BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA SİSTEMLERİ İÇİN SOĞUTUCU AKIŞKAN SEÇİMİ

Transkript

1 481 BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA SİSTEMLERİ İÇİN SOĞUTUCU AKIŞKAN SEÇİMİ Ö. Ercan ATAER Mehmet ÖZALP Atilla BIYIKOĞLU ÖZET Bu çalışmada, buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerine kullanılabilecek ozon tabakasını etkilemeyen soğutucu akışkanlar karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma için R 134a, R 404A, R 407A, R 410a, R 507 ve R 290 (Propan) alternatif akışkanlar olarak seçilmiş ve bu soğutucu akışkanlar için tek kademeli bir buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin termodinamik analizi yapılmıştır. Farklı alternatif soğutucu akışkanlar ve yoğuşturucu sıcaklıkları için, soğutma çevriminin basınç oranı, kompresör ücü, soğutucu akışkan kütle debisi, etkinlik katsayısı (COP), yoğuşturucu kapasitesi ve alternatif soğutucu akışkanların COP lerinin R 12 kullanılan soğutma sisteminin etkinlik katsayısına oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi rafikler halinde verilmiştir. 1. GİRİŞ Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde düşük sıcaklıktaki ortamdan ısı çekilir. Kompresör çıkışındaki soğutucu buharı yoğuşturucuda çevreye ısı atılarak yoğuşturulur. Yüksek basınç ve sıvı fazdaki soğutucu akışkanın, enleşme valfinde basıncı düşer. Soğutma sistemi, soğutucu akışkanın kompresör irişinde kızın buhar fazında olmasını sağlayacak biçimde tasarlanır[1, 2]. Buharlaştırıcıyla kompresör arasındaki bağlantı, akış sürtünmesinin yol açtığı basınç kaybı ve çevreden soğutucu akışkana olan ısı transferinden dolayı kompresör irişinde akışkan kızın buhar durumuna elir. Soğutucu akışkanın sıcaklığı arttıkça özül hacmi, buna bağlı olarak kompresör işi artar. Gerçek sıkıştırma işleminde, akış sürtünmesi entropiyi artırır. İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış durumu, kompresör çıkış basıncında doymuş sıvıdır. Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışıyla kısılma vanası irişi arasında basınç düşüşü vardır. Yoğuşturucudan çıkışta, soğutucu akışkan enellikle sıkıştırılmış sıvı bölesindedir. Kısılma vanasıyla buharlaştırıcının birbirine yakındır ve bağlantı borusunda basınç düşüşü küçüktür. Buharlaşma sıcaklığı azaldıkça, istenen soğutma yükü için ereken kompresör ücü ereksinimi ve kompresör hacmi artarken sistemin COP si azalır. 2. TERMODİNAMİK ANALİZ Termodinamik analizde, çevrimin referans noktalarındaki basınç, sıcaklık, entalpi, özül hacim ibi termodinamik özelliklerinin değerleri hesaplanmıştır. Belirlenen yoğuşturucu ve buharlaştırıcı sıcaklıklarına karşılık elen sistemin yüksek ve düşük basınçlarının hesaplanması ile analize başlanılmıştır. Daha sonra yoğuşturucu çıkışındaki termodinamik özellikler belirlenmiştir. Analizde akışkanların özellikleri literartürden alınmıştır[3, 4].

2 482 Kompresör irişindeki sıcaklık, buharlaştırıcı ve kompresör arasındaki emme borusunda, çevreden soğutucu akışkana olabilecek ısı aktarımı dikkate alınarak belirlenmiştir. Emme borusundaki 0,02 bar basınç kaybı alınmıştır. Kompresör irişindeki sıcaklık ve basınç kullanılarak diğer termodinamik parametreler hesaplanmıştır. Kompresör verimi kullanılarak kompresör çıkışındaki entalpi, η k = h k, h k, h h k, ç, s k, ç bağıntısından hesaplanmıştır. Bu değer belirlendikten sonra, bilinen basınç değerleri kullanılarak diğer özelliklerin büyüklükleri hesaplanmıştır. İstenilen soğutma yükü için, soğutucu akışkanın kütle debisi Q& m& = (2) h h b b, ç b, şeklinde hesaplanmıştır. Bu eşitlikteki, Q & b soğutma yükü, hb,ç ve h b, sırasıyla buharlaştırıcı çıkış ve irişindeki entalpilerdir. Kompresör ücü, kompresör iriş ve çıkışındaki entalpiler kullanılarak W k = m& h h ) (3) ( k, ç k, bağıntısından hesaplanmıştır. Yoğuşturucunun, buharlaştırıcıda çekilen ısı ile soğutucu akışkanın emme ve basma borularında çevreden kazandığı ısıyı, çevreye atacak kapasitede olması erekir. Yoğuşturucu kapasitesi, yoğuşturucu iriş ve çıkışındaki entalpilerin fonksiyonu olacak şekilde Q & = m& h h ) (4) y ( y, y, ç bağıntısı kullanılarak hesaplanır. Bu bağıntıdaki Q & y, yoğuşturucudan çevreye atılan ısı enerjisi, h h y,ç sırasıyla yoğuşturucu iriş ve çıkışındaki entalpilerdir. (1) y, ve 3. SONUÇLAR R 134a, R 404A, R 407A, R 410a, R 507 ve R 290 (Propan), buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimleri için alternatif akışkanlar olarak seçilmiş ve bu soğutucu akışkanlar için soğutma çevriminin termodinamik analizi yapılmıştır. Farklı alternatif soğutucu akışkanlar ve yoğuşturucu sıcaklıkları için, soğutma çevriminin basınç oranı, kompresör ücü, soğutucu akışkan kütle debisi, soğutucunun etkinlik katsayısı, yoğuşturucu kapasitesi ve bu alternatif soğutucu akışkanların etkinlik katsayılarının R 12'nin etkinlik katsayısına oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi hesaplanmıştır. Bu çalışmada, analizde kullanılan buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma parametreleri Tablo 1 de verilmiştir. 500 W soğutma yükünde ve 40 o C yoğuşturucu sıcaklığında buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin farklı alternatif akışkanlara öre basınç oranının, P r, buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 1'de verilmiştir. Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin basınç oranı yoğuşturucu basıncının, P y buharlaştırıcı basıncına, P b oranı şeklinde tanımlanmıştır. Tablo 1. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin analizde kullanılan çalışma parametreleri. Soğutma Yükü 500 W Buharlaştırıcı sıcaklığı çalışma aralığı -40 o C 0 o C Aşırı soğutma sıcaklık farkı 10 o C Aşırı ısıtma sıcaklık farkı 4 o C Kompresör verimi 0.7 Yoğuşturucu sıcaklığı 40 o C Emme hattı basınç kaybı 0.02 bar Basma hattı basınç kaybı 0.01 bar Alternatif soğutucu akışkanlar R 134a, R 290, R 404A, R 407A, R 410A, R 507

3 483 Şekil 1 de örüldüğü ibi R 134a basınç oranı en yüksek ve R 290 (Propan) basınç oranı en düşük olan soğutucu akışkandır. Bu fark, düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarında daha açık olarak örülürken, yüksek buharlaştırıcı sıcaklıklarında azalmaktadır. Farklı soğutucu akışkanlar için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin yüksek ve düşük çalışma basınçları karşılaştırıldığında, çalışılan buharlaştırıcı sıcaklığı aralığında basınç oranları R 12'ye yakın olan akışkanlar R 404A, R 410A, R 507'dir. Basınç Oranı, P r Şekil 1. Farklı akışkanlar için soğutma yükü 500 W olan soğutucunun basınç oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi (T y =40 o C) Kompresör ücünün baharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 2 de örülmektedir. Şekilde örüldüğü ibi kompresör ücü, buharlaştırıcı sıcaklığı ile yaklaşık doğrusal olarak azalmaktadır. Yüksek kompresör ücü erektiren alternatif soğutucu akışkan R 290, düşük kompresör ücü erektiren alternatif soğutucu akışkan ise R 404A ile R 507 dir. R 410A, R 407A ve R 134a soğutucu akışkanlarının kompresör ücü, R 290 ile R 407A ve R 507'nin kompresör üçleri arasındadır. Buharlaştırıcı sıcaklığı ile kompresör üçlerinin değişimi incelendiğinde, R 290 ile R 12 soğutucu akışkanlarının üç ereksinimleri arasındaki fark, 110 Watt ile fark 45 Watt arasında değişmektedir. R 410A ile soğutucu akışkanların üç ereksinimleri arasındaki fark 45 Watt ile 20 Watt arasında değişmektedir. Diğer taraftan R 407A ve soğutucu akışkanların üç ereksinimleri arasındaki fark, 30 Watt ile 10 Watt arasında değişmektedir. Benzer şekilde R 134a ile R 12 soğutucu akışkanların üç ereksinimleri arasındaki fark da, 20 Watt ile 10 Watt arasında değişmektedir. R 404A ve R 507 ile R 12 soğutucu akışkanlarının üç ereksinimleri arasındaki fark çok daha azdır. Kompresör Gücü Şekil 2. Soğutma yükü 500 W olan soğutucunun kompresör ücünün farklı akışkanlar için buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi (T y =40 o C).

4 484 Şekil 3 de soğutucu akışkan dütle debisinin buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi örülmektedir. Şekilde örüldüğü ibi soğutucu akışkanların kütle debileri buharlaştırıcı sıcaklığı ile yaklaşık doğrusal olarak azalmaktadır o C ile 0 o C sıcaklık aralığında R 12 nin kütle debisi k/s ile k/s arasında değişmektedir. Kütle debisi R 12 ye en yakın olan alternatif soğutucu akışkan R 507 dir ve aralarındaki maksimum fark yaklaşık k/s dir. R 12 ile kütlesel debileri arasındaki fark en fazla olan alternatif soğutucu akışkan ise R 290 dir ve bu fark k/s ile k/s arasında değişmektedir. Kütle debisi, k/s 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 Şekil W soğutma yükündeki soğutucunun kütlesel debisinin farklı akışkanlar için buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi (T y =40 o C). R 404A ile soğutucu akışkanlarının kütle debileri arasındaki, k/s ile k/s arasında değişmektedir. R 134a ve R 407A ile R 12 soğutucu akışkanların kütle debileri arasındaki fark yaklaşık sabit ve k/s dir. R 410A ile R 12 soğutucu akışkanlarının kütlesel debileri arasındaki fark, k/s ile k/s saniye arasında değişmektedir. 500 W soğutma yükü ve 40 o C yoğuşturucu sıcaklığı için buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin etkinlik katsayısının (COP), buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi Şekil 4 te örülmektedir. Etkinlik katsayısı buharlaştırıcı sıcaklığı ile artmaktadır. R 12 en yüksek etkinlik katsayısına sahip soğutucu akışkandır. R 12'nin etkinlik katsayısı 1.19 ile 4.0 arasında değişmektedir. COP 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Şekil W soğutma yükündeki soğutucunun soğutma etkinliğinin farklı akışkanlar için buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi.

5 485 1 COP/(COP) 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 Şekil W soğutma yükündeki soğutucunun farklı akışkanlar için soğutma etkinliğinin R 12'nin soğutma etkinliğine oranının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi. Şekil 5 te çeşitli alternatif soğutucu akışkanların etkinlik katsayılarının, R 12 soğutucu akışkanın etkinlik katsayısına oranlarının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi örülmektedir. Etkinlik katsayısı oranı, COP/COP, R 134a ve R 290 alternatif soğutucu akışkanları için 0.96 ile 0.99 arasında değişmektedir. R 407A, R 410A ve R 507 için bu oran, 0.90 ile 0.94 arasında değişmektedir. R 404A nın etkinlik kaysayısı oranı 40 o C de 0.83 iken 0 o C de 0.90 değerine ulaşmaktadır. Şekil 5 de örüldüğü ibi, etkinlik katsayısı oranı en yüksek olan alternatif soğutucu akışkan % 7 ile R 404A dır. Şekil 6 da 500 W soğutma yükündeki buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin yoğuşturucuda çevreye olan ısı aktarımının buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi örülmektedir. Yoğuşturucuda çevreye olan ısı aktarımı buharlaştırıcı sıcaklığı ile azalmaktadır. Alternatif soğutucu akışkanlar karşılaştırıldığında, en düşük yoğuşturucu ısı kapasitesine sahip soğutucu akışkan R 12, en yüksek yoğuşturucu ısı kapasitesine sahip olan soğutucu akışkan ise R 404A dır. Elde edilen bu sonuçlar literatürde verilen sonuçlarla uyum içerisindedir[5, 6] Yoğuşturucu kapasitesi, Q y 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 Şekil W soğutma yükündeki soğutucunun yoğuşturucu kapasitesinin farklı akışkanlar için buharlaştırıcı sıcaklığı ile değişimi.

6 SONUÇLARIN KARŞILAŞTIRILMASI Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde kullanılabilecek alternatif soğutucu akışkanların bazı çalışma parametrelerinin değerleri Tablo 2 de örülmektedir. Alternatif akışkan seçiminde sistemin etkinlik katsayısının dikkate alınması erekir.,, ve alternatif soğutucu akışkanları düşük etkinlik katsayısına sahiptir. ve soğutucu akışkanları yüksek etkinlik katsayısına sahiptir. Kompresör ücü ve soğutucu akışkan kütle debisi açısından uyun bir alternatif soğutucu akışkandır. R 12 ile karşılaştırıldığında Tablo 3 de örüldüğü ibi, nın seçimi ile buharlaştırıcı basıncında % 19 kadar bir azalma, yoğuşturucu basıncında ise % 6 kadar bir artış örülmektedir. Diğer taraftan, nın kompresör ücünde % 29 luk artış vardır. Tablo W kapasiteli bir soğutucuda farklı soğutucu akışkanlar kullanılması durumunda bazı çalışma parametrelerinin değerleri. Soğutucu Akışkan Buharlaştırıcı basıncı (bar) Yoğuşturucu basıncı (bar) Yoğuşturucu kapasitesi(w) R 134a R 290 R 404A R 407A R 410A R Kompresör ücü (W) Kütle debisi (k/s) COP Tablo 3. Alternatif soğutucu akışkanların 500 W kapasiteli bir soğutucu için sistem parametrelerinin ye ore yüzde değişimleri. Soğutucu Akışkan R 134a R 290 R 404A R 407A R 410A R 507 Buharlaştırıcı basıncı (bar) Yoğuşturucu basıncı (bar) Yoğuşturucu kapasitesi (W) Kompresör ücü (W) Kütle debisi (k/s) COP ve alternatif soğutucu akışkanlarından sonra yüksek COP ye sahip olan, ve soğutucu akışkanları elmektedir. Bu üç akışkandan birisini seçmek için kompresör ücü dikkate alınabilir. Kompresör ücü açısından en uyun alternatif soğutucu akışkan olarak örülmektedir. nin seçimi ile etkinlik katsayısında % 9 kadar bir azalma, kompresör ücünde ise % 12 kadar bir artış özlenmektedir. Tablo 3 de örüldüğü ibi nin seçimi halinde etkinlik katsayısında % 3.5 kadar bir azalma, kompresör ücünde ise % 29 kadar bir artış özlenmektedir. R 12 soğutucu akışkan yerine ve arasında bir seçim yapmak erekebilir. R 12 yerine R 507 kullanılması halinde etkinlik katsayısında % 9 kadar azalma, kullanımı durumunda ise kompresör ücünde % 29 kadar bir artış olmaktadır. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçları dikkate alındığında R 134a'nın seçimi halinde buharlaştırıcı basıncında % 19 kadar bir azalma, yoğuşturucu basıncında ise % 6 kadar bir artış özlenmektedir. R 507 kullanımı durumunda buharlaştırıcı basıncında % 119 kadar bir artış, yoğuşturucu basıncında ise % 95 kadar bir artış özlenmektedir. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçları dikkate alındığında, nin seçimi uyun olur.

7 487 KAYNAKLAR [1] UNEP Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer, 1994 Report of the Refrieration, Air Conditionin and Heat Pumps Technical Options Committee, 1995 Assessment, Kenya. [2] Stefanutti, L., New Refrierants for Air-Conditionin and Refrieration Systems, III International Mechanical, Installation Science &Tecnoloy Symposium 98, 7-9 May 1998, Istanbul, Turkey, pp [3] Linton, J. W., Snelson, W. K. and Triebe, A. R System performance comparison of R 507 with R 502, ASHRAE Transactions, V 101, pp [4] Linton, J. W., Snelson, W. K., Triebe, A. R. and Hearty, P. F Some performance measurements of four lon term R 502 replacements in a test facility containin a scroll compressor, 19 th International Conress of Refrieration, The Haue, The Netherlands. [5] Ataer, Ö. E., Türkoğlu, H. and Usta, H Küçük üretim kapasiteli ticari soğutucu üreticileri için CFC-12 yerine HFC-134a ve HFC-404A soğutucu akışkanların kullanımı, Türkiye Teknoloji Geliştirme Vakfı, Pro.No. TTGV-P12/P3, Ankara, 29 p. [6] Didion, D. A The influence of the thermophysical fluid properties of the new ozone-safe refrierants on performance, Applied Thermodynamics, V. 2, No. 1, pp SEMBOLLER COP h m& P P r Q & b Q & y Etkinlik katsayısı Özül entalpi [kj/k] Kütle debisi [k/s] Basınç [Bar] Basınç oranı, P y /P b Soğutma yükü, [kw] Yoğuşturucu kapasitesi, [kw] T Sıcaklık ( o C) Buharlaştırıcı sıcaklığı ( o C) T y Yoğuşturucu sıcaklığı ( o C) ΔT sub Aşırı soğutma sıcaklık farkı ( o C) ΔT s Aşırı ısıtma sıcaklık farkı ( o C) W & Kompresör ücü (W) η Verim Alt İndisler b ç k s y Buharlaştırıcı Çıkış Giriş kompresör Izentropik Yoğuşturucu

8 488 ÖZGEÇMİŞLER Ö. Ercan ATAER Prof. Dr. Ö. Ercan Ataer, B.Sc Derecesini Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümünden 1970 yılında almıştır. M.Sc. Derecesini 1974 ve Ph.D. Derecesini 1977 yılında İniltere de Lancaster Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi nde tamamlayan Prof. Dr. Ö. Ercan Ataer, 1977 yılında Hacettepe Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü, daha sonra Nükleer Enerji Mühendisliği Bölümü nde çalışmaya başlamıştır yılında Gazi Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü nde çalışmaya başlayan Prof. Dr. Ö. Ercan Ataer, halen aynı Bölümde Lisans ve Yüksek Lisans düzeyinde ısı ve kütle transferi ve termodinamik dersleri vermekte, ısı transferi, soğutma, akışkanlar mekaniği, termodinamik ve Stirlin çevrimi ile çalışan makinaların termodinamik analizi konularında araştırmalar yapmaktadır. Mehmet ÖZALP 1991 yılında Hacettepe Üniversitesi Zonuldak Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu yılında Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Eğitimi Bölümü de araştırma örevlisi kadrosuna atandı yılında, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Eğitimi Bölümü nden Yüksek Lisans derecesi aldı. Halen Gazi Üniversitesi nde, aynı bölümde doktora çalışmalarına devam etmekte ve araştırma örevlisi olarak çalışmaktadır. Atilla BIYIKOĞLU 1989 yılında Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü nden Lisans derecesini aldı yılında aynı bölümde araştırma örevlisi kadrosuna atandı yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü nden Yüksek Lisans derecesi ve 1998 yılında Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü nden doktora derecesi aldı. Halen Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü nde araştırma örevlisi olarak çalışmaktadır.