ISI POMPASI DENEY FÖYÜ

Transkript

1 T.C BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ DOĞA BİLİMLERİ, MİMARLIK ve MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ISI POMPASI DENEY FÖYÜ Güz Yarıyılı Prof.Dr. Yusuf Ali KARA Arş.Gör.Semih AKIN Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığı, BURSA

2 TERMODİNAMİK LABORATUVARI ISI POMPASI DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Isı pompasının tanıtılması, ısı pompası çevriminin irdelenmesi, çevrimde kullanılan elemanların tanıtılması, ısı pompasının en önemli karakteristiği olan performans katsayısının (COP) hesaplanması ve katsayıların sıcaklık ile değişiminin irdelenmesi. 2. GENEL BİLGİLER: Gerçekte bir soğutma çevrimi olan ısı pompası çevriminin temel prensibi Sadi Carnot tarafından 1824 yılında ortaya atılmıştır yılında Lord Kelvin in soğutma cihazlarının ısıtma maksadı ile kullanabileceğini ileri sürmesiyle ısı pompası uygulamaya girmiştir. Isı pompası hem ısıtma hem de soğutma işlevini yapabilecek şekilde tasarlanmış termodinamik bir çevrimdir. Isı pompası, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki bir ortamdan aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren bir makinedir. Kışın ısıtma maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılır. Isı pompası; toprak, su veya hava kaynaklı olmak üzere ısıtma, soğutma, kurutma gibi birçok uygulamada kullanılmaktadır. İşletme maliyetlerinin uygunluğu nedeniyle özellikle su ve toprak kaynaklı ısı pompaları yüksek ısıtma ve soğutma yüklerine ihtiyaç duyan iş merkezlerinin ve yerleşkelerin iklimlendirilmesinde kullanılmaktadır. Bir ısı pompasının en önemli karakteristiği performans katsayısıdır (COP). Verimli bir sistemin COP değeri tipik olarak 4 e eşittir. Yani sisteme girilen her birim girdi karşılığında 4 birim enerji ortaya çıkar. Mevcut teknolojide en iyi ısı pompaları 6.8 COP değerine ulaşmaktadır. Bir ısı pompası temelde Şekil.1 de verildiği gibi kondenser, evaparatör, kompresör ve genleşme vanasından oluşmaktadır. 1. Yoğuşturucu (Kondenser) 2. Genleşme vanası (Kısılma vanası) 3. Buharlaştırıcı (Evaporatör) 4. Kompresör Şekil.1 Isı pompası temel elemanları

3 3. ISI POMPASI TERMODİNAMİĞİ: Isı pompasını, basitçe ısı makinesinin tersi bir çevrim olarak göz önüne alabiliriz. Isı makinesi yüksek sıcaklıktaki ortamdan ısı çekerek, düşük sıcaklıktaki ortama aktaran ve bu işlemi yaparken dışarıya iş veren makinedir. Isı pompası ise, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren makinedir. Kışın ısıtma maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılabilir. Isının, soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına nakledilmesi çeşitli şekillerde gerçekleştirilir. Buna göre ısı pompası çeşitleri Buhar sıkıştırmalı ve Absorbsiyonlu olarak sınıflandırılır. Isı pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Basit bir ısı pompasının ana elemanları kompresör, genleşme vanası, buharlaştırıcı ve yoğuşturucudur. T-s ve P-h diyagramlarına bakıldığında çevrimi oluşturan hal değişimleri şu şekildedir. Şekil.2 Buhar sıkıştırmalı ideal ısı pompası çevriminin T-s Ve P-h diyagramları 1-2 : Kompresörde izentropik sıkıştırma 2-3: Yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi 3-4: Genişleme vanasında sabit entalpide genişleme 4-1: Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi Buharlaştırıcıdan çıkan doymuş buhar kompresörde izentropik olarak daha yüksek bir basınç ve sıcaklığa sıkıştırılarak kızgın buhar haline getirilir (1-2 ). Daha sonra yoğuşturucuya giren kızgın buhar, kullanılabilir ısısını çevreye vererek sabit basınçta yoğuşur (2-3). Doymuş sıvı haldeki yüksek basınçlı akışkanın basıncı ve sıcaklığı genleşme vanasında buharlaştırıcı şartlarına getirilir (3-4). Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığından düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı geçişi olur ve akışkan buharlaşır (4-1). Bu adımdan sonra çevrim yeniden başlar ve aynı şekilde devam eder.

4 4. CİHAZ ve APARATLAR Isı pompası temel olarak kompresör, kondenser, genleşme vanası ve evaporatör den oluşmaktadır. Deneyde, Şekil.3'de gösterilen ElettronicaVeneta marka EPTC/EV modeli ısı pompası deney düzeneği kullanılacaktır. Deney düzeneğine ait cihaz ve aparat listesi Tablo.1 deki gibidir. Şekil.3 ElettronicaVeneta EPTC/EV Isı Pompası Deney Düzeneği Tablo.1 Isı Pompası Deney Düzeneği Ekipmanları 1. Şematik Diyagram 2. USB Port 3. Yüksek ve düşük basınç göstergesi 4. Yüksek ve düşün basınç anahtarı(şalter) 5. Basınç sensörleri 6. Manuel valf 7. Soğutucu akışkan debisi elektronik kontrol valfi 8. Hava sızdırmasız kompresör 9. Freon için elektronik akışölçer (Flowmetre) 10. Tersine çevrim valfi (reversing valve) 11. Su pompası 12. Su için elektronik akış ölçer 13. Su yoğuşturucu/buharlaştırıcı 14. Hava yoğuşturucu/buharlaştırıcı 15. Kurutma filtresi 16. Likit ayırıcı 17. Tek fazlı güç kaynağı 18. Acil durum butonu 19. Ana switch 20. Kontrol camı (sight glass) 21. Hava-su eşanjörü 22. Su tankı

5 Sistemde soğutucu akışkan olarak R-134a olarak bilinen Freon kullanılmaktadır. Soğutucu akışkana ait kondenser ve evaporatör giriş çıkışlarındaki sıcaklık değerleri ile alçak basınç ve yüksek basınç değerleri termometre ve basınç göstergeleri ile gözlemlenebilmektedir. 5. DENEYİN YAPILIŞI: Sistem çalıştırılarak kontrol valfinde hacimsel su debisi ayarlanır. Şekil.4 te gösterilen Bilgisayar-deney düzeneği arayüzü ile sıcaklık değerleri termokupl üzerinden elektronik olarak okunur ve not edilir. Elemanların giriş ve çıkış entalpi değerleri arayüz üzerinden okunur ve Şekil.5 termodinamik özellikler tablosundan okunan değerler ile karşılaştırılır. Kompresörün harcadığı güç arayüzden Watt cinsinden okunur. COP değeri hesaplanır. Şekil.4 ElettronicaVeneta EPTC/EV Isı Pompası Bilgisayar Arayüzü 6. HESAPLAMALAR: Asıl etkinlik katsayısı kondenserden suya geçen toplam ısı ve kompresöre giren enerji yardımı ile hesaplanır. COP = Q çıkan W giren = Q faydalı P komp (1)

6 1 numaralı denklemde Q çıkan kondenserden suya geçen ısıyı temsil ederken, W giren kompresöre dışarıdan verilen işi temsil etmektedir. Q faydalı değerini hesaplamak için 2 numaralı denklem kullanılır. Q faydalı=m c p (T çıkan T giren ) (Kilowatt) (2) Burada c p suyun özgül ısısı olup değeri (4,19 kj/kgk ) dir. Sonuç olarak çevrimin COP değeri 3 numaralı formülle ifade edilir. COP = m c p(t çıkan T giren ) P komp (3) İdeal çevrim için P-h diyagramı okunan basınçlar kullanılarak oluşturulur. Çevrim sürecindeki entalpi değerleri p-h diyagramından elde edilir. İdeal çevrim için etkinlik katsayısı COP eşitlik 4. teki gibi hesaplanır. COP ideal = h 2 h 3 h 2 h 1 (4) Çevrimin gerçek etkinlik katsayısını hesaplamak için çevrimin p-h diyagramı çizilir ve çevrimin gerçek etkinlik katsayısı COP gerçek eşitlik 5 ile hesaplanır. COP gerçek = h 2 h 3 h 2 h 1 (4) 7. DENEYDEN İSTENİLENLER: Deney düzeneğinden elde edilen sıcaklık, basınç ve debi değerleri kullanılarak evaporatör ve konderserde meydana gelen ısı geçiş miktarları ayrı ayrı hesaplanarak karşılaştırılacaktır. Kompresöre ait enerji tüketim değerleri kullanılarak performans katsayısı (COP) hesaplanacaktır. Ayrıca çevrimde ölçülen sıcaklık ve basınç değerleri kullanılarak P-h diyagramı hem deneysel veriler için hem de ideal durum için çizilecektir. P-h diyagramının elde edilmesinde kullanılan veriler yardımıyla hem ideal hem de gerçek durum için COP değerleri hesaplanıp hata hesabı gerçekleştirilecektir.

7 1. Aşağıdaki tabloda istenilen değerler hesaplayınız. Hesaplanan Değeler W komp (kj/kg) Deney P-h Diyagramından Elde Edilen Bilgiler COP,asıl COP,ideal COP,gerçek 2. Ölçülen değerleri kullanarak EK.1 de verilen P-h diyagramını deney sonuçlarına göre oluşturunuz ve sonuçları tartışınız. 3. Arayüzden okunan entalpi değerleri ve hesaplanan entalpi değerleri kullanılarak kompresör gücüne bağlı olarak elde ettiğiniz COP değerlerini karşılaştırınız ve sonuçları yorumlayınız. KAYNAKLAR [1] Thermotronics, Description of the Equipment Operational Handbook, Volume 1/3 [2] Thermotronics, Description of the Equipment Operational Handbook, Volume 2/3 [3] Ondokuz Mayıs Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü Isı Pompası Deney Föyü, 2011 [4] Çengel, Y., Boles, M., Termodinamik, Güven Bilimsel Yayınları, 2012 [5] Vikipedia, Heat Pump <url>

8 EKLER EK-1 Freon Akışkanına ait P-h Diyagramı