Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimlerinde Enerji ve Ekserji Analizi

Transkript

1 esisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 94, s. 4-3, 006 Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimlerinde Enerji ve Ekserji Analizi Uğur AKBULU* Olcay KINCAY** Özet Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, soğutma makinelerinde, iklimlendirme sistemlerinde ve ısı pompalarında en çok kullanılan çevrim türüdür. Bu çalışmada tüm buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimleri incelenerek enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin soğutma etkinliklerinin, ikinci yasa verimlerinin ve her proses sırasında ekserji kayıplarının hangi değerlerde olacağının hesabının yapılabilmesi için etkili ve kolay uygulanabilir eşitlikler türetilerek sunulmuştur. Anahtar kelimeler: soğutma çevrimi, enerji, ekserji.gđrđş Isının düşük sıcaklıktaki bir ortamdan çekilip daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama transfer edilmesine soğutma denir. Soğutma çevrimleri; buhar sıkıştırmalı, absorbsiyonlu ve hava genleşmeli olarak üç kısımda in - celenebilir. Bu çalışmada ise buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin; ideal, iki kademeli, gerçek, aşırı kızdırmalı ve aşırı soğutmalı ile çoklu buharlaştırıcı ve/veya kompresörlere sahip tipleri ele alınarak ener - ji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Bu analizlerle soğutma etkinliğinin hangi oranda arttığı ve çevrimin ikinci yasa verimi ile her proses sırasında ekserji kayıplarının hangi değerlerde olabileceği kolay bir şekilde gösterilmiştir.. ĐDEAL BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐ En yüksek etkinlik katsayısına sahip olan Carnot Soğutma çevrimi iki fazlı bölgede çalışır. Bu çevrimi oluşturan dört tersinir hal değişimlerinden sadece buharlaştırıcı ve yoğuşturucudaki hal değişimleri pratikte uygulanabilmektedir. Diğer iki hal değişiminin gerçekleşmesinde büyük zorluklarla karşılaşılmaktadır. Ör - neğin, kompresörde sıvı-buhar karışımının sıkıştırılması gerekmesi ya da türbinde genişletilmesi makina - * Araş. Gör., Yıldız eknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü. ** Prof. Dr., Yıldız eknik Üniversitesi, ermodinamik ve Isı ekniği Anabilim Dalı. 4 ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 4, 006 larda erozyon tehlikesi meydana getireceğinden pratikte uygulanamaz. Çözüm olarak soğutma çevriminde

2 bir türbin yerine bir kısılma vanası kullanılarak sıvı-buhar karışımı halindeki akışkan genişletilip, basıncı buharlaştırıcı basıncına düşürülür. Buharlaştırıcıdan geçen akışkan kompresöre girip sıkıştırılmadan önce tamamen doymuş buhar fazına dönüştürülür. Böylece makinalarda oluşabilecek erozyon tehlikesi ortadan kaldırılmış olur. Bu şekilde oluşan yeni çevrime ise "Đdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi" adı verilir. Çevrimin genel şematik çizimi ile -s diyagramının şematik gösterimleri Şekil- ve Şekil- de verilmiştir (Çengel 996). Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, soğutma makinelerinde, iklimlendirme sistemlerinde ve ısı pompalarında en çok kullanılan çevrim türüdür. H Ilık Ortam Đdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi dört hal değişimi içermektedir: Q H Kondensser - Kompresörde izantropik sıkıştırma -3 Kondenserden (yoğuşturucu) çevreye sa - Kısılma Vanası 3 Kompresör bit basınçta ısı transferi 3-4 Kısılma vanasında genişleme ve basınç düşüşü 4- Evaporatörden (buharlaştırıcı) akışkana sabit basınçta ısı transferi 4 Evaporatör Soğuk Ortam Şekil- Đdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi 3 Q H Q L Şekil- de gösterilen -s diyagramında, içten tersinir hal değişimleri için eğri altında kalan alanlar ısı geçişi değerini vermektedir. 4- hal değişimi eğrisi altında kalan alan akışkanın buharlaştırıcıda aldığı ısıyı, -3 hal değişimi eğrisi altında kalan alan da akışkanın yoğuş - turucudan çevreye verdiği ısıyı göstermektedir. Diğer ideal çevrimlerden farklı olarak, ideal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi içten tersinir bir çevrim değildir. Çünkü çevrimde kullanılan kısılma vanası tersinmez bir hal değişimi içer - mektedir. 4 Şekil- Đdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin -s diyagramının şematik gösterimi Q L s. ĐDEAL BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐNĐN ENERJĐ VE EKSERJĐ ANALĐZĐ Buhar sıkıştırmalı bir soğutma çevrimini oluş - turan dört hal değişimi sürekli akışlı açık sis - tem olarak ele alınmıştır. Soğutucu akışkanın kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ise he - saplamalar sırasında ihmal edilmiştir. Şekil deki kapalı çevrim için termodinamiğin. yasası aşağıdaki gibidir: 5 ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 4, 006 Q - W = ³U () Çevrimde iç enerji değişimi sıfırdır ( ³U=0). Q - W = 0 ()

3 Verilen çevrim için birim akışkan kütlesi kullanılarak aşağıdaki ifade yazılabilir: q KON - q= w EVA KOMP (3) Etkinlik katsayısı (COP), elde edilmek istenenin harcanan enerjiye oranı olarak tanımlanır. Bu sistemin et - kinlik katsayısı aşağıdaki gibi bulunur: q EVA h - h 4 COP = = h - h (4a) Đşin ekserji değerinin iş olduğu; ısının ekserji değerinin ise ısı değerinin ilgili prosese ait Carnot verimi ile çarpılarak elde edildiği, göz önüne alınarak sistemin ekserji değeri ve kayıpları proseslerin ekserji değerleri - nin ve kayıplarının toplanması ile bulunur. Æ Kompresörde adyabatik sıkıştırma: Kompresörde kayıp ekserji (tersinmezlik); sıkıştırma prosesinin sürekli açık, ısı etkileşimi olmadığı ve ter - sinir olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bir akışın ekserjisi (4b) de gösterildiği gibi yazılabilir. y = (h - h 0 ) - (s - s 0 ) (4b) Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik ise (5)nolu ifadedeki gibidir. i KOMP = (y - y KOMP ) - w = (h - h ) s ) - (h - h ) = - 0 (s s ) = 0 (5) Æ 3 Kondenserde kayıp ekserji (tersinmezlik); sabit basınçta çevreye ısı atılması prosesinde sürekli açık, iş etkileşiminin olmadığı ve tersinir olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste birim akışkan küt - lesi için tersinmezlik: i= KON q KON + y - y 3 = 0 (6) H 3 Æ 4 Kısılma vanasında kayıp ekserji (tersinmezlik); akışkanın sabit entalpi ile genişlemesi esnasında prosesin sürekli açık, iş ve ısı etkileşiminin olmadığı ve prosesin tersinir olduğu kabul edilerek hesaplan - mıştır. Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i KV = (y 3 - y 4 ) = (h 3 - h 4 ) - (s 3 - s 4 ) = - s 0 (s 3 4 ) (7) ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 94, Æ Evaporatörde kayıp ekserji (tersinmezlik); akışkanın sabit basınçta buharlaşması esnasında prosesin sürekli açık, iş etkileşiminin olmadığı ve prosesin tersinir olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i EVA = q+ EVA y 4 - y = 0 (8) Đdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ekserji dengesi yazılırsa: E - E = I (9)

4 E Q - E W = I (9) i 0 Q = q KON q EVA (0) H E W = - = y - y () olup ermodinamiğin. yasasına göre verim: q EVA e = = COP () 3. ĐKĐ KADEMELĐ SIKIŞIRMA YAPILAN BĐR BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐNĐNENERJĐ VE EKSERJĐ ANALĐZĐ Bazı endüstriyel uygulamalarda düşük sıcaklıklarda soğutma gerekir ve uygulamanın sıcaklık aralığı basit buhar sıkıştırmalı soğutma çev - In P P Yoğ P Buh riminin etkili çalışabilmesi için çok büyük olabilir. Büyük sıcaklık aralığı çok fazla basınç kaybına yol açarak pistonlu kompresörün daha düşük verimle çalışması - na neden olur. Bu gibi durumlar - da başvurulan yöntemlerden biri soğutmayı iki kademede yap - maktır. Bu tür çevrimlere ikili so - ğutma çevrimleri denir. Şekil-3 Đki kademeli sıkıştırma yapılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ln(p) - h diyagramının şematik gösterimi h Eğer bir ikili soğutma sisteminde, çevrimlerde aynı akışkan dola - şıyorsa çevrimleri bir ısı değiş - tiricisi ile bağlamak yerine ısı alışverişinin daha iyi sağlandığı bir karışma odası veya buhar - laşma odası kullanılabilir. Bu tür 7 ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 4, 006 sistemler çok kademeli sıkıştırma yapılan soğutma sistemleri diye adlandırılırlar (Çengel 996, Nikolaidis 998). q EVA COP II = (3) + Đkinci yasa verimi ise aşağıdaki gibidir: q EVA

5 In P 4 3 EVA e = = COP II (4) + sesinde uygulanırsa: 5 Şekil-4 Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ln(p) - h diyagramının şematik gösterimi h 4. GERÇEK BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞU- MA ÇEVRĐMĐNĐN ENERJĐVE EKSERJĐ ANA- LĐZĐ Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki tersinmezliklerden kaynaklanır. ersinmezli - ğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine ne - den olan akış sürtünmesi ve çevre ile olan ısı alışverişidir. Çevrim Şekil-4 de verilmiş - tir (Çengel 996, Stegou-Sagia 003). q KOMP kompresörden çevreye olan ısı kaybıdır. ermodinamiğin. yasası Æ pro - q KOMP - = h 3 - hzılabilir ya (5) Eğer kompresör 0< h KOMP < olan bir verimle çalışıyorsa, kompresör işi (6) no lu eşitlikteki gibi tanım - lanabilir: h 3 - h - = olur. (6) h KOMP (5) no lu ifade ise; q KOMP3 = (h - h )( ) şeklini alır. (7) h KOMP ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 94, Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin COP değeri: h - h 5 COP = h KOMP olur. (8) h 3 - h Æ 3 Kompresörde sıkıştırma: Kompresörde kayıp ekserji (tersinmezlik); sıkıştırma prosesinin sürekli açık, ısı ve iş etkileşiminin gerçek - leştiği ve tersinmez olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i KOMP = (y - y 3KOMP ) - w = (h3 - h ) s ) - (h3 - h + q KOMP ) (9) i KOMP = - (s3 - s ) - q KOMP

6 KOMP 0 KOMP (0) 3 Æ 4 Kondenserde kayıp ekserji (tersinmezlik); sabit basınçta çevreye ısı atılması esnasında prosesin sürekli açık, iş etkileşimi olmadığı ve tersinmez olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i= KON q KON + y 3 - y 4 () H i KON = q H KON + (h 3 - h 4 ) - - s 0 (s 3 4 ) () 4 Æ 5 Kısılma vanasında kayıp ekserji (tersinmezlik); akışkanın sabit entalpi ile genişlemesi esnasında prosesin sürekli açık, iş ve ısı etkileşimi olmadığı ve tersinmez olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste birim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i KV = (y 4 - y 5 ) = (h 4 - h 5 ) - (s 4 - s 5 ) = - - s 0 (s 4 5 ) (3) 5 Æ Evaporatörde kayıp ekserji (tersinmezlik); akışkanın sabit basınçta buharlaşması esnasında prosesin sürekli açık, iş etkileşimi olmadığı ve tersinmez olduğu kabul edilerek hesaplanmıştır. Bu proseste bi - rim akışkan kütlesi için tersinmezlik: i EVA = q+ EVA y 5 - y (4) i EVA = q+ EVA (h 5 - h ) - - s 0 (s 5 ) (5) 9 ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 4, 006 Kompresörde gerçek sıkıştırma prosesinde hem ısı hem de iş terimleri bulunduğundan, ısı ve işin ekser - ji dengesinin de ayrı ayrı gösterilmesi yerine her elemanın ekserji kayıplarını toplamak daha pratiktir. Ger - çek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin kayıp ekserjisi yazılırsa: i = i KOMP + i KOND + i KV + i EVA (6) i = - (s - s 3 ) - q KOMP q KON + (h 3 - h 4 ) - (s 3 - s 4 ) (7) H - - s 0 0 (s 4 5 ) q+ (h EVA 5 - h ) - - s 0 (s 5 ) (7) Đkinci yasa verimi ise (8) no lu ifade de gösterildiği gibidir: q EVA e = = COP (8)

7 5. AŞIRI KIZDIRMA YAPILAN BĐR BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐNĐN ENERJĐ VE EKSERJĐ ANALĐZĐ Soğutma çevriminde performans katsayısını arttırma yöntemlerinden biri de aşırı kızdırmadır. Eveparatör - den doymuş buhar olarak çıkan akışkan bir ısı değiştiricisinden geçirilerek aşırı kızdırma yapılır. Perfor - mans katsayısı artışı (9 ve 30) no lu ifedelerde görülmektedir. q EVA h 6 - h 4 h - h 4 +³h KIZ COP III = = = (9) h 5 - h 6 h 5 - h 6 In P In P P Yoğ. 3 P Yoğ. P Buh. P Buh h h Şekil-5 Buharlaştırıcıda kızdırma yapılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ln(p) - h diyagramının şematik gösterimi Şekil-6 Aşırı soğutma yapılan buhar sıkıştırmalı so - ğutma çevriminin ln(p) - h diyagramının şematik gös - terimi ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 94, ³h KIZ COP III = COP (30) Đkinci yasa verimi ise aşağıda gösterildiği gibidir: q EVA L e = = COP III (3) 6. AŞIRI SOĞUMA YAPILAN BĐR BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐNĐN ENERJĐ VE EKSERJĐ ANALĐZĐ Aşırı soğutma yapmak da performans katsayısını arttıran yöntemlerden biridir. Şekil 6 dan da görüldüğü gibi bu yöntemde de bir ısı değiştirici kullanılır. Sistemin performans katsayısı ve ikinci yasa verimleri aşağı - daki ifadelerde olduğu gibi gösterilebilir. q EVA h - h 6 h - h 4 +³h ³h COP KIZ IV = = = COP (3) h - h h - h q EVA e = = COP 0 IV (33)

8 7. ÇOKLU EVAPARAÖR VE/VEYAKOMPRESÖRLERE SAHĐP BĐR BUHAR SIKIŞIRMALI SOĞUMA ÇEVRĐMĐNĐN ENERJĐ VE EKSERJĐ ANALĐZĐ Bazı uygulamalarda, aynı soğutma sistemi içinde farklı sıcaklıklarda birden çok ortamın tek veya çok kompresörle soğutulması gerekebilir. Böyle çok amaçlı bir sistemin performans katsayısı ve ikinci yasa verimleri ise aşağıdaki ifadelerde belirtilen şekli alır. n q EVA,i COP V = (34) i=,i q EVA, q EVA, q EVA,n EVA, EVA, EVA,n e = (35), +, +...+,n n COP V = COP V (36) i= EVA,i 8. SONUÇ Bu çalışmada ideal, iki kademeli, gerçek, aşırı kızdırmalı ve aşırı soğutmalı ile çoklu buharlaştırıcı ve/ve - 3 ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 4, 006 ya kompresörlere sahip buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinde enerji ve ekserji analizleri için kolay kullanılabilir ifadeler bulunmuştur. Bu ifadeler tüm proseslerde ekserji kayıplarının hangi değerlerde olacağının bilinmesi için etkili ve kolay uygulanabilir eşitlikler türetilerek elde edilmiştir. Her soğutma çevrimi tipinde ikinci yasa verimi, Carnot soğutma etkinlik katsayısı ile o çevrimin soğutma etkinlik katsayısının çarpımı şeklinde bulunmuş ve gösterilmiştir. Kaynaklar Çengel, A. Yunus, Boles, A. Michael, Mühendislik Yaklaşımıyla ermodinamik, McGraw- Hill- Literatür, 996, Đstanbul Nikolaidis, C., Probert, D., 'Exergy-method analysis of a two-stage vapour-compreession refrigerationplants performance', Applied Energy, 60, 4-56, 998. Stegou-Sagia, A., Paignigiannis, N., 'Exergy losses in refrigerating systems. A study for performance comparisons in compressor and condenser', International Journal of Energy Research, 7, , 003. Semboller E Kullanılabilirlik (Ekserji) (kj) h Birim akışkan kütlesi için entalpi (kj/kg) q Soğutucu akışkanın birim kütlesi başına transfer edilen ısı (kj/kg) s Birim akışkan kütlesi için entropi (kj/kgk) Sıcaklık (K) w Soğutucu akışkanın birim kütlesi başına harcanan iş (kj/kg) e Đkinci yasa verimi (%) Y Açık sistem akış kullanılabilirliği (ekserji)(kj/kg) Đndisler 0 Referans hali

9 ,, 3,... Proseslerin başlangıç ve bitiş halleri EVA Evaporatör KOMP Kompresör KOND Kondenser KV Kısılma vanası i Birim akışkan kütlesi için tersinmezlik Q Isı W Đş Kısaltmalar COP ek kademeli soğutma çevrimi etkinlik katsayısı COP II Đki kademeli soğutma çevrimi etkinlik katsayısı COP III Aşırı kızdırma yapılan soğutma çevriminin etkinlik katsayısı COP IV Aşırı soğutma yapılan soğutma çevriminin etkinlik katsayısı COP V Çoklu evaparatör ve/veya kompresöre sahip soğutma çevrimi etkinlik katsayısı ESĐSA MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 94, 006 3