DÜŞÜK SICAKLIKTA ISI KAYNAĞI KULLANAN BİR ABSORBSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİNİN TERMOEKONOMİK OPTİMİZASYONU

Transkript

1 Isı Bilimi ve eniği Dergisi, 33, 2, , 2013 J. of hermal Siene and ehnology 2013 IBD Printed in urey ISSN DÜŞÜK SICAKLIKA ISI KAYNAĞI KULLANAN BİR ABSORBSİYONLU SOĞUMA SİSEMİNİN ERMOEKONOMİK OPİMİZASYONU Erdal YILDIRIM* ve Bülent YEŞİLAA** *Harran Üniversitesi Ceylanpınar Mesle Yüse Oulu, Şanlıurfa, **Harran Üniversitesi Mühendisli Faültesi Maine Mühendisliği Bölümü, Şanlıurfa, (Geliş arihi: Kabul arihi: ) Özet: Bu çalışmada düşü sıalıta ısı aynağı ullanan, absorbsiyonlu bir soğutuunun, termoeonomi analizi ve timizasyonu Yapısal Bağ Katsayıları Yöntemi ullanılara gerçeleştirilmiştir. ermoeonomi timizasyon sonuunda sistemde ullanılan buharlaştırıı, absorber, yoğuşturuu ve jeneratör için timum ısı transfer alanları hesaplanmıştır. Bu sayede sistemin tlam tersinmezliği, il durumuna ıyasla, % 72,5 azaltılmıştır. Sistem için gereli e yatırım maliyetinin geri ödeme süresi ise 4,2 yıl olara bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: ermoeonomi analiz, Yapısal bağ atsayısı, Absorbsiyonlu soğutma HERMOECONOMIC OPIMIZAION OF AN ABSORPION SYSEM USING HEA SOURCE A RELAIVELY LOW EMPERAURE Abstrat: In this study, thermo-eonomi analysis and timization of an absorption system using heat soure at relatively low temperature are performed, by the method of Coeffiient of Strutural Bonds. As a result of the thermoeonomi timization, the timum heat transfer areas are alulated for the evaporator, absorber, ondenser and generator. he total irreversibility of the system as ompared to the original design ase is redued by 72.5 %. he payba period of the extra investment required by the timization is found to be 4.2 years. Keywords: hermoeonomi analysis, Strutural oeffiient, Absorption hiller SEMBOLLER Sermaye iyileştirme fatörü Diğer maliyetler [L] Çevre sıalığı [K] ersinmezli [W] C Maliyet [L] C* Maliyet parametresi [J/L] X Sistem parametresi t Yıllı çalışma süresi [yıl] g Giren eserjinin birim maliyeti [L/J] Isı transfer mitarı [W] a b 0 A Alan [m 2 ] Yapısal bağ atsayısı β Yatırım fiyat atsayısı [L/W] Altsimge ID J Y B A Sistemin elemanı Isı değiştirii Jeneratör Yoğuşturuu Buharlaştırıı Absorber GİRİŞ Günümüzde tenolojinin insanların ullanımına sunduğu eletri enerjisine bağımlı ihaz ve mainelerin çeşit ve sayılarının hızlı artışı, tüm dünyada eletri enerjisi tüetimini iddi seviyelerde arttırmıştır. Eletri enerjisinin eldesinde ullanılan yöntemlerin yeterine eonomi olmaması ve bu yöntemlerin önemli bir ısmının tüenmeye yüz tutmuş lasi yaıtlarla gerçeleştirilmesi tüetiilerin önemli mitarlarda enerji faturası ödemesine sebep olmatadır. Enerji bedellerinin artmasına neden olan en önemli fatörlerden biri de; tüetiiye sunulan eletrili mainelerin dizaynlarında, sadee il yatırım maliyetini düşürmeye yöneli ısa vadeli analizlerin diate alınması olmatadır. İnsanların tlu olara yaşadıları binalarda (ev, işyeri, oul, hastane gibi) gereli yaşam ve onfor oşullarını sağlama için ullanılan ve büyü oranda enerji tüeten maine ve sistemlerin (ısıtma, soğutma, ilimlendirme, gıda maddesi muhafazası gibi) tümü gerçete termodinami prensiplere bağlı olara çalışmatadırlar. Sözü edilen bu sistemlerin birçoğunun dizaynı, firmalar tarafından sistemin çalışma parametreleri ile ilgili yapılan deneylere dayanara yapılmatadır. üetiiye önerilen apasite ise sözü edilen yalaşımlar sonrasında

2 azanılan terübeler doğrultusunda belirlenmetedir. Bu durumda genellile gereğinden büyü apasitelerde seçilen sistemler tüetiiyi yüse enerji bedeli ödemeye zorunlu ılmatadır. Daha da önemlisi, ömert enerji tüetimi lasi enerji aynalarının tüenme süreini de hızla arttırmatadır. Bu durum tüm üleler için geleete önemli bir tehdit olmala birlite, ithal enerjiye yüse oranda bağımlı ülemiz eonomisini ve enerji arz güvenliğini hali hazırda bile zorlamatadır. Yuarıda sözü edilen enerji sorunlarının çözümüne yöneli olara son yıllarda yaygın olara ullanılan termodinami ve eonomi avramlarının birlite sentez edildiği ermoeonomi Analiz ve Optimizasyon onusu; günümüzde Enerji Verimliliği alanında yapılan çalışmalara da bilimsel bir temel teşil etmetedir. ermoeonomi analiz; maine ve sistem bileşenlerinin enerji ve maliyet bilançosunu, maine ömrünü de diate alara, uzun yıllar bazında değerlendirme olanağı yaratmatadır. Bu sayede; sistemin il yatırım, işletme (eletri) ve baım onarım gibi masraflarının tümüne, çalışma parametrelerinin nasıl eti ettiği değerlendirilebilmetedir. Ayrıa sistemin tlam maliyetini minimuma indiree dizayn oşulları da ermoeonomi Optimizasyon prensipleri çerçevesinde belirlenebilmetedir (Yeşilata vd, 2003). Burada vurgulanması gereen en önemli husus, termoeonomi olara timum olan bir çözümün; gerçete termodinamisel açıdan masimum performans anlamına gelmeyeeği bilinmelidir. Bu durum günümüzde enerji timum avramı yerine enerji verimliliği avramının ullanılması ineliğini de beraberinde getirmiştir. Maliyet unsurunun, bir bina dış duvarında ısı transferini ihmal edee düzeye indiree yalıtım alınlığı seçimini sınırlaması, bu doğrultuda verilebilee örnelerden biridir. ermodinami ve eonomi avramlarının birlite sentez edilmesi firinin ortaya atılması 1980 li yılların başına uzanmasına arşın, enerji sistemlerinin termoeonomi analizinde iddi seviyede gelişmeler 2000 li yıllardan itibaren sağlanmıştır. Başlangıçta soğutma mainesi ve ısı pompası sistemleri gibi nispeten basit çevrimler yoğun olara çalışılmata ien; son yıllarda daha armaşı çevrimlere yönelme başlamıştır. Bu apsamda en çarpıı örnelerden birisi de absorbsiyonlu soğutma sistemleridir. Bu tür sistemler; atı ya da yenilenebilir enerji (özellile güneş enerjisi) aynalı ısı ullanılara çalıştırılabilmesi ve başarılı tiari uygulama örnelerinden sonra, daha fazla ilgi çemeye başlamıştır. Ülemizde bir turizm tesisinde (İber Otel; urulu güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; bu başarılı uygulama örnelerinden sadee biridir. Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin termoeonomi analizi apsamında; çevrim aışanı olara Li-Br/su;, timizasyon yöntemi olara ise Yapısal Bağ Katsayıları (YBK) yöntemi ağırlılı olara ullanılmıştır. (Misra vd, 2005), (Kızılan vd, 2007), ve (Gebreslassie vd, 2010) yapılan çalışmalar, bu apsamda ön plana çıan araştırmalar arasındadır. (Misra vd, 2005); sistemdei tersinmezlileri amaç parametresi olara ele alara; 201,29 W buharlaştırıı apasitesindei bir sistemde %47,2 oranında tersinmezli azaltılmasının arşılığı olara, sistem il yatırım maliyetindei %33,3 artışı timum nota olara belirlemiştir. (Kızılan vd, 2007), tlam ısı değiştirii alanını minimize etme amaıyla; tersinmezlile sıalı arasındai ilişiyi ve maliyete etisi inelemiştir. (Gebreslassie vd, 2010); sistemdei ısı değiştiriisi alanını amaç parametresi olara ele alara; yapısal bağ atsayılar yönteminden türetilen armaşı denlemleri orijinal bir yalaşımla basit ve olay yönetilebilir yalaşı denlemlere indirgemiş ve timum ısı değiştirgei alanının bulunabileeği analiti bağıntılar önermiştir. (Boer vd,2005) ise; YBK ullanmala birlite, aışan olara amonya-su ullanan bir çevrimi inelemiştir. Amaç parametresi olara ısı değiştirgei alanı (A) yerine, amonya-su içeren çevrimlerde tlam ısı transfer atsayısını da içeren UA parametresinin birlite diate alınmasının daha uygun olaağını belirlemişlerdir. Bu çalışmada; Li-Br/su aışanlı çevrim ve YBK yöntemi ullanılara termoeonomi analiz gerçeleştirilmiş olup; amaç parametresi olara ısı değiştirgei alanı seçilmiştir. Yapısal Bağ Katsayılar (YBK) yöntemi, yuarıda bahsedildiği üzere; daha öne yayınlanan bazı çalışmalarda uygulanmış olmala birlite, (Yeşilata, 2005; Yeşilata ve Ertür, 2006) tarafından daha ullanışlı ve daha basit bir denlem sistemine indirgenmiştir. Bu çalışmada sözü edilen denlem sistemi; Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi ne uyarlanara, termoeonomi timizasyon gerçeleştirilmiştir. Gerçeleştirilen analizlerin; düşü sıalıta (<100 ) ısı aynağı ullanımını öngörmesi sebebiyle; elde edilen sonuçların düz yüzeyli güneş oletörü(örneğin vaum borulu) ile entegre edilmiş sistemlere uyarlanması mümün olabileetir. MAERYAL VE MEO YBK Yöntemi ile ermoeonomi Optimizasyon YBK ile termoeonomi analiz metodunda amaç; absorbsiyonlu soğutma sistemini oluşturan her bir eipmanın maliyetini diret olara etileyen parametre (örneğin jeneratör ya daabsorber için ısı transfer yüzeyi ya da etenli) yardımıyla tüm sistem maliyetini minimum yapaa tasarım oşullarını belirlemetir. Optimizasyon sırasında maliyetin minimum yapılması, tlam tersinmezliğin minimuma indirilmesi hedefi ile sağlanmatadır. ersinmezli ve maliyet arasındai ilişiden yararlanara timum eipman parametresinin tespitine ilişin şemati grafi Şeil 1 de gösterilmetedir. Grafite X göz önüne alınan eipmanın tersinmezliği (I =f(x )) ile diret ilişili parametreyi, C =f(x ) eipman maliyetini ve C * ise eipman maliyetinin, sistem ömrü, 112

3 a tc l C (7) olara elde edilir. Bu son denlem yardımıyla Şeil 1 de belirtilen maliyet parametresi için, Şeil 1. YBK yöntemi ile timum eipman parametresinin tespiti. yıllı çalışma süresi ve diğer eipmanların maliyetlerinden etilenme dereesini gösteren bir atsayıdır. Bu atsayının türetimi ve timizasyon adımlarının anlaşılması açısından; göz önüne alınan bir sistem için tlam maliyeti (işletme maliyeti + sermaye maliyeti + diğer maliyetler) ifade eden, C X t C E X a C X g g n j1 j b denlemine sistemin tlam tersinmezliğini veren I X Eg X Eç (1) (2) eşitli yerleştirilditen sonra diferansiyeli alınırsa, C t C g I X a n j1 C X j (3) denlemi elde edilir. Yapısal bağ atsayıları olara tanımlanan n n C j C j X j ; C X / / I j j I j / X j I / X 1 1 l (4) denlemleri yardımıyla birim tersinmezli maliyetini gösteren, l a C Cg (5) t yeni bir maliyet parametresi elde edilebilir. Bu sayede (3) denlemi yapısal bağ atsayılarının fonsiyonu olara, C l C tc a (6) şelinde ifade edilebilir.herbir eipman ve onun maliyetini diret etileyen parametrenin genel timizasyon denlemi (6) denleminin sıfır değerine eşitlenmesiyle, a C * (8) l tc denleminin geçerli olduğu olaylıla görülebilmetedir. (1-8) numaralı denlemlerde; C sistemin yıllı tlam maliyeti, E g giren eserji değeri, E ç çıan eserji değeri, a sermaye iyileştirme fatörü, b timizasyondan etilenmeyen yıllı sabit maliyeti,c g giren eserjinin birim maliyeti, t yıllı çalışma süresi, C C sermaye maliyeti, σ yapısal bağ l atsayısı, β yatırım fiyat atsayısı ve C ise tersinmezliğin birim maliyeti değerlerini ifade etmetedir. YBK yönteminin temel adımlarını gösterme amaıyla bu çalışmada LiBr-Su Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi seçilmiş olup, çalışma prensibi Şeil 2 de gösterilmiştir. Dört temel bileşenden oluşan bu sistemde her bir eipman için genel timizasyon denlemi olan (7) numaralı denlem yeniden düzenlenirse; X Cgt a C h ( C X ) (9) X h Ci X C i j X j X h X i X j eşitliği elde edilir. Eşitli eipmanına (örneğin buharlaştırıı) ait timizasyon eşitliği olup, X timize edilee parametreyi (örneğin buharlaştırıı alanı) temsil etmetedir. Diğer eipmanlar (örneğin yoğuşturuu, jeneratör veya absorber) ise h, i ve j gibi indisler ile gösterilmete olup, hangi sırada ele alınaaları önemli değildir. Bu şartlarda sistemin tümden timizasyonu için dört bilinmeyenli dört denlem söz onusu olaatır. (9) nolu denlemde bulunan σ tanımından yararlanara elde edilen, X Cgt a C h ( C X ) (10) X h Ci X C i j X j X h X i X j denlemi ile de aynı analizin daha az işlem yüü ile yapılması mümündür. Eipmanların ve sistemin tlam tersinmezlilerinin hesabında ise; açı sistemlere ait ermodinamiğin II. Kanunu ifadesinde ineti ve potansiyel enerjilerin ihmal edilmesiyle elde edilen denlemler ullanılabilmetedir. Belirtilen şartlarda Şeil 2 de gösterilen sistem için elde edilen tlam tersinmezli denlemi aşağıda verilmiştir: (11) 113

4 Li-BrAbsorbsiyonlu Soğutma Sistemi (ASS) asarım Parametreleri Şeil 2 de gösterilen Li-Br/Su ASS nde; su soğutuu aışan, Li-Br ise soğurgan olara ullanılmatadır. Çalışma prensibi ısaa şu şeildedir: Yoğuşturuu Giriş-Çıış su sıalığı Jeneratör Giriş-Çıış su sıalığı Absorber Giriş-Çıış su sıalığı Sistem Ömrü Çevre Koşuları C C C 10 yıl 30 C ve 1 atm Su oranı daha yoğun çözelti Absorberden çıar (1) ve bir pompa (2) ile jeneratör basınına yüseltilir. Jeneratöre ısı girişiyle bu çözeltidei su buharlaştırılır ve jeneratörden çıar (7), Su oranı daha az olan çözelti (4) jeneratörden çıar ve bir genleşme valfiyle Absorber basınına düşürülür (6). Jeneratörü ter eden su buharı (7) soğutma suyu vasıtasıyla yoğuşur (8), bir genleşme valfi ile buharlaştırıı basınına düşürülür (9), buharlaştırııda ısı alara buharlaşan su (10) Absorberdei su oranı daha az LiBr çözeltisi tarafından soğurulur. Bu çalışmada söz onusu sistem için seçilen çalışma parametreleri ablo 1 de verilmiş olup, tasarım notaları ise Şeil 3 te gösterilmiştir. ablo 1. LiBr-Su Absorpsiyonlu Soğutuunun asarım Değerleri Buharlaştırıı Kapasitesi Q B =15 W Buharlaştırıı Sıalığı B = 5 C Jeneratör Çözelti Giriş Sıalığı 3 =60 C Jeneratör Çözelti Çıış Sıalığı 4 =77,96 C Absorber sıalığı A =36,33 C Yoğuşturuu sıalığı Y =32,9 C Jeneratör Sıalığı J =73 C Buharlaştırııya Giriş-Çıış su sıalığı C SAYISAL SONUÇLAR VE ARIŞMA Önelile Li-Br/Su ASS tasarım parametreleri esas alınara grafisel ve analiti hesaplamalar yapılmış ve sistemin her bir notasında termodinami özellileri gösteren sonuçlar ablo 2 de sunulmuştur. Belirlenen bu termodinami özelliler yardımıyla, her bir eipmana yöneli tersinmezli değerlerinin belirlenmesi mümün olabilmetedir. Diğer taraftan sistemin maliyet ve çalışma süresi ile ilgili bazı parametrelerin seçimi ve hesabı da gerelidir. Bu çalışmada; yıllı çalışma süresi ( ve giren eserjinin (eletri) birim maliyeti ( olara sırasıyla, 3000 saat/yıl ve değerleri ullanılmıştır. Optimizasyon parametresi olara ısı transfer alanları diate alınmıştır. Bayındırlı ve İsan Baanlığı İnşaat ve esisat analiz 2010 birim fiyatlarından ısı değiştirii maliyetlerinin (L) yüzey alanı (m 2 ) ile değişiminden elde edilen maliyet denlemi; (12) Şeil 2 de gösterilen sistemdei tüm temel ısı değiştirgeçlerine (Absorber, yoğuşturuu, buharlaştırıı ve jeneratör) aynı şeilde uygulanmıştır. Şeil 2. LiBr-Su Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi şemati gösterimi. 114

5 ablo 2. LiBr-Su Absorbsiyonlu Soğutma Sistemine ait belirli notaların analiz sonuu Nota ( C) P (Pa) LiBr Oranı (%) h(j/g) (g/s) 1 36,33 0, ,93 0, , ,93 0, ,36 0, , ,78 0, , ,27 0, ,12 0, ,27 0, ,8 0, , ,77 0, , ,77 0, , ,4 0, Şeil 3. Dühring Çizelgesinde LiBr-Su Absorpsiyon Çevrimi asarım Değerleri Optimizasyon denlemlerinde ullanılan yapısal bağ atsayıları hesaplanıren; timizasyon parametresine bağlı olara, sistemin tlam tersinmezliği ile söz onusu eipman tersinmezliği arasındai değişim diate alınmatadır. Bu değişimler ile her bir eipman için hesaplanan yapısal bağ atsayılarının değerleri Şeil 4 te gösterilmiştir. YBK değerlerinin birden büyü olması eipmandai eserji aybını azaltara, diğer sistem bileşenlerini olumlu yönde etilemetedir. Dolayısıyla tüm sistemin veriminin artmasında etili olmatadır (Kotas ve Kibiiyo, 1989) Şeil 4.Absorber, buharlaştırıı, jeneratör ve yoğuşturuu için yapısal bağ atsayılarının belirlenmesi. 115

6 Göz önüne alınan sisteme ait her bir bileşen için Şeil 1 de açılanan yalaşımla gerçeleştirilen timizasyon grafileri Şeil 5 te gösterilmiştir. Maliyet ve tersinmezli arasındai ilişiden yararlanılara, eğrilerin esiştiği nota vasıtasıyla timum ısı transfer alanları tespit edilebilmiştir. Bulunan sonuçlar ile termoeonomi timizasyon sonrası elde edilen değerler ile tasarım başlangıç değerleri arasında yapılan ıyaslama ablo 4 te verilmiştir. ablodan görüleeği üzere; timizasyon sonrası sistemin tlam tersinmezliği %72,5 azaltılmıştır. Bununla birlite timizasyon sonrası ısı transfer yüzeyleri büyüdüğünden, sistemin il yatırım maliyeti artmıştır. Sisteme giren eserjide sağlanan 5,25 W lı tasarruf; sistemin yıllı çalışma süresi ve eserji maliyeti diate alındığında, yıllı 3152 L enerji tasarrufuna atı sağlamatadır. Elde edilen bu tasarruf ile yüzey büyümesinden aynalı ilave yatırımın 4,2 yılda geri ödenebildiği sonuuna ulaşılmatadır. Şeil 5. Absorber, buharlaştırıı, jeneratör ve yoğuşturuu için timum ısı transfer alanlarının grafi çözümü. ablo 4.asarım Başlangıç Değerleri ersinmezli(w) Sıalı( C) Alan (m 2 ) Jeneratör 0, ,6223 Yoğuşturuu 0, ,9 0,9437 Buharlaştırıı 0, ,241 Absorber 0, ,33 4,816 Optimizasyon Sonrası Değerler ersinmezli(w) Sıalı( C) Alan (m 2 ) Jeneratör 0, ,08 6,214 Yoğuşturuu 0, ,52 4,034 Buharlaştırıı 0,272 10,6 19,14 Absorber 0, ,86 14,05 lam ersinmezlitei Azalma lam Eserji Girişindei asarruf Optimizasyon Sonrası Gereli E Yatırım Maliyeti Yıllı Yaıt Maliyeti asarrufu Geri Ödeme Süresi 1,33W 5,25 W L L 4,2 yıl 116

7 BULGULAR Bu çalışmada, düşü sıalıta ısı aynağına ihtiyaç duyan bir Li-Br/Su ASS için Yapısal Bağ Katsayılar (YBK) yöntemi ile termoeonomi timizasyonu yapılmıştır. Sisteme aittemel eipmanların (ısı değiştirgeçlerinin) termodinami ve maliyet parametreleri ile timumısı transferyüzeyi arasındai fonsiyonel ilişi belirlenmiştir. Optimize edilmiş sistemle, tlam tersinmezli başlangıçtai tasarıma ıyasla %72,5 azaltılmıştır. Optimizasyon sistemdei ısı transfer yüzey alanının artması ile sonuçlandığından il yatırım masrafını arttırmış; ana tersinmezlitei iddi düşüş ile il yatırıma elenee ilave tutarın 4.2 yıl gibi ısa sürede geri dönüşünün mümün olabileeği belirlenmiştir. Klasi enerji fiyatlarının süreli artma trendi nedeniyle, geleete yatırımın geri dönüş süresinde azalma olasılığı olduça yüsetir. Söz onusu sistemin ısı aynağı olara düz yüzeyli (terihen vaum borulu) güneş oletörü ullanılara çalıştırılması gibi bir avantajı da söz onusudur. Bu doğrultuda gün içinde ya da uygun termal depolama ilavesiyle tüm saatlerde ullanımına yöneli termoeonomi analizlerin yapılması faydalı olaatır. KAYNAKLAR Boer, D., Medrano, M., Nogués M., 2005, Exergy and Strutural Analysis of an Absorption Cooling Cyle and the Effet of Effiieny Parameters, Int. J. of hermodynamis 8, Kızılan, Ö., Şenan, A.,. Kalogirou, S. A., 2007, hermoeonomi timization of a LiBr absorption refrigeration system, Chemial Engineering and Proessing 46, Kotas,.J., Kibiiyo, D. S., 1989, hermoeonomi timization of a ventilation air heater in a ba pressure ombined heat and power plant, Proeedings of the Institution of Mehanial Engineers, 203, Misra, R. D., Sahoo, P.K., ve Gupta, A., 2005, hermoeonomi Optimization of a LiBr/H2O Absorption Chiller using Strutural Method, ASME: Journal of Energy Resoures ehnology, 127, Yeşilata B., Ertür, D. ve Fıratoğlu Z. A, 2003, İdeal bir soğutma sisteminin termoeonomi timizasyonu, I. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi Bildiriler Kitabı, Denizli, Yeşilata B., 2005, Bir Buzdolabı Soğutma Sistemine Ait Evaporatörün ermoeonomi Optimizasyonu, Endüstriyel Otomasyon, 95, Yeşilata B., Ertür, D., 2006, İdeal çevrimli bir buzdolabı soğutma sisteminde ısı transfer alanlarının termoeonomi timizasyonu, esisat Mühendisliği, 93, Gebreslassie, B. H., Medrano, M., Mendes, F.,Boer. D, 2010, Optimum heat exhanger area estimation using oeffiients of strutural bonds: Appliation to an absorption hiller., İnternational Journal of Refrigeration 33,