Şekil 2.1 İki kademeli soğutma sistemine ait şematik diyagram

Transkript

1 2. ÇOK BASINÇLI SİSTEMLER 2.1 İKİ KADEMELİ SOĞUTMA SİSTEMLERİ: Basit buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi -30 ye kadar verimli olmaktadır. -40 C ile -100 C arasındaki sıcaklıklar için kademeli soğutma sistemleri tercih edilir. Kademeli soğutma sistemlerinde sıcaklık değeri uygulama alanına göre belirlenir. Endüstriyel soğutma için -35 C ile -50 C, eczacılık, tıp, kimya ve petrol endüstri gibi soğutma yapılan alanlarda -40 C ile -100 C arasındaki sıcaklıklara inilmelidir. Çok düşük buharlaşma sıcaklıklarındaki çalışma şartlarında soğutma çevriminin kapasitesi ile birlikte performans katsayısı da hızla düşmektedir. Bunun sebeplerinden birisi, düşük emiş basıncı ile başlayan sıkıştırma işleminin, aynı çıkış - yoğuşma basıncına ulaşılabilmesi için daha yüksek bir sıkıştırma oranı gerektirmesidir. Ayrıca çok düşük buharlaşma sıcaklıklarında kompresör çıkış basıncı ve sıcaklığı çok yükselmekte ve bunun sonucunda yağlama yağının yanması ve buna bağlı olarak kompresör parçalarının aşınması ve kompresörün zarar görmesi söz konusu olabilir. Bütün bu nedenlerden dolayı, çok düşük buharlaşama sıcaklıkları gerektiğinde kompresör çıkış basıncı ve sıcaklığının aşırı yükselmesini önlemek için kademeli soğutma yapılmalıdır. Şekil 2.1 İki kademeli soğutma sistemine ait şematik diyagram

2 Şekil 2.1 de iki kademeli soğutma sistemine ait bir şematik diyagram gösterilmektedir. Bu sistemde soğutucu akışkan 1. kısılma vanasında ara soğutucu basıncına genişler. Bu basınç iki sıkıştırma kademesi arasındaki basınca eşittir. Ani genişlemeden dolayı sıvının bir kısmı buharlaşır. Ara soğutucu eşanjöründeki doymuş buhar, alçak basınç kompresöründen çıkan kızgın buharla karıştırıldıktan sonra yüksek basınç kompresörüne girer. Ara soğutucu eşanjörünün altında biriken doymuş sıvı, ikinci kısılma vanasından geçerek buharlaştırıcıya girer ve ortamdan ısı çekilerek soğutma gerçekleşir. İki kademeli soğutma çevrimine ait sıcaklık entropi ve basınç entalpi diyagramları Şekil 2.2 de gösterilmiştir. Sıkıştırmada, sıkıştırma süreci sonucunda ulaşılabilecek sıcaklığın daha başlangıçta saptanması zorunluluğu vardır. Çünkü kademeli sıkıştırma yöntemine baş vurulup vurulmayacağı sıkıştırma süreci sonunda ulaşabileceği maksimum sıcaklık saptandıktan sonra ancak belirlenir. Genellikle sıkıştırma süreci sonunda ulaşılabilecek sıcaklığın 100 C den daha büyük olmaması arzu edilir. Sıkıştırma sürecinin sonundaki basıncın sıkıştırma sürecinin başındaki basınca oranına sıkıştırma oranı denir ve bu ε= Py/Pb ile gösterilir. Eğer; ε 9 ise Tek kademeli 9 ε 20 ise İki kademeli ε 20 ise Üç kademeli Şekil 2.2 İki kademeli soğutma çevrimine ait T-S ve P-h diyagramları Aynı yoğuşturucu ve buharlaştırıcı sıcaklıkları arasında tek ve iki kademeli soğutma sistemlerinin, soğutma tesir katsayılarının buharlaştırıcı sıcaklığına bağlı değişimleri Şekil 2.3 de gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, NH 3 için (Ty= 50 C sabit olmak üzere) buharlaşma sıcaklıkları arttığında iki kademeli sistem,tek kademeli sisteme göre daha yüksek STK değerine sahip olmaktadır.

3 Şekil 2.3 Tek ve iki kademeli soğutma makinelerinin soğutma tesir katsayılarının buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimi İKİ KADEMELİ SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN TEK KADEMELİ ÇEVRİME GÖRE AVANTAJLARI: 1- Daha az iş sarf edilerek sıkıştırma yapılır. 2- Mekanik kompresör iç verimi, volümetrik verimi ve mekanik verimi daha büyüktür. 3- Mekanik kompresör çıkış sıcaklığı daha düşüktür. 4- İşletme masrafları daha azdır. 5-Soğutma tesir katsayısı daha büyüktür. DEZAVANTAJLARI: 1- Kuruluş maliyeti daha fazladır. (iki kompresör, birden fazla kısılma vanaları ve ara soğutucu gibi fazladan kısımlar mevcuttur) İKİ KADEMELİ SOĞUTMA ÇEVRİM HESAPLARI İki kademeli soğutma sistemlerinde bir ısı eşanjörü gibi görev yapan ara soğutucu mevcuttur. Bu ara soğutucuda, AKB nün çıkıştaki kızgınlık alınır ve doymuş buhar fazında soğutucu akışkan YBK ne gönderilir. Ara soğutucu elemanın çalıştığı basınç yoğuşturucu ile buharlaştırıcı basınçlarının arasında olmalıdır. Bu basınç, ampirik bir ifadeyle hesaplanmaktadır.

4 Para = Pb. Py + 0,35 (2.1) Burada: Para: Ara soğutucunun basıncı(bar) Pb : Buharlaştırıcı basıncı (en düşük sıcaklıktaki basınç) (bar) Py : Yoğuşturucu basıncı (bar) Ara basınç ABK ve YBK de minimum iş sarfiyatını veren basınç olacak şekilde hesaplanır. ABK ve YBK iş ifadeleri toplanıp, elde edilen toplam işi minimum yapan Para değeri tespit edilir. Bu değer, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu basınçlarının geometrik ortalaması olarak bulunur. Buharlaştırıcı (Evaparatör) tarafından çekilen ısı (Qb) : Qb= m1. ( h1 h8) Soğutucu akışkan debisi (m1): Qb m1 = (2.2) (h1 h8) Yüksek basınç kompresöründen geçmesi gereken soğutucu akışkan debisi ara soğutucu ele alınarak bulunabilir : Q W = Hç - Hg (Q=0, W= 0 ) Hç = Hg m3. h3 + m1. h7 = m3. h6 + m1.h2 m3 = m1(h2-h6) h3-h6

5 Alçak basınç kompresörünün işi (adyabatik): WAKB = m1(h2 h1) ηik. ηmk. ηem. ηkk (2.3) Yüksek basınç kompresörünün işi (adyabatik) : WYKB = m3(h4 h3) ηik. ηmk. ηem. ηkk (2.4) Yoğuşturucudan atılan ısı (Qy): h3 + ( h4 h3) h4 = ηik Qy = m3. ( h4 - h5) (2.5) Soğutma tesir katsayısı (STK) : Qb STK = WABK + WYBK (2.6) Isıtma tesir katsayısı (ITK) : Qy ITK = (2.7) WABK + WYBK

6 ÖRNEK 2.1: Şekildeki soğutma devresinde dolaşan soğutucu akışkan amonyak (NH3) olup, sisteme ait veriler aşağıdaki gibidir.x1=1, X3= 1, X5= 0, Tb1= -30 C Ty= 40 C, T7= 30 C Qb1= 70 kw, Qb2= 20kW, ABK: Tersinir adyabatik, YBK için ηik = 0,80 ηkk = 0,95 ηmk = 0,90 a-) T-s ve Ln P-h diyagramını çiziniz. b-) AKB ve YBK nün kapasitesini hesaplayınız. c-) Yoğuşturucunun kapasitesini hesaplayınız. d-) STK ve ITK değerlerini bulunuz.

7 a-) + Ara basıncın bulunması: Para = Pb. Py + 0,35 Para = 1,2.15,54 + 0,35 = 4,7 bar Noktalar P (bar) T( C) h (kj/kg) 1 1, ,6 2 4, , ,6 4 15, , ,7 6 4, ,7 7 15, , Devrede dolaşan soğutucu akışkan miktarının belirlenmesi: Qb1 70 m1 = = = 0,066 kg/s h1 - h8 1404,6-350 Qb2 20 m2 = = = 0,019 kg/s h3 - h6 1445,6 371,7

8 YBK nün gerçek çıkış şartları: (h4 - h3) h4 = h3 + ηik ,6 h4 = 1445,6 + = 1662 kj/kg 0,80 m3 debisinin bulunması : Ara soğutucu ele alınarak aşağıdaki ifadeden m3 debisi bulunabilir. Q - W = Hç - Hg (Q=0, W=0) Hç = Hg m1.h2 + m1. h5 + (m3 - m1 - m2) h6 = (m3 - m2). h3 + m1. h7 0, , ,7 + (m3-0,066-0,019).371,7 = (m3 0,019).1445,6 + 0, m3 = 0,096 kg/s b-) ABK nün kapasitesi (tersinir): WABK = m1 (h2 - h1) = 0,066.( ,6) = 12,83 kw YBK nün kapasitesi : WYKB = m3(h4 h3) ηik. ηmk. ηem. ηkk

9 WYKB = 0,096( ,6) = 24,33 kw 0,80. 0,90. 0,95 c-) Yoğuşturucunun kapasitesi: Qy= m3. ( h4 - h5) = 0,096 ( ,7 ) = 123,86 kw d-) Soğutma tesir katsayısı: Qb1 + Qb STK = = = 2,42 WABK + WYBK 12,83+ 24,33 Isıtma tesir katsayısı: Qy 123,86 ITK = = = 3,33 WABK + WYBK 12,83+24,33