OTEKON 16 8. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 3 4 Mayıs 016, BURSA R134a ve R134yf SOĞUTUCU AKIŞKANLARINI KULLANAN OTOMOBİL İKLİMLENDİRME SİSTEMİ PERFORMANSININ AMPİRİK BAĞINTILAR İLE BELİRLENMESİ Mümin Celil Aral *, Murat Hoşöz **, Mukhamad Suhermanto * * Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Umuttepe, 41380, KOCAELİ ** Kocaeli Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Umuttepe, 41380, KOCAELİ ÖZET Bu çalışmada, bir otomobile ait iklimlendirme sisteminin orijinal elemanlarından oluşan deneysel bir sistem kurulmuş ve mekanik ölçüm cihazlarıyla donatılmıştır. Deneysel otomobil iklimlendirme sisteminin sürekli rejim performans parametrelerini belirlemek amacıyla R134a soğutucu akışkanı için dört farklı kompresör devrinde ve on farklı buharlaştırıcı-yoğuşturucu hava giriş sıcaklık kombinasyonunda testler yapılmıştır. Daha sonra, soğutucu akışkan R134yf ile değiştirilerek testler tekrarlanmıştır. Deneysel sistemin sürekli rejim performans parametrelerini matematiksel yolla elde edebilmek amacıyla iki farklı ampirik bağıntı geliştirilmiştir. Söz konusu ampirik bağıntıların giriş parametreleri buharlaştırıcı ve yoğuşturucu hava giriş sıcaklıkları ile buharlaştırıcı girişindeki bağıl nem olarak belirlenmiştir. Çıkış parametreleri ise sistemin soğutma kapasitesi, kompresör tarafından soğutucu akışkana verilen güç, yoğuşturucudan atılan ısı, soğutma tesir katsayısı ve kompresör çıkış sıcaklığıdır. İlk olarak, deneysel sistemin çıkış performans parametreleri ölçümler ve enerjinin korunumu yasası kullanılarak belirlenmiştir. Daha sonra, deneysel sonuçların bir kısmı kullanılarak çıkış parametrelerini veren ampirik bağıntılar elde edilmiş ve bunların sonuçları, bağıntıların geliştirilmesinde kullanılmayan deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Bağıntılardan elde edilen sonuçların istatistiksel performansları korelasyon katsayısı, ortalama izafi hata ve karelerin karekökü türünden ortalama hata türlerinden belirlenmiştir. Çoğu performans parametresi için her iki bağıntı ile yapılan tahminlerin deneysel sonuçlara çok yakın değerler verdiği ve iki bağıntının da taşıt iklimlendirme sistemlerinin performansını belirlemede kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Anahtar kelimeler: Otomobil iklimlendirmesi, R134a, R134yf, performans, ampirik DETERMINING THE PERFORMANCE OF AN AUTOMOBILE AIR CONDITIONING SYSTEM WITH REFRIGERANTS R134a AND R134yf BY USING EMPIRICAL CORRELATIONS ABSTRACT In this study an experimental system consisting of original components of an automobile air conditioning system (AAC) was set up and instrumented for mechanical measurements. In order to determine steady state performance parameters of the experimental AAC system, tests were performed at four different compressor speeds and ten different combinations of air temperatures at the inlets of the evaporator and condenser using R134a. Then, the refrigerant R134yf was charged into the system and tests were repeated. For the aim of determining the steady state performance parameters of the experimental system mathematically, two different empirical correlations were developed. The input parameters of these correlations were the air stream temperatures entering the evaporator and condenser and the relative humidity of the air stream at the evaporator inlet. The output parameters, on the other hand, were the cooling capacity, power given to the refrigerant by the compressor, condenser heat rejection rate, coefficient of performance and compressor discharge temperature. First, the output parameters of the experimental AAC system were evaluated using the measurement data and the principle of the conservation of energy. Then, two empirical correlations yielding the output parameters were obtained using some sets of the experimental results. Afterwards, the results of the empirical
correlations were compared with the experimental results which were not utilised when developing the correlations. The statistical performance of the empirical results was evaluated in terms of correlation coefficient, mean relative error and root mean square error. It was revealed that the predictions of both correlations for most performance parameters were in good agreement with experimental results, and both correlations could be successfully used for determining the performance of AAC systems. Keywords: Automobile air conditioning, R134a, R134yf, performance, empirical. 1. GİRİŞ Otomobillerde iklimlendirme sistemlerinin kullanımı, 1930 lu yıllarda General Motors firması tarafından Kloroflorokarbon (CFC) grubu soğutucu akışkanlar ile çalışan taşıt klimalarının geliştirilmesiyle başlamıştır. Taşıt iklimlendirme sistemleri, çevrede daha az olumsuz etkilere yol açacak, yolcu kabini içinde daha iyi bir termal konfor sağlayacak ve daha düşük ilk yatırım ve işletme maliyetlerine sahip olacak şekilde önemli değişimlerden geçmiştir [1]. Günümüzdeki taşıt iklimlendirme sistemlerinin neredeyse tamamında buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi kullanılmakta olup motor krank milinden alınan güç ile tahrik sağlanmaktadır. Sürekli değişen motor devri nedeniyle otomobil iklimlendirme sistemleri, sürekli değil, geçici rejimde çalışmaktadır. Bu yönleriyle evsel iklimlendirme sistemlerine göre farklılık göstermektedir []. 1987 deki Montreal Protokolü, otomobil iklimlendirme sistemlerinde kullanılan R1 soğutucu akışkanının da dâhil olduğu Kloroflorokarbon (CFC) grubundaki soğutucu akışkanların kullanımını, sahip oldukları yüksek ozon tüketme potansiyeli (ODP) nedeniyle kısıtlamıştır. Söz konusu protokole göre; gelişmiş ülkelerde 1996, gelişmekte olan ülkelerde ise 010 yılına kadar CFC kullanımına son verilmiştir [3]. Bunun sonucunda, taşıt iklimlendirme sistemlerinde 1994 yılından bu yana R1 yerine Hidroflorokarbon (HFC) grubundan olan R134a soğutucu akışkanı kullanılmaya başlanmıştır. R134a, R410a, R407c ve R404a gibi soğutucu akışkanlar ozon tabakası için tamamen zararsız olsalar da, çok yüksek küresel ısınma potansiyeline (GWP) sahiptirler. Dünyamızın küresel ısınmadan giderek artan düzeyde olumsuz yönde etkilenmesi sonucu, 1997 yılında imzalanan Kyoto Protokolü ile yüksek ozon tüketme potansiyeline sahip gazların yanı sıra, R134a'nın (ODP = 0, GWP = 1430) da içerisinde bulunduğu yüksek küresel ısınma potansiyeline sahip gazların da kontrolü zorunlu tutulmuş ve kullanımlarına ilişkin bazı düzenlemeler getirilmiştir [4]. Bu düzenlemelere göre, R134a nın 017 den itibaren taşıt iklimlendirme sistemlerinde kullanılması kısıtlanmıştır. R134a'ya alternatif olarak kullanılabilme potansiyeline sahip soğutucu akışkanlar CO, R15a, ve R134yf olarak görülmektedir. CO kullanımının yüksek basınçlar gerektirmesi ve kısmen düşük enerji performansı ile sonuçlanması, R15a'nın ise tutuşabilirliğinin nispeten yüksek oluşu, R134yf akışkanını en güçlü alternatif aday haline getirmektedir [5]. Taşıt iklimlendirme sistemlerinin pratikte nadiren sürekli rejimde çalıştığı bilinmesine karşın, bu alanda daha önce yapılan araştırmaların çoğu taşıt iklimlendirme sistemlerinin sürekli rejim performanslarını belirlemeye yöneliktir. Vargas ve Parise [6], değişken kapasiteli kompresör kullanan bir otomobil ısı pompası sisteminin performansını bulabilen bir matematik model üzerinde çalışmışlardır. Alkan ve Hosoz [7], termostatik genleşme valfi kullanan bir otomobil iklimlendirme sisteminin deneysel performansını, sabit ve değişken kapasiteli kompresörler kullanılması durumu için karşılaştırmalı olarak araştırmışlardır. Aynı araştırmacılar, sabit kapasiteli kompresör kullanan, R134a lı bir otomobil iklimlendirme sisteminin deneysel performansını, genleşme elemanı olarak orifis tüp ve termostatik genleşme valfi kullanılması durumları için belirlemişlerdir [8]. Kiatsiriroat ve Euakit [9], soğutucu akışkan olarak R/R14/R15A karışımı kullanılan bir otomobil klimasının buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi üzerinde çalışmış ve her bir bileşen için geliştirdikleri matematiksel modelleri sistemi simüle etmek amacıyla kullanmışlardır. Hosoz ve Direk [10], havadan havaya bir otomobil ısı pompası geliştirerek sistemin ısıtma durumundaki deneysel performansını soğutma durumundaki performansı ile karşılaştırmışlardır. Hosoz ve Ertunc [11], soğutucu akışkan olarak R134a kullanan bir otomobil iklimlendirme sisteminin çeşitli performans parametrelerini yapay sinir ağları yöntemi ile tahmin edebilen bir model üzerinde çalışmışlardır. Belman- Flores ve Ledesma [1], yapay sinir ağları kullanarak bir otomobil iklimlendirme sistemine ait R134yf lı buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin enerji performansını belirleyen bir model geliştirmişlerdir. Hosoz ve arkadaşları [13], ısı kaynağı olarak çevre havası, motor soğutma suyu veya egzoz gazını kullanabilen R134a soğutucu akışkanlı bir otomotiv ısı pompası sistemi geliştirerek performansını test etmişlerdir. Deneysel sonuçlar yardımıyla sisteme enerji ve ekserji analizlerini uygulayıp üç farklı ısı kaynağı için sistem performans parametrelerini karşılaştırmışlardır. Yukarıda verilen literatür araştırmasından görüldüğü gibi, daha önce yapılan çalışmalarda farklı soğutucu akışkanlar veya farklı sistem bileşenleri kullanılarak bir otomobil iklimlendirme sisteminin sürekli rejim performans parametrelerinin elde edilmesi yönünde çok sayıda deneysel çalışma bulunmaktadır. Ancak, bilinen literatürde belirli bir otomobil iklimlendirme sisteminin çeşitli soğutucu akışkanlar, farklı kompresör devirleri ve iç/dış ünite hava giriş sıcaklıkları altındaki sürekli rejim
performans parametrelerinin ampirik bağıntılarla elde edilmesi yönünde bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, laboratuar ortamında orijinal otomobil iklimlendirme sistemi bileşenlerinden oluşturulan ve soğutucu akışkan olarak R134a ile R134yf kullanabilen deneysel bir otomobil iklimlendirme sisteminin sürekli rejim durumundaki performans parametreleri, her iki akışkan için ampirik bağıntılarla elde edilmiş ve deneysel yöntemlerle elde edilen performans parametreleri ile karşılaştırılmıştır. Bağıntılardan elde edilen sonuçlar, istatistiksel performans sonuçlarıyla birlikte grafikler halinde sunulmuştur.. DENEYSEL ÇALIŞMA Çalışma kapsamında kurulan deneysel taşıt iklimlendirme sistemi, kompakt bir otomobile ait R134a soğutucu akışkanlı otomobil iklimlendirme sisteminin orijinal elemanlarından oluşmaktadır. Buna ek olarak, istenilen şartlar altında sistemin test edilebilmesi ve gerekli mekanik ölçümlerin yapılabilmesi amacıyla çeşitli yardımcı elemanlar ve ölçüm cihazları bulunmaktadır. Sistemin fotoğrafı ve şematik resmi, sırasıyla Şekil 1 ve Şekil 'de görülmektedir. Sistem beş silindirli yalpalı plakalı kompresör, kanatçık-plaka tipi lamine buharlaştırıcı, paralel akışlı mikro kanallı yoğuşturucu, sıvı tankı, filtre/kurutucu, termostatik genleşme valfi, çeşitli mekanik ölçüm cihazları ve data toplama sisteminden oluşmaktadır. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı, uzunlukları 1 metre olan ve akış kesit alanları sırasıyla 0,35 ve 0,058 m olan hava kanalları içerisine yerleştirilmiştir. Yoğuşturucu hava kanalı içerisinde hava akışı sağlamak amacıyla, 0,18 m 3 /s debide maksimum hava akışı oluşturabilen eksenel fan kullanılmıştır. Buharlaştırıcı kanalı içerisinde hava akışı oluşturabilmek amacıyla ise 0,11 m 3 /s debide akış oluşturabilen bir santrifüj fan kullanılmıştır. Şekil 1. Deneysel otomobil iklimlendirme sisteminin genel görünümü Şekil. Deneysel otomobil iklimlendirme sisteminin şeması
Çizelge 1. Ölçüm cihazlarının özellikleri Ölçülen özellik Ölçüm cihazı Ölçüm aralığı Doğruluk Sıcaklık K tipi ısıl çift -50 500 C ± 0,3% Basınç Basınç transmitteri 0 5 bar ± 0,% Bourdon manometre 1 10, 0 30 Bar 0,1 0,5 Bar Hava akımı hızı Anemometre 0,1 15 m/s ± 3,0% Soğutucu akışkan debisi Coriolis tipi debimetre 0 350 kg/h ± 0,1% Kompresör devri Fotoelektrik takometre 10 100000 rpm ± % Sistemi istenilen hava sıcaklıkları altında test edebilmek amacıyla, buharlaştırıcı hava kanalı içerisinde 0 ila kw arasında istenilen güçte ısı yayabilen 1 adet, yoğuşturucu hava kanalı içerisinde ise her biri 0 ila kw arasında istenilen güçte ısı yayabilen üç adet elektrikli ısıtıcı monte edilmiştir. Isıtıcılar voltaj regülatörleri aracılığıyla güçleri kontrol edilerek istenilen buharlaştırıcı ve yoğuşturucu hava giriş sıcaklıklarını sağlayabilmektedir. Kompresör, üç fazlı bir elektrik motoru tarafından motor sürücü aracılığıyla tahrik edilmektedir. Motor sürücünün çıkış frekansı değiştirilerek kompresörün farklı devirlerde çalışması sağlanabilmektedir. Kullanılan deneysel otomobil iklimlendirme sisteminde soğutucu akışkan, düşük basınçta kızgın buhar olarak kompresöre giriş yapmakta ve kompresörde basınçlandırılarak yüksek basınçta kızgın buhar olarak yoğuşturucuya gönderilmektedir. Soğutucu akışkan yoğuşturucu içerisinde sırasıyla kızgınlık atma, yoğuşma ve aşırı soğuma bölgelerinden geçerek yüksek basınçta sıkıştırılmış sıvı olarak yoğuşturucuyu terketmektedir. Akışkan daha sonra termostatik genleşme valfinden geçerek düşük basınçta doymuş sıvı doymuş buhar karışımı olarak buharlaştırıcıya giriş yapmaktadır. Termostatik genleşme valfi, bütün yüklerde buharlaştırıcı çıkışındaki kızgınlığı sabit tutacak şekilde açılıp kapanmaktadır. Soğutucu akışkan, buharlaştırıcı içerisindeki buharlaşma ve kızma bölgelerinden geçerek buharlaştırıcıyı terk etmekte ve çevrimi tamamlamaktadır. Deneysel sistemdeki bağlantılar bakır borular ile yapılmış olup üzerlerine elastomerik yalıtım kaplanmıştır. Deneysel sisteme servis istasyonu yardımıyla önce R134a, daha sonra R134yf soğutucu akışkanları şarj edilerek ilgili deneyler yapılmıştır. R134a kullanılarak yapılan deneylerde sisteme.0 kg, R134yf kullanılarak yapılan deneylerde ise.0 kg soğutucu akışkan şarj edilmiştir. Sistemde, yaklaşık olarak 0.5 kg PAG tipi kompresör yağı kullanılmıştır. PAG yağı aslen R134a için geliştirilmiş olsa da, bu tür yağın R134yf için kullanımında bir sakınca görülmemiştir [5]. Kompresör devri fotoelektrik takometre ile ölçülmüş, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçları ise Bourdon tipi manometrelerden ve basınç transmitterlerinden elde edilmiştir. Sistemdeki iç ve dış ünitelerin (sırasıyla buharlaştırıcı ve yoğuşturucu) her birinin giriş ve çıkışına K tipi termokupllar yerleştirilerek ilgili noktalardaki sıcaklıkların ölçümü yapılmış ve data toplama cihazı aracılığıyla bilgisayara kaydı gerçekleştirilmiştir. Sistemde dolaşan soğutucu akışkanın debisi ise sıvı hattı üzerine monte edilmiş Coriolis tipi debimetreden elde edilmiştir. Sistemde kullanılan ölçüm cihazlarının karakteristik özellikleri, Çizelge 1 de mevcuttur. Deneysel sistem, her iki akışkan için de kompresör devri 1000 ve 500 d/d ler arasında 500 d/d artışlarla değiştirilerek dört farklı devirde test edilmiştir. Her devir için buharlaştırıcıya giren hava akımı sıcaklığı (T buh,hg ) 5 C ile 40 C arasında 5 C lik artışlarla değiştirilmiş; yoğuşturucuya giren hava akımı sıcaklığı (T yoğ,hg ) ise buharlaştırıcıya giren hava akımı sıcaklığı ile 40 C arasında 5 C lik artışlarla değiştirilmiştir. Böylece, yukarıda belirtilen her kompresör devrinde buharlaştırıcı ve yoğuşturucuya giren hava akımı sıcaklıklarının Çizelge de belirtilen kombinasyonları için, her bir akışkanda 40 adet olmak üzere toplam 80 adet test yapılmıştır. Soğutucu akışkanların entalpi değerleri, ölçülen sıcaklık ve basınç değerleri kullanılarak REFPROP [14] programından elde edilmiştir. Çizelge. Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu hava akımı sıcaklık kombinasyonları Kombinasyon no T buh,hg ( C) T yoğ,hg ( C) 1 5 5 5 30 3 5 35 4 5 40 5 30 30 6 30 35 7 30 40 8 35 35 9 35 40 10 40 40 3. TERMODİNAMİK ANALİZ Deneysel iklimlendirme sisteminin sürekli rejim çalışma performans parametrelerini elde etmek amacıyla, sistemin her bir elemanına enerjinin korunumu ilkesi uygulanmıştır. Hesaplamalar yapılırken kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmiştir. Ayrıca, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu ile soğutucu akışkan hatlarında basınç düşmesi olmadığı kabul edilmiştir.
Şekil 1 de şematik olarak gösterilen deneysel sistemin soğutma kapasitesi, buharlaştırıcıya enerjinin korunumu ilkesinin uygulanması ile aşağıdaki denklemden bulunabilir. Q evap = ṁ soğ (h buh,ç - h buh,g ) (1) Burada ṁ soğ soğutucu akışkan debisi olup h buh,ç ve h buh,g ise buharlaştırıcı çıkış ve girişindeki soğutucu akışkan entalpileridir. Kompresörün adyabatik olarak çalıştığı kabul edilir ve enerjinin korunumu ilkesi uygulanırsa, kompresörde soğutucu akışkana verilen güç, aşağıdaki denklemden bulunabilir. Ẇ komp = ṁ soğ (h komp,ç - h komp,g ) () Burada h komp,ç ve h komp,g, akışkanın sırasıyla kompresör çıkış ve girişinde sahip olduğu entalpilerdir. Soğutma modunda çalışan sistemin enerji etkenliğinin bir göstergesi olan soğutma tesir katsayısı ise, soğutma kapasitesinin kompresör gücüne oranlanması ile aşağıdaki denklemden bulunabilir. STK= h Yoğuşturucuda atılan ısı, yoğuşturucuya enerjinin korunumu ilkesinin uygulanması ile aşağıdaki denklemden bulunabilir. Q yoğ = ṁ soğ (h yoğ,g - h yoğ,ç ) (4) Burada h yoğ,g ve h yoğ,ç akışkanın yoğuşturucu giriş ve çıkışında sahip olduğu entalpilerdir. 4. PERFORMANS PARAMETRELERİ İÇİN AMPİRİK DENKLEMLER Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kapasiteleri ile kompresör gücü için Stoecker [15] tarafından aşağıdaki denklemler önerilmektedir. Q buh = c 1 + c t e + c 3 t e + c 4 t c + c 5 t c + c 6 t e t c + c 7 t e t c + c 8 t e t c + c 9 t e t c (5) W komp = d 1 + d t e + d 3 t e + d 4 t c + d 5 t c + d 6 t e t c + d 7 t e t c + d 8 t e t c + d 9 t e t c (6) Q yog = Q buh + W komp (7) Burada t e ve t c sırasıyla buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıkları olup c i ve d i ise katsayıları göstermektedir. Yukarıdaki denklemler, buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarının giriş parametreleri olarak kabul edildiği durumlarda kullanılabilir. Bir taşıt iklimlendirme sisteminde ise giriş parametreleri olarak kompresör devri, buharlaştırıcı ve yoğuşturucudan geçen hava akımlarının hızları veya debileri, bu hava akımlarının buharlaştırıcı ve yoğuşturucu girişlerindeki sıcaklıkları ile buharlaştırıcı girişindeki hava izafi nemi seçilmelidir. Yapılan deneysel çalışmada hava akımlarının hızları değiştirilmediği için, giriş parametresi olarak hız seçilmemiştir. Diğer giriş (3) parametrelerini kapsayacak şekilde, buharlaştırıcı soğutma kapasitesi, yoğuşturucuda atılan ısı, kompresör tarafından soğutucu akışkana verilen güç ve kompresör çıkış sıcaklığı gibi herhangi bir çıkış parametresini belirlemek için iki farklı ampirik bağıntı geliştirilmiş olup, bunların genel halleri aşağıdaki gibidir. F 1 =c 1 + c T buh,hg + c 3 T yoğ,hg + c 4 T buh,hg T yoğ,hg + c 5 T buh,hg + c 6 T yoğ,hg + c 7 T buh,hg T yoğ,hg + c 8 Φ buh,hg + c 9 Φ buh,hg (8) F =k 1 + k T buh,hg + k 3 T yoğ,hg + k 4 Φ buh,hg + k 5 T buh,hg + k 6 T yoğ,hg + k 7 Φ buh,hg + k 8 T buh,hg T yoğ,hg Φ buh,hg + k 9 T buh,hg T yoğ,hg Φ buh,hg Yukarıdaki denklemler her çalışma devri için ayrı olarak yazılmış ve her devir için farklı c i ve k i değerleri elde edilmiştir. Burada F 1 ve F, buharlaştırıcı kapasitesi, yoğuşturucuda atılan ısı, kompresör tarafından soğutucu akışkana verilen güç ve kompresör çıkış sıcaklığı olarak seçilen ve doğrudan hesaplanan dört çıkış parametresinden herhangi birini göstermektedir. Deneylerde kullanılan R134a ve R134yf akışkanlarının her biri için yukarıda bahsedilen dört performans parametresinin her biri, ayrı olarak hesaplanmıştır. Ampirik bağıntıların en iyi sonucu veren katsayılarının belirlenmesi aşamasında, her akışkanın her bir kompresör devrinde on farklı sıcaklık kombinasyonundan bir tanesi sırası ile dışarıda tutulmuş ve geri kalan 9 sıcaklık kombinasyonu kullanılarak ilgili ampirik bağıntılarda geçen katsayıların değerleri elde edilmiştir. Her devir için deneysel performans sonuçlarına en yakın tahmin sonuçları veren sıcaklık kombinasyonu belirlenerek, deneysel sonuçlarla karşılaştırma için bu kombinasyondaki performans parametre değerleri kullanılmıştır. Sonuç olarak; her bir performans parametresi için 4 farklı devir ve farklı akışkanı kapsayacak şekilde 8 er adet F 1 ve F bağıntısı olmak üzere toplamda 16 adet ampirik bağıntı geliştirilmiştir. STK tahminleri ise, geliştirilen ampirik bağıntılardan elde edilen buharlaştırıcı kapasitesinin kompresörde soğutucu akışkana verilen güce oranlanmasıyla elde edilmiştir. 4.1. Ampirik Denklemlerle Bulunan Sonuçların İstatistiksel Performansı F 1 ve F ampirik bağıntıları ile elde edilen çıkış parametrelerinin, deneysel yolla elde edilen performans parametrelerine yakınlığını belirleyebilmek amacıyla üç farklı istatistiksel performans parametresi kullanılmıştır. Bu parametrelerden biri olan ortalama izafi hata, deneysel değerler ile tahmin değerleri arasındaki ortalama yüzdesel farkı göstermekte olup aşağıdaki denklemden hesaplanmaktadır. (9) MRE(%) = 100 ( ) (10) Karelerin karekökü türünden ortalama hata, gerçek değerler ile tahmin edilen değerler arasındaki farkların
kareleri toplamının tahmin değeri sayısına bölümünün karekökü olup aşağıdaki denklemden bulunabilir. için yaklaşık olarak aynı düzeyde deneysel verilere yaklaşmaktadır. RMSE=! (" #$ ) % (11) Korelasyon katsayısı ise, değişkenler arasındaki ilişkiyi göstermek için kullanılan istatistiksel bir performans kriteridir. Deneyler sonucu elde edilen veriler ve tahmin verileri arasındaki bu katsayı, aşağıdaki denklemden hesaplanmaktadır [16] R = ( )( ) & ' ( ) ' ( )/' & ' ( ) ' ()/' (1) Burada a i deneyler sonucu elde edilen değerleri, p i ampirik bağıntılar kullanılarak elde edilen tahmin değerlerini, N ise tahmin edilen toplam veri sayısını ifade etmektedir. 5. BULGULAR VE TARTIŞMA F 1 ve F ampirik bağıntıları ile elde edilen performans parametreleri ile Denklem (1) (4) kullanılarak hesaplanan deneysel performans parametreleri karşılaştırılmış ve sonuçlar grafikler halinde Şekil 3 7 arasında sunulmuştur. Karşılaştırma sonuçlarının daha iyi gösterilebilmesi amacıyla, grafikler üzerine kusursuz tahmin çizgisi (grafiklerin ortasındaki çapraz çizgi) ve Denklem (10) (1) bağıntıları kullanılarak elde edilen istatistiksel performans parametreleri eklenmiştir. Şekil 3'de, sistem soğutma kapasitesinin deneysel ve ampirik bağıntılar sonucu elde edilen tahmin değerleri, her iki soğutucu akışkan için karşılaştırılmıştır. F 1 bağıntısı ile elde edilen tahminler %,14 MRE, 0,16 kw RMSE ve 0,948 korelasyon katsayısı değerleri ile F bağıntısı ile elde edilen tahminlere oranla deneysel verilere daha yakın sonuçlar vermektedir. Ayrıca, her iki bağıntının da sistemde R134a akışkanı kullanılması durumunda daha iyi sonuçlar verdiği anlaşılmaktadır. Şekil 4'de, soğutucu akışkana kompresör tarafından verilen gücün deneysel ve tahmin değerleri karşılaştırılmıştır. F bağıntısı ile elde edilen Ẇ komp tahminlerinin F 1 bağıntısı ile elde edilen sonuçlara göre 0,9956 gibi daha yüksek bir korelasyon katsayısına, %,05 MRE ve 0,04 kw RMSE gibi daha düşük hata değerlerine sahip olduğu görülmektedir. Bunun yanı sıra, çevrimde R134a kullanılması durumunda her iki bağıntının da neredeyse deneysel veriler ile aynı Ẇ komp tahmin sonuçları verdiği, kusursuz tahmin çizgisi üzerindeki noktalardan görülebilmektedir. Şekil 5'de, soğutma tesir katsayısının deneysel ve tahmin değerleri gösterilmiştir. Görüldüğü üzere F 1 bağıntısı ile elde edilen tahminler, F bağıntsı ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırıldığında %,04 MRE, 0,06 RMSE ve 0,9963 korelasyon katsayısı değerleri ile deneysel verilere daha yakındır. F 1 ve F bağıntılarının her ikisi de, çevrimde R134a veya R134yf akışkanlarından herhangi birinin kullanılması durumu (a) F 1 bağıntısı (b) F bağıntısı Şekil 3. Soğutma kapasitesi için ampirik bağıntıların tahmin sonuçları (a) F 1 bağıntısı (b) F bağıntısı Şekil 4. Kompresör tarafından soğutucu akışkana verilen güç için ampirik bağıntıların tahmin sonuçları
(a) F 1 bağıntısı (a) F 1 bağıntısı (b) F bağıntısı Şekil 5. Soğutma tesir katsayısı için ampirik bağıntıların tahmin sonuçları Şekil 6 da, yoğuşturucudan atılan ısının deneysel ve tahmin değerleri gösterilmektedir. F 1 ve F ampirik bağıntılarının verdiği tahmin sonuçları, sırasıyla 0,998 ve 0,99 gibi yaklaşık olarak aynı kolerasyon katsayısına sahiptir. Ancak F bağıntısı kullanılarak yapılan tahminlerin sırasıyla % 1,49 ve 0,09 kw gibi kısmen daha düşük MRE ve RMSE değerlerine sahip olduğu görülmektedir. Kompresör çıkış sıcaklığı, iklimlendirme sistemlerinin diğer performans parametreleri kadar önemli görülmese de kompresör ömrü açısından takip edilmesi gereken bir parametredir. Kompresör çıkış sıcaklığı arttıkça kompresör yağı yağlayıcı özelliğini kaybetmeye başlamaktadır. Yüksek kompresör çıkış sıcaklıkları aşırı yıpranmalara ve kompresör ömründe azalmaya neden olmaktadır. Şekil 7'de, kompresör çıkış sıcaklığının deneysel ve tahmin değerleri gösterilmektedir. Görüleceği üzere, F bağıntısının kullanımı ile elde edilen 0,9967 korelasyon katsayısı değeri, F 1 bağıntısı ile elde edilen 0,9876 'lık değerden daha yüksektir. Aynı zamanda F bağıntısı, daha düşük hata değerleri (MRE = %1,1 ve RMSE = 1, C) ile kompresör çıkış sıcaklığını tahmin edebilmektedir. (b) F bağıntısı Şekil 6. Yoğuşturucudan atılan ısı için ampirik bağıntıların tahmin sonuçları (a) F 1 bağıntısı (b) F bağıntısı Şekil 7. Kompresör çıkış sıcaklığı için ampirik bağıntıların tahmin sonuçları 6. SONUÇ Yapılan çalışmada, deneysel otomobil iklimlendirme sisteminin performans parametrelerinin çeşitli çalışma
koşulları altındaki değerlerini tahmin etmek amacıyla ampirik bağıntılar geliştirilmiştir. Bu bağıntılar ile elde edilen soğutma kapasitesi, kompresör tarafından soğutucu akışkana verilen güç, soğutma tesir katsayısı, yoğuşturucudan atılan ısı ve kompresör çıkış sıcaklığı gibi performans parametreleri, deneysel yöntemler kullanılarak elde edilen performans parametreleri ile karşılaştırılmış ve tahminlerin istatistiksel performansları da belirlenerek grafikler halinde sunulmuştur. Ulaşılan başlıca sonuçlar aşağıdaki gibidir: F 1 ampirik bağıntısı çıktılarının deneysel performans parametreleri ile karşılaştırılması sonucu elde edilen MRE değerleri %1,67 3,01 aralığında iken, korelasyon katsayıları ise 0,948 0,9963 aralığında elde edilmiştir. RMSE değerleri ise, deneysel verilere yakınlığı gösterme açısından yeterli seviyede düşük çıkmıştır. Performans parametrelerini tahmin edebilmek için kullanılan F bağıntısının çıktıları ise, deneysel yollarla elde edilen performans parametrelerine yakınlık açısından % 1,1 3,31 aralığında MRE ve 0,864 0,9967 aralığında korelasyon katsayısı değerlerine sahiptir. RMSE değerleri ise, yine düşük seviyede çıkmıştır. Uygulamada F 1 veya F bağıntılarından herhangi birinin kullanılması, performans parametrelerinin doğru tahmini açısından yeterli olabilecek düzeyde sonuçlar verecektir. Tüm istatistiksel performans kriterleri göz önüne alındığında; sistemin soğutma kapasitesi ve soğutma tesir katsayısı tahminleri için F 1, kompresör tarafından akışkana verilen güç ve kompresör çıkış sıcaklığı tahminleri için F bağıntısının kullanılması daha uygun sonuçlar vermektedir. Yoğuşturucudan atılan ısının tahmini için her iki bağıntının da deneysel sonuçlara yaklaşık olarak aynı yakınlıkta sonuçlar verdiği görülmektedir. KAYNAKLAR 1. Bhatti, M., 1999, Evolution of Automotive Air Conditioning Riding in Comfort: Part II, ASHRAE Journal, Vol. 41, pp. 44 50.. Hemami, T. L.,1999, Development of Transient System Model of Mobile Air Conditioning System, PhD Thesis, Deparment of Mechanical and Industrial Engineering, University of Illinios at Urbana Champaign, USA. 3. United Nations Environmental Programme, 1987, Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer, Final Act, United Nations, New York, USA. 4. Lee, Y., Jung, D., 01, A Brief Performance Comparison of R134yf and R134a in a Bench Tester for Automobile Applications, Applied Thermal Engineering, Vol. 35, pp. 40-4. 5. Wang, C-C., 014, System Performance of R- 134yf Refrigerant in Air-conditioning and Heat Pump System - An Overview of Current Status, Applied Thermal Engineering, Vol. 73, pp.141-140. 6. Vargas, J.V.C., Parise, J.A.R., 1995, Simulation in Transient Regime of a Heat Pump with Closedloop and On off Control, International Journal of Refrigeration, Vol. 18, pp. 35 43. 7. Alkan, A., Hosoz, M., 010, Comparative Performance of an Automotive Air Conditioning System Using Fixed and Variable Capacity Compressors, International Journal of Refrigeration, Vol. 33, pp. 487 495. 8. Alkan, A., Hosoz, M., 010, Experimental Performance of an Automobile Air Conditioning System Using a Variable Capacity Compressor for Two Different Types of Expansion Devices, International Journal of Vehicle Design, Vol. 5, 1//3/4, 160 176. 9. Kiatsiriroat, T., Euakit, T., 1997, Performance Analyses of an Automobile Air-Conditioning System with R/R14/R15A Refrigerant, Applied Thermal Engineering, Vol. 17, pp.1085 1097. 10. Hosoz, M., Direk, M., 006, Performance Evaluation of an Integrated Automotive Air Conditioning and Heat Pump System, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp. 545 559. 11. Hosoz, M. and Ertunc, H.M., 006, Artificial Neural Network Analysis of an Automobile Air Conditioning System, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp. 1574 1587. 1. Belman-Flores, J.M., Ledesma, S., 015, Statistical Analysis of the Energy Performance of a Refrigeration System Working with R134yf Using Artificial Neural Networks, Applied Thermal Engineering, Vol. 8, pp. 8 17. 13. Hosoz, M., Direk, M., Yigit, K.S., Canakci, M., Turkcan, A., Alptekin, E., Sanli, A., 015, Performance Evaluation of an R134a Automotive Heat Pump System for Various Heat Sources in Comparison with Baseline Heating System, Applied Thermal Engineering, Vol. 78, pp. 419 47. 14. Lemmon, E.W., Huber, M.L., McLinden, M.O., 007, NIST Standard Reference Database 3, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP, Version 8.0, National Standards and Technology, Standard Reference Data Program, Gaithersburg, Maryland, USA. 15. Stoecker, W.F., 198, Refrigeration & Air Conditioning, McGraw-Hill, Singapore. 16. Holman, J. P., 01, Experimental Methods for Engineers, McGraw-Hill, New York, USA.