TMMOB Makina Mühendisleri Odası Arşivi

tmmob
makina mühendisleri odası
YENİLENEBİLİR
ENERJİ KAYNAKLARI
İSİ
SEMPOZYUMU VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI
Editör:
Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU
MMO Yayın No: E / 2001 / 275
EKİM 2001 - KAYSERİ
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
tmmob
makina mühendisleri odası
Sümer Sokak No: 36 / 1 - A Demirtepe, 06440 ANKARA
Tel: (0 312) 231 31 59; 2313164; 23180 23; 23180 98
Fax
: (0 312) 231 31 65
e-posta : [email protected]
web
: http://www.mmo.org.tr
MMO Yayın No : E/2001/275
ISBN
: 975 - 395 - 465 - 4
Bu yapıtın yaym hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü
değiştirilemez. Makina Mühendisleri Odası'nmizni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla
kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir.
KAPAK TASARIMI
DİZGİ
BASKI
Makina Mühendisleri Odası
İlhan İNCETÜRKMEN - (0 352) 320 43 53
İNCETÜRKMEN LTD.ŞTİ. - TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİ
NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
ZEOTROPİK SOĞUTKAN KARIŞIMLARININ KULLANILDIĞI
BUHAR SIKIŞTIRMALI ISI POMPALARINDA
İKİNCİ KANUN ANALİZİ
Süleyman KARSLI*,
Mehmet YILMAZ**,
Ömer ÇOMAKLI**
Atatürk Üniversitesi, Pasinler Meslek Yüksek Okulu Pasinler-Erzurum
** Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Erzurum
Tlf: 0 533 357 63 38
e-mail: [email protected]
ÖZET
grown. One of the alternatives is zeotropic
mixtures which do not deplete ozon layer. in
this study, in order to investigate the effects of
the zeotropic mixtures on the coefficient of
performance, and second law efficiency of the
vapor compression heat pumps, an air-to-water
heat pump experimental
system was
constructed. in order to compare CFCs and
zeotropic mixtures, püre R-12, R-22 and R114 refrigerants, and zeotropic mixtures of R12/R-22 and R-12/R-114 with different mass
ratio was used in the experiments. As a result
of the experiments, it was concluded that 62.537.5% R-12/R-22 and 40-60% R-12/R-114
zeotropic mixtures could be alternatives
instead of püre R-12, R-22, and R-114 on the
basis of the coefficient of performance and
second law efficiency.
Klorofluorokarbonlu (CFC) soğutkanların
ozon tabakasını tahrip etmesi ve sera etkisi
oluşturmaları nedeniyle bunların kullanımları
uluslararası
kuruluşlar
tarafından
yasaklanmıştır. Bunun sonucu olarak ısıtma ve
soğutma teknolojisinde CFC'lerin yerine
alternatif soğutkanların araştırılması artarak
devam etmektedir. Alternatiflerden birisi de
ozon tabakasına zarar vermeyen zeotropik
soğutkan
karışımlarıdır. Bu çalışmada,
zeotropik soğutkan karışımlarının buhar
sıkıştırmalı ısı pompasının ısı performans
katsayısını ve ikinci kanun verimini nasıl
etkilediğini belirlemek amacıyla hava-su
işletme çevrimine göre çalışan bir ısı pompası
deney düzeneği kurulmuştur. CFC soğutkanları
ve
zeotropik
soğutkan
karışımlarını
karşılaştırabilmek
amacıyla
deneysel
çalışmalarda
saf R-12, R-22 ve R-114
soğutkanları ile
değişik kütlesel karışım
oranlarına sahip R-12/R-22 ve R-12/R-114
zeotropik soğutkan karışımları kullanılmıştır.
Çalışmalar sonucunda %62.5-37.5 R-12/R-22
ile
%40-60
R-12/R-114
soğutkan
karışımlarının ısı performans katsayısı ve
ikinci kanun verimi bakımından R-12, R-22 ve
R-114 soğutkanlarına alternatif olabileceği
sonucuna varılmıştır.
Keywords: CFCs, Zeotropic, Nonazeotropic,
Refrigerant mixtures, COP, Second law.
1. GİRİŞ
Enerji sorununun önem kazandığı günümüz
dünyasında alternatif enerji kaynaklarına
yönelik çalışmalarda ısı pompalarının önemi
gün geçtikçe artmaktadır. Elektrikli ısıtmaya
göre 3 ile 6 kat daha avantajlı olmaları, çevre
kirlenmesine neden olmamaları, ısıtma ve
soğutma ile ilgili her türlü endüstriyel
uygulamalarda kullanılabilmeleri nedenleriyle
günümüz endüstrisinde ısı pompalan yaygın
bir şekilde kullanılmaktadır [1, 2].
1950'li yıllara kadar endüstride soğutma
sistemlerinde saf soğutkanlar yaygın bir
şekilde kullanılmaktaydı. CFC ve CHFC türü
soğutkanların ozon tabakasını incelttiği ve sera
etkisi yaptıkları belirlendikten sonra, bu tür
soğutkanlar
uluslararası
antlaşmalarla
programlı
bir
şekilde
uygulamadan
Anahtar kelimeler: CFC, Zeotropik, Nonazeotropik,
Soğutkan karışımları, COP, İkinci kanun.
ABSTRACT
Chlorofluorocarbons (CFCs) refrigerants has
been prohibited by international organizations
because they deplete ozon layer, and cause
greenhouse effects. As a result, interest on the
investigation of alternative refrigerants instead
of CFCs in heating and cooling technology has
Makina Mühendisleri Odası
311
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
zeotropik soğutkan karışımlarım değişik
kütlesel oranlarda karıştırarak, hava-su işletme
çevrimine göre çalışan buhar sıkıştırmak ısı
pompasında zeotropik karışımları kullanmanın
ısı performans katsayısını nasıl etkilediğini
deneysel olarak incelemişlerdir.
Isı pompalarının termodinamiğin birinci
kanununa
dayanan
COP
değerlerinin
incelenerek performanslarının analiz edilmesi
yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bunun
yanında son yıllarda ısı pompalarının
termodinamiğin ikinci kanunu kullanılarak
analiz edilmesi gittikçe yaygınlaşmaktadır.
Yıldız ve diğerleri [10] mekanik buhar
sıkıştırmak ve iş yapan akışkanı R-12 olan
buhar sıkıştırmak bir ısı pompasında birinci ve
ikinci kanun analizleri yaparak sistemin
optimum çalışma koşullarını belirlemişlerdir.
Yamankaradeniz ve Horuz [11] amonyak-su
akışkan çifti ile çalışan
absorpsiyonlu ısı
pompası ile buhar sıkıştırmak ısı pompasının
ikinci kanun analizini yapmışlar ve bu ısı
pompalarını birbiriyle karşılaştırmışlardır.
Literatürde ısı pompalarının termodinamiğin
birinci kanunu kullanılarak analiz edilmesi ile
ilgili bir çok çalışma yapılmıştır. Bunun
yanısıra zeotropik soğutkan karışımlarının ısı
pompalarında
kullanılmasıyla
ilişkili
çalışmalar genellikle birinci kanun analizini
içermektedir. Bu çalışmanın temel amacı,
zeotropik soğutkan karışımları kullanan ısı
pompalan ile saf soğutkan kullanan ısı
pompalarının ikinci kanun kullanılarak analiz
edilmesi ve karşılaştırmalarının yapılmasıdır.
Bu amaçla, hava-su işletme çevrimine göre
çalışan bir ısı pompası deney düzeneği
kurulmuştur. Isı pompası deney düzeneğinde
saf R-12, R-22 ve R-114 soğutkanları ile
değişik kütlesel karışım oranlarında hazırlanan
zeotropik R-12/R-22 ve R-12/R-114 soğutkan
karışımları kullanılmıştır. Saf soğutkanlarla
ikili zeotropik soğutkan kanşımları için elde
edilen deneysel datalar yardımıyla COP
değerleri ve ikinci kanun verimleri elde edilmiş
ve karşılaştınlmalan yapılmıştır.
kaldırılmaya başlanmıştır. Bunun sonucunda
soğutkan karışımlarının kullanımı gittikçe
artmış, bu ve alınan diğer tedbirlerin
atmosferdeki sonuçları son 10 yıl içerisinde
görülmeye başlanmıştır [3].
Isı pompalarında soğutkan
karışımlarının
kullanılması 1940'larda başlamıştır. Buhar
sıkıştırmak
ısı
pompalarında
soğutkan
karışımlarının kullanılması ile ilgili çalışmalar
1960'dan itibaren yoğunluk kazanmaya
başlamıştır. Mattarolo [4] endüstride kullanılan
CFC
soğutkanlarının
üretimlerinin
kısıtlanmaları ve bunların yerine alternatif
soğutkanların kulanılmasıyla ilgili araştırma
yapmış ve CFC emisyonlarının azaltılması için
alınması gereken kısa ve uzun vadeli
önlemlerin neler olabileceğini incelemiş, ve bu
önlemlerden birisi olarak zeotropik soğutkan
karışımlarının
kullanılmasını
önermiştir.
Literatürde
farklı
soğutkanların
karıştırılmasıyla
oluşturulan
zeotropik
soğutkan karışımlarının ısı pompalarında
kullanılmasıyla
ilgili
çeşitli araştırmalar
yapılmıştır. Payne ve arkadaşları [5] su-su
işletme çevrimine göre çalışan bir ısı
pompasında hidrokarbon ve hidrofluorokarbon
zeotropik soğutkan karışımları kullanarak
araştırma yapmışlar ve % 50 - % 50 kütlesel
karışım oranlarında kullanılan zeotropik R32/R-290 karışımı ile saf R-22 soğutkanını ısı
performans katsayısı (COP) bakımından
karşılaştırmışlardır. Braven ve Troxel [6]
değişik
karışım
oranlarında
hazırlanan
zeotropik karışım çiftlerinin su-kaynaklı bir ısı
pompasının çevrim performansına olan
etkilerini incelemek amacıyla bir model
geliştirmişlerdir. Usta ve arkadaşları [7]
alternatif
soğutkanlarla
çalışan
buhar
sıkıştırmak
soğutma
sistemlerinin
simülasyonunu yapmışlar ve çalışmalarında R134a, R-404A, R-507 ve R-290'ın alternatif
akışkan
olarak
buhar
sıkıştırmak
ısı
pompalarında kullanılabileceğini belirlemişler
ve
aşın
ısıtma-soğutmanın
sistemin
performansına
etkilerini
incelemişlerdir.
Merriam ve Little [8] zeotropik soğutkan
karışımlarının
buhar
sıkıştırmak
ısı
pompalarında kullanımı ile ilgili bir çalışma
yaparak karışım oranlarının ısı performans
katsayısına etkisini araştırmışlardır. Çomaklı
ve Karsh [9] R-12/R-22 ve R-12/R-114 ikili
Makina Mühendisleri Odası
2. DENEYSEL YÖNTEM VE MATERYAL
2.1. Deney Düzeneği
Deney düzeneği, hava-su işletme çevrimine
göre çalışan bir ısı pompası sisteminden
312
Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
soğutkanları karıştırma-ayrıştırma ve depolama
ünitesi (20-29) kullanılmıştır. Her bir soğutkan
yoğunluklarına
göre
farklı
depolarda
depolanmıştır. Soğutkanlar, en yoğun soğutkan
en alt seviyede bulunan depoda (25), en hafif
yoğunluğa sahip soğutkan da en üst seviyede
bulunan depoda
depolanacak şekilde ek
ünitede bulunan depolora depolanmışlardır. Bu
depoların
dış
çevreleri
soğutma
serpantinleriyle sarılarak depo sıcaklıkları
mümkün olan en düşük sıcaklık değerlerine
düşürülmeye çalışılmıştır. Bunun nedeni her
bir çevrimden sonra sistemden dönen
soğutkan/soğutkan
karışımlarını
tekrar
kullanmak ve bunların hacimsel olarak daha
fazla depolanmasını sağlamaktır. İstenilen
kütlesel
oranlarda
zeotropik
soğutkan
karışımlarını elde etmek amacıyla hassas bir
elektronik
tartı
elemanı
kullanılmıştır.
Sıcaklıkları ölçmek amacıyla krom-nikel
termoeleman
çiftleri
kullanılmıştır.
Termoeleman çiftleri dijital bir sıcaklık
banyosu kullanılarak kalibre edilmiştir.
meydana gelmiştir ve Şekil l'de şematik
olarak gösterilmiştir. Isı pompası açık tip
pistonlu kompresör (1), yatık borulu su
soğutmalı gövde borulu tip kondenser (2), hava
kaynaklı bakır borulu ve alüminyum levhalı bir
evaporatör (3), regülatif tip termostatik
genleşme valfı (4), ölçüm aygıtları ve diğer
yardımcı elemanlardan oluşmuştur. Ayrıca
sistem; soğutkanları karıştırma, ayrıştırma ve
depolama amaçlı bir ünite içermektedir.
Kompresöre aşırı kızgın halde gelen gaz
fazındaki
soğutkan/soğutkan
karışımı
izentropik olarak sıkıştırılır. Kompresörde
sıcaklık ve basıncı artan soğutkan/soğutkan
karışımı bir yağ ayırıcısından (5) geçtikten
sonra kondensere (2) gelir. Soğutkan/soğutkan
karışımı kompresör ve evaporatörde kazandığı
ısıyı kondenserde soğutma suyuna terk ederek
yoğuşur.
Kondenserde
yoğuşan
soğutkan/soğutkan karışımı bir sıvı tankı olan
reservarda (6) depolanır. Tam yoğuşmanın
sağlanması amacıyla resiverde depolanan
soğutkan/soğutkan karışımı aşırı soğutma
elemanından (7) geçirilir. Aşırı soğutmadan
sonra tamamen
sıvı
fazında bulunan
soğutkan/soğutkan karışımı filtre (8), selenoid
valf (9) ve kurutucudan (10) geçtikten sonra
genleşme valfine (4) gelir. Genleşme valfinde
soğutkan/soğutkan
karışımı,
evaporatör
sıcaklık ve basıncına düşürüldükten sonra
evaporatöre (3) gönderilir. Evaporatöre gelen
soğutkan/soğutkan
karışımı,
fan
(19)
tarafından evaporatöre gönderilen ortam
havasındaki ısıyı absorbe ederek buharlaşır.
Tam buharlaşmanın sağlanması amacıyla
evaporatörde bulunan soğutkan, kompresöre
gitmeden önce aşın kızdırma elemanına (7)
gönderilir. Burada tamamen buhar fazına
geçen soğutkan/soğutkan karışımı tekrar
kompresöre gönderilerek deney düzeneğinin
çevrimsel işlevi tamamlanmış olur.
Deney düzeneğinde ikinci bir fan elemanı
kullanılmıştır. Bu fanın görevi, birinci fan
tarafından evaporatöre gönderilen havanın
evaporatörde soğuması sonucu elde edilen
soğuk havayı kullanarak kondenser soğutma
suyunun sıcaklığını düşürmektir.
Sistemin iş yapan akışkan olarak kullanılacak
soğutkan veya zeotropik soğutkan karışımları
ile uygun ve yeterli miktarlarda beslenmesi
amacıyla Şekil l'in sağ tarafında gösterilen
Makina Mühendisleri Odası
2.2. Deneysel Yöntem
Deneylere saf soğutkanlar olan R-12, R-22 ve
R-114 ile başlanılmıştır. Karışım deneyleri,
%40-60 R-12/R-22 ve %62.5-37.5 R-12/R-114
zeotropik karışımları için yapılmıştır. Her bir
soğutkan/soğutkan karışımı için 5 farklı
evaporatör hava kaynak giriş sıcaklığı
kullanılmıştır. Evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklıkları
beş
değişik
kademede
ayarlanabilen elektrikli bir ısıtıcı (17)
yardımıyla ayarlanmıştır.
Yeterli miktarda
soğutkan ek ünite yardımıyla sisteme
gönderildikten sonra, elektrikli kumanda
panosu yardımıyla sistem çalıştırılmıştır.
Sistem kararlı duruma geldikten sonra ilk
ölçümler elektrikli ısıtıcı kullanılmadan
yapılmıştır. Daha sonra
periyodik olarak
elektrikli ısıtıcı yardımıyla beş değişik hava
kaynak sıcaklığı için ölçümler alınmıştır.
Deneysel işlemi tamamlanan her bir soğutkan
daha sonraki çalışmalarda tekrar kullanılmak
üzere ek ünitedeki depolarda toplanmıştır.
Ölçümler her yarım saatte bir alınmış ve 5
farklı
hava
giriş
sıcaklığı
için
soğutkan/soğutkan karışımının kompresör,
kondenser ve evaporatör giriş ve çıkış
sıcaklıkları, kondenser soğutma suyunun giriş
313
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
ve çıkış sıcaklıkları, evaporatör hava kaynak
giriş
ve
çıkış
sıcaklıkları
ölçülmüştür.
Kompresör girişi
ve
çıkışındaki basınç
değerleri basınç presostatının (11) üzerinde
bulunan
gaz
manometreleri
yardımıyla
okunmuştur. Kompresörün çekmiş olduğu
akım bir pens ampermetre kullanılarak
ölçülmüştür. Kondenserin soğutma suyu debisi
debi ölçer (14) kullanılarak ölçülmüştür.
17
26
12345678910-
Kompresör
Kondenser
Evaporatör
Genleşme valfı
Yağ ayırıcı
Rezervar
Aşırı kızdırma/soğutma elemanı
Filtre
Selenoid valf
Kurutucu
11- Basınç presostatı
12- Sıcak su eşanjörü
13- Pompa
14- Debi ölçer
15- Su tankı
16- Termoeleman yeri
17- Elektrikli ısıtıcı
18- Hava kanalı
19- Fan
20- Ek ünitenin kompresörü
21- Ek ünitenin kondenseri
22- Ek ünitenin fanı
23- Ek ünitenin kurutucusu
24- Selenoid valf
25- Gaz karışım tankı
26- Termometre
27- Manometre
28- Sürgülü vana
29- Soğutma serpantini
Şekil 1. Deney düzeneğinin şematik görünüşü
3. VERİLERİN D E Ğ E R L E N D İ R İ L M E S İ
olur. Diğer taraftan, kompresör gücü aşağıdaki
eşitlikle bulunmaktadır:
Tek kademeli bir buhar sıkıştırmah ısı pompasında
kondenserden atılan ısıl yük (Şekil 2),
(3)
eşitliğiyle bulunur.
Eğer akışkan
ideal
gaz
Tek kademeli buhar sıkıştırmak ısı pompası
için ısı performans katsayısı (COP), saf
soğutkanlar için,
olarak kabul edilirse
(2)
Makina Mühendisleri Odası
314
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 12-13 Ekim 2001 Kayseri
(4)
COPUff=-^komp
eşitliğiyle
bulunur.
Zeotropik
soğutkan
karışımları için ısı performans katsayıları
Lorenz çevrimi (Şekil 3) yardımıyla aşağıdaki
eşitlik kullanılarak hesaplanır:
COP.zeotropik
Qkon ~
^komp
QB
Şekil 2. Carnot çevrimi P-V ve T-S diyagramları
(5)
QA
TH ve TL arasında çalışan ideal Carnot
çevriminin (Şekil 2) ısı performans katsayısı,
saf soğutkanlar için [12, 13],
1
COP.saf .Carnot
(6)
Şekil 3. Lorenz çevrimi P-V ve T-S diyagramları
eşitliğiyle, zeotropik soğutkan karışımları için
ise,
4. DENEYSEL BULGULAR VE İRDELEME
COP
4.1. Isı Performans Katsayıları (COP)
= ———
zeotropik,Lorenz
T
Şekil 4, 5 ve 6'da sırasıyla R-12, R-22 ve R114 saf soğutkanları için elde edilen COP
değerlerinin evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklıklarına bağlı değişimleri görülmektedir.
Her 3 soğutkan için bulunan COP değerleri
ayrıca sırasıyla Tablo 1, Tablo 2 ve Tablo 3'de
de gösterilmiştir.
Şekil ve tablolardan
çıkarılacak sonuçlar şöyle özetlenebilir:
a)- Her 3 soğutkan için de COP [P değerlerinin
COPcamot değerlerinden daha düşük olduğu
görülmektedir.
b)- Her 3 soğutkan için de COPıP, evaporatör
hava kaynak giriş sıcaklıklarının artması ile
artmaktadır.
Bunun aksine COPcamoı ise
evaporatör hava kaynak giriş sıcaklıklarının
artması ile genel olarak azalmaktadır.
c)- R-12 soğutkanı için maksimum COPCarnot
10.07,
maksimum COPiP ise 5.42 olarak
bulunmuştur (Tablo 1 ve Şekil 4).
d)- R-22 soğutkanı için maksimum COPCamot
7.04,
maksimum COPiP ise 6.21 olarak
bulunmuştur (Tablo 2 ve Şekil 5).
e)- R-114 soğutkanı için maksimum COPCarnot
8.29,
maksimum COP IP ise 3.1 olarak
bulunmuştur (Tablo 3 ve Şekil 6).
f> Bu soğutkanlar, COPCarnot değerleri
açısından karşılaştırıldığında, en yüksek COP
eşitliği ile bulunur.
Tek kademeli buhar sıkıştırmalı mekanik bir ısı
pompası için ikinci kanun kanun verimi, ısı
pompası gerçek performans katsayısının ısı
pompası ideal performans katsayısına oranı
olarak tanımlanmaktadır [12, 13]. Saf
soğutkanlar için ikinci kanun verimi:
COP,saf
COP,saf ,Carnot
(8)
eşitliğiyle, zeotropik soğutkan karışımları için
ise,
COP.zeotropik
COP.zeotropik,Lorenz
(9)
eşitliğiyle hesaplanır. İkinci kanun verimi, ısı
pompası ideal yani tersinir hale yaklaştıkça 1 'e
doğru yaklaşır.
Makina Mühendisleri Odası
315
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 12-13 Ekim 2001 Kayseri
COP
değerinin R-12 soğutkanında; COPıP açısından
karşılaştırıldığında ise en yüksek COP
değerinin R-22 soğutkanında elde edildiği
görülmektedir.
Şekil 7 ve Şekil 8'de sırasıyla %62.5-37.5 R12/R-22 ve %40-60 R-12/R-114 zeotropik
soğutkan karışımları için COPLorenz ve COPıp
değerlerinin evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklığına bağlı değişimleri gösterilmiştir.
Sayısal olarak kolay görülebilmesi amacıyla
aynı değişimler sırasıyla Tablo 4 ile Tablo 5'de
de verilmiştir. Görüldüğü gibi her iki karışım
için de evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklığının
artmasıyla
COPT P
değerleri
artmaktadır. %62.5-37.5 R-12/R-22 zeotropik
soğutkan karışımı için maksimum COPLorenz
12.24, aynı karışım için maksimum COPıP
değeri ise 7.1 olarak bulunmuştur (Tablo 4 ve
Şekil 7). %40-60 R-12/R-114 zeotropik
soğutkan karışımı için maksimum COPLorenz
8.60, aynı karışım için maksimum COPıP
değeri ise 3.79 olarak bulunmuştur (Tablo 5 ve
Şekil 8).
/
• COPcARNOT
4
O
COPıP
EVAPORATÖR SICAKLIĞI <°C)
Şekil 5. R-22 için COP'un evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığına göre değişimi
• _~— *
S1
• COPcARNOT
0 COPıp
.--••"
"
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
R-12 ve R-22 soğutkanları ile %62.537.5 R-12/R-22 zeotropik soğutkan karışımı
COP l d e a l (COP C a r n o t ve COPLorenz) değerleri
bakımından
karşılaştırıldığında,
zeotropik
soğutkan karışımı için elde edilen COPLorenz
değerlerinin R-12 ve R-22 soğutkanları için
elde edilen COPcamot değerlerinden daha
yüksek olduğu görülmektedir. Karşılaştırma
COPıP değerleri
bakımından yapıldığında,
zeotropik soğutkan karışımı için bulunan
COPıp değerlerinin yine R-12 ve R-22 için
bulunan COPıP değerlerinden daha yüksek
olduğu görülmektedir.
Şekil 6. R-114 için COP'un evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığına göre değişimi
2.5 :
10
7.5
• COPLORENZ
o COP, P
2.5
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 7. %62.5-%37.5 R-12/R-22 zeotropik karışımı
için COP'un evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklığına göre değişimi
• COPcARNOT
o
•
COPıP
10
•——»
- ^ _ -
. -•
8
•—-
•
•
•
• COPLORENZ
o COPıP
.-,
17
•-
COP
•
•
••
.
—•
_
_
•
22
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°O
Şekil 4. R-12 için COP'un evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığına göre değişimi
Makina Mühendisleri Odası
Şekil 8. %40-%60 R-12/R-114 zeotropik kanşımı için COP'un
evaporatör hava kaynak giriş sıcaklığına göre değişimi
316
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
Tablo 1. R-12 soğutkanı için COP ve II. kanun verimi
fa
değerlerinden ise daha yüksek
olduğu görülmektedir. Karşılaştırma COPIP
değerleri bakımından yapıldığında, zeotropik
soğutkan karışımı için bulunan COP1P
değerlerinin R-12'den daha düşük, R-114'den
ise daha yüksek olduğu görülmektedir.
Bu bulgulardan iki soğutkan birbirleriyle
karıştırıldığında karışımın ısı performans
katsayılarının bazen her iki soğutkandan daha
yüksek, bazen ise soğutkanın birinden daha
yüksek diğerinden ise daha düşük olduğu
sonucu çıkarılabilir.
Isı
pompalarında
zeotropik
akışkan
karışımlarını
çeşitli
araştırmacılar
kullanmışlardır. Payne ve diğerleri [5] su-su
işletme çevrimine göre çalışan bir ısı
pompasında
belirli
kapasite
için
saf
soğutkanlarla zeotropik soğutkan karışımlarını
kullanarak COP değerlerini karşılaştırmışlar ve
% 50-50 R-32/290 zeotropik soğutkan karışımı
için elde edilen COP değerinin R-22 için elde
edilen COP değerinden ortalama olarak %17
daha büyük olduğunu belirlemişlerdir. Braven
ve Troxel [6] bir ısı pompası çevriminde R22/R-ll ve R-22/R-114 zeotropik soğutkan
karışımları ile saf R-22 soğutkanı kullanarak
sistemin COP değerlerini karşılaştırmışlardır.
R-22/R-11 zeotropik soğutkan karışımı için
elde edilen COP değerinin R-22 ye göre %26,
R-22/R-114 zeotropik karışımı için elde edilen
COP değerinin ise R-22 ye göre %34'lük bir
artış sağladığı belirlenmiştir. Linton ve
diğerleri [14] hava-hava kaynaklı bir ısı
pompasında yaptıkları çalışmalarda R-12 ile R134a soğutkanları için performans analizi
yapmışlardır. Klasik soğutkanlara alternatif bir
akışkan olarak üretilen R-134a akışkanı için
elde edilen COP değerlerinin ortalama olarak
R-12'den %
15
daha az olduğunu
belirlemişlerdir. Literatür taramasından da
görülebileceği gibi, bazı zeotropik soğutkan
karışımlarının
COP
değerleri
saf
soğutkanlarınkinden
daha
yüksek
iken
bazılarının ise daha düşüktür. Bu çalışmadan da
COP açısından benzer sonuçlar elde edilmiştir.
Evaporatör Hava Kaynak Giriş Sıcaklıkları
COPIP
COPcamo,
II. Kanun
Verimi
15.3
18.4
20.6
3.75
10.07
0.37
3.78
10.06
0.38
3.83
9.79
0.39
24.4
27.8
30.8
4.27
9.25
0.46
4.83
8.52
0.57
5.42
8.99
0.60
Tablo 2. R-22 soğutkanı için COP ve II. kanun verimi
fa
Evaporatör Hava Kaynak Giriş Sıcaklıkları
COPIP
COPcarno,
II. Kanun
Verimi
16.4
4.00
6.91
0.58
21.4
4.21
6.55
0.64
26.6
4.28
6.25
0.68
31.6
4.92
6.05
0.81
37.8
6.10
6.41
0.95
43.4
6.21
7.04
0.88
Tablo 3. R-114 soğutkanı için COP ve II. kanun verimi
COPn»
COPcarnot
II. Kanun
Verimi
25.6
1.70
7.97
0.21
Evaporatör Hava Kaynak Giriş
Sıcaklıkları [°C]
31.1
43.1
49.7
56.1
36.9
2.30
2.45
2.50
2.65
3.10
7.88
7.80
7.13
8.29
8.26
0.29
0.34
0.30
0.30
0.43
Tablo 4. %62.5/37.5 R-12/R-22 zeotropik karışımı
için COP ve II. Kanun Verimi
fa
Evaporatör Hava Kaynak Giriş Sıcaklıkları
COPIP
^^*Lorenz
II. Kanun
Verimi
16.1
4.56
12.24
18.2
5.25
11.79
20.4
5.69
11.61
23.5
6.69
11.25
26.2
27.7
6.90
7.10
11.53 11.39
0.37
0.45
0.49
0.59
0.60
0.62
Tablo 5. % 40/60 R-12/R-114 zeotropik karışımı
için COP ve II. kanun verimi
COPIP
COPLorenz
II. Kanun
Verimi
Evaporatör Hava Kaynak Giriş Sıcaklıkları
[6C]
31.2
25.7
37.6 44.0
51.9 59.4
2.79
2.53
2.95
3.08
3.39
3.79
8.02
0.32
8.11
0.34
8.34
0.35
8.49
0.36
8.52
0.40
8.60
0.44
R-12 ve R-114 soğutkanları ile %40-60 R12/R-114
zeotropik
soğutkan
karışımı,
COPideai (COPcamo. ve C O P ^ z ) değerleri
bakımından
karşılaştırıldığında,
zeotropik
soğutkan karışımı için elde edilen COPLOrenz
değerlerinin R-12 soğutkanı için elde edilen
COPcamot değerlerinden daha düşük, buna
karşılık R-114 soğutkanı için elde edilen
Makina Mühendisleri Odası
4.2. İkinci Kanun Verimleri
R-12, R-22 ve R-114 soğutkanları için ikinci
kanun verimlerinin evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığına bağlı değişimleri sırasıyla
Şekil 9, Şekil 10 ve Şekil 11'de gösterilmiştir.
317
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
%62.5-37.5 R-12/R-22, %40-60 R-12/R-114
zeotropik soğutkan karışımları için elde edilen
ikinci kanun verimlerinin evaporatör hava
kaynak giriş sıcaklığına bağlı değişimleri ise
sırasıyla Şekil 12 ve Şekil 13'de gösterilmiştir.
Şekillerden çıkarılabilecek sonuçlar şöyle
özetlenebilir:
a)- Gerek saf soğutkanlar gerekse zeotropik
soğutkan karışımları için ikinci kanun
verimlerinin evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklığının artması ile arttığı gözlemlenmiştir.
Bunun nedeni artan evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığı ile COPtdeai değerlerinin genel
olarak azalması, buhar sıkıştırmak ısı pompası
çevrimi elde edilen COPIP değerlerinin ise
artmasından kaynaklanmaktadır,
b)- Maksimum ikinci kanun verimi R-12
soğutkanı için 0.6, R-22 soğutkanı için 0.95,
R-114 soğutkanı için 0.43, %62.5-37.5 R12/R-22 zeotropik soğutkan karışımı için 0.62
ve %40-60 R-12/R-114 zeotropik soğutkan
karışımı için ise 0.44 olarak bulunmuştur
(Tablo 1-5). Buna göre R-12 için maksimum
verim 0.6, R-22 için maksimum verim 0.95
iken
%62.5-37.5
R-12/R-22
zeotropik
soğutkan karışımı için maksimum verimin 0.62
olduğu görülmektedir. Ayrıca
R-12 için
maksimum verim 0.6, R-114 için maksimum
verim 0.43 iken %40-60 R-12/R-114 zeotropik
soğutkan karışımı için maksimum verimin 0.44
olduğu bulunmuştur.
c)- Çalışılan evaporatör hava kaynak giriş
sıcaklıkları aralığında zeotropik soğutkan
karışımlarının ikinci kanun verimlerinin saf
soğutkanlannkine göre daha yüksek olduğu
gibi bir genelleştirme yapılamaz. Örneğin R-12
ve R-22 soğutkanları ile %62.5-37.5 R-12/R22 zeotropik soğutkan karışımı ikinci kanun
verimleri
bakımından
karşılaştırıldığında,
zeotropik soğutkan karışımı için elde edilen
ikinci
kanun
verimlerinin
R-12
soğutkanınınkinden
daha yüksek, R-22
soğutkanınkinden ise daha düşük olduğu
görülmektedir. Diğer taraftan R-12 ve R-114
soğutkanları ile %40-60 R-12/R-114 zeotropik
soğutkan karışımı
ikinci kanun verimleri
bakımından
karşılaştırıldığında,
zeotropik
soğutkan karışımı için elde edilen ikinci kanun
verimlerinin R-12 soğutkanınınkinden daha
düşük, R-114 soğutkanınkinden ise daha
yüksek olduğu görülmektedir.
Makina Mühendisleri Odası
s
2
0.65
0.55
z
0.45
.
0.35
—
O5S
—
17
22
21
3Î
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 9. R-12 için ikinci kanun veriminin evaporatör hava
kaynak giriş sıcaklığına göre değişimi
24
31
3»
45
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 10. R-22 için ikinci kanun veriminin evaporatör
hava kaynak giriş sıcaklığına göre değişimi
10
20
30
40
50
60
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 11. R-114 için ikinci kanun veriminin evaporatör
hava kaynak giriş sıcaklığına göre değişimi
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 12. %62.5-%37.5 R-12/R-22 zeotropik
karışımı için ikinci kanun veriminin evaporatör
hava kaynak giriş sıcaklığına göre değişimi
318
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
12-13 Ekim 2001 Kayseri
c)-Evaporatör hava kaynak giriş sıcaklıklarının
artması ile saf soğutkanlar ve zeotropik
soğutkan karışımlarının ikinci kanun verimleri
artmaktadır.
d)- İki soğutkan birbirleriyle karıştırıldığında,
karışımın ikinci kanun verimleri, bazen her iki
soğutkandan
daha
yüksek,
bazen
ise
soğutkanın birinden daha yüksek diğerinden
ise daha düşük olmaktadır.
Günümüzde,
çevresel
sorunların
insan
yaşamını ne kadar olumsuz etkilediği, çevre
duyarlılığının tüm dünyada gittikçe artan bir
önem kazandığı, ve CFC soğutkanlarının
kullanımının sınırlanması ve yasaklanması
nedeniyle
bunların
yerine
alternatif
soğutkanların bulunma gerekliliği göz önüne
alındığında,
saf
soğutkanların
yerine
atmosferin dostu olarak bilinen ve çevreye
hiçbir zararı olmayan zeotropik soğutkan
karışımlarının
ısı
pompalarında
kulanılabilirliğinin
incelenmesinin
önemi
ortaya çıkmaktadır. Bazı karışımların COP IP
değerlerinin ve ikinci kanun verimlerinin saf
soğutkanlardan
daha
yüksek
bulunduğu
dikkate
alındığında,
zeotropik
soğutkan
karışımlarının
hem
çevresel
hem
de
termodinamik
performans
açısından
konvansiyonel CFC soğutkanlarına alternatif
olarak kullanılabileceği söylenilebilir. Sonuç
olarak, konvansiyonel CFC soğutkanlarına
göre zeotropik soğutkan karışımlarının ısı
pompalarında
kullanılmasının
yaygınlaştırılması;
çevremizin
gelecek
nesillere temiz ve bozulmadan güvenilir bir
şekilde aktarılmasına, tüm canlı türleri için
ekolojik dengenin korunmasına, hijyenik
yaşam standartlarının ve konforunun temin
edilmesine katkıda bulunacağı açık bir
gerçekliktir. Ayrıca termodinamik performansı
daha yüksek olan karışımların kullanılmasının
ekonomiye sağlayacağı katkı da göz önünde
bulundurulmalıdır.
as
EVAPORATÖR SICAKLIĞI (°C)
Şekil 13. %40-%60 R-12/R-114 zeotropik karışımı
için ikinci kanun veriminin evaporatör hava kaynak
giriş sıcaklığına göre değişimi
Zeotropik soğutkan karışımları kullanan ısı
pompalarının birinci kanun analizi çeşitli
araştırmacılar tarafından yapılmasına rağmen
zeotropik soğutkan karışımları kullanan ısı
pompalarının ikinci kanun analizi ile ilgili
çalışmaların sayısı sınırlıdır. Bu nedenle bu
karışımların ikinci kanun verimleriyle ilgili
genel yargılara varabilmek için araştırmaların
artması gerekmektedir.
5. SONUÇLAR
Konvansiyonel CFC soğutkanlarının kullanımı,
ozon tabakasına olan zararlı etkilerinden dolayı
Montreal
protokolü
ile
kısa
vadede
sınırlandılmış ve uzun vadede yasaklanmış
bulunmaktadır. Bu çalışmada, bu soğutkanlara
alternatif
olarak
zeotropik
soğutkan
karışımlarının buhar sıkıştırmalı ısı pompası
sistemlerinde kullanılabilirliğini araştırmak
amacıyla deneysel bir sistem kurulmuştur.
Saf soğutkanlar olarak R-12, R-22, R-114,
zeotropik soğutkan karışımları olarak da
%62.5-37.5 R-12/R-22, %40-60 R-12/R-114
zeotropik soğutkan karışımları kullanılmış ve
sistemin ısı performans katsayıları ve ikinci
kanun verimleri incelenmiştir. Çalışmadan
çıkarılabilecek sonuçlar şöyle özetlenebilir:
a)-Evaporatör hava kaynak giriş sıcaklıklarının
artması ile saf soğutkanlar ve zeotropik
soğutkan
karışımlarının
COPıP
değerleri
artmaktadır.
SİMGELER
b)-İki soğutkan birbirleriyle karıştırıldığında,
karışımın C O P ı P değerleri, bazen her iki
soğutkandan
daha
yüksek,
bazen
ise
soğutkanın birinden daha yüksek diğerinden
ise daha düşük olmaktadır.
Makina Mühendisleri Odası
Qkon
: Kondenser ısıl yükü, [kW]
m
h
m
: Soğutkan debisi, [kg/s]
: Özgül entalpi, [kJ/kg]
c ps
: Suyun özgül ısısı, [kJ/kg°C]
: Su debisi, [kg/s]
: Sıcaklık, [°C]
319
Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi
^komp
COP
12-13 Ekim 2001 Kayseri
sıkıştırmalı
soğutma
sistemlerinin
simülasyonu,
6.
Ulusal
Soğutma
ve
İklimlendirme Tekniği Kongresi, 13-14 Nisan
2000, Çukurova Üniversitesi, ADANA,
Bildiriler kitabı, s. 181-188.
: Kompresör gücü, [kW]
: Isı performans katsayısı
: İkinci kanun verimi
İndisler
sç
sg
L
H
A
B
8. Merriam, R.L. and Little, A. D., 1988,
Evaulation of vapor compression cycles using
nonazeotropic refrigerants mixtures, Oak
Ridge Nat. Lab., No. 02190, Cambridge, p 1526.
Su çıkış
Su giriş
Düşük sıcaklık
Yüksek sıcaklık
A bölgesi
B bölgesi
9. Çomakh, Ö. ve Karslı, S., 1993,
Nonazeotropik
soğutucu
akışkan
karışımlarının
ısı
pompası
performans
katsayısına
etkisinin
deneysel
olarak
incelenmesi, 9. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği
Kongresi, 20-22 Eylül 1993 Fırat Üniversitesi
ELAZIĞ.
KAYNAKLAR
1. Metroeconomica Ltd., "ODS phaseout in
Turkey: A strategy document". Prepared for
the Ministry of Environment, Republic of
Turkey, Final Draft October 1996.
2. Beşer, E., Soğutucu maddelerle ilgili
dünyada
ve
Türkiye'deki
gelişmeler,
TESKON'97 Bildiriler kitabı, Cilt 2, s. 679697.
10. Yıldız, C, Yeşilata, B. ve Biçer, Y., 1998,
Mekanik buhar sıkıştırmak ısı pompalarında
ikinci kanun analizi, III. Ulusal Isıtma ve
Soğutma Kongresi, ADANA, Bildiriler Kitabı,
s. 171- 180.
3. Ertaş, E., 2000, Soğutma sistemlerinde
hidrokarbonların soğutkan olarak kullanılması,
6. Ulusal Soğutma ve İklimlendirme Tekniği
Kongresi, 13-14 Nisan 2000, Çukurova
Üniversitesi, ADANA, Bildiriler kitabı, s. 189196.
11. Yamankaradeniz, R. ve Horuz, İ., 1995,
Amonyak-su çifti ile çalışan absorpsiyonlu ısı
pompasının ikinici kanun analizi, 10. Ulusal Isı
Bilimi ve Tekniği Kongresi, 6-8 Eylül 1995
ANKARA, s. 341-350.
12. Çengel, Y. A. and Boles, M. A., 1996,
Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik,
McGraw-Hill*Literatür, İSTANBUL, s. 347388.
4. Mattarolo, L., 1990, Refrigerants and
environment protection, I. Ulusal Soğutma ve
İklimlendirme Sempozyumu, 16-18 Mayıs,
İSTANBUL, s. 51-70.
13. Bejan, A., 1988, Advanced Engineering
Thermodynamics, John Wiley&Sons, New
YORK, 110-146.
5. Payne, W. V., Domanski, P. A. and Muller,
J., 1999, A study of a water-to-water heat
pump
using
hydrocarbon
and
hydrofluorocarbon
zeotropic
mixtures,
Building and Fire Research Laboratory,
Gaithersburg, Maryland 20899, p. 1-35.
14. Linton, J.W., Snelson, W.K., Eng., P. And
Hearty, P.F., Performance comparison of
refrigerants and R-12 in a residential exhaust
air heat pump, 399-404.
6. Den Braven, K.R. and Troxel, S.O., 1990,
Method for predicting the performance of
nonazeotropic mixtures in heat pumps,
ASHRAE Journal, Vol. 96, Pt. 1, p 305-311.
7. Usta, H., Türkoğlu, H. ve Ataer, Ö.E., 2000,
Alternatif soğutucu akışkanlarla çalışan buhar
Makina Mühendisleri Odası
320