HAVA SOĞUTMALI BİR SOĞUTMA GURUBUNDA SOĞUTMA KAPASİTESİ VE ETKİNLİĞİNİN DIŞ SICAKLIKLARLA DEĞİŞİMİ

Transkript

1 HAVA SOĞUTMALI BİR SOĞUTMA GURUBUNDA SOĞUTMA KAPASİTESİ VE ETKİNLİĞİNİN DIŞ SICAKLIKLARLA DEĞİŞİMİ Serhan Küçüka*, Serkan Sunu, Anıl Akarsu, Emirhan Bayır Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü *e-ileti:

2 ÇALIŞMANIN AMACI Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının değişiminin; Buharlaştırıcıısı yüküne (soğutma kapasitesine), Yoğuşturucu ısı yüküne, Kompresör işine, Soğutma sisteminin performans katsayısına etkilerinin belirlenmesidir.

3 NE YAPILDI? Bir soğutma sistemi deney düzeneği tasarlandı. Bu düzenekte, yoğuşturucuya gönderilen hava sıcaklığı ve buharlaştırıcıya gönderilen su sıcaklıkları değiştirilerek farklı buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıkları elde edildi.

4 NE YAPILDI? Soğutma çevrimini modelleyen bir bilgisayar programı geliştirildi. şartları için sayısal veriler elde edildi. Program aynı koşullarda işletilerek model ve deney sonuçları karşılaştırıldı.

5 NE YAPILDI? Program farklı durumlar için çalıştırılarak, her bir durum için yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıkları, ısı yükleri ve kompresör güçleri belirlendi. Bulunan sonuçlar tablolar ve grafikler halinde verilerek sonuçlar irdelendi.

6 DENEY DÜZENEĞİ Genleşme Vanası Gözetleme Camı Kurutucu Kompresör Lüle plakası buharlaştırıcı Ampermetre yoğuşturucu Ventüri Su Isıtıcısı Fan Elektrikli Isıtıcılar Pompa Hava Akışı 6

7 DENEY DÜZENEĞİ

8 DENEY DÜZENEĞİ Scroll Tip Kompresör (Copeland Scroll ZR 28K3 PFJ 522) Hava Kanalı (0.65 m x 0.65 m x 2 m) ve yoğuşturucu 40 litre hacimli gövde içerisinde spiral sarımlı buharlaşma borusu ve 1000 litre hacimli su besleme tankı Termostatik Genleşme Vanası (SPORLAN FJE 1-½-C) Kurutucu ve Gözetleme Camı

9 DENEY DÜZENEĞİ Elektrikli Isıtıcı ( 2 adet x 8 kw) Radyal Fan (3000 m 3 /h) Veri okuma ünitesi (Hewlett-Packard) Debi okuma lüleleri ve U-Tipi Manometre Basınç ve sıcaklık ölçerler Güç ölçer

10 YAPILAN ÖLÇÜMLER Soğutkanın; Kompresör giriş ve çıkışında, yoğuşturucu çıkışı ve Genleşme vanası girişinde, buharlaştırıcı girişinde sıcaklık ve basınçları ölçüldü. Buharlaştırıcı üzerinden olan su akışının; Buharlaştırıcı giriş ve çıkış sıcaklıkları ve kütlesel debisi ölçüldü. Yoğuşturucu üzerinden olan hava akışının; Yoğuşturucu tarafı giriş ve çıkış sıcaklıkları ve kütlesel debisi ölçüldü

11 HAVA DEBİSİNİN ÖLÇÜMÜ Manometre Geliş Odası 1.5 D Lüle D Çıkış Odası Hava Akışı 3 D 2.5 D Ayırma Tabakası 1.5 D Lüle Ayırma Tabakası Pitot Tüpü (isteğe bağlı)

12 HAVA DEBİSİNİN ÖLÇÜMÜ P m = n x π r x x ρ 2 v a N N a ρa Burada; m a : Hava Debisi n N : Lüle sayısı r N : Lüle dış çapı P v : Basınç farkı ρ a : Havanın yoğunluğu

13 Basit soğutma çevrimi

14 HESAPLANAN DEĞERLER Sistemin her bir noktasındaki soğutkan entalpisi Kompresör işi Yoğuşturucu kapasitesi Buharlaştırıcı kapasitesi Soğutkan debisi Kompresörün isentropik verimi Kompresör emiş hacmi Soğutkanın kompresör emişinde kızgınlık derecesi Soğutkanın yoğuşturucu çıkışında aşırı soğuma miktarı Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı UA değerleri

15 Kompresör Gücü: W = I VCosϕ comp Yoğuşturucu Yükü: Q = m C ( T T ) yoğ hava p hava,çıkış hava,geliş SoğutmaYükü: Q = Q -W =m C ( T T ) buh yoğ comp su p,su su,geliş su,çıkış Aşırı Kızdırma: Tkızgınlık = T1 Tbuharlaşma Aşırı Soğuma: Taltsoğuma = Tyoğuşma T3

16 Soğutkan Debisi: (yoğuşturucu yükü üzerinden hesaplanan) Q yoğuşma m r = h 2 -h 3 İsentropik Verim: η = s h h 2s 1 h h 2 1 Emiş Hacmi: V = m x ν s r r UA Değerleri: UA = Q ısı değiştirici T lm

17 ÖLÇÜMLER * Soğutkan: R134a Kompresör çıkış sıc., C Yoğuşturucu çıkış sıc., C Buharlaştırıcı giriş sıc., C Kompresör emiş sıc., C Hava giriş, C Hava çıkış, C Su giriş sıc., C Su çıkış sıc., C Kompresör çıkış bas., kpa Yoğuşturucu çıkış bas., kpa Buharlaştırıcı giriş bas., kpa Kompresör emiş bas., kpa Kompresör Gücü, kw NOT: Yoğuşturucu çıkış ve buharlaştırıcı giriş basınçları ölçülmüş, yoğuşturucu basınç düşümü yaklaşık 15 kpa, buharlaştırıcı basınç düşümü ise yaklaşık 35 kpa olarak belirlenmiş ve buradan kompresör emiş ve çıkış basınçları hesaplanmıştır.

18 HESAPLAMALAR Yoğuşturucu Kapasitesi, kw Buharlaştırıcı Kapasite., (Qyoğuş-Wcom), kw Buharlaştırıcı Kapasite (suya aktarılan, kontrol, kw Soğutma etkinlik katsayısı,cop Soğutkan Kütlesel Debisi, entalpi farkından, kg/s Yoğuşma sıcaklığı, C Buharlaşma Sıcaklığı, C Aşırı soğuma miktarı, C Kızgınlık miktarı, C Yoğuşturucuda logaritmik sıcaklık farkı, C Buharlaştırıcıda logaritmik sıcaklık farkı, C Yoğuşturucu ısı aktarım kap., kw/k Buharlaştırıcı ısı aktarım kap., kw/k

19 BİLGİSAYAR PROGRAMI ler sonucu elde edilen veriler, geliştirilen bilgisayar programında kullanılarak deneyde belirlenen ve modelden hesaplanan buharlaşma ve yoğuşma yükleri sonuçları karşılaştırılmıştır. Programın doğruluğu tespit edildikten sonra, hava ve su giriş sıcaklıkları değiştirilerek program çalıştırılmış ve sonuçlar elde edilmiştir.

20 SONUÇLARIN KARŞILAŞTIRILMASI Yoğuşturucu yükü, deney Buharlaştırıcı yükü, deney Yoğuşturucu yükü, model Buharlaştırıcı yükü, model Isıl yük, kw

21 PROGRAMIN FARKLI KOŞULLAR İÇİN ÇALIŞTIRILMASI Aşırı Kızdırma Derecesi 8 C Aşırı Soğuma 5 C Buharlaştırıcı Basınç Kaybı 40 kpa Yoğuşturucu Basınç Kaybı 20 kpa Kompresörün İsentropik Verimi 65 % Kompresörün Emiş Hacmi 7.6 m 3 /h Buharlaştırıcı UA Değeri kw/k Yoğuşturucu UA Değeri kw/k Kabul edilen çalışma değerleri gösterilmiştir Suyun Özgül Hacmi Havanın Özgül Hacmi Suyun Kütlesel Debisi Havanın Kütlesel Debisi 4.18 kj/kg-k kj/kg-k kg/s kg/s Hava Giriş Sıcaklığı 25 C den 40 C Suyun Giriş Sıcaklığı 10 C den 25 C

22 Yoğuşma ve Buharlaşma Sıcaklıklarının Hava Giriş Sıcaklığı İle Değişimi (Su giriş sıcaklığı 12 C) Sıcaklık ( C) Yoğuşma Sıcaklığı Buharlaşma Sıcaklığı Hava Giriş Sıcaklığı ( C)

23 Soğutma kapasitesi ve yüklerinin hava sıcaklığı ile değişimi (Su giriş sıcaklığı 12 C) Yük (kw) Evaporatör Yükü Kompresör Gücü Kondenser Yükü COP Soğutma etkinlik katsayısı Hava Giriş Sıcaklığı ( C)

24 Dış hava sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi Dış hava sıcaklığının artması ile soğutma kapasitesi azalırken kompresör işi artmaktadır.

25 Yoğuşma basıncının değişimi

26 Kompresör işinin değişimi w 2 > w 1 w 1 w 2

27 Soğutma kapasitesinin değişimi q e,1 > q e,2 q e,1 q e,2

28 Yoğuşma yükünün değişimi q k,1 q k,2 q k,1 q k,2

29 Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının su ve hava sıcaklığı ile değişimi Sıcaklık ( C) C Su Giriş Sıc. 15 C Su Giriş Sıc. 20 C Su Giriş Sıc. 25 C Su Giriş Sıc Hava Giriş Sıcaklığı ( C)

30 Soğutma kapasitesi ve kompresör yükünün su ve hava sıcaklığı ile değişimi Yük (kw) C Su Giriş Sıc. 15 C Su Giriş Sıc C Su Giriş Sıc. 25 C Su Giriş Sıc Hava Giriş S ıcaklığı ( C)

31 soğutma etkinlik katsayısının dış sıcaklıklarla değişimi 3.25 Soğutma etkinlik katsayısı C Su Giriş Sıc. 15 C Su Giriş Sıc C Su Giriş Sıc. 25 C Su Giriş Sıc Hava Giriş Sıcaklığı ( C)

32 Su sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi Su sıcaklığının azalması ile birlikte buharlaşma basıncı ve buna bağlı olarak soğutkan kütlesel debisi azalır.

33 Su sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi Soğutkan debisinin azalması ile soğutma kapasitesi, kompresör işi ve yoğuşturucu yükü hepsi birden azalır. q e,1 q e,2 m soğ,1 < m soğ,2 q e,1 q e,2

34 Yoğuşturucu ve buharlaştırıcıısı aktarım kapasitelerinin(ua) değişimi Yoğuşturucu ve buharlaştırıcının yüzey alanlarının değişiminin etkisi incelenmiştir. Hava ve su debilerinin sabit kaldığı varsayılmıştır. Yani yoğuşturucunun yüzey alanı ve UA değeri artmakta, ancak toplam hava debisi değişmemektedir.

35 Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi Sıcaklıklar, ºC Buharlaşma Sıcaklığı Yoğuşma Sıcaklığı UA_yoğuşma, kw/k Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi (UA_buharlaşma=0.3 kw/k, sabit)

36 Soğutma kapasitesi, kompresör gücü ve soğutma etkinlik katsayısının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi Kapasite (kw) Buharlaştırıcı (soğutma) yükü yoğuşturucu yükü Komp. Gücü COP Soğutma etkinlik katsayısı, COP UA_yoğuşma, kw/k Yoğuşma ve buharlaşma yüklerinin ve kompresör gücünün yoğuşturucu UA değeri ile değişimi (UA_buharlaşma=300 W/K, sabit)

37 Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi Sıcaklıklar, ºC Buharlaşma Sıcaklığı Yoğuşma Sıcaklığı UA_buharlaşma, kw/k Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi (UA_yoğuşma=0.3 kw/k, sabit)

38 Soğutma kapasitesi, kompresör gücü ve soğutma etkinlik katsayısının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi Kapasite, kw Soğutma etkinlik katsayısı,cop 0.5 Buharlaştırıcı yükü Yoğuşturucu yükü. Komp. Gücü COP UA_buharlaştırıcı, kw/k Yoğuşma ve buharlaşma yüklerinin ve kompresör gücünün buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi (UA_yoğ=300 W/K, sabit)

39 SONUÇLAR (1) Dış ortam sıcaklığının artması ile yoğuşma basıncı artmakta, soğutma kapasitesi ve soğutma etkinlik katsayısı önemli ölçüde azalmaktadır. Dış hava sıcaklığının 25 C tan 40 C a yükselmesi, soğutma kapasitesinin yaklaşık %10 azalmasına neden olmuştur. Aynı sıcaklık değişiminde kompresör gücü %20 kadar artmış ve soğutma etkinlik katsayısı %30 oranında azalmıştır.

40 SONUÇLAR (2) Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının çevre sıcaklıklarına yaklaşması, soğutma çevriminin kapasite ve etkinliğini arttırmaktadır. Isı değiştiricilerin yeterli seçilmemesi durumunda ise sistemin kapasite ve etkinliği düşecektir. Buharlaştırıcı UA değerinin arttırılması ile, buharlaşma sıcaklığı ve basıncı ve buna paralel olarak soğutma kapasitesi artmaktadır. UA değerinin 4 kat artması ile, çalışılan aralık için soğutma kapasitesi %46, etkinlik katsayısı %14 artmıştır.

41 SONUÇLAR (3) Yoğuşturucu üzerinden geçen toplam hava debisinin sabit tutulması ancak UA değerinin 4 kat artması ile, yoğuşma sıcaklığı 71 C dan 47 C a düşmüştür. Bu durum için, kompresöre verilmesi gereken güç %30 azalırken, soğutma kapasitesi %20 artmıştır. Bu değerlendirme sırasında hava debisi sabit tutulmuştur. Hava debisinin yoğuşturucu yüzey alanı ve UA değeri ile birlikte arttırılması durumunda, soğutma kapasitesindeki ve çevriminin etkinliğindeki artış oranı daha yüksek olacaktır.

42 KAYNAKLAR Bildiri ve Makaleler Sunu S., Küçüka S., "Hava Soğutmalı Kondenserli Bir Soğuksu Gurubunda Dış Sıcaklıkların Değişiminin Soğutma Kapasitesi ve Etkenliğine Etkisi ", ESSİAD Soğutma Dünyası Dergisi, İzmir, Sunu S., Küçüka S., Ortam Sıcaklığının Soğutma Çevrimine Etkisinin Sayısal Olarak Modellenmesi,ULIBTK-09, 17. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Sivas, Bayır, E., Küçüka S., Scroll ve Pistonlu Tip Soğutma Kompresörlerinin Kapasite ve Verimlerinin Çalışma Şartları ile Değişimi, TESKON IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Tez (Yüksek Lisans) Çalışmaları Serkan Sunu, Bir Soğutma Sistemi Performansının Buharlaşma Ve Yoğuşma Sıcaklıklarına Bağlı Olarak Değişimi (İng.), Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Anıl Akarsu, Genleşme Vanası Karakteristiğinin Soğutma Sistemi Performansına Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Emirhan Bayır, Scroll Ve Pistonlu Tip Kompresörlerin Kapasite Ve Verimlerinin Çalışma Şartları İle Değişimi, Yüksek Lis. Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008.