GİRİŞ
I
sı pompaları enerjinin düşük sıcaklık kaynağından yüksek sıcaklık kaynağına aktarıldığı düzenekler olup prensip olarak uzun yıllardan beri bilinmektedir. Gerek sanayide ve gerekse günlük yaşamda ısıtma ve soğutmanın önemi ve bu amaç için sarf edilen enerjinin toplam enerji tüketimi içindeki payının yüksek olduğu bilinmektedir. Isı pompaları bir mahalin ısıtılması veya sıcak su üretimi içinkullanılabilir. Binaların ısıtılmasında, iklimlendirme tesislerinde, yüzme havuzlarının ısıtılmasında, çeşitli kurutma, buharlaştırma gibi işlemlerde kullanılmaktadır [2]. Enerji probleminin çözümüne yönelik araştırmalar, enerji kullanımında verimliliğinin artırılmasında ve güneş enerjisinden atık ısıya kadar geniş bir yelpaze içerisinde çeşitli kaynakların bu amaç için değerlendirilmesinde yoğunlaşmıştır [9].
Absorbsiyonlu - Mekanik Sıkıştırmalı
(Kombine) Soğutma ile Mekanik
Sıkıştırmalı Soğutma Sistemlerinin Örnek
Bir Uygulama ile Karşılaştırılması
ÖZET
Bu çalışmada, hem buz pateni sahasının soğutulması hem de yüzme havuzunun ısıtılmasını sağlamak amacıyla, ısıtma ve soğutmanın aynı anda yapılabildiği bir absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin tasarımı ve analizi yapılmış olup, mevcut buhar sıkıştırmalı soğutma sistemiyle termodinamik ve ekonomik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır. Yapılan analiz sonucunda absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin soğutma tesir katsayısının (STK) mevcut buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminden % 21 daha yüksek olduğu ve sistemin absorberinden açığa çıkan ısının buz pateninin çok yakınında bulunan yüzme havuzu suyunun ısıtılması için yeterli olduğu görülmektedir.
Absorbsiyon, sıkıştırma, NH -H O, yüzme havuzu, buz pateni sahası, performans katsayısı
Anahtar Kelimeler: 3 2
Canan CİMŞİT
İlhan Tekin ÖZTÜRK
*
Kocaeli Üniversitesi, Gölcük MYO. Gölcük- Kocaeli
Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü
Veziroğlu Kampüsü 41300 Kocaeli (ilhan@kou.edu.tr)
ABSTRACT
A thermodynamic analysis has been carried out on a compression-absorption system that can be used for simultaneous heating and cooling applications. In this analysis, to provide both cooling facility for ice rink and heating facility for the swimming pool, a absorption - mechanical compression (combine) is designed and compared with present vapor compression system from thermodynamic and economic aspects. The results show that combine cooling system's coefficient of performance (COP) is 21 % higher than present vapor compression cooling system and heat rejection from absorber is capable to provide heating of swimming pool which is close to ice rink.
Absorption, compression, NH -H O, swimming pool, ice rink, coefficient of performance
Keywords: 3 2
Comparing Absorption-Mechanical
Compression (Combine) Refrigeration With
The Mechanical Compression Refrigeration
Systems by a Model Application
Süt fabrikaları, eczacılık ve kimya gibi birçok endüstri dalında ısıtma ve soğutmanın eş zamanlı yapılması gerekir. Geleneksel metot, ısıtma ve soğutma için sistemlerin ayrı ayrı kullanılmasıdır. Alternatif olarak, bir ısı pompası, hem ısıtma hem de soğutmanın aynı anda yapılması için kullanılabilir. Buna rağmen, şayet soğutma ve ısıtma akışkanları arasındaki sıcaklık farklılığı çok büyükse standart buhar sıkıştırmalı ısı pompası sistemleri, yüksek çalışma basınçları, yüksek sıkıştırma oranları, düşük verimlilik ve yüksek kompresör çıkış sıcaklıklarına neden olmasından dolayı uygun olmayabilir. Ayrıca, sabit sıcaklıkta buharlaşmalı ve yoğuşmalı klasik saf akışkan esaslı sistemler, bir sıcaklık değişiminde dış soğutma ve ısıtma akışkanlarının olduğu uygulamalarda termodinamik açıdan uygun değildir. Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sistemleri olarak bilinen buhar sıkıştırmalı sistemler çok cazip görünmektedirler. Klasik buhar sıkıştırmalı sistemlere kıyasla absorbsiyonlu-mekanik buhar (kombine) soğutma sistemlerinin sunduğu avantajlar; daha düşük çalışma basınçları, daha düşük sıkıştırma oranları ve daha düşük kompresör çıkış sıcaklıkları ve daha yüksek verimlilik şeklinde sıralanabilir. Konuyla ilgili literatürde teorik ve deneysel olmak üzere birkaç çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda sadece aynı tasarım ve çalışma şartlarında klasik buhar sıkıştırmalı sistemle karşılaştırılması yapılmış ve absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin performans katsayısının (STK) daha yüksek olduğu belirtilmiştir [6]. Ayrıca Syed Md Tarique ve M.Altamush Siddiqui [8] tarafından aynı çalışma şartlarında amonyağı kullanan klasik buhar sıkıştırmalı sistemle NH -NaSCN çözeltisini kullanan absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin ekonomik ve performans karşılaştırılması yapılmıştır. NH -NaSCN kullanan absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin performansı sabit ısıtma sıcaklıklarında saf amonyak sıkıştırmalı sistemin performansından hemen hemen % 30-60 daha büyük olduğu görülmüştür.
Bu çalışmada hem buz pateni sahasının soğutulması hem de yüzme havuzunun ıstılmasını sağlamak amacıyla bir absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin tasarımı yapılmış olup, mevcut sistemle termodinamik ve ekonomik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır.
Tek kademeli absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine ) soğutma sisteminin şematik gösterimi Şekil 1 'de verilmiştir. Çözelti karışımından soğutucu akışkan ayrılması desorberde, karışımı ise absorberde olmaktadır. Desorber düşük basınçlarda çalışır ve ortamdan ısı alır. Absorberde ise alan ısıtılması için kullanılan absorbsiyon ısısı serbest bırakılır. Çözelti pompası, soğutkan- absorbent karışımını desorberden absorbere pompalar. Desorberdeki saf soğutucu akışkan
absorber basıncına kompresör tarafından sıkıştırılır. Kompresörden gelen yüksek basınçlı soğutucu akışkan ile çözelti pompasından gelen (soğutucu akışkanca) zayıf çözelti absorberde tekrar birleşir. Absorberden çıkan (soğutucu akışkanca) zengin çözelti desorber basıncına kadar genişleme valfinde genişleyerek, böylece çevrim tamamlanmış olur. Saf soğutucu akışkanla çalışan sistemlere göre absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) sistemin en büyük avantajı; bir karışım için geniş sıcaklık aralığının olmasıdır. Örneğin amonyak su ile birleştiğinde muhtemelen 150-160 C sıcaklığına kadar kullanılabilir. Bu nedenle karışımların kullanılması yoluyla, saf ve uygun bir soğutucu bulmanın güç olduğu durumlarda gereken sıcaklıklar elde edilebilir. Bugün R11,R12,R14 gibi kloroflourkarbon gazlarının ozon tabakası üzerindeki etkisi iyi bilinmektedir. Bu nedenle uygun nitelikte soğutucuların aranması çok önem taşıyan konudur. Her ne kadar kloroflourkarbon son zamanlarda büyük ilgi çekiyorsa da diğer çevresel konularda önem taşımaktadır. Bunların başında fosil yakıtların yanmasıyla oluşan sera etkisi gelir. Bu gelecekte büyük bir sorun yaratacağından CO yayınımına ve diğer sera gazlarından kaçınmak gerekir. Bu nedenle yeni soğutucu maddelerin ve alternatif çevrimlerin araştırılması ve geliştiril-mesi, geliştirilemiyorsa mevcut durumunun sürdürülmesi büyük önem taşımaktadır[1].
Bir amonyak-su karışımı, endüstriyel tip ısı geri kazanım ısı pompaları ve ısı değiştiricilerinde iyi çalışan bir iş akışkanı olarak kullanılabilir [5]. Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) ısı pompalarında daima bir karışım kullanılır. Yapılan çalışmalarda amonyak-su karışımı, bu karışımlardan en
3
3
2
o
ÇEVRİMİN ANALİZİ
Şekil 1. Tek Kademeli Absorbsiyonlu-Mekanik Sıkıştırmalı (kombine) Soğutma Sistemi
ABSORBER
DESORBER
KOMP
Isı Eşanjörü
1 2 3 4 5 6 7 8BUZ PATENİ
SAHASI
YÜZME
HAVUZU
ilginç olanlardan biri olarak tanımlanmıştır. Klasik buhar sıkıştırmalı çevrimle karşılaştırılması durumunda amonyak desorberde buharlaşır (buharlaştırıcıya karşılık gelir) ve absorberde yoğunlaşır (yoğuşturucuya karşılık gelir) [4].
Çevrimin termodinamik analizine temel oluşturacak aşağıda belirtilen birtakım kabuller yapılmıştır [6]. Bunlar:
1. Desober çıkışındaki buhar saf bir soğutkan olarak düşünülür ve desorberden ayrılan zayıf çözelti ile denge halinde olduğu farz edilir.
2. Desorberden ayrılan zayıf eriyik ile absorber çıkışındaki zengin eriyik doymuştur.
3. Kompresördeki buhar sıkıştırması izantropiktir. 4. Genişleme valfı boyunca genişleme izentalpiktir.
5. Pompadaki sıcaklık artışı ihmal edilmiştir. Bu nedenle pompa işi ihmal edilebilir.
Desorberde kütle ve enerji dengesi;
(toplam kütle dengesi) (1)
(amonyak dengesi) (2)
(enerji dengesi) (3) Absorberde kütle ve enerji dengesi ;
(toplam kütle dengesi) (4)
(amonyak dengesi ) (5)
(enerji dengesi) (6) Kompresör tarafından yapılan gerçek iş;
(7) Sıkıştırma oranı;
(8) Performans katsayısı (STK) ;
(9) Isıtma Tesir Katsayısı (ITK) ;
(10) Eriyik eşanjörü etkenliği;
(11) Amonyak-su eriyiğinin entalpisi, sıcaklık ve konsantrasyona bağlı olarak aşağıda verilmiştir [7].
(12) Burada amonyağın mol oranı olup eşitlik (13) ile bulunabilir.
(13)
Bu çalışmada, klasik buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimine göre çalışan tesisle soğutulan bir olimpik buz sporları tesisi incelenmiş olup, aynı çalışma koşullarında sistemin absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı çevrime göre çalışan bir sistemin düşünülmesi durumunda mevcut sistemle hem termodinamik açıdan hem de ekonomik açıdan karşılaştırılması yapılmıştır. Ayrıca hemen yakınında bulunan bir kapalı yüzme havuzu tesisinin de havuz suyu ısıtılması için gerekli ısınında bahsedilen soğutma çevrimlerinin kondenser ısılarından karşılanması durumu incelenmiştir [3].
Buz pateni sahası (klasik buhar sıkıştırmalı) mevcut çalışma koşulları: T =-15 C (buharlaştırıcı sıcaklığı) T = 35 C (yoğuşturucu sıcaklığı) 250 kW (soğutma yükü) = 344 kW (yoğuşturucu kapasitesi) = 90 kW (kompresör kapasitesi)
T = 28 C (havuz suyu sıcaklığı)
T = 10 C (şebeke suyu sıcaklığı)
V = 650 m (havuz su hacmi)
h= 72 saat (ilk ısıtma süresi; 12 ile 72 saat arası alınabilir.)
S =13.5x25=337.5 m (havuzun su alanı)
q= 435.344 (kJ/m h) (buharlaşma ile kaybolan ısı)
(14) = 230 kW
T = -15 C ve T = 35 C sıcaklıkları için tek kademeli absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin çeşitli noktalarındaki termodinamik özellikler Tablo 2‘de verilmiştir. Amonyak-su eriyiğinin entalpisi Eşitlik 12 yardımıyla hesaplanmıştır. Sistemin soğutma yükü (buz pateni ε buh yoğ. 2 1 h buh yoğ o o o o 3 2 2 o o
Kapalı yüzme havuzu çalışma koşulları:
Havuz suyu ilk ısıtma ısı ihtiyacı:
Çevrimin TermodinamikAnalizi
ÖRNEK BİR UYGULAMA
7 1
6
m
m
m
&
=
&
+
&
7 1
6
.
.
m
m
x
m
x
z&
=
&
f+
&
6 6 7 7 1 1
.
h
m
.
h
m
.
h
m
Q
&
des=
&
+
&
−
&
4 3
8
m
m
m
&
+
&
=
&
4 3
8
x
.
m
x
.
m
m
&
+
f&
=
z&
4 . 4 8 8 3 3
.
h
m
.
h
m
.
h
m
Q
&
abs=
&
+
&
−
&
)
(
8 7 7h
h
m
W
&
C=
&
−
)
/(
)
1
(
/
7 6m
x
fx
zx
fm
f
=
&
&
=
−
−
C desW
Q
STK
=
& /
&
c absW
Q
ITK
=
& /
&
)
/(
)
(
T
3−
T
1T
4−
T
1=
X ) 1 ( 03 . 17 015 . 18 015 . 18 X X X − + =Tablo 1. Eşitlik 12'de Kullanılan Katsayılar
i mi ni ai i mi ni ai
=
. buhQ&
. yoğQ&
. kompW&
Sxq
h
C
T
T
V
Q
&
=
(
2−
1)
Pρ
/
+
Q&
ni mi i X T a X T h i 1) 16 . 273 ( 100 ) , ( 16 1 − =∑
=sahası için) 250 kW olarak belirtilmiştir. Burada eriyik
eşanjörü etkenliği ınmıştır.
Kapalı yüzme havuzunun mevcut
yıllık yakıt miktarı : 81.680 (m /yıl)
Havuz kalorifer kazanının mevcut kapasitesi : 698 kW (Bu kapasite yüzme havuzu ile tesisin mahal ısıtılmasını içermektedir.)
Buna göre absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine ) soğutma sistemi durumunda absorber ısısı (320 kW), yüzme havuzu suyu ilk ısıtma ihtiyacını (230 kW) karşılamaktadır. Böylelikle yüzme havuzu tesisinin yıllık yakıt tüketimi %33 oranında azalmaktadır.
Aynı sıcaklık şartlarında çalışan absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sistemi ile mevcut buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin termodinamik analiz sonuçları Tablo 3'de verilmiştir.
Buna göre elde edilen sonuçlar;
1. Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin tesir katsayısının (STK) mevcut buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminden daha yüksek olduğu (Tablo 3) görülmektedir. Böylece buz pateni sahasının absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sistemiyle soğutulması durumunda yaklaşık % 21 oranında daha yüksek bir performans elde edilerek işletme giderleri de bu oran kadar azalmaktadır.
2. Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin farklı yoğuşturucu sıcaklıklarına göre soğutma tesir katsayısı (STK), kompresör işi ve absorberin ısıl kapasitesinin değişimi incelenmiştir. Şekil 2'de yoğuşturucu sıcaklığı ile STK değerinin değişimi
görülmektedir. Yoğuşturucu sıcaklığı arttıkça STK değeri de azalmaktadır.
Şekil 3'te yoğuşturucu sıcaklığının artmasıyla kompresör için gerekli enerjinin daha fazla olduğu görülmektedir. Kompresör işi arttıkça enerji tüketimine bağlı olarak işletme maliyetleri de artmaktadır.
Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sisteminin artan yoğuşturucu sıcaklıklarında absorberin ısıl kapasite değeride artmaktadır (Şekil 4). Artan absorber ısısıyla ε = 0,85 olarak al
Kapalı yüzme havuzunun mevcut çalışma koşulları ile buz pateni sahasının absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine ) soğutma sisteminin absorber ısısı ile ısıtılması durumunun karşılaştırılması;
3
ARAŞTIRMA SONUÇLARI
Tablo 2. Çevrimin Çeşitli Noktalarındaki Termodinamik Özellikleri
Akış No T(oC) P(kPa) h(kj/kg) X (%)
m
&
zen.(NH3-H2O) . fak
m
&
(NH3-H2O) . soğm
&
(NH3) 1 -15 202.647 -175.5207 85 - 0.03011 -2 -15 1350 -175.5207 85 - 0.03011 -3 27.5 1350 20.8725 85 - 0.03011 -4 35 1350 146.1013 98 0.22561 -5 28.57 1350 119.893 98 0.22561 - -6 28.57 202.647 119.893 98 0.22561 - -7 -15 202.647 1444.19 - - 0.19550 8 125 1350 1806.69 - - 0.19550Tablo 3. Absorbsiyonlu-Mekanik Sıkıştırmalı (Kombine ) Soğutma Sistemi ile Mevcut Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Karşılaştırılması.
Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sistemi Mevcut buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi
STK
3.528 2.778)
(
.kW
W
&
komp 70.869 90)
(
. ,kW
Q
&
absyoğ 320.875 344)
(
.,
kW
Q
&
desbuh 250 250)
(kW
Q
&
havuz 230-ITK
4.528 -28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 STK Tyoğ.(oC)çeşitli mahallerin ıstılması işlemleri yapılabilir. Böylece bu sistemler hem ısıtma hem de soğutmanın aynı anda yapılması için kullanılabilir.
3. Buz pateni sahasının absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı (kombine) soğutma sistemi ile soğutulması düşünüldüğünde sistemin absorber ısısı, yakınında bulunan yüzme havuzu suyunun ısıtma yükünü rahatlıkla karşılayabilmektedir. Absorbsiyonlu-mekanik sıkıştırmalı soğutma sistemiyle hem buz pateni sahası daha yüksek bir performans katsayısıyla soğutulmakta hem de yakınında bulunan yüzme havuzu suyu ısıtılabilmektedir. Yüzme havuzunun bu sistemle ısıtılmasıyla, yüzme havuzu tesisinin yıllık yakıt tüketimi %33 oranında azalmaktadır. 4. Buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemlerinde
amonyak (NH ) dışında kullanılan flouro-klorokarbon gazlarının zararlı etkileri ve son yıllarda yaşanan enerji darboğazı nedeniyle özellikle bu tip sistemleri uygulayabilecek olan soğutma sistemlerinde ve aynı anda soğutma ve ısıtma yapan tesislerde kullanılmasının
STK : Soğutma tesir katsayısı : Eriyik eşanjörü etkenliği
f : Dolaşım oranı h : Entalpi, kJ/kg : Kütlesel debi, kg/s P : Basınç, kPa : Isıl güç, kW T : Sıcaklık, C : Kompresör işi , kW X : Konsantrasyon V : Havuz hacmi, m S : Havuz su alanı, m
q : Buharlaşma ile kaybolan ısı, kJ/m h : Kompresör etkenliği , (0.80) ITK : Isıtma tesir katsayısı C : Suyun özgül ısısı , (kJ/kg C) ğunluk , (kg/m ) f : Fakir z : Zengin abs : Absorber des : Desorber buh : Buharlaştırıcı yoğ : Yoğuşturucu komp : Kompresör
soğ : Soğutucu akışkan
3 h c p e ° h ° r 3 2 2 3 : Yo Alt indisler 1991, Optimization Study Of The Compression-Absorption Cycle, Int. J.Refrig., Vol.14.
Güneş Kaynaklı Isı Pompaları, Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü.
Nisan 2005, Yüzme Havuzlarının Mekanik Tesisatı İçin Proje Hazırlama Esasları.
1999, The Compression/Absorption Cycle- Influence Of Some Major Parameters On COP And A Comparison With The Compression Cycle, International Journal of Energy Research, 22, 91-106.
2006, HybridAbsorption Heat Pump With Ammonia-Water Mixture-Some Design Guidelines And District Heating Application, International Journal of Energy Research, 29 1080-1091.
2004, Studies on Compression-Absorption Heat Pump For Simultaneous Cooling And Heating, International Journal of Energy Research, 28:567-580.
1997, Comparison Of The Performance of NH3-H O, NNH3-H -LiNO and Absorption Refrigeration Systems., Vol.5/6, 357-368.2 3 3
1999, Performans and Economic Study Of The Combined Absorption/Compression Heat Pump, Energy Conversion Management 40, 575-591.
Isı Pompaları.
2002, Soğutma Tekniği ve Uygulamaları.
SEMBOLLER
KAYNAKÇA
1. Ahlby,L.,Hodgett and Berntsson, T., 2. Bakırcı, K., Yüksel, B., 2003, 3. Bölükbaşıoğlu, S., 4. Hulten, M., Berntsson, T., 5. Minea, V., Chiriac, F., 6. Satapathy, P., 7. Sun, Du-Wen,
8. Tarique, S., Altamush Siddiqui, M., 9. Ülkü, S.,
10. Yamankaradeniz, R., Horuz, İ., Çoşkun, S.,
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Wkomp.(kW) Tyoğ.(oC)
Şekil 3. Kompresör İşinin (Wkomp.) Yoğuşturucu Sıcaklığıyla (T ) Değişimiyoğ.
Şekil 4. Absorber Isısının (Q ) Yoğuşturucu Sıcaklığıyla (T ) Değişimiabs. yoğ.
28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 305 310 315 320 325 330 335 340 345 Qabs.(kW) Tyoğ.(oC)
