GÜNEŞ ENERJİ DESTEKLİ ABSORBSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK İNCELEMESİ

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJİ DESTEKLİ ABSORBSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK İNCELEMESİ AKemal YAKUT Arzu ŞENCAN Reşa SELBAŞ Erkan DİKMEN Bulu GÖRGÜLÜ İhsan DOSTUÇOK Sefer KUTLU ÖZET Günümüzde soğuma sisemlerinin elekrik ükeiminin çok fazla ve enerji maliyelerinin yüksek olmasından dolayı absorbsiyonlusoğuma sisemleri önem kazanmışır Absorbsiyonlu soğuma sisemlerinin ilk yaırım maliyei yüksek olsa da işleme giderlerinin düşük olmasından dolayı diğer soğuma sisemlerine alernaif olarak görülmekedir İşleme giderlerinin düşük olmasından bu çalışmada, akışkan çifi olarak LiBr-su kullanılan bir absorbsiyonlu sisem ile Ispara ilinde 30 kişilik oplanı salonunun iklimlendirilmesi amaçlanmışır Toplanı salonunun iç oram sıcaklığı 25 C olarak kabul edilmişir Dış oram sıcaklığı aylara göre değişim gösermekedir İklimlendirme sisemin aylara göre çalışma şarları ve soğuma yükleri hesaplanmışır Generaör ısı yükü düzlemsel güneş kolekörleri kullanılarak sağlanmışır Düzlemsel güneş kolekörlerinde elde edilen yararlı ısılar ve kolekör verimleri her ay için hesaplanmışır Sonuç olarak, gerekli ısı enerjisini sağlayacak güneş kolekörü sayıları hesaplanmışır Anahar Kelimeler: Soğuma Sisemi, Absorbsiyonlu soğuma, Güneş kolekörü ABSTRACT Nowadays,a lo ofelecriciy consumpionandcoolingsysems,absorpioncoolingsysemshave gained imporancedue o high energycossalhoughhe absorpioncoolingsysems,highiniialinvesmencossdue o lowoperaingcossis seenas an alernaive oohercoolingsysems Operaingexpendiureis lowin his sudy, as apair offluidused inhe LiBr-waer absorpionsysemwihameeingroomfor 30 personsin he province ofonarioair condiioningis aimed Meeinghall,indoor emperaureof 25 Cwas adopedoudooremperaurevariesby monh Aircondiioningsysem,working condiions andcoolingloadsare calculaedby monhs Heaload ofhe generaoris providedusingflasolarcollecors Planarsolarcollecorand hecollecorefficienciesobained from heusefulemperaureswere calculaedfor each monh Asa resul, he numberof solar collecorso providehe necessaryheaenergyis calculaed Key Words:CoolingSysem, absorpioncooling, solarcollecor

2 1 GİRİŞ Günümüzde mevcu fosil yakı rezervlerindeki azalma ve bu yakıların oluşurduğu çevre kirliliği gibi problemler, yeni enerji kaynaklarının araşırılmasını ve bugün kullanılan sisemlerde enerji asarrufuna yönelik çalışmaların yapılmasını zorunlu kılmışır[1] Klasik enerji ürlerinin, sürekli aran bu ihiyacı ileride karşılayamaz duruma geleceği açıkır Bu durumda yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmak oldukça önem kazanmakadır[2] Özellikle elekrik enerjisinin pahalı olmasıaraşırmacıları absorbsiyonlu sisemlere yönlendirmişir[3]enerji maliyelerinin arması ile önem kazanan absorpsiyonlu soğuma sisemlerinde kullanılan aık ısılar soğuma maliyeini düşürmekedir[4]absorbsiyonlu soğuma çevrimlerinin en büyük avanajı düşük sıcaklıklı ısı kaynaklarıyla çalışabilmeleridir Sisemde gerekli olan ısı, güneş, endüsriyel aıklar, jeoermal enerji, buhar veya su kaynaklarından sağlanmakadır[5] Dış enerji kaynağı olarak her ürlü ısı enerjisini kullanabilen absorbsiyonlu soğuma sisemleri, çalışmaları esnasında ek bir enerjiye ihiyaç duymamaları, harekeli parçalarının azlığı nedeniyle sessiz çalışmaları, çok az bakım gerekirmeleri ve sisemde kullanılan akışkanların ozon abakasına zarar vermemeleri gibi pek çok avanajlarından dolayı soğuma ve iklimlendirme uygulamalarında ercih edilmekedirler Mekanik buhar sıkışırmalı soğuma ve iklimlendirme sisemlerinde kullanılan çalışma akışkanlarının ozon abakasına zararlı ekileri ve günümüzde yaşanan enerji darboğazı nedeniyle alernaif sisemler ve özellikle de absorbsiyonlu sisemler büyük bir önem kazanmışır Bugün eknolojik gelişmeler absorbsiyonlu soğumayı buhar sıkışırmalı soğuma çevirimine ekonomik ve verimli bir alernaif yapmışır[6] Yaz aylarında bina içi konfor şarlarının iyileşirilmesine yönelik alep; emel olarak binalarda kullanılan elekrikli araçların sayısının arışı, yeni yapılan binalarda kullanılan cam oranlarının yüksek olması ve dış hava sıcaklıklarındaki yükselmeler nedeniyle gün geçikçe armakadır ve bu konuda yapılan projeksiyonlar soğuma sisemlerine yönelik alebin gelecek yıllarda da giikçe aracağını gösermekedir[7] Konfor şarlarının iyileşirilmesi ve enerji ükeimini minimuma indirmek için bu çalışmada LiBr-su kullanılan absorsiyonlu soğuma sisemiyle Ispara ilinde ouz kişilik oplanı salonunun iklimlendirmesi yapılmışır Yapılan bu çalışmada oramın soğuma yüküne göre sisemdecop (ideal),cop ve verimleri hesaplandı Sisemin enerji ihiyacı güneşen sağlandı ve gerekli kolekör hesaplamaları yapıldı 2 ABSORBSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİ Absorpsiyonlu soğuma sisemi; buhar sıkışırmalı soğuma sisemlerinde soğuucu akışkanın basıncının arırılması amacıyla kullanılan kompresörün yerine, ermal bir mekanizmayla soğuucu akışkanın basıncının arırılması prensibine dayanmakadır Absorpsiyonlu soğuma sisemlerinde kullanılan bu mekanizma ermik sıkışırıcı olarak adlandırılmakadır [7] Genel olarak absorbsiyon prensibi, karşılıklı çözünürlüğü olan maddelerin yüksek sıcaklıklarda daha az, düşük sıcaklıklarda ise daha fazla çözünür olmasıdır Kompresörlü sisemlerde soğuucu akışkan olarak freon gazları kullanılır Absorbsiyonlu sisemlerde ise iki akışkan çifinden oluşan solüsyon, liyum bromür+su ve amonyak+su solüsyonları kullanılır[8] Bunlardan biri liyum bromür-su çifi, liyum bromür absorban, su ise soğuucudur Diğeri ise suamonyak çifi, su absorban amonyak soğuucudur Absorpsiyonlu soğumada absorban sıvı, diğer madde (soğuucu akışkan) ise absorbe edildiğinde gaz fazındadır Karışımdaki absorban oranı yüksek soğuucu oranı düşük ise konsanre veya kuvveli eriyik, absorban oranı düşük soğuucu oranı yüksek ise zayıf eriyik olarak adlandırılır[4] 21 Sisemin Çalışma Prensibi Absorbsiyonlu sisem Şekil 1 de göserildiği gibi buhar sıkışırmalı soğuma sisemine benzemesine karşılık burada kompresörün yerini absorber, sıvı pompası ve generaör almışır Çalışma akışkanının generaörde buharlaşarak eriyiken ayrılması için Q G generaör ısısı verilir Buharlaşan akışkan kondenserde Q K ısısını vererek sıvı hale geçer Yüksek basınça sıvı haldeki çalışma akışkanınınbasıncı düşürülerek evaporaöre gelir ve burada oramdan Q E ısısını alarak buharlaşırakışkanbuharı daha sonra absorbere giderek generaörden gelen zayıf eriyikle birleşerek zengin eriyiği oluşurur Bu sırada absorberden Q A ısısı çekilmelidir Absorberde oluşan zengin eriyik

3 bir sıvı pompası yardımıyla ısı değişiriciden geçirilerek bir mikar ısı alır ve generaöre gönderilir Çevrim böylece devam eder Şekil 1 de görüldüğü gibi absorbsiyonlu sisemde yüksek ve alçak basınç değeri ile kondenser ve absorber sıcaklıkları aynı olmak üzere üç sıcaklık değeri vardır [9] KONDENSER 7 GENERATÖR EŞANJÖR GENLEŞME VANASI 9 GEN VAN 10 EVAPORATÖR ABSORBER POMPA Şekil 1 Liyum bromür-su eriyikli ek kademeli absorbsiyonlu soğuma çevrimi Sekil 2 Absorbsiyonlu soğuma sisemini şemaik göserimi[5] 22 Absorbsiyonlu Soğuucu Sisem Elemanları Eriyik pompası: Zengin eriyiğin absorberden ısı değişirgecine ileilmesini sağlamakır Genellikle kapalı ip pompalar seçilmekedirgeneraör: Boyler veya kaynaıcı olarak a adlandırılmakadır

4 Generaörde verilen ısı ile soğukan, zengin eriyiken ayrışırılmakadırkondenser: Sisemin asarımına uygun olarak su veya hava soğumalı olabilirler Generaörden gelen soğukan buharının sıcaklığını düşürerek yoğuşmasını sağlamakadırevaporaör: Sıvı soğukanın oram ısısını alarak buharlaşığı kısımdır Absorbsiyonlu soğuma siseminde genellikle karşı akımlı olarak asarımlanmakadırabsorber: Dış görünümü ile kondensere benzemekle beraber iç kısmı iyi bir karışım sağlayacak şekilde bir veya daha fazla sayıda üs üse levhalardan oluşmakadırisı değişirici: Ön ısııcı ve ön soğuucu olmak üzere iki ade ısı değişirici kullanılabilir Genellikle karşı akımlıdırlargenleşme valfı: Biri soğukan eriyiğin diğeri ise zayıf eriyiğin basıncını düşürmek için kullanılmakadırsoğukan çifleri: Absorbsiyonlu soğuma sisemlerinde farklı çalışma akışkanları kullanılmakadır Bunlar Amonyak-Kalsiyum Klorid, Amonyak-Su, Liyum Bromür-Su, Amonyak-Liyum Nira, R21-Glycoleer, Amonyak-Sodyum Thicynae[10] 3 ABSORBSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİNİN TASARIMI Bu çalışmada, absorbsiyonlu soğuma sisemi iklimlendirme amaçlı kullanılmış vesisem Ispara ilinde 30 kişilik oplanı salonuna kurulmuşur Toplanı salonununiç oram sıcaklığı 25 C, alanı 85m 2 ve ısı kaybı 20 kwdırbu verilere göre, sisem elemanlarının ısı yükleri hesaplanmış ve generaör ısı yükü ihiyacına görekolekör hesaplamaları yapılışır (Sisemin ısı yükü hesabı şekil 1 göre yapılmışır) 31 Sisem Elemanlarının Isı Yükü Hesabı Generaör Isı Yükü: Q g m 4 h4 m7 h7 m3 h3 Kondenser Isı Yükü: Q k m 7 h 7 h Absorber Isı Yükü: Q a m 8 6 h6 m10 h10 m1 h1 Evaporaör Isı Yükü: Q e m 9 h 10 h Isı Değişiricisi Isı Yükü: Q ıd m 4 9 h h m h h 4 Sisemin Performans Kasayısı: 5 (COP) ideal = T e (T g T a ) / T g (T a T e ) COP = Q e / Q g Sisemin Soğuma Ekisi (verimi): η r = COP/(COP) ideal 32 Güneşen Faydalanma Oranın Hesabı Toplam radyasyon mikarı: TRA=DİR*DİRAF+DİF*DİFAF+YYRA* YAO*YAF

5 Kolekörün absorbe eiği enerji: abs * I * 1 f * f 1 c g d c p 1 (1 ) p c Kolekördeki ısıl kayıplar: L u L p a Kolekörde oplam faydalı enerji: u abs Kolekör verimi: I 0 0 u u I d L (Anlık verim) d (oplam verim) Q Gerekli oplam kolekör yüzeyi: Fk gerekli faydalı SONUÇ Bu çalışmadasoğuma sisemlerinin elekrik ükeiminin çok fazla ve enerji maliyelerinin yüksek olmasından dolayı emiz ve yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi desekli absorbsiyonlu soğuma uygulamasıylaispara ilinde ouz kişilik oplanı salonun iklimlendirmesi incelenmişir Sisem oplanı salonun ısı yüküne ve Ispara nın meeorolojik verilerinegöre asarlanmış, sisemin her bir nokasındaki basınç, enalpi, külesel debi ve konsanrasyondeğerleri hesaplanmışır Soğuma çevriminde generaör sıcaklığı 85 C kabul edilmiş veliyum bromür-su akışkan çifi kullanılmışırabsorbsiyonlu soğuma siseminin sıcaklık, basınç ve konsanrasyon değerleri ablo 1 de göserilmişir

6 Tablo 1 LiBr-H 2 O eriyiğinin sıcaklık-basınç-konsanrasyon değerleri Durum Basınç Sıcaklık Konsanrasyon Enalpi (kj/kg) Külesel Debi (kpa) ( C) LiBr (%) (kg/s) 1 2, ,09 2 9, ,09 3 9, ,5 0,09 4 9, , , , , , , ,9 0, , ,45 0, , ,45 0, , ,009 m 1 =m 2 =m 3, m 4 =m 5 =m 6, m 7 =m 8 =m 9 =m 10 Cop (ideal) =1,31 Cop=0,75 Q gen= 268kw Q kon= -22,17 kwq abs= 25,77kw Sisemin verimi: η=0,57 =%57 Q gen= 268kw Q evp= 20 kw Generaör için gerekli ısı enerjisi düzlemsel güneş kolekörleri ile karşılanmışır Kolekör boyuları için gerekli hesaplamalar yapılmış ve Tablo 2 de aylara göre enerji ve oplayıcı alanı göserilmişir Bir ade kolekörün alanı 2 m 2 seçilmişir Güneş ışınım şiddei (I) 2009 yılı meeoroloji verilerinden alınmışır Tablo 2 Kolekör için radyasyon, enerji ve verim değerleri Aylar Toplamrad yasyon mikarı (TRA) (W/m 2 ) Güneş ışınım şiddei (I)W/m 2 Kolekör de absorbe edilen enerji ( abs ) (W/m 2 ) Kolekör ısıl kayıpları ( l ) (W/m 2 ) Faydalı enerji ( u ) (W/m 2 ) Kolekör verimi % Gerekli kolekör yüzeyi (m 2 ) Kolekör adei Mayıs ,3 719,6 259,50 460, ,52 10 Haziran ,2 625,5 241,95 383, ,92 10 Temmuz ,6 603,1 229,63 373, ,83 10 Ağusos ,3 552,1 231,12 320, ,07 11 Eylül ,7 499,2 248,67 250, ,77 14

7 KAYNAKLAR [1] ŞENCAN, A, Aık Isı ile Çalışan AbsorbsiyonluSisemlerin Modellemesi, Ekserji Analizi ve Opimizasyonu Dokora Tezi Süleyman Demirel üniversiesi, Fen Bilimleri Ensiüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, s1, Ispara, 2004 [2] ATMACA,İ,YİĞİT,A, Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorpsiyonlu Soğuma Siseminin Simülasyonu DEÜ Mühendislik Fakülesi Fen Ve Mühendislik Dergisi C4, S 3, s , 2002 [3] SOLUM, C, KOÇ,İ, ALTUNTAŞ,Y, Çif Ekili Libr-H 2 oakışkanlıabsorpsiyonlu Soğuma Siseminde Termodinamiksel Büyüklüklerin Sisem Performansına Ekileri Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi C5,s1, 19-26, 2011 [4] YALÇIN,E,KAVAKLI,A, Absorbsiyonlu soğuma sisemleri ile egzoz gazı aık ısısından faydalanarak oobüs kliması sisemleri için kaynaıcı asarımı BAÜ, FBE Dergisi,C12, S1, s , 2010 [5] TETİK, KÖ, Li-Br / Su İle Çalışan GüneşEnerjili İklimlendirme Sisemi Ve Bir Uygulama Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversiesi, Fen Bilimleri Ensiüsü, MakineMühendisliği Anabilim Dalı,s1-2,34, İsanbul, 2006 [6] BABADAĞLI,A, Absorbsiyonlu Soğuma Sisemlerinin Termoekonomik Opimizasyonu Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversiesi, Fen Bilimleri Ensiüsü, Makine Eğiim Anabilim Dalı, s1-3, Ispara, 2005 [7] GORALI,E, Güneş Enerjili Absorpsiyonlu Soğuma Sisemi Yüksek Lisans Tezi, İsanbul Teknik Üniversiesi, Enerji Ensiüsü s1-2,14, İsanbul, 2007 [8] İNCİLİ,V, Jeoermal Enerji İle Absorbsiyonlu Soğuma Siseminin Aydın İli Salavalı Jeoermal Bölgesinde Kullanılabilirliğinin Araşırılması Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversiesi, Fen Bilimleri Ensiüsü, Makine Eğiim Anabilim Dalı, s7-8, Ankara, 2006 [9] ŞENCAN,A,SELBAŞ,R,YAKUT,AK, Su/Liyum Bromid Ve Üçlü Hidroksi Karışımlarıyla Çalışan Absorbsiyonlu Sisemlerin Performanslarının Karşılaşırılması Teknoloji, Yıl 5, s3-4, 8, 2002 [10] YAKUT,AK, KILIÇ,B, ÇIRAK,B, SELBAŞ,R, ŞENCAN,A, Güneş Enerjili Bir İklimlendirme Siseminin Tasarımı ve Uygulaması ULIBTK Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, KAYSERİ, 2007, SEMBOL LİSTESİ DİR=Direk radyasyon mikarı DİRAF= Direk radyasyon açı fakörü DİF=Difizyon mikarı DİFAF=Difüz radyasyon açı fakörü YYRA=Yeryüzü radyosyon mikarı YAO=Yansıma oranı YAF=yansıılmış açı fakörü m= Külesel debi (kg/s) h= Enalpi (kj/kg) c cam ve plakanın geçirme ve yuma oranı =camın geçirme oranı α p= plakanın yuma oranı ρ c =geri yansıma oranı f g =gölgeleme fakörü f d =Tozlanma fakörü u l =Toplam ısı geçiş kasayısı p =plaka sıcaklığı ç =çevre sıcaklığı ÖZGEÇMİŞ Ali Kemal YAKUT 1956 Maçka doğumludur 1978 yılında KTÜ Makine-Elekrik Fakülesi Makine Bölümünde Lisans öğrenimini amamladı 1983 yılında Dokuz Eylül Üniversiesi Mühendislik Fakülesi Makine

8 Mühendisliği Bölümünde Yüksek Lisans öğrenimini ve 1987 yılında İTÜ Fen Bilimleri Ensiüsü Makine Anabilim Dalında Dokora öğrenimini amamladı 1996 yılında Doçenlik ünvanını, 2002 yılında Profesör ünvanını alarak halen SDÜ Teknik Eğiim Fakülesi Makine Eğiimi Bölüm Başkanı ve öğreim üyesi olarak çalışmakadır Arzu ŞENCAN ŞAHİN 1975 yılında Manisa da doğdu 1996 yılında Süleyman Demirel Üniversiesi, Mühendislik Mimarlık Fakülesi, Makine Mühendisliği bölümünden mezun oldu 1999 yılında Süleyman Demirel Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalında yüksek lisansını, 2004 yılında dokorasını amamladı Halen Süleyman Demirel Üniversiesi, Teknik Eğiim Fakülesi Makine Eğiimi Bölümünde Doç Dr olarak görev yapmakadır Reşa SELBAŞ 1963 Ispara doğumludur Lisans ve yüksek lisansını Akdeniz Üniversiesi, Mühendislik Fakülesi nde amamlamışır Yüksek lisansında Aık Isı Geri Kazanımı üzerine çalışmışır Dokora çalışmasını Süleyman Demirel Üniversiesi nde Akışkan Yaaklı Kuruma üzerine yaparak dokor ünvanını almışır Daha sonra Süleyman Demirel Üniversiesi, Teknoloji Fakülesi, Enerji Sisemleri Mühendisliği nde doçen ünvanını almışır Çalışma konuları; iklimlendirme sisemleri, güneş enerjisi, soğuma sisemleri, güç çevrimleri vs dir Halen Süleyman Demirel Üniversiesi, Teknoloji Fakülesi, Enerji Sisemleri Mühendisliği Bölümü nde öğreim üyesi olarak çalışmakadır İngilizce ve Almanca bilmekedir Evli ve bir çocuk babasıdır Erkan DİKMEN 1977 yılında Analya da doğmuşur 1999 yılında Süleyman Demirel Üni, Tek Eğ, Fak, Tesisa Öğremenliği Bölümü nden mezun oldu 2003 yılında aynı üniversiede Fen Bil Ens Makine Eğiimi ana bilim dalında yüksek lisansını ve 2010yılında aynı ensiüde Makine Müh Ana bilim dalında dokorayı amamladı Halen Süleyman Demirel Üniversiesi Teknik Eğiim Fakülesi nde Araşırma Görevlisi olarak çalışmakadır Bulu GÖRGÜLÜ 1987 Balıkesir de doğdu İlk ve ora öğrenimini Balıkesirde amamladı 2010 yılında SDÜ Teknik eğiim fakülesi makine eğiim esisa öğremenliği bölümüden mezun oldu 2010 yılında aynı üniversede makine eğiim bölümünden yüksek lisansa başladı ve halen devam emeke İhsan DOSTUÇOK 1982 yılında Manisa da doğmuşur 2007 yılında Süleyman Demirel Üniversiesi Teknik Eğiim Fakülesi Tesisa Öğremenliği Bölümü nden mezun oldu 2001 yılında Süleyman Demirel Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Makine Eğiimi Ana Bilim Dalında yüksek lisansa başladı2011 yılında Teknoloji Fakülesi Enerji Sisemleri Mühendisliği Anabilim Dalına yaay geçiş yapı Halen Süleyman Demirel Üniversiesi Keçiborlu Meslek Yüksekokulunda Elekrik ve Enerji Bölümünde Öğreim Görevlisi olarak devam emekedir Sefer KUTLU 1968 yılında Ispara da doğmuşur1992 yılında Gazi Üniversiesi Teknik Eğiim Fakülesi Elekrik Öğremenliği Bölümü nden mezun oldu 2001 yılında Süleyman Demirel Üniversiesi Fen Bilimleri Ensiüsü Makine Eğiimi Ana Bilim Dalında yüksek lisansa bii Halen Süleyman Demirel Üniversiesi Keçiborlu Meslek Yüksekokulunda Elekrik ve Enerji Bölümünde Öğreim Görevlisi olarak devam emekedir