Absrbsiynlu - Mekanik Sıkıştırmalı (Kmbine) Sğutma ile Mekanik Sıkıştırmalı Sğutma Sistemlerinin Örnek Bir Uygulama ile Karşılaştırılması * Canan CİMŞİ Kcaeli Üniversitesi, Gölcük MYO. Gölcük- Kcaeli İlhan ekin ÖZÜRK Kcaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü Vezirğlu Kampüsü 4100 Kcaeli (ilhan@ku.edu.tr) ÖZE Bu çalışmada, hem buz pateni sahasının sğutulması hem de yüzme havuzunun ısıtılmasını sağlamak amacıyla, ısıtma ve sğutmanın aynı anda yapılabildiği bir absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin tasarımı ve analizi yapılmış lup, mevcut buhar sıkıştırmalı sğutma sistemiyle termdinamik ve eknmik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır. Yapılan analiz snucunda absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin sğutma tesir katsayısının (SK) mevcut buhar sıkıştırmalı sğutma sisteminden % 1 daha yüksek lduğu ve sistemin absrberinden açığa çıkan ısının buz pateninin çk yakınında bulunan yüzme havuzu suyunun ısıtılması için yeterli lduğu görülmektedir. Anahtar Kelimeler: Absrbsiyn, sıkıştırma, NH-HO, yüzme havuzu, buz pateni sahası, perfrmans katsayısı Cmparing Absrptin-Mechanical Cmpressin (Cmbine) Refrigeratin With he Mechanical Cmpressin Refrigeratin Systems by a Mdel Applicatin ABSRAC A thermdynamic analysis has been carried ut n a cmpressin-absrptin system that can be used fr simultaneus heating and cling applicatins. In this analysis, t prvide bth cling facility fr ice rink and heating facility fr the swimming pl, a absrptin - mechanical cmpressin (cmbine) is designed and cmpared with present vapr cmpressin system frm thermdynamic and ecnmic aspects. he results shw that cmbine cling system's cefficient f perfrmance (COP) is 1 % higher than present vapr cmpressin cling system and heat rejectin frm absrber is capable t prvide heating f swimming pl which is clse t ice rink. Keywrds: Absrptin, cmpressin, NH-HO, swimming pl, ice rink, cefficient f perfrmance GİRİŞ Isı pmpaları enerjinin düşük sıcaklık kaynağından yüksek sıcaklık kaynağına aktarıldığı düzenekler lup prensip larak uzun yıllardan beri bilinmektedir. Gerek sanayide ve gerekse günlük yaşamda ısıtma ve sğutmanın önemi ve bu amaç için sarf edilen enerjinin tplam enerji tüketimi içindeki payının yüksek lduğu bilinmektedir. Isı pmpaları bir mahalin ısıtılması veya sıcak su üretimi için kullanılabilir. Binaların ısıtılmasında, iklimlendirme tesislerinde, yüzme havuzlarının ısıtılmasında, çeşitli kurutma, buharlaştırma gibi işlemlerde kullanılmaktadır []. Enerji prbleminin çözümüne yönelik araştırmalar, enerji kullanımında verimliliğinin artırılmasında ve güneş enerjisinden atık ısıya kadar geniş bir yelpaze içerisinde çeşitli kaynakların bu amaç için değerlendirilmesinde yğunlaşmıştır [9]. * İletişim yazarı Geliş/Received : 0.05.008 Kabul/Accepted : 5.06.008 Mühendis ve Makina Cilt : 49 Sayı: 581 5
Süt fabrikaları, eczacılık ve kimya gibi birçk endüstri dalında ısıtma ve sğutmanın eş zamanlı yapılması gerekir. Geleneksel mett, ısıtma ve sğutma için sistemlerin ayrı ayrı kullanılmasıdır. Alternatif larak, bir ısı pmpası, hem ısıtma hem de sğutmanın aynı anda yapılması için kullanılabilir. Buna rağmen, şayet sğutma ve ısıtma akışkanları arasındaki sıcaklık farklılığı çk büyükse standart buhar sıkıştırmalı ısı pmpası sistemleri, yüksek çalışma basınçları, yüksek sıkıştırma ranları, düşük verimlilik ve yüksek kmpresör çıkış sıcaklıklarına neden lmasından dlayı uygun lmayabilir. Ayrıca, sabit sıcaklıkta buharlaşmalı ve yğuşmalı klasik saf akışkan esaslı sistemler, bir sıcaklık değişiminde dış sğutma ve ısıtma akışkanlarının lduğu uygulamalarda termdinamik açıdan uygun değildir. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sistemleri larak bilinen buhar sıkıştırmalı sistemler çk cazip görünmektedirler. Klasik buhar sıkıştırmalı sistemlere kıyasla absrbsiynlu-mekanik buhar (kmbine) sğutma sistemlerinin sunduğu avantajlar; daha düşük çalışma basınçları, daha düşük sıkıştırma ranları ve daha düşük kmpresör çıkış sıcaklıkları ve daha yüksek verimlilik şeklinde sıralanabilir. Knuyla ilgili literatürde terik ve deneysel lmak üzere birkaç çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda sadece aynı tasarım ve çalışma şartlarında klasik buhar sıkıştırmalı sistemle karşılaştırılması yapılmış ve absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin perfrmans katsayısının (SK) daha yüksek lduğu belirtilmiştir [6]. Ayrıca Syed Md arique ve M.Altamush Siddiqui [8] tarafından aynı çalışma şartlarında amnyağı kullanan klasik buhar sıkıştırmalı sistemle NH-NaSCN çözeltisini kullanan absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin eknmik ve perfrmans karşılaştırılması yapılmıştır. NH-NaSCN kullanan absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin perfrmansı sabit ısıtma sıcaklıklarında saf amnyak sıkıştırmalı sistemin perfrmansından hemen hemen % 0-60 daha büyük lduğu görülmüştür. Bu çalışmada hem buz pateni sahasının sğutulması hem de yüzme havuzunun ıstılmasını sağlamak amacıyla bir absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin tasarımı yapılmış lup, mevcut sistemle termdinamik ve eknmik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır. ÇEVRİMİN ANALİZİ ek kademeli absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine ) sğutma sisteminin şematik gösterimi Şekil 1 'de verilmiştir. Çözelti karışımından sğutucu akışkan ayrılması desrberde, karışımı ise absrberde lmaktadır. Desrber düşük basınçlarda çalışır ve rtamdan ısı alır. Absrberde ise alan ısıtılması için kullanılan absrbsiyn ısısı serbest bırakılır. Çözelti pmpası, sğutkan- absrbent karışımını desrberden absrbere pmpalar. Desrberdeki saf sğutucu akışkan 4 5 6 YÜZME HAVUZU ABSORBER Isı Eşanjörü DESORBER BUZ PAENİ SAHASI KOMP Şekil 1. ek Kademeli Absrbsiynlu-Mekanik Sıkıştırmalı (kmbine) Sğutma Sistemi 1 absrber basıncına kmpresör tarafından sıkıştırılır. Kmpresörden gelen yüksek basınçlı sğutucu akışkan ile çözelti pmpasından gelen (sğutucu akışkanca) zayıf çözelti absrberde tekrar birleşir. Absrberden çıkan (sğutucu akışkanca) zengin çözelti desrber basıncına kadar genişleme valfinde genişleyerek, böylece çevrim tamamlanmış lur. Saf sğutucu akışkanla çalışan sistemlere göre absrbsiynlumekanik sıkıştırmalı (kmbine) sistemin en büyük avantajı; bir karışım için geniş sıcaklık aralığının lmasıdır. Örneğin amnyak su ile birleştiğinde muhtemelen 150-160 C sıcaklığına kadar kullanılabilir. Bu nedenle karışımların kullanılması yluyla, saf ve uygun bir sğutucu bulmanın güç lduğu durumlarda gereken sıcaklıklar elde edilebilir. Bugün R11,R1,R14 gibi klrflurkarbn gazlarının zn tabakası üzerindeki etkisi iyi bilinmektedir. Bu nedenle uygun nitelikte sğutucuların aranması çk önem taşıyan knudur. Her ne kadar klrflurkarbn sn zamanlarda büyük ilgi çekiyrsa da diğer çevresel knularda önem taşımaktadır. Bunların başında fsil yakıtların yanmasıyla luşan sera etkisi gelir. Bu gelecekte büyük bir srun yaratacağından CO yayınımına ve diğer sera gazlarından kaçınmak gerekir. Bu nedenle yeni sğutucu maddelerin ve alternatif çevrimlerin araştırılması ve geliştirilmesi, geliştirilemiyrsa mevcut durumunun sürdürülmesi büyük önem taşımaktadır[1]. Bir amnyak-su karışımı, endüstriyel tip ısı geri kazanım ısı pmpaları ve ısı değiştiricilerinde iyi çalışan bir iş akışkanı larak kullanılabilir [5]. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) ısı pmpalarında daima bir karışım kullanılır. Yapılan çalışmalarda amnyak-su karışımı, bu karışımlardan en 8 7 6 Mühendis ve Makina Cilt : 49 Sayı: 581
makale ilginç lanlardan biri larak tanımlanmıştır. Klasik buhar sıkıştırmalı çevrimle karşılaştırılması durumunda amnyak desrberde buharlaşır (buharlaştırıcıya karşılık gelir) ve absrberde yğunlaşır (yğuşturucuya karşılık gelir) [4]. Çevrimin ermdinamikanalizi Çevrimin termdinamik analizine temel luşturacak aşağıda belirtilen birtakım kabuller yapılmıştır [6]. Bunlar: 18.015 X X = 18.015 + 17.0 (1 X ) abl 1. Eşitlik 1'de Kullanılan Katsayılar i m i n i a i i m i n i a i (1) 1. Desber çıkışındaki buhar saf bir sğutkan larak düşünülür ve desrberden ayrılan zayıf çözelti ile denge halinde lduğu farz edilir.. Desrberden ayrılan zayıf eriyik ile absrber çıkışındaki zengin eriyik dymuştur.. Kmpresördeki buhar sıkıştırması izantrpiktir. 4. Genişleme valfı byunca genişleme izentalpiktir. 5. Pmpadaki sıcaklık artışı ihmal edilmiştir. Bu nedenle pmpa işi ihmal edilebilir. Desrberde kütle ve enerji dengesi; m 6 = m1 + m7 (tplam kütle dengesi) (1) xz. m6 = m1. xf + m7 (amnyak dengesi) () Qdes = m1. h1 + m7. h7 m6. h6 (enerji dengesi) () Absrberde kütle ve enerji dengesi ; m = 8 + m m 4 (tplam kütle dengesi) (4) m + x. m. x m4 (amnyak dengesi ) (5) 8 f = z Qabs = m. h + m8. h8 m4.. h Kmpresör tarafından yapılan gerçek iş; WC = m 7( h8 h7) Sıkıştırma ranı; f = m / m 7 = (1 x ) /( ) 6 f xz x f Perfrmans katsayısı (SK) ; SK = Qdes / WC Isıtma esir Katsayısı (IK) ; IK = Qabs / Wc Eriyik eşanjörü etkenliği; ε = ( 1) /( 4 1) 4 (enerji dengesi) (6) (7) (8) (9) (10) (11) Amnyak-su eriyiğinin entalpisi, sıcaklık ve knsantrasyna bağlı larak aşağıda verilmiştir [7]. 16 h(, X ) = 100 a i ( 1) 7.16 i = 1 (1) Burada X amnyağın ml ranı lup eşitlik (1) ile bulunabilir. mi X ni Bu çalışmada, klasik buhar sıkıştırmalı sğutma çevrimine göre çalışan tesisle sğutulan bir limpik buz sprları tesisi incelenmiş lup, aynı çalışma kşullarında sistemin absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı çevrime göre çalışan bir sistemin düşünülmesi durumunda mevcut sistemle hem termdinamik açıdan hem de eknmik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır. Ayrıca hemen yakınında bulunan bir kapalı yüzme havuzu tesisinin de havuz suyu ısıtılması için gerekli ısınında bahsedilen sğutma çevrimlerinin kndenser ısılarından karşılanması durumu incelenmiştir []. Buz pateni sahası (klasik buhar sıkıştırmalı) mevcut çalışma kşulları: =-15 C buh ÖRNEK BİR UYGULAMA (buharlaştırıcı sıcaklığı) yğ. = 5 C (yğuşturucu sıcaklığı) Qbuh. = 50 kw (sğutma yükü) Qyğ. = 44 kw (yğuşturucu kapasitesi) kmp =. 90 kw (kmpresör kapasitesi) W Kapalı yüzme havuzu çalışma kşulları: = 8 C (havuz suyu sıcaklığı) 1= 10 C (şebeke suyu sıcaklığı) V = 650 m (havuz su hacmi) h= 7 saat (ilk ısıtma süresi; 1 ile 7 saat arası alınabilir.) S h=1.5x5=7.5 m (havuzun su alanı) q= 45.44 (kj/m h) (buharlaşma ile kayblan ısı) Havuz suyu ilk ısıtma ısı ihtiyacı: Q = V ( 1) C ρ P / h + Sxq Q = 0 kw (14) buh = -15 C ve yğ = 5 C sıcaklıkları için tek kademeli absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin çeşitli nktalarındaki termdinamik özellikler abl de verilmiştir. Amnyak-su eriyiğinin entalpisi Eşitlik 1 yardımıyla hesaplanmıştır. Sistemin sğutma yükü (buz pateni Mühendis ve Makina Cilt : 49 Sayı: 581 7
abl. Çevrimin Çeşitli Nktalarındaki ermdinamik Özellikleri Akış N ( C) P(kPa) h(kj/kg) X (%) m zen. fak. (NH -H O) (NH -H O) (NH ) 1-15 0.647-175.507 85-0.0011 - -15 150-175.507 85-0.0011-7.5 150 0.875 85-0.0011-4 5 150 146.101 98 0.561-5 8.57 150 119.89 98 0.561 - - 6 8.57 0.647 119.89 98 0.561 - - 7-15 0.647 1444.19 - - 0.19550 8 15 150 1806.69 - - 0.19550 m m sğ. sahası için) 50 kw larak belirtilmiştir. Burada eriyik eşanjörü etkenliği ε = 0,85 larak alınmıştır. Kapalı yüzme havuzunun mevcut çalışma kşulları ile buz pateni sahasının absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine ) sğutma sisteminin absrber ısısı ile ısıtılması durumunun karşılaştırılması; Kapalı yüzme havuzunun mevcut yıllık yakıt miktarı : 81.680 (m /yıl) Havuz kalrifer kazanının mevcut kapasitesi : 698 kw (Bu kapasite yüzme havuzu ile tesisin mahal ısıtılmasını içermektedir.) Buna göre absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine ) sğutma sistemi durumunda absrber ısısı (0 kw), yüzme havuzu suyu ilk ısıtma ihtiyacını (0 kw) karşılamaktadır. Böylelikle yüzme havuzu tesisinin yıllık yakıt tüketimi % ranında azalmaktadır. ARAŞIRMA SONUÇLARI Aynı sıcaklık şartlarında çalışan absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sistemi ile mevcut buhar sıkıştırmalı sğutma sisteminin termdinamik analiz snuçları abl 'de verilmiştir. Buna göre elde edilen snuçlar; 1. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin tesir katsayısının (SK) mevcut buhar sıkıştırmalı sğutma sisteminden daha yüksek lduğu (abl ) görülmektedir. Böylece buz pateni sahasının absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sistemiyle sğutulması durumunda yaklaşık % 1 ranında daha yüksek bir perfrmans elde edilerek işletme giderleri de bu ran kadar azalmaktadır.. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin farklı yğuşturucu sıcaklıklarına göre sğutma tesir katsayısı (SK), kmpresör işi ve absrberin ısıl kapasitesinin değişimi incelenmiştir. Şekil 'de yğuşturucu sıcaklığı ile SK değerinin değişimi abl. Absrbsiynlu-Mekanik Sıkıştırmalı (Kmbine ) Sğutma Sistemi ile Mevcut Buhar Sıkıştırmalı Sğutma Sisteminin Karşılaştırılması. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sistemi Mevcut buhar sıkıştırmalı sğutma sistemi SK.58.778 70.869 90 Wkmp. ( kw ) 0.875 44 Q abs, yğ.( kw ) 50 50 Q des, buh.( kw ) 0 - Qhavuz(kW ) 4,6 4,4 4, 4,0,8,6 SK,4,,0,8,6 IK 4.58-8 0 4 6 8 40 4 44 46 yğ. ( C) Şekil. SK 'nın Yğuşturucu Sıcaklığıyla ( görülmektedir. Yğuşturucu sıcaklığı arttıkça SK değeri de azalmaktadır. Şekil 'te yğuşturucu sıcaklığının artmasıyla kmpresör için gerekli enerjinin daha fazla lduğu görülmektedir. Kmpresör işi arttıkça enerji tüketimine bağlı larak işletme maliyetleri de artmaktadır. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı (kmbine) sğutma sisteminin artan yğuşturucu sıcaklıklarında absrberin ısıl kapasite değeride artmaktadır (Şekil 4). Artan absrber ısısıyla yğ. ) Değişimi 8 Mühendis ve Makina Cilt : 49 Sayı: 581
95 90 85 80 75 W kmp. (kw) 70 65 60 55 8 0 4 6 8 40 4 44 46 yğ. ( C) Şekil. Kmpresör İşinin (W kmp. ) Yğuşturucu Sıcaklığıyla ( yğ. ) Değişimi 45 40 5 0 Q abs. (kw) 5 0 15 10 05 8 0 4 6 8 40 4 44 46 yğ. ( C) Şekil 4. Absrber Isısının (Q abs. ) Yğuşturucu Sıcaklığıyla ( yğ. ) Değişimi çeşitli mahallerin ıstılması işlemleri yapılabilir. Böylece bu sistemler hem ısıtma hem de sğutmanın aynı anda yapılması için kullanılabilir.. Buz pateni sahasının absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı ( kmbine) sğutma sistemi ile sğutulması düşünüldüğünde sistemin absrber ısısı, yakınında bulunan yüzme havuzu suyunun ısıtma yükünü rahatlıkla karşılayabilmektedir. Absrbsiynlu-mekanik sıkıştırmalı sğutma sistemiyle hem buz pateni sahası daha yüksek bir perfrmans katsayısıyla sğutulmakta hem de yakınında bulunan yüzme havuzu suyu ısıtılabilmektedir. Yüzme havuzunun bu sistemle ısıtılmasıyla, yüzme havuzu tesisinin yıllık yakıt tüketimi % ranında azalmaktadır. 4. Buhar sıkıştırmalı mekanik sğutma sistemlerinde amnyak (NH ) dışında kullanılan flur-klrkarbn gazlarının zararlı etkileri ve sn yıllarda yaşanan enerji darbğazı nedeniyle özellikle bu tip sistemleri uygulayabilecek lan sğutma sistemlerinde ve aynı anda sğutma ve ısıtma yapan tesislerde kullanılmasının yaygınlaştırılması gerekmektedir. SK : Sğutma tesir katsayısı : Eriyik eşanjörü etkenliği f : Dlaşım ranı h : Entalpi, kj/kg m : Kütlesel debi, kg/s P : Basınç, kpa Q : Isıl güç, kw : Sıcaklık, C W : Kmpresör işi, kw X : Knsantrasyn V : Havuz hacmi, m S : Havuz su alanı, m h q : Buharlaşma ile kayblan ısı, kj/m h c : Kmpresör etkenliği, (0.80) IK : Isıtma tesir katsayısı C : Suyun özgül ısısı, (kj/kgc) p Alt indisler SEMBOLLER : Yğunluk, (kg/m ) f : Fakir z : Zengin abs : Absrber des : Desrber buh : Buharlaştırıcı yğ : Yğuşturucu kmp : Kmpresör sğ : Sğutucu akışkan KAYNAKÇA 1. Ahlby,L.,Hdgett and Berntssn,., 1991, Optimizatin Study Of he Cmpressin-Absrptin Cycle, Int. J.Refrig., Vl.14.. Bakırcı, K., Yüksel, B., 00, Güneş Kaynaklı Isı Pmpaları, Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü.. Bölükbaşığlu, S., Nisan 005, Yüzme Havuzlarının Mekanik esisatı İçin Prje Hazırlama Esasları. 4. Hulten, M., Berntssn,., 1999, he Cmpressin/Absrptin Cycle- Influence Of Sme Majr Parameters On COP And A Cmparisn With he Cmpressin Cycle, Internatinal Jurnal f Energy Research,, 91-106. 5. Minea, V., Chiriac, F., 006, HybridAbsrptin Heat Pump With Ammnia-Water Mixture-Sme Design Guidelines And District Heating Applicatin, Internatinal Jurnal f Energy Research, 9 1080-1091. 6. Satapathy, P., 004, Studies n Cmpressin-Absrptin Heat Pump Fr Simultaneus Cling And Heating, Internatinal Jurnal f Energy Research, 8:567-580. 7. Sun, Du-Wen, 1997, Cmparisn Of he Perfrmance f NH- HO, NH-LiNO and Absrptin Refrigeratin Systems., Vl.5/6, 57-68. 8. arique, S., Altamush Siddiqui, M., 1999, Perfrmans and Ecnmic Study Of he Cmbined Absrptin/Cmpressin Heat Pump, Energy Cnversin Management 40, 575-591. 9. Ülkü, S., Isı Pmpaları. 10. Yamankaradeniz, R., Hruz, İ., Çşkun, S., 00, Sğutma ekniği ve Uygulamaları. Mühendis ve Makina Cilt : 49 Sayı: 581 9