Bilgisayar uygulamalarının yaygınlaştığı gü - 2. SOĞUTUCU AKIŞKANLARIN T

Transkript

1 Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 89, s 2-20, 200 Soğutma Sistemlerinde ve Isı Pompalarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlarında Kullanılan Soğutucu Akışkanların Performanslarının Karşılaştırmalı Olarak Đncelenmesi Đ Necmi KAPTAN* E Fuad KENT** Taner DERBENTLĐ*** Özet Bu çalışmada R-, R-2, R-3, R-, R-22, R-23, R-, R-C38, R-00, R-02 ve R-3a soğutucu akışkanlarının doyma ve kızgın buhar bölgesindeki özeliklerini hesaplamak üzere hazırlanan bir fortran programı, alt program olarak kullanılmış ve bu soğutucu akışkanların ideal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimindeki performansları, karşılaştırmalı olarak incelenmiştir GĐRĐŞ Soğutucu akışkanlar ve bunların termodina - mik özeliklerinin hesaplanması soğutma, iklim - lendirme ve ısı pompası sistemlerinin tasarı - mında büyük öneme sahiptir Bu sistemlerde soğutucu akışkan olarak kloroflorokarbonlar (CFC), hidrokloroflorokarbonlar (HCFC) ve bunlara alternatif olarak geliştirilen ozon taba - kasına zarar vermeyen hidroflorokarbonlar (HFC) kullanılmaktadır Bir sistemin tasarımın - da kullanılan soğutucu akışkanın karakteristik - lerinin ve termodinamik özeliklerinin hassas bir şekilde bilinmesi gerekir Bilgisayar uygulamalarının yaygınlaştığı gü - nümüzde akışkan özeliklerinin bilgisayar yar - dımıyla hesaplanması büyük kolaylıklar sağla - maktadır Bu çalışmada geliştirilen program yardımıyla hesaplanan soğutucu akışkan öze - likleri kullanılarak, bu soğutucu akışkanların buhar sıkıştırmalı soğutma makinası ve ısı pompası çevrimlerindeki performansları karşı - laştırılmıştır Bu amaçla, incelenen soğutucu akışkanlar için buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak basınç oranı, hacimsel verim, kompre - sör işi, tesir katsayıları diyagramlar üzerinde verilmiştir Bu diyagramlar yorumlanarak soğu - tucu akışkanların performansları karşılaştır - malı olarak irdelenmiştir * Yrd Doç Dr, ĐTÜ Makina Fakültesi, Termodinamik ve Isı Tekniği Anabilim Dalı ** Doç Dr, ĐTÜ Makina Fakültesi, Termodinamik ve Isı Tekniği Anabilim Dalı *** Prof Dr, ĐTÜ Makina Fakültesi Dekanı 2 2 SOĞUTUCU AKIŞKANLARIN T

2 2 SOĞUTUCU AKIŞKANLARIN TERMODĐNAMĐK ÖZELĐKLERĐ Bu çalışmada R-, R-2, R-3, R-, R-22, R-23, R-, R-C38, R-00, R-02 ve R-3a soğutucu akışkanlarının doyma ve kızgın bu - har bölgesindeki özeliklerini hesaplayan bir fortran programı hazırlanmıştır Programa te - mel oluşturan dört denklem: P-v-T hal denkle - mi, ideal gaz için özgül ısıların sıcaklıkla deği - şimini veren denklem, doyma basıncının sı - caklıkla değişimini veren denklem, doymuş sıvı yoğunluğunun sıcaklığa göre değişimini veren denklemdir Bu denklemlerdeki katsayı - lar, genellikle, kritik noktada sabit sıcaklıkta basıncın özgül hacme göre birinci ve ikinci türev - lerinin sıfır olması gibi bazı koşullarla birlikte, deneysel dataya (çoğunlukla basınç, özgül ha - cim ve sıcaklık değerlerine) en küçük kareler yöntemiyle eğri uydurulmasıyla elde edilmektedir Bu çalışmada incelenen soğutucu akış - kanlara ait dört temel denklem ve katsayıları ise çeşitli kaynaklardan alınmıştır (Martin ve Hou, 9; Reynolds, 979; Wilson ve Basu, 988; Khan ve Zubair, 993; Kaptan, 988; Kaptan ve Derbentli, 997; ASHRAE, 993) Değişik soğutucu akışkanlar için, katsayıları Tablo de verilen, bu dört temel denklem şun - lardır: () Hal Denklemi (P [Pa], T [K], u [m 3 /kg]) P RT b i 2( b) i (Ai B it Ce i kt/t kr A 6 B 6T C kt/t ee kr ) e ( ce ) (2) Đdeal Gaz Sabit Hacimde Özgül Isı Denkle - mi (cuo [J/kg-K], T [K]) c o G it i G /T2 i l (3) Doyma basıncı Denklemi (P [Pa], T [K]) lnp d = F + F 2 / T + F 3 lnt + F T + F T 2 + F 6 T 3 (g T) + F 7 (T kr T) b + F 8 ln(g T) (3) () (2) T () Doymuş Sıvı Yoğunluğu Denklemi (r [kg/m 3 ], T [K]) i /3 ) f DX i i l () Burada, X = T / T kr dir Yukarıdaki denklemlerde, P basınç, T sıcaklık, u özgül hacim ve A i, B i, C i, D i, F i, G i, b, k, a, b, c, g amprik sabitlerdir (Tablo ) Bu soğutucu akışkanların, kızgın buhar bölge - sindeki termodinamik özeliklerinin hesabı için sadece () ve (2) no lu denklemler gerekli ol - maktadır Doymuş buhar ve kızgın buharın iç enerji, entalpi ve entropileri, bu iki denklem kullanılarak ve termodinamik özelik bağıntıları yardımıyla aşağıdaki gibi hesaplanabilir: u sh = Gu ln(t + Pu /T o ) (6) Burada, D 6X /2 D 7X² G i i (T i i T o) G T o T i T XZ i (W 6 TX 6 )Z u o i 2 G 2 T2o T² G i i 2 i (Ti T oi ) W iz i i 2 () (7) W iii = A + B T + C i e kt/tkr (8) kc X i B i i e kt/tk Tc Z i ( i)( b) i Z c ln ce Rln( b) i XZ i i 2 X 6Z s o ce (9) (0) () Đlk dört denklem (-), doymuş sıvının termo - dinamik özeliklerini hesaplamak için gerekli ol - maktadır Verilen sıcaklıktaki doyma basıncı (3) no lu denklemle ve doyma basıncının sı - TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, Tablo R-00, R-2, R-3a, R-02 ve R-22 soğutucu akışkanlarının özeliklerinin hesabında kullanı - lan denklemlerdeki katsayılar R-00 R-2 R-3a R-02 R-22 Kimyasal FormülüR-2 / R-2a CCl 2 F 2 CF 3 CH 2 F R-22 / R- CHClF 2

3 Kimyasal FormülüR-2 / R-2a CCl 2 F 2 CF 3 CH 2 F R-22 / R- CHClF 2 (%738 CCl 2 F 2 / %262 C 2 H F 2 ) (%88 CHClF 2 / %2 C 2 ClF ) M (kg/kmol) T kr (K) P kr (MPa) r kr (kg/m 3 ) T o (K) Denklemlerdeki sabitler, T (K), r (kg/m 3 ), P (Pa) ve, cvo (J/kg-K) için verilmiştir Hal Denklemi R b x x0 30x0-026x x0 - A x x x x x0 2 A 3-279x000998x x x x0-2 A x x x x x0 - A x x x x0-7 A x x0 B x x x x x0 - B x x x x x0 - B x x0-7 B x x x x x0-0 B x x0 9 C x x x x x0 3 C x C x C x x x x x0-6 C x k a c x0-7 - Đdeal Gaz Özgül Isı Denklemi G x x0 9632x x x0 2 G G x x x x x0 - G x x x G x x0 Doyma Basıncı Denklemi F x x0 376x x x0 F x x x x x0 3 F x x F x x x x x0-3 F x F F F x x x x0 - b g Doymuş Sıvı Yoğunluğu Denklemi D x x x x x0 2 D x x x x x0 2 D x x x x0 2 D x x x x x0 2 D x x x x0 2 D x D x u o 99399x x x x x0 s o 03090x x x x x0 3 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, 200 caklığa göre türevinin değeri de bu denklemin sıcaklığa göre türevi alınarak hesaplanmakta - dır Bu durumda sıcaklık ve basınç belli olduğu için, doymuş buharın özelikleri ( u g, u g, h g, s g ), (-2) ve (-7) no lu denklemler kullanılarak de - neme-yanılma yöntemiyle bulunmaktadır Bu - harlaşma entalpisi (h fg = h g - h f ), Clapeyron denklemi yardımıyla Basınç oranı : PR P yog P buh () Özgül soğutma etkisi : q buh = h h () Soğutma Kapasitesi : Q buh ṁ(h h ) (6) Özgül yoğuşturucu (ısıtma) yükü : q yoğ23 = h h(7)

4 h fg T fg dp dt d (2) Yoğuşturucu Kapasitesi : Q (8) yog ṁ(h2 h3 ) ve buharlaşma entropisi de (s fg = s gf - s ) aşa - ğıdaki gibi hesaplanmaktadır: s fg = h fg / T (3) Böylece, doymuş sıvının entalpisi, doymuş buharın entalpisinden (2) no lu denklemi çıkararak; doymuş sıvının entropisi de doymuş buharın entropisinden (3) no lu denklemi çıkararak bulunmaktadır 3 SOĞUTUCU AKIŞKANLARIN PERFORMANSLARINI KARŞILAŞTIRMADA KULLANILAN DENKLEMLER Đdeal buhar sıkıştırmalı çevrim için P-h ve T-s diyagramları Şekil a ve Şekil b de gösteril - mektedir (-2 izantropik sıkıştırma, 2-3 sabit basınçta yoğuşma, 3- sabit entalpide kısıl - ma, - sabit basınçta buharlaşma) Đdeal çevrim için kullanılan denklemler aşağı - da verilmektedir: Kompresör işi : w k2 = h h (9) Kompresör Gücü : Q k ṁ(h2 h ) (20) Isıtma tesir katsayısı : h2 h3 (2) ITK Soğutma tesir katsayısı : (22) Soğutma verimi (IIYasa Verimi) h R =STK/(STK) Carnot (23) Özgül kompresör yer değiştirmesi : SCD (2) h h m Hacimsel verim: (2) m Strok Hacmi : D 2 (26) PD Hacimsel debi : D 2 (27) V s PD N 60 Yukarıdaki denklemlerde (-27); P basınç (kpa), u özgül hacim (m 3 /kg), h entalpi (kj/kg), m bir devirde silindire giren gerçek gaz kütlesi h2 h STK h h h2 h m m C C PD/ V s (a) (b) Şekil Đdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi için (a) P-h ve (b) T-s diyagramları TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, 200 (kg), m t bir devirde silindire giren teorik gaz kütlesi (kg), h v hacimsel verim, C ölü hacim oranı, D silindir çapı (m), l strok (m / devir), N devir sayısı (devir/dak) dir Đdeal çevrim için, ITK ve STK arasındaki ilişki: ITK = STK + şeklinde - dir Kompresör gücü, STK ve kompresör yerdeğiş - tirmesi ile ilgili parametrelere bağlı olarak aşa - ğıdaki gibi yazılabilir: W k ṁ (h2 h ) V S (h2 h ) V S(h2 h ) SCD(h h ) V S SCDSTK) ) (28) (kpa) d Doyma Basıncı, P

5 SCD(h h ) SCDSTK) ) ton soğutma (Q buh = 37 kw) kapasitesi için gerekli kompresör gücü, W k,tr ṁ Q TR (h2 h) buh,tr (h2 h) q buh 37(h 2 h) (h h ) 3 ST (29) Sıcaklık, T Şekil 2 Değişik soğutucu akışkanlar için doyma basıncının sıcaklıkla değişimi şeklindedir SONUÇLAR VE ĐRDELEME Bu çalışmada, R-, R-2, R-3, R-, R-22, R-23, R-, R-C38, R-00, R-02 ve R-3a soğutucu akışkanlarının doyma ve kızgın bu - har bölgesindeki özeliklerinin hesabı için geliş - tirilen bir program yardımıyla, bu soğutucu akışkanların, buhar sıkıştırmalı çevrime göre çalışan soğutma makineleri ve ısı pompaların - daki performansları incelenmiştir Çözümle - meler, ideal buhar sıkıştırmalı soğutma çevri - mine göre yapılmıştır Çevrimdeki yoğuşma sıcaklığı, T yoğ =30 C sabit alınarak, basınç oranı, tesir katsayıları, buharlaştırıcı ve yoğuştu - rucu yükleri, özgül kompresör işi, hacimsel ve - rim, özgül kompresör yerdeğiştirmesi ve ton soğutma yapılması halinde kompresör gücü - nün buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak deği - şimleri incelenmiştir Buharlaşma sıcaklığı 0 ile 0 C arasında değiştirilmiştir Şekil 2 de çeşitli soğutucu akışkanlar için doyma basıncının sıcaklıkla değişimi görülmektedir Bu çalışmada T yoğ =30 C seçildiği için, kritik sıcaklıkları bu değerin altında olan R-3, R- ve R-23 ün performansları incelenmemiştir buh / P yoğ Basınç Oranı, P Şekil 3 Basınç oranının buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak değişimi (T yoğ = 30 C) Şekil 3 te basınç oranının buharlaşma sıcak - lığına bağlı olarak değişimi görülmektedir Sı - ralama R- en yüksek R-02 en düşük olacak şekildedir Ayrıca Đncelenen sıcaklık aralığın - da R-C38 ile R- ün basınç oranları arasındaki fark % den daha küçüktür ve bu iki soğu- 6 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, 200 tucu akışkanın basınç oranları R-3a ya gö - re daha yüksektir R-00, R-2 ve R-22 için basınç oranları arasındaki fark %3 ten az olmak üzere sıralama R-00 en büyük, R-22 en düşük olacak şekilde olmaktadır ve bu üç soğutucu akışkanın basınç oranları R-3a ya göre daha düşüktür Basınç oranının yüksek olması kompresörün aşırı ısınmasına ve kaçakların artmasına sebep olur Ayrıca kompresör çıkış sıcaklığının artması kompresörün ömrünü azaltarak performansının azalmasına yol açar Şekil te soğutma tesir katsayılarının; Şekil te de soğutma verimlerinin buharlaşma sı - caklığına bağlı olarak değişimi görülmektedir Her ikisinde de sıralama R- en yüksek R- C38 en düşük olacak şekildedir R-2 ile kar - şılaştırıldığında, R-00 ün STK sı %0-0; R- 22 nin STK sı %02-098; R-3a nin STK sı %96-3; R-02 nin STK sı %7-0 daha küçük olmaktadır Soğutma verimlerindeki farklar da aynı şekilde olmaktadır Şekil ten görüle -

6 Soğutma Verimi Soğutma Tesir Katsayısı, STK Şekil Soğutma tesir katsayısının buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) Şekil Soğutma veriminin buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) (kj/kg) q buh (kj/kg) q yoğ Şekil 6 Özgül buharlaştırıcı yükünün buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) Şekil 7 Özgül yoğuşturucu yükünün buharlatırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, (kj/kg) w k SCD Şekil 8 Özgül kompresör işinin buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) Şekil 9 Özgül kompresör yer değiştirmesinin (SCD) buharlaşma sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C)

7 h v Hacimsel Verim Şekil 0 C= 00 için hacimsel verimin buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) ceği üzere, T buh = -2 C için R-C38 in STK değeri 296, R-3a ın STK değeri 3 ve R- in STK değeri ise 382 dir Đdeal çevrim için ısıtma tesir katsayısı, ITK=STK+ olduğundan ITK için olan sıralama STK için olan sıralama gibidir Şekil 6-8 de sırasıyla özgül buharlaştırıcı yü - kü, özgül yoğuşturucu yükü ve özgül kompre - sör işinin, buharlaşma sıcaklığına bağlı ola - rak değişimi görülmektedir Sıralama R-22 en yüksek R-C38 en düşük olacak şekildedir Sadece Şekil 8 de görüldüğü gibi özgül komp - 8 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, 200 (kw) (kw/ton Soğutma) k,vs W k, TR W Şekil ton soğutma kapasitesi için gerekli kompresör gücünün buharlaştırıcı sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) Şekil 2 Hacimsel debinin Vs = m 3 /s değeri için kompresör gücünün buharlaşma sıcaklığına göre değişimi (T yoğ = 30 C) resör işi ile ilgili olan diyagramda R- ile R-

8 resör işi ile ilgili olan diyagramda R- ile R- 3a nın sıralamadaki yeri değişmektedir R- 3a nın q buh, q yoğ ve w k değerleri R-22 ninkinden daha küçük R-00 ve R-2 ninkilerinden daha büyük olmaktadır R-2 için ise bu değerler R-00 ünkinden daha küçük R-02 ninkin - den daha yüksek olmaktadır Şekil 9 da özgül kompresör yerdeğiştirmesinin (SCD), buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak değişimi görülmektedir Sıralama R- en yük - sek R-22 en düşük olacak şekildedir R-2 için SCD değerleri R-3a nınkinden daha kü - çük, R-00, R-02 ve R-22 ninkilerden daha büyük olmaktadır R-02 için SCD değerleri ise R-2 ve R-00 ünkilerinden daha küçük, R- 22 ninkilerden daha büyük olmaktadır R-2 nin SCD değerleri R-3a dan %23- daha küçük; R-22 den %63-70 daha büyük olmaktadır Bu sonuca göre, R- kullanan sistemler en büyük kompresörlere; R-22 kullananlar en küçük kompresörlere ihtiyaç duyarlar Şekil 0 da ölü hacim oranının C=00 değeri için, hacimsel verimin buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak değişimi verilmiştir Sıralama R- 22 en yüksek R-C38 en düşük olacak şekil - dedir Şekilden de görüldüğü gibi R-22, R-02, R-00 ve R-2 üst tarafta bir grup; R-, R- ve R-C38 alt tarafta bir grup oluşturmakta R- 3a da bu iki grup arasında yer almaktadır R- 2 için hacimsel verim değerleri R-22 ninkin - den % daha küçük, R3a- nınkinden ise % daha büyüktür Şekil de ton soğutma yapılması halinde gerekli kompresör gücünün, buharlaşma sı - caklığına bağlı olarak değişimi görülmektedir Sıralama R-C38 en yüksek R- en düşük olacak şekildedir R-22, R-00 ve R-2 için olan değerler hemen hemen aynı olup aralarındaki fark % den daha küçüktür R-3a için olan değerler ise R-22 için olan değerlerden %-3 daha büyüktür TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, Şekil 2 de ise ölü hacim oranı 00, çapı 8 mm, stroku 0 mm ve devir sayısı 200 d/d (Vs=00079 m3/s) olan aynı tip bir pistonlu kompresör içerisinde bu soğutucu akışkanla - rın izantropik sıkıştırılmaları halinde gerekli kompresör gücünün, buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak değişimi gösterilmiştir R-02 ve R-22 için en büyük, R- için en küçük değer - lerdedir R-2 için bu değerler, R-02 ve R- 22 ye göre daha düşük; R-3a ya göre daha yüksektir Yapılan çalışma karşılaştırılan soğutucu akışkanlar içinde termodinamik açıdan en yüksek soğutma tesir katsayısına sahip olan akışkanın R- olduğunu göstermiştir Daha sonra sırasıyla birbirine çok yakın olarak R-2, R-00 ve R-22 gelmektedir Bunları az bir farkla R-3a izlemektedir Son sıralarda da R-, R-02 ve en düşük R-C38 bulunmakta - dır Soğutma tesir katsayıları arasında sayısal değer olarak çok büyük bir fark görülmemekte - dir Son yıllarda hidroflorokarbonlar (HFC), ozon tabakasına zarar vermemesi nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır Bunlardan R-3a nın PD PR q R s SCD STK T u Strok hacmi, m 3 /dev Basınç oranı Birim kütle için ısı geçişi, J/kg veya kj/kg Gaz sabiti, J/kg-K veya kj/kg-k Özgül entropi, J/kg-K veya kj/kg-k Özgül kompresör yer değiştirmesi, m 3 /kj veya m 3 /MJ Soğutma tesir katsayısı Sıcaklık, C veya K Özgül iç enerji, J/kg veya kj/kg V s Hacimsel debi, m 3 /s u Özgül hacim, m 3 /kg w k Özgül kompresör işi, J/kg veya kj/kg Yunan Harfleri h Verim r Yoğunluk, kg/m 3 Alt Đndisler buh Buharlaşma veya buharlaştırıcı d Doyma f Doymuş sıvı fg Doymuş buhar ve doymuş sıvı özelikleri arasındaki fark g Doymuş buhar kr Kritik o Referans hali R Soğutma TR Ton soğutma v Hacimsel yoğ Yoğuşma veya yoğuşturucu

9 olarak kullanılmaktadır Bunlardan R-3a nın performansı, şekil ve yorumlardan detaylı ola - rak görüleceği gibi, incelenen diğer soğutucu akışkanlarla karşılaştırıldığında genel olarak orta sıralarda yer almaktadır SEMBOLLER C Ölü hacim oranı CFC Kloroflorokarbonlar c uo Sabit hacimde ideal gaz özgül ısısı, J/kg-K veya kj/kg-k D Silindir çapı, m h özgül entalpi, J/kg veya kj/kg HCFC Hidrokloroflorokarbonlar HFC Hidroflorokarbonlar ITKIsıtma tesir katsayısı l Strok, m/devir m Soğutucu akışkanın kütlesel debisi, kg/s N Kompresör devir sayısı, devir/dak P Basınç, Pa veya kpa KAYNAKLAR - ASHRAE Fundamentals Handbook, Kaptan, Đ N, 988, Soğutucu Akışkan Özeliklerini Hesaplayan Bir Program, Y Lisans Tezi, Đstanbul Teknik Üniversite - si - Kaptan, Đ N ve Derbentli, T, -6 Haziran 997, Performance Comparison of R-2 and R-3a with Some CFCs, Makina Mühendisliği Kongresi MAMKON 97, s 00-06, -Đs tanbul - Khan, SH ve Zubair, SM, 993, Thermodynamic Analyses of the CFC-2 and HFC-3a Refrigeration Cycles, Energy, V 8, No 7, s Martin, JJ ve Hou, YC, 9, Development of an Equation of State for Gases, AIChE Journal, s2- - Reynolds, WC, 979, Thermodynamic Properties in SI; Graphs, Tables and Computational Equations for 0 Substances, Department of Mechanical Engineering, Stanford University - Wilson, DP ve Basu, RS, 988, Thermodynamic Properti - es of a new stratospherically safe working fluid, Refrigerant 3a, ASHRAE Transactions, c 9, s TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 89, 200