarı (3) numaralı formül vasıtasıyla bulunur. Tablodan alınan entalpi de erleri (3) numaralı formülde yerine konuldu unda so utucu akı kan miktarı (3) olarakbulunur. ekil 16 daki basınç entalpi diyagramlarında yo u ma sıcaklı ı yukarıdaki örnekte oldu u gibi iken buharla ma sıcaklı ı ise ye dü ürülerek diyagramda gerekli çizimler yapılmı tır. Bu durum için hesaplamalarda yine (1) ve (2) numaraları formüller 699

6 kullanılmı tır. De erler Tablo 1 deki ve de erleriyle uyumludur. ekil 16. buharla ma, yo u ma sıcaklı ındaki LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında de erlerin gösterilmesi ekil 16 da görülen entalpi de erleri sırasıyla;,,, ve olarak okunur. ekil 16 da görülen entalpi de erleri (1) numaralı formülde yerine konuldu unda COP de eri 2,11 olarak hesaplanmaktadır. Ayrıca 4 kw so utma yükü için devrede dola an so utucu akı kan miktarı (2) numaralı formülden 1,98 kg/dk olarak hesaplanmaktadır. ekil 17 de ise basınç entalpi diyagramlarında yo u ma sıcaklı ı ye dü ürülmü, buharla ma sıcaklı ı ise de tutularak diyagramda gerekli çizimler yapılmı tır. ekil 17. buharla ma, yo u ma sıcaklı ındaki LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında de erlerin gösterilmesi ekil 17 deki basınç entalpi diyagramından alınan entalpi de erleri sırayla,,,, olarak okunur. ekil 17 den elde edilen entalpi de erleri (2) numaralı formülde yerine konuldu unda COP de eri 3,04 olarak hesaplanmaktadır. Ayrıca 4 kw so utma yükü için devrede dola an so utucu akı kan miktarı (3) numaralı formülden 1,74 kg/dk olarak hesaplanmaktadır. Tablo 2. Yo u turucu vebuharla tırıcısıcaklıklarınagöre COP veso utucuakı kankütlelerindekide i im T buharla tırıcı C T yo u turucu C m kg/dk COP ,86 2, ,98 2, ,74 3,04 40 C / 25 C aralıkları arasında çalı an sistem esas alınarak önce 40 C de yo u ma sıcaklı ı sabit tutulmu, buharla ma sıcaklı ı 25 C den 35 C ye dü ürülmü tür. 10 C lik bu de i im 4 kw kapasiteli bir so utma sisteminde, devrede dola an so utucu akı kan miktarında çok az de i imi ortaya çıkarmı tır. COP de eri ise 2,69 dan 2,11 e dü mü tür. Bu durum evaporatörde daha dü ük sıcaklık istemine kar ın kompresörde harcanan enerjinin artı ından kaynaklanmaktadır. ekil 18 de entalpi de erlerindeki bu de i im gösterilmi tir. ekil 18. Farklı buharla ma ve farklı yo u ma sıcaklı ındaki LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında de erlerin gösterilmesi Buharla ma sıcaklı ı 25 C alınıp yo u ma sıcaklı ı 35 C ye dü ürüldü ünde devrede dola an so utucu akı kan miktarında bir miktar daha dü ü gözlemlenmi tir. 4 kw lık so utma yükü için COP de eri 3,04 e yükselmi tir. Yo u ma sıcaklı ı dü tükçe aynı so utma yükünü elde etmek için devrede dola an so utucu akı kan miktarı da dü mektedir. Dü ük yo u ma sıcaklıklarında kompresörün yaptı ı i azalacak ve so utma yükü daha az enerji harcanarak kar ılanacaktır. Aynı so utma yükünü kar ılamak için daha dü ük debili kompresör gerekmektedir. Örnekler, bir sistemden en yüksek performansı elde etmek için buharla ma sıcaklı ının mümkün oldu unca yüksek, yo u ma sıcaklı ının ise mümkün oldu unca dü ük olması gerekti ini ortaya çıkarmı tır. Tabii ki, sistemlerin tatminkâr çalı aca ı sınırlarda kısıtlamalar olacaktır. O zaman performansı arttırmanın ba ka yolları dü ünülmelidir. Sonuçta uygulama imkânın sınırlarını, sistemde kullanılacak ekipmanlar, bu ekipmanların ilk yatırım maliyeti, çalı ma artları ve çalı ma ko ulları vb. belirleyecektir. Bir so utma sistemindeki en önemli eleman kompresördür. So utma kompresörleri kızgın buhar emip kızgın buhar basan cihazlardır. So utma kompresörlerinde silindire sıvı emilmesi büyük problemlere yol açar. Pratikte so utma sistemlerinde performansı artırmak ve sistemin i letme ko ullarında sorunsuz ekilde çalı masını sa lamak için kızgınlık (Superheat) ve a ırı so utma (subcooling) uygulamaları yapılır [4-6]. So utucu akı kan sıvı+buhar(ıslak buhar) fazlarında ve dü ük basınçta evaporatöre girer. Bu oran ortalama olarak 75% sıvı, 25% buhardır. So utma 700

7 sisteminin en önemli parçası olan kompresörün uzun yıllar sorunsuz ekilde kullanılabilmesi için so utucu akı kanın mutlaka kızgın buhar olarak silindire emilmesi gerekir. Bu nedenle so utma sistemlerinde evaporatör çıkı ında so utucu akı kana kızgınlık(superheat) denilen bir miktar ısı sürülür. Kızgınlık(superheat); evaporatörde doymu buhar sıcaklı ının üzerindeki sıcaklıklarda so utucu akı kana ısı sürülmesi sonucu ortaya çıkan doymu buhar ve kızgın buhar arasındaki sıcaklık farkıdır. Bir ba ka deyi le so utucu akı kanın evaporatörden çıktı ı sıcaklık ile buharla ma sıcaklı ı arasındaki farktır. Kızgınlık(superheat); sistem kapasitesine ve sistemin çalı ma artlarına göre de i ebilir ve evaporatör çıkı sıcaklı ından doymu buhar sıcaklı ının çıkarılmasıyla bulunur. Kızgınlık(superheat) sıcaklık farkı, sistem kapasitesi ve çalı ma ko ullarına göre 4,5 7 C arasında de i ebilir. Sistemin yapısal özellikleri ve sistemin çalı ma ko ullarına göre bu de erler de i ebilir. [1] Akı kan kontrol cihazı ya da genle me valfinden geçen so utucu akı kanın sıvı halde olması gerekir. Sıvıla mamı so utucu akı kan, sistemin performansını dü ürür. Buzdolaplarında akı kan kontrol cihazı olarak kullanılan kılcal boru ya lehimlenerek ya da basma hattı borusu içinden geçirilerek sıvıla mamı so utucu akı kanın sıvıla ması sa lanır. So utma sistemlerinde so utma performansını yükseltmek için kondenser çıkı ında, sistem özellikleri ve kullanılan akı kan kontrol cihazına göre a ırı so utma(subcooling) i lemi gerçekle tirilir. A ırı so utma(subcooling);kondenserde doymu sıvı sıcaklı ının altındaki sıcaklıklarda so utucu akı kandan ısı çekilmesi sonucu ortaya çıkan doymu sıvı ile a ırı so utulmu sıvı arasındaki sıcaklık farkıdır. Bir ba ka deyi le so utucu akı kanın kondenserden çıktı ı sıcaklık ile yo u ma sıcaklı ı arasındaki farktır. So utma konumunda çalı an standart ısı pompalarında so utucu akı kanın sıcaklı ı genellikle doymu sıvı sıcaklı ından en az 5,5 C daha dü ük olmalıdır. Ayrıca so utucu akı kanın kondenserden çıktı ı sıcaklık ile yo u ma sıcaklı ı arasındaki fark sistem kapasitesine ve sistemin çalı ma artlarına göre de i ebilir. A ırı so utma(subcooling), kondenser çıkı sıcaklı ından doymu sıvı sıcaklı ının çıkarılmasıyla bulunur. ekil 19 da a ırı so utma(subcooling) ve kızgınlık(superheat), basınç entalpi diyagramında gösterilmi tir. Teorik diyagramın hesapları a a ıda tablo halinde verilmi tir. Tablo3. Yo u turucu vebuharla tırıcısıcaklıklarınagöre COP veso utucuakı kankütlelerindekide i im T buharla tırıcı C T yo u turucu C m kg/dk COP ekil 19. Kızgınlık(superheat) ve a ırı so utma(subcooling) uygulamasının LnP(Basınç) h(entalpi) diyagramında gösterilmesi ,86 2,69 40 C /-25 C sıcaklıkları arasında çalı an sistemin hesaplamaları daha önceden yapılmı tı. Teorik bu hesaplamalara 10 C a ırı so utma ve 5 C kızgınlık verilerek grafik çizilmi ve hesaplamalar yapılmı tır. A a ıdaki tabloda ise kızgınlık ve a ırı so utmanın verildi i sistemin de erleri hesaplanarak yerle tirilmi tir. 4 kw so utma yükü için devrede dola an so utucu akı kan miktarı: Tablo4. Yo u turucu vebuharla tırıcısıcaklıklarınagöre COP veso utucuakı kankütlelerindekide i im T yo u turucu m COP C C kg/dk ,62 3,01 T buharla tırıcı Devrede dola an so utucu akı kan miktarında bir azalma görülürken COP de erinde yükselme görülmektedir. Pratik çalı mada sisteme kızgınlık verilmesi gerekmektedir [5-6-7]. 3 SONUÇLAR So utma sistemi tasarımında ve so utma uygulamalarında çalı acak elemanların basınç entalpidiyagramını çizerek kullanabilmeleri ve bu diyagramı anlayabilmeleri, meslek icra edebilmelerinde ve kendilerini mesleki açıdan yenilemelerinde oldukça önemlidir. Tasarımcı için en önemli etken sistemin çalı ma sıcaklıkları ve bu sıcaklıklara kar ılık gelen basınç de erlerini belirlemesidir.basınç entalpidiyagramlarının iklimlendirme e itiminin ba ladı ı lise dönemlerinde ö renilmesi, sistemin çalı masının anla ılmasını kolayla tıracaktır. Ayrıca bu diyagramın do ru ekilde anla ılması, sistemde birçok arızanın çözümü açısından oldukça önemlidir. Diyagramlar incelendi inde yalnızca a ırı so utmada dahi aynı kompresör gücü için so utma artmakta, elde edilmek istenen so utma de erine kar ılık 701

8 harcanan güç azalmaktadır. Kızgınlı ın artırılmasıyla da sistemin so utma kapasitesinde artı gözlenmektedir. Kondenserde yo u ma sıcaklı ı azaldıkça aynı so utma yükünü elde etmek için devrede dola an so utucu akı kan miktarı da azalmaktadır. Elde edilen de erler incelendi inde dü ük yo u ma sıcaklıklarında kompresör i i azalacak ve daha az enerji harcanarak so utma i levi yerine getirilecektir. Bu durumda daha dü ük debili kompresörler seçilerek sistem boyutları küçültülebilir. Verilen örnekler kar ıla tırıldı ında bir sistemden en yüksek performansı elde etmek için emme sıcaklı ının mümkün oldu unca yüksek, yo u ma sıcaklı ının da mümkün oldu unca dü ük olması gerekti i görülmü tür. Sistemde belirli sınırlar içerisinde a ırı kızdırma ve a ırı so utma sa lanarak sistem performansı artırılacaktır. Belirlenen de erlerin üzerindeki a ırı artı lar, hem sistem performansını hem de çalı ma artlarını olumsuz yönde etkiler. Bir so utma sisteminin uzun yıllar sorunsuz çalı abilmesi, ideal sıcaklık ve basınç de erini bulduktan sonra basınç entalpi grafi inin do ru çizilmesine ba lıdır. Bu de erleri tespit ederek çalı mak; sistemin malzeme yapısını, malzeme kalınlı ını, boyutlarını, arızalanma miktarını, maliyetini, kullanım ömrünü ve enerji kullanım de erlerini do rudan etkilemektedir. So utma ve iklimlendirme mesle ini kendisine u ra edinecek ki ilerin lnp hdiyagramlarını çok iyi anlayıp kullanmaları mesleki açıdan geli imlerinin temel ta ıdır. REFERANSLAR [1] Ali Uyarel. (1997). Endüstriyel Okullar çin So utma ve klimlendirme. C LT 1-2, ISBN NO: Y [2] Bill, Whitman., Bill, Johnson., John, Tomczyk., (1999). RefrigerationandAirConditioningTechnology 5th Edition, ISBN-13: [3] H. Bulgurcu., (2011). Bakım Arıza Bulma ve Servis lemleri. 2.Baskı, Sayfa: SKAV Yayınları, No:4, ISBN: , stanbul. [4] H. Bulgurcu, E. im ek., (2009). Development of faultsimulatorforsplittypeairconditioner at airconditioner at airconditioningandrefrigerationtraining, UPTRON C Project Summer School, Transfer of InnovationtotheInterdisciplinaryTeaching of MechatronicsforThe Advanced TechnologyNeeds, OpoleUniversity, Wisla, Poland, p [5] H. Bulgurcu. (2003). klimlendirme ve so utma e itiminde bilgi teknolojilerinin kullanımı, TESKON Ulusal Tesisat Mühendisli i Kongre ve Sergisi, Bildiriler Kitabı, Kültürpark- ZM R, p [6] H. Bulgurcu., (2005). klimlendirme sistem tasarımı için bilgi teknolojilerinin kullanımı, KL M 2005 Ulusal klimlendirme Kongresi ve Sergisi, ANTALYA, p , [7] H. Bulgurcu, S. Ya ar., (2011). So utma sistem arızalarının P h diyagramı yardımıyla te his edilmesi, TESKON 2011, X. Ulusal Tesisat Mühendisli i Kongresi, Sayfa , p ZM R. [8] M. Bilgili, H. Bulgurcu, E. im ek, A. Ya ar., (2011). Ta ıt klimlendirmesi, Do a sektörel yayınlar grubu, Teknik Kitaplar No:7, p [9] R. Yamankaradeniz,. Horuz, Ö. Kaynaklı, S. Co kun, N. Yamankaradeniz., (2009). So utma Tekni i ve Isı Pompası Uygulamaları. Dora Yayınları, Sayfa , Bursa. ISBN-13: [10] Y. A. Çengel ve M. A. Boles., (2008), Mühendislik Yakla ımıyla Termodinamik, 5.Baskı, Güven Kitap Evi,ISBN: , zmir Yazar adresleri 1 Erdo an M EK, Ö r.gör.,çukurova Üniversitesi Adana Meslek Yüksekokulu, Elektrik ve Enerji Bölümü Adana, esimsek@cu.edu.tr 2 brahim KARAÇAYLI Ö r.gör.,ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, klimlendirme ve So utma Teknolojisi Programı, zmir, ibrahim.karacayli@ege.edu.tr 3 Sabri Can Ekerer, Ö r.gör., Çukurova Üniversitesi Adana Meslek Yüksekokulu, Otomotiv Teknolojisi Programı, Adana, sekerer@cu.edu.tr Sorumlu yazar * brahim KARAÇAYLI Ö r.gör., Ege Üniversitesi, Ege Meslek Yüksekokulu, klimlendirme ve So utma Teknolojisi Programı, zmir, ibrahim.karacayli@ege.edu.tr 702