Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 90, s 6-68, 00 R ve R4a Soğutucu Akışkanları ve Kompresör Devrinin Otomobil Klimaları Performansına Etkisinin Deneysel Analizi Dilek Özlem ESEN* Murat HOŞÖZ** Özet Bu çalışmada, R ve R4a soğutucu akışkanları ve kompresör devrinin otomobil iklimlendirme sistem - lerinin performansına etkisi deneysel olarak ortaya konmuştur R ve R4a soğutucu akışkanları kullanan otomobil klima sistemlerinin performansları karşılaştırılmasına yönelik bir otomobil klima sistemi kurulmuştur Otomobil klima sistemi, kompresör, evaporatör, kondenser ve termostatik genleşme valfi (TXV) bile - şenlerinden oluşmaktadır Kompresör, bir elektrik motoruna kayış kasnak mekanizması ile bağlanmıştır Elektrik motorunun hız kontrolü ise, asenkron motor sürücüsü ile sağlanmıştır Sisteme, 00, 90, 400 ve 80 W soğutma yükleri, elektrikli ısıtıcı ile sağlanmıştır Deneyler, her iki soğutucu akışkan için çeşitli yoğuşma sıcaklıklarında yapılmıştır Otomobil klima sistemi, her bir soğutma yükü için 600,800,000,00,400 d/d devirlerde çalıştırılmıştır Tespit edilen noktalarda, soğutucu akışkan sıcak - lıkları ile kuru ve yaş termometre sıcaklıkları K tipi termokupllar ile ölçülmüştür Kompresör ve elektrik moto - runun hızı, digital takometre ile ölçülmüştür Soğutucu akışkan basıncı ise, Bourdon tüpü manometre ile -öl çülmüştür Ayrıca, kondenser ile evaporatördeki hava hızları ve kompresör motorunun çektiği elektrik gücü ölçümleri yapılmıştır Böylece, sistem performansını analiz etmeye yönelik datalar, buharlaşma sıcaklıkları ve kompresör devrine bağlı olarak elde edilmiştir Bu datalar kullanılarak sisteme enerji analizi uygulanmış - tır Bunların sonucunda, R ve R4 soğutucu akışkanları birbirine çok yakın bir performans gösterdi - ği, ancak aynı soğutma yükü için R4a yaklaşık % 6-7 daha düşük soğutma tesir katsayısı (STK) değerleri verdiği görülmüştür Bunların yada, aynı soğutma yükünde, R4a R ye oranla yaklaşık %0- daha düşük bir kütlesel debi ile çalışabilmekte ve R şarjı % 7-90 ı kadar R4a şarjı ye - terli olmaktadır GĐRĐŞ R soğutucu akışkanı başta olmak üzere, Soğutucu akışkanlarla ilgili kimya endüstrisi, R ye alternatif olarak R4a soğutucu akış - 970 lerde CFC grubu soğutucu akışkanların kaı geliştirmiştir 994 den bu yana üreti - Ozon tabakasını incelttiğinin belirlenmesi, oto - len otomobillerde, Ozona zararlı etkisi olmayan mobil klimaları da çevreye olumsuz etkilerir4a soğutucu akışkanı yaygın olarak kulla - olduğunun anlaşılmasına yol açmıştır Eylülnılmaya başlanmıştır Diğer yandan, R nin 987 de imzalanan Montreal Protokolü ile R soğutucu akışkaın kullanılması kade - meli olarak yasaklanmasına karar verilmiştir * Araş Gör, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Isı-Enerji Anabilim Dalı ** Yrd Doç Dr, Kocaeli Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü giderek pahalılaşması ve temininin zorlaşma - sı, R soğutucu akışkaın kullanımını kısıt - lamıştır Ayrıca R soğutucu akışkanı emis - 6 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 yonları güçlü bir sera etkisi yaparak dünya ikliminde küresel ısınmaya neden olması, do - (basınç düşürücü) ve evaporatör olmak üzere 4 ana bileşenden oluşmaktadır Sistemde, 4kW
ikliminde küresel ısınmaya neden olması, do - ğadaki dengeyi bozmaktadır R4a soğutucu akışkaın sera etkisinin R ye göre daha düşük olması, R soğutucu akışkanlı sis - temlerin R4a lı sisteme dönüşümünü zorun - lu hale getirmiştir Günlük hayatta klima sağladığı rahatlık, konfor, hava kalitesi ilerleyen yıllarda otomotiv sektöründe de yaygın olarak yerini almıştır Isıl konfor, aktif güvenliğin bir parçası olup, seyir durumunu büyük ölçüde etkilemektedir Otomobil klimaları insanlığa sağladığı konforu maksimuma çıkarma çabaları ve sistemin per - formansını arttırmaya yönelik çalışmalar, gü - nümüzde de büyük bir hızla devam etmektedir Yapılan çalışmalar, otomobil klima sistemleri - nin performansına etki eden en önemli faktörlerin, sistemde kullanılan soğutucu akışkan ve Evaporatör Çevre Trifaze Şehir Şebekesi Santrifuj Fan Genleşme Valfi Pkomp giriş Kanal Seçici Düğme Trifaze Sayaç Elektrik Motoru Filtre-Kurutucu Pkomp çıkış Kondenser Fanı Dijital Takometre Kanal Taramalı Sıcaklık Göstergesi Sıvı Tankı Şekil Deney tesisatı çevrim elemanları ve ölçüm cihazları Kondenser Termokupl Telleri kompresör devri olduğunu ortaya koymuştur DENEY TESĐSATI Şekil de şeması verilen otomobil klima so - ğutma çevrimi, kompresör, kondenser, TXV ana bileşenden oluşmaktadır Sistemde, 4kW gücünde 000 d/d da fazlı asenkron bir elektrik motoru ile tahrik edilen, 8 cc/rev sü - pürme hacmine sahip, piston çapı mm ve strok uzunluğu 86mm olan, pistonlu yalpa - lı plakalı (swash-plate) kompresör kullanılmak - tadır Elektrik motorunun hız kontrolü ise asenkron motor sürücüsü ile yapılmaktadır Soğutucu akışka çevre havasına ısı atarak kızgın buhar halinden sıkıştırılmış sıvıya dönüşmesi, aluminyumdan yapılmış paralel akışlı kon - denserde sağlanmaktadır Basınç düşürücü olarak termostatik genleşme valfi (TXV) kulla - nılan sistemde, soğutucu akışka evapora - tör çıkış sıcaklığı ve basıncı, TXV ile sezilmek - tedir TXV, evaporatör üzerindeki ısıl yüke bağlı olarak, soğutucu akışka evaporatör çıkı - şındaki kızgınlığı sabit bir değerde kalacak şekilde evaporatör içine soğutucu akışkan bırakmaktadır Sistemde soğutma kapasitesi, KW (000Btu/h) olan Toyoto Corolla eva - poratör kiti kullanılmaktadır Evaporatör, dikey aliminyum kanallar üzerine geçirilmiş, alimin - yum kanatlardan oluşmaktadır Düşük ba - sınçta evaporatöre giriş yapan soğutucu akışkan, hava akımı içinden ısı alarak sıvı hal - den kızgın buhar haline dönüşmektedir Şekil deki deneysel otomobil klima sistemin - de kütlesel debi, kompresör gücü, STK ve sıkıştırma işi gibi parametreler aşağıdaki denk - lemler yardımıyla hesaplanmıştır Soğutma Yükü (W): Q evap = m(h h 4) () m: Soğutucu akışka kütlesel debisi [g/s] h = Evaporatör çıkışındaki soğutucu akışka - h 4 = Evaporatör girişindeki soğutucu akışka - TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 6 Kondenserde Atılan Isı (W): Q kond = m(h h ) () h = Kondenser girişindeki soğutucu akışka - DENEYSEL SONUÇLAR Şekil de, artan kompresör devrine bağlı ola - rak buharlaşma sıcaklığı değişimi görül - mektedir Yapılan çalışmada, R nin R4a dan 4- C daha yüksek bir buharlaşma
h = Kondenser girişindeki soğutucu akışka - h = Kondenser çıkışındaki soğutucu akışka - Sıkıştırma Đşi: Q komp = m(h h ) () h = Kompresör girişindeki soğutucu akışka - h = Kompresör çıkışındaki soğutucu akışka - Soğutma Tesir Katsayısı: COP = Q evap / W komp (4) Deneylerde elde edilen sonuçlar yardımıyla R ve R4a soğutucu akışkanları kullanan oto - mobil klima sistemlerinin performans paramet - relerinin kompresör devri, buharlaşma sıcaklı - ğı, yoğuşma sıcaklığı ve soğutma yüküne göre değişimleri belirlenmiş ve grafikler ha - linde sunulmuştur R4a dan 4- C daha yüksek bir buharlaşma sıcaklıkları verdiği ve artan kompresör devri ile buharlaşma sıcaklığında bir azalma oldu - ğu gözlenmektedir Artan kompresör devri ile kompresöre daha fazla soğutucu akışkan gel - mesi sonucu evaporatörde akışkan miktarı azal - 0,9 0,8 0,7 0,6 0, (kw) 0,4 Kompresör Gücü 0, 0, R4a 00 000 00 Şekil Kompresör gücünün kompresör devri ile değişimi; Soğutma yükü=kw makta, bundan dolayı da buharlaşma sıcaklığı düşmektedir Kompresör devrinin aşırı artması sonucu ise evaporatörde buzlanma olmakta ve buharlaşma sıcaklığı da önemli ölçüde düş - mektedir Bununla birlikte, kondenser basıncı (kompresör çıkış basıncı) yükselmekte ve kon - denserde ısı atımı zorlaşmaktadır 0-0 BuharlaşmaSıcaklığı ( C) - -0 8 7 6 Sıkıştırma 4 Oranı 00 700 900 00 00 00 00 700 900 00 00 00 Şekil Buharlaşma sıcaklığı kompresör devri ile değişimi; Soğutma yükü=kw Şekil 4 Sıkıştırma oraın kompresör devri ile deği - şimi; Soğutma yükü=kw 64 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 Şekil de, artan kompresör devrine bağlı ola - rak, her iki soğutucu akışkan için kompresör gücünün arttığı görülmektedir Ayrıca R4a, R den daha yüksek bir kompresör gücü ge - rektirmektedir Kompresör gücündeki bu artış, basma hattı basıncı yükselmesi, emme hattı basıncı düşmesi ve dolayısıyle kompresörde soğutucu akışkan debisinin artması bir so - nucudur artmaktadır Şekil de, artan kompresör devrine bağlı ola - rak, STK azaldığı ve R4a R den % 6-7 daha düşük bir STK ya sahip olduğu gö - rülmektedir Kompresör devri artarken, kompresör gücündeki artış oranı buharlaşma kapasi - tesindeki artış oradan daha büyük olmakta; Tyoğ = 0 C, 800 d/dak
STK 4 00 000 00 09 Wkomp 07 (kw) 0 0 0-9 -7 - - - Şekil 7 Kompresör gücünün buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d Şekil Soğutma tesir katsayısı kompresör devri ile değişimi; Soğutma yükü=kw Şekil 4 de, artan kompresör devrine bağlı ola - rak, sıkıştırma oraın arttığı ve R4a R den %0- daha yüksek sıkıştırma oraa sahip olduğu görülmektedir Ayrıca artan soğutma yüküne bağlı olarak da sıkıştırma oranı önemli ölçüde artmaktadır Sistemde basma hattı basıncındaki artış ve emme hattı ba - sıncındaki azalma nedeniyle sıkıştırma oranı 6 4 Kütlesel Debi (g/s 00 700 900 00 00 00 Şekil 6 Kütlesel debinin kompresör devri ile değişimi; Soğutma yükü=kw bunun sonunda STK kompresör devri ile düş - mektedir Ayrıca artan soğutma yüklerinde, STK daha yüksek değerde olduğu görül - müştür Şekil 6 da, artan kompresör devrine bağlı ola - rak, kütlesel debide artış görülmektedir R4a R den % 0- daha az bir kütle - 8 6 STK 4 n = 800 d/dak -0-0 Buhar Sıcaklığı (C) Şekil 8 Soğutma tesir katsayısı buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d sel debi ile çalıştığı anlaşılmaktadır Ayrıca her iki akışkan durumu için, artan devre bağ - TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 6 lı olarak kütlesel debide % 6-7 lik bir artış ol - muştur Artan kompresör devri ile kompresör 0 Tyoğ = 0 C, n = 800 d/dak ni artan buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak, buharlaşma kapasitesindeki artışın kompresör gücündeki artıştan daha büyük olmasıdır Şekil 9 da artan buharlaşma sıcaklığına 4 6 n = 800 d/dak 0 Kütlesel Debi (g/s) R R4a R,60 R4a -0-0 6 Isı (kw) Kondenserden Atılan 6,800d/d,800d/d,800d/d,800d/d Şekil 9 Kütlesel debinin buharlaşma sıcaklığı ile -9-7 - - -
Şekil 9 Kütlesel debinin buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d birim zamanda daha fazla soğutucu akışkan gönderdiği anlaşılmaktadır Şekil 7 de, artan buharlaşma sıcaklığı ile bir - likte kompresör gücünün de arttığı görülmektedir Bu şekildeki her bir eğriyi oluşturan dört data noktası karşılık geldiği soğutma yük - leri sırasıyla, 8, 4, 8kW dır Bu ne - denle kompresör gücünün soğutma yüküyle orantılı olarak arttığı anlaşılmaktadır 9 88 8 78 n =800 d/dak -9-7 - - - Şekil Kondenserden atılan ısı miktarı buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d Şekil 8 de artan buharlaşma sıcaklığına bağ - lı olarak, STK arttığı görülmektedir R nin R4a dan daha yüksek bir STK ya sahip olduğu ve artan soğutma yüküne bağlı olarak STK % 4-6 arttığı gözlemlenmiştir Bunun nedebağlı olarak, kütlesel debinin arttığı görül - mektedir Aynı buharlaşma sıcaklığında R4a R den daha az bir kütlesel debi ile çalışabildiği gözlemlenmiştir Şekil 0 da, artan buharlaşma sıcaklığıyla kompresör çıkış sıcaklığı düştüğü görül - mektedir Ayrıca R li sistemde basma hattı sıcaklığı R4a lı sistemden yaklaşık 7-8 C daha yüksek olmaktadır Buharlaşma sıcaklığı arttıkça, kompresörün harcadığı güç azalmak - ta ve düşük sıkıştırma orada sıkıştırılan 7 Basma Sıcaklığı Hattı(C) 68 6-0 -8-6 -4-0 4 Şekil 0 Basma hattı sıcaklığı buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d STKem 9 7 09 - -9-7 - - - Şekil Elektrik motoru soğutma tesir katsayısı buharlaşma sıcaklığına bağlı değişimi; Kompresör devri =800 d/d 66 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 soğutucu akışka basma hattı sıcaklığı da düşmektedir Şekil de, artan buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak kondenserden atılan ısı miktarı 8 6 Tyoğ = 0 C, n= 600 d/d 4 9 4 Küresel Debi (g/s) 9 Soğutma Yükü (kw), 600d/d, 600d/d, 600d/d, 600d/d, 800d/d R4,0C, 800d/d, 800d/d, 800d/d, 00d/d, 00d/d, 00d/d, 00d/ Gücü 4(kW) Elektrik Motorunun 00 700 900 00 00 00 Şekil Elektrik motor gücünün buharlaşma sıcaklığı ile değişimi; Kompresör devri =800 d/d Şekil 4 600-800-000 d/d kompresör devirlerinde soğutma yüküne bağlı olarak kütlesel debideki değişim cüne göre tanımlanmış soğutma tesir katsayı - sı (STK em ) arttığı görülmektedir R nin R4a dan daha yüksek bir STK em e sahip ol - duğu ve artan soğutma yüküne bağlı olarak bu katsayı arttığı gözlemlenmektedir Bunun nedeni artan buharlaşma sıcaklığına bağlı
arttığı görülmektedir Aynı soğutma yükü için R4a soğutucu akışkanlı sistemde konden - serden atılan ısı miktarı R soğutucu akış - kanlı sistemden daha fazladır Aynı soğutma yükü için, R4a lı sistemin daha fazla kompresör gücü gerektirdiği bilindiğine göre konden - serden atılan ısı miktarı da daha fazla ol - maktadır Şekil de artan buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak kompresörün çekiği elektrik gü - 4 Wkomp Qevap, Qkond, 0 n = 800 d/d, Tyoğ = 0 C 0-0 -8-6 -4-0 4 R Wkomp R Qevap R Qkond R4a Wkomp R4a Qevap R4a Qkond Wkomp Qevap, Qkond, Şekil 800d/d kompresör devrinde buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak Q evap, Q kond, W komp değişimi 4 0 nedeni artan buharlaşma sıcaklığına bağlı olarak, buharlaşma kapasitesindeki artıştır Artan buharlaşma kapasitesinin elektrik motor gücündeki değişimden daha büyük olması STK em in artmasına neden olmaktadır Şekil de görüldüğü gibi, artan kompresör devrine bağlı olarak elektrik motor gücünde bir artış olmaktadır R4a soğutucu akışkanlı sistemin, R li sisteme göre %4- daha fazla bir elektrik motor gücü gerektirdiği görülmek - tedir n = 800 d/d, Tyoğ = 60 C -4-0 4 R Wkomp R Qevap R Qkond R4a Wkomp R4a Qevap Qkond Şekil 4 de gerekli soğut - ma yükünü karşılamak için çevrimde dolaşması gere - ken soğutucu akışkan de - bisinin değişimi gösteril - miştir Şekillerden de gö - rüldüğü üzere, artan so - ğutma yüküne bağlı ola - rak kütlesel debinin arttığı ve R4a lı sistemin, R li sistemden %0- daha az akışkan şarjı ile çalışıla - bildiği görülmektedir Şekil de buharlaşma sı - caklığına bağlı olarak Q e- TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00 67 vap, Q kond ve W komp nün arttığı gözlenmektedir Ayrıca artan kompresör devrine bağlı olarak bu değerlerin yine artış gösterdiği görülmek - tedir SONUÇLAR Gerçek bir otomobil kliması bileşenlerinden oluşan bir masa üstü otomobil kliması deney tesisatı kurularak R ve R4a soğutucu akışkanları ile çok sayıda sürekli rejim testi ya - pılmıştır Elde edilen deneysel sonuçlar, sistemde R4a soğutucu akışkanı kullanılması du - rumunda performansta hafif bir düşme oldu - ğunu göstermiştir Buna rağmen R4a ozon tabakasına zarar vermemesi ve daha az R4a şarjı yeterli olması, otomobil klima - ları için bu akışkanı R ye en önemli alterna - tif haline getirmektedir Otomobil klima sistemlerinde, R ye alternatif olarak, R4a soğutucu akışkaın yanı sıra birçok alternatif soğutucu akışkan gösteril - mektedir Bunlardan otomobil klima sistemlerinde kullanılmak üzere önerilen hidrokarbon içe - tüketme potansiyeli nedeniyle de otomobil kli - malarında kullanılması uygun olmamaktadır Son yıllarda ise, otomobil klima sistemlerinde kullanılabilecek diğer soğutucu akışka CO olduğu ortaya konmuştur Ancak CO nin R4a dan daha düşük STK ya sahip olması, daha yüksek kompresör gücü gerektir - mesi, soğutma kapasitesinin daha düşük ol - ması bu akışka dezavantajları olup, otomo - billerde yaygın kullanılabilmesi için bu noktalar üzerinde çalışılmasına gerek vardır Bu nedenle, R4a soğutucu akışkaın otomobil kli - ma sistemlerinde daha uzun yıllar kullanılacağı tahmin edilmektedir KAYNAKLAR - AL-RABGHI, O, and NIYAZ, AA 000 Retrofitting R- car air conditioner with R-4a refrigerant, In - ternational Journal of Energy Research, (4):467-474 - DEVOTTA, S, and GOPICHAND S 99 Comparative assesment of HFC 4a and some refrige - rants as alternatives to CFC-, International Jour - nal of Refrigeration, ():-8 - KIATSIRIROAT,Tand EUAKIT T997 Performance analyses of an automobile air conditioning system
de kullanılmak üzere önerilen hidrokarbon içe - rikli soğutucu akışkanlar, kaza ada alev alma riski nedeniyle göz ardı edilmektedir Bir diğer seçenek, soğutucu akışkan karışımla - rıdır Bu konuda yapılan çalışmalarda da olumlu sonuç alınamamıştır Çünkü soğutucu akışkan karışımları çoğunun R içerme - si, oto klimaları emme basma ve sıvı hatlarını oluşturan hortumlar ile sızdırmazlığı sağla - yan O-ringlere zarar vermekte, bu ise kısa sürede akışkan kaçağına sebep olmaktadır Ayrıca R kadar olmasa da R nin ozon tabakasını analyses of an automobile air conditioning system with R//R4/RA refrigerant, Applied Ther - mal Engineering (7):08-097 - LEE, GH and YOO, JY 000 Performance analy - sis and simulation of automobile air conditioning system, International Journal Refrigeration, (): 4-4 - RATTS, EB and BROWN JS 000 An experimen - tal cycling in an automotive air conditioning sys - tem, Applied Thermal Engineering, (0):09-08 68 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 90, 00