fosforik asitle muamele edilen şeker pancarı küspesinden

F. Ü. Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 16(1), 105-114, 2004
Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle
Mukayesesi
Kazım PIHTILI ve Mehmet DURANAY*
Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, ELAZIĞ
[email protected] [email protected]
Özet
Bu çalışmada, konutlarda ve iş yerlerinde çeşitli amaçlar için ihtiyaç duyulan sıcak suyun, ısı
pompası kullanılarak temin edilebilirliği teorik ve deneysel olarak araştırılmış ve elektrikli termosifonlu
sistemle mukayesesi yapılmıştır.
Bu amaçla, yaygın olarak kullanılan 40 litrelik elektrikli termosifonun görevini yapacak şekilde,
hava-su tipi FR-22 ile çalışır bir ısı pompası sistemi tasarlanmış ve tasarımına uygun şekilde bir deney
seti hazırlanmıştır. Gerekli ölçüm cihazları ile de donatılan ısı pompası deney seti ve elektrikli termosifon
ile deneyler yapılarak, elde edilen veriler tablo ve grafiklere aktarılmış ve her iki sistem enerji tüketimi ve
diğer yönleri ile mukayese edilmiştir. Sonuç olarak; ısı pompası ile sıcak su temininin, elektrikli su
ısıtıcısına nazaran daha verimli olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, zamana ve kaynak sıcaklığına bağlı
olarak ısı pompası performansı 1.4 ile 2.4 arasında değişmiştir.
Anahtar Kelimeler : Hava su tipi ısı pompası, Soğutucu akışkan, Freon-22, Isıtma tesir katsayısı.
Producing Hot Water by Means of a Heat Pump and Comparing it
With an Electrical Heater
Abstract
In this study producing domestic hot water by means of an air to water type heat pump system
was researched and compared with an electrical water heater which is commonly used.
For experimental studies a heat pump system which is able to produce 40 lt hot water installed. It
was used Freon-22 for refrigerant in heat pump system. After the experiments coefficient of performance
for heat pump system was defined, the heat pump system was compared with the electrical heater.
Finally, has been seen that, water heater heat pump system is more efficient in converting electric energy
than a resistance water heater.In this study, coefficient of performance of water heater heat pump has
ranged between 1.8 and 2.4 depending the time and the temperature of the source.
Keywords : Air to water type heat pump,resistance heater, Freon-22, Coefficient of performance.
1. Giriş
Artan nüfusa paralel olarak ısı, mekanik ve elektrik enerjisine olan ihtiyaç gün geçtikce
hızlı bir şekilde artmaktadır. Enerji kaynaklarının daha verimli kullanılması ve enerji
dönüşümündeki kayıpları azaltacak yeni sistem ve yöntemlerin geliştirilmesi günümüzde önemli
araştırma faaliyetleri içinde yer almaktadır. Bu araştırma konularından biri de son zamanlarda
yaygın kullanım alanı bulan ve üzerinde yoğun çalışmalar yapılan ısı pompalarıdır.
K. Pıhtılı ve M. Duranay
Isı pompası, değişik tür enerji kaynaklarını kullanarak termodinamik kanun ve
prensiplerine uygun şekilde çalışan bir sistemdir.
Son yıllarda, ısı pompaları çok değişik amaçlar için kullanılmaya başlanmıştır. Hem
ısıtma, hem de soğutma amacı ile kullanılabildiği için yıl boyunca yararlanılabilen bir cihaz
olarak tercih edilmektedir. Özellikle ısınma ve ısıtma ihtiyacının giderilmesinde yanmasız bir
yöntemle ısı temin edilerek yanmanın işlemden çıkarılması önemli bir aşama olmuştur.
Bu çalışmada, konutlarda çeşitli amaçlar için ihtiyaç duyulan sıcak suyun ısı pompası
yardımı ile temini konusu teorik ve uygulamalı şekilde incelenmiş ve halen yaygın olarak
kullanılmakta olan elektrikli termosifonla mukayesesi yapılmıştır.
2. Yöntem
Bu çalışmada ters Rankine çevrimi ile çalışan buhar sıkıştırmalı hava-su tipi FR-22 ‘li
bir ısı pompası esas alınarak gerekli analizler yapılmıştır.
Isıtma amaçlı ısıtma pompalarında ısı pompası performansı (COP) veya ısıtma tesir
katsayısı diye bilinen parametre aşağıda gösterildiği gibidir.
ITK (COP ) =
Qy
(1)
Wc
veya Şekil 1’ deki ideal çevrim esas alınırsa;
ITK =
h2 − h3
h2 − h1
(2)
ifadesi yazılabilir.
Uygulamada Şekil 1’ de verilen ideal çevrimi gerçekleştirmek güç olduğundan, gerçek
şartlardaki ısıtma tesir katsayısı daha küçüktür.
Şekil 1. İdeal ısı pompası çevrimi
106
Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi
2.1. Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi
Isıtma amaçlı ısı pompalarında çevrim performansını etkileyen en önemli sistemler,
buharlaştırıcı, yoğuşturucu ve kompresördür. Yoğuşturucunun dizaynı ve seçimi önemli bir
çalışmayı gerektirir. Yoğuşturucu ısı yükü,
Q y = A0 K∆t m (kJ / h)
(3)
ifadesi yardımı ile tesbit edilebilmektedir. Burada; Qy yoğuşturucu ısı yükünü (kJ/h), Ao
yoğuşturucu yüzeyini (m2), K toplam ısı transfer katsayısını (W/m2K), ∆tm logaritmik sıcaklık
farkını göstermektedir. Toplam ısı transfer katsayısı;
Ad
A
1
1 e. Ad
=
+
+
+ d
K hr k . Ao h ff . Ai hs . Ai
(4)
ifadesi ile hesaplanabilmektedir [1].
Eşitlik (4) ifadesinde; e boru cidar kalınlığı, k boru ısı iletim katsayısı, hr buhar tarafı
yüzey film katsayısı, hs su tarafı yüzey film katsayısı, hff kirlenme faktörüdür.
1
≅ 0,000176
h ff
(m2 K / W)
(5)
dir[1]. Gaz tarafı film katsayısı hr aşağıdaki denklemle tesbit edilebilmektedir.
⎡ g.ρ 2 .h fg .k 3 ⎤
hr = 0.725 ⎢
⎥
⎢⎣ µ.∆t.n.d ⎥⎦
1/ 4
(W / m2 K)
(6)
Sıvı tarafı film katsayısı,
0.8
0.023.k ⎡ v.dρ ⎤ ⎡ c.µ ⎤
hs =
⎢ µ ⎥ ⎢ k ⎥
d
⎦
⎦ ⎣
⎣
0.4
(W / m2 K)
(7)
eşitliği ile hesaplanmıştır.
2.2. Yoğuşturucu Yüzey Hesabı
Isı pompası yardımı ile ortalama 15 oC deki 40 litre suyun, 50 oC ye çıkarılması
tasarlanmıştır. Gerekli ısı transferinin temini amacı ile yoğuşturucu sıcaklığı su sıcaklığından 10
o
C fazla seçilerek yoğuşturucu sıcaklığı (Ty) 60 oC, buharlaştırıcı sıcaklığı (Tb) 5 oC alınarak
ideal çevrim şartları tesbit edilmiştir.
Isı pompası yoğuşturucusu, 40 litrelik bir su tankı içine yerleştirilen ve dış çapı 9.65
mm, iç çapı 8.05 mm olan, spiral olarak bükülmüş bir bakır borudan oluşmuştur.
107
K. Pıhtılı ve M. Duranay
İdeal çevrim değerleri, (3), (6), (7) nolu eşitlikler kullanılarak yoğuşturucu yüzeyi (A0)
hesaplanmıştır. Bu hesaplama sonucu, tasarlanan su sıcaklığına ulaşmak için yukarıda dış ve iç
çapı verilen 9.2 m uzunluğunda bakır boruya ihtiyaç olduğu tesbit edilmiştir.
2.3. Geçici Rejim Şartlarında Depo Su Sıcaklığı Analizi
Isı pompası yoğuşturucusunun çalışma düzeni Şekil 2’ deki gibi tasarlanmıştır. Kızgın
buhar halindeki R-22 (1) borusundan geçerken sabit sıcaklıkta yoğuşmakta ve depoda bulunan
suya ısı aktarmaktadır. Sabit sıcaklıktaki gizli ısı değişimini, boru içerisinde sabit ısı üretimi
gibi düşünerek su ve buhar tarafı için ısı transferi denklemleri yazılırsa;
Borudan olan ısı transferi;
h1 A1 (T1 − Tc ) − h2 A2 (Tc − T2 ) = ρ c C cVc
dTc
dt
(8)
ifadesi ile tesbit edilir.
Şekil 2. Yoğuşturucunun basit görünüşü
Burada; (1) indisi kızgın buhar tarafına, (2) indisi su tarafına, ( c ) indisi boru cidarına
ait özellikleri göstermektedir.
Suya olan ısı transferi;
h2 A2 (Tc − T2 ) = ρ 2 C 2V2
dT2
dt
(9)
ifadesi ile verilir. (7) ve (8) denklemleri düzenlenirse
dT2
h A
h A
+ 2 2 T2 − 2 2 Tc = 0
ρ 2 C 2V2
ρ 2 C 2V2
dt
(10)
ifadesi elde edilir.
Bu denklemin çözümü ile aşağıdaki genel çözüm ifadesi elde edilir.
108
Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi
T2 − T1
m2
m1
=
e m1t −
e m2 t
T0 − T1 m2 − m1
m2 − m1
(11)
(11) ifadesi yardımı ile ısı pompası devrede iken belirli zaman periyotları sonucunda
depodaki suyun ulaşabileceği sıcaklıklar tespit edilebilmektedir. Bu teorik değerler sonradan
deneysel değerlerle mukayese edilerek teorik ve deneysel çalışma şartlarının uyum içinde olup
olmadıkları araştırılmıştır.
(11) nolu ifadede;
To : Suyun başlangıçtaki sıcaklığı (oC),
T1 : Yoğuşturma sıcaklığı (oC),
T2 : Suyun t zaman sonraki sıcaklığıdır.
2.4. Deneysel Çalışmalar ve Elde Edilen Sonuçlar
Yapılan tasarım ve hesaplamalar esas alınarak Şekil 3 ‘de şematik olarak verilen bir
deney seti kurulmuştur.
Kompresör
Kondenser
Servis valfi
Filtre - kurutucu
R_22 Debi ölçer
Genleşme valfi
Evaporatör
Fan
Sıcaklık ölçüm cihazı
Wattmetre
Manometre
Termokupl
Şekil 3. Deney setinin şematik görünümü.
Kurulan deney seti yardımı ile yaz ve kış şartlarında deneyler yapılarak, elde edilen
veriler değerlendirilerek, ısı pompası enerji tüketimi ve performans açısından analize tabi
tutulmuştur. Isı pompasının tükettiği güç deney seti üzerine yerleştirilen bir wattmetre ile tespit
109
K. Pıhtılı ve M. Duranay
edilmiştir. Isı pompası Isıtma Tesir Katsayısı aşağıda verilen (12) ve (13) nolu ifade ve
hesaplamaları esas alınan sürelerin, başlangıç ve bitimindeki güç tüketimlerinin ortalaması
alınarak tespit edilmiştir.
ITK =
ITK =
Q yağ
Wc + W f
=
Qsu
Wt
(12)
m.c.∆t
Wt
(13)
Zaman (dk)
Depo Üst Su
Sıcaklığı (oC)
Depo Alt Su
Sıcaklığı (oC)
Cidar
Sıcaklığı (oC)
Kond.
Çalışma.
Sıcaklığı (oC)
Buharlaş.
Basıncı (kPa)
Buharlaş.
Sıcaklığı (oC)
Yoğuşma
Basıncı (kPa)
Yoğuşma
Sıcaklığı (oC)
Güç
Tüketimi
(W)
Tablo 1. Deney sonuçları.
0
10
20
30
40
50
60
70
11.0
16.6
22.0
27.6
32.7
37.0
41.7
46.0
11.4
12.5
16.9
22.0
26.7
30.5
34.6
38.1
16.0
16.7
17.8
20.0
21.7
22.0
22.4
22.7
…
21.2
25.4
29.6
33.4
36.6
40.0
42.7
…
475
470
470
470
470
470
475
…
4.2
4.0
4.0
4.0
4.0
4.0
4.2
…
1000
1110
1240
1360
1470
1610
1700
…
27
30
34
38
41
44
47
640
660
705
740
770
800
830
855
80
50.8
42.0
23.1
46.5
470
4.0
1830
51
890
Su Sıcaklığı (ºC)
60
50
40
30
Su Sıcaklığı
20
10
Yoğuşma
Sıcaklığı
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Zaman (dk)
Şekil 4. Su ve yoğuşma sıcaklıklarının zamana göre değişimleri.
110
Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi
Ortam sıcaklığının 18 oC olduğu bir günde 10’ar dakikalık sürelerle elde edilen değerler
Tablo 1‘de verilmiştir. Belirli bir zaman peryodu süresince su sıcaklığının zamana göre değişimi
Şekil 4 ’de, kompresör tarafından tüketilen enerji Şekil 5 ’de verilmiştir. Isı pompası ısıtma tesir
katsayısının zamana göre değişimi Şekil 6 ’da verilmiştir.
900
Güç (W)
850
800
750
700
650
600
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Zaman (dk)
Şekil 5. Kompresör tarafından tüketilen enerjinin zamanla değişimi.
Deneysel sonuçlardan elde edilen su sıcaklığı değerleri ve (11) nolu denklem yardımı
ile hesaplanan su sıcaklıklarının zamana göre değişimleri Şekil 7 ’de verilmiştir. Isı pompası ve
elektrikli ısıtıcı ile yapılan deneylerde ulaşılan su sıcaklığı değerlerinin zamana göre değişimleri
Şekil 8 ‘de görülmektedir.
2,5
2,4
ITK (COP)
2,3
2,2
2,1
2
1,9
1,8
1,7
10
20
30
40
50
60
70
80
Zaman (dk)
Şekil 6. Deney süresince ITK (C.O.P) değişimi
Isı pompası ve elektrikli ısıtıcı ile yapılan deneylerden elde edilen sonuçların genel bir
değerlendirmesi Tablo 2‘de verilmiştir. Deneylerde kullanılan elektrikli ısıtıcı özellikleri Tablo
3 ‘de verilmiştir.
111
K. Pıhtılı ve M. Duranay
Su Sıcaklığı (ºC)
60
50
40
30
Deneyde ölçülen
su sıcaklığı
20
10
Hesaplanan su
sıcaklığı
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Zaman (dk)
Şekil 7. Belirli zaman periyotlarında ölçülen ve hesaplanan su sıcaklıkları.
Tablo 2. Sonuçların karşılaştırılması.
Su kapasitesi
Başlangıç sıcaklığı
Son sıcaklık
Isıtma süresi
Ortalama güç
Enerji tüketimi
Isı Pompası
Elektrikli Isıtıcı
40 lt
11 oC
50.8 oC
80 dk
765 W
1020 Wh
40 lt
11 oC
51 oC
56 dk
2000 W
1866.6 Wh
Tablo 3. Elektrikli ısıtıcının özellikleri.
Markası
Modeli
Su kapasitesi
Isıtma gücü
Elektrik tüketimi
Arçelik
ARG 6 ES
40 lt
1980 W
2 KWh
112
Isı Pompası İle Sıcak Su Üretimi ve Elektrikli Termosifonlu Sistemle Mukayesesi
60
Su sıcaklığı (ºC)
50
40
30
Isı pompası su
sıcaklığı
c
20
Elk.Isıtıcı su
sıcaklığı
10
0
0
10
20
30
40 50
Zaman (dk)
60
70
80
Şekil 8. Isı pompası ve elektrikli ısıtıcıda su sıcaklığının zamana göre değişimi.
3. Sonuçlar ve Öneriler
Şekil 7 ve Tablo 2 ‘deki değerler analiz edildiğinde; aynı çalışma ve başlangıç
şartlarında 40 litre suyun ısı pompası ile 50.8 oC ye çıkarılması için 80 dakikalık bir süre
gerekmiştir. Bu süre sonunda fan ve kompresör tarafında tüketilen toplam enerji 1020 Wh
olmuştur. Elektrikli ısıtıcı ile aynı miktar su, 56 dakikada 51 oC ye ısıtılabilmiş ve bu süre
sonunda tüketilen elektrik enerjisi 1866,6 Wh olmuştur.
Bu sonuçlardan görüleceği üzere, 40 litre suyu 50 oC ye çıkarmak için elektrikli ısıtıcı
yerine ısı pompası kullanılması halinde 24 dakikalık bir gecikme ile %45 enerji tasarrufu
sağlanmaktadır. Bu oran büyük bir kazançtır. Öte yandan yapılan deneylerde en düşük ITK
değeri, 1.4 olarak tespit edilmiştir. Bu şartlarda bile elektrikli ısıtıcıya göre %29 enerji tasarrufu
elde edilmektedir. Teorik hesaplama ve deneysel sonuçların da birbiri ile uyum içinde oldukları
Şekil 7 ‘de görülmektedir.
Isı pompasının gece çalıştırılması halinde daha olumlu sonuçlar alınacağı ve enerji
tasarrufunun daha da artacağı görülmüştür. Isı pompasının görülebilen dezavantajları ise; ilk
yatırım masraflarının fazla olması, ısı pompası ünitesi için biraz daha geniş yere ihtiyaç
duyulması sayılabilir.
Sonuç olarak; yapılan bu çalışma ile; ısı pompasının sadece mahal ısıtması amacı ile
değil, gerektiğinde büyük oranda enerji tasarrufu sağlayacak şekilde sıcak su temininde de
rahatlıkla kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.
Kaynaklar
1. W. F. Stoecker, J. W. Jones, Refrigeration And Air Conditioning. Second edition. McGraw Hill
Book Company, New York, 1982.
2. S. Kakaç, Y. Yener, Convective Heat Transfer. Middle East Technical University. Yayın No: 65,
Ankara, 1980.
113
K. Pıhtılı ve M. Duranay
3. K. Pıhtılı, Güneş Enerjisi Takviyeli Isı Pompası Performansının Analizi. IV. Kimya ve Kimya
Mühendisliği Sempozyomu, Elazığ, 468-469, 1987.
4. J. A. Sumner, Domestica Heat Pumps. Unwin Brothers Ltd. Great Britain, 1976.
5. K. Pıhtılı, Tasarıma Yardımcı Bilgiler. Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 11,3, 31-37, 1988.
6. C.G. Carrıngton, W. J. Sandle, D. M. Warrıngton, R. A. Bradford, Field performanca of a domestic
hot water heat pump system. XVIth International Congress of Refrigeration Proceedings, Volume 5,
283-291, 1983.
114