_ 1143 ADSORPSİYONLU CHILLERLERDE KULLANILABİLECEK ADSORBENT-ADSORBAT ÇİFTLERİNİN ÖZELLİKLERİ VE ÇEVRİM PERFORMANSLARININ İNCELENMESİ Zeynep Elvan YILDIRIM Gamze GEDİZ İLİŞ Moghtada MOBEDİ Semra ÜLKÜ ÖZET Bu çalışmada çift ve te yatalı adsorpsiyonlu chillerlerin çalışma prensibi ısaca açılanmıştır. Adsorpsiyonlu chillerlerde ullanılan adsorbent-adsorbat çiftleri ele alınmış, değişi çiftlerin yapısı, fiziotermal özellileri, avantajları ve dezavantajları özetlenmiş ve önemli çiftlerin izoterm diyagramları gösterilmiştir. Adsorpsiyonlu chillerlerin COP değerlerinin hesaplanması için, termodinami çevrimin her bir işleminde chiller ile ortam arasındai ısı transferleri açılanmış ve matematisel denlemleri verilmiştir. Adsorbent yatağı ve ondenseri üç falı yöntem ile soğutulan ve ii farlı silia jel tipi ullanan toplam altı chiller için, COP ve evaporatör apasiteleri incelenmiştir. Masimum adsorbent yatağı sıcalığı değiştirilere, COP ve evaporatör apasitesi değişimleri ii farlı silia jel için arşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyonlu ısı pompası, COP, adsorbent-adsorbat çifti. ABSTRACT In this study, woring principle of single bed and two bed adsorption chillers are briefly explained. Adsorbent adsorbate pairs used in adsorption chiller are investigated, the structure of different pairs, thermophysical properties, their advantages and disadvantages are summarized; the related isotherm graphs are given. For the calculation of COP values of the adsorption chiller, the heat transfer between the chiller and the environment for each process of the thermodynamic cycle is explained and mathematical equations are given. COPs and the evaporator capacities of 6 chillers whose adsorbent beds and condensers are cooled by three different methods are investigated for two different types of silica gels. By changing the maximum adsorbent bed temperature, the COPs and the evaporator capacities of the chillers are compared. Key words: Adsorption chiller, COP, adsorbent-adsorbate pair.
_ 1144 GÖSTERİMLER Alt indisler w adsorplanma mitarı (g/g) ads adsorpsiyon T sıcalı ( C) des desorpsiyon P basınç (Pa) on ondenser f fonsiyon ev evaporatör Q ısı (j/g) s adsorbent m ütle (g) g giriş c p özısı (j/gk) ç çıış H ads ortalama adsorpsiyon ısısı (J) sat doyma h fg buharlaşma entalpisi (J/g) atı COP performans atsayısı soğ soğutma 1. GİRİŞ Isıtma ve soğutma sistemleri, yaşam alanlarında onfor şartlarının sağlanması ve endüstriyel uygulamalarda da ullanılması açısından önemlidir. Anca birincil enerji aynalarının gidere azalması ve enerjinin maliyetinin gün geçtiçe yüselmesi nedeni ile ısıtma ve soğutma sistemlerinin enerji ihtiyacını arşılama aynı paralellite maliyetli hale gelmetedir. Günümüzde yüse COP lerinden dolayı meani ısı pompaları ısıtma ve soğutma sistemlerinde tercih edilen cihazlardır. Son zamanlarda, meani ısı pompalarında ullanılan soğutucu aışanların ozon tabaasına verdileri zararlar nedeni ile alternatif ısı pompaları arayışı artmıştır. Özellile atı ısı aynaları, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya doğal olan herhangi bir ısı aynağı doğrudan ullanılara soğutma işlemini sağlayan adsorpsiyonlu chiller sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Adsorpsiyonlu chillerler, enerji depolama ve daha sonra depolanan enerjiyi değerlendirme imânı yaratmasından dolayı da uygulama avantajı sağlamatadır. Sistem basit çalışma prensibine sahip olmasına rağmen, teni zorlulardan dolayı üretimi henüz istenilen düzeyde yaygınlaşmamıştır. Kesili bir çalışma prensibine sahip olması, düşü basınçta çalışmasından dolayı aça sorunlarının yaşanması, yüse vaum tenolojisine geresinim duyulması, daha hacimli ve ağır olması gibi dezavantajlarından dolayı bu tip ısı pompalarının yaygınlaşması için araştırma ve geliştirilme çalışmaları devam etmetedir. Adsorpsiyonlu chillerde ullanılaca çiftin seçilmesi için il önce ullanılaca yüse ve alça ısı aynağının basınç ve sıcalı değerleri, evaporasyon ve ondenzasyon sıcalıları gibi çalışma şartları göz önüne alınmalıdır. Daha sonra, değişi adsorbent-adsorbat çiftlerinin özellileri değerlendirilere en uygun adsorbent-adsorbat çifti seçilmelidir. Örneğin, uygulamada atif arbon metanol ve silia jel su çiftinde düşü sıcalı aynaları yeterli ien; zeolit su çiftinde yüse sıcalı aynalarının daha avantajlı olduğu görülmetedir [1]. San ve Lin [2] yaptıları çalışmada silia jel su, atif arbon metanol ve zeolit su çiftlerini arşılaştırmış, atif arbon metanol çiftinin yüse buhar basıncının, ısı transfer atsayısını arttırdığından ve çevrim süresini ısalttığından bahsetmiştir. Yong ve Wang ın [3] bir çalışmasında adsorbent yatağının ve dolayısı ile sistemin verimini arttırma için yeni nesil adsorbentlerden (modifiye edilmiş adsorbentler) faydalanılabileceği belirtilmiştir. Demir ve çalışma aradaşları [4] adsorpsiyonlu ısı pompalarında arşılaşılan problemler ve bu problemleri giderme için değişi üniversite ve uruluşlarda yapılan çalışmaları detaylı olara anlatmışlardır. Adsorbent yatalarında ısı ve ütle transferini arttırma için yapılan tasarımlar detaylı olara ele alınmıştır. Daha önce de belirtildiği gibi, adsorpsiyonlu chillerler termal enerji depolama özelliğine de sahiptirler. Ülü ve Mobedi [5] açı ve apalı adsorpsiyonlu sistemlerin enerji depolama uygulamalarını çalışmışlardır. Adsorpsiyonlu chillerde esili çalışmayı önleme ve soğutma çevrimine sürelili sağlama için ii veya daha fazla adsorbent yatağı ullanımı öngörülmüştür. Aynı sistemde farlı adsorbent-adsorbat çiftlerinin ullanıldığı durumlarda, sistem performansının yüseldiği çalışmalarca anıtlanmıştır. Örneğin Liu ve Leong un [6] çalışmasında 3 yatalı bir sistem ullanılmıştır. İi adsorbent yatağında zeolit - su çifti ile çalışılıren üçüncü adsorbent yatağında silia jel su çifti ullanılmıştır. Böylece, sistemin COP si arttırılmış ve bu değer 0.5 ten 1.3 e yüseltilmiştir.
_ 1145 Bu çalışmada te ve çift yatalı sistemlerin çalışma prensiplerine, literatürde yaygın olara ullanılan çiftlerin özellilerine ve sistem performansının hesaplanması için ullanılan bağıntılara yer verilmiştir. Bir adsorbent-adsorbat çifti için denge durumunun tanımı verilmiş ve değişi çiftlerin izotermleri arşılaştırılmıştır. Adsorbent yatağı ve ondenseri farlı yöntemler ile soğutulan ve farlı silia jel tipi ullanan 6 adsorpsiyonlu chillerin çevrim verimleri ve evaporatör apasiteleri arşılaştırılmıştır. 2. TEK VE ÇİFT YATAKLI ADSORPSİYONLU CHİLLERLERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Adsorpsiyon en basit hali ile bir aışanın atı bir yüzey tarafından tutulması olara açılanabilir. Kimyasal ve fizisel adsorpsiyon olara iiye ayrılır. Kimyasal adsorpsiyonda fazlar arasında reasiyon meydana gelmete ve etileşim bu şeilde gerçeleşmetedir. Fizisel adsorpsiyonda aışan (adsorpsiyonlu chillerlerde gaz fazındadır) atının iç yüzeyine tutunur. Bu tutunma, atı ile aışan moleülleri arasındai farlı meanizmalara sahip çeim uvvetleri tarafından meydana gelir. Gaz fazdai maddeye adsorptiv, tutan atı veya sıvı haldei maddeye de adsorbent denilmetedir [7]. Adsorbent geniş yüzey alanlı gözenelere sahip bir yapıdır. Adsorpsiyonlu chillerlerde, tersinir özelliğe sahip fizisel adsorpsiyon gerçeleşmete, amaç ve çalışma durumlarına göre farlı çiftler (silia jelsu, atif arbon - metanol, zeolit su, atif arbon amonya vb.) ullanılabilmetedir. Adsorpsiyonlu chillerlerin ana elemanları, adsorbent yatağı, ondenser, evaporatör, genleşme vanasıdır. Çevrimin çalışma şartlarına uygun olara adsorbent-adsorbat çifti seçilir. Bu bölümde te ve çift yatalı adsorpsiyonlu chillerlerin çalışma prensibi anlatılacatır. Te yatalı adsorpsiyonlu ısı pompası şemati olara Şeil 1 de gösterilmiştir. Başlangıçta adsorbent yatağında adsorbat onsantrasyonu düşü olup (w 0), V1 ve V2 vanaları apalıdır. Çevrim, evaporatör ile adsorbent yatağı arasında bulunan V1 vanasının açılması ile başlar. Bu durumda, adsorbat evaporatörde dolaşan soğutma suyundan ısı çeere buharlaşır ve soğutma suyunun sıcalığı düşürülür. Buharlaşan adsorbat, adsorbent yatağa doğru amaya başlar ve yatata bulunan adsorbent tanecileri tarafından adsorplanır. Adsorplama işlemi sırasında adsorbent yatağında adsorpsiyon ısısı ortaya çımatadır. Ortaya çıan ısının adsorbent yatağından çevreye transfer edilmesi ve adsorbent yatağının sıcalığı çevrimin minimum sıcalığına düşürülmesi geremetedir. Adsorpsiyon işlemi sonunda, adsorbent tanecileri doygun hale gelmiş ve adsorbat onsantrasyonu artmıştır. Çevrimin bu adımına izobari adsorpsiyon işlemi adı verilir. Şeil 1. Te Yatalı Adsorpsiyonlu Chillerin Şemati Gösterimi
_ 1146 Adsorpsiyon işlemi tamamlandığında V1 vanası apatılmata, adsorbent yatağına ısı verilere sıcalığı ve basıncı arttırılmatadır. Bu işlem izosteri ısıtma olara tanımlanır. Adsorbent yata basıncı ondenser basıncına ulaştığında V2 vanası açılmata ve desorpsiyon işlemi başlatılmatadır. Desorpsiyon işlemi esnasında adsorbent yatağına ısı transfer edilmete ve sıcalığı arttırılmatadır. Desorplanan adsorbat ondensere atarılır ve ondenserde çevreye ısı verere yoğuşmaya başlar. Adsorbent yatağı terar başlangıç onsantrasyonuna gelinceye adar desorpsiyon işlemine devam edilmetedir. Çevrimin bu adımına izobari desorpsiyon adı verilir. Desorpsiyon işlemi tamamlandıtan sonra, V2 vanası apatılara yata ile ondenser arasındai bağlantı esilir. Yata il onsantrasyon (w 0) durumunda olup, adsorbent yatağı soğutma işlemine tabi tutulmatadır. Soğutma işlemi, yata basıncı evaporatör basıncına düşünceye adar devam etmetedir. Bu işlem izosteri soğutma olara tanımlanır. Kondenserde bulunan sıvı fazındai adsorbat, genleşme vanasından geçirilere basıncı evaporatör basınç seviyesine düşürülmete ve evaporatöre atarılmatadır. Çevrimin bitmesi ile terar izobari adsorpsiyon işlemine başlanmatadır. Adsorpsiyonlu ısı pompaları esili çalışan sistemlerdir. Evaporatörden buharlaşan adsorbat, adsorbent tarafından adsorplanıren ondenserde herhangi bir işlem yapılmamatadır. Adsorbatın ondenserde yoğuşması sırasında ise evaporatörde bir işlem gerçeleşmemetedir. Bu da, soğutma prosesinin süreliliğini engellemetedir. Soğutma işleminin süreliliğini sağlama için, ii veya daha fazla adsorbent yatağı ullanılmatadır. Şeil 2 de çift yatalı bir adsorpsiyonlu chillerin şemati çizimi gösterilmetedir. Birinci adsorbent yatağında adsorpsiyon işlemi gerçeleşiren ve evaporatörde buharlaşan adsorbat soğutma suyundan ısı çeeren, iinci adsorbent yatağında desorpsiyon işlemi gerçeleştirilmete ve yüse basınçta buharlaşan adsorbat ondenserde yoğuşmatadır. Birinci adsorbent yatağında adsorplama ve iinci adsorbent yatağında desorplama işlemi bittiten sonra, birinci adsorbent yatağının evaporatörle olan ilişisi esilir, aynı anda da diğer yatağın evaporatörle olan bağlantısı açılır. Birinci yata desorplama işlemine geçeren, iinci yatata adsorbat adsorplanır ve çevrim bu şeilde her ii yatağı ullanara devamlılı azanır. Şeil 2. Çift Yatalı Adsorpsiyonlu Chillerin Şemati Gösterimi
_ 1147 3. ADSORPSİYONLU CHİLLERLERDE KULLANILAN DEĞİŞİK ÇİFTLERİN ÖZELLİKLERİ Bu bölümde, adsorpsiyonlu chillerlerde yaygın olara ullanılan adsorbent-adsorbat çiftlerinin yapısı, ullanım avantajları ve dezavantajları genel olara incelenmiştir. Adsorpsiyonlu ısı pompalarında çoğunlula aşağıdai çiftler üzerine çalışmalar yapılmıştır: a) silia jel su b) zeolit su c) atif arbon metanol d) atif arbon amonya Silia jel Si-O bazlı, amorf yapıda, gözeneli bir maddedir. Çeşitli gözene özellilerinde siliajel üretilmete olup, miro (gözene çapı ~ 0.1 nm) ve mezopor (gözene çapı ~2-3 nm) boyutlarındadır ve yalaşı 600 m 2 /g yüzey alanına sahiptir [1]. Silia jel yapay bir malzeme olup, farlı tiplerde üretilmetedir. Adsorpsiyonlu chillerlerde, en sılıla ullanılan tipleri Tip RD ve Tip A dır. Yüse su buharı adsorplama abiliyetine sahiptir. Son zamanlarda, silia jelin gözenelerine tuz bileşilerinin tutturulması ile su buharı adsorplama abiliyeti arttırılara, yeni nesil silia jel ürünleri üretilmetedir. Bu tip adsorbentlerin su buharı adsorplama apasitesi gelenesel silia jel tiplerine göre olduça yüsetir. Silia jel-su çifti, desorpsiyon sıcalığının düşü olması sebebi ile (~120 C), adsorpsiyonlu chillerlerin düşü sıcalıtai termal aynaları ile (jeotermal enerji, güneş enerjisi, atı ısı vb.) çalışmasına olana sağlamatadır. Zeolitler ristal yapıda alumino siliatlardır. Miro boyutta gözenelere sahip olup (gözene çapı ~ 0.1 nm), zincirli veya halalı yapılarda bulunabilirler. Doğal ve yapay olara ii gruba ayrılırlar. Yapay zeolitlerde 13X ve NaX zeolitler, adsorpsiyonlu chillerlerde en sı ullanılan tiplerdir. Zeolit - su çiftinin adsorpsiyon ısısı yüsetir. Yapay zeolitlerin su buharı adsorplama abiliyeti %35 e adar çıabilmetedir [8]. Zeolit su çiftinin dezavantajı ise silia jel su ve atif arbon metanol çiftlerine göre daha yüse desorpsiyon sıcalığına sahip olması ve dolayısı ile düşü enerji aynaları ile (örn. güneş enerjisi) verimli bir şeilde çalışamamasıdır. Atif arbon, odun, ömür veya yüse polimerlerin ativasyonu ile üretilen gözeneli bir maddedir. Çoğunlula miropor yapıda olup, yalaşı 1000 m 2 /g yüzey alanına sahiptir [9]. Çalışmalarda çoğunlula atif arbon - metanol çifti denenmiştir. Atif arbon metanol çifti 0 C nin altında çalışma özelliği ile farlılı göstermetedir. 150 C nin üstünde metanolün bozunması sebebi ile atif arbonmetanol çiftini ullanan adsorpsiyonlu chillerler yüse sıcalılarda çalışma imânına sahip değildirler. Atif arbon amonya çifti (atmosfer basıncına yaın) çalışma basıncı özelliği ile diğer çiftlerden farlılı gösterir. Diğer çiftlerde ullanılan adsorbatların buharlaşma basınçları düşü olduğu için sistem vaum altında çalışır. Anca amonyağın yüse buharlaşma basıncına sahip olması sistemin atmosfer basıncına yaın değerlerde çalışmasına izin verir [10]. Düşü vaum değerlerinde çalışan sistemlerde, özel tasarım ve eipmanların ullanımına gere duyulduğu için, bu tip sistemlerin maliyeti yüsetir. Ayrıca, atif arbon amonya çiftinin nispeten yüse basınçlarda çalışması, buhar ile atı yüzeyler arasında ısı transfer atsayısını arttırdığı için, çevrim süresinin ısalmasına neden olmata ve soğutma gücü artmatadır. Anca amonyağın orozif ve zehirli etisi, bu çiftin ullanımını sağlı ve çevresel etenler açısından ısıtlandırmatadır. 3.1 Adsorbent-Adsorbat Çiftlerinin Denge Durumu Belirli basınç ve sıcalı değerinde masimum adsorplanmanın gerçeleştiği duruma denge durumu adı verilir. Bu oşullarda adsorbent, gözenelerinin içine daha fazla adsorbatı abul etmemetedir, bir başa deyişle doygunlu durumundadır. Adsorpsiyonda denge durumu adsorbentin yüzey arateristiği, gözene yapısı ve boyutu, adsorbatın özellileri ve moleül boyutu, ortam sıcalığı ve basıncı gibi parametrelere bağlıdır. Adsorbent adsorbat çiftlerinin denge durumu, sistem oşullarını belirleme adına büyü önem taşımatadır. Adsorpsiyonlu chillerin, hangi basınç ve sıcalı oşullarında çalışacağına, anca adsorbent-adsorbat çiftinin denge durumunun bilinmesi ile arar verilebilir.
_ 1148 Adsorbent-adsorbat çiftinin denge durumu izoterm, izobar ve izoster grafileri ile tanımlanmatadır. Ayrıca, bu grafilerin matematisel denlemleri ile de ifade edilebilmetedir. Şeil 3`te izoterm, izobar ve izoster grafileri şemati olara gösterilmetedir. Görüldüğü gibi, izotermler bir çiftin, sabit sıcalıta, basınca bağlı değişen adsorplama abiliyetini (w=f(p) T ), izobarlar sabit basınçta sıcalıla değişen adsorplama abiliyetini (w=f(t) P ), izosterler ise sabit adsorplama apasitesinde, sıcalığa bağlı basıncın değişimini gösteren (P=f(T) w ) grafilerdir. Adsorbent-adsorbat çiftlerinde, denge durumunu deneysel olara belirleme için çeşitli yöntemler uygulanmatadır. Bunlar; hacimsel yöntem, ağırlı ölçümü yöntemi gaz romotografisi vb şelindedir. Hacimsel yöntemde, adsorbent ve adsorbat apalı hacimlerde sabit sıcalıta bulunmatadır. Adsorbent tanında gerçeleşen adsorpsiyon işlemi öncesi ve sonrası basınç değişiminden faydalanara, adsorplanan mitar hesaplanmatadır. Ağırlı ölçüm yönteminde, sabit sıcalıta bulunan adsorbentin uru durumu ile adsorpsiyon gerçeleştiten sonrai durumu arasındai a) İzoterm grafi örneği, b) İzobar grafi örneği, c) İzoster grafi örneği Şeil 3. Denge Durumunu Tanımlayan Grafi Çeşitleri ütlesel far adsorplanma mitarını belirler. Gaz romotografisi denge durumu için diğerlerine göre daha armaşı bir yöntemdir. Adsorpsiyon sırasında, adsorbentin değişen ısı iletimine bağlı olara ölçümler yapılır [11]. Ayrıca, alorimetre cihazı ile farlı şartlarda çiftin adsopsiyon ısısı ve ineti verileri elde edilebilir. Bu bölümde, adsorpsiyonlu chillerlerde sılıla ullanılan adsorbent-adsorbat çiftlerinin izoterm grafileri verilecetir. Çiftler, tiplerine göre değişi izoterm eğrileri verebilirler. Şeil 4,5 ve 6 da gösterilen grafilerde çeşitli adsorbent-adsorbat çiftlerinin izotermler eğrileri verilmiştir. En yaygın ullanılan adsorbent-adsorbat çiftlerinin izoterm denlemleri literatürde yer almıştır. Burada, sunulan izoterm eğrileri, literatürde bulunan denlemlerden faydalanılara çizilmiştir. Adsorbent-adsorbat çiftleri üzerine deneysel çalışma yapılmata ve elde edilen verilere farlı matematisel modellerle
_ 1149 (Freundlich, Dubinin-Astahov, Toth, Henry vb.) ifade edilmetedir. Bu denlemler, literatürde mevcut olup, bu maalede verilmemiştir. Şüphesiz elde edilen deneysel sonuçların ve ona bağlı olara izoterm denlemlerinin belirli basınç ve sıcalı aralılarında geçerli olması gereir. Anca, yaptığımız literatür araştırmasında sadece biraç tip için çalışma aralığına değiniliştir. Aşağıda verilen izoterm eğrileri 40 C sıcalı ve masimum 14 Pa basınç değerleri için geçerlidir. Şeil 4 te farlı tip silia jel su çiftleri ve bu tiplere ait izoterm denlemleri ullanılara elde edilmiş izoterm eğrileri gösterilmetedir. Literatür araştırması silia jel-su ile ilgili olduça veri bulunduğunu göstermetedir. Dolayısı ile adsorpsiyonlu soğutma ve ısıtma cihazlarında araştırmacılar tarafından yoğunlula silia jel - su çiftinin ullanıldığı sonucuna varılabilir. Birbirinden farlı denge eğrileri bulunan olduça falı silia jel tipi bulunmatadır. Şeilde görüldüğü üzere, bu silia jel tipleri değişi izoterm eğrileri vermetedir ve apasiteleri olduça değişim göstermetedir. Örneğin P/P sat = 1 durumu için tipi raporlanmamış 1 nolu çiftin masimum su buharı adsorplama abiliyeti %20 civarında ien silia jel S40 olara adlandırılan tipte su buharı adsorplama apasitesinin %70 civarında olduğu belirtilmetedir. Eğri davranışları, adsorbentlerin yapısı haında da bilgi verebilir. İzotermler IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) tarafından 6 grupta sınıflandırılmıştır. Şeil 4 tei 2 ve 3 nolu silia jel tiplerinde, IUPAC in adlandırdığı TİP I izoterm şeli gözlemlenmetedir. Bu da, bu silia jel tipinde mirogözeneli bir yapının haim olduğunu belirtir. 1 nolu silia jelde IUPAC in adlandırdığı TIP III izoterm şeli gözlenmetedir. Buradan, ço atmanlı adsorpsiyon gerçeleştiği ve maro boyutta gözenelerin çoğunluta olduğu tahmin edilebilir ve düşü basınçlarda adsorbent adsorbat çiftinin etileşiminin zayıf olduğu grafiten anlaşılmatadır. Anca, izoterm eğrileri elde ediliren deneylerin başlangıcında numunelerin yüzeylerinin adsorbattan tamamen arındırılmış olması, düşü basınç ve yüse desorplama sıcalığında işleme tabi tutulmuş olması izotermlerin doğruluğu açısından özel önem taşımatadır. 0,7 w (g/g) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,5 1 1,5 2 P/Psat 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1. Dubinin Astahov denlemi (tip bilinmiyor) [12], 2. Dubinin Astahov denlemi (silia jel S0) [13], 3. Dubinin Astahov denlemi (silia jel S40) [13], 4. Freundlich denlemi (tip RD, tip A) [14], 5. Freundlich denlemi (tip bilinmiyor) [12], 6. Freundlich denlemi (tip bilinmiyor) [15], 7. Freundlich denlemi (tip RD) [14], 8.Henry denlemi (tip 3A) [16], 9. Henry (tip RD) [16], 10. Empiri denlem (tip bilinmiyor) [2], 11. Toth denlemi (tip A) [17], 12. Toth denlemi (tip RD) [17] Şeil 4. Silia Jel Su Çifti İçin İzoterm Eğrileri Şeil 5 te zeolit 13X - su çiftinin izoterm eğrisi gösterilmiştir. Zeolit 13X su çifti için adsorplama işleminin çoğunun düşü basınçlarda tamamlandığı ve yalaşı P/P sat = 0.5 değerinde adsorplama işleminin dengeye ulaştığı gözlemlenmetedir. Bu çift için, IUPAC in adlandırdığı TİP I izoterminin söz onusu olduğu görülmetedir. Bu da, parçacı içerisinde mirogözenelerin çoğunluta olduğunu belirtir.
_ 1150 0,3 0,25 0,2 w (g/g) 0,15 0,1 0,05 0 0 0,5 1 1,5 P/Psat Şeil 5. Zeolit 13X Su Çifti İçin İzoterm Eğrileri 2 Şeil 6 da atif arbon - amonya çiftinin ii farlı tipi için izoterm eğrileri verilmetedir. Eğri davranışları IUPAC adlandırdığı TİP I izotermi ile uyum sağlamatadır. Bu da atif arbonun mirogözeneli yapıda olduğu bilgisini vermetedir. Eğri davranışları birbirine benzerli göstermetedir faat, aynı basınç değerlerinde farlı adsorplama apasitesine sahip olduları görülmetedir. Örneğin, P/Psat = 0.6 değerinde 1 nolu atif arbon % 28 adsorplama abiliyetine sahip ien, 2 nolu atif arbon yalaşı % 22 adsorplama abiliyetine sahiptir. Atif arbon amonya çiftinin grafiği diğer adsorbent adsorbat çifterinin grafiği ile arşılaştırılaca olursa, düşü basınçlarda adsorplama abiliyetinin olduça düşü olduğu anlaşılabilir. Atif arbon amonya çifti, amonyağın yüse doyma basıncı özelliğinden dolayı nispeten yüse basınç aralılarında çalışmaya elverişlidir. 1. Dubinin Radushevic denlemi (monoliti arbon LM127), 2. Dubinin Radusevich denlemi (monoliti arbon LM001) [19] Şeil 6. Atif Karbon - Amonya Çiftleri İçin İzoterm Eğrisi
_ 1151 4. ADSORPSİYONLU CHILLERLERİN COP DEĞERİNİN HESAPLANMASI Adsorpsiyonlu soğutmada adsorbent yatağında gerçeleşen işlemler, izobari adsorpsiyon, izosteri ısıtma, izobari desorpsiyon ve izosteri soğutma olara dört basamata incelenebilir. Şeil 8 adsorbent yatağında gerçeleşen işlemlerin izoster grafiğinde çizimini göstermetedir. İzobari adsorpsiyon (d-a): Evaporatörde çevreden ısı çeere buharlaşan adsorbat, adsorbent yatağında bulunan adsorbent partiülleri tarafından adsorbe edilmetedir. Yata sıcalığı sabit basınçta T a sıcalığından T d sıcalığına düşürülmetedir. Izobari adsorpsiyon işlemi sırasında adsorbent yatağından çevreye verilen ısı aşağıdai denli yardımı ile bulunabilir: Q da w w d a m c p (Td Ta ) m ( )c ps (Td Ta ) m (w max w min) H ads (1) 2 İzosteri ısıtma (a-b): Adsorbent yata sıcalığı dışarıdan ısı girişi ile T a dan T b ye yüseltilmetedir. İşlem sırasında adsorbent yatağından adsorbat mitarı değişmemetedir. Adsorbent yatağı ile çevre arasındai ısı alışverişi aşağıda denlem ile bulunabilir: Q ab m c (T T ) m w c (T T ) (2) p b a max ps b a İzobari desorpsiyon (b-c): Bu aşamada da adsorbent yatağına ısı girişi devam etmetedir. Anca desorpsiyon başlamata; desorpsiyonla açığa çıan buhar, ondensere amata ve sabit basınçta yoğuşmatadır. İzobari desorpsiyon sırasında yatağa verilmesi gereen ısı mitarı aşağıdai denlemle hesaplanabilir: Q bc w w b c m c p (Tc Tb ) m ( )c ps (Tc Tb ) m (w max w min) H ads (3) 2 İzosteri soğutma (c-d): Yata sıcalığı T c ye ulaştıtan sonra T d sıcalığına soğutuluren, basıncı ondenser basıncından evaporatör basıncına düşmetedir. İzosteri soğutma işleminde yatatan çeilmesi gereen ısı aşağıdai denli ile hesaplanabilir: Q cd m c (T T ) m w c (T T ) (4) p c d min ps c d Evaporatörün çevreden çetiği ve ondenserin çevreye verdiği ısı mitarları; Q Q ev on m (w w ) h (5) max max min min fg(ev) m (w w ) h (6) fg(on) denlemleri ile hesaplanabilir.
_ 1152 Şeil 7. Adsorbent Yatağındai İşlemlerin İzoster Grafiğinde Gösterimi [5] Soğutma etisi, izobari adsorpsiyon işlemi (d-a) sırasında evaporatördei soğutma suyundan ısı çemesi ile gerçeleşmetedir. Çevrimin soğutma COP si (Coefficient of Performance) aşağıdai denlemle tanımlanır: COP soğ ev (7) Q ab Q Q bc 4.1 İzmir Şartları İçin Üç Farlı Adsorpsiyonlu Chillerin Çevrim Analizi Daha önce de değinildiği gibi, adsorpsiyonlu ısı pompaları dört işlemden (izobari adsorpsiyon, izosteri ısıtma, izobari desorpsiyon ve izosteri soğutma) oluşmatadır. Adsorbent yatağının masimum ve minimum sıcalı değerleri ço önemlidir. Pratite, yüse sıcalı ısı aynağının (örn. güneş ve jeotermal enerjileri) sıcalığı T c sıcalığından (Şeil 7) daha yüse olması gereir. Örneğin düzlemsel bir güneş oletöründe masimum elde edilebilece sıcalı 90 C olursa, adsorbent yatağının masimum sıcalı değeri (T c ) 85 C civarında olması gereir. Adsorbent yatağının minimum sıcalığı çevrim verimi açısından önem taşımatadır. Adsorbent yatağının minimum sıcalığı düşü sıcalı ısı aynağının tipine bağlıdır. Örneğin İzmir de yaz mevsimi ortalama sıcalığı 35 C olara abul edilirse, hava ile soğutulan adsorbent yatağının minimum sıcalı değeri 40 C olabilir. Anca, eğer soğutma ulesi ullanılara adsorbent yatağı soğutuluyorsa minimum sıcalı değeri 35 C ye adar düşebilmetedir. Düşü sıcalılı bir ısı aynağı ullanılara (örn. 25 C civarında) soğutuluyorsa, adsorbent yatağı sıcalığı 30 C ye adar düşürülebilir. Evaporasyon sıcalığı adsorpsiyonlu chillerlerin tasarımında göz önüne alınması gereen diğer bir parametredir. Chillerlerin soğu su giriş ve çıış sıcalarının pratite 12 ve 8 C olduğunu düşünürse, evaporasyon sıcalığı 3 C civarında olabilir, bu da su için P ev = 0.767 Pa a arşı gelmetedir. Çevrim veriminde ve uygulamada ondenser sıcalığı da büyü önem taşımatadır. Adsorbent yatağın minimum sıcalığına benzer şeilde, İzmir şartlarında, ondenser sıcalığı hava ile soğutulduğunda 40 C, soğutma ulesi ullanılara soğutulduğunda 35 C ve düşü sıcalı ısı aynağı vasıtası ile soğutulduğunda 30 C civarında varsayılabilir. Kondenser sıcalığı ayrıca adsorbent yatağının yüse çalışma basıncını belirlemetedir.
_ 1153 (a) (b)
_ 1154 (c) Şeil 8.İzmir Şartları İçin Verim Analizinin Yapıldığı Chillerler; a) hava ile soğutulan chiller, b) Soğutma ulesi ile soğutulan chiller, c) düşü sıcalılı ısı aynağı ile soğutulan chiller Bu çalışmada, Şeil 8a, 8b ve 8c de gösterilen 3 farlı adsorpsiyonlu chiller için çevrim analizi yapılmıştır. Yapılan analizde masimum sıcalığa göre çevrimin verimi ve soğutma apasitesinin değişimi İzmir şartları için incelenmiştir. Bu incelemede evaporatör sıcalığı ve basıncı sırası ile 3 C ve 0.767 Pa olara abul edilmiştir. İnceleme ii tip silia jel su çifti için yapılmıştır, anca şüphesiz diğer tip adsorbent-adsorbat çiftlerine de uygulanabilir. Çalışması yapılan silia jeller Tip RD ve S0 dır. Bu tiplerin izotermleri Şeil 4 te verilmiştir. Chiller 1 de adsorbent yatağı ve ondeser hava ile soğutulmatadır. Bu nedenle adsorbent yatağının minimum sıcalı değeri ve ondenser sıcalığı 40 C olara abul edilmiştir. Bu durumda çevrimin yüse basınç değeri ise 7.3 Pa dır. Chiller 2 de ise adsorbent yatağı ve ondenser, soğutma ulesi ile soğutulmatadır. Bu nedenle, ondenser ve adsorbent yatağının minimum sıcalığı 35 C olara abul edilmiştir. Çevrimin ondenser basıncı ise 5.81 Pa dır. Chiller 3 te ise 25 C ısı aynağı ullanılara adsorbent yatağı ve ondenserin soğutulması düşünülmüş, bu durumda ondenser ve adsorbent yatağının minimum sıcalığı 30 C olara belirlenmiştir ve çevrimin yüse basıncı 4.2 Pa dır. a b a) Silia jel tip RD b) Silia jel S0 Şeil 9. Chiller 1 İçin T c ye Göre Evaporatör Kapasitesi ve COP Değişimleri
_ 1155 Şeil 9, hava soğutmalı chillerde (Chiller 1), çevrim verimini ve evaporatör soğutma apasitesini ii farlı tip silia jel su çifti ullanımı için göstermetedir. Şeilde, T c sıcalığının artması ile her ii tip silia jelde de evaporatör soğutma apasitesinin arttığı gözlemlenmetedir. T c sıcalığı arttıça soğutma COP si de artmata, anca 110 C nin üzerindei sıcalılarda artış azalara COP değeri 0.5 civarında sabit almatadır. Silia jel S0 ile tip RD arasında bir ıyaslama yapma gereirse, S0 ın aynı T c sıcalığında, daha yüse evaporatör apasitesi ve COP değerine sahip olduğu gözlenebilir. Örneğin, T c sıcalığı 100 C seçilirse, tip RD silia jel su çifti ile çalışan chiller 30000 J civarında evaporatör apasitesine ve 0.35 COP değerine sahip ien, S0 silia jel su çifti ile çalışan chiller 120000 J evaporatör apasitesine ve 0.665 COP değerine sahiptir. a b a) Silia jel tip RD b) Silia jel S0 Şeil 10. Chiller 2 İçin T c ye Göre Evaporatör Kapasitesi ve COP Değişimleri Şeil 10, soğutma ulesi ullanılan chillerde (Chiller 2) çevrim verimini ve evaporatör soğutma apasitesini tip RD ve S0 silia jeller için göstermetedir. Bir öncei örnete olduğu gibi, T c sıcalığının artması ile her ii tip silia jelde de evaporatör soğutma apasitesinin arttığı gözlemlenebilir. COP ler ii tip silia jel için de T c = 95 C sıcalığının üstünde sabit alma eğilimindedir. Soğutma ulesi ullanılan chillerde de Silia jel S0, tip RD ye göre daha yüse evaporatör apasitesi ve daha yüse COP değerine sahiptir. a b a) Silia jel tip RD b) Silia jel S0 Şeil 11. Chiller 3 İçin T c ye Göre Evaporatör Kapasitesi ve COP Değişimleri Şeil 11, düşü sıcalılı ısı aynağı ullanılara soğutulan chillerin (Chiller 3) çevrim verimini ve evaporatör soğutma apasitesini göstermetedir. Diğer ii chillerde gözlendiği gibi, Chiller 3 te de T c sıcalığı ile evaporatör apasiteleri doğru orantılı; COP değeri ise T c = 80 C sıcalığına adar doğru orantılı artmatadır. Bu grafilerden de, S0 silia jel in tip RD silia jele göre daha yüse evaporatör apasitesi ve COP değerlerine sahip olduğu sonucu çıarılabilir. Aynı silia jel tipleri için, chillerler ıyaslanaca olursa; Chiller 3 ün (düşü sıcalılı ısı aynağı ile soğutulan, ondenser sıcalığı 30 C, basıncı ise 4.2 Pa) en yüse evaporasyon apasitesi ve COP
_ 1156 değerine sahip olduğu yorumu yapılabilir. Örneğin, silia jel tip RD su çifti ullanılan chillerlerde, T c sıcalığı 100 C olduğunda; Chiller 1 de evaporatör apasitesi yalaşı 30000 J, Chiller 2 de yalaşı 73000 J, Chiller 3 te ise yalaşı 122000 J değerlerinde olacatır. Bu çevrimlerin COP leri arşılaştırılaca olursa, T c sıcalığı 95 C seçildiğinde; Chiller 1 de COP = 0.264, Chiller 2 de COP = 0.532, Chiller 3 te ise COP = 0.665 olacatır. Görüldüğü gibi, aynı adsorbent adsorbat çiftinin ullanımında dahi, adsorbent tipi değiştiğinde chillerin çalışma aralıları, evaporasyon apasitesi ve verimi değişmetedir. Aynı zamanda chillerlerin soğutma sıcalıları da verimi etilemetedir. SONUÇ Bu çalışmada, adsorpsiyonlu chillerlerde ullanılabilece çiftlerin özellileri ve çevrim performansları incelenmiştir. Tasarlanan chillerlerin evaporatör apasitesi ve COP leri sadece farlı çiftlerin (silia jel- su, atif arbon - metanol v.s.) ullanımında değil, aynı zamanda her çiftte ullanılan adsorbentlerin tiplerine göre de olduça değişim göstermetedir. Farlı tipte adsorbentler farlı izoterm eğrileri verebilmete ve buna bağlı olara termodinami çevrimin verimini değiştirmetedir. 3 farlı adsorpsiyonlu chiller için çevrim analizi yapılmış, çevrimin masimum sıcalığına göre chillerin verimi ve soğutma apasitesinin değişimi İzmir şartları için incelenmiştir. Adsorbent yatağı ve ondenserin soğutma yönteminin, çevrim performansını olduça etilediği görülmüştür. Adsorbent yatağının minimum sıcalığı düştüçe, çevrimin minimum ve masimum adsorbat onsantrasyonları arasındai far artmata, buna bağlı olara adsorbatın buharlaşma mitarı artmatadır. Her bir chiller çeşidi için ii farlı tip silia jel ile çalışma yapılmış, silia jel S0 ile çalışıldığında, tip RD ye göre evaporasyon apasitesi ve sistem performansının olduça yüse olduğu görülmüştür. Her ii tip silia jel ullanımında da T c sıcalığı ile evaporasyon apasitesinin doğru orantılı olduğu bulunmuştur. COP değeri ise belirli bir sıcalığa adar artmata, daha sonra değişimi azalmatadır. Bu çalışmadan anlaşılacağı üzere, adsorbent-adsorbat çiftleri farlı davranışlar göstermete ve bu davranışlar sistem performansını etilemetedir. Adsorpsiyonlu chiller de ullanılaca uygun çiftin seçilmesi için, çiftin adsorpsiyon davranışı iyi tespit edilmeli, çalışma basınç ve sıcalı aralıları değerlendirilmelidir. Ayrıca, chillerde adsorbent yatağı ve ondenserin soğutma oşulları ve buna bağlı minimum sıcalı değerleri göz önünde bulundurulmalıdır. KAYNAKLAR [1] WANG D. C., LI Y. H., XIA Y. Z., ZHANG J. P., A review on adsorption refrigeration technology and adsorption deterioration in physical adsorption systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009 [2] SAN J., LIN W., Comparison among three adsorption pairs for using as the woring substances in a multi-bed adsorption heat pump, Applied Thermal Engineering, 28, pp. 988 997, 2008 [3] YONG L., WANG R. Z., Adsorption Refrigeration: A Survey of Novel Technologies, Recent Patents on Engineering, 1, 1-21, 2007, [4] DEMİR H., MOBEDİ M., ÜLKÜ S., A review on adsorption heat pump: problems and solutions, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2381-2403, 2008 [5] ÜLKÜ S., NİKNAM S., DEĞİRMEN E., Güneş enerjisinden faydalanara doğal zeolitlerin ullanımı ile ısıtma ve soğutma, Isı Bilimi ve Teniği Dergisi, 8, 13-20, 1986 [6] LIU Y., LEONG K. C., Numerical study of a novel cascading adsorption cycle, International Journal of Refrigeration, 29, pp. 250 259, 2006 [7] DEMİR H., MOBEDİ M., ÜLKÜ S., Adsorpsiyonlu ısı pompları, VII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 535-545, 2008
_ 1157 [8] GOTTARDI G., GALLI E., Natural Zeolites, Springer-Verlag, 1985. [9] CRITOPH R. E., ZHONG Y., Review of trends in solid sorption refrigeration and heat pumping technology, Proc. ImechE, 219, pp. 285 300, 2006 [10] SUMATHY K., YEUNG K.H., YONG L., Technology development in the solar adsorption refrigeration systems, Progress in Energy and Combustion Science, 29-4, pp. 301 327, 2003 [11] WANG L. W., WANG R.Z., OLIVEIRA R. G., A review on adsorption woring pairs for refrigeration, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp. 518 534, 2009 [12] AFONSO M. R. A., SILVEIRA J. V., Characterization of equilibrium conditions of adsorbed silica gel-water bed according to Dubinin-Astahov and Freundlich, Thermal Engineering, 4, pp. 3-7, 2005 [13] DAWOUD B., ARISTOV Y., Experimental study on the inetics of water vapor sorption on selective water sorbents, silica gel and alumina under typical operating conditions of sorption heat pumps, International Journal of Heat and Mass Transfer, 46, pp. 273 281, 2003 [14] SAHA B. B., CHAKRABORTY A., KOYAMA S., ARISTOV Y. I., A new generation cooling device employing CaCl2-in-silica gel water system, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 516 524, 2009 [15] XIA Z. Z., CHEN C. J., KIPLAGAT J. K., WANG R. Z., HU J. Q., Adsorption Equilibrium of Water on Silica Gel, J. Chem. Eng. Data, 53 10, 2462 2465, 2008 [16] NG K. C., CHUA H. T., CHUNG C. Y., LOKE C. H., KASHASIWAGI T., AKISAWA A., SAHA B. B., Experimental investigation of the silica gel-water adsorption isotherm characteristics, Applied Thermal Engineering, 21, pp. 1631 1642, 2001 [17] CHUA H. T., NG K. C., CHAKRABORTY A., OO N. M., OTHMAN M. A., Adsorption characteristics of silica gel - water systems, J. Chem. Eng. Data, 47, pp. 1177 1181, 2002 [18] AMAR N. B., SUN L. M., MEUNIE F., Numerical analysis of adsorptive temperature wave regenerative heat pump, Applied Thermal Engineering, 16, pp. 405 418, 1996 [19] TAMAINOT-TELTO Z., METCALF S. J., CRITOPH R. E., ZHONG Y., THORPE R., Carbon ammonia pairs for adsorption refrigeration applications: ice maing, air conditioning and heat pumping, International Journal of Refrigeration, 32, 1212-1229, 2009 ÖZGEÇMİŞ Zeynep Elvan YILDIRIM 1986 yılı İzmir doğumludur. 2008 yılında Ege Üniversitesi Kimya Mühendisliği Lisans programından mezun olmuştur. 2008 yılında İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü Enerji Mühendisliği programında yüse lisansa başlamıştır. 2009 yılından bu yana aynı programda Araştırma Görevliliğini sürdürmetedir. Gamze GEDİZ İLİŞ 1978 İzmir doğumludur. 2001 yılında Douz Eylül Üniversitesi Maina Mühendisliği Lisans programından mezun olmuştur. 2004 yılında İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü Maina Mühendisliği Yüse Lisans programını, ardından 2006 yılında aynı üniversitenin Mühendisli İşletmeciliği Yüse Lisans programını bitirmiştir. 2004 2007 yılları arasında Koç Holding e bağlı DemirDöüm Şiretinde Pazarlama Ürün Sorumlusu olara görev yapmıştır. Şu anda, İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü Maina Mühendisliği Bölümü nde Dotora programına devam etmete ve aynı bölümde Araştırma Görevlisi olara görev almatadır. Moghtada MOBEDİ Douz Eylül Üniversitesi, Maina Mühendisliği Bölümü nde 1985 ve 1987 yıllarında lisans ve yüse lisan eğitimlerini bitirmiş, 1994 yılında ODTÜ Maine Mühendisliğ Bölümü nde Dotora eğitimini tamamlamıştır. 1995 1998 yılları arasında Orumieh Üniversitesi nde öğretim üyesi olara ve 1998 2005 yılları arasında da ısıtma, lima ve havalandırma setöründe çalışmıştır. Halen İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü nde, Maina Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesi olara çalışmatadır.
_ 1158 Semra ÜLKÜ ODTÜ, Kimya Mühendisliği nden 1969 yılında mezun olmuş, ısı transfer alanındai çalışmaları ile aynı üniversitede Yüse Mühendis (1971) ve Dotora (1975) ünvanlarını almıştır. AZOT işletmelerinde çalışmasına taiben Douz Eylül ve EGE Üniversiteleri, Maina ve Kimya Mühendisleri Bölümleri nde Doçent ve Profesör olara çalışmıştır. Enerji Depolama, Isı Pompaları, Isı Transferi alanında çeşitli çalışmaları mevcuttur. 1998 2006 yılları arasında Izmir Yüse Tenoloji Enstitüsünde retör olara görev yapmış, halen İzmir Yüse Tenoloji Enstitüsü nde, Kimya Mühendisliği Bölümü nde öğretim üyesi olara çalışmatadır.