Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 2, No:2, 2010 (11-23) Electronic Journal of Vehicle Technologies Vol: 2, No: 2, 2010 (11-23) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn: 1309-405X Makale (article) 1. Muammer ÖZGÖREN*, 2. Özgür SOLMAZ** 3. Ali KAHRAMAN** * Selçuk Üniversitesi Müh. Mim. Fak. Mak. Müh. Böl., 42030 Selçuklu Konya/TÜRKİYE ** Selçuk Üniversitesi Tek. Eğt. Fak. Makina Eğt. Böl., 42030 Selçuklu Konya /TÜRKİYE 1 mozgoren@selcuk.edu.tr, 2 osolmaz@selcuk.edu.tr, 3 alikahraman@selcuk.edu.tr Özet Bu çalışmada, model bir taşıtın saatlik soğutma (ısı kazancı) yükleri Türkiye nin güneyinde, yaklaşık aynı enlem üzerinde bulunan Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illeri için hesaplanmıştır. Hesaplamalarda Devlet Meteoroloji İşlerinden temin edilen 1997-2008 yıllarına ait sıcaklık ve ışınım şiddeti dataları kullanılmıştır. Soğutma ihtiyacının en yüksek olduğu günde model taşıtın soğutma yükünün detaylı hesaplamaları yapılmıştır. Taşıtın soğutma yükünü karşılamak için klima sisteminin motordan çektiği güç ve sistemin soğutma tesir katsayısı, geliştirilen MATLAB programıyla R134a, R407c ve R410a soğutucu akışkanlarının kullanıldığı varsayılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre gün boyunca belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar üç il için karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bütün illerde soğutma yükü ve soğutma tesir katsayısının birbirine benzer eğilimler gösterdiği bulunmuştur. Soğutma yükü sabah saat 07:00 ye kadar yaklaşık sabit iken güneşin doğuşuyla birlikte artmakta ve saat 14:00 civarında maksimum değerine ulaşmakta, daha sonra ise saat 21:00 e kadar azalmaya devam etmektedir. Soğutma tesir katsayısı sıcaklığın düşük olduğu sabah ve akşam saatlerinde yüksek, sıcaklığın yüksek olduğu öğle saatlerinde ise düşük olmaktadır. Taşıt klimasının günlük olarak minimum enerji ihtiyacı Mersin ilinde R134a soğutucu akışkanı için 14.76 kwh/gün, maksimum enerji ihtiyacı ise Şanlıurfa ilinde R407c akışkanı için 27.744 kwh/gün olarak hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Saatlik değişim, Soğutma Yükü, Soğutucu Akışkan, R134a, 407c, R410a, Taşıt Kliması. Hourly Variation of Cooling Load of Automotive Air-Conditioning Abstract In this study, hourly variation of cooling load capacity of an automotive air-conditioning was calculated for Antalya, Mersin and Şanlıurfa provinces located in the southern region of Turkey along the almost same latitude. Meteorological Data such as solar radiation and outside air temperature taken from Turkish Meteorological Office for the calculations are used. Calculation for the maximum cooling load capacity of the model vehicle airconditioning system was done in detail. Compressor power consumption of the cooling requirement and coefficient of performance for the air-conditioning system for R134a, R407c and R410a along the maximum cooling load occurrence day were hourly computed with the help of a developed in-house MATLAB program. The obtained results are interpreted with cross-comparison for three provinces. It is found that the cooling load and coefficient of performance for all provinces demonstrate similar trends. As the cooling load capacity increases with the sunshine and becomes the maximum around 02:00 PM after that it continue to decrease until 09:00 PM while it is almost constant till 07:00 AM. Coefficient of performance has higher values during morning and evening hours at which outside air temperature is lower but it has smaller values during daytime owing to higher outside air temperatures. It is obtained that daily total electric consumption of the vehicle is the minimum for Mersin province and R134a with the capacity 14.76 kwh/day while it is the maximum for Şanlıurfa province and R407c with the capacity 27.744 kwh/day. Keywords : Automotive air conditioning, hourly variation, cooling load,, R134a, R410a, R407c. Bu makaleye atıf yapmak için Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A., Taşıt Teknolojileri Elektronik Dergisi 2010, (2)11-23 How to cite this article Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A., Hourly Variation of Cooling Load Capacity of Automotive Air-Conditioning Electronic Journal of Technologies, 2010, (2) 11-23 Vehicle
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 1. GİRİŞ Dünyanın enerji ihtiyacı, artan nüfusa ve buna bağlı olarak sürekli büyüyen ekonomik gelişme nedeniyle hızla yükselmektedir. Toplumun refah düzeyinin artması yaşam ortamlarının konforunu muhafaza etmek için klima kullanımını hem konutlarda hem de taşıtlarda kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu da yaz aylarında klimaların tükettiği enerjiden dolayı kümülatif enerji tüketimini önemli oranda arttırmaktadır. Taşıtlardaki enerji kaynağının ağırlıklı kısmı, fosil yakıtlar olarak bildiğimiz petrol, kömür ve doğalgaz kaynaklarından karşılanmaktadır. Bu kaynakların sınırlı olduğu ve 2050-2100 yılları arasında tükeneceği bilim adamları tarafından öngörülmektedir. Taşıt klima sistemi, ferah bir ortam havası oluşturmak için, aracın içindeki veya aracın içine alınan taze dış havayı soğutan, buna ilave olarak nemini alan bir ünitedir. On yıl öncesinde taşıtlarda isteğe bağlı olarak görülen klima sistemleri, insanoğlunun konfora olan düşkünlüğünden dolayı bir ihtiyaç haline gelmiş ve standart donanım halini almıştır. Taşıtlarda yolcu konforu ve yakıt tüketimi birbirine bağlı iki önemli özelliktir. Klima sisteminin güç tüketimini azaltarak yakıt ekonomisinin geliştirilmesi, sistemin her bir elemanının veriminin yükseltilmesi ve optimum çalışma kontrolünün sağlanması, soğutma yüklerinin azaltılması ile mümkündür. Soğutma yükü ise genel olarak dış hava sıcaklığı, nemi, yolcu sayısı, gerekli temiz hava miktarı ve güneş ışınım faktörlerinden etkilenmektedir. Bu faktörler değişken yol şartlarında, otomobilin farklı hızlarında ve yolcuların durumuna göre değişebilmektedir. Bir klima sistemi tüm şartlara uyum sağlamalı her koşulda en iyi performansı verebilmelidir [1]. Klima sisteminin performansının yüksek olması, klima sisteminin tükettiği enerjinin azalmasına ve böylelikle içten yanmalı motorun yakıt tüketiminin iyileşmesine sebep olacaktır. Bir taşıttaki bu küçük iyileşme dünyada milyonlarca taşıtın olduğu düşünülecek olursa kümülatif etkisi yüksek olacaktır. Böylelikle taşıtlardan kaynaklanan küresel ısınma etkisi azalacak ve dünyadaki fosil yakıt rezervlerinin tükenme ömrü de uzayacaktır. Taşıtlarda buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan bir klima sistemi mevcuttur ve kompresör gücünü direkt içten yanmalı motordan almaktadır. Amerika Birleşik Devletleri SC03 sürüş şatlarına göre Bevilacqua nın yaptığı bir çalışmada klima sisteminin, taşıtın yakıt tüketiminde %28, CO 2, NO x ve HC emisyonlarında sırasıyla %71, %81 ve %30 seviyelerinde bir artış yarattığı belirtilmiştir [2]. Taşıt klima sistemlerindeki kayıpların ve emisyonların azaltılmasına yönelik birçok çalışma yapılmaktadır. Son zamanlarda yapılan bazı taşıt kliması ile ilgili çalışmalar aşağıda kısaca özetlenmiştir. Kiatsiriroat ve Euakit [3] ile Jung ve ark. [4] taşıtlarda farklı soğutucu akışkanların kullanımı ile klima performansındaki değişimi araştırmışlardır. Lee ve Yoo [5] yoğuşturucu boyutunun ve soğutucu akışkan şarjının otomobil iklimlendirme sistemi performansına etkisini, Al-Rabghi ve Niyaz ise [6] R12 ve R134a soğutucu akışkanları ile şarj edilmiş otomobil iklimlendirme sistemlerinin çeşitli kompresör devirlerindeki performans parametrelerini deneysel olarak incelemişlerdir. Jabardo ve ark. [7] yoğuşturucuya giren hava sıcaklığı, dönüş hava sıcaklığı ve kompresör devri gibi çalışma parametrelerinin sistem performansına etkisini teorik olarak araştırmışlardır. Kaynaklı ve Horuz [8] taşıt klima sisteminde soğutma yükü, kompresörün güç tüketimi, soğutucu akışkan debisi, STK değeri, sistem basıncının minimum ve maksimum dalgalanmaları üzerine çalışmalarını yoğunlaştırmışlardır. Hoşöz ve Direk [9] ısı kaynağı olarak dış ortamı kullanan havadan havaya ısı pompası gibi çalışan R134a taşıt klima sistemlerinin performans karakteristiklerini deneysel olarak incelemişlerdir. Hoşöz ve Ertunç [10] soğutucu akışkan olarak R134a kullanan taşıt klima sisteminin performansını yapay sinir ağları metodunu kullanarak modellemişler ve deneysel sonuçlarla karşılaştırmışlardır. Wongwises ve ark. [11] taşıt klima sistemlerinde R134a yerine kullanılabilecek hidrokarbon karışımlarının kullanılması üzerine bir çalışma yapmışlardır. Akyol ve Kılıç [12] sürücü tarafından hissedilen termal hislere göre taşıt içerisindeki çevresel şartları kontrol eden ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme sisteminin üzerine bir model geliştirmişlerdir. Son olarak Alkan ve Hoşöz [13] değişken kapasiteli kompresör kullanan taşıt klima sisteminde genleşme elemanı olarak orifis tüp ve genleşme valfi kullanılması durumlarında klima 12
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 performansında meydana gelen değişimi deneysel olarak araştırmışlardır. Yapılan literatür taramasında taşıt kliması üzerine yapılan çalışmalar genellikle sürücü konfor şartlarının iyileştirilmesi, farklı soğutucu akışkan kullanılması, klima elemanlarının ve çalışma şartlarının optimizasyonu üzerine yoğunlaşmıştır. Bu çalışmada ise Elektrik İşleri Etüt İdaresinin hazırladığı Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlas ında [14] (GEPA) ışınım yönünden öne çıkan 5 il içerisinden birbirine yakın enlem derecelerine sahip Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illerine ait 1997-2008 yılları arası Devlet Meteoroloji İşlerinden temin edilen sıcaklık ve ışınım datalarına bağlı olarak, güneye doğru yönlendirilmiş bir taşıtın soğutma yükü soğutma sezonu boyunca (1 Mayıs- 30 Eylül) saatlik olarak MATLAB programlama dilinde geliştirilmiş bir program ile hesaplanmıştır. Daha sonra maksimum soğutma yüklerinin oluştuğu günlerde klima sisteminin motordan çektiği güç ve sistemin soğutma tesir katsayısı R134a, R407c ve R410a soğutucu akışkanlarını kullandığı varsayılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre belirlenmiştir. 2. MATERYAL ve YÖNTEM Bu çalışmada, model bir taşıtın soğutma sezonu boyunca saatlik olarak soğutma yükü hesabı ve maksimum soğutma yüklerinin oluştuğu günlerde gerçek buhar sıkıştırmalı çevrime göre çalıştığı varsayılan klima sisteminin soğutma çevrimi hesapları yapılmıştır. 2.1. Isı Kazancı Hesaplamaları Taşıt için toplam ısı kazancının aşağıdaki bölümlerden meydana geldiği dikkate alınmıştır. a)transmisyonla gelen ısı kazancı; Q A U ( T T ) 1 trk, j k k d, j i, j eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, Q 1tr,k,j : k yüzeyinin j. saatteki transmisyonla ısı kazancı (W); A k : k yüzeyinin alanı (m 2 ); U k : k yüzeyinin toplam ısı transfer katsayısı (W/m 2 C); T d,j : günün j. saatindeki dış hava sıcaklığı ve T i,j : günün j. saatindeki konforu sağlayan iç hava sıcaklığını göstermektedir. Model taşıt için iç sıcaklık hesaplamalarda konfor şartlarına uygun olarak 23 C olarak alınmıştır. (1) b) Bagaj bölmelerinden transmisyonla gelen ısı kazancı; Q A U ( T T 10) 2 trk, j k k d, j i, j eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, bagaj iç sıcaklığı iç ortam sıcaklığından 10 C fazla alınmıştır. (2) c) Opak ve cam yüzeylerden ışınımla oluşan ısı kazancı; Q A k I Ik, j k y k, j eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, k yüzeyinin günün j. saatindeki ışınımla ısı kazancı Q Ik,j (W) ile, k yüzeyinin alanı A k (m 2 ) ile, güneş ışınımı iletim katsayısı (cam yüzeyler=0.7 ve opak yüzeyler=0.5) k y ve k yüzeyinin günün j. saatindeki güneş ışınımı ise I k,j (W/m 2 ) ile gösterilmiştir. Güneş enerjisi sistemlerinin tasarımı ve analizi için eğimli yüzeylere gelen güneş ışınımının bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle, hesaplamalarda genellikle ölçülen güneş ışınımı verilerinden yararlanarak geliştirilen ampirik bağıntılar kullanılmaktadır [15]. Çalışmada, taşıtın yüzeylerine gelen güneş ışınımı değerleri hesaplanırken, yatay düzleme gelen saatlik difüz ışınım hesabı için Orgill ve Hollands modeli [16], eğik düzleme gelen saatlik difüz ışınım için Koronakis modeli, eğik düzleme gelen saatlik direkt ışınımın ve yansıyan ışınımın hesabı için ise Liu ve Jordan modeli tercih edilmiştir [17]. (3) k yüzeyi için toplam ışınım ; I I I I k, j d,, j b,, j r,, j 13 (4)
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 eşitliği ile bulunabilir. d) İnsanlardan kaynaklanan ısı kazancı; Q Z( Q Q ) insank, j duy giz Burada, araç içindeki insan sayısı Z, bir kişinin oluşturduğu duyulur ve gizli ısılar Q duy ve Q giz ile gösterilmiştir. Bu değerler birbirine eşit (Q duy = Q giz )olup, 58 (W/kişi) olarak alınmıştır. e) Araç içindeki cihazlardan kaynaklanan ısı kazancı; Araç içerisinde ısı kaynağı oluşturan MP3 player, sirkülasyon fanı, hoparlörler ve diğer elektrik tüketen cihazların toplam ısı kazancı (Q cihaz,j ) 100 W olarak alınmıştır. f) Havalandırmadan kaynaklanan ısı kazancı;. Q V c Z( T T ) enf, j p d, j i, j eşitliği ile hesaplanmıştır. Burada, günün j. saatindeki enfiltrasyondan oluşan ısı kazancı Q enf,j (W), havanın yoğunluğu ρ (kg/m 3 ), bir kişi için saatte gerekli taze hava miktarı V ve havanın özgül ısısı c p dir. Yapılan hesaplamalarda V=30 ((m 3 /h)/kişi) alınmıştır. Hesaplamaların gerçekleştirilmesi ile taşıtın toplam ısı kazancı değeri (5) (6) şeklinde bulunur. Burada, günün j. saatindeki toplam ısı kazancı Q T,j ile gösterilmiştir. (7) 2.2 Psikrometrik Diyagram Aracılığıyla Sistem Hesapları Taşıt içindeki havanın buharlaştırıcıdan geçirilmesi ve taşıt içine gönderilmesi psikrometrik diyagramda Şekil 1 de gösterilmiştir. Bu diyagramda, D dış havayı, I iç havayı, K karışım havasını, A karışım havasının buharlaştırıcıdan çıkış noktasını, ψ duyulur ısı oranını, Φ izafi nemi, T K kuru termometre sıcaklığını, [KA] karışım havasının buharlaştırıcıda soğutulmasını ve [AI] buharlaştırıcıdan çıkan havanın sabit duyulur ısı oranı boyunca ısınarak taşıtın ısı kazançlarını karşılamasını göstermektedir. Sistem hesaplarında iç hava sıcaklığının 23 C, buharlaştırıcıdan çıkan karışım havasının 16 C, dış hava izafi neminin 0.55 ve iç hava izafi neminin 0.50 olduğu kabul edilerek hesaplamalar yapılmıştır. Şekil 1. Havanın buharlaştırıcıdan geçirilmesi ve taşıt içerisine gönderilmesini gösteren psikrometrik diyagram. Qduy Qduy Qgiz Burada, Q duy duyulur ısıyı ve Q giz ise gizli ısıyı göstermektedir. V T mahale gönderilecek toplam hava miktarı olup, aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir.. QT V T h h 1 A V D insanların temiz hava ihtiyacı için gerekli olan dış hava miktarını göstermektedir. Bir insan için temiz hava ihtiyacı 30 m 3 /h olarak alınabilir [18]. Taşıt içerisinde 4 kişi bulunduğu varsayılırsa V D =120 m 3 /h 14 (8) (9)
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 olur ve sirkülasyon eden iç hava miktarı V 1 ;.. V 1 V T VD eşitliğiyle bulunabilir.. Buharlaştırıcının soğutma yükü Q L ; eşitliğiyle bulunabilir [19]. (10) (11) 3. Soğutma Çevrimi Hesaplamaları Soğutma sisteminin gerçek buhar sıkıştırmalı çevrime göre çalıştığı kabul edilmiştir. Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illeri için meteorolojik veriler kullanılarak, hava kaynaklı (hava-hava) ısı pompası hesaplamasında, R134a, R407c ve R410a soğutucu akışkanlar kullanılmıştır. Buharlaştırıcı sıcaklığı 0 C ve yoğuşturucu sıcaklığı ise dış ortam sıcaklığından 10 C fazla alınmıştır (T k =T d,j +10 C). Kompresörün izentropik verimi Brunin vd. [20] yaptığı çalışmada kullandığı Eş.(14) kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca, hesaplamalarda 5 C aşırı ısıtma, 5 C aşırı soğutma olduğu, buharlaştırıcıdaki ve yoğuşturucudaki basınç kayıpları için tablo 1 deki eşitlikler kullanılmıştır. Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinde basınç kayıpları akışkan-cidar sürtünmesi ve akışkanın ısı değiştiricisi içerisinde ilerlerken maruz kaldığı ivmelenmelerden dolayı olmaktadır. Dossat, buharlaştırıcı ve yoğuşturucudaki basınç kayıplarının 10-30 kpa (0.5-1 K) olduğunu belirtmiştir [21]. Bu değerlere göre basınç kayıpları için aşağıdaki yaklaşım çalışmalarda uygulanmıştır. Soğutma yüküne bağlı olarak buharlaştırıcı ve yoğuşturucu için basınç düşümleri aşağıdaki gibi alınmıştır. Tablo 1. Basınç düşümü varsayımları. Soğutma Yükü Q L (W) 1 ΔT yoğuşturucu ( C) 2 ΔT buharlaştırıcı ( C) Q L <3000 T 3 =T 3-0.5 T 1 =T 1 -(0.5-(0.5/STK)) 3000 Q L 9000 T 3 =T 3-0.75 T 1 =T 1 -(0.75-(0.75/STK)) Q L >9000 T 3 =T 3-1.0 T 1 =T 1 -(1.0-(1.0/STK)) 1 ΔT yoğuşturucu : Yoğuşturucudaki basınç kaybından dolayı olan sıcaklık düşüş değeri 2 ΔT buharlaştırıcı : Buharlaştırıcıdaki basınç kaybından dolayı olan sıcaklık düşüş değeri. Hesaplamalarda kullanılan soğutucu akışkanların fiziksel özellikleri EES (Engineering Equation Solver) programından elde edilmiş ve MATLAB programlama dilinde geliştirilen program kullanılarak soğutma yükleri soğutma sezonu boyunca hesaplanmıştır [22]. Soğutma tesir katsayısı STK, kompresörün ihtiyaç duyduğu güç W komp ve izentropik verim s değerleri aşağıdaki eşitliklerden hesaplanmıştır. (12) (13) (14) Burada, P Y ve P B yoğuşturucu ve buharlaştırıcı basınçlarını göstermektedir. 4. TARTIŞMA Şekil 2 de Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünden Antalya, Mersin, ve Şanlıurfa illeri için temin edilen 1997-2008 yılları arasındaki çevre sıcaklığı ve güneş ışınımı datalarının yıl boyunca saatlik 15
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 ortalamalarının değişimi verilmiştir. Sıcaklık grafiği incelendiğinde 3 il içinde saat 05:00 de minimum değerine ulaşmakta daha sonra artarak illere bağlı olarak 14:00-16:00 saatleri arasında maksimum değerine ulaşmaktadır. Işınım grafiği ise güneşin doğuşuyla değerleri artmaya başlamakta ve 13:00-14:00 saatleri arasında maksimum değerine ulaşmaktadır. Güneş enerjisi yönünden öne çıkan bu üç il için sıcaklık ve güneş ışınımı değerlerinin yıllık değişimleri bütün illerde birbirine benzerdir fakat bant genişlikleri değişmektedir. (i) (ii) Şekil 2. Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illerine ait yıl boyunca (i) çevre sıcaklığı, (ii) güneş ışınımının saatlik değişimi. Aynı zamanda Şekil 3 te seçilen iller için çevre sıcaklığının ve güneş ışınımının maksimum olduğu günlerdeki sıcaklığın ve güneş ışınımının saatlik değişimleri verilmiştir. Bu grafiklere göre Antalya ili için sıcaklık değeri maksimum 187. günde (6 Temmuz) saat 12:00 da yaklaşık 35.78 C olurken, yatay yüzeye gelen güneş ışınımı değerinin maksimumu 170. günde (19 Haziran) saat 13:00 da 845.888 W/m 2 olarak tespit edilmiştir. Bu değerler sırasıyla, Mersin de 211. gün (30 Temmuz) saat 14:00 da değeri ise 31.94 o C ve 166. gün (15 Haziran) saat 12:00 da değeri ise 880.391 W/m 2, Şanlıurfa da 201. gün (20 Temmuz) saat 14:00da değeri: 40.34 o C ve 170. gün (19 Haziran) saat 13:00 da değeri: 867.016 W/m 2 olmaktadır. Üç il içerisinde maksimum sıcaklık 40.34 o C ile Şanlıurfa da olurken, maksimum güneş ışınımı 880.391 W/m 2 ile Mersin ilinde olmaktadır. Sıcaklığın gün içerisindeki bant aralığı Antalya ilinde 16
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 9 C, Mersin ilinde 4 C ve Şanlıurfa ilinde ise 13 C olmaktadır. Şekil 3 te sıcaklık değerlerinde dikkat çeken bir sıcaklık farkı oluşurken, illerin yaklaşık aynı enlem üzerinde olması nedeniyle ışınım şiddeti değerleri çok yakın çıkmıştır. Şekil 3. Maksimum sıcaklığın ve güneş ışınımının oluştuğu günlerde sıcaklık ve güneş ışınımının saatlik değişimi. Materyal ve yöntem bölümünde belirtilen ifadeler kullanılarak soğutma yükü 3 il için soğutma sezonu boyunca hesaplanmış ve soğutma yükü değerlerinin saatlik değişimi Şekil 4 te gösterilmiştir. Soğutma sezonu boyunca Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illeri için soğutma yükünün maksimum değerleri sırasıyla 204. (23 Temmuz), 211. (30 Temmuz) ve 201. (20 Temmuz) günde oluşmaktadır. Bu günlerdeki soğutma yükü değerleri sırasıyla 74.8 kwh/gün, 69.0 kwh/gün ve 94.6 kwh/gün dür. Buradan en yüksek soğutma yükünün oluştuğu il Şanlıurfa, minimum soğutma yükünün oluştuğu ilin ise Mersin olduğu görülmektedir. Bu değerlerden varsayılan şartlar için soğutma yüküne ışınımdan ziyade çevre sıcaklığının etkisinin daha fazla olduğu görülmektedir. Çünkü Şanlıurfa ilinde sıcaklık diğer illere göre daha yüksek değerlerde seyretmektedir. 17
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 Şekil 4. Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illeri için soğutma sezonu boyunca soğutma yükünün değişimi. Şekil 5 te soğutma yükünün maksimum olduğu günlerdeki sıcaklık ve yatay yüzeye gelen ışınımın değişimi görülmektedir. Maksimum soğutma yükünün oluştuğu günler Mersin ve Şanlıurfa illerinde maksimum sıcaklığın oluştuğu günler ile çakışmakta, Antalya ilinde ise maksimum soğutma yükünün oluştuğu gün farklı günde olmaktadır. Dikkat edilecek olursa maksimum soğutma yükünün oluştuğu günler temmuz ayının sonu ile ağustos ayının başında olmaktadır. Taşıt kliması tasarımı yapılırken hesaplanacak soğutma yükünün bu tarihler arasındaki verilere göre yapılması gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. 18
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 Şekil 5. Soğutma yükünün maksimum olduğu günlerde sıcaklık ve güneş ışınımın değişimi Şekil 6 da soğutma yükünün maksimum olduğu günlerde soğutma yükünün saatlik değişimi verilmiştir. Üç il içerisinde soğutma yükü maksimum değerini Şanlıurfa ilinde 7.313 kw olarak saat 14:00 de almaktadır. Antalya ilindeki maksimum değer 5.973 kw ile saat 14 de oluşurken Mersin ilinde 5.249 kw ile saat 13:00 de oluşmaktadır. Soğutma yükü saat 05:00 de minimum değerini almakta ve sıcaklık ile güneş ışınımının etkisiyle maksimum değerlerin oluştuğu ana kadar artmaktadır. Daha sonra da güneş ışınımının ve sıcaklığın etkisinin azalması ile de azalmaktadır. Grafiklerden saat 12:00 de taşıtın yan yüzeylerinin dik olmasından dolayı bu yüzeylere güneş ışınımının doğrudan gelmemesinden dolayı soğutma yükünde bir azalmanın olduğu görülmektedir. Şekil 6. Soğutma yükünün maksimum olduğu günlerde soğutma yükünün saatlik değişimi. Soğutma yükünün maksimum olduğu günler için soğutucu akışkan olarak R134a, R407c ve R410a nın kullanıldığı varsayılan klima sisteminin kompresörün çektiği güç ile soğutma tesir katsayısının saatlik değişimleri Şekil 7 de verilmiştir. Kompresör gücünün gün içinde anlık maksimum değeri R 407c akışkanı ile Şanlıurfa ilinde saat 14:00 de 2.351 kw olarak hesaplanmışken, minimum değeri R134a akışkanı ile Antalya ilinde saat 05:00 da 0.231 kw olarak hesaplanmıştır. Maksimum STK değeri R134a akışkanı ile Antalya ilinde saat 05:00 da STK=5.43 ile elde edilirken minimum STK değeri R407c 19
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 akışkanı ile Şanlıurfa ilinde saat 14:00 da STK=3.01 olarak elde edilmiştir. Aynı il için 3 akışkan birbiri ile karşılaştırıldığında en iyi performans sırasıyla R134a, R410a ve R407c akışkanı ile elde edilebildiği görülmektedir. Klima sistemi dinamik olarak çalıştırılacak şekilde tasarımı yapılacak olursa, Şekil 7 de görülen ve anlık olarak değişen saatlik güç değerlerini karşılayacak şekilde tasarlanmalıdır. Böylelikle klima için harcanan enerji tüketimi de düşürülebilir. Gün boyunca klimanın çalıştırıldığı varsayılırsa R134a akışkanlı sistem ile Antalya ilinde 16.96 kwh/gün, Mersin ilinde 14.76 kwh/gün, Şanlıurfa ilinde ise 24.467 kwh/gün lük bir enerjiye ihtiyaç vardır. Bu değerler R407c akışkanı için sırasıyla 19.037 kwh/gün, 16.499 kwh/gün, 27.744 kwh/gün ve R410a akışkanı için sırasıyla 17.931 kwh/gün, 15.548 kwh/gün, 26.114 kwh/gün olarak hesaplanmıştır. Şekil 7. Soğutma yükünün maksimum olduğu günlerde R134a, R407c ve R410a akışkanı ile çalışan klima sisteminin kompresör gücünün ve soğutma tesir katsayısının saatlik değişimi. Soğutma yükünün saatlik değişiminde etkin parametrelerden birisinde izentropik verimdir. Genelde, 20
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 yapılan hesaplamalarda izentropik verim sabit alınmaktadır. Ancak, dış ortam sıcaklığının ve buharlaştırıcı sıcaklığının değişmesi nedeniyle izentropik verim gün boyunca önemli oranda değişimler göstermektedir ve bu değişim verimin minimum ve maksimum değerleri arasında %5 mertebesinde olmaktadır. Soğutma yükünün maksimum olduğu illerde 3 il ve 3 akışkan için izentropik verimin saatlik değişimleri Şekil 8 de verilmiştir. Minimum izentropik verim Şanlıurfa ilinde R134a akışkanı ile saat 14:00 da 0.811 olarak hesaplanırken, maksimum izentropik verim değeri Antalya ilinde R410a akışkanı ile saat 05:00 da 0.836 olarak hesaplanmıştır. 3 il birlikte değerlendirildiğin R410a akışkanlı klima sisteminin izentropik verim değerleri diğerlerine göre daha yüksek çıkmaktadır. Şekil 8. Soğutma yükünün maksimum olduğu günlerde R134a, R407c ve R410a akışkanı ile çalışan klima sisteminin izentropik veriminin saatlik değişimi. 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada Elektrik İşleri Etüt İdaresinin hazırlamış olduğu Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlas ında güneş enerjisi yönünden öne çıkan Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illerinde bulunan ve güneye doğru yönlendirilmiş bir taşıtın soğutma yükü soğutma sezonu boyunca (1 Mayıs- 30 Eylül) saatlik olarak hesaplanmıştır. Hesaplamalarda 3 ile ait 1997-2008 yılları arası sıcaklık ve ışınım dataları Devlet Meteoroloji İşlerinden temin edilmiştir. Daha sonra bu soğutma yükünü karşılamak için klima sisteminin motordan çektiği güç ve sistemin soğutma tesir katsayısı R134a, R407c ve R410a soğutucu akışkanlarını kullandığı varsayılan buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre belirlenmiştir. Yapılan teorik hesaplamalar sonucunda, Antalya, Mersin ve Şanlıurfa illeri için belirtilen şartlarda maksimum soğutma yüklerinin oluştuğu günler ve değerleri sırasıyla 204. (23 Temmuz) gün ve değeri 74.8 kwh/gün, 211. (30 Temmuz) gün ve değeri 69.0 kwh/gün, 201. (20 Temmuz) gün ve değeri 94.6 kwh/gün olarak bulunmuştur. Bu soğutma yüklerini karşılayacak kompresör güçleri ise R134a, R407c ve R410 akışkanı için Antalya ili için sırasıyla 16.96 kwh/gün, 19.037 kwh/gün, 17.931 kwh/gün, Mersin ili için sırasıyla 14.76 kwh/gün, 16.499 kwh/gün, 15.548 kwh/gün, ve Şanlıurfa ili için sırasıyla 24.467 kwh/gün, 27.744 kwh/gün, 26.114 kwh/gün olarak hesaplanmıştır. Aynı zamanda, aynı il için 3 akışkan birbiri ile karşılaştırıldığında en iyi performans sırasıyla R134a, R410a ve R407c akışkanı ile elde edilebildiği görülmektedir. Fakat izentropik verim yönünden ise R410a akışkanlı klima sisteminin değerleri 21
Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 diğerlerine göre daha yüksek çıkmaktadır. Yapılan hesaplamalarda soğutma yüküne ışınımdan ziyade çevre sıcaklığının etkisinin daha fazla olduğu görülmüştür. Çünkü Şanlıurfa ilinde sıcaklık diğer illere göre daha yüksek değerlerde seyretmektedir. Sistemden çekilen gücün gün içerisinde sıcaklık ve ışınıma bağlı olarak önemli oranda değiştiği belirlenmiştir. Ayrıca klima sisteminin motora olan etkisinin azaltılması için klima sistemlerinin taşıta adapte edilecek kontrol edilebilen bir elektrik motoru ile çalıştırılması önerilmiştir. 6. KAYNAKLAR 1. Kocatürk, M., Salman, M.S., 2006, Otomobil Klima Sisteminde Fan Devri ve Giriş Havası Sıcaklığının Performansa Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Politeknik Dergisi, Cilt: 9, Sayı: 1, s. 7-12. 2. Bevilacqua O.M., 1999, Effect of Air Conditioning on Regulated Emissions for In-Use Vehicles, Clean Air Vehicle Technology Center, Oakland, CA, Phase I Final Report Prepared for Coordinating Research Council, Inc., Atlanta, GA, CRC Proj. E-37, October. 3. Kiatsiriroat, T. ve Euakit, T., 1997, Performance Analyses of An Automobile Air Conditioning System with R/22/R124/R152A Refrigerant, Applied Thermal Engineering, Volume 17, Issue 11, Pages 1085 1097. 4. Jung D., Park B., Lee H., 1999, Evaluation of Supplementary/Retrofit Refrigerants for Automobile Air-Conditioners Charged With CFC12, International Journal of Refrigeration 22, 558±568. 5. Lee G.H., Yoo J.Y., 2000, Performance Analysis and Simulation of Automobile Air Conditioning System, International Journal of Refrigeration 23, 243±254. 6. Al-Rabghi, O. ve Niyaz, A.A., 2002, Retrofitting R-12 Car Air Conditioner with R-134a Refrigerant, Int. J. Energy Research, Cilt 24, 467 474. 7. Jabardo, J.M.S., Mamani, W.G. ve Ianella, M.R., 2003, Modelling and Experimental Evaluation of an Automotive Air Conditioning System with a Variable Capacitiy Compressor, Int. J. Refrigeration, Cilt 25, No:8 1157 1173. 8. Ö. Kaynaklı, I. Horuz, 2003, An Experimental Analysis of Automotive Air Conditioning System, Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 30, No. 2, 273-284. 9. M. Hoşöz, M. Direk, 2006, Performance Evaluation of an Integrated Automotive Air Conditioning and Heat Pump System, Energy Conversion and Management 47, 545 559. 10. M. Hoşöz, H.M. Ertunç, 2006, Artificial Neural Network Analysis of an Automobile Air Conditioning System, Energy Conversion and Management 47, 1574-1587. 11. Wongwises S., Kamboon A., Orachon B., 2006, Experimental Investigation of Hydrocarbon Mixtures to Replace HFC-134a in an Automotive Air Conditioning System, Energy Conversion and Management Volume 47, Issues 11-12, Pages 1644-1659. 12. Akyol Ş. M., Kılıç M., 2008, Dynamic Simulation of HVAC System Thermal Loads in an Automotive Compartment, 4th.Automotive Technologies Congress, June 01-04. 22
Özgören M., Solmaz Ö., Kahraman A. Teknolojik Araştırmalar: TATED 2010 (2) 11-23 13. Alkan A., Hoşöz M., 2010, 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. 52, No.1/2/3/4, pp. 160 176. 14. www. http://www.eie.gov.tr/yek.html. 15. Kılıç A. ve Öztürk A., 1983, Güneş Enerjisi, Çağaloğlu-İstanbul-Turkey, Kipaş. 16. Durmaz A.F., 2007, Eğik Yüzeylere Gelen Güneş Işınımının Analizi ve Cam Yüzeylerden Geçen Güneş Işınımının Tespiti, Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi. 17. Notton, G., Cristofari, C., Poggi, P. ve Muselli, M., 2002, Calculation of solar irradiance profiles from hourly data to simulate energy systems behaviour, Renewable Energy, 27, 1, 123-142. 18. Önen İ., Arslan Ş.,2004, Hava Koşullandırma Sistem Tasarımı, Alarko Carrier Yayınları: 2004-5 Kocaeli. 19. Etemoğlu A. Burak, 2004, Yolcu Otobüslerinde Yaz Klimasının İncelenmesi, Otomotiv Teknolojileri Kongresi, Syf 307-313, 21-23. 20. Brunin, O.,Feidth, M. and Hivet, B., 1997, Comparison of The Working Domains of Some Compression Heat Pumps and A Compression-Absorption Heat Pump, lntj. Refrig. Vol. 20, No. 5, pp. 308-318. 21. Dossat, R.J., 1997, Principles of refrigeration. 4th edition, New Jersey: Prentice-Hall International. 22. EES Software. Retrieved Feb. 14 2009 from the World Wide Web: http://fchart.com/ees/goodies. shtml. 23