SÜREKLİ REJİMDE FARKLI SOĞUTUCU AKIŞKANLAR İÇİN HAVA-SU KAYNAKLI MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI ISI POMPASININ SİMULASYONU

Transkript

1 Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 9, Sayı, SÜREKLİ REJİMDE FARKLI SOĞUTUCU AKIŞKANLAR İÇİN HAVA-SU KAYNAKLI MEKANİK BUHAR SIKIŞTIRMALI ISI POMPASININ SİMULASYONU Salih COŞKUN * Özet: Bu çalışmada sürekli rejimde arklı soğutucu akışkanlar için hava-su kaynaklı mekanik buhar sıkıştırmalı ısı pompası sisteminin perormans özellikleri incelenmiştir. Sistemi oluşturan her bir elemanın basit matematik modelleri oluşturularak, Turbo Pascal programlama dili yardımıyla yazılan bir program sayesinde sistemin simulasyonu gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan program sayesinde arklı soğutucu akışkanlar için (Freon-, a, ve a) sistemin değişen özelliklerine karşılık (hava, su, debi ve sıcaklıkları) sistemin perormansını belirten ITK değerlerinin değişimi gözlenmiştir. Ayrıca bu program sayesinde sistemin her noktasındaki sıcaklıklar (soğutucu akışkan, su, hava için) ve sistemi oluşturan elemanların (kondenser, aporatör, kompresör) kapasiteleri elde edilebilmektedir. Anahtar Kelimeler: Isı pompası, Hava-su kaynaklı ısı pompası, Simulasyon. Steady-State Simulation o Air to Water Mechanical Vapour-Compression Heat Pump or Dierent Rerigerants Abstract: In this study, an air-to-water vapour compression heat pump system simulation model at steady-state was deloped or dierent rerigerant. Simple mathematical models were employed or each component o the cycle. They resulted in a set o nonlinear equations which were solved numerically by Turbo Pascal programming language. ITK known as perormans o system, was observed despite changeable characteristic o system by using programmming language. In addition, temperatures at ery point o system and capacities o each component (condenser, aporator, compressor) were obtained. Keywords: Heat pump, Air-to-water heat pump, Simulation. Semboller A : Alan, m A...A : Denklem () deki katsayılar B...B : Denklem () deki katsayılar C...C : Denklem () deki katsayılar CC : Düzeltme katsayısı c p : Sabit basınçtaki özgül ısı, kj/kgk CR : Sıkıştırma oranı C v : Hacim sıkıştırma katsayısı D...D : Denklem () deki katsayılar E...E : Denklem (5) deki katsayılar F...F 5 : Denklem (6) deki katsayılar G...G 5 : Denklem (7) deki katsayılar h : Özgül entalpi, kj/kg ITK : Isıtma tesir katsayısı m& : Kütlesel debi, kg/s n : Sıkıştırma politropik üs katsayısı * Uludağ Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu İklimlendirme-Soğutma Programı

2 n c : Kompresör dir sayısı, d/s P : Basınç, kpa PR : Basınç oranı Q & : Isı geçiş miktarı, kw r : Kompresör hacim süpürme oranı t : Sıcaklık, ºC U : Toplam ısı geçiş katsayısı, kw/m K v : Özgül hacim, m /kg V c : Kompresör süpürme hacmi, m W : Güç, kw η vol : Volümetrik verim ε : Isı eşanjör etkenliği Alt İndisler: a : Çre (hava) sıcaklığı, ºC : Kondenser em : Elektrik motoru : Evaporatör : Soğutucu akışkan i : Giriş k : Aşırı kızdırma komp : Kompresör ls : Kayıplar mk : Mekanik o : Çıkış s : Doymuş si : Su giriş sl : Doymuş sıvı so : Su çıkış su : Su sv : Doymuş buhar. GİRİŞ Isı pompaları günümüzde yaygın olarak kullanılan cihazlardır. Isıtma amaçlı kullanıldıkları gibi, sıcak su temininde de kullanılmaktadırlar. Isı pompaları ısı kaynaklarına göre; hava, toprak, yerüstü suları, yer altı suları, güneş enerjisi, jeotermal enerji, artık ısı kaynakları gibi sınılandırıldığı gibi, işletme çrimlerine göre; hava-hava, hava-su, su-su kaynaklı şeklinde sınılandırılmaktadır. Bu çalışmada ısı pompası modeli için geometrik ve işletme verileri Herbas ve ark. (99) taraından sürekli şartlarda buhar sıkıştırmalı ısı pompalarının simulasyonu isimli çalışmalarından alınmıştır. Herbas ve ark. (99) sürekli hal şartlarında, Freon- ile Freon-a kullanılması halinde ısı pompasını bilgisayar ortamında analiz etmişler ve başka bir çalışmada ise Işık ve ark. () taraından Ra kullanan hava-su kaynaklı mekanik ısı pompası sistemi üzerinde arklı işletme parametrelerinde deneysel sonuçlar elde edilmiştir. Jolly ve Ark. (99) taraından yapılan çalışmada ise ısı pompası destekli sürekli kurutma sisteminin bilgisayar ve deneysel simülasyonu gerçekleştirilmiş olup, bu çalışmada kondenser arklı bölgeye ayrılarak detaylı şekilde incelenmiştir. Martins ve Parise (99) taraından ise hava soğutmalı kondenserler arklı bölgeye

3 (aşırı kızdırma, yoğuşma ve aşırı soğutma bölgesi) ayrılmış ve her bir bölge için matematik iadelerin çözülmesi suretiyle sonuca ulaşılmıştır. Bir başka çalışmada ise su soğutmalı kondenserlerde detaylı modelleme Ptas ve Grean (98) taraından yapılan bir çalışmada ortaya konmuştur. Fischer ve Rice (98) taraından yapılan çalışmada ise, sürekli rejimde hava-hava kaynaklı ısı pompası, bilgisayar ortamında modellenmiştir. Bu çalışmada diğer çalışmalardan arklı olarak, Freon- ve a soğutucu akışkanlarının yanı sıra, Freon-a ve gazlarının da sistem üzerine etkileri incelenmiştir.. SİMULASYON MODELİ Bu bölümde sürekli rejimde basit buhar sıkıştırmalı soğutma çriminin bir simülasyonu verilmektedir. Isı pompası sistemini oluşturan her bir eleman (kompresör, kondenser, kısılma vanası, aporatör) için matematik modeller oluşturulmuştur. Modellenen buhar sıkıştırmalı ısı pompası çrimi Şekil de gösterilmektedir. Basınç P(kPa) s Entalpi h (kj/kg) Şekil. Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çrimi.. Kompresörün Matematik Modeli Kompresör modellenirken, sıkıştırma işleminin politropik gerçekleştiği kabul edilmektedir. Soğutucu akışkan kütlesel debisi; Vcncηvol m& () v iadesi ile elde edilebilir. Burada volümetrik verim; P n + η vol cv r () P Kompresörün tükettiği güç; m h s h W& ( ) komp & () η η η ik eşitliğiyle iade edilir. mek em.. Kondenserin Matematik Modeli Kondenser su soğutmalı olup, kondenser de toplam ısı geçiş katsayısı ( U ) değeri sabit olarak kabul edilmiştir. Kondenserde soğutucu akışkan ile soğutucu akışkanın ısısını uzaklaştıran akışkan arasında meydana gelen ısı geçişi aşağıdaki eşitliklerle iade edilir.

4 m& su, t si t so m& ( ) Şekil. Kondenserde gerçekleşen ısı transerinin şematik gösterimi Q & m& h h () su psu ( t t ) Q & m& c (5) ls so si Q & Q& + Q& (6) t + t Q& ls ( UA) ls ta (7) () nolu eşitlik soğutucu akışkanın verdiği ısı miktarını iade etmekte olup, bu ısısının çoğunluğu su taraından alınmakta (5) ve bir kısmı da çreye ısı kaybı olarak (6) gerçekleşmektedir. Kondenser de LMTD metodu kullanarak, kondenserde gerçekleşen ısı geçişi ( U ) değerine bağlı olarak aşağıdaki şekilde düzenlenmiştir. Ortalama (logaritmik) sıcaklık arkı ( ); t m ( t t ln t so t si ) t si t so tm olmak üzere, Q & ( UA) tm (9) yazılabilir. (5) ve (9) nolu denklemler ortak olarak çözülecek olursa ve ( UA) ε exp () m& suc psu olmak üzere; Q& m& c ε t t () su şeklinde elde edilir. psu ( ).. Kısılma Vanasının Matematik Modeli si İncelenen sistemde kısılma vanası olarak termostatik kısılma vanası kullanılmaktadır. Termostatik kısılma vanası, kompresör girişinde sabit bir kızdırma değerini korumayı sağlar. Bu analizde, aporatör çıkışında aşırı kızdırma değeri T ºC sabit değer olarak kabul edilmektedir. k T T + T k () Kısılma vanasında iç ve ısı alış verişi yok kabul edilirse, giriş ve çıkıştaki entalpi arkı sabittir. h h () (8)

5 .. Evaporatörün Matematik Modeli Bu çalışma da aporatör hava soğutmalı olup, aporatör modellenirken, kondenser modeline benzeyen şekilde toplam ısı geçiş katsayısı ( U ) iki azlı akış ve aşırı kızdırma bölgelerinde sabit olarak kabul edildi. m& a, t ai m& t ao Şekil. Evaporatörde gerçekleşen ısı transerinin şematik gösterimi Evaporatörde soğutucu akışkan ile hava arasındaki ısı geçişi aşağıdaki eşitliklerde iade edilmektedir: ( ) Q & m& h h () Q & m& acpa( tai tao ) (5) Evaporatörde gerçekleşen ısı geçişi, ( U ) değerine bağlı olarak bilinenler cinsinden aşağıdaki şekilde düzenlenmiştir. tm Ortalama (logaritmik) sıcaklık arkı ( ); t m ( tai tao ) tai t ln tao t olmak üzere, Q & ( UA) tm (7) yazılabilir. () ve (7) nolu denklemler ortak olarak çözülecek olursa ve ( UA) ε exp (8) m& ac pa olmak üzere Q değeri bilinen değerler cinsinden Q& m& c ε t t (9) şeklinde elde edilir. a pa ( ).5. Toplam Enerji Dengesi ai Bütün sistem için Termodinamiğin I. kanunundan yararlanarak toplam enerji dengesi aşağıdaki şekilde yazılabilir. W & + Q& Q& () komp (6) 5

6 Q & Q& + Q& ls Kondenser Kısılma vanası vanası Kompresör W & komp Evaporatör Q & Şekil. Toplam enerji dengesinin şematik olarak gösterimi.6. Soğutucu Akışkan Özellikleri Ra, R ve Ra soğutucu akışkanlarına ait hal denklemleri Abou-Ziyan ve ark. (997) taraından yapılan yayından alınmıştır. Bu eşitlikler -5ºC ile kritik nokta sıcaklıkları arasında uygulanabilmektedir. Abou-Ziyan ve ark. (997) taraından türetilen soğutucu akışkan hal denklemleri aşağıdaki gibidir: Doyma basıncını (P s ) veren eşitlik, ln( P s ) A AT A T + A T Doymuş buharın özgül hacmini (v sv ) veren eşitlik, + + () ln( v sv ) + Doymuş sıvının özgül entalpisini (h sl ) veren eşitlik, B + BT + BT BT () h sl C + CT + CT () Doymuş buharın özgül entalpisini (h sv ) veren eşitlik, h sv D + DT + DT () Doymuş buharın entropisini (s sv ) veren eşitlik, s sv + Aşırı kızdırılmış bölgedeki özgül entalpiyi (h sup ) veren eşitlik, E + E / T E / T (5) n n 5 n n h sup FnT + P FnT (6) n n Aşırı kızdırılmış bölgedeki özgül entropiyi (s sup ) veren eşitlik, n n 5 n n s sup GnT + P GnT (7) n n () ve (7) nolu soğutucu akışkan hal denklemlerinde kullanılan katsayılar Tablo. de verilmektedir. R soğutucu akışkanı için Yılmaz (986) taraından geliştirilen eşitlikler kullanılmıştır. 6

7 Tablo. Soğutucu akışkan katsayıları Katsayılar R a Ra R P A A A x x x - A.68x x -6 CC Hata Yüzdesi vsv B.9 x B x B x x x - B x x -6 CC Hata Yüzdesi hsl C C C.59 x -.9 x -.97 x - CC ,9999 Hata Yüzdesi.5.,8 hsv D D D -.79 x x CC Hata Yüzdesi Ssv E E E TR (ºC) -5:8-5:58-5:8 CC Hata Yüzdesi hsup F F F.99x x -.8 xl -5 F F x - F5.678 x -.68 x -.67 x - CC, Hata Yüzdesi Ssup G G.97 x x -.856x - G x x x -6 G G.676 x -.5 x x - G x x x -5 TR (ºC) :9 5:65 5:9 PR.6:.96: :.66 CC Hata Yüzdesi

8 . YÖNTEM Yukarıda elde edilen eşitlikler aşağıdaki gibi düzenlenirse, 5 bilinmeyene karşılık, 5 nonlineer denklem elde edilir. Bilinmeyenler: t, t, t so, t ao ve m& Q& W& m& c ε ( t t ) () komp a pa ai m& c ( t t ) m& c ε ( t t ) () su psu so si su psu si m& h h ) m& c ( t t ) Q& () ( su psu so si ls m& ( h h) m& c ( t t ) () a pa ai ao Vcncη vol 5 m& v (5) Elde edilen 5 adet nonlineer denklemler Newton-Raphson metodu (Stoecker,989) kullanılmak suretiyle çözülerek sonuca ulaşılmıştır. Bu 5 adet nonlineer eşitliği çözmek için izlenmesi gereken aşamalar aşağıdadır:. Eşitliğin diğer taraı sıır olacak şekilde denklemleri yeniden düzenle. (Yukarıda belirtilen orma getirilecek). Değişkenler için (t t, t t, t sot, t aot, m t ) geçici (tahmini) değerleri gir.. Bu geçici değerler için onksiyon değerlerini (,,,, 5 ) hesapla.. Bütün onksiyonların, bütün değişkenlere göre kısmi türlerini al. 5. Ortak denklem setini oluşturmak için Taylor serilerinin açılımını kullan. Denklem seti oluşturulursa; t t tso tao m& t t t c t t tso tao m& t t t c x t t so t soc t t tso tao m& t t aot aoc t t t t m m& m& & t c 5 so ao t t tso tao m& (7). Girilen tahmini değer (t t, t t, t sot, t aot, m t ) ile çözüm sonucunda elde edilen yeni değer(t c, t c, t soc, t aoc, m c ) arasındaki ark x((t t -t c ),(t t -t c ),...) iadesini tanımlamak için (7) nolu iade de belirtilen, lineer denklem takımını çöz.. Tahmini değerlerin yerine, yeni elde edilen değerleri ata.. Yakınsayıp yakınsamadığını test et. Eğer bütün ve x mutlak değerleri yeterince küçük ise çalışmayı sona erdir. Değilse, no lu aşamaya git.. TARTIŞMA VE SONUÇ Simülasyonu gerçekleştirilen sisteme ait bilinen veriler aşağıda verilmektedir: Kompresör için: Süpürme hacmi, V c : 7.6 cm 8

9 Kompresör dir sayısı, n c : 5 d/dak Süpürme hacim oranı, r :. Sıkıştırma politropik üs katsayısı, n :.9 Hacimsel katsayı, c v :.75 Elektrik motor verimi, η em :.85 Kompresör mekanik verimi, η mk :.8 Kondenser için: Su giriş sıcaklığı, t si : 5 C Su debisi, m& su :.5 kg/s Toplam iletim katsayısı, (UA) : 5 W/ C Evaporatör için: Hava giriş sıcaklığı, t ai : C Hava debisi, m& a :.8 kg/s Toplam iletim katsayısı, (UA) : W/ C Evaporatör aşırı kızdırma miktarı, T k : C Hava-su kaynaklı mekanik buhar sıkıştırmalı ısı pompası için R, Ra, Ra ve R soğutucu akışkanlarının kullanılması halinde elde edilen perormans değerleri graikler halinde sunulmuştur. Sistemde kondenser su soğutmalı olup, su debileri değiştirilerek sistemin perormansı incelenmiştir. Şekil 5 de su debisine bağlı olarak sistemin ITK değerlerinin değişimi görülmektedir. ITK,5,5,5,5,5 6 Su debisi m su (g/s) R R Ra Ra Şekil 5. Su debisine bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi Aynı inceleme su giriş sıcaklıkları değiştirilerek yapılmış olup, Şekil 6 da su giriş sıcaklığına bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi görülmektedir. Hava-su kaynaklı ısı pompası sisteminde aporatör hava kaynaklı olup, hava debisinin ve hava giriş sıcaklığının da sistem perormansı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Şekil 7 de hava debilerine bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi incelenmiştir. Şekil 8 de ise dış ortam sıcaklığına bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi incelenmiştir. 9

10 ITK Su giriş sıcaklığı Tsi (C) R Ra Ra R Şekil 6. Su giriş sıcaklığına bağlı olarak ITK değerinin değişimi ITK R R Ra Ra,,,6 Hava debisi ma(kg/s) Şekil 7. Hava debisine bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi,5 ITK,5,5,5 R R Ra Ra Hava sıcaklığı Tai (C) Şekil 8. Dış ortam sıcaklığına bağlı olarak ITK değerlerinin değişimi 5

11 Graiklerden görüldüğü gibi; Mekanik buhar sıkıştırmalı ısı pompası düşük su debilerinde çalıştırıldığında, ITK değerlerinde azalmalar görülmektedir. Sistemde Freon- kullanıldığında en yüksek ITK değeri, Freon- a kullanıldığında ise en düşük ITK değeri elde edildiği görülmektedir. En yüksek su debisinde R- için ITK değeri.5 iken, R-a için.5 olduğu görülmektedir. Türkoğlu ve ark. () taraından yapılan alternati akışkanların karşılaştırılması isimli çalışmada da R- için ITK değerinin en yüksek, Ra için en düşük değeri aldığı ve en yüksek yoğuşturucu basıncının oluştuğu görülmektedir. Yine kondensere giren suyun sıcaklığı arttığında, kompresör güç tüketiminde görülen artışa bağlı olarak, ITK değerinde düşme görülmektedir. R- i- çin ITK değeri.5 den.9 değerine azalmakta olup en hızlı düşme bu soğutucu akışkan i- çin gerçekleşmektedir. Evaporatöre giren hava debisindeki artış sistemin ITK değerini yavaş bir şekilde arttırmaktadır. En yüksek artış değeri R- için. den.5 e olurken en düşük Ra için.6 den.7 e olmaktadır. Evaporatöre giren hava dış ortam havası olup, dış ortam sıcaklığındaki artış, sistemin ITK değerini de arttırmaktadır. En yüksek artış R- için olurken en düşük artış Ra için olmaktadır. Bunun tersi, dış ortam sıcaklığı arttığında su çıkış sıcaklığındaki artış ise en yüksek değerine R-a için ulaşırken, en düşük artış değerleri R- için gerçekleşmektedir. Sonuç olarak; Hava- su kaynaklı ısı pompası sistem tasarımında öncelikli olarak, sistemde dolaşan soğutucu a- kışkan seçimi önem arz etmektedir. Dört arklı soğutucu akışkan kullanılarak yapılan simülasyon sonuçlarına göre, sistem en yüksek ITK değerine R soğutucu akışkanı kullanılması durumunda ulaşmaktadır. En düşük ITK değeri ise, Ra soğutucu akışkanı kullanılması durumunda görülmektedir. Hava su kaynaklı ısı pompası, düşük çre sıcaklığında düşük ITK değerlerine sahip olduğu görülmektedir. Bu sistem, yüksek hava sıcaklıklarına sahip bölgelerde daha verimli çalışacaktır. Evaporatöre gönderilen hava debisinin arttırılmasıyla, sistemin ITK değerinde az da olsa bir artış görülmektedir. Ayrıca kondensere giren su sıcaklığı ne kadar düşükse, sistemin ITK değerinin o derece yüksek olduğu belirlenmiştir. Kondensere yüksek sıcaklıkta su gönderilmesi ise verimi olumsuz yönde etkileyecektir. 5. KAYNAKLAR. Abou-Ziyan, H.Z., Ahmed, M. F., Metwally, M.N. ve Abd El-Hameed, H.M. (997). Solar Assisted R and Ra Heat Pump Syestems For Low-Temperature Applications. Applied Thermal Engineering, Vol. 7, No. 5, pp Fischer,S.K.ve Rice, C.K. (98). A Steady State Computer Design Model For Air-To-Air Heat Pumps. ORNL/CON-8/R, Oak Ridge National Laboratory.. Herbas, T.B., Berlinck, E.C., Uriu, C.A.T.,.Marques, R.P. ve Parise, J. A.R. (99). Steady-State Simulation o Compression Heat Pumps. Int. J. O Energy Research, Vol. 7, Işık, N., Onat, A. ve Mendi, F. (). Havadan Suya Mekanik Isı Pompası Farklı İşletme Koşullarında Deneysel Perormans Çalışması. 6. Ulusal Soğutma ve İklimlendirme Tekniği Kongresi, Çukurova Ü., Adana. 5. Jolly,P., JIA, X. ve Clements, S. (99). Heat Pump Assisted Contionous Drying, Part : Simulation Model. Int. J. O. Energy Research, Vol., Martins Costa, M.L. ve Parise, J.A.R. (99). A Three-Zone Simuation Model For Air-Cooled Condensers. J. O Heat Recovery Systems &CHP Vol.. No., pp Ptas, S.A. ve Green, R.K (98). A Mathematical Model O The heat Transer Process in a Shell-And-Tube Condenser For Use in Rerigeration Applications. Applied Mathematical Modelling, 5, Stoecker, W.F. (989). Design O Thermal Systems, rd. Edn, McGraw-Hill, Newyork. 9. Türkoğlu, H.,Ataer, Ö., Ataman, Ş. (). Alternati Soğutucu Akışkanların Karşılaştırılması. ULIBTK 99,. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi.. Yılmaz, F.B. (986). İkinci ürünlerin Isı pompası Yardımıyla Kurutulması. (Yüksek Lisans Tezi) Çukurova Üniversitesi. 5