ISI bilimi ve tekniği dergisi Journal of Thermal Science and Technology 2010 Cilt/Volume 0 Sayı/Number 1 ISSN 100-615 Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği tarafından yılda iki kez Nisan ve Ekim aylarında yayınlanır. A publication of the Turkish Society for Thermal Sciences and Technology, published twice a year, in April and October. TIBTD Adına Sahibi ve Sorumlu Yayımcı/Publisher: Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU, Gazi Üniversitesi Editör/Editor-in-Chief: Prof. Dr. Nuri YÜCEL Gazi Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü 06570 Maltepe, ANKARA Tel: (12) 582 422 nuyucel@gazi.edu.tr Danışma Kurulu / Advisory Board: Prof. Dr. Yalçın GÖĞÜŞ, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Bekir Zühtü UYSAL, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Hafit YÜNCÜ, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Taner DERBENTLİ, İstanbul Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Tülay YEŞİN, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Prof. Dr. Ahmet CAN, Trakya Üniversitesi Prof. Dr. Zekeriya ALTAÇ, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Teknik Sorumlular/Technical Assistants: Yrd. Doç. Dr. Nureddin DİNLER, Gazi Üniversitesi Tolga DEMİRCAN, Gazi Üniversitesi Salih KARAASLAN, Gazi Üniversitesi Baskı/Printed at: SİM Matbaacılık Ltd. Şti. G. M. K. Bulvarı No: 108/1 Maltepe, ANKARA Yazışma Adresi/Contact Adress: TIBTD Makina Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Gazi Üniversitesi, 06570 Maltepe, ANKARA http: //www.tibtd.org.tr TIBTD Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği: Dernek ve bu dergi, Türkiye de ısı bilimi ve tekniğini geliştirmek amacıyla 1976 yılında Prof. Dr. Yalçın A. GÖĞÜŞ tarafından kurulmuştur. Turkish Society of Thermal Sciences and Tecnology: The association and the journal was found by Prof. Dr. Yalçın GÖĞÜŞ in 1976 to improve thermal sciences and technology in Turkey. Adresi/Adress: TIBTD Makina Mühendisliği Bölümü, ODTÜ, 0651 ANKARA http: //www.tibtd.org.tr tibtd@tibtd.org.tr Üyelik aidatları için: Posta Çeki Hesap No: 186910, İş Bankası ODTÜ Şubesi Hesap No: 4229-001246 Yönetim Kurulu/Executive Board: Prof. Dr. Haşmet TÜRKOĞLU (Bşk.), Yrd. Doç. Dr. Murat K. AKTAŞ (Bşk. Yrd.), Yrd. Doç. Dr. Oğuz TURGUT (Genel Sek.), Doç. Dr. Atilla BIYIKOĞLU (Muhasip Üye), Prof. Dr. Nuri YÜCEL, Prof. Dr. Zafer DURSUNKAYA, Dr. İbrahim ÇAKMANUS İÇİNDEKİLER / CONTENTS Sayfa / Page Türkiye nin Güney, Güneybatı ve Batı Bölgelerindeki Rüzgar Enerjisi Potansiyeli 1 Wind Energy Density in the Southern, Southwestern and Western Region of Turkey Mehmet BİLGİLİ, Beşir ŞAHİN ve Erdoğan ŞİMŞEK İki Bölgeli Ara-Isıtmalı Termal Güç Sisteminin Yük-Frekans Kontrolü için Parçacık Sürüsü Optimizasyonu Tabanlı Pi-Kontrolör 1 Particle Swarm Optimization Based Pi-Controller Design to Load-Frequency Control of a Two Area Reheat Thermal Power System Haluk GÖZDE, M.Cengiz TAPLAMACIOĞLU, İlhan KOCAARSLAN ve M.Akif ŞENOL Eğik Kare Kapalı Bir Bölge İçindeki Su Bazlı Nanoakışkanların Doğal Taşınımla Isı Transferi 2 Heat Transfer of Water-Based Nanofluids with Natural Convection in a Inclined Square Enclosure Elif BÜYÜK ÖĞÜT Yer Yüzey Sıcaklığının Becker ve Li 1990 Algoritmasına Bağlı Hesaplanması 5 Calculation Land Surface Temperature Depening on Becker and Li 1990 Algorithm Mehmet ŞAHİN ve Hacı Mustafa KANDIRMAZ Hidrojen-Metan Karışım Yanmasında Yanma Model Sabitinin Değerlendirilmesi 45 Evaluation of Combustion Model Constant in Combustion of Hydrogen-Methane Mixture İlker YILMAZ ve Mustafa İLBAŞ Kuru Tip Çimento Üretiminde Farin Değirmeninin Termoekonomik Analizi 59 Thermoeconomic Analysis of Farine Mill in Dry Type Cement Production Ziya SÖĞÜT, Zuhal OKTAY, Hikmet KARAKOÇ ve Yılmaz YÖRÜ CO 2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompalarında Soğutucu Akışkan Çıkış Sıcaklığının Ekserji Verimine Etkisi 7 The Effect of Refrigerant Outlet Temperature for Exergy Efficiency of Heat Pumps Using CO 2 Arif Emre ÖZGÜR ve Hilmi Cenk BAYRAKÇI Elmas Kanat Modelinde Oluşan Girdap Çökmesine Sapma Açısının Etkisi 79 Effect of Yaw Angle on The Formation of Vortex Breakdown Over the Diamond Wing Sedat YAYLA, Çetin CANPOLAT, Beşir ŞAHİN ve Hüseyin AKILLI Çarpan Dairesel Bir Jette Çarpma Bölgesi Türbülans Şiddetinin Isı Transferine Etkisi 91 Effects of Stagnation Region Turbulence of an Impinging Jet on Heat Transfer Nevin ÇELİK ve Haydar EREN Natural Convection in a Triangular Cross Section Roof under Daylight Conditions 99 Gündüz Şartlarında Üçgen Kesitli Çatıda Doğal Taşınım Haydar KÜÇÜK and Hasan GEDİKLİ Güneş Enerjisi Destekli, Isı Pompalı Kırmızıbiber Kurutucusunun Tasarımı, İmalatı Ve Performans Deneyleri 111 Designing, Manufacturing and Performance Experiments of Heat Pump Red Pepper Dryer Assisted Solar Energy Mustafa AKTAŞ, İlhan CEYLAN, Hikmet DOĞAN ve Zülfikar AKTEKELİ Ege Bölgesindeki Toprak Sıcaklıklarının Yapay Sinir Ağları Yöntemi İle Belirlenmesi 121 Determination of the Soil Temperatures in Aegean Region by Artificial Neural Network Method Mehmet BİLGİLİ, Erdoğan ŞİMŞEK ve Beşir ŞAHİN Amaç/Objective Isı bilimi ve tekniğinin geliştirilmesini teşvik etmek, ısı bilimi ve tekniği alanında özgün, teorik, sayısal ve deneysel çalışmaların yayınlanmasına olanak sağlamaktır. To connribute improvement of thermal sciences and technology and publication of original, theoretical, numerical and experimental studies in thermal sciences and technology. İçerik/Content Isı bilimi ve tekniği alanındaki özgün ve derleme makaleler. Original and review articles in thermal sciences and technology. Değerlendirme/Evaluation Dergi hakemli bir dergi olup, her bir makale konusunda uzman en az iki hakem tarafından değerlendirilir. Each article published in this journal is evalutated by at least two referees. Dergimiz Science Citation Index (SCI), EBSCO ve Mühendislik ve Temel Bilimler Veri Tabanı (TÜBİTAK- ULAKBİM) tarafından taranmaktadır. Indexed by Science Citation Index (SCI), EBSCO and Engineering and Natural Sciences Data Base (TÜBİTAK- ULAKBİM).
Bu Sayıya Hakem Olarak Katkıda Bulunanlar/The Referees Contributed in This Volume Prof. Dr. Necdet Altuntop (Erciyes Üniversitesi) Prof. Dr. Şenol Başkaya (Gazi Üniversitesi) Prof. Dr. Ertan Baydar (Karadeniz Teknik Üniversitesi) Prof. Dr. Yaşar Biçer (Fırat Üniversitesi) Prof. Dr. Ömer Çomaklı (Atatürk Üniversitesi) Prof. Dr. L. Berrin Erbay (Eskişehir Osmangazi Üniversitesi) Prof. Dr. Arif Hepbaşlı (Ege Üniversitesi) Prof. Dr. Mustafa İnallı (Fırat Üniversitesi) Prof. Dr. Mehmet Kanoğlu (Gaziantep Üniversitesi) Prof. Dr. Zeynep İlsen Önsan (Boğaziçi Üniversitesi) Prof. Dr. Necdet Özbalta (Ege Üniversitesi) Prof. Dr. Sibel Özdoğan (Marmara Üniversitesi) Prof. Dr. Mehmet Emin Özel (Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi) Prof. Dr. Servet Gülüm Şumnu (Orta Doğu Teknik Üniversitesi) Prof. Dr. Vedat Tanyıldızı (Fırat Üniversitesi) Prof. Dr. Haşmet Türkoğlu (Gazi Üniversitesi) Prof. Dr. Yasin Varol (Fırat Üniversitesi) Prof. Dr. A. Zerrin Yılmaz (İstanbul Teknik Üniversitesi) Prof. Dr. Tuncay Yılmaz (Çukurova Üniversitesi) Prof. Dr. Serdar Yücesu (Gazi Üniversitesi) Doç. Dr. Aydın Durmuş (Ondokuz Mayıs Üniversitesi) Doç. Dr. Nafiz Kahraman (Erciyes Üniversitesi) Doç. Dr. Fuat Kent (İstanbul Teknik Üniversitesi) Doç. Dr. Özgür Kişi (Erciyes Üniversitesi) Doç. Dr. Adnan Midilli (Niğde Üniversitesi) Doç. Dr. Zuhal Oktay (Balıkesir Üniversitesi) Doç Dr. Hakan F. Öztop (Fırat Üniversitesi) Doç. Dr. İnci Türk Toğrul (Afyon Kocatepe Üniversitesi) Doç. Dr. Nazım Usta (Pamukkale Üniversitesi) Doç. Dr. Bülent Yeşilata (Harran Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Selin Aradağ (Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Kemal Atik (Karabük Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Kadir Bakırcı (Atatürk Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Ertuğrul Çam (Kırıkkale Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Ali Naci Çelik (Abant İzzet Baysal Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. İbrahim Doymaz (Yıldız Teknik Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Afşin Güngör (Niğde Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Kamil Kahveci (Trakya Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Yeliz Mert Kantar (Anadolu Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fevzi Köseoğlu (Pamukkale Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Moghtada Mobedi (İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü) Yrd. Doç. Dr. Oğuz Turgut (Gazi Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Ahmet Yılancı (Pamukkale Üniversitesi) Yrd. Doç. Dr. Recep Yumrutaş (Gaziantep Üniversitesi) Dr. Hakan Demir (Yıldız Teknik Üniversitesi) Dr. Atilla Ersöz (Tübitak-Marmara Araştırma Merkezi) Dr. Sevinç Sırdaş (İstanbul Teknik Üniversitesi)
Türkiye nin Güney, Güneybatı ve Batı Bölgelerindeki Rüzgar Enerjisi Potansiyeli 1 Wind Energy Density in the Southern, Southwestern and Western Region of Turkey Mehmet BİLGİLİ, Beşir ŞAHİN ve Erdoğan ŞİMŞEK İki Bölgeli Ara-Isıtmalı Termal Güç Sisteminin Yük-Frekans Kontrolü için Parçacık Sürüsü Optimizasyonu Tabanlı Pi-Kontrolör 1 Particle Swarm Optimization Based Pi-Controller Design to Load-Frequency Control of a Two Area Reheat Thermal Power System Haluk GÖZDE, M.Cengiz TAPLAMACIOĞLU, İlhan KOCAARSLAN ve M.Akif ŞENOL Eğik Kare Kapalı Bir Bölge İçindeki Su Bazlı Nanoakışkanların Doğal Taşınımla Isı Transferi 2 Heat Transfer of Water-Based Nanofluids with Natural Convection in a Inclined Square Enclosure Elif BÜYÜK ÖĞÜT Yer Yüzey Sıcaklığının Becker ve Li 1990 Algoritmasına Bağlı Hesaplanması 5 Calculation Land Surface Temperature Depening on Becker and Li 1990 Algorithm Mehmet ŞAHİN ve Hacı Mustafa KANDIRMAZ Hidrojen-Metan Karışım Yanmasında Yanma Model Sabitinin Değerlendirilmesi 45 Evaluation of Combustion Model Constant in Combustion of Hydrogen-Methane Mixture İlker YILMAZ ve Mustafa İLBAŞ Kuru Tip Çimento Üretiminde Farin Değirmeninin Termoekonomik Analizi 59 Thermoeconomic Analysis of Farine Mill in Dry Type Cement Production Ziya SÖĞÜT, Zuhal OKTAY, Hikmet KARAKOÇ ve Yılmaz YÖRÜ CO 2 Soğutucu Akışkanlı Isı Pompalarında Soğutucu Akışkan Çıkış Sıcaklığının Ekserji Verimine Etkisi 7 The Effect of Refrigerant Outlet Temperature for Exergy Efficiency of Heat Pumps Using CO 2 Arif Emre ÖZGÜR ve Hilmi Cenk BAYRAKÇI Elmas Kanat Modelinde Oluşan Girdap Çökmesine Sapma Açısının Etkisi 79 Effect of Yaw Angle on The Formation of Vortex Breakdown Over the Diamond Wing Sedat YAYLA, Çetin CANPOLAT, Beşir ŞAHİN ve Hüseyin AKILLI Çarpan Dairesel Bir Jette Çarpma Bölgesi Türbülans Şiddetinin Isı Transferine Etkisi 91 Effects of Stagnation Region Turbulence of an Impinging Jet on Heat Transfer Nevin ÇELİK ve Haydar EREN Natural Convection in a Triangular Cross Section Roof under Daylight Conditions 99 Gündüz Şartlarında Üçgen Kesitli Çatıda Doğal Taşınım Haydar KÜÇÜK and Hasan GEDİKLİ Güneş Enerjisi Destekli, Isı Pompalı Kırmızıbiber Kurutucusunun Tasarımı, İmalatı Ve Performans Deneyleri 111 Designing, Manufacturing and Performance Experiments of Heat Pump Red Pepper Dryer Assisted Solar Energy Mustafa AKTAŞ, İlhan CEYLAN, Hikmet DOĞAN ve Zülfikar AKTEKELİ Ege Bölgesindeki Toprak Sıcaklıklarının Yapay Sinir Ağları Yöntemi İle Belirlenmesi 121 Determination of the Soil Temperatures in Aegean Region by Artificial Neural Network Method Mehmet BİLGİLİ, Erdoğan ŞİMŞEK ve Beşir ŞAHİN
Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 0, 1, 7-78, 2010 J. of Thermal Science and Technology 2010 TIBTD Printed in Turkey ISSN 100-615 CO 2 SOĞUTUCU AKIŞKANLI ISI POMPALARINDA SOĞUTUCU AKIŞKAN ÇIKIŞ SICAKLIĞININ EKSERJİ VERİMİNE ETKİSİ Arif Emre ÖZGÜR * ve Hilmi Cenk BAYRAKÇI ** * Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 2260 Çünür, Isparta, ozgurae@tef.sdu.edu.tr ** Süleyman Demirel Üniversitesi Senirkent Meslek Yüksek Okulu İklimlendirme Soğutma Bölümü 2600, Senirkent, Isparta, cenk@sdu.edu.tr (Geliş Tarihi: 05. 05. 2009, Kabul Tarihi: 02. 09. 2009) Özet: Küresel ısınma sorunu nedeniyle, ısı pompası sistemlerinde doğal akışkanların kullanımı geniş ölçüde yaygınlaşmaktadır. CO 2 i soğutkan olarak kullanan ısı pompası sistemleri, özellikle araç klimaları ve sıcak su ısı pompaları uygulamalarında tercih edilmektedir. Bu çalışmada kritik nokta üstü çevrim ile çalışan, tek kademeli, CO 2 soğutkanlı bir ısı pompası teorik olarak modellenmiştir. Isı pompasının ekserji verimi elde edilmiştir ve gaz soğutucudan çıkan CO 2 in sıcaklığının sistemin ekserji verimine olan etkisi sunulmuştur. Buharlaşma sıcaklığı aralığı olarak -10 o C ile +10 o C seçilmiştir. Hesaplamalar bir bilgisayar programı yardımı ile (EES-Engineering Equation Solver) yapılmış, elde edilen sonuçlar grafiksel olarak verilmiştir. Anahtar kelimeler: CO 2, Kritik nokta, Isı pompası, Ekserji, Verim. THE EFFECT OF REFRIGERANT OUTLET TEMPERATURE FOR EXERGY EFFICIENCY OF HEAT PUMPS USING CO 2 Abstract: Because of the global warming, usage of natural refrigerants is being common in large scale. CO 2 cooling systems especially preferred at vehicle air conditioners and hot water heat pump applications. In this study, a single stage heat pump using CO 2 refrigerant and having transcritical cycle is theoretically modeled. The effect of gas cooler outlet temperature for exergetic efficiency of heat pump is presented. Range of evaporating temperature is selected between -10 and +10 o C values. Calculations are made by software (EES-Engineering Equation Solver), and results are presented graphically. Keywords: CO 2, Transcritical, Heat pump, Exergy, Efficiency. GİRİŞ İklimsel değişiklikler hiç şüphe yok ki bilim dünyasının gündemini çok meşgul eden bir konudur. İklimsel sorunlar, enerjinin verimli kullanılması zorunlu kılmakla beraber, sistemlerden çevreye yayılan ve küresel ısınmaya yol açan sera gazlarının da salınımını kısıtlamıştır. Geçtiğimiz 20 yıl içinde ozon tabakasını delme potansiyeli (ODP) yüksek gazların kullanımı kademeli olarak azaltılmıştır. Gelecek yıllarda ise ozon tabakasına zarar vermemesine rağmen, küresel ısınma potansiyelleri (GWP) yüksek olan, birçok gazın da kullanımının kısıtlanması beklenmektedir. Hatta bu kısıtlamaya ilk örnek olarak, 2007 yılında Danimarka da 10 kg. ın üzerinde soğutucu akışkan kullanılan sistemlerde HFC (Hidroflorokarbon) kullanımının yasaklanması verilebilir (Christensen ve Bertilsen, 2004). Bu durumda, ısı pompası gibi, çok büyük miktarlarda soğutucu akışkan içeren sistemlere alternatif bir akışkan bulunması gerekmektedir. Bu akışkan küresel ısınma potansiyeli 1 e eşit olan (HFC- 14a için yaklaşık GWP = 100 dür), ozon tabakasına zarar vermeyen, hacimsel soğutma kapasitesi çok yüksek, zehirleyici ve yanıcı olmayan CO 2 (R744) en iyi alternatiflerdendir. CO 2 dışında, hidrokarbonlar (izobütan, propan vb. akışkanlar/karışımlar), amonyak, su ve hava gibi doğal akışkanlar, alternatif soğutkanlar olarak kabul edilmektedir. Hidrokarbonların patlayıcı ve yanıcı özellikte olması nedeniyle büyük kapasiteli sistemlerde kullanılmaları sakıncalıdır. Kaçakları zehirlenme riski oluşturan, amonyağın kullanımı kısıtlı olabilmektedir. Libr-H2O akışkan çiftli absorbsiyon sistemlerinde, su soğutkan olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerdeki oldukça düşük buharlaştırıcı basıncı ve 0 o C nin altına düşürülemeyen buharlaştırıcı sıcaklığı önemli problemlerdir. CO 2 ise 20 yy. ın başlangıcında ısı pompası sistemlerinde en çok kullanılan soğutkanlar arasındaydı (Kauf, 1999). Fakat 1960 lı yıllardan sonra sadece çok düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılmıştır ve kullanımı azalmıştır. Çünkü kimyasal yöntemler ile üretilen CFC ve HCFC akışkanları, CO 2 in yerini almıştır. 7
P [bar] Avrupa birliği ülkelerinde, 2011 yılından itibaren araç iklimlendirme sistemlerinde, CO 2 gibi, GWP değeri 150 den az olan soğutucu akışkanların kullanımını gerekli kılan yasal düzenlemeler yapılmıştır. Bu sayede en çok sera gazı salınımı yapan ısı pompası sistemlerindeki HFC-14a akışkanı yerine CO 2 kullanılarak, çevresel sorunların azaltılması hedeflenmektedir. Gerek araç iklimlendirme sistemleri ve gerek diğer CO 2 akışkanlı ısı pompası sistemlerinde karşılaşılan en önemli problem yüksek sistem içi basınçlardır. Bu sistemlerdeki basınç MPa ile 12 MPa arasında değişmektedir. Bu yüksek basınçlara dayanacak arttırılmış malzeme kalınlığı ve ısı transferinin hızlı olmasını sağlayacak azaltılmış malzeme kalınlığı kriterleri arasında optimize edilmiş bir malzeme kalınlığına ihtiyaç duyulmaktadır. Çünkü CO 2 soğutucu akışkanlı tek kademeli ısı pompalarında maksimum sıcaklık 120 o C ın üzerine çıkabilmektedir. Bu sıcaklıktaki CO 2, gaz soğutucu adı verilen bir ısı değiştirici ile soğutulmaktadır. CO 2 in gaz soğutucudan çıkış sıcaklığına göre sistemin verimi değişim göstermektedir. Literatürde yapılan çalışmalarda, CO 2 in gaz soğutucudan çıkış sıcaklığı ile sistemin enerji veriminin değişimi incelenmiştir (Özgür, 2008; Özgür ve Bayrakçı, 2008; Özgür, 2008). Bu çalışmada, CO 2 in gaz soğutucudan çıkış sıcaklığının, sistemin ekserji verimine etkisi incelenmiştir. Şekil 1 ve 2 de ki sistem yapıları incelendiğinde, -4 noktaları arasında yer alan, gaz soğutucu içinde, kritik nokta üstü hal durumuna sahip, CO 2 in sıcaklığının yaklaşık 115 o C dan 5 o C a doğru azaldığı görülmektedir. Bu süreçte faz değişimi görülmemektedir. Fakat gaz soğutucu çıkışında (4 nok 1 100 10 5 0 C 10 C 20 C 0 C 40 C 5 4 0,2 0,4 0,6 0,8 6 R744-400 -00-200 -100 0 100 h [kj/kg] Şekil 1. Tek kademeli, kritik nokta üstü çevrimli, CO 2 akışkanlı ısı pompası çevriminin lnp-h çevriminde şematik gösterimi. Gaz soğutucu 120 C 1 2 s (kj/kg-k) KRİTİK NOKTA ÜSTÜ ISI POMPASI ÇEVRİMİ Karbondioksitin kritik nokta sıcaklığı 1,18 o C ve kritik nokta basıncı ise 7,8 MPa dır (Zhang vd, 2006). Isı pompası sistemlerinin yoğuşturucu sıcaklığı, karbondioksitin kritik nokta sıcaklığından genellikle daha yüksektir. Dolayısıyla konvansiyonel akışkanlar yerine karbondioksit kullanılması, ısı pompasından ısı atımı sürecinin kritik nokta üstünde gerçekleşmesini gerekli kılmaktadır. Kritik nokta üstüne çıkmanın temel yolu ise sistemdeki basıncın yükseltilmesi olmaktadır. Ayrıca kritik nokta üstünde karbondioksit sıvılaşmamaktadır. Dolayısıyla konvansiyonel sistemlerde yoğuşturucu olarak adlandırılan sistem parçası yerine gaz soğutucu adı verilen başka bir ısı değiştirici kullanılmaktadır. Bu gaz soğutucu sistemin en önemli parçalarından biridir. Çünkü içerisinde yüksek basınçlı CO 2 vardır ve bu yüksek basınç her sistem için optimize edilmesi gereken bir değerdir. Sistemin enerji ve ekserji verimi, belirli bir gaz soğutucu basıncında maksimuma ulaşır. Bu basınca optimum gaz soğutucu basıncı adı verilir. Ayrıca sistem içerisindeki yüksek basınç, arttırılmış malzeme dayanımı gerektirir. Isı transferi ise bu malzeme kalınlığına ve malzemenin ısı iletim kabiliyetine doğrudan bağımlıdır. Karbondioksit gaz soğutucu içerisinde akarken gaz fazında soğutulur. Gaz soğutucunun çıkışında elde edilen karbondioksit sıcaklığı da doğrudan sistem verimini etkileyen bir parametredir. Bu çalışmada incelenen tek kademeli, kritik nokta üstü çevrimli, CO 2 akışkanlı ısı pompası çevriminin lnp-h çevriminde şematik gösterimi Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 2 de ise incelenen ısı pompası sisteminin şematik çizimi verilmiştir. 74 Q GS 1 4 Q B Buharlaştırıcı İç ısı değiştirici Kısma valfi Kompresör Şekil 2. İncelenen ısı pompası sisteminin şematik çizimi. tası), CO 2 in sıcaklığı, kritik nokta sıcaklığının (1,1 o C) altına düşmesi durumunda sıvı hale gelebilir. Bu konuda kesin olmamakla birlikte, CO 2 in kritik nokta üstü basınçlarda sıvılaşmasının şartı, yukarıdaki cümlede anlatıldığı gibi özetlenebilir. Çengel in yaptığı Kritik basıncın üzerindeki basınçlarda belirgin bir faz değişimi görülmez. Genellikle kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda maddeye kızgın buhar, kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda maddeye sıkıştırılmış sıvı denir ifadesi konu hakkında yeterli açıklamayı yapmaktadır (Çengel ve Boles, 1996). Fakat bu tür çevrimlerde CO 2 in sıcaklığı, kritik nokta sıcaklığının altına sıkılıkla düşürülememektedir. Dolayısıyla CO 2 in faz değişimi kısma valfi sonrasında oluşmaktadır. Yine şekil 1 ve 2 de görülen sistem elemanları konvansiyonel bir buhar sıkıştırmalı çevrim elemanları ile aynı işlevleri yerine getirmektedirler. Fakat CO 2 soğutkanlı ısı pompası 6 5 2
sistemlerinde kullanılan iç ısı değiştiricinin, kompresör tarafından emilen soğutkan sıcaklığını maksimum 10 o C artışı ile sınırlandırılması gerekmektedir. Aksi takdirde, kompresör çıkış sıcaklığındaki artışlar kompresör yapı için zararlı olabilir. TERMODİNAMİK ANALİZ Kritik nokta üstü çevrimli CO 2 ısı pompalarının verimliliğinin maksimum olabilmesi için en önemli sistem parametresi gaz soğutucu basıncıdır. Bu basınç belirli bir değer aldığında, ısı pompasının verimi maksimuma ulaşır. Eğer bu basınç azaltılır veya arttırılırsa sistem verimliliği her iki halde de kötüleşir. Bu sistem verimini maksimum yapan basınç, sistemin diğer çalışma şartlarına bağımlıdır ve optimum gaz soğutucu basıncı olarak adlandırılır. Liao vd. tarafından, 2000 yılında yapılan bir çalışmada optimum gaz soğutucu basıncı; P opt,gs = (2,778 0,0157.T b ).T 4 + (0,81.T b 9,4) (1) ifadesi ile sunulmuştur (Liao vd, 2000). Burada T b, CO 2 in buharlaştırıcıdaki buharlaşma sıcaklığı ve T 4 ise CO 2 in gaz soğutucudan çıkış sıcaklığıdır. Bu korelasyon 10 o C < T b < 20 o C ve 0 o C < T 4 < 60 o C aralığında geçerlidir. Bu çalışmadaki analizler sırasında, her bir sistem parametresinin değişimiyle birlikte, (1) nolu ifade ile elde edilen optimum gaz soğutucu basıncı değerleri kullanılmıştır. Böylece sistemden alınabilecek en yüksek verim değerleri üzerinden değerlendirmeler yapılmıştır. Ekserji analizleri, herhangi bir sistem içindeki tersinmezliklerin belirlenmesi ve sistemin tersinmezliğinin azaltılması amacıyla yapılacak çalışmalara kılavuzluk yapan bir bilimsel yöntemdir. Bir akışkan için özgül akış ekserjisi, kinetik enerji ve potansiyel enerji terimleri ihmal edilmesi ile; e 0 0-0 (h - h ) - T (s s ) (2) şeklinde yazılabilir. Bu ifade h entalpi, s entropi ve T ise sıcaklığı ifade etmektedir. 0 indisi ise ölü hal veya çevre hali şartını anlatmaktadır. Şekil 1 de görülen tüm noktalar için akış ekserjisi terimleri yazılır ve sistem bileşenlerinin ekserji girdileri ve çıktıları dikkate alınarak analizleri yapılırsa aşağıdaki ifadeler elde edilir; Buharlaştırıcı; T m s e Qb 0 6 1 m s e Ib T 1 () b İç ısı değiştirici; Gaz soğutucu; s e ms e Q 0 4 gs 1 I gs (6) Tg m Burada; 4 T h - h 4 T g (7) s - s şeklinde ve efektif rezervuar sıcaklığı adı ile tanımlanır. Gaz soğutucu içindeki CO 2 sıcaklığı, ısı transferi sürecince değişken olduğundan, bu tanımlamaya ihtiyaç duyulmaktadır. Fartaj vd. tarafından 2004 yılında yapılan bir çalışmada bu konu ile ilgili daha geniş bilgi sunulmuştur (Fartaj vd, 2004). Bu çalışmada, ısı değiştiricisi etkinlikleri 1 olarak alınmıştır. Ayrıca borulardaki ısı ve basınç kayıpları ihmal edilmiştir. Belirli bir soğutma yükü için CO 2 soğutkanlı sistemlerdeki soğutkan debisi, konvansiyonel soğutkanlı sistemlerdeki debi değerinden daha düşüktür. Dolayısıyla aynı boru çaplarında daha düşük akış hızı, daha düşük basınç kaybı ve daha düşük ısı kaybı oluşacaktır. Bu sebeple basınç kayıplarının ihmal edilmesi mümkündür. Soğutma kapasitesi 1 kw olarak seçilmiştir. Kısma valfi; e 5 e 6 I kv (8) Sistemin boru kayıpları ihmal edilmiştir. Çünkü CO 2 in buharlaşma gizli ısısı, konvansiyonel soğutkanlara göre çok daha yüksektir. Bu durumda, aynı soğutma veya ısıtma yükünü karşılamak amacıyla yapılan sistemlere şarj edilecek CO 2 miktarı daha az olmaktadır. Dolayısıyla boru içindeki CO 2 in hızı da düşük olmaktadır. Nispeten düşük olan akışkan hızları ise sürtünme kayıplarının azalmasını sağlamaktadır. Sistemin toplam ekserji yok oluşu yukarıdaki denklemler yardımıyla; ITop Ib Iıd Ik Igs Ikv (9) ifadesi ile hesaplanır. Sistemin ekserji verimi; m s (e1 - e6) ex Wk (10) W k h - h 2 (11) e 1 e4 e2 e5 I ıd (4) Kompresör; s e2 Wk m s e Ik (5) 75 m ifadeleri ile hesaplanır. Burada h kompresör çıkışındaki gerçek soğutkan entalpisidir ve h - h (hs h2)/ k 2 (12)
ekserji STK Tersinmezlik [kw] ekserji STK STK ekserji şeklinde hesaplanır. Burada h s izentropik sıkıştırma sonucunda elde edilebilecek kompresör çıkışındaki soğutkan entalpisidir. Kompresörün adyabatik verimi ise; 2 P gs P gs k 0. 815 0. 022 0. 041 Pb Pb (1) Pgs 0. 0001 Pb ifadesi ile hesaplanabilir (Robinson ve Groll, 1998). Analiz sonuçları ve CO 2 in özelikleri bir bilgisayar programı (Engineering Equation Solver (Klein, 2008; Span ve Wagner, 1996)) ile elde edilmiştir. BULGULAR Şekil ve 4 de görülen grafikler, sırasıyla buharlaşma sıcaklığının -10 o C ve +10 o C olduğu durumlar için ekserji veriminin ve STK nın gaz soğutucu çıkış sıcaklığı ile değişimini göstermektedir. Bu grafiklerde ITK değeri yerine STK değerinin verilmiş olması ile ısı pompası sistemlerinin yaz çalışması sırasında oluşacak etkinlik değerlerine dikkat çekilmiştir. Bilindiği üzere ITK = STK +1 bağıntısı ile sistemin ısıtma tesir katsayısı elde edilebilir. Grafiklerde STK ve ITK değerlerinin bir arada sunulmaması ile grafiklerin daha kolay okunabilmesi ve karmaşıklığın azaltılması amaçlanmıştır. 0. 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 0.18 T b =-10 o C 0.16 1.4 04 06 08 10 12 14 16 18 20 T 5 [K] Şekil. Ekserji veriminin ve STK nın gaz soğutucu çıkış sıcaklığı ile değişimi (T b = -10 o C). 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 T b =+10 o C 0.08 2 04 06 08 10 12 14 16 18 20 T 5 [K] 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 5.5 5 4.5 4.5 2.5 Şekil den görüldüğü gibi, CO 2 in gaz soğutucudan çıkış sıcaklığının 05 K den 20 K e artması ile sistemin ekserji verimi yaklaşık olarak % 4,6 azalmıştır. Keza STK değeri içinde aynı ifade kullanılabilir. Şekil 4 de ise buharlaşma sıcaklığının +10 o C olduğu durumda, ekserji veriminin artan gaz soğutucu çıkış sıcaklığı ile % 54,9 oranında azaldığı görülmektedir. Şekil 5 de ise ekserji veriminin ve STK nın buharlaşma sıcaklılığı ile değişimleri verilmiştir. Bu grafikte dikkat çeken husus, ekserji veriminin artan buharlaşma sıcaklığı ile azalmasıdır. Bu durumun sebebi, kritik nokta üstü çevrim kullanılmasıdır. Buna karşılık STK değeri ise artan buharlaşma sıcaklığı ile artmaktadır. 0. 0.28 0.26 0.24 0.22 0.2 4.5.5 0.18 2.5 26 268 27 278 28 T b [K] Şekil 5. Ekserji veriminin ve STK nın buharlaşma sıcaklığı ile değişimi (T b = -10 o C). Şekil 6 da her bir sistem bileşeninin tersinmezliğinin gaz soğutucudan çıkan CO 2 in sıcaklığı ile değişimi gösterilmiştir. Gaz soğutucuda oluşan tersinmezlik, diğer sistem bileşenlerinde oluşan tersinmezliklerden çok daha fazladır. Şekil 6 da ki durum için hesaplanan CO 2 in gaz soğutucuya giriş sıcaklığı maksimum 409 K ve maksimum gaz soğutucu basıncı ise 12,4 MPa dır. Bu değerler oldukça yüksektir. Dolayısıyla gaz soğutucudaki yüksek nitelikli (enerji açısından) CO 2 akımından faydalanılmalıdır. 0.6 0.5 0.4 0. 0.2 0.1 gaz sog. kisma v. buh. komp. isi deg. 0 05 08 11 14 17 20 T 5 [K] Şekil 6. Sistem bileşenlerinin tersinmezliklerinin gaz soğutucu çıkış sıcaklığı ile değişimi. 5 4 Şekil 4. Ekserji veriminin ve STK nın gaz soğutucu çıkış sıcaklığı ile değişimi (T b = +10 o C). 76
SONUÇLAR ve TARTIŞMA Karbondioksit soğutkan ile çalıştırılacak ısı pompası sistemlerinde, ekserji veriminin yüksek tutulabilmesi için etkinliği yüksek gaz soğutucuların yapılmasının önemi, çalışma bulgularından anlaşılmaktadır. Gaz soğutucu içinde, gaz fazında soğutulan ve faz değiştirmeyen karbondioksitin, özellikle su soğutmalı gaz soğutucular ile soğutulması tercih edilmelidir. Böylelikle sistemin ekserji verimi, hava soğutmalı gaz soğutucuya sahip sistemlere göre daha yüksek seviyelerde elde edilebilir. CO 2 kullanılan ısı pompaları ya da soğutma çevrimlerinin gaz soğutucularında, kritik üstü sıcaklıklarda ısı atımı gerçekleştirdiğinden, gaz soğutucudaki yüksek nitelikli (enerji açısından) CO 2 akımından faydalanılmalıdır. CO 2 soğutkanlı sistemler için gaz soğutucu sıcaklığı önemli bir unsurdur. Gaz soğutucudan çıkan CO 2 in sıcaklığı, STK değerini ve ekserji miktarını doğrudan etkilemektedir. Gaz soğutucu sistemdeki en büyük ekserji kaybına sebep olan elemandır. Gaz soğutucuda, CO 2 in ısısının hava yerine su gibi ısı transfer özelliği yüksek akışkanlara aktarılması, CO 2 in gaz soğutucudan daha düşük sıcaklıkta çıkmasına neden olacaktır. Bu da doğrudan sistemin ekserji veriminin artışı anlamına gelmektedir. Özellikle binalarda sıcak su ihtiyacını karşılamak, CO 2 soğutkanlı ısı pompasının gaz soğutucusundan kısmen elde edilebilir. Çünkü CO 2 gaz soğutucuya oldukça yüksek sıcaklıklarda girmektedir ve bu da gaz soğutucudan elde edilebilecek su sıcaklığı için bir limittir. Böylelikle enerji ve ekserji verimli, doğaya saygılı soğutkanlar kullanan ısı pompaları elde edilecektir. Eğer gaz soğutucunun ısı transferini hava ile yapması gerekirse, bu durumda mutlaka özel tasarlanmış bir buharlaştırmalı soğutucu (evaporatif kondenser) kullanılmalıdır. Gaz soğutucudaki CO 2 akışı ile ısıyı yüklenen akış arasında ısı transferi iyileştirilmelidir ve ekserji verimi yükseltilmelidir. Gaz soğutucuda ısı transferinin arttırılması, CO 2 akışının uğradığı basınç kaybını arttırabilir. Fakat CO 2 in hacimsel soğutma kapasitesinin, belirli bir soğutma yükü için gerekli soğutkan debisinin göreceli olarak diğer soğutkanlara göre az olmasına sebep olur. Bu durumda aynı boru çaplarında daha düşük akışkan hızı ve daha düşük yük kaybına neden olur. Günümüzde sıklıkla kullanılan ısı pompalarında ve buna bağlı olarak soğutma sistemlerinde CO 2 in soğutucu akışkan olarak kullanılması yaygınlaşmaya başlamıştır. Gelecekte kullanımının daha da yaygın hale gelmesi beklenen karbondioksit soğutkanlı sistemlerin verimliliğinin arttırılması ve özellikle yerli sanayide bu konuda üretimin sağlanması önem arz etmektedir. Özellikle Kyoto protokolünü imzalayan ülkemizin çevreye saygılı, yüksek enerji ve ekserji verimli sistemleri yerli olarak üretebilmesi, ülkemizin gelecekteki ekonomik ve teknolojik gelişimine katkı yapacaktır. Özellikle teknolojik olarak gelişim sürecini sürdüren buharlaştırıcı, gaz soğutucu ve benzeri sistem elemanlarının alışılagelmiş bir ürün çeşitliliği ile günümüzde ticari olarak pazarlanamamaktadır. Bu sebeple geliştirilen ilk örnek sistem elemanları, ticari 77 sırlar sebebi ile ya pazarlanmamakta ya da aşırı maliyetler ile sunulmaktadır. Bu çalışmada ele alınan ve alınmayan tasarım sıcaklıları, sistem elemanlarının maliyetlerinin oluşmasında öneme sahip olsa da karbondioksitin ısı transfer kabiliyetinin iyi olması bu maliyetlerin tasarım sıcaklığı ile değişim miktarını azaltmaktadır. Önemli olan basınca dayanıklı ve et kalınlığı ince sistem bileşenlerinin geliştirilmesini sağlamak ve bu konuda fikri koruma haklarını elde etmektir. Günümüzde, ısı pompası sektöründe gelişim sağlayabilmek açısından bu konu büyük önem arz etmektedir. SEMBOLLER CFC Kloroflorokarbon e Özgül akış ekserjisi [kj/kg] GWP Küresel Isınma Potansiyeli (Global Warming Potential) [-] h Özgül Entalpi [kj/kg] HCFC Hidrokloroflorokarbon HFC Hidroflorokarbon I Tersinmezlik [kw] m Kütlesel debi [kg/s] ODP Ozon Delme Potansiyeli [-] P Basınç [Pa] s Özgül Entropi [ kj/kg.k] STK Soğutma tesir katsayısı [-] ITK Isıtma tesir katsayısı [-] T Sıcaklık [K] W Kompresöre verilen iş [kw] η Verim [-] Alt İndisler b Buharlaştırıcı ex Ekserji gs Gaz soğutucu ıd Isı değiştirici k Kompresör kv Kısma Valfi opt Optimum Top Toplam 0 Ölü hal 1, 6 CO 2 ısı pompası çevrimindeki elemanların giriş çıkış noktaları KAYNAKLAR Christensen, K.G., Bertilsen, P., Refrigeration systems in supermarkets with propane and CO 2 energy consumption and economy, Journal of EcoLibrium, February: 26 2, 2004. Çengel Y.A., Boles M.A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, 2. Baskı, Çeviri: Derbentli T., Literatür Yayıncılık, 1996. Fartaj A., David S., Ting K., Yang WW., Second law analysis of the transcritical CO 2 refrigeration cycle, Energy Conversion and Management,45: 2269 2281. 2004.
Kauf, F., Determination of the optimum high presure for transcritical CO 2 -refrigeration cycles, Int. Journal of Thermal Science, No: 8, 25-0, 1999. Klein, S.A., Engineering Equation Solver, Version 8.158, F-Chart Software, 2008. Liao, S.M., Zhao, T.S., Jakobsen, A. A Correlation of Optimal Heat Rejection Pressures In Transcritical Carbon Dioxide Cycles, Applied Thermal Engineering, 20, 81-841, 2000. Özgür, A.E., Bayrakçı, H.C., "Performance Analysis of CO 2 Coolant Usage In Transcritical Vapor Compressed Refrigerating Systems". rd International Energy, Exergy and Environment Symposium. Proceedings of IEEES, Paper No:112, (CD-ISBN 978-989-95091-1- 5), Evora, Portugal, 7 pages. 2007. Özgür A.E., Değişik gaz soğutucu çıkış sıcaklıkları ve basınçları için bir CO 2 soğutkanlı mobil klimanın performansının incelenmesi. Gazi Üni. Müh. Mim. Fak. Dergisi, Cilt:2, No: 1, s. 181-185, 2008. Özgür A.E., The performance analysis of a two-stage transcritical CO 2 cooling cycle with various gas cooler pressures. International Journal of Energy Research, Cilt: 2, s. 109-115, 2008. Robinson, D.,M., Groll, E.A., Efficiencies of transcritical CO 2 cycles with and without an expansion turbine, Int. J. of Refrigeration, Vol. 21, No.7, pp. 577-589. 1998. Span R., Wagner W., A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple-point temperature to 1100 K at pressure up to 800 MPa, Journal of Physics Chem. Ref. Data, Cilt: 25, No: 6, 1509-1596, 1996. Zhang X.R., Yamaguchi H., Fujima K., Enomoto M., Sawada N., 2006. Study of solar energy powered transciritical cycle using supercritical carbondioxide. International Journal of Energy Research, Cilt: 0, s. 1117-1129. Arif Emre ÖZGÜR, 1977 yılında Eskişehir de doğdu. 1998 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Tesisat Öğretmenliği Bölümü nden mezun oldu, 2001 yılında, yine aynı üniversitenin Makine Eğitimi ana bilim dalında yüksek lisans derecesi aldı. 1998 2005 yılları arasında Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü nde araştırma görevlisi olarak çalıştı. 2005 yılında doktorasını Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Mühendisliği ana bilim dalından tamamladı. Yine 2005 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü ne Yardımcı Doçent Doktor olarak atandı. Halen aynı görevine devam etmektedir. Alternatif soğutucu akışkanlar ve alternatif soğutma sistemleri boyutlandırmaları, ekserji analizi ve temiz ve tükenmez enerji kaynakları konularında çalışmaktadır. Hilmi Cenk BAYRAKÇI, 1974 yılında Balıkesir de doğdu. 1995 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü nden mezun oldu. 1999 yılında, yine aynı üniversitenin Makine Mühendisliği ana bilim dalında yüksek lisans derecesi aldı. 1995 1997 yılları arasında özel şirketlerde montaj ve bakım mühendisi olarak, 1997 2007 yılları arasında Süleyman Demirel Üniversitesi Senirkent Meslek Yüksekokulu Teknik Programlarında okutman olarak çalıştı. 2006 yılında doktorasını Süleyman Demirel Üniversitesi Makine Mühendisliği ana bilim dalından tamamladı. 2007 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Senirkent Meslek Yüksekokulu Teknik Programlarına Yardımcı Doçent Doktor olarak atandı. Halen aynı görevine devam etmektedir. Alternatif soğutucu akışkanlar, ekserji analizi ve temiz ve tükenmez enerji kaynakları konularında çalışmaktadır. 78