GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE

PERFORMANS DENEYLERİ

Hüseyin KILIÇ

YÜKSEK LİSANS

MAKİNE EĞİTİMİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

EYLÜL 2006

ANKARA

GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE

PERFORMANS DENEYLERİ

Hüseyin KILIÇ

YÜKSEK LİSANS

MAKİNE EĞİTİMİ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

EYLÜL 2006

ANKARA

Hüseyin KILIÇ tarafından hazırlanan GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI

POMPASININ TASARIMI, İMALATI VE PERFORMANS DENEYLERİ adlı bu

tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.

Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA

Tez Yöneticisi

Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Makine Eğitimi Anabilim Dalında

Yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir.

Başkan : : Yrd.Doç.Dr. Osman Selim TÜRKBAŞ

Danışman Üye : Yrd.Doç.Dr. Hüseyin USTA

Üye : Yrd.Doç.Dr. Sezayi YILMAZ

Üye : Yrd.Doç.Dr. Musa Galip ÖZKAYA

Üye : Yrd.Doç.Dr. Metin KAYA

Tarih : 06 / 10 / 2006

Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur.

TEZ BİLDİRİMİ

Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde

edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu

çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.

Hüseyin KILIÇ

iv

GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI POMPASININ TASARIMI, İMALATI

VE PERFORMANS DENEYLERİ

(Yüksek Lisans Tezi)

Hüseyin KILIÇ

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Eylül 2006

ÖZET

Bu çalışmada, 1m2 düzlem yüzeyli güneş enerjisi destekli ısı pompasının

performans deneyleri yapılmıştır. Güneş enerjisinin toplanmasında, siyah

çelik borulardan yapılan güneş kolektörü aynı zamanda ısı pompasının

buharlaştırıcısı olarak düzenlendi. Yoğunlaştırıcı ise, 2mm çelik sacdan

yapılmış dışı 50mm cam yünü ile yalıtılmış su dolu 65 litrelik bir depo

içerisine yerleştirildi. Isı pompası çevriminde ısıtıcı akışkan olarak 404a

kullanıldı.

Sonuçta 1 m2 kolektör yüzeyine sahip güneş enerjisi destekli ısı pompasında

yapılan ölçümler değerlendirilerek, ısıtma tesir katsayısı (COPı) belirlendi.

COPı 3-5 arasında bulundu.

Bilim Kodu : 708 Anahtar Kelimeler : Isı pompası, güneş kollektörü Sayfa Adedi : 64 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA

v

A SOLAR-ASSISTED HEAT PUMP’S DESIGN, PRODUCTION AND

PERFORMANCE ANALYSIS

(M.Sc. Thesis)

Hüseyin KILIÇ

GAZI UNIVERSITY

INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

September 2006

ABSTRACT

In this work, 1m2 plane-surface solar-assisted heat pump’s performance

analysis were done. The sun collector, made of steel black pipes, used for

storing solar energy was also designed as an evaporator of heat pump.

Condenser was put into a 65 litres water filled store, made of 2mm steel iron

and isolated with 50mm glass wool. R404a was used as heating solvent at heat

pump cycling.

Finally, in solar-assisted having 1m2 collector surface, heat pump, heating

effect coefficient was determined by evaluating measurements. COPı was

found out between 3-5.

Science Code : 708 Key Words : Heat pump, sollar collector Page Number : 64 Adviser : Asist. Prof. Dr. Hüseyin USTA

vi

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren her konuda

yardımını esirgemeyen hocam Yrd. Doç. Dr. Hüseyin USTA’ya, yine kıymetli

tecrübelerinden faydalandığım Öğr. Gör. Dr. Tayfun MENLİK’e ve sistemin

yapım aşamasında yardımcı olan Araş. Gör. Volkan KIRMACI’ya, ayrıca

çalışmalarımı destekleyen aileme teşekkürü bir borç bilirim.

vii

İÇİNDEKİLER

Sayfa ÖZET……………………………………..………………………………………iv ABSTRACT ………………………………..………………………………….….v TEŞEKKÜR ………………………………………………………………..…….vi İÇİNDEKİLER ………………………………………………….......…...…..….vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ ………………………………………………..……..xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ ……………………………………………………...….xii RESİMLERİN LİSTESİ …………………………………………………….….xiv SİMGELER VE KISALTMALAR ………………………...……….…...……....xv 1.GİRİŞ …………………………………………………..……………….…...….1 2.LİTERATÜR ARAŞTIRMASI ...………...…………………………….………3 3.BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA VE ISI POMSI …….....………..…...…6

3.1.Buhar Sıkıştırtmalı Soğutma …………….………...………………………..6

3.1.1. Buhar sıkıştırmalı çevrimin ana elemanları ……………….….……...6 3.1.2. Buhar sıkıştırmalı çevrimin yardımcı elemanları …..…………..……7 3.1.3. Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma prensibi ……….……8 3.1.4. Buhar sıkıştırmalı basit soğutma sisteminin analizi …………….…...9 3.1.5. Aşırı soğutma, aşırı ısıtma …………………………………….……14

3.2.Isı Pompası ………….………………………………………………….….17

3.2.1. Isı pompasının çalışması …………………………...……………….19 3.2.2. Isı pompası uygulamaları ………………….……...……...…………20 3.2.3. Isı pompalarında kullanılan verim ve etkinlik kavramları ……....….23

viii

Sayfa 4.ISI POMPALARININ SINIFLANDIRILMASI ……………………….…...…27

4.1.Isı Pompası Sistemleri ……………………………………………………..27

4.1.1. Birincil ısı pompaları …………………………………….……….…27 4.1.2. İkincil ısı pompaları ……………………………………..………….27 4.1.3. Üçüncül ısı pompaları ………………………………………..……..27

4.2.Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması …………………..28

4.2.1.Kompresörlü ısı pompaları ……………………………………..…...28 4.2.2.Absorbsiyonlu ısı pompaları ………………………….………..……28 4.2.3.Buhar jet ısı pompaları ………………………………….……..…….28

4.3. Isı Kaynakları Ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre Sınıflandırılması ……...…28 4.4.Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre Sınıflandırılması ………………….29

4.4.1.Monovalent işletme sistemi ………………………………...……..…29 4.4.2.Bivalent işletme sistemi ………………………...……………..…….30 4.4.3.Multivalent işletme sisitemi …………………………...……….……31

5.ISI KAYNAKLARININ İNCELENMESİ ……………………..…………..…32

5.1.Hava ……………………………………………………………….….…...32 5.2.Su ………………………………………………………………………….34

5.2.1.Yer altı suyu ……………………………………………..……….….34 5.2.2.Yerüstü suyu ………………………………………..…………….….35

5.3.Toprak …………………………………………………………………......35 5.4.Güneş ………………………………………………………………………37

5.4.1.Güneş kolektörleri ……………………………………………......….38 5.4.2.Enerji deposu …………………………………………………...……38

ix

Sayfa 6.ISI POMPALARINDA KULLANILAN SOĞUTKAN AKIŞKANLAR …….40

6.1.Soğutkan Akışkanların Özelikleri …………………………………………40 6.2.Atmosferik Basınçta Soğutkan Akışkanların Uygulama Alanları …….…..41 6.3.Alternatif Soğutkan Akışkanlar ……………………………………………43

6.3.1.R134a ……………………………………………………………..…43 6.3.2.R123 ……………………………………………….………...………44 6.3.3.Amonyak (NH3) ……………………………………………………..44 6.3.4.Diğer alternatif soğutkan akışkanlar ...……………………...……….46

7.MATERYAL VE METOT ……………………………...……….……………48

7.1.Deney Cihazlarının Tasarımı ………………………...……………………48 7.2.Güneş Kolektörü ……………………………….………………………….48 7.3.Isı Pompası Devresi ………………………………..………………………49

8.ENERJİ DENGESİ HESAPLARI………….……………………….…………52

8.1.Deneylerin Yapılışı …………………………….….………………………52 8.2.Termodinamik Hesaplamalar ………………………………..……………53

8.2.1. Kolektörün ısı kazancı hesabı …...………………….……...…….…54 8.2.2. Isı pompasının ısıtma tesir katsayısı hesabı ……………….…..……55 8.2.3. Su deposunun ısı kaybı hesabı .……………………………....…..…59 8.2.4. Kondenser yüzey alanı hesabı ……………….…….………..………60

9.SONUÇ VE ÖNERİLER …….. …………………………………….………..61

9.1.Sonuç …………………………………………………………..…….…....61 9.2.Öneriler …………………………………………………………..….….....61

KAYNAKLAR ……………………………………………….…………………62

x

Sayfa

ÖZGEÇMİŞ ………………………………………………………..……………64

xi

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 6.1. Soğutkan akışkanların uygulama alanları ………...………………..41

Çizelge 6.2. Alternatif soğutkan akışkanların fiziksel özellikleri ……….……....47

Çizelge 8.1. Ankara meteoroloji müdürlüğünden alınan mart 2006 saatlik güneş şiddeti değerleri ………..………….…… 53

xii

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 3.1 Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ana kısımları …………….…….6 Şekil 3.2. Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin farklı sıcaklık ve basınç bölgeleri ………………………………………………………………...9 Şekil 3.3. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi ...…………………………………10 Şekil 3.4a. Basit buharlı çevrimin T-S diyagramı …………………………….....12 Şekil 3.4b. Basit buharlı çevrimin Log P-h diyagramı …………………………..12 Şekil 3.4c. İdeal carnot çevrimin T-S diyagramı ……………………….…….…12 Şekil 3.4d. Basit buharlı çevrimin iki değişiklik ile carnot çevrimine dönüşümü ……………………………………………………...…….12 Şekil 3.5a. Aşırı soğutma ve kızdırmanın Log p-h diyagramında gösterilişi ……14 Şekil 3.5b. Aşırı soğutma ve kızdırma sistemi .………………………………….14 Şekil 3.5c. Aşırı soğutmasız sistemdeki iş kaybının T-S diyagramındaki gösterilişi ……………………………………………….…………....14 Şekil 3.5d. Aşırı soğutma sistemi …… ….………………………………………15 Şekil 3.5e. Kızdırma sistemi …………………………………………………….15 Şekil 3.5f. Aşırı soğutma sisteminin Log P-h diyagramı ………………………..15 Şekil 3.5g. Aşırı kızdırma sisteminin Log P-h diyagramı ……………………….15 Şekil 3.6. Gerçek soğutma çevrimi T-S diyagramı ………………….…………..17 Şekil 3.7. Isı pompası prensip şeması …………………………………………...19 Şekil 3.8. Basınç ve sıcaklık değişimi ile çalışan bir ısı pompası çevrimi. Çalışma maddesi R134a, Hava 7º C / Su 50ºC ….…….……………...20 Şekil 3.9. Yaz soğutmalı, kış ısıtmalı ısı pompası devre elemanları ……...…..…22 Şekil 4.1. Bivalent – Alternatif çalışan ısıtma sistemi …………………………..30

xiii

Şekil Sayfa Şekil 5.1. İklimlendirme yapılan bir binada temiz havanın atılan ısı ve ısı pompasından yararlanılarak ısınması ………...………………….…....34 Şekil 5.2. Toprak kaynaklı ısı pompası ile havanın ısıtılması ……………….…..36 Şekil 7.1. Güneş Kolektörünün yapısı ……………………………………...……48 Şekil 7.2. Isı pompasının sisteme bağlanması 1 .………………………...………49 Şekil 7.3. Isı pompasının sisteme bağlanması 2 .……………………...…………50 Şekil 8.1. Güneş kolektörü destekli ısı pompasına ait termodinamik değerler ve semboller ………………………………………………….……….54 Şekil 8.2. R404a Log(p)-h diyagramında entalpi değerlerinin okunuşu ………...56 Şekil 8.3. Güneşlenme şiddetine göre kondenser sıcaklığının değişimi ………...57 Şekil 8.4. Güneşlenme şiddetine göre COP değişimi …………………………...57

Şekil 8.5. Kondenser sıcaklığına göre COP değişimi …………………………...58

Şekil 8.6. Zamana göre COP değişimi ………………………………. ………...58

xiv

RESİMLERİN LİSTESİ

Resim Sayfa

Resim 7.1. Güneş destekli ısı pompalı su ısıtıcısı deney setinin görünüşü …….51

xv

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler, açıklamaları ile birlikte aşağıda

sunulmuştur.

Simgeler Açıklama

β Isı pompasının yıllık çalışma sayısı

QH Kolektöre gelen güneş enerjisi

qh Birim yüzeye gelen enerji

Qy Kondenserden alınan enerji

Qb Evaporatöre giren enerji

Qsu Su deposuna geçen enerji

QK Kompresör gücü

Qka Kayıp enerji

AC Kolektör yüzey alanı

Ay Kondenser ısıtma yüzey alanı

As Su deposunun toplam yüzey alanı

m Su deposundaki suyun kütlesi

c Suyun özgül ısısı

ηC Kollektör verimi

ηf Kanat verimi

Fb Açı faktörü

Kw Kilowatt

K Isı geçirme katsayısı

T Sıcaklık

d Su deposu yüzey elemanlarının kalınlığı

λ Isı iletim katsayısı

α Isı taşınım katsayısı

G.V Genleşme valfi

1

1. GİRİŞ

İnsan vücudu için 20°C ’lik ortam, konfor ortamı (yaşanılacak en rahat ortam) olarak

kabul edilmektedir. Hiç şüphesiz ortam sıcaklığının yanı sıra giyinme, havadaki nem

oranı ve hava hızı da konfora etki eden faktörlerdir. Dış hava sıcaklığı 15°C nin

altına düştüğünde ortam sıcaklığı insan vücudunu rahatsız eder. Bu durumda

yaşanılan ortamı konfor derecesine ulaştırmak için ilave enerji kaynaklarına ihtiyaç

vardır. Bunun için ısı enerjisine kolayca dönüşebilen enerji kaynaklarından

faydalanılır.

Temel enerji denilen ve tabiattan çıkartılan fosil yakıtlar (katı, sıvı ve gaz) ısı

enerjisine kolayca dönüşerek enerji ihtiyacımızı giderebilirler. Ancak bu enerji

kaynaklarının tükenebilir olması, pahalı olması ve çevre kirliliğine sebep olması

insanlığın geleceği için endişe yaratmaktadır. Bu durum bilim adamlarını yeni enerji

kaynaklarını araştırmaya yöneltmiştir. Özellikle 1974 enerji krizinden sonra bütün

dünyada bu alandaki çalışmalara daha çok ağırlık verilmiştir ve bu konudaki

çalışmalar devam etmektedir. Bu alanda üzerinde en çok çalışılan enerji

kaynaklarından biriside güneş enerjisidir.

Güneş dünyamıza enerji veren sonsuz denebilecek güce sahip tek enerji kaynağıdır.

Termonükleer bir reaktör olan güneşin enerjisi hidrojen-helyum dönüşümü

neticesinde oluşur. Bu dönüşüm güneşin merkezinde 20 milyon °C sıcaklıkta

meydana gelir. Sonuçta ısı ve ışık enerjisi açığa çıkar. Güneş kütlesinin %1’i

hidrojenden helyuma dönüşmesi sonucu oluşan enerji güneşin bir milyar yıl

parlamasına yeter. Bu nedenledir ki uzun zaman tükenmeden enerji verecek tek

kaynak güneştir. Güneş dünyamızdaki öteki enerjilere göre 5000 kat fazla enerji

gönderir.

Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı vardır. Her şeyden

önce bol, temiz ve yerel uygulamalar için elverişlidir. Enerjiye ihtiyaç duyulan

hemen hemen her yerde güneş enerjisinden yararlanmak mümkündür. Dışa bağlı

olmadığından, çıkabilecek ekonomik bunalımlardan bağımsızdır. Günümüzde

2

özellikle petrol fiyatlarının artması, güneş enerjisini gittikçe cazip kılmakta ve güneş

enerjisinden yararlanan sistemlerin sayısı her geçen gün artmaktadır.

Ülkemiz güneş enerjisi yönünde oldukça şanslı bir coğrafi yapıya sahiptir. Önemli

derecede güneş alan ülkemizde, bu enerjiyi kullanmak, gerek çevre kirliliği gerekse

enerji ekonomisine katkı sağlaması bakımından son derece önemlidir. Bu enerjiden

yararlanmak için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu temiz enerjiyi, kaynak olarak

kullanıp, ısı pompası vasıtasıyla düşük sıcaklıklardaki ısı enerjisini daha yüksek

sıcaklıklara taşımak mümkündür.

Isı pompalarının elektrikli ısıtmaya nazaran daha ekonomik olmaları, çevre

kirliliğine neden olmamaları, istenildiğinde hem ısıtma hem de soğutma amaçlı

kullanılabilmeleri nedeniyle üzerinde sıkça çalışılan bir konu olmuştur. Bilindiği

üzere, soğutma makinelerinde soğutulacak ortamdan alınan ısı ile kompresöre verilen

enerji, yoğunlaştırıcıda (kondenserden) dış ortama atılmaktadır. Yani soğutma

devresinde soğutma işlemi buharlaştırıcının (evaporatörün) bulunduğu yerde

sağlanmaktadır. Isı pompasında ise soğutma devresinde, dışarıya atılan ısı

enerjisinden faydalanılmaktadır. Isı pompasında ısıtma işlemi yoğunlaştırıcının

(kondenserin) bulunduğu yerde sağlanmakta olup, soğutma devresinden tek farkı

amacın başka elemanlarla gerçekleştirilmesidir. Yani soğutma devresinde soğutma

işlemi buharlaştırıcıda, ısı pompasında ise ısıtma işlemi yoğunlaştırıcının

(kondenserin) bulunduğu yerde sağlanmaktadır.

Bu çalışmada, güneş kaynaklı ısı pompası kurulmuş ve yapılan deney sonuçları

verilmiştir.

3

2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI

Bu konuda yapılan çalışmalardan bazıları aşağıda özetlenmektedir.

Usta, H. yüksek lisans tezinde, ısı borusundan faydalanarak güneş enerjisi destekli ısı

pompası deney seti kurmuştur. Deneyinde çalışma sıvısı olarak; ısı pompası

çevriminde R12, ısı borusunda ise etanol kullanmıştır. 1 m3 deney kamarası

kullanarak, 1 m2 kolektör yüzeyine sahip ısı borulu ısı pompasının ısıtma tesir

katsayısını hesaplamıştır [1].

Çomaklı, Ö. Ve arkadaşları tarafından, Türkiye’nin Karadeniz Bölgesinde evsel

ısıtma için enerji depolu güneş destekli ısı pompası sisteminin performansını

araştırmak için bir deney düzeneği kurulmuştur. Deneysel sonuçlar, kullanılan ısı

pompasından 1992’nin ısıtma sezonu boyunca Aralık-Mayıs aylarında elde

edilmiştir. Isıtma sezonu boyunca deneysel olarak elde edilen sonuçlar, kolektör

verimini, ısı pompasının performans katsayısını (COP), sistem COP’unu, depolama

verimini ve sistemin toplam enerji tüketimini hesaplamak için kullanılmıştır.

Kolektör veriminin, ısı pompası COP’unun, sistem COP’unun ve depolama

veriminin aritmetik ortalama değeri, sırasıyla %70, %4,5, %4 ve %60 bulunmuştur

[2].

İleri, A. tarafından, güneş destekli R22-DEGDME absorbsiyonlu ısı pompası sistemi

ile, Ankara için saatte bir data kullanılarak bir bilgisayar simulasyonu ile 100 kW

soğutma kapasitesi araştırılmıştır. Yazları jeneratör, kışları evaporatör güneş

enerjisini almış diğer talepler de yardımcı ısıtıcılar tarafından karşılanmıştır.

Sistemin performansı güneş enerjisinden sağlanan yük bölümünden

değerlendirildiğinde, araştırmadaki biçim ve boyutların, iklimden, kaynak sıcaklık

limitinden, kollektör tipi ve alanından çoğunlukla etkilenmekte, fakat depolama

tankının boyutundan az etkilenmekte olduğu belirtilmiştir [3].

Abou-Ziyan, H.Z. ve arkadaşları, düşük sıcaklık uygulamaları için güneş destekli

R22 ve R134a akışkanlı ısı pompası sistemleri üzerine bir çalışma yapmışlardır.

Bilinen bir ısı pompası, güneşli bir hava ısıtıcısı ve seri bağlı iki güneş destekli ısı

4

pompası sistemleri için simülasyon sonuçları gösterilmiştir. R22, R404a ve

R134a’nın termodinamik özellikleri, 0,99’ dan daha yüksek korelasyon faktörleri ile

korelasyon şeklinde verilmiştir. Isı pompasının performans karakteristikleri,

evaporatör sıcaklığı 0-45°C aralığı için, kondens sıcaklığı 50-70°C aralığı için ve

kütle akış oranı 1000-2000 kg/h aralığı için bu çalışma soğutucuları kullanılarak

araştırılmıştır [4].

Yamankaradeniz, R. ve Horuz, I. tarafından İstanbul’da kışın güneşli günler için,

güneş enerjisi kaynaklı ısı pompasının teorik ve deneysel incelemesi yapılmıştır.

Teorik çalışmada, İstanbul şartlarında açık günler için anlık, aylık ve mevsimlik

ortalama ısıtma tesir katsayıları ve sistemin diğer özellikleri incelenmiştir. Isı

pompası devresinde 0,75 kW gücünde tam hermetik kompresör, hava soğutmalı

maksimum 4.5 kW soğutma kapasiteli yoğuşturucu, enerji deposu içerisine

daldırılmış maksimum 3,5 kW ısı çekebilen buharlaştırıcı ve soğutucu akışkan olarak

da R-12 kullanılmıştır [5].

Torres Reyes, E. ve arkadaşları, çalışmalarında havayı ısıtmak için güneş destekli ısı

pompasının teoriksel ve deneysel ekserji analizini yapmışlardır. Güneş destekli yada

bilinen bir ısı pompası ile çalışan deneysel bir prototip, ekserjetik verimi, tüm sistem

tersinmezliğini ve teçhizatların tersinmezliklerini belirlemek için test edilmiş.

Evaporasyon ve kondeszasyon basamaklarında çalışan akışkanın optimum sıcaklığını

belirlemek için bir metodoloji ileri sürülmüştür [6].

Huang, B. J. ve Chyng, J. P. tarafından integral tip güneş destekli ısı pompası su

ısıtıcısının tasarım ve test edilmesi konusunda bir çalışma yapılmıştır. Depolama

tankı ve Rankine çevrim ünitesi daha küçük bir boyut elde etmek için

birleştirilmiştir. Yapılan testlerde 3,83’lük bir COP elde edilmiştir [7].

Esen, M. çalışmasında, ısı pompası ile alan ısıtmada kullanılan güneş destekli bir

gizli ısı deposunun ısıl performansını incelemiştir. Silindirik faz değişimi depolama

hakkında deneysel ve teoriksel olarak araştırma yapmıştır [8].

5

Kaygusuz, K. tarafından yapılan çalışmada ısı pompalı bir güneşli ısıtma sisteminin

performansı deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar ısıtma sezonu boyunca

Kasım ayından Nisan ayına kadar elde edilmiştir. Ortalama mevsimlik ısıtma

performans değerleri, seri ve paralel ısı pompası sistemleri için sırasıyla 4,0 ve 3,0

olarak bulunmuştur. Ayrıca güneşle ısıtma sisteminin analizi için bir matematiksel

model geliştirilmiştir. Örneğin sistemin, COP, teorik kollektör sayıları, kollektör

verimi, ısıtma kapasitesi, kompresör gücü ve depolama tankındaki sıcaklıklar gibi

model parametreleri, deneysel sonuçlar kullanılarak hesaplanmıştır. Çalışmada,

teorik modelin, deneysel sonuçlarla uygun olduğu belirtilmiştir [9].

Hawlader, M. N. A. ve arkadaşları, su ısıtma sisteminde güneş destekli bir ısı

pompasının performansını incelemişlerdir. R134a soğutucusuna uygun bir evaporatör

gibi hareket eden, üzeri camla kaplanmamış düz levha güneş kolektörlü, güneş

destekli ısı pompası su ısıtma sisteminde analitik ve deneysel çalışmalar yapılmıştır.

Sonuçlar, sistemin performansının, kolektör alanı, kompresör hızı ve güneş

ışınlaması ile önemli derecede etkilendiğini göstermiş, ekonomik bir analiz ise sistem

için yaklaşık iki yıllık bir minimum geri ödeme süresini ortaya koymuştur [10].

Badescu, V. bir ısıl depolama ünitesiyle tamamlanan alan ısıtmada kullanılan güneş

destekli bir ısı pompası modeli üzerine çalışma yapmıştır. Güneşli hava ısıtıcıları, ısı

pompasında buhar sıkıştırma işi için ve diğer maksatlar için termal enerji sağladığı

ve termal enerji depolama ünitesinin, toplanan güneş enerjisinin kullanımında birçok

etki sağladığı ifade edilmiştir [11].

Kuang, Y. H. ve arkadaşları tarafından, düz plaka kolektörlü basit bir güneş destekli

ısı pompası sistemi, bir sıcak su depolama tankı ve bir su kaynaklı ısı pompası

kurulmuştur. Yaptıkları çalışmada, tüm sistemin ve bu sistemin temel elemanlarının

termal performansını, Kuzey Çin’de 2000–2001 ısıtma sezonu boyunca deneysel

olarak incelemişlerdir. Deneysel olarak elde edilen sonuçlardan, potansiyel

kullanıcılar için bir güneş destekli ısı pompası sisteminin gelişimi ve ilk tasarımında

yardımcı olabilecek bazı önemli sonuçlar ve öneriler çıkarmışlardır [12].

6

3. BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA VE ISI POMPASI

3.1. Buhar Sıkıştırmalı Soğutma

Soğutmacılıkta en sık uygulanmakta olan ve en çok tercih edilen sistem buhar

sıkıştırmalı soğutma sistemidir. Bu tip soğutma çevriminde sistemde kompresör,

kondenser, (yoğunlaştırıcı) genleştirici (genleşme vanası veya kılcal boru) ve

evaporatör (buharlaştırıcı) bulunur. Sistem elemanları bakır boru ile birbirlerine seri

olarak bağlanırlar ve kapalı bir devre oluşturulur.

3.1.1. Buhar sıkıştırmalı çevrimin ana elemanları

a) Kompresör: Soğutucu gazın sistemde dolaşmasını sağlar. Emme ve basma işlemini

gerçekleştirir.

b) Yoğunlaştırıcı: Sıkıştırılmış soğutucu akışkanın buhar halden sıvı hale geçtiği

bölümdür. Yüzeyi genişletilerek çevreye ısı geçişi kolaylaştırılmıştır.

Şekil 3.1.Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin ana kısımları

c) Buharlaştırıcı: Genleşme vanasından sonra düşük basınç bölgesi elemanı ve

akışkanın sıvı halden buhar hale dönüştüğü bölümdür. Genellikle serpantin şeklinde

7

olup, çevreden ısı çektiğinden soğuma burada gerçekleşir. Buhar sıkıştırmalı

soğutma çevriminin ana elemanları (Şekil 3.1)’ de verilmiştir [13].

d) Genleşme vanası: Yüksek basınç bölgesinden gelen sıvının sistemin alçak basınç

bölgesine kontrollü bir şekilde akmasını sağlar Genleşme vanası üzerinde ısı

alışverişi olmaz. Küçük sistemlerde genleşme vanası yerine kılcal (kapiler) boru

kullanılabilir.

e) Soğutucu gaz (soğutkan): Soğutma sisteminde uygulanan yüksek basınçta sıvı hale

ve düşük basınçta buhar hale kolayca dönüşebilen akışkanlar soğutkan olarak

kullanılabilir. Bu özelliğinin yanında siteme ve çevreye zarar vermeyen pek çok

özellik akışkan seçiminde önemli olmaktadır.

3.1.2. Buhar sıkıştırmalı çevrimin yardımcı elemanları

a) Termostat: İstenilen soğukluk değerlerine ulaşıldığında sistemin durdurulup

çalışmasını sağlayan elemandır. Soğutma termostatları ısıtma termostatlarından farklı

çalışırlar. Isıtma termostatları yüksek sıcaklığa ulaşıldığında sistemi durdurur ve

sıcaklık düşünce çalıştırırlar, soğutma termostatları istenilen soğukluğa düşünce

sistemi durdurur ve sıcaklık yükselince sistemi çalıştırırlar.

b) Presostat: Belli basınçlar arasında sistemin devreye girmesini veya devreden

çıkmasını sağlar. Ayarlanmış en yüksek ve en düşük basınçlar arasında sistemin

çalışmasını kontrol eder bu basınç değerlerinin dışında sistemi durdurur. Sadece bir

basınç bölgesine bağlanan tipleri olduğu gibi hem yüksek hem de düşük basınç

bölgesini kontrol eden kombine tipleri de mevcuttur.

c) Kurutucu (Drayer) : Soğutma sistemlerinde su buharının bulunması sistemin

işleyişini bozar. Sistemdeki su genleşme ve kılcal çıkışında donma ve tıkanmalara

yol açar ve pistonun aşınmasına neden olur. Sistemin havası boşaltılırken su buharı

da dışarı atılır. Vakumlama süresi su buharının da dışarı atılmasına olumlu bir

katkıdır ancak sistemin iç yüzeyleri su buharı ile sıvanmış haldedir. Sistem çalışmaya

8

başladığında bu su buharı akışkana karışarak dolaşmaya başlar. Bunun için

sistemdeki nemin tamamen alınması gerekir. Akışkanın dolaşımı sırasında su

buharını almak için genleşmeden önce mutlaka bir kurutucu ilave edilmeli ve sistem

her açıldığında kurutucu değiştirilmelidir.

d) Gözetleme Camı: Soğutucu akışkanın durumunu (sıvı veya gaz halini) belli bir

noktadan gözlemlememize yardımcı olur.

3.1.3. Buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin çalışma prensibi

Soğutma devresi olarak oluşturulan kapalı sistemin havası boşaltıldıktan sonra sistem

içerisine bir miktar çalışma gazı (soğutucu akışkan) enjekte edilir. Sistemin

çalışmasını anlamak için genleşme vanasını tam açık kabul edelim. Kompresör

çalışmaya başladıktan sonra sistem içerisindeki gazı az bir basınç farkı ile

dolaştıracaktır. Genleşme vanasının yavaş yavaş kısıldığını düşünelim bu takdirde

sistemde iki basınç bölgesi oluşacaktır. Bu basınç bölgeleri: genleşme vanasının

gerisinde kompresörün basma ucuna kadar yüksek basınç bölgesi ve genleşme

vanasından sonra yine kompresörün emiş ucuna kadar düşük basınç bölgesidir.

Genleşme vanası kısıldıkça basınçlar arasındaki oran artacaktır. Yüksek basınç

bölgesindeki akışkan sıkıştırıldıkça sıcaklığı da artacaktır. Basınç şiddeti sistemdeki

soğutucu akışkanın ısıl özelliğine bağlı olarak, belirli bir basınçta ve çevre

sıcaklığından yüksek sıcaklıkta yoğunlaştırıcıda yoğunlaşır. Bu yoğunlaşma sırasında

yoğunlaşma gizli ısısı açığa çıkar çevre sıcaklığından yüksek sıcaklıkta olduğu için

çevreye ısı atılır.

Diğer taraftan genleşme vanasından sıvı halde geçen akışkan, oluşturulan bu düşük

basınçta ve düşük sıcaklıkta buharlaştırıcıda buhar hale geçer. Sıvı halden gaz hale

geçen soğutucu akışkan buharlaşma gizli ısısını buharlaştırıcıdan alır buharlaştırıcı

sıcaklığı çevre sıcaklığının altında olacak şekilde ayarlandığından çevreden

buharlaştırıcıya ısı akışı olur. Yoğunlaştırıcıdan atılan ısı buharlaştırıcıda geri

kazanılmış olur. Kazanılan bu ısı da akışkana geçer ve buharlaştırıcının bulunduğu

ortamda soğuma meydana gelir.

9

Çevrimde iki farklı basınç ve iki farklı sıcaklık bölgesi bulunur (Şekil 3.2).

Basınçlar: Emme hattındaki buharlaşma basıncı ya da alçak basınç bölgesi ile basma

hattındaki yoğunlaşma basıncı veya yüksek basınç bölgeleridir. Sıcaklıklar ise emme

hattındaki düşük sıcaklık bölgesi ve basma hattındaki yüksek sıcaklık bölgeleridir.

Sistemde kullanılan gazın ısıl özelliği dikkate alınarak soğutulacak hacmin iç

şartlarına göre düşük sıcaklık ve dış şartlara göre de yüksek sıcaklık sağlayacak

şekilde basınçlar kompresör gücü, gaz miktarı ve genleşme vanası (veya kılcal boru

uzunluğu) gibi üç değişkenin bileşkesi ile ayarlanır.

Şekil 3.2.Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin farklı sıcaklık ve basınç bölgeleri

3.1.4. Buhar sıkıştırmalı basit soğutma sisteminin analizi

Bir soğutma devresinde soğutkan adı verilen akışkanın bir yerde soğutma sağlayarak

bir takım durum değişiklerinden sonra yeniden başlangıç konumuna gelmesine

“soğutma çevrimi” denir. Çevrim sırasında bir miktar soğutkan yoğunlaştırılıyor ve

buharlaştırılıyorsa buna “buhar sıkıştırmalı soğutma çevirimi” denir. Yoğunlaşma ile

buharlaşma işlemleri sırasındaki basınçlara da sırasıyla “yoğunlaşma basıncı” ve

“buharlaşma basıncı” adı verilir. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi şematik olarak

Şekil 3.3 de görülmektedir.

10

Şekil 3.3.Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin en önemli özelliği soğutkanın şu işlemlere

uğramasıdır;

1 – 2 Doymuş buharın bir kompresör yardımıyla buharlaşma basıncından

yoğunlaşma basıncına sıkıştırılması,

2 – 3 Sabit basınçta soğutularak yoğunlaştırma (doymuş sıvı haline kadar),

3 – 4 Isı ve iş alışverişi olmaksızın, akışa direnç gösteren bir genleşme vanasından

geçirilerek, makaslanarak, sıvının basıncının yoğunlaşma basıncından buharlaşma

basıncına düşürülmesi,

4 – 1 Sabit basınçta ısıtılarak buharlaştırma.

Şekil 3.4.a ve Şekil 3.4.b de basit buharlı çevrim önce sıcaklık (T), entropi (s)

diyagram üzerinde, sonra log P, entalpi (h) olan bir diyagram üzerinde gösterilmiştir.

Sıkıştırmanın bir kompresör yardımıyla, mekanik iş harcanarak yapılması halinde

soğuma sistemine “kompresörlü soğutma sistemi” adı verilir. Soğutma çevrimindeki

sürtünmelerin, ısı aktarımındaki tersinmezliklerin, basınç kayıplarının ihmal

11

edilmesi ve verimi artırıcı diğer tedbirlerin uygulanmamış olması nedeniyle şekilde

gösterilen çevrim “basit” olarak nitelenebilir.

Şekil 3.4.c ideal Carnot çevrimidir, Şekil 3.4.d ise buharlı çevrimin iki değişik ile

Carnot çevrimine dönüştürülebileceğini göstermektedir; buhar genleştirmenin

makaslama yerine adyabatik, tersinir olarak yapılması ve sıkıştırmanın doymuş

buhar yerine doymuş buhar halinde başlatılmasıdır. Bilindiği gibi Carnot çevrimi,

verilen sıcaklıklar arasında çalışan en verimli çevrimdir; fakat doymamış buharın

tersinir adyabatik sıkıştırılmasının (1’ – 2’ işlemi) zor olması ve doymuş sıvının

tersinir adyabatik genleştirilmesinde (3 – 4’ işlemi) elde edilecek iş miktarının

küçük olması nedeniyle uygulanmamaktadır. Enerji denkliklerinden soğutma

düzeninin parçalarının enerji ve iş alışverişleri için soğutkanın entalpileri cinsinden

şu büyüklükler elde edilir;

Kompresör için gerekli iş: WC= m (h2 – h1)

Yoğunlaştırıcıdan dışarıya verilen ısı: WK= m (h2 – h3)

Buharlaştırıcıda sağlanan soğutma: WE= m (h1 – h4)

Bağıntıları ile ifade edilir. Bu bağıntılardaki m soğutkanın kütlesel debisidir.

Soğutma sistemlerinin hesabında soğutma gücü, qo, uygulama şartları tarafından

belirlenir. Aynı şekilde soğutma sıcaklığına yakın olarak buharlaşma sıcaklığı ve

çevre sıcaklığına yakın olacak şekilde yoğunlaşma sıcaklığı belirlenir.

12

( a ) ( b )

( c ) ( d ) Şekil 3.4.a) Basit buharlı çevrimin T-S diyagramı, b) Basit buharlı çevrimin LogP-h

diyagramı, c) İdeal Carnot çevrimi, d) Basit buharlı çevrimin iki değişiklik ile Carnot çevrimine dönüşümü

Basit soğutma çevriminde önce, şekil 3.4b deki 3 ve 1 durumları sırasıyla

sıvılaştırıcı sıcaklığındaki doymuş sıvı ve buharlaştırıcı sıcaklığındaki doyuş buhar

olarak belirlenir buharlaştırıcıya giriş durumu olan 4 noktası ise, 3 den geçen sabit

entalpi (düşey) 1 den geçen sabit basınç çizgisinin (yatay) kesim noktasıdır.

13

Sıkıştırma sonrası durum olan 2 noktasını bulmak için Şekil 3.4a da doymuş buhar

halindeki (1 noktası) soğutkanın sabit entropi eğrisi boyunca yoğunlaşma basıncına

kadar sıkıştırıldığı düşünülür, h2 değeri log – h diyagramından okunur.

Birim kütle için entalpiler belirlenince;

3241

0

hh

q

hh

qm

k

−=

−=

Bağıntısı yardımıyla soğutkanın kütlesel debisi hesaplanır. Kompresör gücü ve

kondenser gücü ise debi ve entalpiler yardımıyla hesaplanır.

Bilinen buharlaşma ve yoğunlaşma sıcaklıklarında çeşitli soğutkanların, hatta çeşitli

çevrimlerin elverişlilik derecelerini karşılaştırmak için soğutma katsayısı ε kullanılır.

Bu büyüklük, elde edilen soğutma gücünün, harcanan iş miktarına oranıdır;

12

410

hh

hh=

w

q=ε

Bu oran kj/kwh biriminde ifade edilirse “özgül soğutma gücü” adını alır. Belirli

sıcaklıklar arasında çalışan çerimler içinde Carnot çevrimi (iç ve dış tersinir çevrim)

en büyü soğutma katsayısına sahiptir ve soğutma katsayısı;

0k

0c

TT

T=ε

Şeklinde tanımlanır.

Bu bağıntıdaki T0 ve Tk sırasıyla buharlaştırıcı ve sıvılaştırıcının mutlak

sıcaklıklarıdır. Bu nedenle çeşitli çevrimlerin soğutma katsayılarının aynı şartlardaki

14

Carnot çevriminin soğutma katsayısına oranı termodinamik mükemmellik derecesi

olarak bir fikir verir, bu orana “bağıl verim” adı verilir ve ηc ile gösterilir [14].

c

c =ε

εη

3.1.5. Aşırı soğutma, aşırı ısıtma

Şekil 3.3’de gösterilen basit soğuma sistemi, büyük soğutma güçlerinde uygun

değildir. Bazı önemlerle soğutma katsayısı ve özgül soğutma gücü artırılarak

uygulanır. Yoğunlaşan soğutkan makaslanmadan önce (kompresöre girmek üzere

olan doymuş buhar yardımıyla) bir ısı değiştirgecinde aşırı soğutulur. Mümkünse

aşırı soğutmanın, sıvılaştırıcıdan ısıyı alan ortam (su veya hava) yardımıyla

yapılması daha yaralıdır, fakat bu ancak su ile soğutmada karşıt akım kullanılarak

bir dereceye kadar gerçekleştirilebilir. Böylece Şekil 3.5.a da görülen çevrim ve

Şekil 3.5.b de görülen sistem elde edilir.

( a ) ( b )

Şekil 3.5.a) Aşırı soğutma ve kızdırmanın LogP-h diyagramında gösterilişi, b) Aşırı soğutma ve kızdırma sistemi, c) Aşırı soğutmasız sistemdeki iş kaybının T-S diyagramındaki gösteriliş, d) Aşırı soğutma sistemi, e) Kızdırma sistemi, f) Aşırı soğutma sisteminin LogP-h diyagramı, g) Aşırı kızdırma sisteminin LogP-h diyagramı

15

( c )

( d ) ( e )

( f ) ( g )

Şekil 3.5. (Devam) a) Aşırı soğutma ve kızdırmanın LogP-h diyagramında gösterilişi, b) Aşırı soğutma ve kızdırma sistemi, c) Aşırı soğutmasız sistemdeki iş kaybının T-S diyagramındaki gösteriliş, d) Aşırı soğutma sistemi, e) Kızdırma sistemi, f) Aşırı soğutma sisteminin LogP-h diyagramı, g) Aşırı kızdırma sisteminin LogP-h diyagramı

16

Sisteme ısı değiştiricisi ilave edilmesinin yararları:

a- Buharlaştırıcı ve yoğunlaştırıcı boyutlarını değiştirmeden soğutma sisteminin

kapasitesini (soğutma gücünü) arttırmak.

b- Kompresöre sıvı soğutkan girişini önleyerek kompresörün aşınmasını azaltmak.

c- Makaslamanın sebep olduğu iş kaybını azaltmak (Şekil 3.5c’de taranmış olan

alan bu iş kaybını göstermektedir ve aşırı soğutma ile küçülmektedir).

Bu şartlardaki soğutma sisteminin hesabı için;

h3 – h3’ = h1’ – h1 = m

q

Bağıntısını kullanmak yeterlidir. Aktarılan birim zamandaki ısı miktarı ısı

değiştirgecinin özelliklerine bağlıdır. Amonyak gibi molekül ağırlığı küçük olan

soğutkanlarda k (cp/cv) ‘nın büyük olması kompresörde ısıl gerilmeler meydana

getirebilir hatta soğutkanın kimyasal yapısını etkileyebilir, bu sebepten aşırı soğutma

çok sınırlı olarak uygulanabilir [15].

Pratikte soğutulan hacim içerisinde sıvı borusunun genleşme vanasına kadar

yalıtılmamış olarak gitmesiyle ve birçok hallerde de emiş borusuyla sıvı borusunun

yan yana, çevreden ısıca yalıtılmış olarak döşenmesiyle aşırı soğutma sağlanır,

birinci halde emiş gazı kızdırılmaksızın ikinci halde emiş gazı da kızdırılır.

Gerçek uygulamadaki soğutma çevrimi T-S diyagramı üzerinde gösterilmiştir (Şekil

3.6) [16].

17

Şekil 3.6 Gerçek soğutma çevrimi T-S diyagramı

3.2. Isı Pompası

Isı pompasının kullanımındaki amaç, ısıtma aylarında düşük sıcaklıktaki ısı

kaynağından ısı çekerek, bu ısıyı yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına aktarmaktır.

Isı pompası ile soğutma makinesini birbirinden ayıran tek fark kullanım amaçlarıdır.

Isı pompalarında, kondenserde yüksek sıcaklıkta dışarı atılan ısıdan su, hava

veya başka bir akışkanın ısıtılması sağlanır. Amaç yıkanma, ısınma, kurutma

ve benzeri işler için sıcak su, sıcak hava elde edebilmektir.

Termodinamik açıdan temelde soğutucu ve ısı pompası arasında temel bir fark

bulunmamaktadır. Sistem ilgi alanının yüksek sıcaklık bölgesi olması halinde "ısı

18

pompası", düşük sıcaklık bölgesi olması halinde ise "soğutucu" olarak

isimlendirilmektedir. Isıtıcı ve serinletici işlevlerinin her ikisinin birden

değerlendirilmesi ise olayın ekonomikliği açısından önem taşımaktadır.

Termodinamiğin II. yasası, ısının düşük sıcaklık seviyesinden yüksek sıcaklık

seviyesine transferi için yardımcı bir enerji kaynağının gerekliliğini ortaya

koymaktadır. Bu enerji ihtiyacı mekanik veya elektrik enerjisi şeklinde

karşılanabildiği gibi ısı enerjisi şeklinde de karşılanabilmektedir.

Isı pompaları ile atılan enerjiden de yararlanmak mümkündür. Fabrika ve otel,

sinema gibi yerlerde atılan ısı enerjisinden yararlanılarak enerji tasarrufu

sağlanmasında günümüzde tercih edilen uygulamalardan bir tanesi oluyor.

Ancak her yerde de gözümüz kapalı olarak ısı pompasından yararlanmayı

düşünmemeliyiz.

Öncelikle atılan ısının enerji (kalori) olarak büyüklüğü, sıcaklığı, geri

kazanma yolları, ısı alınan soğuk ortam, konstruktif özellikler, atılan akışkanın

fiziksel ve kimyasal özellikleri, verimlilik ve benzeri hususlar ile kullanma

gayesi göz önüne alınarak çok yönlü inceleme yapılması gerekmektedir. Bazı

hallerde sadece ısıtma amacıyla ısı pompası kullanılması verimli olmayabilir.

Çeşitli amaçlarla hem soğutma ve hem de ısıtma gereken hallerde, ısı pompaları

en uygun çözüm yolu olabilir. Kurutma tesisleri, spor tesisleri, gıda ve tarım

sanayinden bazı çift yönlü uygulamaları örnek olarak verebiliriz.

19

Şekil 3.7.Isı Pompası prensip şeması

Çift tesirli ısı pompaları yazın soğutma aylarında bir soğutma makinesi olarak

kullanılırlar. Görevleri; düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından (içeriden) ısı çekip, bu

ısıyı yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına (dışarıya) atmaktır. Burada kullanım amacı,

yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağını ısıtmak değil, düşük sıcaklıktaki ısı kaynağını

soğutmaktır. Dolayısıyla soğutma makinesi görevi görür.

3.2.1. Isı pompasının çalışması

Kompresör devrede bulunan soğutucu akışkanı kondenser yönüne sıkıştırır. Bu

sıkıştırma sonunda, kondensere (yoğuşturucu) gaz halinde gelen akışkan yüksek

sıcaklıktaki ortama ısı vererek sıvı hale geçer. Bu hal değiştirme neticesinde

yoğuşma gizli ısısını verir. Kondenserden sıvı halde çıkan soğutucu akışkan,

genleşme valfine gelir. Genleşme valfinden geçen akışkanın üstündeki basınç kalkar.

Kompresörün emme hattı üzerinde bulunan evaporatörde düşük basınç meydana

gelir. Bu düşük basınç, evaporatöre giren soğutucu akışkanın buharlaşmasına yeter.

20

Evaporatörde soğutucu akışkan sıvı halden gaz haline geçerken, buharlaşma gizli

ısısını düşük sıcaklıktaki ortamdan alır (Şekil 3.8).

Bu olaylar neticesinde, bir ısı pompası devresinde evaporatörün bulunduğu çevreden

ısı alınır. Kondenserin bulunduğu çevreye ısı bırakılır. Çevre şartları ısı akışına engel

olmamak şartıyla, her ortamda ısı pompasını çalıştırmak mümkündür.

Şekil 3.8.Basınç ve sıcaklık değişimi ile çalışan bir ısı pompası çevrimi. Soğutucu akışkan R134a, Hava 7º C / Su 50ºC

3.2.2. Isı pompası uygulamaları

Isı pompaları bir mahallin ısıtılması veya sıcak su üretimi amaçlarıyla kullanılabilir.

Bina ve işyeri ısıtmalarında, yerden yapılan ısıtmada, sıcak havalı sistemlerde,

iklimlendirme tesislerinde ve yüzme havuzlarının ısıtılmasında kullanılır.

21

Endüstriyel uygulamalarda, çeşitli kurutma, buharlaştırma, damıtma işlemlerinde ve

süt pastörizasyon işlemlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca kombine uygulamalarda ısı

pompası, kışın ısıtma yazın ise soğutma yapılan tesislerde kullanılabilmektedir.

Kombine uygulamalarda, buharlaştırıcı ve yoğuşturucu kış ve yaz uygulamalarında

yer değiştirmektedir.

Bina ısıtmaları

Isı pompaları evlerin, işyerlerinin, okulların ısıtılmasında kullanılır. Sıcak su

üretiminde de kullanılabilir. Ayrıca yüzme havuzlarının ısı pompaları ile ısıtılması

uygulamaları da mevcuttur.

Bina ısıtılması uygulamalarında, ısı pompası, döşeme ve tavandan yapılan

ısıtmalarda, sıcak havalı sistemlerde ve iklimlendirme tesislerinde başarılı bir şekilde

kullanılabilir. Çünkü bu gibi uygulamalarda sağlanması gereken ısıtıcı akışkan

sıcaklığı düşük olduğundan, ısı pompasının ısıtma tesir katsayısı diğer uygulama

şekillerine göre daha büyüktür.

Endüstriyel uygulamalar

Isı pompası uygulamaları, çeşitli endüstriyel alanlarda da yapılmaktadır. Çeşitli

kurutma işlemleri, buharlaşma işlemleri, damıtma işlemleri ve süt sterilizasyon

işlemlerinde ısı pompaları başarı ile uygulanmaktadır.

Kombine uygulamalar

Isıtma maksadıyla kurulmuş ısı pompası tesisatını yazın sıcak su üretme veya klima

etmede kullanarak kullanma sahasını genişletmek suretiyle diğer sistemlere göre

verimliliği artırılabilir. Belli başlı kombine uygulamalar;

- Buz paten sahası ve yüzme havuzu bulunan bir spor salonu, Buz pateni sahası

soğutulurken alınan ısı yüzme havuzuna verilerek ısıtma yapılır.

22

- Büyük soğutma depolarında, soğutma işlemi sırasında yoğuşturucudan atılan

ısı, değişik amaçlarla kullanılabilir.

- Kışın ısıtma yapan ısı pompasını yazın soğutma amaçlı kullanıldığı sistemler.

Kışın ısıtma, yazın ise soğutma yapan kombine bir tesisatta oda içine bir serpantin

dışarıya da bir serpantin konur. Yazın içerideki serpantin evaporatör, dışarıdaki

serpantin kondenser görevi yapar. Kışın içerideki serpantin kondenser, dışarıdaki

serpantin evaporatör görevi yapar. Kompresöre bağlanan uçlar dört yollu vana ile

ayarlanarak emme ve basma hatları değiştirilir. Ancak alçak basınç bölgesinin

ayarlanması için iki adet genleşme valfı ve iki adet çek valf kullanılır (Şekil 3.9)

[17].

Şekil 3.9.Yaz soğutmalı, kış ısıtmalı ısı pompası devre elemanları

23

3.2.3. Isı Pompalarında kullanılan verim ve etkinlik kavramları

Isı pompalarında verim ve etkinlik çözümü soğutma makineleri ile aynıdır. Isı

pompaları düşük dış sıcaklıkta çalıştıkları için mevsimlik etkinlikler hesaplanmalıdır

ve bu değerler ısı pompası etiketinde belirtilmelidir. Enerji fiyatlarının günden güne

artması, tüketicinin bilinçlenmesi ve çıkarılan yasal yönetmelikler, bizi, enerjiyi daha

verimli ve etkin bir biçimde kullanmaya zorlamaktadır. Bu çerçevede, enerjinin ne

denli verimli kullanıldığının belirlenmesinde, verimlilik (veya etkinlik) ile ilgili

kavramların ve bunların standard değerlerinin bilinmesi büyük önem taşır.

Bir merkezi iklimlendirme sistemi satın aldıkları zaman, Mevsimsel Enerji

Verimlilik Oranı (MEVO veya SEER)nı gözden geçirirler. MEVO, otomobil

endüstrisindeki (km/litre)’ nin karşıtı olup, sistemin performansının bir göstergesidir.

MEVO ne kadar yüksek ise, cihaz o kadar fazla verimlidir ve böylece cihaz ne kadar

verimliyse, işletme giderleri de o denli düşüktür.

Bu bağlamda, farklı model ve marka cihazların performansını kıyaslayabilmek için

göz önüne alınan temel üç yol vardır.

• Evin ısıtılması veya soğutulması için cihazın ne kadar enerji tükettiği; verim

• Cihazın varlığının ne kadar hissedildiği; ses düzeyleri

• Cihazın sağladığı his; konfor

Bu çerçevede, 1992 yılında, Amerika’da tüm ısıtma ve iklimlendirme ekipmanları

için minimum verim (veya etkinlik) değerleri belirlenmiştir. Bu tarihten önce satın

alınan ve montajı yapılan kazan, ısı pompası veya iklimlendirme sistemi gibi HVAC

(Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme) ekipmanı, Amerika’ daki bugünkü

standartlara kıyasla oldukça verimsiz olabilmektedir.

Isıtma mevsimsel performans faktörü (IMPF veya HSPF; SPFH)

Mevsimsel Enerji Verimlilik Oranı ısı pompalarının mevsimsel ısıtma verimini

24

açıklamak için kullanılır. IMPF, tüm ısıtma sezonu boyunca, ısı pompasıyla verilen

ısı enerjisinin (ek ısıtma dahil), elektrik enerjisi tüketimine oranıdır. Bir başka

deyişle, belirli standard test yöntemini izleyen dış hava koşullarının bir aralığı

boyunca ağırlıklı ortalama verimdir. IMPF, aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

Isıtma Sezonu Boyunca (ISB) Hacme Verilen

Toplam Isı Enerjisi Miktarı

IMPF = ----------------------------------------------------------------

ISB Isıtma Sistemi İçin Gerekli Olan

Toplam Elektrik Enerjisi

IMPF = (QIP + QİL) / (WIP + WİL)

Burada;

QIP : Isıtma sezonu boyunca ısı pompasıyla verilen ısıtma enerjisi, Btu/h

WIP : Isıtma sezonu boyunca ısı pompasına verilen elektrik enerjisi, W

QİL : Isıtma sezonu boyunca verilen ilave ısıtma enerjisi, Btu/h

WİL : Isıtma sezonu boyunca ilave ısıtma sistemine verilen elektrik enerjisi, W

Bu faktör, günümüz ısı pompası teknolojisiyle, 2’ den daha yüksektir. Bu terim,

genellikle, 60 000 Btu/h (yaklaşık 17.6 kW)’ dan daha az olan ısı pompalarında

kullanılır. IMPF’ nin birimi, Amerikan Enerji Departmanı (U.S.D.O.E, U.S.

Department of Energy; Amerika’da, endüstriyel verimlilik standardlarının

ayarlanmasından ve enerji kaynaklarının tüketiminin izlenmesinden sorumlu olan

federal bir acentadır.) tarafından belirtildiği gibi, Btu/W-h ‘dır. Bu terimin, iç ve dış

ünite fanları gibi yardımcı sistemlerin enerji miktarlarını içerdiğine dikkat

edilmelidir. Kıyaslama amaçları için, IMPF ne kadar büyükse, sistem o kadar daha

fazla verimlidir.

Isıtma modunda bir ısı pompasının “verimi” olan IMPF, yeni ısı pompaları için, 1992

yılında Amerika’da hükümet tarafından minimum 6,8 olarak belirlendi. 1992

25

yılından önce imal edilen çoğu ısı pompalarının IMPF değerleri 5’ in altında idi.

Bugün, IMPF = 7.5 veya daha fazlası “yüksek verimli” olarak göz önüne alınıyor;

maksimum mevcut IMPF = 10 ‘dur.

Mevsimsel enerji verimlilik oranı (MEVO)

MEVO terimi, bir iklimlendirme cihazı veya ısı pompası sisteminin ortalama yıllık

soğutma verimini belirlemek için kullanılır. MEVO, EVO ile benzerdir. Ancak, tek

kapasite koşulundan daha çok tipik bir mevsimle ilişkilidir. EVO ve MEVO, eşit

olarak kıyaslanamaz. Hava kaynaklı bir cihaz MEVO ve jeotermal kaynaklı bir cihaz

ise, EVO ile değerlendirilir.

MEVO, belirli bir standard test yöntemine göre dış hava koşullarının aralığı boyunca

EVO’larının ağırlıklı ortalamasıdır. Başka bir deyişle, ARI’ de açıklanan test

yöntemi kullanılarak belirlendiği gibi, cihazın, soğutma için normal kullanım

periyodu boyunca Btu birimlerde toplam soğutma kapasitesinin, aynı periyod

süresince W-h olarak verilen toplam elektrik gücüne oranını ifade eder. Bu terim,

sadece 65000 Btu/h (yaklaşık 19 kW)’ dan daha düşük soğutma kapasiteli sistemler

için kullanılır. MEVO’ nın birimi Btu/W-h’ dır. Bu verim teriminin iç hava ve dış

hava fanları gibi yardımcı sistemlerin enerji tüketimlerini içerdiği göz ardı

edilmemelidir. Kıyaslama amaçları için, MEVO ne kadar büyükse, sistem o kadar

verimlidir. MEVO ve EVO’lar doğrudan kıyaslanamadığı için, MEVO, buna karşı

gelen EVO’ ununkinden genellikle 0.5 ile 1.0 aralığında daha fazladır.

Geçmişte, MEVO değeri 8 olan bir cihaz standard verim olarak göz önüne alınıyordu

ve MEVO=10 olan bir cihaz ise, yüksek verimli olarak kabul ediliyordu. 1992’den

önce imal edilen cihazların MEVO’su 6 idi. 1992 yılında, Amerikan hükümeti yeni

evlere kurulan cihazlar için minimum soğutma verimini MEVO=10 olarak belirledi.

Yüksek verimli cihazlar için MEVO en azından 12 ve MEVO =15; yüksek verimli

olarak kabul ediliyor. Bunun yanı sıra, maksimum elde edilen değer olarak yaklaşık

MEVO = 17 söz konusudur. Birçok eski modelde MEVO; 7 veya 8 kadar düşük

iken, daha fazla verimli modellerde MEVO değerleri 13 ile 16 kadar yüksektir.

26

Mevsimsel performans faktörü (MPF)

Bir ısı pompasının performansını sıvı veya gaz yakıtlı ocakların performansıyla

kıyaslamak için, aşağıdaki sorular göz önüne alınmalıdır.

• Cihaz, ülkenin hangi bölgesinde kullanılacaktır?

• Elektriğin fiyatı, fosil yakıtların fiyatına kıyasla nasıldır?

• İlave ısıtma (örneğin; elektrikli ısıtıcı) gerekli midir? Gerekliyse, ne kadar ve

hangi sıklıkta?

• Hangi tip ısı pompası gereklidir?

Isı pompalarının gerçek kıyaslamaları, EK yerine MPF ile yapılır. Bu faktör, ısıtma

sezonu boyunca, ısıtıcı ekipmanın veriminin bir ölçüsüdür. Günümüz ısı pompası

teknolojisiyle, MPF; 2’ den biraz daha yüksektir.

MPF, Isıtma Mevsimsel Performans Faktörü (IMPF) ile benzerdir. Isı pompası ve

ilave ısı kaynağının toplam kış verimidir. Aynı birimlerde (Btu/h veya kW-h), ısıtma

sezonu boyunca toplam çıkan (elde edilen) enerjinin, toplam giren(verilen) enerjiye

oranıdır. Bu faktör, bir bakıma, sistemin yıllık elektrik tüketiminin bir göstergesidir.

Örneğin; ısı pompasıyla ısıtılan bir konutta, MPF; yıllık gerekli elektrikli ısıtıcı

ısısının, ısı pompası sisteminin yıllık elektrik enerjisi tüketimine bölünmesiyle

bulunabilir. Bunların hesaplanması için hazır formlar mevcuttur.

27

4. ISI POMPALARININ SINIFLANDIRILMASI

4.1. Isı Pompası Sistemleri

Maksimum ısıtma gücü 50 kW olan elektrik ile çalışan ısı pompalarında doğal ısı

kaynaklarından ısı çekişi ile ısı iletiminde teknik tesislerden geri kazanılan ısı

arasında ayırt edilebilir. Bu ısı pompası, yapı türü ve fonksiyonuna göre, kendisinden

alınan artık ısıyı teknik prosese direkt tekrar veren veya ilk sözü edilenden bağımsız

çalışan ikinci bir proses için artık ısıyı tekrar faydalı kılan tesislere ayrılabilirler.

4.1.1. Birincil ısı pompaları

Isıyı doğal kaynaktan çeken ısı pompalarına birincil ( primer ) ısı pompaları denir.

Bu sistemlerin ısı kaynakları, ısı kaynağı sıcaklığının yaklaşık verilen sınır değerleri

ile yeraltı ve yerüstü suyu, toprak ve dış havadır.

4.1.2. İkincil ısı pompaları

İkincil ısı pompaları, esas olarak ısıyı geri kazanılan sistemlerden çekerler. Elde

edilen bu ısı, ısı birikiminden bağımsız olan tüketilecek yere ihtiyacı nispetinde

verilir. Örnek olarak kanalizasyonun pis sularından ısı çeken ısı pompaları, ikincil ısı

pompalarıdır. Isı kaynağı sıcaklığı 10 oC' den büyüktür.

4.1.3. Üçüncül Isı Pompaları

Elde edilen artık ısı direkt olarak tekrar prosese geri verilirse, örneğin ısı pompalı

çamaşır makinelerinde, kurutma, klima sistemi ve diğerleri, bu ısı pompası üçüncül

ısı pompası olarak adlandırılır. Bu tür ısı pompaları için ısı kaynağı genelde 20 oC

den fazla bir sıcaklık gösterir.

28

4.2. Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması

4.2.1. Kompresörlü ısı pompaları

Buharlaştırıcıdan buharın emilmesi ve yoğuşturucu basıncına kadar sıkıştırılması

mekanik bir kompresörle yapılıyor ise, bu tip ısı pompalarına kompresörlü ısı

pompaları denir.

4.2.2. Absorbsiyonlu ısı pompaları

Soğutucu burada uygun bir emici eriyik sirkülayonu ile hareket eder. Kompresörlü

ısı pompalarına nazaran daha sessiz çalışırlar.

4.2.3. Buhar jet ısı pompaları

Soğutucu hareketi bir enjektör vasıtası ile yapılır.

4.3. Isı Kaynakları Ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre Sınıflandırılması

Kompresörlü ve absorbsiyonlu ısı pompaları, kullanılan ısı kaynaklarına göre,

örneğin toprak veya yeraltı suyu ve ısı dağıtıcı sistemlere göre, örneğin sıcak su

ısıtmaları veya sıcak hava ısıtmaları olarak sınıflandırılabilirler.

Isı pompasının veya bir ısı pompası tesisinin tanımlanmasında, ilk olarak soğuk

taraftaki ısı taşıyıcısı veya ısı kaynağı, ikinci olarak sıcak taraftaki ısı taşıyıcısı yani

ısı dağıtıcı sistem söylenir. Örneğin;

Hava / Su - Isı Pompası, Burada ısı kaynağı olarak havadan yararlanan ve ısı

pompasının sıcak kısmında suyu dolaştıran bir ısı pompasından söz etmiş oluruz.

Isıtılan bu su, örneğin döşemeden ısıtmalı bir sistem için kullanılır.

Toprak / Su - Isı Pompası, Burada ise; asıl ısı pompası cihazı Salamura / Su Isı

29

Pompası, ısı kaynağı; toprak ve ısı pompasının sıcak kısmındaki ısı taşıyıcısı sudur.

Bu ısı pompasının soğuk kısmında salamura ve sıcak kısmında ise suyun

dolaştırıldığını ifade eder.

4.4. Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre Sınıflandırılması

Isı kaynağı, cihaz türü ve ısı pompaları ile ısı pompaları tesislerinin

adlandırılmasından bağımsız olarak, ısı pompalarının işletme şekline göre de

sınıflandırılabilir. Çeşitli enerji taşıyıcılarıyla birçok ısı üreticilerinin kombinasyonu

ile yeni sistemlerin gelişimi, bu sistemlerin karakteristiklerine göre

sınıflandırılmasını gerekli kılmıştır.

Göz önüne alınan enerji taşıyıcısının sayısına bağlı olarak ısıtma tekniğinde üç çeşit

işletme şeklinden söz edilir.

1- Monovalent ( Tekli ) işletme şekli.

2- Bivalent ( İkili ) işletme şekli.

3- Multivalent ( Çoklu ) işletme şekli.

4.4.1. Monovalent işletme şekli

Isı üreticisinin gerekli tüm ısıyı aynı enerji türü ile karşılanıyor ise bu tür işletmeye

monovalent işletme denilir. Bu arada ısı ihtiyacı sadece bir ısı üreticisi ile veya

birçok ısı üreticisi ile de karşılanabilir. Birçok ısı üreticisinden oluşan ısıtma

sistemleri alternatif ve paralel işletme şekline göre de ayrılabilir.

Alternatif işletmeden kasıt, gerekli yıllık ısıtma gücü aynı enerji türünün, iki ısı

üreticisi tarafından, belirli bir dış sıcaklık göre yedeklenmesidir.

Paralel işletmede ise ısı ihtiyacı belirli bir dış sıcaklığın altına kadar her iki ısı

üreticisi tarafından müşterek olarak karşılanmasıdır.

30

4.4.2. Bivalent işletme şekli

Bu işletme şeklinde tüm ısı ihtiyacı daima iki ısı üreticisi tarafından karşılanır.

Bivalent işletme şeklide alternatif ve paralel işletme olarak sınıflandırılabilir.

Alternatif işletmede belirli bir dış sıcaklığın altındaki dış sıcaklıklarda ısı üretimi,

yalnız yedek ısı üreticisiyle karşılanır. Belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklık

bivalent sıcaklığı olarak adlandırılır. Paralel işletmede ise bivalent sıcaklığın

altındaki dış sıcaklıklarda, ısı üretimi yedek ısı üreticisiyle tamamlanır.

Şekil 4.1 de elektrikli ısı pompası ve konvansiyonel ısı üreticisinden oluşan bivalent

alternatif çalışan işletme şekli için tüm ısı ihtiyacının karşılanmasında her iki ısı

üreticisinin farklı payları gösterilmiştir.

Şekil 4.1.Bivalent-Alternatif çalışan ısıtma sistemi

ihtiyacıısı

ihtiyacıısı

..max

.=α

gücüısıtmatoplam

gücüısıtma

..

.=β

31

Isı pompasının ana yükü düştüğü zaman, kalan yük yedek bir ısı üreticisi tarafından

karşılanılmaktadır. Şekil 4.1’de % 50 tüm güçte projelendirilen ısı pompasının

ısıtma gücü % 67 olduğu açıkça görülmektedir. Tüm ısıtma gücünün % 83 de ısı

ihtiyacı sadece ısı pompası tarafından karşılanır. Yedek ısıtma 3 °C lik bir bivalent

sıcaklığa eşdeğer olarak, sadece tüm ısıtma gücünün % 17 sinde yapılmaktadır.

4.4.3. Multivalent işletme şekli

Multivalent işletme şeklinin karakteristiği, ısı ihtiyacının karşılanması çeşitli enerji

taşıyıcıları ile çalışan ikiden daha fazla ısı üreticisi ile yapılır. Örneğin güneş enerjisi

ısı deposunun ısı pompası ile ısıtma kazanının kombinasyonu multivalent işletme

şekli olarak tanımlanır.

32

5. ISI KAYNAKLARININ İNCELENMESİ

Kaynak sıcaklığının direk kullanılamadığı yerlerde devreye ısı pompası girer. Isı

pompasının maksimum verimde çalışabilmesi, ısının çekildiği ve atıldığı kaynakların

aynı sıcaklıkta olması ile mümkündür. Isı kaynağını seçerken aşağıdaki faktörler göz

önüne alınmalıdır.

a- Coğrafi durum,

b- İklim şartları,

c- İlk maliyet,

d- Uygunluk.

Bu saydığımız unsurların yanında, ısı kaynağı sıcaklığının büyük değişimler

göstermemesi de istenen önemli faktörler arasında sayılabilir. Isı pompalarında

başlıca dört kaynaktan yararlanılabilir. Bunlar;

a- Hava,

b- Su,

c- Toprak ve

d- Güneş enerjisidir.

Isı kaynağı olarak kullanılan suyu, yeraltı ve yerüstü olarak iki başlık altında

toplamakta mümkün hatta daha isabetlidir. Bunun yanında atık ısıların ve lağım

sularının da ısı kaynağı olarak kullanılabilmesi mümkündür. Yukarıda sıraladığımız

ilk üç ısı kaynağı tek başlarına kullanılabilir ancak güneş enerjisi genellikle yardımcı

kaynak olarak kullanılmaktadır. Isı pompası tasarımında karşımıza çıkan en önemli

problem, kullanılacak kaynaklar ile ilgili verilerin elde edilebilmesidir.

5.1. Hava

Isı pompaları için ısı pompaları üniversal bir kaynaktır. Hava kaynaklı ısı

pompalarının mevsimsel performansları (SPF), su kaynaklı ısı pompalarına göre %

33

10-30 civarında düşük olsa da, bol ve ucuz bir ısı kaynağı ve sürekli bulunması en

büyük avantajıdır. Kullanılan ekipmanların makul boyutlarda olması ve nispeten

düşük işletme ve tesis maliyetleri sayılabilecek diğer avantajlarıdır. Bunların yanında

hava kaynaklı ısı pompalarının iki büyük dezavantajı da vardır. Bunlar;

- Sıcaklık değişimi ve

- Buzlanma problemidir.

Isı ihtiyacımızın yüksek olduğu anlarda kaynak sıcaklığının düşük olması, ısı

pompasının ısıtma kapasitesinin düşmesine neden olur. Bu durumda arta kalan ısı

ihtiyacı genellikle ek bir ısıtma kaynağı tarafından karşılanır. Bu bağlamda ısı

kaynağı sıcaklığının bu şekilde değişken olması projelendirmeyi ve ekipman

seçimini zorlaştırmaktadır.

Kaynak sıcaklığı ile soğutucu akışkan arasında 10 oC civarındaki sıcaklık farkı, hava

kaynaklı ısı pompaları için ısı geçişine olanak verir. Dolayısıyla buharlaştırıcı aynı

kaynaktan ısı çeken diğer ısı değiştirgeçlere göre daha düşük sıcaklıkta çalışır.

Buharlaştırıcı yüzey sıcaklığı 0 oC'nin altına düştüğünde, atmosferde bulunan su

buharı buharlaştırıcı yüzeyleri üzerine yoğuşarak buzlanmaya sebep olur. Bu buz

kütlesinin buharlaştırıcı yüzeyinde birikmesi ile ısı geçişi engellenir sonuç olarak ısı

pompasının ısıtma tesir katsayısı ve kapasitesi düşer. Buzun 9,8 – 14,6 kg/m2

buharlaştırıcı yüzeyi mertebesine kadar ısı geçişini arttırıcı yönde rol oynadığı

bilinmektedir. Ancak buzun daha fazla birikmesini önlemek için, periyodik olarak

buzun buharlaştırıcı yüzeyinden çözülmesi gerekmektedir. Buna pratikte defrost

yapma denir ki bu olay belli aralıklarla sıcak gaz geçirmeyle veya elektrikle

yapılabilir.

Hava kaynaklı ısı pompalarında bir diğer problem ise ısı geçişinin düşük olmasıdır.

Isı geçişini arttırmanın en pratik yolu fanlar vasıtası ile havayı cebri olarak

buharlaştırıcıdan geçirmektir.

Atmosfer havanın yanı sıra, bir sanayi tesisinde atılan gayri sıhhi gazlar, baca

gazları, otel ve sinema gibi yerlerden atılan pis hava da ısı kaynağı olarak

34

kullanılabilir. Şekil 5.1’de iklimlendirme yapılan bir otelde atılan kirli havanın ısı

enerjisinden yararlanılarak, emilen temiz havanın ısıtılması görülmektedir.

Şekil 5.1.İklimlendirme yapılan bir binada temiz havanın atılan ısı ve ısı

pompasından yararlanılarak ısıtılması

5.2. Su

Isı kaynağı olarak suyun kullanılması kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir

şebekesinden ve üretim işlerinden elde edilen su aracılığı ile olur. Daha genel olarak

yeraltı ve yerüstü suyu olarak ikiye ayırabiliriz.

5.2.1. Yeraltı suyu

Kuyu suyu 45-150 metre derinliklerinde kuzey ülkelerinde 10 oC, güney ülkelerinde

ise 16 oC civarında elde edilebilir. 10 metre ve daha fazla derinliklerde yeraltı

suyunun sıcaklığının yıl boyunca çok az değişmesi önemli bir avantajdır. Kuyu

suyundan yararlanıldığında, sıcaklığı düşmüş olarak, buharlaştırıcıyı terk eden suyun

kaynak sıcaklığını düşürmemesi için, genellikle bir daha kullanılmamak üzere bir

başka yere atılması gerekmektedir. Ayrıca sondaj ve bakım maliyetinin yüksek

olması kullanımı zorlaştırmaktadır.

Yeraltı suyu yeterli miktar ve kalitede ve de uygun derinlikte bulunduğu takdirde, bu

ısı kaynağı sıcaklık durumundan ötürü ısı pompaları için uygun olarak gösterilebilir.

35

5.2.2. Yerüstü suyu

Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından yararlanıldığında ise

sıcaklık, kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber, hava kadar

değişmemektedir. Ülkemizde yerüstü sularının genellikle 0 oC'nin altına düşmemesi

iyi bir avantajdır. Ayrıca denizlerde 25–50 m derinlikte sıcaklık 8 oC civarında uygun

bir sıcaklığa sahiptir.

Yerüstü suyundan yararlanma çoğu durumda problemli olmaktadır. Zarar verici

maddelerle buharlaştırıcıda ısı geçiş katsayılarının kötüleşmesine neden olunur. Bu

yüzden boru demetli ısı değiştiricileri kullanılmaz. Ayrıca buharlaştırıcı kısa zaman

aralıklarında temizlenmelidir.

5.3. Toprak

Toprağın 1-2 metre derinliğinde yıl boyunca sıcaklık değişiminin az olması, toprağın

ısı kaynağı olarak kullanılabilmesi için iyi bir özelliktir. Isı, bir yıl boyunca güneşin

yeryüzüne ışıdığı ve toprağın depoladığı güneş enerjisinden kaynaklanmaktadır.

Güneş, yazın öğle vaktinde 1000 W/m2 –yeryüzü alanı, kışın 50–200 W/m2 ışınlar.

Buna rağmen ısı kaynağı olarak toprağın kullanılması diğer sistemlere göre daha

pahalıdır. Isı değiştirgeci olarak toprak, toprak altına gömülen borulardan soğutucu

akışkan veya daha ucuz olması bakımından, genellikle su ve salamura geçirilerek

kullanılır. Bu ısı geçişini sağlayan yüzeyler toprak altına yatay veya düşey olarak iki

şekilde yerleştirilir. Toprak ısı değiştirgecinin tasarımı sırasında, toprağın bileşimi,

yoğunluğu, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği ısı değiştirgecinin seçimini ve

boyutlandırılmasını etkiler. Toprağın önemli bir dezavantajı da toprak özelliklerinin

zamana bağlı olarak değişmesidir. Isıtma mevsiminde toprak ısı değiştirgecine yakın

yerlerde toprak sıcaklığı düşer. Özellikle soğuk yörelerde, ısıtma yapıldığı süre

içinde toprağa yeteri kadar ısı geçişi olmasa; kış aylarında topraktan çekilen sürekli

ısı nedeni ile toprağın donması söz konusudur. Toprak sıcaklığının düşmesinin

doğurduğu bir diğer sonuç, nem miktarının ve toprağın özelliğinin değişmesidir.

36

Bütün bunların sonucu olarak ısı pompası geri dönüş suyu sıcaklığı düşer ve bu

sebepten dolayı ısı pompasının kapasitesi yani ısıtma tesir katsayısı düşer.

Yukarıda sayılan bazı dezavantajlarına rağmen yinede toprak; sıcaklık sabiti, sıcaklık

durumu, yerel ve zamansal varlığı ve de depolama imkânı açısından çok elverişli bir

ısı kaynağıdır.

Şekil 5.2 kışın toprağa gömülü olan evaporatör vasıtası ile toprak ısısının odaya

taşınmasını göstermektedir.

Şekil 5.2. Toprak kaynaklı ısı pompası ile havanın ısıtılması

Toprak Kaynaklı veya Jeotermal Isı Pompaları, toprağın içindeki sıcaklığın kararlı

değişmesi ve soğuk iklimlerde performansını yüksek seviyede tutması nedeniyle

enerjinin kullanımında daha etkili sonuçlar ortaya çıkarır. Bu sebeplerden dolayı

37

birçok ülkede Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının (TKIP) kullanımı Isıtma -

Havalandırma ve İklimlendirme (HVAC) endüstrisi tarafından desteklenmektedir.

TKIP endüstrisi ülkemiz için oldukça yenidir. Son birkaç yıldır, bazı şirketler yurt

dışından ithal ettikleri TKIP'ları, ülkemizde kullanımlarını artırmak için yoğun çaba

harcamaktadırlar. Bununla beraber, kurulan TKIP'ların sayısı, yurt dışında

kurulanlarla kıyaslanmayacak ölçüde azdır. TKIP'lar, 1912 yılında ilk olarak İsviçre

patenti ile tanıtılmıştır. Daha sonra, termodinamik açıdan önemi, ısı kaynağı olarak

toprağa gömülen metal serpantinler içinde salamura dolaştırılarak, 1940'lı yıllarda

çarpıcı şekilde gösterilmiştir. Serpantinlerin korozyon sorunu, toprak serpantinlerini

kullanışsız kılmış ve Hava Kaynaklı Isı Pompası sistemlerinin gelişimini zorlamıştır.

Daha sonraları, plastik borular kullanılarak, korozyon sorunları çözülmüş ve

TKIP'ların üzerine araştırmalar hızlanmıştır.

5.4. Güneş

Isıtma tesir katsayısının artması bakımından güneş enerjisinin çok yüksek

sıcaklıklara çıkabilmesi iyi bir avantajdır. Kaynak olarak güneş enerjisinden

yararlanıldığında iki temel sistem söz konusudur. Bunlar direkt ve endirekt

sistemlerdir. Direkt sistemlerde buharlaştırıcılar doğrudan güneş kollektörüne

yerleştirilir. Endirekt sistemlerde ise kollektörden su veya su buharı geçirilerek

kaynak olarak bunlardan yararlanılır.

Güneş enerjisinin en büyük dezavantajı ısının depolanmasının zor ve pahalı

olmasıdır. Özellikle ısı ihtiyacının olduğu kış günlerinde güneş enerjisinin zayıflığı,

ek bir ısıtma tesisine ihtiyaç duyulmasına yol açar. Bu da zaten pahalı olan sistemin

maliyetinin daha da artmasına sebep olur.

Isı pompalarının buharlaştırıcısı, güneş enerjisini direkt alacak şekilde açık alana

yerleştirilebilir. Soğutucu akışkan buharlaştırıcı içinden geçerken, buharlaştırıcı

üzerine gelen güneş enerjisinden aldığı ısıyla buharlaşır. Bu şekildeki güneş enerjisi

kaynaklı ısı pompaları açık günlerde kullanılabilir. Diğer şekildeki ısı pompalarında,

güneş enerjisi yardımıyla toplayıcılarda elde edilen sıcak su bir tankta depolanıp ısı

38

kaynağı olarak kullanılabildiği gibi, ayrıca toplayıcılardan geçirilerek ısıtılan sıcak

hava da ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Bu sistemler, güneş kolektörleri ünitesi,

enerji depolama ünitesi ve ısı pompası ünitesi olmak üzere üç ana bölümden

oluşmaktadır.

5.4.1. Güneş kollektörleri

Güneşten gelen enerji, toplayıcılar (kolektörler) tarafından emilerek kolektörler

içerisinden geçen akışkana aktarılır. Akışkan, güneşten aldığı ısı enerjini sistemdeki

enerji deposuna bırakarak tekrar toplayıcılara döner. Bu durum bir sirkülasyon

pompasıyla gerçekleştirilir. Pompa, toplayıcılardan aldığı sıcak akışkanı, depo

içerisindeki serpantinden geçirerek ısısını, kendisinden daha soğuk olan depodaki

akışkana aktararak tekrar toplayıcılara gönderir. Bahsedilen bu durum soğuk iklim

bölgelerinde donma tehlikesine karşı uygulanmaktadır. Bu bölgelerde, toplayıcılarda

dolaştırılan akışkan donmaya karşı emniyetli seçilmelidir. Böyle bir tehlikenin

olmadığı bölgelerde, depodaki akışkan serpantine gerek duyulmaksızın direkt olarak

toplayıcılardan geçirilebilir.

5.4.2. Enerji deposu

Depo toplayıcılardan elde edilen sıcak suyun toplandığı kaptır. Kullanılan toplayıcı

miktarına, yani toplam kolektör alanına göre depo hacmi tayin edilir. Bunun

hesabında Vd/At = 60 litre/m2 eşitliği dikkate alınmalıdır. Burada Vd kullanılan depo

hacmi, At toplam kolektör alanını göstermektedir. Enerji depolanması, duyulur ve

gizli olmak üzere iki şekilde olabilmektedir.

Duyulur ısı depolaması

Duyulur ısı depolanmasında kullanılan en uygun maddelerden birisi sudur. Depo

içindeki suyun sıcaklığı her noktada aynı değildir. Üst ve alt kısımları arasında

sıcaklık farkı vardır. Depo sıcaklığının üniform olması için karıştırılması gerekir.

Havalı ısıtma sistemlerinde ve seralarda güneş enerjisinin depolanması, daha ziyade

39

çakıl taşları ile yapılır. Çakıl taşları ucuzdur ve kolay temin edilebilir. Sıcak su

tanklarının büyüklüğü, tankın kullanıldığı sisteme (sıcak su sistemi, ısıtma sistemi

vs.) ve iklim durumuna bağlıdır. Güneş enerjili sıcak su sisteminde, genellikle

toplayıcı büyüklüğüne göre 1m2 toplayıcı yüzey alanı için 70–100 litre hacminde

tanklar seçilir. Isıtma sistemlerinde ve havanın uzun süre kapalı olduğu bölgelerde

depo hacmi daha büyük olmalıdır. Depo büyüdükçe, akışkanın toplayıcıya giriş

sıcaklığı küçüldüğünden, toplayıcı verimi ve dolayısıyla toplanan ışınım miktarı daha

fazla olur.

Gizli ısı depolaması

Maddelerin, faz değişimi sırasında iç enerjilerindeki artış ile sabit sıcaklıkta ısı

depolamasıdır. Bütün maddeler faz değiştirebilir, fakat çoğu maddenin faz değişimi

arzu edilen sıcaklıkta değildir. Faz değiştiren maddelerle belli bir miktardaki ısının

depolanabilmesi için gerekli hacim, aynı ısıyı su ve çakıl taşlarıyla depolamak için

gerekli hacimden çok küçüktür. Diğer bir avantajı da, depoda ısı çekilmesi sırasında

depo sıcaklığının yaklaşık sabit kalmasıdır. Ancak su ve çakıl taşına göre daha

pahalıdır.

40

6. ISI POMPALARINDA KULLANILAN SOĞUTKAN AKIŞKANLAR

6.1. Soğutkan Akışkanların Özellikleri

Soğutucu akışkanlar sıkıştırmalı ve absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin temel

akışkanlarıdır. Düşük buharlaşma sıcaklıkları özellikleri ile ısıyı bir ortamdan

istenilen diğer bir ortama taşıyabilen akışkanlardır. Ancak belli bir uygulama için

seçilecek soğutucu akışkanın, ısıyı taşıyabilme özelliğinin yanında, toksisite,

tutuşurluluk, yoğunluk ve vizkozite özellikleri de göz önümde bulundurulmalıdır.

Soğutucu akışkanın seçiminde göz önünde bulundurulması gereken bir diğer

parametrede, akışkanın ısı alışverişinde bulunduğu ortam sıcaklıklarıdır. Isı

alışverişinin olabilmesi için soğutucu akışkan ile ortam arasında 5 ile 10 oC'lik bir

sıcaklık farkı sağlanmalıdır. Örneğin soğutucu hacim -10 oC'de tutulacak ise,

soğutucu akışkan buharlaştırıcıda ısıyı absorbe ederken, soğutucu akışkanın sıcaklığı

yaklaşık -20 oc olmalıdır. Soğutma çevrimindeki en düşük basınç buharlaştırıcıda

olur ve bu basınç, soğutma sistemine herhangi bir hava sızıntısının olmaması için,

atmosfer basıncının üstünde olmalıdır. Dolayısıyla bir soğutucu akışkanın 1 atm'lik

bir doyma basıncı veya yukarıdaki örnek için -20 oC'de doyma basıncı 1 atm'den

yüksek olmalıdır.

Isıtma çevrimi için ise ısı pompalarının tasarım basınçları önemlidir. Bu gün birçok

ısı pompası 23 ila 26 bar basınç aralığında tasarlanmıştır. Bu basınç altındaki

kondensasyon sıcaklığı ısı pompalarında ısıtma limitini belirlemektedir.

Hidrokarbon Soğutucular;

Bütan: R600, Etan: R170, Propan: R290; yüksek oranda yanıcı ve patlayıcı özelliğe

sahiptir.

Halokarbon Soğutucular; R11, R12, R22, R500, R502, R503; Bu soğutucuların

yanıcı özelliği yoktur ancak bazılarının toksit özelliği vardır.

Soğutucu akışkan seçiminde bugün akışkanın termodinamiksel özelliklerinin yanında

41

ve belki de daha önemlisi çevre ile olan ilişkisidir. Küresel ısınma ve ozon

tabakasının delinmesinde kloro-floro karbon gazlarının önemli etkisi olduğu tespit

edildikten sonra, bu cümleden olan soğutucu akışkanların kullanılmasına da

kısıtlamalar getirilmiştir. CFC'lar kimyasal olarak bir hayli stabil olmalarına karşın,

atmosferde kuvvetli radyasyon etkisi ile kimyasal olarak ayrışır ve klorin atomu

ortaya çıkar. Açığa çıkan klorin atomu ozon molekülü ile reaksiyona girerek klorin

monoksid ve oksijen açığa çıkmaktadır. Klorin monoksit tekrar ayrışarak yeni bir

ozon molekülü ile reaksiyona girebilecek klorin atomu açığa çıkmakta ve bu proses

bir defalık olmayıp 10.000 kez tekrarlanmaktadır. Sonuç olarak strotosferdeki ozon

tabakası tahrip olur.

1987 Montreal Protokolü ile CFC gazlarını çevreye verdiği etki göz önüne alınarak

üretimi ve kullanımına kısıtlama getirilmiştir. Protokole göre 2000 yılında CFC

gazlarının üretimi tamamen kaldırılacak, HCFC gazları için ise kısıtlama söz konusu

olup bu gazların kaldırılması ise 2025 yılını bulacaktır. Kısa bir zaman sonra bu

soğutucu akışkanların kaldırılacak olması bizleri aynı termodinamiksel özelliklere

sahip alternatif soğutucu akışkanlar bulmaya itmiştir.

6.2. Atmosferik Basınçta Soğutkan akışkanların Uygulama Alanları

Çizelge 6.1. Soğutkan akışkanların uygulama alanları

Atmosferik

basınçta

kaynama

noktası

(0C)

SOĞUTUCU UYGULAMA

48

24

4

R123

R11

R114

YÜKSEK SICAKLIK

Ticari ve endüstriyel iklimlerde ve soğutmalar için

Düşük kapasiteli santrifüj ünitelerde kullanılır.

Çok düşük basınçlarda ve yüksek gaz hacimlerinde

Çalışırlar.

42

Çizelge 6.1. (Devam) Soğutkan akışkanların uygulama alanları

-30

- 33

-41

-46

- 58

R12

R500

R22

R502

R1331

ORTA SICAKLIK

Bazı ticari Chiller 'ler hareketli soğutma, ticari

Buzdolapları, buz yapıcılar, otomobil iklimlendirmesi.

Büyük sanayi Chiller ler bu makinaları, direkt

Genleşmeli üniteler, ısı pompaları, ev ve ticari tipte

Soğutma sistemleri R12 'den daha yüksek

Basınçlarda kullanılır.

Ticari soğutmalar ( soğuk oda ) R22 den daha

Düşük kompresör emme sıcaklıklarında çalışır.

Daha yüksek kompresör oranı ve emme sıcaklıkları ile

Daha yüksek kapasite temin eder.

Bir ya da iki kademeli kompresyon uygulamalarında

Kullanılır.

-78

-82

89

-128

R116

R13

R503

R14

DÜŞÜK SICAKLIK

Düşük sıcaklık uygulamalarında

Cascade soğutma sistemlerinin düşük sıcaklık

kademesinde (-73 oC) düşük evaparatör sıcaklıklarının

üretiminde kullanılır. Bir azeoptroptur (R23 ve R13)

birinci kademede R502 R12 ve R22 ile çalışan cascade

sisteminin ikinci kademesinde düşük sıcaklık

kabiliyetini ve kompresör kapasitesini iyileştirmek için

kullanılır.

HCFC gazlarından olan R22 halen geniş olarak kullanılmaktadır. R22 gazı ozon

tabakası ve global ısınma gibi çevresel sorunlarda diğer freonlu soğutucu akışkanlara

nazaran daha az zararlıdır. Her ne kadar R22 yerine geçebilecek uygun bir alternatif

belirlenmedi ise de bu soğutucunun kullanımı şu anda bazı ülkelerde kısıtlanmıştır.

R22 gazının en büyük avantajı fiyatının ucuz olması, kolay bulunabilmesi, çevrim

randımanının yüksek olması ve sağlığa bir zararı olmamasıdır. R12'li sistemle

karşılaştırıldığında yaklaşık % 60 civarında daha küçük kompresör kapasitesi ve

daha küçük boru çapı gereksinime ihtiyaç duyarlar. 2030 yılına kadar üretilecek bu

gazın mevcut makinelerden atmosfere salınmadan nasıl toplanacağı ve depolanacağı

halen bir muammadır.

43

6.3. Alternatif Soğutkan Akışkanlar

Günümüzde kullanılan soğutucu akışkanların yerine onların olumsuzluklarını ortadan

kaldırmak amacı ile çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Bu araştırmalar sonucunda ilk

olarak R123 (HCFC 123) elde edilmiştir. Elde edilen bu soğutucu akışkan ticari

soğutucularda R11 yerine kullanılmaktadır. Elde edilen bir başka soğutucu akışkan

ise; R 124 a (HFC 134) tür. Bu akışkan ise R12 ve R500 ün yerine kullanılmaktadır.

Termodinamik açıdan bakıldığında soğutma sisteminin elemanlarından hiçbir

değişiklik yapılmadan ufak verim kayıpları kabullenerek R12 yerine R134 a nın

kullanılabilirliği ortaya çıkmıştır. Özellikle otomotiv endüstrisinde R134 a kullanımı

yaygınlaştırılmaktadır

Alternatif soğutucu akışkanlardan beklenilen özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir.

• Zararlı etkileşimin minimum düzeyde olması,

• Eşdeğer buhar basınçlarına sahip olması,

• Artan soğutma kapasitesi ve performans katsayısı,

• Isıl iletkenlik, viskozite, çözünürlük gibi fiziksel özelliklerin iyi olması,

• Eşdeğer termodinamik özelliklere sahip olması,

• Yüksek sıcaklıklarda kararlı olması,

• Zehirli ve kolay tutuşabilir olmaması,

• Çevresel kabul edebilirlik,

• Düşük fiyat ve ekonomiklik.

6.3.1. R134a

Soğutma sistemlerinde şu anda en çok kullanılan soğutucu akışkan R12'dir. Bu gazın

alternatifi olarak içinde hiç klor atomu bulunmayan R134a gazı üretilmiştir.

Atmosfere hiç zararı olmayan bu gazın atmosferik ömrü oldukça kısadır ve soğutucu

sistemin dışına çıktığında stratosfere ulaşmadan bozulur. Her iki soğutucunun kritik

değerlerinin bir birine çok yakın olması hasebi ile birbirlerinin yerine rahatlıkla

44

kullanılabilirler. R134a gazını tutuşmama özelliği ve zehirsiz olması onu iyi bir

soğutucu akışkan yapar. Bunların yanında bazı olumsuz yanları da mevcut olan

R134a gazının en önemli dezavantajı hala çok pahalı olmasıdır. Ayrıca kaynama

sıcaklığı R12'ye göre biraz daha yüksektir. Dolayısıyla soğutma devresinde -30 oC

sıcaklıklarına ulaştığında kısmen atmosfer basıncını altında bir basınçta çalışmak

zorunda kalabilir. Aynı aralıklarda çalışan bir çevrim için P-h diyagramı üzerinde bu

iki soğutucuyu analiz edecek olursak R134a'nın özgül soğutma gücünün R12'ye

oranla daha yüksek ve dolayısıyla birim soğutma için gerekli debinin daha az olduğu

görülür. Ancak özgül kompresör gücü daha yüksek olduğu için R134a'nın teorik

standart verim katsayısı R12'nin % 4 altında kalmıştır. Bu sonuca göre R134a'lı

soğutma sistemlerinin daha düşük verimle çalışacağı açıkça ortaya çıkmaktadır. Ek

olarak, R134a'nın özgül hacminin daha büyük olması nedeni ile volümetrik soğutma

gücü daha düşük çıkmaktadır. Başka bir değişle R134a ile yapılacak 1kW'lık bir

soğutma için daha az kütlesel debi gerekli iken kompresörün daha fazla hacimde

soğutucu emmesi gerekmektedir. Dolayısıyla, R134a kompresörlerinin strok

hacimleri % 6 daha fazla olmalıdır. Sıkıştırma oranı R134a'da daha yüksektir. Bunun

sonucunda mekanik kayıpların biraz daha yüksek olması beklenmelidir.

Kompresör çıkışında gaz sıcaklığının R134a'lı sistemlerde R12'ye oranla daha düşük

olması bir avantajdır. Sonuç olarak, termodinamik bakımdan soğutma sisteminin

elemanlarında herhangi bir değişiklik yapmadan ufak verim kayıpları kabullenerek

R12 yerine kullanılabileceği ortaya çıkmaktadır.

6.3.2. R123

Termodinamik özellikleri bakımından R 11'e benzemesine rağmen olumsuz sonuçları

mevcuttur. Daha düşük akut zehirlilik seviyesine sahiptir. Ozon tabakasındaki tahrip

açısından ve küresel ısınma potansiyelinde bir düşüş sunmaktadır.

6.3.3. Amonyak (NH3)

Çevresel sorunların ortaya çıkması ve alternatif soğutucu akışkanların aranmaya

45

başlaması, aslında endüstriyel çapta ilk kullanılan ve termodinamik olarak

mükemmel özelliklere sahip olan amonyak gazına dikkatleri yeniden çevirmiştir.

Amonyak CFC guruplarının dışındaki tek soğutucu akışkandır ve geniş olarak

kullanılan ilk soğutucudur. 14,696 psia'daki -28 oF'lık (-33,3 oC) kaynama noktası,

birçok soğutma uygulamalarında pozitif avoparatif basınca müsaade etmektedir.

271,4 oF (133 oC) olan yüksek kritik sıcaklık ve -108 oF

(-77,7 oC) olan düşük donma sıcaklığının olması, amonyağın çok geniş sıcaklık

aralığında kullanılmasını mümkün kılmaktadır.

Bunun yanında amonyağın yüksek buharlaşma gizli ısısı -ki bu birim miktar

soğutucu için yüksek soğutma etkisi demektir, ısı değiştirgecinde gereken yüzey

alanının azaltılmasını sağlayan mükemmel ısı transfer karakteristiğine sahiptir.

Amonyağı termodinamik açıdan R12 ve R22 ile karşılaştıracak olursak;

+30 oC / -10 oC aralığında çalışan bir çevrimi için soğutma tesiri;

R12 için 28,9 kcal/kg, 120,41 kJ/kg

R22 için 39,01 kcal/kg, 162,54 kJ/kg olurken

NH3 için 264.83 kcal/kg , 1103.45 kJ/kg' dır.

Devrede 100 kg/h soğutucu akışkan için; soğutma kapasitesi

R12 için 2890 kcal/h, 12041,6 kJ/kg

R22 için 3901 kcal/h, 16254,16 kJ/kg olurken

NH3 için 26483 kcal/h , 110345,83 kJ/kg 'dır

Yine +30 0C / -10 0C çalışma aralığındaki bir çevrimin soğutma kapasitesi 50.000

Kcal/h olarak kabul edilir ise, devrede dolaşması gereken soğutucu akışkan miktarı;

R12 için 1730 kg/h

R22 için 1281 kg/h olurken

NH3 için 188 kg/h dır.

46

Bu sonuçlar ışığında amonyak;

• Amonyak, ozon dostu bir soğutkandır.

• Amonyak, sera etkisi yaratmaz.

• Isı pompası sistemleri CO2 emisyonunu azaltır.

• Geniş kapasite aralığı.

CFC, HCFC ve HFC sistemleri ile teknik açıdan karşılaştırıldığında avantajları

• Yüksek verimlilik (COP)

• Kompresör boyutlarında küçülme

• Daha küçük evaporatör

• Daha küçük kondenser

• Daha küçük ölçülerde boru ve vana kullanma imkânı

Amonyaklı sistemlerde boru tesisatı olarak genellikle demir kullanılır. Amonyağın

kuru metale karşı etkisi yoktur. Alüminyumların reaktif olmayan alaşımları

kullanılabilir. Bakır, diğer freonlu akışkanlar ile kullanılabilmesine karşın amonyaklı

sistemlerde, korozif etkiden dolayı kullanılmaz.

6.3.4. Diğer alternatif soğutkan akışkanlar

U.S. E.P.A. (Çevre Koruma Merkezi) ‘daki araştırmacılar CFC ve HCFC ler için iyi

alternatifler olarak görünen 11 tane yeni kimyasal madde belirlenmiştir. Bunların 9

tanesi hidroflorakarbon (HFC5), 2 tanesi hidrofloraether (HFF5) dir. Bunların fiziksel

özellikleri ve adları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

47

Çizelge 6.2. Alternatif soğutkan akışkanların fiziksel özellikleri

ALTERNATİF SOĞUTUCULARIN F FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

KAYNAMA

NOKTASI ºC

ERGİME NOKTASI

ºC

BUHARLAŞ. ISISI

ºC

KRİTİK SICAKLIK

Kj / mol

KRİTİK BASINÇ

kPa

KRİTİK YOĞUNLUK

kg / m³

ISI KAPASİTESİ Kj / kg

(40º)

YERİNE GEÇECEĞİ

REFRİJERAN CFC

HCF 227 ca

-16,30 -140,3 23,69 106,3 2,874 594 1,254 12

HCF 227 ea

-18,30 -127,1 22,73 102,8 2,943 580 1,258 12

HCF 236 cb

-1,44 -105,4 25,29 130,1 3,118 545 1,438 114

HCF 236 ea

6,50 -146,1 27,00 141,1 3,533 579 1,304 114

HCF 236 fa

-1,10 -94,2 25,62 130,6 3,177 556 1,371 114

HCF 245 ca

24,96 -73,4 29,05 178,4 3,855 529 1,454 11

HCF 245 cb

-18,30 -81,1 23,65 108,5 3,264 499 1,457 12

HCF 245 fa

15,30 -102,1 28,05 157,5 3,644 532 1,522 11

HCF 254 cb

-0,78 -121,1 24,82 146,1 3,753 467 1,590 114

HFE 125

-34,60 -156,1 21,81 80,7 3,253 584 1,327 115

HFE 143 a

-23,65 -149 21,58 104,9 3,588 439 N / A 12

Örneğin -5 oC/+35 oC şartlarında çalışan bir kompresörün soğutma kapasite değerleri

aşağıdaki gibidir.

R22 ---------- 9791 W

R134 a ---------- 8055 W

R404 a ----------10120 W

Buradan çıkan sonuç R404 a gazının kompresörlerde daha fazla kapasite verdiğidir.

Ancak bu gazın dezavantajı, R22 gazına oranla oldukça pahalı olmasıdır.

48

7. MATERYAL VE METOT

7.1. Deney Cihazlarının Tasarımı

Bu çalışma deneysel bir çalışma olup, ısı pompasının kurulmasında gerekli olan

malzemeler piyasadan temin edildi. Güneş kollektörü, Gaziantep M. Akif Ersoy

Endüstri Meslek Lisesi Tesisat Teknolojisi Bölümü Atölyesinde yapıldı. Deney seti

Gazi Üniversitesi Makine Eğitimi Bölümü Tesisat Öğretmenliği A.B.D.

Atölyelerinde kuruldu. Radyasyon değerleri Ankara meteoroloji müdürlüğünden

alındı.

7.2. Güneş Kollektörü

Şekil 7.1.Güneş Kollektörünün yapısı

49

Isı toplayıcı olarak kullanılan 1m2 düzlem yüzeyli kollektör, siyah çelik borulardan

yapıldı. Isı toplayıcı yüzeyi artırmak için kollektör borularının araları 1mm çelik sac

ile kapatıldı, tüm kolektör yüzeyi siyah boya ile boyandı. Kollektör, ısı pompası

devresine doğrudan bağlandı. Kollektörden ısı kaybının olmaması için kollektör

yüzeyi alttan 50 mm camyünü ile izole edildi. İzolasyon malzemesi ahşap kasa ve

galvanizli sac ile muhafaza altına alındı. Kollektör eğim açısı bölge enlem derecesi

+15 = xº olarak verildi (Şekil 7.1).

7.3. Isı Pompası Devresi

Isı pompasının kondenseri ısıtılacak su deposunun içerisine yerleştirildi. Su deposu

65 litre hacimli 2mm çelik sacdan yapıldı. 5 cm camyünü ile izole edildi. Kollektör,

evaporatör olarak düzenlendi ve ısı pompası devresine doğrudan bağlandı. Bu

şekilde, kollektör yüzeyinde absorblanan ısının kondensere iletilmesi amaçlandı.

Isı pompası devresinde soğutucu akışkan olarak R404a kullanıldı. Devrede dolaşımı

sağlamak için ½ BG’ lik kompresör kullanıldı (Şekil 7.2 – Şekil 7.3).

Şekil 7.2.Isı pompasının sisteme bağlanması1

50

Şekil 7.3.Isı pompasının sisteme bağlanması2

51

Resim 7.1.Güneş destekli ısı pompalı su ısıtıcısı deney setinin görünüşü

52

8. ENERJİ DENGESİ HESAPLARI

8.1. Deneylerin Yapılışı

Deneyler, güneşlenme şiddetinin düşük, ısı ihtiyacının ise fazla olduğu kış şartlarına

uygun olması için Mart 2006 da bir ay süre ile gerçekleştirildi. Isı transfer

yüzeylerinin tahmini boyutları hesaplanırken, en büyük ısı transferi göz önüne

alınmıştır. Deneyler her gün saat 11.00 – 16.00 arasında ve her gün üç saat süreyle

yapıldı. 22 / 03 / 2006 günü yapılan ölçümler örnek alınarak cihazın enerji denge

denklemleri çıkarıldı.

Ölçümler 12 kanallı dijital termometre kullanılarak, k tipi (Fe- cons) termokupl ile 10

dakika ara ile yapıldı. Güneşlenme şiddetinin yüksek olduğu saatlerdeki değerler

kullanılarak hesaplamalar yapıldı. Bu suretle cihaz performansının maksimuma

ulaşması amaçlandı.

Güneş ışınımı değerleri için Ankara Meteoroloji Genel müdürlüğü ölçümlerinden

yararlandı.

Kollektör, kış şartlarına göre enlem +15º eğimde yerleştirildi.

Hesaplamalarda, 22.03.2006 günü saat 11.00 – 14.00 arasındaki ölçümler kullanıldı.

Her 10 dakika ara ile Isıtma tesir katsayısı hesaplandı. Sonuçlar grafiklerle verildi.

53

Çizelge 8.1.Ankara meteoroloji müdürlüğünden alınan Mart 2006 saatlik güneş şiddeti değerleri

8.2. Termodinamik Hesaplamalar

Hesaplar için gerekli radyasyon değerleri Ankara meteoroloji Müdürlüğünden alınan

değerler çizelge 8.1. de verilmiştir. Sisteme ait termodinamik değerler ve semboller

şekil 8.1. de görülmektedir.

54

Şekil 8.1. Güneş destekli ısı pompalı su ısıtıcısına ait termodinamik değerler ve semboller

8.2.1. Kolektörün ısı kazancı hesabı

qh= 634,87 w/m2h (53.40cal/cm2h 22.03.2006 günü saat 13.00 Çizelge 8.1)

QH = AC x Fb x qh

AC = Kolektör yüzeyi (1m2)

Fb = Eğim açısı faktörü 1,33 alındı [18].

QH = AC x Fb x qh

QH = 1 x1,33 x 634,87 = 844,37 w/m2h

55

8.2.2. Isı pompasının ısıtma tesir katsayısı hesabı

Örnek hesaplama için, 22.03.2006 günü saat 13.00’deki ölçümler kullanılmıştır.

Suyun sıcaklığı Ti = 38,2 ºC

Ortam sıcaklığı Td = 23,2 ºC

Evaporatör giriş sıcaklığı Tb = 2 ºC

Kondenser giriş sıcaklığı Ty = 55 ºC

Evaporatöre giren enerji Qb = m(h1-h4)

Kompresörden alınan enerji QK = m(h2-h1)

Kondenserden alınan enerji Qy = m(h2-h3)

22.03.2006 günü saat 13.00’de alınan ölçümler kullanılarak, ısı pompası çevriminin

entalpi değerleri, Şekil 8.2. de verilen [Log(p)-h diyagramından alınmıştır.

h1= 369,6kj/kg,

h2= 396,8kj/kg,

h3= h4= 293,6 kj/kg

QH = 844,37 w/m2h → 844,37 / 1000 * 3600 = 3039,732 kj/h

QH = Qb = m(h1-h4) → m = Qb / (h1-h4)

m = 3039,732 / 369,6 – 293,6

m = 39,9 kg/h

QK = m(h2-h1) = 39,9 (396,8 – 369,6)

= 1085,28 kj/h

Qy = m(h2-h3) = 39,9 (396,8 – 293,6)

= 4117,68 kj/h

Isıtma tesir katsayısı ITK = Qy / Qk = 4117,68 / 1085,28

= 3,79

Carnot = T1 / T2-T1 = 273-2 / (273+55)-(273-2)

= 271 / 328-271 = 4,75

Isıtma verimi = ηısı = Copısı / Carnot = 3,79/4,75 = 0,797 ≈ %80

56

Şekil 8.2. R404a Log(p)-h diyagramında entalpi değerlerinin okunuşu

57

Şekil 8.3. Güneşlenme şiddetine göre kondenser sıcaklığının değişimi

Şekil 8.3’de güneş kolektörü üzerine düşen radyasyon miktarı arttığında kondenser

sıcaklığı da önce atmakta sonra düşmektedir. Bunun nedeni soğutma sistemindeki

gaz sıkışması olarak yorumlanmıştır.

Şekil 8.4. Güneşlenme şiddetine göre COP değişimi

58

Şekil 8.4’de güneş kolektöründen sisteme giren ısı enerjisi arttıkça, sistemin COP’u

artmaktadır. Şekil 8.5’de ise kondenser sıcaklığı arttıkça, sistemin COP’u

azalmaktadır.

Şekil 8.5. Kondenser sıcaklığına göre COP değişimi

Şekil 8.6. Zamana göre COP değişimi

59

8.2.3. Su deposunun ısı kaybı hesabı

QKa = K x A x (Ti-Td)

QKa = Su deposundan kayıp olan enerji (W).

K= Depo yüzeyinin toplam ısı iletim katsayısı (W/ m2 ºC).

A= Deponun toplam yüzey alanı ( m2 ).

Ti = Depo içindeki suyun sıcaklığı (38,2 ºC).

Td = dış sıcaklık (23,2 ºC).

1 1 d1 d2 d3 1 ----- = --------- + ---------- + ---------- + ----------- + ---------- K αi λ1 λ1 λ1 αd

d1 = Depo yüzey elemanı 1,5mm galvanizli çelik sac (m)

d2 = Depo yalıtım malzemesi, 50mm cam yünü (m)

d3 = Depo yüzey elemanı 0,5mm galvanizli çelik sac (m)

λ = Depo yüzey elemanlarının ısı geçiş katsayıları (W/m2K)

αi = Depo iç yüzeyin yüzeysel ısı taşınım katsayısı (W/m2K)

αd = Depo dış yüzeyin yüzeysel ısı taşınım katsayısı (W/m2K)

1 1 0,0015 0,05 0,0005 1 ----- = --------- + ------------- + ----------- + ----------- + --------- K 8 90 0,035 90 25

1/K = 0,12 + 0,000016 + 1,42 + 0,000005 + 0,04

1/K = 1,58

K = 0,632W/ m2 ºC

A = (0,3x0,5x2) + (0,3x0,45x2) + (0,45x0,5x2)

= 0,3 + 0,27 + 0,45

= 0,92 m2

QKa = KxAx(Ti-Td)

= 0,632 x 0,92 x (38,2-23,2)

60

= 8,72 W ≈ 8,72 x 3600 = 31,392 kj/h

Qsu = m x c x ∆T

Qsu = Suyun aldığı ısı enerjisi (kj/h)

m = Suyun kütlesi (Kg)

c = Suyun özgül ısısı (4,18 kj/kg h K)

∆T = Suyun ilk ve son sıcaklık farkı (ºC)

Qsu = 65 x 4,18 x (38,2-23,2) = 4075,5 kj/h

Qy = QKa + Qsu

= 31,39 + 4075,5 = 4106,89 kj/h

8.2.4. Kondenser yüzey alanı hesabı

Qy = hd x AK x (Ty-T0) x ήf

Qy = Kondenserden alınan enerji = 4117,68 kj/h

hd = Dış hava ısı taşınım katsayısı

AK = Kondenser yüzeyi alanı

Ty = Kondenser yüzeyi sıcaklığı

T0 = Kolektör yüzeyi sıcaklığı

ηf = Kanat verimi 0,9 alınabilir [1].

Qy 4117,68 4117,68 AK = ------------------------- = ------------------------------- = ----------------- hd x (Ty-T0) x ηf 15 x (55-34,3) x 0,9 279,45

AK = 14,73 m2

61

9. SONUÇ VE ÖNERİLER

9.1. Sonuç Bu çalışmada, güneş enerjisi destekli ısı pompasının deneysel olarak incelenmesi

sonucunda 1m2 kollektör yüzey alanından sisteme QH = 844,37 enerji girdisi

gerçekleşirken, yalıtımlı bir depodaki (K = 0,632W/ m2 ºC) suya, Qsu = 4075,5 kj/h

ısı enerjisi aktarılmıştır.

Bu uygulamada ısı pompasının ITK’sı 3,79 olarak hesaplanmıştır. Güneş

kolektöründen sisteme giren ısı enerjisi artıkça sistemin ITK’sı artmaktadır.

Suya aktarılan enerji 4075,5 kj/h, depodan kaybolan enerji 31,39 kj/h hesaplanmıştır.

Isı pompasından sisteme aktarılan toplam ısı 4106,89 kj/h (kondenserden alınan ısı

teorik olarak (p-h)’dan hesaplanmıştır.

Güneş destekli ısı pompası ile uygun sayıda ve ölçüde tasarım yapıldığında her türlü

ortam ısıtılabilir.

9.2. Öneriler

Bu çalışmada soğutucu akışkan olarak R404a kullanıldı. Isı pompalarında

kullanılabilecek diğer akışkanlarla yeni araştırmalar yapılabilir.

Kompresör gücü değiştirilerek sistem tekrar denenebilir.

Evaporatör (güneş kolektörü) konstrüksiyonu değiştirilebilir.

62

KAYNAKLAR

1. Usta, H., “Isı Borulu Güneş Kolektörü Destekli Isı Pompası”, Yüksek Lisans

Tezi Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Ankara, 1-4, 8-20 (1988). 2. Çomaklı, Ö., Kaygusuz, K., and Ayhan, T., “Solar-assisted heat pump and

energy storage for residental heating”, Solar Energy, 51 (5): 357-366 (1993). 3. İleri, A., “Yearly simulation of a solar-aided R22-DEGDME absorption heat

pump system”, Solar Energy, 55 (4): 255-265 (1995). 4. Abou-Ziyan, H. Z., Ahmed, M. F., Metwally, M. N. and Abd El-Hameed, H.

M., “Solar-assisted R22 and R134a heat pump systems for low-temperature applications”, Applied Thermal Engineering, 17 (5): 455-469 (1997).

5. Yamankaradeniz, R. and Horuz, I., “The theoretical and experimental

investigation of the characteristics of solar-assisted heat pump for clear days”, International Communications in Heat and Mass Transfer, 25 (6): 885-898 (1998).

6. Torres Reyes, E., Picon Nuñez, M. and Cervantesde J. G., “Exergy analysis

and optimization of a solar-assisted heat pump”, Energy, 23 (4): 337-344 (1998).

7. Huang, B. J., and Chyng, J. P., “Integral-type solar-assisted heat pump water

heater”, Renewable Energy, 16 (1-4): 731-734 (1999). 8. Esen, M., “Termal performance of a solar aided- latent heat store used for space

heating by heat pump”, Solar Energy, 69 (1): 15-25 (2000). 9. Kaygusuz, K., “Experimental and theoretical investigation of a solar heating

system with heat pump”, Renewable Energy, 21 (1): 79-102 (2000). 10. Hawlader, M. N. A., Chou, S. K. and Ullah, M. Z., “The performance of a

solar assisted heat pump water heating system”, Applied Thermal Engineering, 21 (10): 1049-1065 (2001).

11. Badescu, V., “Model of a solar-assisted heat-pump system for space heating

integrating a thermal energy storage unit”, Energy and Buildings, 34 (7): 715-726 (2002).

12. Kuang, Y. H., Wang, R. Z. and Yu, L. Q., “Experimental study on solar

assisted heat pump system for heat supply”, Energy Conversion and Management, 44 (7): 1089-1098 (2003).

13. Özkol, N., “Uygulamalı Soğutma Tekniği”, TMMOB Makine Mühendisleri

Odası Yayın No: 115, Ankara, 18-56 (1999).

63

14. 2000 Ashrae Handbook, “Heating, Ventilating andA ir-Conditioning Systems

and Equıpment”, USA, 85-128 (2000).

15. Çengel, Y. A., Boles, A. M., “Thermodynamics An Engineering Approach”, McGraw-Hill, USA, 30-45 (1989).

16. Ataer,E., Türkoğlu, H., Usta, H., “Ticari Soğutucularda Alternatif soğutucu

Akışkanların Kullanımı”, TTGV, Ankara, 15-50 (1999). 17. Andrew, D., “Modern Refrıgeratıon And Aırcondıtıonıng”, The Goodheart-

Wıllcox Company,Inc., South Holland, 8-16 (1982). 18. Uyarel, A., Öz, E.S., “Güneş Enerjisi ve Uygulamaları”, Emel Matbaacılık

sanayi, Ankara, 56 (1987).

64

ÖZGEÇMİŞ

Kişisel Bilgiler

Soyadı, adı : KILIÇ, Hüseyin

Uyruğu : T.C.

Doğum tarihi ve yeri : 01.03.1971 Nizip

Medeni hali : Evli

Telefon : 0 (505) 625 50 38

Faks :

e-mail : hkilic70@hotmail.com.

Eğitim Derece Eğitim Birimi Mezuniyet tarihi

Lisans Gazi Üniversitesi/ Teknik Eğitim

Fakültesi/ Makine Eğitimi Bölümü/

Tesisat Öğretmenliği 1992

Lise M. Akif Ersoy Endüstri Meslek Lisesi 1987

Ortaokul Köseler Köyü Orta Okulu 1984

İlkokul Gürbaşak Köyü İlkokulu 1981

İş Deneyimi

Yıl Yer Görev

1992-1997 Edirne Endüstri Meslek Lisesi Öğretmen/ Bölüm Şefi

1997- 2006 M. Akif Ersoy Endüstri Meslek

Lisesi / Gaziantep Öğretmen/ Bölüm Şefi

Yabancı Dil

İngilizce

Hobiler

Kitap okumak, Futbol izlemek, Müzik dinlemek, Seyahat, Bahçecilik, Piknik