tkip ekserjİ analİzİ
DESCRIPTION
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI EKSERJİ ANALİZİ ANLATILMAKTADIR.TRANSCRIPT
T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA
EKSERJİ ANALİZİ
Ömer PATLAR
Teknik Öğretmen, MSc.
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
Prof.Dr. Ahmet Korhan BİNARK
İSTANBUL 2006
T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA
EKSERJİ ANALİZİ
Ömer PATLAR
Teknik Öğretmen
(141101720040159)
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
Prof.Dr. Ahmet Korhan BİNARK
İSTANBUL 2006
T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KABUL VE ONAY BELGESİ
TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ
Ömer PATLAR’ın TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ
isimli Lisansüstü tez çalışması, M.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun
12.09.2006 tarih ve 2006/22-41 sayılı kararı ile oluşturulan jüri tarafından Makine Eğitimi
Anabilim Dalı Makine Eğitimi Programında YÜKSEK LİSANS Tezi olarak kabul edilmiştir.
Danışman: Prof. Dr. A. Korhan BİNARK (Marmara Üniversitesi)
Üye : Prof Dr. İsmail EKMEKÇİ (Marmara Üniversitesi)
Üye : Yrd. Doc.Dr. A. Talat İNAN (Marmara Üniversitesi)
Tezin Savunulduğu Tarih: 26 Eylül 2006
ONAY
M:Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun …….. tarih ve ……… sayılı kararı ile
Ömer PATLAR’ın Makine Eğitimi Anabilim Dalı Makine Eğitimi Programında Y.Lisans
(MSc.) derecesi alması onanmıştır.
Marmara Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
Prof.Dr.Adnan AYDIN
i
ÖNSÖZ
Fosil kaynaklı yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve kullanımları sonucu
çevre kirliliğine yol açmaları neticesinde alternatif bir ısıtma sistemi olarak ortaya çıkan
toprak kaynaklı ısı pompaları; verimli, ekonomik, çevreye dost koşullarda konfor sağlayan
cihazlardır.
Bu çalışmada toprak kaynaklı ısı pompası sistemini oluşturan elemanlar üzerinde
ekserji analizi uygulanmıştır.
Tüm hayatım boyunca her türlü destekleriyle yanımda olan, maddi manevi hiçbir
fedakarlıktan kaçınmayan aileme; tez çalışmam boyunca bana rehberlik eden, yol gösteren
değerli hocalarım Sayın Prof.Dr. A. Korhan BİNARK ve Dr. Mustafa ATMACA’ya
teşekkürlerimi sunarım.
Eylül, 2006 Ömer PATLAR
ii
İÇİNDEKİLER
SAYFA
ÖNSÖZ ........................................................................................................................ i
ÖZET ........................................................................................................………....... v
ABSTRACT ............................................................................................................... vi
YENİLİK BEYANI ................................................................................................ vii
SEMBOL LİSTESİ ................................................................................................. viii
ŞEKİL LİSTESİ ....................................................................................……........... x
TABLO LİSTESİ ..................................................................………........................ xii
BÖLÜM I. GİRİŞ VE AMAÇ ............................................................................... 1
BÖLÜM II. GENEL BÖLÜM ..................................................................…….... 3
II.1 TERMODİNAMİK BİLGİLER....................................................................... 3 II.1.1 Carnot ve Ters Carnot Çevrimleri…………………............................ 7 II.1.2 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi………………………..… 5 II.1.3 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi……………….….…… 6 II.1.4 Soğutma Makineleri ve Isı Pompaları…………………………….…. 8
II.2 ISI KAYNAKLARININ İNCELENMESİ………………………….……… 12 II.2.1 Hava…………………………………………………………….……… 12 II.2.2 Su……………………………………………………………….………. 13 II.2.3 Yer Altı Suyu…………………………………………………….…..… 13 II.2.4 Yer Üstü Suyu…………………………………………………….…… 13 II.2.5 Toprak…………………………………………………………….…… 13 II.2.6 Güneş……………………………………………………………….….. 15
II.3 ISI POMPALARININ SINIFLANDIRILMASI…………………….…….. 15
iii
II.3.1 Isı Pompası Sistemleri…………………………………………….…. 16 II.3.2 Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması………….. 17 II.3.3 Isı Kaynakları ve Isı Dağıtım Sistemlerine Göre Sınıflandırma….. 17 II.3.4 Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre Sınıflandırılması…….…… 18 II.4 ISI POMPASI ELEMANLARI……………………………………………. 20 II.4.1 Kompresörler………………………………………………………… 20 II.4.1.1 Pistonlu Kompresörler………………………………………... 21 II.4.1.2 Rotatif (dönel) Kompresörler………………………………… 23 II.4.1.3 Dişli (vida tipi) Kompresörler………………………………… 23 II.4.1.4 Turbo (santrifüj) Kompresörler……………………………… 24 II.4.1.5 Hermetik Kompresörler………………………………………. 24 II.4.2 Buharlaştırıcılar……………………………………………………… 25 II.4.2.1 Gövde Borulu Buharlaştırıcılar………………………………. 26 II.4.2.2 Koaksiyal Buharlaştırıcılar…………………………………… 26 II.4.2.3 Kanatlı Buharlaştırıcılar……………………………………… 27 II.4.3 Yoğuşturucular………………………………………………………. 27 II.4.3.1 Gövde Borulu Yoğuşturucular……………………………….. 27 II.4.3.2 Helezon Borulu Yoğuşturucular……………………………... 28 II.4.3.3 İçiçe Borulu Yoğuşturucular…………………………………. 29
II.4.4 Basınç Ayarlayıcılar…………………………………………………. 29 II.4.4.1 El Ayar Valfi……………………………………….………….. 29 II.4.4.2 Otomatik Genleşme Valfi…………………………….………. 30 II.4.4.3 Termik Genişleme Valfi………………………………………. 31 II.4.4.4 Şamandıralı Ayar Valfi……………………………………….. 33 II.4.4.5 Kapiler Borular………………………………………………... 33
II.4.5 Kumanda Kontrol Cihazları ve Diğer Yardımcı Elemanlar……… 34 II.4.5.1 Kapama Valfleri………………………………………………. 34 II.4.5.2 Termostat……………………………………………………… 35 II.4.5.3 Prosestatlar……………………………………………………. 35 II.4.5.4 Manometre…………………………………………………….. 35 II.4.5.5 Çekvalf…………………………………………………………. 36 II.5 ISI POMPALARINDA KULLANILAN SOĞUTUCU AKIŞKANLAR… 36 II.5.1 CFC (Kloroflorokarbon)…………………………………………….. 36 II.5.2 HCFC (Hidrokloroflorokarbon)………………………………...….. 37 II.5.3 HFC (Hidroflorokarbon)……………………………………………. 37 II.5.4 Karışımlar……………………………………………………………. 37 II.5.5 Doğal Akışkanlar…………………………………………………….. 38 II.5.5.1 Amonyak………………………………………………………. 38 II.5.5.2 Hidrokarbonlar (HC)………………………………………… 38 II.5.5.3 Su………………………………………………………….......... 39 II.5.5.4 Karbondioksit (CO2)………………………………………….. 39 II.5.6 Salamuralar………………………………………………………….. 39 II.5.6.1 Glikol Katkılı Salamuralar…………………………………… 39
iv
II.5.6.2 Korozyon Önleyiciler………………………………………….. 40 II.5.7 Alternatif Soğutucu Akışkanlar…………………………………….. 42 II.5.7.1 R-134a Soğutucu Akışkanının Özellikleri…………………… 42 II.5.8 Bir Soğutucu Akışkandan Beklenen Özellikler……………………. 42 II.6 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI TİPLERİ………………………… 44 II.6.1 Toprak Isı Değiştirici Tipleri………………………………………... 44 II.6.1.1 Yatay Toprak Isı Değiştiricileri………………………………. 46 II.6.1.2 Dikey Toprak Isı Değiştiricileri………………………………. 47 II.7 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASININ AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI................................................. 48 II.7.1 Avantajları…………………………………………………………... 48 II.7.2 Dezavantajları………………………………………………………. 49
BÖLÜM III. TEZ ÇALIŞMALARI ......................................................... 51
III.1 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI SİSTEMİNDE EKSERJİ ANALİZİ…………………………………………….….……… 51 III.1.1 Tersinir İş ve Tersinmezlik……………………………………..…. 51 III.1.2 Faydalı İş ve Faydalı Tersinir İş………………………………….. 54 III.1.3 Maksimum Faydalı İş-Kullanılabilir Enerji……………………… 54 III.1.4 Kullanılabilir Enerji Denklemi……………………………………. 54 III.1.5 İkinci Kanun Verimi……………………………………………….. 58 III.2 TEORİK UYGULAMA VE ANALİZ……………………..……………… 59
BÖLÜM IV. SONUÇLAR.............................……….................................... ………96
BÖLÜM V. TARTIŞMA VE DEĞERLENDİRMELER ..………….........100
KAYNAKLAR ......................................................……….........................................102
EKLER ..................................................................………...........................................104
ÖZGEÇMİŞ ................................................................................................................123
v
ÖZET TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ
Dünya nüfusu ile paralel artış gösteren enerji tüketim miktarı, insanları yeni enerji
kaynakları aramaya ve varolan enerji kaynaklarını verimli kullanmaya zorlamaktadır. İhtiyaç
duyulan enerjinin büyük bir kısmının ithal olarak elde edildiği ülkemizde, enerjinin tasarruflu
kullanılması büyük önem taşımaktadır. Enerji sarfiyatının büyük bir kısmı ısıtma
sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu nedenle ısıtma sistemlerinde aranan başlıca özellikler
konfor ve düşük enerji sarfiyatıdır.
Isı pompası, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve elektrikle beslenen
bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez; sadece ya biçim
değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan
diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma” kabiliyetinden alır.
Bu çalışmada ısı pompasının çalışma prensibi, ısı pompası çeşitleri, ısı pompalarını
oluşturan elemanlar anlatılmış ve toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemine ekserji analizi
uygulanarak ekserji kayıpları belirlenmiştir.
Eylül, 2006 Ömer PATLAR
vi
ABSTRACT EXERGY ANALYSIS OF GROUND SOURCED HEAT PUMPS
Energy consumption of the world which is simulatenously growing with the world’s
population urge humans to find new energy sources and to efficently use existent ones. In our
country, in which majority of needed energy is imported, it has a big importance to
providently use energy. Most of energy is consumpted for heating. So that, the main
properties which are requried on heating system are comport and low energy consumption.
Heat pump is a device that transports energy from somewhere to another and it’s a
system that energized by electricity. As it is known, energy can’t be created from nothing or
can’t be annihilated, ıts form just could be changed or could be translated. Heatpump got its
name from its function – carring and pumping heat from place to place.
In this study, working principle of the heating pump, its kinds, the equipments which
consists heating pump will be explaned and an exergy analysis applied ground sourced heat
pump system’s energy wasting will be examined.
September, 2006 Ömer PATLAR
vii
YENİLİK BEYANI TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ
Isı pompaları bir ortamdan diğer bir ortama ısı aktararak konfor şartlarını sağlamak
amacıyla gerektiğinde ısıtma, gerektiğinde soğutma yapan ısı taşıyıcı cihazlardır. Toprak
kaynaklı ısı pompaları da, toprağı ısı kaynağı veya ısı çukuru olarak kullanan; toprağın
derinlere inildikçe havaya göre nispeten sabit sıcaklıkta kalması avantajından faydalanan;
mekanların ısıtılması, soğutulması ve sıcak su temini için kullanılan elektrikle çalışan
sistemlerdir. Toprak kaynaklı ısı pompaları Avrupa ülkeleri göz önüne alındığında Türkiye
için henüz yeni bir teknolojidir.
Bu çalışmada teorik olarak bir toprak kaynaklı ısı pompası sistemi kurulmuş, sistemin
ana parçaları olan yoğuşturucu, buharlaştırıcı, kompresör ve kısılma vanası için enerji ve
ekserji denklemleri uygulanarak, her bir parçanın tesirliliği bulunmuştur.
Bu çalışmada ayrıca toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin termodinamik
analizinde ve sistem optimizasyonunda etkin olarak kullanılabilecek ekserji analizine ait
temel kavramlar verilmiştir.
Eylül 2006 Prof.Dr.A.Korhan BİNARK Ömer PATLAR
viii
SEMBOL LİSTESİ
β : Isı pompası etkinlik katsayısı
cp : Sabit basınçta özgül ısı (kj / kg oK)
cpo : Sabit basınçta mükemmel gaz özgül ısısı (kj / kg oK)
g : Yerçekimi ivmesi (m/s2)
G : Gibbs fonksiyonu
h : Entalpi (kj/kg)
I : Tersinmezlik (kj)
ka : Akış kullanılabilirliği (kj/kg)
L : Boy (m)
m : Kütle (kg)
n : Mol sayısı (kmol)
P : Basınç (bar,kPa)
R : Gaz sabiti (kj / kg oK)
s : Entropi (kj / kg oK)
T : Sıcaklık (oK)
t : Zaman (s)
Q : Isı alışverişi (kj)
u : iç enerji (kj/kg)
V : Hız (m/s)
v : Özgül hacim (m3/kg)
w : Birim kütle başına yapılan iş (kj/kg)
W : iş (kj)
.
W : Bir anda yapılan iş (kj/s)
Wky : Birim kütle başına kayıp iş (kj/kg)
ε : Tesirlilik
ix
ρ : Yoğunluk (kg/m3)
λ : Lineer yük kayıp katsayısı
∆T : Sıcaklık farkı (oK)
∆s : Entropi değişimi (kj / kg oK)
Alt İndisler
ç : Açık sistemden çıkış hali
ç : Çevre
f : Oluşum
g : Açık sisteme giriş hali
m : Kütlesel
tr : Tersinir
0 : Civar ölü hal özellikleri
Üst İndisler
'
: Bir andaki değişim
x
ŞEKİL LİSTESİ SAYFA NO
Şekil II.1 Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı ………………………………….… 4
Şekil II.2 Ters Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı ………………………….... 5
Şekil II.3 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi Düzeni ve T-s Diyagramı …….… 6
Şekil II.4 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ve T-s Diyagramı …………….. 7
Şekil II.5 Soğutma Çevrimi Elemanları …………………..……………………………. 9
Şekil II.6 Isı Pompası Elemanları…………………...…………………………….…….. 11
Şekil II.7 Isı Pompası Isıtma Tesisi ……………….……………………………………. 15
Şekil II.8 İkili Alternatif Çalışan Isıtma Sistemleri ………………………………..…… 19
Şekil II.9 İkili Paralel Çalışan Isıtma Sistemleri ………………..………………………. 20
Şekil II.10 Çeşitli Kompresör Tipleri …………………………………….…………...... 21
Şekil II.11 Pistonlu Kompresörlerin Çalışma Çevrimi ……………………………......... 22
Şekil II.12 Dişli (Vida Tipi) Kompresör ………………………………………………... 24
Şekil II.13 Gövde Borulu Buharlaştırıcı ..…………………………………….….……... 26
Şekil II.14 Kanatlı Buharlaştırıcı …………………………….…………………...…...... 27
Şekil II.15 Gövde Borulu Yoğuşturucu …………………………………………….…... 28
Şekil II.16 Helezon Borulu Yoğuşturucu ………………………………….………........ 28
Şekil II.17 İç İçe Borulu Yoğuşturucu ……………………………………………......... 29
Şekil II.18 El Kumandalı Ayar Valfi ………………………………………….………... 30
Şekil II.19 Otomatik Genleşme Valfi ……………………………………………..…..... 30
Şekil II.20 İç Dengelemeli Termik Genişleme Valfi ………………………………........ 32
Şekil II.21 Valf İğnesini Etkileyen Faktörler …………………………………….……... 32
Şekil II.22 Termostatın İç Yapısı.…………………..……………………….………....... 35
Şekil II.23 Çekvalf ………………………………………………………….................... 36
Şekil II.24 Yatay Toprak Isı Değiştiricisi……………………………………..……….... 45
Şekil II.25 Dikey Toprak Isı Değiştiricisi………………………………….…................. 45
xi
Şekil II.26 Seri ve Paralel Akışlı Yatay Yer Isı Değiştiricileri …………………………. 47
Şekil II.27 Kesit Geometrilerine Göre Dikey Yer Isı Değiştiricileri…………................. 47
Şekil III.1 Sistemin Gerçek Hal Değişimi ve Tersinir Hal Değişimi ………………….... 51
Şekil III.2 Kış Durumu……………………………………………. ………………….... 60
Şekil III.3 Yaz Durumu……………………………………………..………………….... 79
Şekil IV.1. Sıcaklık Değişiminin Tesirliliğe Etkisi………………………………………. 96
Şekil IV.2.Toprak Isı Değiştiricisi Gömme Derinliğinin Toprak Isı Değiştiricisi
Boru Uzunluğuna Etkisi….…………………………………………………... 97
Şekil IV.3 Kompresör Veriminin Kompresör Tesirliliğine Etkisi……………………….. 98
Şekil IV.4 Farklı Dış Sıcaklık Değerleriyle Kondanser Tesirliliğinin Değişimi……..….. 99
xii
TABLO LİSTESİ
SAYFA NO Tablo II.1 Isı Pompası ve Isı Pompası Tesisi Adlandırma Örnekleri................................ 18
Tablo III.1 F(z) integralleri (Ingersoll ve Plass, 1955)........................................................ 71
Tablo III.2 Değişik Toprak Tiplerinin fph Biriminde Fiziksel Özellikleri…......................72
Tablo IV.1 Kompresör Giriş Sıcaklığı Değişiminin Tesirliliğe Etkisi………………...…. 96
Tablo IV.2 Toprak Isı Değiştiricisi Gömme Derinliğinin Toprak Isı Değiştiricisi
Boru Uzunluğuna Etkisi…………………………………………… ………... 97
TabloIV.3 Kompresör Veriminin Kompresör Tesirliliğine Etkisi…….……………...…. 98
TabloIV.4 Farklı Dış Sıcaklık Değerleriyle Kondanser Tesirliliğinin Değişimi………... 98
1
BÖLÜM I
GİRİŞ VE AMAÇ
Gelişen teknoloji ve hızlı nüfus artışıyla beraber artan enerji ihtiyacı ve
birincil yakıt rezervlerinin tükenme noktasına gelmesi, insanları yeni enerji
kaynakları üretmeye ve enerjiyi verimli kullanmaya mecbur bırakmıştır. Isıtma
sistemlerinde bir alternatif olarak ortaya çıkan ısı pompası teknolojisi, uzun yıllardır
bilinmektedir. Yaygın olarak kullanılmaya başlanması yakıt fiyatlarının artışı ve
alternatif ısıtma sistemlerinin ön plana çıkmasıyla gündeme gelmiştir.
Günümüzde klasik ısıtma sistemlerinin tamamına yakını fosil yakıtlarla
çalışmaktadır. Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması, giderek
maliyetlerinin yükselmesi ve çevreye verdiği zararlar sonucu alternatif ısınma
sistemleri doğmuştur. Isıtma sistemlerinde en belirleyici faktörler konfor, maliyet ve
verimdir. Mevcut ısıtma sistemleriyle aynı şartları sağlayan birçok alternatif ısıtma
sistemi ortaya çıkmıştır. Isı pompaları da yüksek verimleri ile ön plana çıkan
alternatiflerden biridir.
Pek çok kişiye oldukça yabancı bir kavram gibi görünen ısı pompaları aslında
uzun zamandır hayatımızın içindedir. Evlerimizdeki buzdolabı, klima gibi cihazların
hepsi ısı pompasının birer örneğidir. Basit bir ifade ile ısı pompası, düşük
sıcaklıktaki ısı kaynağından, yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına ısı aktaran
makinelerdir. Çalışma prensibi soğutma makinesi ile aynı, ancak kullanma amacı
farklıdır. Isıyı doğal akım yönünün tersine taşıdığı için ısı pompası adını almıştır.
Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri’nde ısı pompaları yıllardır yaygın bir şekilde
uygulanmakta ve bu devletler tarafından tüm uygulamalar teşvik edilmektedir.
Dünyadaki 26 ülkede yalnız toprak kaynaklı ısı pompalarının kurulu gücü 6875 MW
2
ve yıllık enerji kullanımı ise 23287 TJ’dur. Kurulu olan cihazların gerçek sayısı
512700 civarındadır. Ülkemizde ise son birkaç yıldır gündeme gelmiş olup, birçok
konutta ısıtma/soğutma amaçlı olarak uygulamaya sokulmuştur. Henüz ülkemizde
toprak kaynaklı ısı pompaları imal edilmemektedir. Ülkemizde bu konuda çalışan
firma sayısı çok azdır. Isı pompaları, gerekli iyileştirmeler yapıldığı takdirde yüksek
performansları ve düşük enerji tüketimleri ile, enerjiye yüksek bedeller ödeyen,
üstelik birbiri ardı sıra enerji krizleri yaşayan ülkemize ekonomik anlamda büyük
katkılar sağlayacaktır.[1]
Termodinamiğin 2. kanuna dayanan ekserji analizi; enerji kayıplarının yerini
ve büyüklüğünü, kullanılamaz enerjiyi ve doğal kaynakların verimsiz
kullanılmalarını başarıyla tespit eder. Ekserji kavramı esas alınarak enerji
dönüşümlerinin gerçek verimliliğini ve verimsizliği oluşturan süreç ve ekipmanları
saptayabiliriz.
Bu çalışmada, toprak kaynaklı ısı pompası sistemi üzerinde ekserji analizi
uygulanmıştır. Sistemdeki ana eleman ve ekipmanlar tek tek ele alınıp ekserji analizi
uygulanarak ekserji kayıplarının belirlenmesi amaçlanmıştır.
3
BÖLÜM II
GENEL BİLGİLER
II.1 TERMODİNAMİK BİLGİLER
II.1.1 Carnot ve Ters Carnot Çevrimleri
Isı makineleri bir çevrim gerçekleştirerek çalışırlar ve aracı akışkan her
çevrim sonunda ilk haline dönmektedir. Çevrimin bir bölümünde aracı akışkanın
üzerine iş yapılırken, diğer bir bölümünde ise aracı akışkan iş yapar. İkisi arasındaki
fark ısı makinesinin net işidir. Isı makinesi çevriminin verimi büyük ölçüde çevrimi
oluşturan hal değişimlerinin nasıl gerçekleştiğine bağlıdır. Net iş ve buna bağlı
olarak çevrimin ısıl verimi, en çok iş yapılan ve en az iş yapılmasını gerektiren hal
değişimlerini, başka bir deyişle tersinir hal değişimlerini kullanarak en yüksek
verimlere çıkarılabilir. Tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan tersinir
çevrimler, en yüksek verime sahiptir.
Tersinir çevrimlere gerçek uygulamalarda rastlanmaz, çünkü gerçek hal
değişimlerindeki tersinmezlikler yok edilemez. Fakat tersinir bir çevrimin verimi,
gerçek çevrimlerin ulaşacakları en yüksek verimi belirler. Aynı zamanda tersinir
çevrimler, gerçek çevrimlerin gerçekleştirilmesi aşamasında başlangıç noktalarını
oluşturur. [2]
1824 yılında Fransız mühendis ve bilim adamı olan Sadi Carnot tarafından
ortaya atılan Carnot çevrimi, en çok bilinen tersinir çevrimdir. Carnot çevrimi, ikisi
sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur.
1-2 Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme 2-3 Tersinir adyabatik genişleme
3-4 Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma 4-1 Tersinir adyabatik sıkıştırma
4
Şekil II.1 Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı
P-v diyagramında sanki-dengeli (içten tersinir) bir hal değişimi sırasında
yapılan sınır işi, hal değişimi eğrisi altında kalan alandır. Bu nedenle 1-2-3 eğrisi
altında kalan gazın genişleme sırasında yaptığı işi, 3-4-1 eğrisi altında kalan ise gazı
sıkıştırmak için yapılması gereken işi simgelemektedir. Çevrimin hal değişimi
eğrilerinin kapsadığı alan (1-2-3-4-1), bu ikisi arasındaki farktır ve çevrim sırasında
yapılan net işi göstermektedir.
Tersinir bir çevrim olan Carnot çevrimi , verilen iki sıcaklık sınırı arasında en
yüksek verime sahip olan çevrimdir. Carnot çevrimi uygulamada gerçekleştirilemez,
fakat gerçek çevrimlerin verimlerini Carnot çevriminin verimleriyle karşılaştırmak
ve gerçek çevrimlerde buna göre iyileştirmeler yapmak mümkündür.
Yukarıda açıklanan Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrim
olduğundan, çevrimi oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleşebilir. Bu
durumda elde edilen çevrime “Carnot Soğutma Çevrimi” veya “Ters Carnot
Çevrimi” adı verilir. Bu çevrimde ısı ve iş etkileşimlerinin yönü değişmektedir.
Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposundan, QL miktarında ısı alınmakta, yüksek
sıcaklıktaki ısıl enerji deposuna QH miktarında ısı verilmektedir. Bu çevrimi
gerçekleştirmek için ayrıca sistem üzerine iş yapılmaktadır. Şekil II.2’de çevrimin
P-v ve T-s diyagramları gösterilmiştir.
5
Şekil II.2 Ters Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı
Ters Carnot çevrimi, belirli sıcaklıklardaki iki ısıl enerji deposu arasında
çalışan en etkin soğutma çevrimidir. Soğutma makineleri ve ısı pompaları için ideal
çevrim olarak önce Carnot çevriminin incelenmesi gerekir. Uygulanabilir olması
durumunda Carnot çevriminin ideal çevrim olarak seçilmesi gerekir. Fakat aşağıda
sıralanan nedenlerle bu çevrimin uygulamada gerçekleştirilmesi olanaksızdır.
Isı geçişinin olduğu iki izotermal hal değişimi uygulamada gerçekleşebilir,
çünkü doyma bölgesinde basıncın sabit kalması sıcaklığında sabit kalmasını sağlar.
Dolayısıyla 1-2 ve 3-4 buharlaştırıcı ve yoğuşturuculardaki gerçek duruma yakındır.
Fakat 2-3 ve 4-1 hal değişimlerinin uygulamada gerçekleştirilmesi zordur. Çünkü 2-3
hal değişimi bir sıvı buhar karışımının sıkıştırılmasını başka bir deyişle iki fazlı
akışkan çalışan bir kompresörü gerektirir. 4-1 hal değişimi ise sıvı oranı yüksek bir
karışımın genişlemesidir. Bu sorunların, Carnot çevrimini doyma bölgesinin dışında
gerçekleştirerek çözüleceği düşünülebilir, fakat bu kez de ısı geçişi işlemlerinde sabit
sıcaklık koşulunun yerine getirilmesi zorluk çıkaracaktır. Bu nedenlerden ötürü ters
Carnot çevrimi uygulamada gerçekleştirilemez. Bununla birlikte ters Carnot çevrimi,
gerçek soğutma çevrimlerinin karşılaştırılabileceği bir standart oluşturur.
II.1.2 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi
Ters Carnot çevriminin uygulanmasındaki güçlükler, buharı sıkıştırmadan
önce tümüyle buharlaştırarak ve 4-1 hal değişimindeki genişlemeyi bir kısılma işlemi
ile gerçekleştirerek aşılabilir. Bu şekilde elde edilen çevrim “ideal buhar sıkıştırmalı
çevrim” olarak bilinir. Bu çevrimin genel çizimi ve T-s diyagramı Şekil II.3’de
verilmiştir.
6
Şekil II.3 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminin Düzeni ve T-s Diyagramı
T-s diyagramında, içten tersinir bir hal değişiminin eğrisi altında kalan alan
ısı geçişini temsil eder. Bu nedenle 4-1 hal değişimi eğrisi altında kalan alan
buharlaştırıcıda soğutucu akışkanın çektiği ısıyı, 2-3 hal değişimi eğrisinin altında
kalan alan da yoğuşturucuda soğutucu akışkanın çevreye verdiği ısıyı gösterir.
Yaklaşık bir kural olarak buharlaştırıcı sıcaklığındaki her 1 oC’lik artma veya
yoğuşturucu sıcaklığındaki 1 oC’lik azalma için etkinlik katsayısının yüzde 2 ile 4
arasında arttığı söylenebilir.
II.1.3 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi
Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan
farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki
tersinmezliklerden kaynaklanır. Tersinmezliğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine
neden olan akış sürtünmesi ve çevreyle olan ısı alışverişidir. Gerçek bir buhar
sıkıştırmalı soğutma çevriminin T-s diyagramı Şekil II.4’de gösterilmektedir.
7
Şekil II.4 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ve T-s Diyagramı
İdeal çevrimde, buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş
buhar halinde girer. Bu koşul uygulamada gerçekleştirilemez, çünkü soğutucu
akışkanın halini hassas bir şekilde kontrol etmek olanaksızdır. Bunun yerine sistem
soğutucu akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak
biçimde tasarlanır. Burada amaç, akışkanın kompresöre girişinde tamamen buhar
olmasını güvenceye almaktır. Ayrıca buharlaştırıcı ile kompresör arasındaki bağlantı
genellikle uzundur, böylece akış sürtünmesinin yol açtığı basınç düşmesi ve çevreden
soğutucu akışkana olan ısı geçişi önem kazanabilir. Yukarıda sıralanan etkilerin
toplam sonucu, soğutucu akışkanın özgül hacminin ve buna bağlı olarak kompresör
işinin artmasıdır. Çünkü sürekli akış işi özgül hacimle doğru orantılıdır.
İdeal çevrimde sıkıştırma işlemi içten tersinir ve adyabatiktir, başka bir
deyişle izantropiktir. Gerçek sıkıştırma işleminde ise, entropiyi etkileyen akış
sürtünmesi ve ısı geçişi vardır. Sürtünme entropiyi artırırken ısı geçişi ise hangi
yönde olduğuna bağlı olarak entropiyi artırır veya azaltır. Bu iki etkiye bağlı olarak
soğutucu akışkanın entropisi sıkıştırma işlemi sırasında artabilir (1-2 hal değişimi)
veya azalabilir (1-2’ hal değişimi). Sıkıştırmanın izantropik olmaktansa, 1-2’ hal
değişimine göre olması tercih edilir, çünkü kompresör işi bu durumda daha az
8
olacaktır. Bu bakımdan soğutucu akışkanın sıkıştırma işlemi sırasında soğutulması
ekonomik ve uygulanabilir olduğu sürece yararlıdır.
İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör
çıkış basıncında doymuş sıvıdır. Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışı ile kısılma
vanası girişi arasında belirli bir basınç düşüşü vardır. Akışkanın kısılma vanasına
girmeden önce tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam
bir hassasiyetle gerçekleştirmek zor olduğundan, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle
sıkıştırılmamış sıvı bölgesindedir. Soğutucu akışkan doyma sıcaklığından daha düşük
bir sıcaklığa soğutulur, başka bir deyişle aşırı soğutulur. Bunun bir sakıncası yoktur,
çünkü bu durumda soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük bir entalpide girer
ve buna bağlı olarak ortamdan daha çok ısı çekilebilir. Kısılma vanası ile
buharlaştırıcı birbirine çok yakındır, dolayısıyla aradaki basınç düşüşü küçüktür.
II.1.4 Soğutma Makineleri ve Isı Pompaları
Isı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen bir gerçektir;
yani ısı geçişi, yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal
bir olgudur ve kendiliğinden gerçekleşir. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek
sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi ancak soğutma makinelerinin kullanımı ile
olanaklıdır. Soğutma makineleri bir çevrim esasına göre çalışır ve soğutma
çevriminde kullanılan akışkana “soğutucu akışkan” adı verilir. En yaygın kullanılan
soğutma çevrimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir ve Şekil II.5’deki dört
elemanla çevrim gerçekleşir.
9
Şekil II.5 Soğutma Çevrimi Elemanları
Soğutucu akışkan kompresöre buhar olarak girer ve burada yoğuşturucu
basıncına sıkıştırılır. Kompresör çıkışında kızgın buhar halinde olan akışkan çevre
ortama ısı vererek soğur ve yoğuşur. Akışkan yoğuşturucudan sonra kılcal borulara
girer ve kısılma etkisiyle basıncı ve sıcaklığı büyük ölçüde azalır. Soğutucu aışkan
daha sonra buharlaştırıcıda soğutulan ortamdan ısı alarak buharlaşır. Çevrim,
buharlaştırıcıdan akışkanın kompresöre girmesiyle tamamlanır. Yukarıdaki şekilde
bir soğutma makinesinin genel çizimi gösterilmiştir. Burada QL, TL sıcaklığındaki
soğutulan ortamdan çekilen ısıyı göstermektedir. QH ise TH sıcaklığındaki ılık ortama
verilen ısıyı simgelemektedir. Wnet,giren soğutma makinesine girilen net iştir. [3]
Bir soğutma makinesinin verimi “etkinlik katsayısı” ile ifade edilir ve β ile
gösterilir. Soğutma makinesinin amacı soğutulan ortamdan ısı (QL) çekmektir. Bu
amacı gerçekleştirmek için iş (Wnet,giren) yapılması gerekir. Bu durumda soğutma
makinesinin etkinlik katsayısı aşağıdaki gibi ifade edilir.
)(
)(
enerjiharcanan
enerjiistenen edilmek elde
12
41
, hhm
hhm
W
Q
R
R
girennet
LSM
−
−===β
Bu çevrim için enerjinin korunumu ilkesi
Wnet,giren = QH - QL
10
olduğundan, soğutma makinesinin etkinlik katsayısı,
1/
1
−=
−=
LHLH
LSM
QQQQ
Qβ
şeklinde de yazılabilir. β değeri birden büyük olabilir. Başka bir deyişle soğutulan
ortamdan çekilen ısı bunu sağlamak için yapılması gereken işten büyük olabilir.
Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıkta bir ortama ısıl enerji
aktaran bir başka makine de Şekil II.6’da gösterilen ısı pompasıdır. Soğutma
makineleri ve ısı pompaları aynı çevrimi gerçekleştirirler, fakat kullanım amaçları
farklıdır. Bir soğutma makinesinin amacı düşük sıcaklıktaki ortamı, ortamdan ısı
çekerek çevre sıcaklığının altında tutmaktır. Daha sonra çevreye veya yüksek
sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi, çevrimi tamamlamak için yapılması zorunlu bir
işlemdir, fakat amaç değildir. Isı pompasının amacı ise bir ortamı sıcak tutmaktır. Bu
işlevi yerine getirmek için düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan alınan ısı,
ısıtılmak istenen ortama verilir. Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposu genellikle soğuk
çevre havası, kuyu suyu veya toprak olurken, ısıtılmak istenen ortam ise evin içidir.
Isı pompasının etkinliği de “etkinlik katsayısı” βIP ile ifade edilir.
)(
)(
enerjiharcanan
enerjiistenen edilmek elde
12
23
, hhm
hhm
W
Q
R
R
girennet
HIP
−
−===β
HLLH
HIP
QQQQ
Q
/1
1
−=
−=β
Yukarıdaki denklemler karşılaştırıldığı zaman, QH ve QL değerleri her iki çevrimde
de eşit olmak koşulu ile aşağıdaki sonuç elde edilir.
β IP = β SM + 1
Bu sonuç ısı pompasının etkinlik katsayısının her zaman 1’den büyük olduğunu
göstermektedir. Çünkü β SM her zaman artı değere sahiptir. Başka bir deyişle, en kötü
durumda bile ısı pompası bir elektrikli ısıtıcı gibi çalışıp tükettiği elektrik enerjisini
eve ısı olarak aktaracaktır. Bugün kullanılan ısı pompalarının mevsimlik ortalama β
değerleri 2 ile 3 arasındadır.[4]
11
Şekil II.6 Isı Pompası Elemanları
Isı pompası basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve
elektrikle beslenen bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var
edilemez; sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da
adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma”
kabiliyetinden alır. Örnek olarak dalgıç pompaları verilebilir. Dalgıç pompaları nasıl
suyu üretmiyorsa, ısı pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar. Dalgıç
pompalarının su pompalamak için bir su kaynağına daldırılmasına benzer olarak, ısı
pompaları da yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı
taşıyamazlar. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük
maliyetlerle kullanıma sunulabilir.
Isı pompaları genel anlamda ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlar. Bunun
için de bir ısı çukuruna ihtiyaç vardır. Ülkemizde kullanılan ısı pompalarının hemen
hemen hepsi ısı çukuru olarak havayı kullanmaktadır.Günümüzde havayı ısı çukuru
olarak kullanan ısı pompaları Split Klima ve Chiller olarak adlandırılır. Hava
kaynaklı cihazların verimleri, dış hava sıcaklıklarının değişimlerinde, farklı değerler
alırlar. Verim değerlerinin gün içinde sabit kalmaması nedeniyle işletme
maliyetlerinde istenmeyen artışlar meydana gelir. Bu verim değişimlerini önleyen
12
sıcaklığı sabit kabul edilebilecek ısı çukurları da mevcuttur. Bu amaçla kullanılan ve
sıcaklığı sabit kabul edilebilen ısı çukurları toprak ve sudur. [1]
II.2 Isı Kaynaklarının İncelenmesi 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 kaynağı seçilirken coğrafi
konum, iklim şartları, ilk maliyet ve uygunluk göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca
ısı kaynağı sıcaklığının büyük değişimler göstermemesi de istenen önemli
özelliklerden biridir. Isı pompalarında başlıca dört kaynaktan yararlanılabilir. Bunlar;
a - Hava
b - Su
c - Toprak
d - Güneş enerjisi’dir.
Isı kaynağı olarak kullanılan suyu, yer altı ve yerüstü olarak iki başlık altında
toplamak mümkündür. Bunun yanında atık ısıların ve lağım sularının da ısı kaynağı
olarak kullanılabilmesi mümkündür. Yukarıda sıralanan ilk üç ısı kaynağı tek
başlarına kullanılabilir ancak güneş enerjisi genellikle yardımcı kaynak olarak
kullanılmaktadır.
II.2.1 Hava
Isı pompaları için hava; her yerde bulunabilen, bedava ve tükenmez bir
kaynaktır. En büyük yararları, sürekli bulunmasından başka, her ortamda
kullanılması; kullanılan ekipmanların makul boyutlarda olması, düşük işletme ve
tesis maliyeti gerektirmesidir. Ayrıca tasarımı için çok geniş ve ayrıntılı bilgi
kaynakları mevcuttur.
Hava kaynaklı ısı pompalarının iki büyük dezavantajı sıcaklık değişimi ve
buzlanma problemidir. Hava kaynaklı ısı pompalarının tasarımı hava sıcaklığı
değişimi ile çok ilgilidir. Birçok yerde hava sıcaklığının değişimi büyüktür.
Dolayısıyla ısıtma yükü, hava sıcaklıklarının düşük olduğu zamanlarda yüksek
olmaktadır. 0 oC ve daha düşük sıcaklıklarda ısı değiştirici yüzeylerinde don
meydana gelir. Periyodik olarak donun çözülmesi gerekir.
13
II.2.2 Su
Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekesinden ve üretim işlerinden
elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir.
II.2.3 Yeraltı Suyu
Kuyu suyu 45-150 metre derinliklerde kuzey ülkelerinde 10 oC, güney
ülkelerinde ise 16 oC civarında elde edilebilir. 10 metre ve daha fazla derinliklerde
yer altı 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.
Yer altı suları uygun derinlikte, yeterli miktar ve kalitede bulunduğu taktirde
sıcaklığının nispeten sabit kalması nedeniyle ısı pompaları için uygun gösterilebilir.
II.2.4 Yerüstü Suyu
Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından yararlanıldığında
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 metre 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. [4]
II.2.5 Toprak
Isı kaynağı olarak toprağın kullanılması hava ve su kaynaklı sistemlere
nazaran daha pahalıdır. Toprak altına gömülen boru sistemine “toprak ısı
değiştiricisi” adı verilir. Bu borular vasıtasıyla toprağın ısısı, ısı taşıyıcı akışkana
veya çevrimin atık ısısı, ısı taşıyıcı akışkandan toprağa aktarılır. Toprak altına
gömülen borularda ısı taşıyıcı akışkan olarak; doğrudan soğutucu akışkan veya su-
antifriz karışımı kullanılır. Toprağa gömülü boruların içinde doğrudan soğutucu
14
akışkan kullanmak, soğutucu akışkan ihtiyacının artmasına neden olur. Bu nedenle
soğutucu akışkanın pahalı olmasından dolayı genellikle ısı taşıyıcı akışkan olarak
boru içerisinde su-antifriz karışımı kullanılmaktadır.
Toprak ısı değiştiricileri yatay ve dikey olmak üzere iki şekilde yerleştirilirler.
Toprağın bileşimi, yoğunluğu, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği toprak ısı
değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Toprak özelliklerinin zamana
bağlı değişimi ve ısı pompası sisteminin çalışması sırasında boruların etrafında belirli
bir bölgede ısı alışverişinden dolayı toprak özelliklerinin değişimi, tasarım
aşamasında ilgili hesaplamaların yapılmasını güçleştirir. Isı pompası ısıtma
sezonunda kullanıldığında, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprağın ısısı
suya aktarıldığından toprağın ısısı düşer. Dolayısıyla bu bölgede nem miktarı ve
toprak özellikleri değişir. Isı taşıyıcı akışkanın buharlaştırıcıya giriş sıcaklığı da aynı
sebepten ötürü düşer, dolayısıyla ısı pompası kapasitesi ve ısıtma tesir katsayısı
doğrudan etkilenir. Soğuk yörelerde, ısıtma yapıldığı süre içerisinde toprağa yeteri
kadar ısı geçişi olmazsa, kış aylarında topraktan sürekli çekilen ısı nedeniyle toprağın
donma tehlikesi mevcuttur.[5]
Ancak ısı kaynağı olarak toprağın, havaya göre genellikle daha uygun
sıcaklıklara sahip olması ve sıcaklık değişiminin daha stabil olması avantajdır.
Ayrıca, salamura-soğutucu akışkan ısı değiştiricilerinin, hava-soğutucu akışkan ısı
değiştiricilerine göre daha az bir sıcaklık farkında çalışabilmeleri, toprak kaynaklı ısı
pompalarının hava kaynaklı ısı pompalarına göre diğer bir avantajıdır.
Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısında topraktan çekilen ısıyı
kullanan ısı pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey
olarak gömülmüş toprak ısı değiştiricileri ile sağlanır. Isı taşıyıcı akışkanın toprak ısı
değiştiricisini oluşturan borulardan geçirilmesiyle elde edilen ısı enerjisi, ısı
pompasındaki buharlaştırıcıda soğutucu akışkana aktarılır. Toprak ısı değiştiricisinin
uygun derinliğe gömülmesi belirli bir miktarda hafriyat veya delme gideri
gerektirerek ilk yatırım maliyetinin artmasına neden olur. Ayrıca yatay toprak ısı
değiştiricisi kullanılması durumunda belirli bir bahçe alanı gerektirmesi, toprak
kaynaklı ısı pompası sisteminin kullanımını kısıtlayan bir diğer faktördür.
15
II.2.6 Güneş
Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yararlanmanın en önemli avantajı; ısı
pompası buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkan vermesidir.
Dolayısıyla ısıtma tesir katsayısı yükseltilmiş olur. Ancak havanın ısı kaynağı olarak
kullanılması durumunda olduğu gibi, ısı ihtiyacının yüksek olduğu günlerde güneş
enerjisi de kısıtlı olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanması
gerekliliğini ortaya çıkarır. Bu da zaten pahalı olan sistem maliyetinin daha da
artmasına neden olur.
Bunun yanı sıra ulaşım sorunu olmayan, kaliteli ve çevreye zararı olmayan
sağlıklı bir enerji kaynağı olarak güneş, mimari ve mühendislik bir takım
yaklaşımlarla oluşturulan pasif sistemler vasıtasıyla konutların ısı ihtiyacının
azaltılmasını sağlayarak bütün diğer ısı pompası sistemlerine destek olmaktadır.
Prensipte güneş enerjisinin büyük bir kısmının jeokütle tarafından tutulduğu
ve diğer kısmının havanın bünyesinde barındırıldığı düşünülürse, dolaylı olarak da
olsa güneş enerjisinin diğer tüm ısı kaynaklarına temel oluşturduğu kabul
edilebilir.[3]
II.3 Isı Pompalarının Sınıflandırılması
Isı pompalarının sınıflandırmasına geçmeden önce Şekil II.7’de görülen bir ısı
pompası ısıtma tesisi ile elemanlarını tanımak yararlı olacaktır.
Şekil II.7 Isı Pompası Isıtma Tesisi
16
Isı kaynağı tesisi, ısının bir ısı kaynağından çekilmesi ve tüm yedek düzenler
dahil ısı kaynağı ile ısı pompasının soğuk kısmı arasında ısı taşıyıcısının nakli için
bir tesistir. Isı pompası tesisi, ısı pompası ile buna ait yedek düzenler ve ısı
kaynakları tesisinden oluşmaktadır. Isıdan faydalanma tesisi, ısının ısı pompası
tesisinden alınması ve tüm yedek düzenler dahil, ısı pompasının sıcak kısmıdır.
II.3.1 Isı Pompası Sistemleri
Isı pompası sistemlerinde, ısı kaynağı olarak doğal kaynaklar (yer altı suyu,
yer üstü suyu, toprak ve dış hava) kullanılabildiği gibi teknik tesislerin atık ısıları da
kullanılabilmektedir. Buna göre ısı pompaları birincil, ikincil ve üçüncül ısı
pompaları olarak adlandırılabilir.
II.3.1.1 Birincil Isı Pompaları
Isıyı doğal kaynaktan çeken ısı pompalarına birincil ısı pompaları denir. Bu
sistemlerin ısı kaynakları; yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış havadır.
II.3.1.2 İkincil Isı Pompaları
İkincil ısı pompaları, esas olarak ısıyı geri kazanılan sistemlerden çekerler.
Elde edilen bu ısı, artık ısı birikiminden bağımsız olan tüketilecek yere ihtiyacı
oranda verilir. Kanalizasyon pis sularından ısı çeken ısı pompaları, ikincil ısı
pompalarına bir örnektir. Isı kaynağı sıcaklığı 10 oC’den büyüktür.
II.3.1.3 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.
17
II.3.2 Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması II.3.2.1 Kompresörlü Isı Pompaları
Buharlaştırıcıdan buharın emilmesi ve yoğuşturucu basıncına kadar
sıkıştırılması mekanik bir kompresörle yapılıyor ise, bu tip ısı pompalarına
kompresörlü ısı pompaları denir.
II.3.2.2 Absorbsiyonlu Isı Pompaları
Soğutucu absorbsiyonlu ısı pompasında uygun bir emici eriyik sirkülasyonu
ile hareket eder. Kompresörlü ısı pompalarına göre daha sessiz çalışırlar.
II.3.2.3 Buhar-Jet Isı Pompaları
Soğutucunun hareketi bir enjeksiyon vasıtasıyla gerçekleştirilir.
II.3.3 Isı Kaynakları ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre
Sınıflandırma
Kompresörlü ve absorbsiyonlu ısı pompaları, kullanılan ısı kaynaklarına göre,
örneğin toprak veya yer altı suyu; ısı dağıtıcı sistemlere göre, örneğin sıcak su
ısıtmaları veya hava ısıtmaları şeklinde sınıflandırılabilirler.
Bir ısı pompası tesisinin isimlendirilmesinde ilk olarak soğuk taraftaki ısı
taşıyıcısı veya ısı kaynağı, ikinci olarak sıcak taraftaki ısı taşıyıcısı yani ısı dağıtıcı
sistem söylenir. Örnek olarak, hava-su ve toprak-su ısı pompaları verilebilir.
II.3.3.1 Hava-su Isı Pompası:
Bu sistemde ısı kaynağı olarak havadan yararlanan ve ısı pompasının sıcak
kısmında suyu dolaştıran bir cihaz söz konusudur. Isıtılan bu su, örneğin döşemeden
ısıtmalı bir sistem için kullanılabilir.
18
II.3.3.2 Toprak-su Isı Pompası:
Salamura-su ikilisinin kullanıldığı ısı pompası sistemleri bu gruba örnektir.
Burada ısı kaynağı toprak, topraktan ısıyı çeken akışkan salamura ve ısı pompasının
sıcak kısmındaki ısı taşıyıcı ise sudur.
Tablo II.1 Isı Pompası ve Isı Pompası Tesisi Adlandırma Örnekleri [6]
ISI TAŞIYICISI ADLANDIRMA
Isı
Kaynağı
Soğuk
Kısım
Sıcak
Kısım
Isı Pompası
( IP )
Isı Pompası Tesisi
( I P T )
Toprak
Toprak
Güneş
Güneş
Su
Su
Hava
Hava
Salamura
Salamura
Salamura
Salamura
Su
Su
Hava
Hava
Hava
Su
Hava
Su
Su
Hava
Su
Hava
Salamura/Hava – I P
Salamura/Su – I P
Salamura/Hava – I P
Salamura/Su – I P
Su/Su – I P
Su/Hava – I P
Hava/Su – I P
Hava/Hava – I P
Toprak/Hava – I P T
Toprak/Su – I P T
Güneş/Hava – I P T
Güneş/Su – I P T
Su/Su – I P T
Su/Hava – I P T
Hava/Su – I P T
Hava/Hava – I P T
II.3.4 Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre
Sınıflandırılması
Göz önüne alınan enerji taşıyıcısının sayısına bağlı olarak ısıtma tekniğinde üç çeşit
işletme şeklinden söz edilir.
1. Monovalent (Tekli) İşletme Şekli
2. Bivalent (İkili) İşletme Şekli
3. Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli
II.3.4.1 Monovalent (Tekli) İşletme Şekli
Isı üreticisinin gerekli tüm ısısı aynı enerji türü ile karşılanıyor ise bu tür
işletmeye monovalent işletme denilir. Burada ısı ihtiyacı, bir veya birden fazla ısı
üreticisiyle karşılanabilir.
19
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 sıcaklığa göre
yedeklenmesidir. Paralel işletmede ise ısı ihtiyacı belirli bir dış sıcaklığın altına
kadar her iki ısı üreticisi tarafından müşterek olarak karşılanabilir.
II.3.4.2 Bivalent (İkili) İşletme Şekli
Bu işletme şeklinde tüm ısı ihtiyacı daima iki ısı üreticisi tarafından
karşılanır. Bivalent işletme şekli, alternatif ve paralel olarak sınıflandırılabilir.
Alternatif işletmede belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi, yalnız
yedek ısı üreticisiyle karşılanır. Belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklık Bivalent
sıcaklığı olarak adlandırılır. Paralel işletmede ise, Bivalent sıcaklığın altındaki
sıcaklıklarda ısı üretimi yedek ısı üreticisiyle tamamlanır. Pratikte en fazla ortaya
çıkan ikili işletme şeklinde, yıllık işletme gücünün tamamının karşılanmasında ısı
pompası yanında yedek ısı üreticisi olarak bir konvensiyonel ısıtma kazanı kullanılır.
Şekil II.8’de, ısı pompası ve konvensiyonel ısı üreticisinden (örneğin, fuel-oil kazanı)
oluşan ikili alternatif çalışa işletme şekli için tüm ısı ihtiyacının karşılanmasında her
iki ısı üreticisinin payları gösterilmiştir. Isı pompasının ana yükü düştüğü zaman
kalan yük yedek ısı üreticisi tarafından karşılanır ve %50 tüm tüm güçte
projelendirilen ısı pompasının ısıtma gücünde payının %67 olduğu görülmektedir.
Şekil II.8 İkili Alternatif Çalışan Isıtma Sistemleri
20
Şekil II.9’da ikili paralel çalışan bir ısıtma sistemi görülmektedir. Burada ısı
ihtiyacının %93’ü ısı pompası tarafından karşılanır ve kalan %7’lik kısım yedek ısı
üreticisiyle karşılanır.
Şekil II.9 İkili Paralel Çalışan Isıtma Sistemleri
II.3.4.3 Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli
Çoklu işletme şeklinde ısı ihtiyacının karşılanması çeşitli enerji taşıyıcılarıyla çalışan
ikiden fazla ısı üreticisiyle yapılır. Örneğin; güneş enerjisi ısı deposu, ısı pompası ve
ısıtma kazanının kombinasyonu Multivalent işletme şekli olarak tanımlanır. [7]
II.4 ISI POMPASI ELEMANLARI
II.4.1 Kompresörler
Kompresörler buharlaştırıcıda bulunan alçak basınç ve buhar halindeki soğutucu
akışkanı emerek daha yüksek basınçta olan yoğuşturucu kısmına gönderen iş
makineleridir.
Kompresörler başlıca dört ana gruba ayrılırlar:
1. Pistonlu kompresörler
2. Rotatif (dönel) kompresörler
3. Turbo (santrifüj) kompresörler
4. Hermetik kompresörler
21
Kompresörler genellikle elektrik motorlarıyla tahrik edilirler. Tahrik doğrudan
doğruya veya gücün büyüklüğüne göre bir yada daha fazla V kayışlı kayış-kasnak
mekanizması ile olmaktadır.
II.4.1.1 Pistonlu Kompresörler
Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketiyle bir pistonla sıkıştırma işlemini
yapan bu tip kompresörlerde, tahrik motorunun dönme hareketi, bir krank-biyel
sistemi ile doğrusal harekete çevrilir. Silindir durumuna göre yatay veya düşey
olurlar. Yatık tipler çok yer işgal etmeleri, montajının pahalı, yağlanmasının zor
oluşu gibi sebeplerle tercih edilmezler. Ayrıca bunların devir sayıları da düşüktür.
Düşey tip kompresörler yatık olanlara nazaran daha kullanışlıdırlar, daha az yer işgal
eder ve hafiftirler. Pistonlu silindirlerin uygulama şartları, birim soğutucu akışkan
soğutma kapasitesine isabet eden silindir hacmi gereksinimi az olan fakat emme ve
basma basınç farkı oldukça fazla olan soğutucu akışkanlar için uygun düşmektedir.
Basma ve emme kısımlarındaki basınç oranı 5’in üstünde olduğu zaman
kademeli pistonlu kompresörler yapılmaktadır. Bu kompresörler kademeli pistonlu
veya çok silindirli olabilirler. Silindirler sıralı olabileceği gibi V veya yıldız şeklinde
yerleştirilebilirler ve motorlardakine benzeyen biyel mekanizması kullanılır. Biyeller
küçük kompresörlerde dövme çelik, büyük kompresörlerde ise dökme demirden
yapılırlar.
Şekil II.10 Çeşitli Kompresör Tipleri
22
Dikkat edilirse A tipinde emme sübabından emilen buhar halindeki soğutucu
akışkan silindir içerisinde bir dönme yapmakta ve tekrar basma sübabından basınçla
çıkmaktadır. Halbuki B ve C tiplerinde ise silindir içinde bir yönde akmaktadır. Bu
sebeple pistonlu kompresörleri soğutucu akışkanın hareketine göre;
• Doğru akımlı
• Dönüşlü akımlı
olmak üzere sınıflandırmak mümkündür. Dönüşlü akım olan kompresörlerde, buhar
ile silindir yüzeyleri arasındaki ısı geçişi sebebiyle yüzey kayıpları aleyhte bir
faktördür. Şekil II.10’da A tipi dönüşlü, B ve C tipleri ise doğru akımlı kompresörleri
göstermektedir.
B tipinde yağ soğutucu akışkan ile birlikte kompresörden çıkar ve yağ ayırıcı
iyi değilse bütün devreyi dolaşır. A tipinde her iki sübap da silindirin üst kısmındaki
sübap blokuna konulmuştur, emiş kısmındaki K borusu yoluyla yağ alt kısma akar.
Bu tip genellikle yağ ile çabuk karışarak sürükleyen soğutucu akışkan kullanan
tesislerde tercih edilir.
Sübaplar genellikle krom nikelli çelikten ve yuvaları ise normal basınçlar için
dökme demir, yüksek basınçlar için su verilmiş çelikten yapılır. Sübaplardaki hızlar
soğutucu akışkanın cinsine göre belirli değerlerin üstüne çıkmamalıdır. Mesela
amonyak kullanılan tesislerde emme sübabındaki hız 20 m/s, basma sübabındaki hız
ise 25 m/s’ den yüksek olmamalıdır. Şekil II.11’de pistonlu kompresörlerin çalışma
çevrimi görülmektedir.
Şekil II.11 Pistonlu Kompresörlerin Çalışma Çevrimi
Şekil II.11’in A kısmında görüldüğü gibi piston silindir içinde aşağıya doğru inerken
silindirin içerisindeki basıncı emme hattındaki basıncın altına düşürür. Bu basınç
23
farkı emme sübabını açar ve soğutucu akışkan silindire girer. Bu arada basma
hattındaki basınç silindir içerisindeki basınçtan büyük olduğu için basma sübabını
kapalı tutar.
B kısmında görüleceği üzere piston yukarıya doğru çıkarken sıkıştırma
işlemini gerçekleştirir. Bu sırada silindir içindeki soğutucu akışkan buharının basıncı
büyük ölçüde artar. Silindir içindeki yüksek basınç bu kez emme sübabını kapalı
tutar. Silindir içerisindeki basınç basma hattındaki basıncı aştığı zaman basma sübabı
açılır ve yüksek basınçlı soğutucu akışkan buharı basma hattına girer. Basma hattı da
soğutucu akışkanı yoğuşturucuya iletir. Böylece kompresör çevrimdeki görevini
tamamlamış olur.
II.4.1.2 Rotatif (Dönel) Kompresörler
Rotatif kompresörler, pistonlu kompresörlerin gidip gelme hareketi yerine
sıkıştırma işlemini yaparken dönel hareketi kullanırlar. Bu dönel hareketten
yararlanma şekline göre dişli, tek veya çok paletli kompresörler söz konusudur.
Rotatif kompresörlerde krank mili bulunmaz ve yüksek devir sayılarında
kullanılabilirler. Sessiz çalışmalarına ve az yer işgal etmelerine rağmen imalattaki
hassas işçilik ve yağlama zorluğu ile yüksek basınçlardaki kaçaklar aleyhte
faktörlerdir.
Daha ziyade küçük kapasiteli ve tam kapalı tip motor-kompresör dizaynına
uygulanan tek paletli dönel kompresörlerde palet dış gövdeye yerleştirilmiştir ve
dönel harekete katılmaz, sadece dönel rotorun eksantrik hareketini takip ederek
doğrusal hareket yapar. Çok paletli dönel kompresörler büyük kapasiteli
kompresörlerdir. Bu dizayn şeklinde paletler de rotorla birlikte dönel harekete
katılırlar.
II.4.1.3 Dişli (Vida tipi) Kompresörler
Dişli kompresörler F-12, F-22, F-502 ve amonyak gibi çok kullanılan yüksek
yoğuşma basınçlı soğutucu akışkanlara uygulanabilirler. Düzgün (kesintisiz)
soğutucu akışkan gaz akışı sağlamaları, emme ve basma sübaplarının bulunmayışı
(arıza kaynağının ve basınç kayıplarının ortadan kalkması) ve diğer tip
kompresörlerden daha hafif ve küçük boyutta olmaları dişli kompresörlerin
avantajlarını oluşturur.
24
Şekil II.12 Dişli (Vida Tipi) Kompresör
II.4.1.4 Turbo (Santrifüj) Kompresörler
Turbo kompresörlerin, pistonlu, dönel paletli veya vida tipi kompresörlerden
farkı pozitif sıkıştırma işlemi yerine santrifüj kuvvetlerden faydalanarak sıkıştırma
işlemini yapmasıdır. Krank milleriyle sübapları bulunmayıp 3000 d/d’nın üzerindeki
yüksek hızlarda çalışırlar.
Turbo kompresörlerde emme tarafı ile basma tarafı arasındaki basınç farkını
sağlamak için önce emilen soğutucu akışkan buharına bir hız (kinetik enerji) verilir
ve sonra bu hız basınca (potansiyel enerji) dönüştürülür. Bu dönüştürme işlemi
sırasında kayıplar olur ve basma tarafı basıncı yükseldikçe bunlar daha da artar. Bu
nedenle, turbo kompresörlerde basma basıncının (yoğuşma basıncının) mümkün
olduğu kadar emişten az bir farkla oluşması istenir. Bu yüzden yoğuşma basıncı
düşük olan soğutucu akışkanlar (F11 ve F113 gibi) turbo kompresörler için uygun
olmaktadır.ayrıca büyük molekül ağırlığı olan F11, F21 ve F114 gibi soğutucu
akışkanlar da turbo kompresörler için uygundur.
II.4.1.5 Hermetik Kompresörler
Hermetik kompresörler soğutucu akışkan olarak freon serisi soğutucu
akışkanları kullanırlar. Devir sayıları 3000 d/d’ya kadar yükselmiş olup uzun
ömürlüdürler. Hermetik kompresörleri;
1. Tam hermetik kompresörler
2. Yarı hermetik kompresörler
olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür.
25
II.4.1.5.1 Tam Hermetik Kompresörler
Tam hermetik kompresörlerde silindir, biyel, tahrik için kullanılan elektrik
motoru ile yağ kısmı tamamen kapalıdır ve sızdırmazlığı tam olan çelik kap
içerisinde bulunurlar. Kayış-kasnak mekanizması yoktur ve elektrik motorunun
sargısı özel olarak yalıtılmıştır.
Sızdırmaz kabın dip tarafında bulunan yağ hem yağlama hem de motoru
soğutma vazifesi görür. Ayrıca buharlaştırıcıdan emilen soğuk durumdaki soğutucu
akışkan buharı motoru soğutur ve silindir içinde sıkıştırıldıktan sonra basma
borusuyla yoğuşturucuya iletilir.
Freon-12 kullanan tam hermetik kompresörlerde 0,52 ile 6,3 m3/h akışkan
devreder. Küçük güçlü olanlarda kapiler boru, büyük güçlü olanlarda da genişleme
valfi kullanılır.
Tam hermetik kompresörler kapalı kap şeklinde olduğundan dış zorlanmalara
karşı mukavimdir, soğutucu akışkan kayıpları az olur, gürültüsüz çalışır ve arıza
halinde değiştirilmeleri kolaydır.
II.4.1.5.2 Yarı Hermetik Kompresörler
Yarı hermetik kompresörler şimdiye kadar sanayi soğutma tesislerinde
soğutma makinesi olarak kullanılmışlardır. Motor ve kompresör aynı bir muhafaza
içinde bulunur, ancak tam hermetik kompresörlerde olduğu gibi sızdırmaz şekilde
kaynaklı değildir.
Bu tip kompresörler genellikle 4-40 kW işletme güçleri arasında piyasaya
sürülür ki bu bir evin ısıtılmasında gerekli güçlerdir. Tahrik motoru, boyutları küçük
tutmak için genellikle iki kutba sahiptir ve yaklaşık 1400 d/d’lık devir sayısı vardır.
Kompresör sıra formda, V şeklinde veya VV şeklinde çok sayıda silindirli veya bir
silindirli olarak yapılır.
II.4.2 Buharlaştırıcılar (Evaporatörler)
Buharlaştırıcılar, genişleme valfinde ya da kapiler boruda basıncı düşürülmüş olan
soğutucu akışkanın çevreden ısı çekerek buharlaştığı kısımdır. Soğutucu akışkanın
cinsine göre muhtelif malzemelerden yapılırlar. Genellikle bakır ve çelik borular
kullanılır. Korozyona karşı bakır boruların dış yüzeyleri kalaylanır.
26
II.4.2.1 Gövde Borulu Buharlaştırıcılar
Büyük tesislerde turbo kompresörlü gövde borulu buharlaştırıcılarda, Şekil II.13’de
görüldüğü gibi soğutucu akışkan buharı 4 nolu yerden alınır. Bir buhar deposu
üzerinden emilir, böylece buharın hızı düşeceğinden soğutucu akışkan damlacıkları
geri düşer.
Şekil II.13 Gövde Borulu Buharlaştırıcı
II.4.2.2 Koaksiyal Buharlaştırıcılar
Koaksiyal buharlaştırıcı, iç ve dış boru olmak üzere, iki borudan oluşur. Uygun
kanatlarla iç ve dış boru arasında eşit aralık sağlanır. İç ve dış boru arasındaki
hacimde, ısı taşıyıcısı örneğin yer altı suyu, iç boruda buharlaşan çevrim akışkanı
karşıt akışlı olarak ısı değiştiricisine akar.
27
II.4.2.3 Kanatlı Buharlaştırıcılar
Kanatlı buharlaştırıcı, gerekli ısının dış havadan çekildiği dış hava ısı pompalarında
kullanılır.
1- Buharlaştırıcı boru
2- Kanatlar
3- Genişleme vanası
4- Soğutucu akışkan buhar
çıkışı
L: Kanat demeti uzunluğu
b: Kanat genişliği
a: Kanat ara mesafesi
h: Kanat yüksekliği
Şekil II.14 Kanatlı Buharlaştırıcı
Kanatlı buharlaştırıcı, üzerinde alüminyum kanatlar takılı bakır borulardan
oluşur. Kanatlar sayesinde yüzey önemli ölçüde büyür. Soğuyan hava lameller
arasından çapraz gönderilir ve böylece ısı verir.
II.4.3 Yoğuşturucular
Yoğuşturucular, kompresörlerden kızgın buhar olarak basılan soğutucu
akışkanın kızgınlığının alındığı, yoğuştuğu ve aşırı soğutma halinde aşırı
soğutulduğu ısı değiştiricileridir. Yoğuşturucularda buharlaştırıcılardan alınan ısı ile
kompresör yoluyla sisteme verilen ısı alınmaktadır.
II.4.3.1 Gövde borulu Yoğuşturucular
Ev ısıtmasında kullanılan ısı pompalarında çoğu kez Şekil II.15’de gösterilen
tip yoğuşturucular kullanılır. Kazan içinde yoğuşan soğutucu akışkanın ısı geçişi,
borulardan akan suyunkinden önemli ölçüde düşüktür. Bu nedenle çoğunlukla dış
kaburgalar ile bakır borular kullanılır. Böylece boru dış yüzeyinin iç yüzeyine oranı
3:1 olur. Bu tür yoğuşturucuda toplam ısı geçiş katsayısı K su hızına göre (0,5-3 m/s)
580-1050 W/m2K civarındadır.
b
3
a
2 4
1
L
h
28
1-Soğutucu akışkan buharı
2-Sıvı soğutucu akışkan
3-Boşaltma ağzı
4-Isıtma suyu gidişi
5-Isıtma suyu dönüşü
Şekil II.15 Gövde Borulu Yoğuşturucu
II.4.3.2 Helezon Borulu Yoğuşturucular
Şekil II.16’da görülen helezon borulu yoğuşturucuda sıcak sulu ısıtma
sisteminin ara deposunda doğrudan doğruya içinde yoğuşan soğutucu akışkan akan
helezon şeklinde boru bulunur. Her iki kütle akışı zıt yönlüdür. Suyun düşük akış hızı
nedeniyle toplam ısı geçiş katsayısı ancak 230 W/m2K’dır.
Isı geçiş katsayısının düşük olması, helezon borulu yoğuşturucunun kullanım
alanını azaltmaktadır.
1-Kompresör
2-Yoğuşturucu devresi
3-Isıtma devresi gidişi
4-Isıtma devresi dönüşü
5-Helezon boru
6-İç hazne
7-Sac muhafaza
8-Sıcaklık kontrolü
Şekil II.16 Helezon Borulu Yoğuşturucu
29
II.4.3.3 İç İçe Borulu Yoğuşturucular
Bir yoğuşturucunun en az depo etkisi olan biçimi iç içe borulu
yoğuşturucudur. Bu iç boru ile dış boru arasında sıralanmış soğutma kanatları olan
aynı merkezli iç içe sokulmuş iki borudan oluşmaktadır. Suyun hızına bağlı olarak
toplam ısı geçiş katsayısı 520-820 W/m2K’dir.
Şekil II.17 İç İçe Borulu Yoğuşturucu
II.4.4 Basınç Ayarlayıcılar (Genleşme Valfleri - Kapiler
Boru)
Genleşme valfleri, soğutucu akışkanın basıncını arzu edilen buharlaştırıcı
basıncına düşürmeye yarayan elemanlardır. Basınç ayarlayıcı olarak kapiler
borulardan faydalanıldığı gibi buharlaştırıcı için lüzumlu soğutucu akışkan miktarını
da ayarlayan el ayar valfi, otomatik genleşme valfi, termik genleşme valfi ile alçak
ve yüksek basınç şamandıralı tipleri de mevcuttur.
II.4.4.1 El Ayar Valfi (Sabit Çıkış Basınçlı Valfler)
Takriben 10 devirde tamamen açılırlar ve en açık olduğu halde kesit alanı valf
giriş kesitinin %20-25’i kadardır. Valf ait olduğu buharlaştırıcıda lüzumlu soğutucu
akışkan geçecek şekilde ayarlanmalıdır. Elle yapılan çıkış basıncı ayarını devamlı
olarak muhafaza eder. Evaporasyon sıcaklığı, böylece basınç kontrolü suretiyle
muhafaza edilmeye çalışılır. Buharlaştırıcı yüklerinin değişimlerine bağlı olarak
değişen kızgınlık değerini belirli bir seviyede tutmak veya sıvının emişe yürümesini
önlemek bu tip valflerle mümkün değildir. Bu nedenle bu tür valfler genellikle yük
değişimi çok az olan buharlaştırıcılar için kullanılır. Ayrıca büyük kapasiteli emiş
basınç regülatörlerinin pilot kontrol valfi olarak da kullanılabilirler.
30
Şekil II.18 El Kumandalı Ayar Valfi
II.4.4.2 Otomatik Genleşme Valfi
1-Gövde
2-İğne
3-Yay
4-Ayar vidası
5-Bükümlü esnek boru
6-Akışkan girişi
7-Akışkan çıkışı
Şekil II.19 Otomatik Genleşme Valfi
Buharlaştırıcıdaki basınç değişimi 5 nolu bükümlü esnek boruya (veya bir
membran olabilir) tesiri ile valfin 2 nolu iğnesinin oynamasını temin eder. İğnenin
açılma miktarı ile esnek boruya temas eden 3 nolu yayın üstündeki 4 nolu ayar
vidasının sıkıştırılması ile ayar edilir. Valfin giriş tarafında ayrıca bir filtre bulunur.
Otomatik genleşme valfi sadece ayar edilen belirli bir basıncı sabit tuttuğu için
avantajlı değildir. Mesela buharlaştırıcıdan alınan ısının küçük olması halinde
31
buharlaşma sıcaklığı ile basıncı azaldığı için valf açık kalır ve kompresör tarafından
yaş buhar emilir. Aksi halde ise kompresör oldukça sıcak çalışır. Bu tip valfler daha
ziyade kükürt dioksitmetilklorit ve freon-12’li tesislerde kullanılır.
II.4.4.3 Termik Genişleme Valfi
Termik genişleme valfleri buharlaştırıcıya sıvı soğutucu akışkan akışını
kontrol ve ayar eden, buharlaştırıcıda buharlaşan miktar kadar sıvı soğutucu akışkanı
tekrar buharlaştırıcıya sevk eden bir cihazdır. Sıcaklığa karşı hassas olan uç (kuyruk)
buharlaştırıcının sonuna iyice temas edecek şekilde tespit edilir. Böylece
buharlaştırıcı ile uç arasında iyi bir ısı iletkenliği sağlanmış olur. Termik ucun
içindeki basınç, ucun, dolayısıyla buharlaştırıcının sıcaklığına bağlıdır. Böylece
buharlaştırıcıya gönderilecek sıvı soğutucu akışkan miktarı, buharlaştırıcıdan çıkan
soğutucu akışkanın sıcaklığının ölçülmesiyle saptanır. Buharlaştırıcı çıkışına tespit
edilen hassas uç bir kapiler boru yardımıyla diyaframın üst tarafına
irtibatlandırılmıştır. Kapiler boru içinde genellikle soğutucu akışkan özelliğinde bir
sıvı bulunur. Diyafram iğnenin hareketine tesir etmek suretiyle buharlaştırıcıya geçen
sıvı soğutucu akışkan miktarını kontrol eder. Bu suretle buharlaştırıcıya sıvı soğutucu
akışkanın ölçülü bir şekilde gönderilmesi ve dolayısıyla kompresöre sıvı soğutucu
akışkan gelerek hasar yapması önlenmiş olur. Termik genişleme valfi soğutucu
akışkanın buharlaştırıcıyı terk ederken belirli ve emniyetli bir kızgınlık değerini
muhafaza etmesini sağlar.
Bir termik genişleme valfinin ayar işlemini yapan mekanizmasını etkileyen
üç basınç mevcuttur.
1. Hassas uç ve kapiler boru vasıtasıyla diyaframın üst tarafına iletilen P1
basıncı
2. Buharlaştırıcıdaki basınç P2
3. Kızgınlık yayının eşdeğer basıncı P3
Termik genişleme valfleri genel olarak iç ve dış dengelemeli olmak üzere iki değişik
konstrüksiyona sahiptirler. Şekil II.20’de iç dengelemeli termik genişleme valfi
şematik olarak gösterilmiştir.
32
Şekil II.20 İç Dengelemeli Termik Genişleme Valfi
Bu tip valflerin çalışması sırasında üç çalışma rejimi ortaya çıkabilir;
1. Kuvvetlerin dengede olması
2. Kızgınlık değerinde artma olması
3. Kızgınlık değerinde azalma olması
P1 basıncı buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkanın doymuş buhar basıncı
olup bu basınç valf iğnesini açmaya çalışmaktadır. Bu açıcı kuvvete karşı koyacak
olan ve diyaframın alt tarafında bulunan , yani valf iğnesini kapatmaya çalışan iki
ayrı kuvvet mevcuttur. Bunlar buharlaştırıcı basıncı P2 ile kızgınlık ayar yayının
meydana getirdiği P3 basıncıdır. Şekil II.21’de bu kuvvetler açık bir şekilde
gösterilmiştir.
Şekil II.21 Valf İğnesini Etkileyen Faktörler
33
Görüldüğü gibi P1 = P2 + P3 olduğunda denge sağlanmıştır. Kızgınlık değerinde
artma olması halinde, buharlaştırıcı çıkışındaki sıcaklığın yükselmesine bağlı olarak
kuyruk sıcaklığı da yükselir ve bunun sonucu olarak diyaframa gelen basınç artar. Bu
durumda P1>P2+P3 olur ve P1 kuvveti valf iğnesini açar. Kızgınlık değerinde azalma
olması durumunda buharlaştırıcı sıcaklığının azalmasıyla kuyruk sıcaklığı da düşer
ve diyaframın üst tarafına gelen basınç azalır. Bu suretle P1<P2+P3 olur ve sonuçta
valf iğnesi kapanmaya başlar.
Eğer buharlaştırıcı giriş ve çıkış arasındaki basınç farkı çok fazla ise
(buharlaştırıcı büyük boyutlu ise), dış dengelemeli termik genişleme valfi kullanılır.
Bu durumda diyaframın alt kısmı buharlaştırıcının çıkış kısmıyla irtibatlandırılır.
Böylece diyaframın, hassas ucun bulunduğu kısımdaki doymuş buhar basıncını
alması sağlanır. Bu şekilde buharlaştırıcı giriş basıncına göre verilen aşırı miktardaki
kızdırma önlenmiş, valfin çok kısık çalışmasının ve buharlaştırıcı kapasitesinin
düşmesinin önüne geçilmiş olur.
II.4.4.4 Şamandıralı Ayar Valfi
Alçak basınçlı ve yüksek basınçlı olmak üzere iki tipi mevcuttur. Şayet
şamandıra yoğuşturucudan gelen kısımda ise yüksek basınçlıdır, buharlaştırıcıda yani
alçak basınç kısmında ise alçak basınçlıdır ve buharlaştırıcıda sıvı seviye şişesini
sabit tutar.
II.4.4.5 Kapiler Borular
Soğutucu akışkanın basıncını buharlaştırıcı basıncına düşürmede kapiler
(kılcal) borudan yararlanılabilir. Bunlar küçük kapasiteli sistemlerde sıvı haldeki
soğutucu akışkanın yüksek basınç tarafından alçak basınç tarafına ölçülü şekilde
geçişini kontrol etmede pratik ve ekonomik çözüm sağlar. Kılcal borunun çalışma
prensibi, belirli bir basınç farkında kılcal borudan geçen sıvı debisinin buhar
debisinden fazla olmasıdır. Normal çalışma durumunda, soğutucu akışkan kılcal
borunun ilk bölümlerinde tamamen sıvıdır ve sonraki kısımlarda kısmen buhar fazına
geçer. Eğer sistemin debisi herhangi bir nedenle artarsa yoğuşturucu buharın
tamamını yoğuşturmaz ve bir miktar buhar kılcal boruya girer. Bu durumda kılcal
borunun yukarıda belirtilen özelliğinden dolayı direnç artar, geçiş zorlaşır. Böylece
debi azalır ve normal çalışma durumuna gelinir. Sistemin debisi azalırsa ve sıvı
34
haldeki soğutucu akışkan kılcalın girişine birikir ve aşırı soğutma miktarı artar. Bu
durumda soğutucu akışkan kılcal borunun daha uzun bir kısmında sıvı fazda bulunur.
Yine kılcal borunun özelliğinden debi artar ve normal çalışma durumuna geçilir.
Kılcal borunun, emiş ve basma tarafı basınçlarını sistem durduktan kısa bir süre
sonra dengelemesi özelliği, kompresör kalkışının yüksüz olmasını ve dolayısıyla
alçak terk karakteristikli elektrik motoru kullanılabilmesini mümkün kılar ve bu
ekonomik yönden önemlidir. Kapiler boruların mekanik hareketli kısımlarının
bulunmaması arıza yapmamaları bakımından avantajdır. Ancak soğutucu akışkan
içinde bulunabilecek artıkların kılcal borunun dar kesitini tıkamaması için, kılcal
borudan evvel yoğuşturucu çıkışına filtre kurutucusu konulur. Kılcal borunun diğer
bir avantajı soğutucu akışkanın her iki tarafından geçebilmesidir. Kılcal borular basit
ve ucuzluklarına rağmen termik genişleme valfleri kadar geniş bir çalışma aralığına
sahip değildir. Kapiler boru seçimi oldukça tecrübe, bilgi ve dikkat gerektiren bir
konudur.
II.4.5 Kumanda Kontrol Cihazları ve Diğer Yardımcı
Elemanlar
Sistemde sıcaklık, basınç geçen akışkan miktarı gibi yönlerden istenilen
sınırlar arasında işletmeye sokan veya işletmeden çıkaran kumanda kontrol cihazları
ile devrenin özellik ve işletme şartlarına göre aşağıdaki eleman ve cihazlar
kullanılmaktadır.
II.4.5.1 Kapama Valfleri
Sistemde gerekli olduğu zaman bir kısmın diğer kısımdan ayırmak maksadıyla
kullanılırlar. Kapama valflerinin sayısı mümkün olduğunca az tutulmalıdır, çünkü bu
valfler hem basınç kayıplarını artırırlar hem de akışkan kaçakları için kaynak
oluştururlar. Salmastralı ve salmastrasız valfler diye sınıflandırıldıkları gibi düz veya
dirsek tipi; iki veya üç yollu; glop, topa veya iğne tipi ve daha pek çok değişik
adlarla anılırlar. Kapama valfleri herhangi bir sıkıntıya meydan vermeyecek tarzda
imal edilirler.
35
II.4.5.2 Termostat
Isıtılan veya soğutulan hacmin sıcaklıklarının belirli değerler arasında
kalmasını temin gayesiyle kullanılan kumanda kontrol cihazlarıdır. Termik
genişleme valfinde olduğu gibi, termostatın hassas olan ucu (kuyruk) sıcaklığı
kontrol edilecek yere tesbit edilir. Ayar edilen sıcaklığa elektrik devresi (kontakt)
açılıp kapanarak kompresörü tahrik eden elektrik motorunu kumanda eder.
Şekil II.22 Termostatın İç Yapısı
II.4.5.3 Presostatlar
Presostatlar, buharlaştırıcı basıncına göre devreyi kumanda eden kontrol
cihazlarıdır. Presostatlarda termostatlarda olduğu gibi bir elektrik devresi söz
konusudur. Presostatları yüksek basınç presostatı ve normal basınç presostatı olarak
ikiye ayırmak mümkündür. Normal basınç presostatı kompresörün emme kısmına
monte edilir ve devreyi basınç düşünce açar, basınç yükselince kapatır. Yüksek
basınç presostatı ise kompresör ile yoğuşturucu arasına konulur. Yoğuşturucu basıncı
yükselince elektrik devresi açılır ve kompresör çalışmaz. Uygulamada daha çok
alçak basınç presostatı kullanılmaktadır.
II.4.5.4 Manometre
Basınç ölçen bir cihazdır. Yüksek basınç ve alçak basınç manometreleri
olmak üzere iki tip manometre vardır. Alçak basınç manometresi atmosfer altı ve
üstündeki basınçları; yüksek basınç manometresi ise yalnız atmosfer üstü basınçları
gösterir.
36
II.4.5.5 Çekvalf
Şekil II.23’de görüldüğü gibi boru içinde akan akışkanların tek yönde
akmalarını temin ederler. Akışkanın herhangi bir sebeple ters yönde akması halinde 3
nolu yayın ucundaki 1 nolu ventil kesiti kapatarak akışı durdurur.[8]
1- Ventil Kesiti
2- Ventil
3- Yay
Şekil II.23 Çekvalf
II.5 Isı Pompalarında Kullanılan Soğutucu
Akışkanlar
Birçok soğutma tekniği uygulamasında ısı, ikinci bir soğutucu akışkanla
taşınabilir. Herhangi bir sıvı olabilen bu ikinci akışkan esas soğutucu akışkan ile
soğutulur ve hal değişimi olmadan ısı geçişini gerçekleştirebilir. Bu tip sıvılar, ısı
transferi akışkanları, salamuralar veya ikincil soğutucu akışkanlar olarak
adlandırılırlar.
CFC-12 Düşük ve orta sıcaklık (max. 80 oC)
CFC-114 Yüksek sıcaklık (max. 120 oC)
R-500 Orta sıcaklık (max 80 oC)
R-502 Düşük-orta sıcaklık (max. 55 oC)
HCFC-22 Düşük sıcaklık ısı pompaları (max. 55 oC)
II.5.1 CFC (Kloroflorokarbon)
Kimyasal stabilitesini ve içerdiği klorin miktarına bağlı olarak CFC’ler
(koloroflorokarbon) global çevreye zararlıdır. CFC’ler yasaklı akışkan grubuna
dahildir. Yüksek ozon tüketimine sahip olduklarından üretimi ve kullanımı yasaktır.
Yalnızca eskiyen sistemlerdeki gazların temizlenmesiyle elde edilebilmektedirler. Bu
grubun kapsadığı akışkanlar R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-500, R-11502, R-
13 B1’dir.
37
II.5.2 HCFC (Hidrokloroflorokarbon)
Hidrokloroflorokarbonlar da klorin içermesine rağmen kloroflorokarbonlara
göre ozon tüketme potansiyeli çok daha azdır. HCFC’nin ozon tüketme potansiyeli,
düşük atmosferik kimyasal stabiliteye bağlı olarak CFC-12’ ye göre %12 daha azdır.
Ayrıca global ısıtma potansiyeli CFC-12’ nin % 20’si kadardır. HCFC’ler
geçiş akışkanları olarak adlandırılır. HCFC’ler R-22, R-401, R-402, R-403, R-408 ve
R-409 akışkanlarını içerir.
II.5.3 HFC (Hidroflorokarbon)
Hidroflorokarbonlar uzun dönemde alternatif akışkanlar olarak
değerlendirilebilir. Bu onların R-134A, R-152A, R-32, R-125 ve R-507 gibi klorin
içermedikleri anlamına gelir. Ozon tüketimine etkileri olmadığı için, R-12, R-22, R-
502’ye alternatif olabilirler. Fakat onların da hala global ısınmaya etkileri vardır.
HFC-134A termofiziksel özellikler olarak CFC-12’ye çok benzemektedir.
HFC-134a kullanılan bir ısı pompasının performans katsayısı (COP) pratik olarak
CFC-12 kullanılan ısı pompasınınkiyle aynı olacaktır. Düşük evaporatör sıcaklığında
(-1 oC’nin altında) ve büyük sıcaklık artışlarında performans katsayısı biraz daha
düşük olacaktır.
HFC-152A esas olarak R-500’ ün bir parçası olarak
kullanılmıştır.Karışımlarda eleman olarak kullanılır ve yanıcıdır.
HFC-32 orta yanıcı olarak kabul edilebilir ve sıfıra yakın global ısıtma
potansiyeli vardır. Uzun dönemde ısı pompası ve endüstriyel soğutma
uygulamalarında HCFC-22’nin yerine uygun bir akışkan olarak düşünülmektedir.
HFC-32, yanıcı olmayan karışımlarda R-502 ve HCFC-22 yerine ana bileşen olarak
kullanılmaktadır.
HFC-125 ve HFC-143A hemen hemen R-502 ve HCFC-22 ile benzer
özelliklere sahiptir. Global ısıtma potansiyeli HFC-134A’ya göre üç kat fazladır.
II.5.4 Karışımlar
Bir karışım iki veya daha fazla akışkanı içerebilir. İzeotropik karışımlar sabit
sıcaklıkta buharlaşır ve yoğunlaşır. İlk karışımlar CFC-12 ve R-502’ nin yerini
38
alması için HCFC-22 veya HCFC akışkanları içeriyorlardı ve bu yüzden geçiş
akışkanları olarak kabul ediliyorlardı.
R-502’nin ve HCFC-22’nin yerini alması için oluşturulan yeni nesil
karışımlar ise klorin içermiyorlar ve temel olarak HFC’lerden (HFC-32, HFC-134A,
HFC-125, HFC-143A) ve hidrokarbonlardan oluşuyorlar. Gelecek için umut veren
iki akışkan R-410A ve R-407C’dir. R-410A R-32 ve R-125’in karışımıdır, R-407C
ise R-32, R-125 ve R-134A’dan oluşmaktadır.
R-410A kullanarak R-22’ye kıyasla çok daha iyi COP değerleri elde
edilmektedir. R-410A kullanarak toplam maliyette azalma sağlanabilir, çünkü sistem
bileşenlerinin özellikle kompresörün ölçülerinde, akışkanın volümetrik kapasitesinin
yüksek olması nedeniyle önemli miktarda azalma olacaktır.
II.5.5 Doğal Akışkanlar
Doğal akışkanlar, biosferde doğal olarak mevcut olan maddelerdir. Global
çevreye zararları sıfır veya sıfıra yakındır. Doğal akışkanların örnekleri amonyak,
hidrokarbonlar, karbondioksit, hava ve sudur.
II.5.5.1 Amonyak
Amonyak çoğu ülkede orta ve büyük soğutma ünitelerinde başlıca kullanılan
soğutucu akışkandır. Toksik ve yanıcı karakteri nedeniyle kullanımı için ayarlar ve
kurallar geliştirilmiştir. Termodinamik ve ekonomik olarak yeni ısı pompaları
ekipmanlarında CFC’ lere ve HCFC-22’ ye en iyi alternatiftir. Bugün için sadece
büyük ısı pompası sistemlerinde kullanılmıştır ve yüksek basınç kompresörleri
kondenzasyon sıcaklığını 58 oC’ den 78 oC’ ye çıkarmıştır. Verimli yüksek basınç
kompresörleri geliştirilirse, amonyak mükemmel bir yüksek sıcaklık soğutucu
akışkanı olacaktır.
II.5.5.2 Hidrokarbonlar (HC)
Günümüzde propan, propilen ve propan karışımları, bütan ve etan ısı pompası
sistemlerinde kullanılabilecek en umut verici soğutucu akışkan olarak
değerlendirilmektedir.
39
II.5.5.3 Su
Toksik ve yanıcı olmayan uygun termodinamik özelliklere sahip olan su,
endüstri ısı pompalarında kullanılabilecek mükemmel bir akışkandır. Tipik olarak
çalışma sıcaklıkları 80 oC ila 150 oC arasında değişir. Dezavantajı ise sahip olduğu
volümetrik ısı kapasitesidir. Bu özellik özellikle düşük sıcaklıklarda büyük ve pahalı
kompresörler gerektirir.
II.5.5.4 Karbondioksit (CO2)
CO2 ne toksik ne de yanıcıdır ayrıca normal yağlama yağlarıyla ve genel
konstrüksiyon malzemeleri ile uyumludur. Volümetrik soğutma kapasitesi yüksektir.
COP değeri çok düşüktür.
II.5.6 Salamuralar
Kalsiyum ve sodyum kloridin su içindeki çözeltileri, pratikte en çok
kullanılan soğutucu salamuralardır. Salamuralı soğutma tekniğine esas olarak,
endüstriyel soğutma sistemlerinde ve buz paten sahalarında kullanılmaktadır.
Kalsiyum klorid salamurası için korozyon temel bir problem olup, özellikle
galvanizli demir kaplarının kullanıldığı buz üretim tanklarında önemli hasarlar
yapmaktadır.
Salamuralı sis yöntemi ile balıkların ve diğer besin maddelerinin
dondurulduğu işlemlerde, kalsiyum klorid çözeltisinin besin maddesine temasının
istenmediği durumlarda, adi sofra tuzu (sodyumklorid) kullanılır. Tuz aynı zamanda
soğutma serpantinleri üzerine püskürtülerek, buzlanmanın önlenmesinde de
kullanılır. Kalsiyumklorid eriyiğinin donma noktası düşük olduğu için soğutma
uygulamalarının çoğunda daha uygundur.
Ticari kalsiyumklorid, küçük pullar, katı veya eriyik halinde, tip 1 ve tip 2
olarak satışa sunulur. Ticari sodyumklorid ise, hem ham kaya tuzu, hem de rafine
edilmiş sofra tuzu olarak bulunabilir. Magnezyum tuzlarının çamur haline gelme
eğilimleri olduğundan, bu tuzların sodyumklorid ve kalsiyumklorid içinde bulunması
istenmez.
II.5.6.1 Glikol Katkılı Salamuralar
Etilen ve propilen glikol renksiz, pratik olarak kokusuz sıvılar olup, su ve
birçok organik bileşen ile kolayca karışabilirler. Etilen glikol derişikliğinin kütlesel
40
olarak % 60 değerinden fazla olması durumunda, eriyiğin donma noktası sıcaklığı
artmaktadır. Propilen glikol derişikliğinin %60 değerinden fazla olması durumunda
eriyiğin belirli bir donma noktası yoktur. Burada donma yerine, propilen glikol
eriyiği cam özelliklerine sahiptir. Cam, aşırı viskoziteli sıvının soğutulması halinde
katı görünüşlü amorf bir cisimdir. Ötektik noktasının seyreltik tarafında donma
esnasında buz oluşurken; ötektik noktasının diğer tarafında, donma esnasında katı
glikol parçaları eriyikten ayrılır. Bu tip eriyiklerin donma hızı çoğunlukla yavaştır,
fakat zamanla bunlar sertleşir ve katı kütle oluşturur.
II.5.6.2 Korozyon Önleyiciler
Genel olarak, ticari etilen veya propilen glikol saf olduğunda, tesisatta
kullanılan birçok metal için sudan daha az korozif etki yapar. Bununla beraber, bu
tesisatlara uygun korozyon önleyicilerin katılmaması durumunda, bu glikollerin su
ile oluşturduğu eriyikler, korozyonu artırır.
Korozyon önleyicilerin işlevi, ya korozyon önleyici ya da ortamı kararlı ve
ayarlayıcı hale getirenler olmak üzere iki şekilde sınıflandırılır. Korozyon önleyici,
metal yüzeyde engel oluşturarak, metale olan etkiyi önler. Bu engelleme çoğunlukla,
metal tarafından korozyon önleyicinin adsorbsiyonu ile veya korozyon önleyicinin
metal ile reaksiyona girmesiyle ya da başlangıç reaksiyon ürünleriyle gerçekleşir. Bir
çok durumda metal yüzeyler, korozyon önleyicilerin güçlendirdiği bu metallerin
oksitlerinin filmleri ile kaplanır.
Ortamı kararlı ve ayarlayıcı hale getirenler tam anlamıyla bir korozyon
önleyici olmamasına rağmen, ortamı kararlı hale getirerek veya değiştirerek
korozyonu azaltır. Boraks gibi alkali tampon, ortamı kararlı hale getirmeye örnek
verilebilir, çünkü bu elemanın esas gayesi ortamı alkali koşullarda (PH değerini 7
üzerinde) tutmaktır. Bazı jelatin elemanlar, eriyik içinde korozyon işlemini ve
mekanizmasını hızlandıran çeşitli iyonları kaldırarak, ortamda kararlı gibi fonksiyon
yaparlar. Bununla beraber bu elemanların kullanılmasında, ortamın uygun olmayan
pH değerlerine ve ilave bir korozyona neden olabilecek bir derişikliğe ulaşmaması
hususuna dikkat etmek gerekir.
Glikol katkılı salamuralar, en fazla 175 oC sıcaklığa kadar kullanılabilir.
Bununla beraber en yüksek kullanım sıcaklığı, akışkandan akışkana değişir. Yüksek
hava ile temasta olan sistemlerde akışkanın ortalama yığın sıcaklığı 82 oC değerinden
41
fazla olmamalıdır. Buna karşılık sisteme havanın girişinin önlendiği basınçlı kapalı
sistemlerde, akışkan sıcaklığı 175 oC değerine kadar çıkabilir. Max. film sıcaklığı
akışkanın ortalama yığın sıcaklığından 28 oC değerinden daha fazla olmamalıdır.
Sistemin yüksek sıcaklıklarda aşırı periyotlarda çalışması durumunda, azot gazı ile
dengelenerek en az oksitlenme olması sağlanabilir.
Tipik olarak min. çalışma sıcaklıkları, etilen glikol eriyikleri için -23 oC;
propilen glikol eriyikleri için ise -18 oC değerindedir. Akışkan viskozitesi çok fazla
artması, pompalama gücünün yükselmesi ve ısı taşınım katsayısının azalması
nedenlerinden dolayı bu sıcaklıkların altındaki çalışma şartları genel olarak pratik
değildir.
Birçok glikol katkılı eriyikler, galvanizli çelik dışındaki standart malzemeler
ile rahatlıkla kullanılabilir. Çinkonun glikol ile reaksiyona girmesi nedeniyle
galvanize malzemeler ile kullanılması önerilmez. Eriyikte oluşan çamur ve tortuların
uzaklaştırılması önemli bir problemdir, bu nedenle sistemde filtre kullanılmalıdır.
Glikol katkılı eriyikler, kararlı ve yüksek parlama noktaları ile izafi olarak
korozif olmayan maddelerdir. Bu akışkanlar, yumuşak, çelik veya alüminyum
kaplarda depolanabilir. Bununla beraber, alüminyum kaplar akışkanın 66 oC
sıcaklığının altındaki değerlerde kullanılmamalıdır. Kapların buharlaşma hacmindeki
korozyon, bir problem olabilir. Çünkü korozyon önleyiciler, bu hacimlerdeki
yüzeylere ulaşamayabilir ve bu yüzeyleri korozyona karşı korumayabilir. Bu
problemi çözmek için bu yüzeyler uygun bir malzeme ile kaplanabilir. Uygun
kaplama malzemeleri olarak; novolak esaslı vinylester reçineler, yüksek sıcaklıkta
pişirilmiş fonelik reçineler, polipropilen ve polivinilflorid sayılabilir.
Glikol katkılı eriyik sisteme yüklenmeden önce, devredeki çamur, tortu,
salamura ve yağ gibi birikintilerden temizlenmelidir. Bu temizlemede kuvvetli asit
temizleyicilerden sakınılmalıdır, eğer gerekiyorsa asitli katkılar göz önüne
alınmalıdır. Glikollü eriyik sisteme yüklenmeden önce , temizleme sıvıları tamamen
boşaltılmalıdır. Çeşitli kaynaklardan sağlanan suyun içinde bulunabilen bazı
elemanların glikol katkılı salamuraların etkinliğini azaltması nedeniyle, bu
devrelerde arıtılmış suyun veya yoğuşma suyunun kullanılması uygundur.
42
II.5.7 Alternatif Soğutucu Akışkanlar
19. yüzyılın ikinci yarısından itibaren soğutma sanayisinde başlangıçta
karbondioksit, hava, su ve amonyak gibi doğal maddeler soğutucu akışkan olarak
kullanılmıştır. Zamanla yapay olarak elde edilen kloroflorokarbon ve
hidrokloroflorokarbonlar bu maddelerin yerini almış ve yoğun şekilde kullanılmıştır.
Ozonu olumsuz yönde etkilediği belirlenen ve düşük buharlaştırıcı
sıcaklılarında yaygın olarak kullanılan soğutuculardan birisi de R-502’dir. 1980’li
yıllardan itibaren ozon tahribatı özelliği olmayan alternatif soğutucu akışkan
arayışına girilmiş ve R-507, R-502’ye alternatif olarak önerilmiştir. Ozon
tabakasında meydana gelen incelme veya parçalanmaları önlemek için, soğutma
sistemlerinde kullanılacak zararsız alternatif soğutucu akışkanlar biliniyor olmakla
birlikte yeni maddelerin araştırılmasına devam edilmektedir. Alternatif maddelerin
başında R-134A, R-404A, R-407A, R-410A ile doğal maddelerden hidrokarbonlar
(propan, bütan) ve amonyak gelmektedir. Yeni imal edilecek ticari soğutucuların bu
alternatif soğutucu akışkanlar için tasarlanmalıdır.
II.5.7.1 R-134A Soğutucu Akışkanının Özellikleri
R-134A (CF2CH2F) soğutucu akışkanı; saf bir soğurucudur, dolayısıyla tek
bir bileşimden oluşmuştur ve bir fazdan diğerine (örneğin sıvıdan buhara) geçişlerde
sıcaklık değişimleri oluşmaz. R-134A’nın fiziksel özellikleri R-12’nin fiziksel
özelliklerine çok yakındır. Halen ozon tüketme katsayısı 0 olan ve diğer özellikleri
açısından en uygun soğutucu madde olarak önerilmektedir. Araç soğutucuları ve ev
tipi soğutucular için en uygun alternatif olarak bilinmektedir.
R-134A soğutucu akışkanı daha önce R-12 soğutucu akışkanını kullanmış
olan büyük soğutma sistemlerinde kullanılabilir. R-134A, yatırım masrafları makul
olan ve soğurucu cihazlarda fazla değişiklik gerektirmeden kullanılması mümkün
olan bir alternatif soğutucu akışkandır. Düşük sıcaklık için çift kademeli sıkıştırma
gerektirebilmektedir.[1]
II.5.8 Bir Soğutucu Akışkandan Beklenen Özellikler
• Soğutucu akışkanlarda yüksek gizli ısı istenir. Buna bağlı olarak kompresör
ve buharlaştırıcı küçülecek, dolayısıyla otomatik kontrol teçhizatları
ucuzlayacaktır. Bu özellik aynı zamanda sistemin etkinliğini de artırır.
43
• Uygun buharlaşma basıncı ve hacmi istenir. Yüksek basınçta buhar hacmi
düşük, düşük basınçta ise büyüktür. Her ikisinin de uygun değerlerde olması
istenir. Akışkanın normal atmosfer basıncında kaynama sıcaklığı çok yüksek
ise normal soğutma sıcaklıklarında buharlaştırmak için çok düşük basınç
gerektirir. Bu olay vakum oluşturur ve eğer kırık veya çatlak oluşursa sisteme
hava girer ve içindeki su buharı donarak borularda tıkanma olmasına neden
olur.
• Düşük yoğuşma basıncı istenir. Kompresörde sıkışıp basıncı artan buharı
soğutarak sıvı hale dönüştürmek için uygun soğutma ortamı gerekir. Pratik
olarak su ve hava kullanılır. Basınç ne kadar düşük olursa tesisat o kadar ucuz
olur, basıncın artmasıyla malzeme et kalınlığı da artar.
• Yüksek kritik basınç ve sıcaklığı istenir. Buharı sıkıştırmak için gerekli
basınç ne kadar düşük ise kompresör gücü de o kadar düşük olur.
• Düşük donma sıcaklığı istenir. Akışkan donma sıcaklığının düşük olmasıyla
olağan dışı durumlarda dizayn yapılması gerektiğinde geniş basınç
aralıklarında ısı pompasının çalışması sağlanabilir.
• Yağlama yağı üzerinde fazla etkili olmamalıdır. Kimyasal etki yapmamalıdır.
Yağın incelmesi sistemdeki parçalar için zararlıdır. Akışkan yağda erirse yağ
incelir. Bazen de yağın tümü eriyerek akışkanla sürüklenir ve kompresör
tamamen yağsız kalır. Genel olarak bir miktar yağ akışkanla sistem içine
yayılır, bu yağın tekrar kompresör emme tarafına gitmesi gerekir. Elimizde
kullanacağımız uygun akışkan yoksa, yağla eriyen akışkanı kullanmak
zorunda isek yüksek akışkan hızı seçmek gerekir.
• Yüksek ısı geçirgenliğine sahip olması istenir. Böylece sistemin mahal ve
çevrede oluşan değişik sıcaklık koşullarına karşı tepkisi daha seri olacaktır.
Ayrıca soğutucu akışkanın bu özelliğe sahip olması ısı transfer yüzeylerinin
küçülmesini sağlar.
• Küçük viskozite istenir. Akışkanın hem sıvı hem de su buharı halindeki
viskozitesi düşük olmalıdır. Viskozitesi büyük olan akışkanların
basınçlandırılması için gerekli olan enerji miktarı daha azdır.
• Elektrik iletkenliğinin olmaması istenir. Ayrıca yanıcı, zehirli ve tahriş edici
olmamalıdır. Tamir sırasında borularda mutlaka bir miktar akışkan bulunur.
44
• Ucuz ve saf olmalıdır. Su ile karıştığında asit etkisi yapmamalıdır. Ozon
tabakasına zararlı olmamalıdır. Sera etkisine sebep olmamalıdır. [4]
II.6 Toprak Kaynaklı Isı Pompası Tipleri
Toprak kaynaklı ısı pompaları, toprağın kullanıldığı sistemlerin yer sularının
ve bir ısı kaynağı olarak yüzey sularının çeşitleri için tümü dahil bir terim olarak
kullanılmaktadır. Pazar veya kuruluş ihtiyaçlarının çeşitliliğini karşılaştırmak için
kullanılan bir çok paralel terimler; örneğin Jeotermal ısı pompaları (JIP), yer enerji
sistemleri ve toprak kaynaklı sistemler bulunmaktadır. Bununla birlikte ASHRAE
(1995), standart bir adlandırma şekli olması bakımından üç grupta toplamıştır.
1. Kapalı serpantin toprak kaynaklı ısı pompaları
2. Yer altı suyu ısı pompaları
3. Yüzey suları ısı pompaları
II.6.1 Toprak Isı Değiştirici Tipleri
Toprak ısı değiştiricileri, yatay ve dikey olarak yerleştirilebilir. Dikey ısı
değiştiricileri yerlerine, delme makineleri ile yapılan kazı işlemi sonucu yerleştirilir.
Yatay sistem kurmak için de, bir veya birkaç hendek açılmalıdır.
Kapalı devre toprak ısı değiştiricileri, salamuranın akış yollarına göre paralel
veya seri tipte olabilir. Seri tipte tek bir akış yolu mevcuttur. Paralel tipte ise birkaç
akış yolu vardır.
45
Şekil II.24 Yatay Toprak Isı Değiştiricisi [15]
Şekil II.25 Dikey Toprak Isı Değiştiricisi [15]
46
Dikey ısı değiştiricisinin genellikle yatay ısı değiştiricisine göre bazı
avantajları vardır, çünkü dikey tiplerde boruların büyük bölümü toprağın düşük ısıl
direnç gösteren bölümündedir. Yer altı sularının hareketleri ısı değiştiricisinin iyilik
derecesini yükseltir. Ancak dönüş ve besleme borularını aynı deliğe yerleştirme
zorunluluğu da, ısı geçişi bakımından kısa devreye sebebiyet vereceğinden, dikey
tiplerin yerleştirilmesinde bu noktaya dikkat edilmelidir. Borular arasındaki ısı
geçişi, ısı değiştiricisi iyilik derecesinin düşmesine sebep olur ve bu etki delik boyu
ile birlikte artar.
Diğer yandan yatay ısı değiştiricisinin iyilik derecesi, ısıtma ve soğutma
mevsimleri boyunca yağmur, kar gibi yüzey olayları nedeniyle ve ısı değiştiricisinin
yüzeye yakınlığıyla doğru orantılıdır.
II.6.1.1 Yatay Toprak Isı Değiştiricileri
Yatay sistemler tek bir hendek veya birbirlerine yakın hendekler içine, bir
veya birden fazla borunun yerleştirilmesiyle oluşturulur. Isı değiştiricisinin iyilik
derecesi borular arasındaki mesafeye bağlıdır.
Yatay ısı değiştiricileri, salamuranın akış yönüne göre seri ve paralel olarak
sınıflandırılır. Bununla beraber toplam hendek uzunluğunu kısaltmak amacıyla tek
bir hendek içerisine birkaç boru yerleştirilebilir. Hendeklerin genişliği 0,6-0,9 m
civarındadır. Borular, yüzey şartlarında en az düzeyde etkilenmeleri amacıyla,
genellikle 0,5 - 2,5 m derinlikte döşenirler. Bu mesafe arttıkça, ısı değiştiricisinin
iyilik derecesi gerek toprak sıcaklıklarının daha uygun olması, gerekse boruların
yüzey şartlarından daha az etkilenmesi sebebiyle artar. Ancak hafriyat masrafları da
artacağından gömme derinliğine ekonomik analiz sonucu karar verilmelidir. Şayet
tek bir hendek içerisine birkaç kat boru döşenecekse borular arası kot farkı genellikle
0,3 - 0,5 m olmalıdır. [9]
Borular döşendikten sonra, dikkat edilecek bir başka husus da, toprak ve boru
arasındaki ısı geçişini iyileştirmek amacıyla hendekten çıkarılan toprağın yerine
yerleştirilirken yoğunluğunu artırmak için sıkıştırılması gerekir. Yatay toprak ısı
değiştiricilerinde, 700 m boru boyu 2 inch boru çapı ve 1 l/s akışkan debisi
kullanılabilir üst sınır değer olarak kabul edilir.
47
Şekil II.26 Seri ve Paralel Akışlı Yatay Yer Isı Değiştiricileri
II.6.1.2 Dikey Toprak Isı Değiştiricileri
Dikey toprak ısı değiştiricileri yerleştirme şekilleri, kesit geometrilerine göre
U-tüp, bölünmüş tüp ve eş eksenli tüp olarak sınıflandırılabilir. U-tüp boru çapları, ¾
inch ile 2 inch arasındadır. Isı değiştiricisi derinliği, basınç düşmesi ve ısı geçişi göz
önüne alınarak boru çaplarına göre 15-185 m arasında değişir.
Şekil II.27 Kesit Geometrilerine Göre Dikey Yer Isı Değiştiricileri
Yer ısı değiştiricili ısı pompası sistemlerinin tasarımında, ısı değiştiricisinin
döşenmesi gereken alanın azaltılmasının bir amaç olduğu düşünülürse, dikey yer ısı
değiştiricili ısı pompası sistemlerinin diğer sistemlerden en büyük avantajı ortaya
çıkar. En az boruya ihtiyaç duyma, pompalama enerji ihtiyacının diğer sistemlere
nazaran daha az olması, tüm sistemler içinde en az yüzey alanına ihtiyaç duyan
48
sistem olması, toprak sıcaklığının mevsimlik değişimlerinden etkilenmemesi dikey
toprak ısı değiştiricilerinin diğer avantajlarıdır. Delme makineleri ve ekipmanları
gerektirmesi, delme işleminin hendek açma işleminden pahalı olması dikey ısı
değiştiricilerin dezavantajlarındandır.[7]
II.7 Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Avantajları ve
Dezavantajları
II.7.1 Avantajları
Yüksek Etkinlik ve Kararlı Kapasite
Toprak kaynaklı ısı pompaları uygun bir şekilde tasarlandığı zaman,
alışagelmiş hava kaynaklı ısı pompası ve fosil yakıtlı düzeneklerden daha fazla
yüksek bir etki katsayısıyla ve ekonomik olarak işletil. Çevrim sıcaklıkları dış hava
sıcaklıklarıyla çok az değişir. Bu yüzden kapasitesi kararlıdır.
Konfor ve Hava Kalitesi
Toprak kaynaklı ısı pompaları, gizli soğutma kapasitesini içermeden, yüksek
etki katsayısı sağlarlar. Yüksek etki katsayısı, kompresörün basma basıncının emme
basıncına oranının azaltılmasıyla elde edilmektedir. Dış hava sıcaklığı, basma
basıncının daha düşük limitini gösterdiği için bazı imalatçılar etkinliği yükseltmek
için emme basıncını artırırlar. Bu, konfor ve iç hava kalitesi sorunlarını bir bütün
haline getiren zayıf nem almaya yol açar.
Basit Kontroller ve Ekipman
Karmaşık kontroller, konforu ve kısmi yükteki etkinliği sağlamak için gerekli
değildir. Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin giderini düşürmek için pahalı ve
özel cihazların kullanılmaması önerilir. Hava debisi, sabit hacimde olup; merkezi
kontrol sadece su pompasındaki isteğe bağlı değişken hızlı sürücüdedir.
Düşük Bakım Gideri
Toprak kaynaklı ısı pompaları, dış ünite olmadan kurulabilirler. Tüm ısı
pompası ekipmanı iç ünite şeklindedir. Ekipmanda, alışılagelmiş ekipmanlarda
ortaya çıkan yüksek ve düşük soğutucu akışkan basınçlarıyla karşılaşılmaz.
49
Düşük Giderli Su Isıtması
Çoğu ticari yapıda soğutma sistemiyle alınan, iç yüklerden ortaya çıkan atık
ısı söz konusudur. Bu atık ısı, su ısıtma ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılabilir.
Bu, seçilen ısı pompalarındaki ısı geri kazanım serpantinleriyle veya bu amaçla
kullanılan su-su ısı pompalarıyla gerçekleştirilebilir.
Dış Ünite Ekipmanı Gerektirmemesi
Çoğu toprak kaynaklı ısı pompalarında göze hoş görünmeyen dış ünite
gerekli değildir. Böylece, diğer kullanımlar için boş alan sağlanır ve dış üniteyle
oluşabilecek emniyet sorunları ile olası zararlar ortadan kaldırılır.
Çevre Dostu
EPA raporuna göre, toprak kaynaklı ısı pompaları , “analiz edilen tüm
teknolojilerin en düşük CO2 emisyonları ve en düşük toplam çevre giderleri” olarak
tanıtılmaktadır. İyi tasarlanan ve kurulan toprak kaynaklı ısı pompalarının
etkinliğinin artması, gerekli olan enerji miktarını azaltır. Böylece bundan
kaynaklanan kirleticiler ve diğer emisyonlar azaltılır.
Tasarım Esnekliği
Toprak kaynaklı ısı pompaları önemli ölçüde esneklik sağlar. Çünkü değişik
boyut ve yerleşim şekillerinde tasarlanabilir. Isı pompaları, çatı arası boşluğa veya
küçük mekanik odalara konulabilir.
Mükemmel Ömür Gideri
Toprak kaynaklı ısı pompalarının ilk yatırım maliyeti yüksek olmasına
rağmen, yapım-kullanım ömrü gider hesabı yapıldığı zaman toprak kaynaklı ısı
pompalarını belirgin olarak öncü kılan üç karakteristik ortaya çıkar: enerji
giderlerinin düşük olması, bakım giderlerinin düşüklüğü ve ekipman ömrünün
uzatılması.
II.7.2 Dezavantajları
İlk Yatırım Maliyetinin Yüksek Olması
Yatırım gideri daima standart merkezi ekipmanın giderinin iki katıdır.
50
Nitelikli Tasarımcı Sayısının Sınırlı Olması
HVAC tasarımcıları daralan konstrüksiyon bütçeleri, artan standart istemleri
ve giderek çoğalan yasal sorumluluklar arasında sıkışmış durumdadır. Genellikle
yapmak istedikleri son şey yeni bir şey denemektir.[10]
51
BÖLÜM III
TEZ ÇALIŞMASI
III.1 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI
SİSTEMLERİNDE EKSERJİ ANALİZİ
Bu kısımda toprak kaynaklı bir ısı pompası sisteminin ekserji
(kullanılabilirlik) analizi yapılmıştır. Ayrıca, maddenin bir özelliği olan
kullanılabilirlik ele alınmadan önce tersinir iş, faydalı iş, maksimum faydalı iş
konuları açıklanmıştır.
III.1.1 Tersinir İş ve Tersinmezlik
Her gerçek işlemde tersinmezliğe sebep olan faktörler bulunur ve bundan dolayı da
entropi artışı görülür. Tersinir işi elde edebilmek için, gerçek hal değişimine
benzeyen, fakat bütün işlemlerin tersinir olduğu ideal bir hal değişimi göz önüne
alınır.
Şekil III.1 Sistemin Gerçek Hal Değişimi ve Tersinir Hal Değişimi
52
)QQ(),WW( sis,trsis,tr δ≠δδ≠δ
Termodinamiğin I. Kanunu sisteme, tersinir ısı makinesi ve tersinir ısı pompasına
ayrı ayrı uygulandığında,
dEQW sis,trsis,tr −δ=δ III.1
−δ=δ
K
0c
T
T1QW III.2
−δ−=δ−
T
T1QW 0
sis,trp III.3
Bunlar taraf tarafa toplandığında,
sis,tr0
K
0tr Q
T
TdE
T
T1QW δ+−
−δ=δ III.4
bulunur. dST
Q sis,tr=
δ ise
Denklemlerdeki To çevre sıcaklığını, TK ısı kaynağı sıcaklığını ifade etmektedir.
dSTdET
T1QW 0
K
0tr +−
−δ=δ III.5
Bir hal değişimi için,
)STE()STE(T
T1QW 202101
K
012tr12 −−−+
−= olur. III.6
Tersinmezlik (irreversibility), tersinir iş ile gerçek işlemdeki işin farkıdır.
net0
K
0tr dSTT
QdSTWWdI =
δ−=δ−δ= III.7
Tersinmezlik, bütün işlemlerdeki net entropi değişiminin çevre sıcaklığı ile
çarpımına eşit olmaktadır. Net entropi değişimi daima pozitif (veya tersinir işlemler
için sıfır) olduğuna göre tersinmezlik de daima pozitiftir.
Açık sistem için, benzer şekilde hareket edilerek tersinir işin,
53
( ) ( )( )∫ ∫ −ρ+ρ−−ρ−
−=
V A
010
K
0A
.
tr
.
dAn.VsTvedVsTedt
d
T
T1QW III.8
olduğu görülmektedir. S.A.S.A. için;
∑∑
++−−
++−+
−= ç
2ç
ç0çç
.
g
2g
g0gg
.
K
0A
.
tr
.
zg2
VsThmzg
2
VsThm
T
T1QW III.9
ve bir girişli bir çıkışlı SASA için;
( ) ( ) ( )çg
2ç
2g
ç0çg0g
K
0Atr zzg
2
VVsThsTh
T
T1qw −+
−+−−−+
−= III.10
kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek, DADA için;
( ) ( ) ( ) ( )∑ ∑ −−−+−−−+
−= ç0ççg0gg20221011
K
0Atr sThmsThmsTumsTum
T
T1QW
III.11 Açık sistem için tersinmezlik;
( )net
0
V A K
.
A0A
.
tr
.
dt
dST
T
QdAn.VsdVs
dt
dTWWI
=
−ρ+ρ=−= ∫ ∫ III.12
SASA için;
−−= ∑ ∑
K
.
Agg
.
çç
.
0
.
T
QsmsmTI III.13
DADA için;
( )
−−+−= ∑ ∑
K
.
Agg
.
çç
.
A11220T
QsmsmsmsmTI III.14
elde edilir. Burada 0K TT ≠ ’dır.
54
Eğer 0K TT = ise tersinir iş denklemlerindeki ısı geçişi terimleri sıfır olur. Sistem
veya açık sistem birden fazla ısı kaynağı ile ısı alışverişinde bulunursa, bu takdirde
ısı geçişi ile ilgili terimler toplam şeklinde gelir.
III.1.2 Faydalı İş ve Faydalı Tersinir İş
Bir sistemin veya açık sistemin hareketli sınır işinin bir kısmı civara karşı
yapıldığından, yapılan işten çıkarılarak faydalı iş bulunur. Çevre basıncına karşı
yapılan iş tersinir işten çıkarılırsa faydalı tersinir iş elde edilir.
a)Sistem için;
( )12012fay12 VVPWW −−= III.15
( ) ( )2020210101
K
012faytr12 STVPESTVPE
T
T1QW −+−−++
−= III.16
b)Açık sistem için;
.
0Afay,A
.
dt
dVPWW
−= III.17
( ) ( ) ( )∫ ∫ −+ρ−−+ρ−
−=
V A
000
.
K
0Afay,Atr
.
dAn.VsTPvedVsTvPedt
d
T
T1QW III.18
III.1.3 Maksimum Faydalı (Tersinir) İş – Kullanılabilir
Enerji (Ekserji)
Sistemin çevresi ile dengeli bulunduğu (basıncın P0 çevre basıncı, sıcaklığın T0 çevre
sıcaklığı, kinetik enerjisinin sıfır ve potansiyel enerjisinin minimum olduğu ve
sistemin çevrenin konsantrasyonunda veya bir referans konsantrasyonunda
bulunduğu) ve hiç iş elde edilemeyecek hale ölü hal denir.
Sistem, verilen bir halden ölü hale gelinceye kadar bütün işlemlerin tersinir bir
şekilde gerçekleştirildiği ve ısı alışverişinin yalnız çevre ile (bir tersinir ısı makinesi
vasıtasıyla) olduğu bir hal değişiminde sistemden alınan maksimum faydalı (tersinir)
işe sistemin kullanılabilir enerjisi denir. [11]
55
( ) ( ) ( )çg
2ç
2g
ç0çg0g
K
0Atr zzg
2
VVsThsTh
T
T1qw −+
−+−−−+
−= denkleminde
0K TT = ,
ilk hal indissiz olarak ve son hal de ‘0’ indisi ile (ölü halde) alınarak sistemin
kullanılabilir enerjisi (ekserjisi);
( )
−++−−+= 0
2
000 zzg2
VmGSTVPUx III.19
şeklinde olur. G0 = U0 + P0V0 - T0S0 III.20 sistemin ölü haldeki Gibbs fonksiyonudur. Burada kinetik ve potansiyel enerjiler
(mekanik enerji) hariç tutularak elde edilen,
000 G -ST - VP UK +=
000 g- sT- vP u k += III.21
000 gsTvPuk −−+=
çevre şartlarına bağlı olarak maddenin özelliği elde edilir. Buna kullanılabilirlik
denilir.
( ) ( ) ( )çg
2ç
2g
ç0çg0g
K
0Atr zzg
2
VVsThsTh
T
T1qw −+
−+−−−+
−= denkleminden,
( )
−+
−+−+
−= 21
22
21
21
K
012fay,tr12 zzg
2
VVmKK
T
T1QW III.22
bulunur.
( )net
0
V A K
.
A0A
.
tr
.
dt
dST
T
QdAn.VsdVs
dt
dTWWI
=
−ρ+ρ=−= ∫ ∫ denkleminden,
süreklilik denklemi ( )
=ρ+ρ∫ ∫
V A
0dAn.VdVdt
d, 0000 sThg −= ile çarpılıp
eklenerek,
( )∫ ∫ρ−ρ−
−=
V A
a
K
0A
.
fay,Atr
.
dAn.VxdVxdt
d
T
T1QW III.23
denklemi elde edilir.
56
( ) ( )0
2
000a zzg2
VgsThvPPXX −++−−=−+= III.24
akış hali için kullanılabilir enerji ve
( ) 000a gsThvPPkk −−=−+= III.25
akış hali için kullanılabilirlik adını alır. Kabul edilen bir referans hal için (T0 = 25 oC, P0 =100 kPa) kullanılabilirlik ve akış
hali için kullanılabilirlik değerleri verilir.
III.1.4 Kullanılabilir Enerji Denklemi
Sistemin herhangi bir sonsuz küçük hal değişimini yukarıdaki şeklin a kısmı göz
önüne alındığında, sistem tarafından yapılan faydalı iş
∑∑
++−−
++−+
−= ç
2ç
ç0çç
.
g
2g
g0gg
.
K
0A
.
tr
.
zg2
VsThmzg
2
VsThm
T
T1QW
denkleminden;
dVPWW 0fay −δ=δ III.26
şeklinde yazılır ve birinci kanunda yerine konulduğunda;
( )VPEdQW 0fay +−δ=δ III.27
elde edilir.Bu son denkleme T0dS ve QT
T
K
0 δ
eklenip ve çıkarıldığında, sistem
için;
( )
δ−−−+−
−δ=δ
K
000
K
0fay
T
QdSTSTVPEd
T
T1QW III.28
kullanılabilir enerji denklemi bulunur. Sistemin veya açık sistemin yaptığı faydalı
hareketli sınır işi, dönen mil işi ve elektrik işi kullanılabilir iş (enerji)’dir (Civara
karşı yapılan hareketli sınır işi hariç).
Verilen TK sıcaklığındaki bir ısı kaynağından alınan ısıdan elde edilebilecek
maksimum iş, T0 sıcaklığındaki civar ile ısı kaynağı arasında Carnot çevrimine göre
çalışan ısı makinesinden elde edilebilecek işi;
QT
T1QdX c
K
0Q δη=
−δ= III.29
57
ısının kullanılabilir enerjisidir. Ayrıca sistemin kullanılabilir enerjisinden III.13 ve
sistemin net entropi değişiminden faydalanarak III-22 kullanılabilir enerji denklemi;
net0QWfay dSTdXdXdXW −−==δ III.30
şeklini alır.Bu son denklemdeki;
kynet0 dXdIdST == III.31
kayıp kullanılabilir enerji olduğu, III-16 denkleminden yararlanılarak yazılan;
dXQWW cfay,trfay −δη=δ≤δ III.32
eşitliği ile mukayesesinden görülmektedir. Buna göre III-24 denklemi sistemin bir
hal değişimi için yazılırsa;
ky12WQ XXXXX1212
+−=− III.33
denklemi bulunur.Burada;
12cQ QX12
η= : Isının kullanılabilir enerjisi,
fay,12W WX12
= : Faydalı iş III-9,
21 X,X : Sistemin ilk ve son hallerdeki kullanılabilir enerjisi,
kyX : Kayıp kullanılabilir enerji.
Açık sistem için benzer şekilde;
fay,Atr
.
fay,A
.
WW ≤ III.34 eşitsizliğini, III-17 denkleminden de yararlanarak;
( )dt
dXdAn.VXXdV
dt
dQW
ky
A
A
V
A
.
cfay,A
.
−ρ−ρ−η= ∫∫ III.35
eşitliği şeklinde, kullanılabilir enerjinin bir andaki kaybını göz önüne alarak yazmak
mümkündür. Bu denklem açık sistem için kullanılabilir enerji denkleminin integral
şeklidir. Bu denklemdeki bir andaki kayıp kullanılabilir enerjinin=tersinmezlik;
( ).
net
0
V K
.
A
A
0
kyI
dt
dST
T
QdAn.VsdVs
dt
dT
dt
dX=
=
−ρ+ρ= ∫ ∫ III.36
olduğu gösterilir.
58
Kullanılabilir enerji denklemi SASA için;
ky
.
açç
.
agg
.
A
.
cfay
.
XXmXmQW −−+η= ∑∑ III.37
ve DADA için kinetik ve potansiyel enerjileri ihmal edilerek;
( ) ∑ ∑ −−+−+η= kyaççagg2211Acfay XkmkmkmkmQW III.38
şeklinde yazılır.[12]
III.1.5 İkinci Kanun Verimi İkinci kanun analizi ile, kullanılabilir enerji kavramından yararlanarak işlemin ne
derece iyi ve mükemmele yakın olduğu incelenebilir. Kayıp kullanılabilir enerji
tersinmezliğin bir ölçüsüdür ve işlemlerdeki tersinmezlikler arttıkça artar. İkinci yasa
verimini tanımlamaktaki amaç, tersinir hal değişimlerine hangi ölçüde yaklaşıldığını
belirtmektir. Bu bakımdan ikinci yasa veriminin değeri en kötü durumda sıfır, en iyi
durumda bir olacaktır. Buna göre ikinci kanun verimi (tesirlilik):
III.39 veya
III.40 şekillerinde tarif edilir.[13] Bir hal değişimi sırasında bir sistemden elde edilebilecek en çok yararlı iş, tersinir iş
olarak adlandırılır. Eğer son hal çevre koşulları ise, tersinir iş en büyük değere ulaşır
ve kullanılabilirlik adını alır. Bir hal değişiminde tersinir işle yararlı iş arasındaki
fark, tersinmezlik olarak tanımlanır.
59
III.2. Teorik Uygulama Ve Analiz
Bu çalışmada, İstanbul’da toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemi tasarlanmış ve
sistemi oluşturan ana elemanlar olan kompresör, evaporatör, kısılma vanası ve
kondensere ayrı ayrı ekserji analizi uygulanmıştır. Isı pompasının kullanıldığı
mahaldeki ısı kaybı, daha önce yapılmış bir projeden alınarak 5,355 kW olarak kabul
edilmiştir. İstanbul için kış mevsiminde dış ortam sıcaklığı 3 oC olarak kabul edilip,
sistemde kullanılacak kompresör verimi % 90 ve pompa verimi % 85 olarak
alınmıştır. Kış mevsimi için İstanbuldaki toprak sıcaklığı 10 oC olarak kabul
edilmiştir. Yaz mevsimi için toprak sıcaklığı 20 oC ve dış hava sıcaklığı 33 oC kabul
edilerek hesaplamalar yapılmıştır. Isı pompasında soğutucu akışkan olarak R-134a
kullanılmıştır. Toprak altı tesisatta ısı taşıyıcı akışkan sudur.
60
Şekil III.2 Kış Durumu
61
KIŞ DURUMU - Isı Pompası Hesabı
Isıtılacak mahalin ısı ihtiyacı daha önce yapılmış bir ısıtma projesinden alınarak,
.
Q = 5,355 kW olarak kabul edilmiştir.
'2 noktası 2 noktasının Cp’si yani 1016,4 kPa ve 46 oC için Cp = 1,08956 kJ/kg.K olarak . tablodan interpolasyonla hesaplanmıştır. Kompresör verimi % 90 ve Pompa verimi % 85 kabul edilmiştir. -wk = Cp.(T2 –T1) /ηks = Cp .( T '2 – T1 ) formülünde veriler yerine konulduğunda = 1,08956. ( 46 - 0 ) / 0,90 = 1,08956. ( T '2 – 0 ) -wk = 55,6886 kJ / kg T '2 = 51,109 oC bulunur.
'2 noktası T '2 = 51,109 oC P '2 =1016,4 kPa olduğu bilinmektedir. Tablolardan; h '2 =281,307 kJ/kg s '2 =0,9462 kJ/kg.K olarak elde edilir.
Isıtılacak mekan kondenserden verilen ısıyla ısıtılacağına ve .
Q = -5,355 kW kabul edildiğine göre
Buradan .
Q = Rm.
-134a . (h3 – h '2 )
-5,355 = Rm.
-134a . ( 106,19 – 281,307 )
Rm.
-134a = 0,03057955 kg/s bulunur.
62
KOMPRESÖR: Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P1 = 292,82 kPa P '2 = 1016,4 kPa To = 25 oC T1 = 0 oC T '2 = 51,109 oC ho = 274,38 kJ/kg h1 = 247,23 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ / kg So = 1,097 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3/kg v1 = 0,0689 m3/kg v '2 = 0,02184 m3/kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
)( 12
.
12
.
12
.
''' hhmWQ R −=−
)hh(mw.mQ 12a134R
.
ka134R
.
12
.
'' −=− −−
'12
.
Q - 0,03057955 . ( -55,6886 ) = 0,03057955. ( 281,307 – 247,23 )
'12
.
Q = -0,660873 kW ( Dışarıya Isı Kaçmaktadır )
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
ç
12
.
12a134R
.
net
.
T
Q)ss(.mS
'
' −−=∆ − Tç = Tk = 3 0C = 276,15 K
netS.
∆ = 0,03057955 . ( 0,9462 – 0,9190 ) – (-0,660873) / ( 276,15)
netS.
∆ = 0,0032249305 kW / K Tersinmezlik I = T0 x ∆Snet= 298,15 x (0,0032249305) = 0,961513033 kW Akış hali için Kullanılabilirlik ka = h – T0.s – ρ0 = h – T0.s – [ u0 + P0.v0 – T0.s0 ] ↓ h0
ka = (h-h0) – T0 . (s-s0)
63
k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg k '2 = (h '2 - h0)–T0 . (s '2 - s0)=(281,307 – 274,38 )– 298.15.(0,9462 - 1,097) = 51,88802 kJ / kg Kullanılabilir enerji denklemi ( S.A.S.A ) için
kyaççaggACfay mmQW.....
... χχχη −Σ−Σ+=
Rçg mmm...
== ; ka134R
.
12
..
fay
.
w.mWWW ' −===
'12
..
QQ A = ; 1kag =χ ; '2kaç=χ
K
cT
T01−=η
ky
.
'21a134R
.
12
.
K
0Ka134R
.
)kk(.mQ.)T
T1(w.m ' χ−−+−= −−
Ka134R
.
21a134R
.
12
.
K
0ky
.
w.m)kk(.mQ.)T
T1( '' −− −−+−=χ
)6886,55(.03057955,0
)88802,519207,25(.03057955,0)660873,0(.)15,276
15,2981(
.
−−
−+−−=kyχ
.
ky
.
IkW961513035,0 ==χ
II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji
ε =
Ka134R
.
1a134R
.
ky
.
w.mk.m1
−− +
χ−
ε = 1 – 0,961513035 / ( 0,03057955 . 25,9207 ) + ( 0,03057955 . 55,6886) ε = 0,614712931
64
EVAPORATÖR Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P4 = 292,82 kPa P1 = 292,82 kPa To = 25 oC T4 = 0 oC T1 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg h1 =247,23 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 /kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
.
Q evaporatör = Rm.
-134a . (h1 – h4) = 0,03057955 . ( 247,23 – 106,19) = 4,312939732 kW Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a . (s1-s4) – ( eQ.
/Tk)
= 0,03057955 .(0,9190 –0,399 )–( 4,312939732 / 276,15) = 2,832608687 .10-4 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (2,832608687 .10-4 ) = 0,084454228 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38 ) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
eQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.
-134a .(k1 – k4) + ky
.
χ
4,312939732. [ 1 – (298,15/276,15)] = 0,03057955 . (25,9207 – 39,9187) + Xky
ky
.
χ = 0,084454228 kW =
.
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε = [ ]K0e
.
4a134R
.
ky
.
T/T1.Qk.m1
−+
χ−
−
65
ε =
−+
−
15,276
15,2981.312939732,4)9187,39.03057955,0(
084454228,01
ε = 0,946011288
66
KISILMA VANASI Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P3 = 1016,4 kPa P4 = 292,82 kPa To = 25 oC T3 = 40 oC T4 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
.
Q kısılma = Rm.
-134a . (h4 – h3) = 0 kW Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a. (s4-s3) – ( kQ.
/Tk)
= 0,03057955. (0,399 – 0,3866 ) – 0 = 3,7918642 x 10-4 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (3,7918642 x 10-4) = 0,1130544 kW / K Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,3866 - 1,097) = 43,61576 kJ /kg k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
kQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.
-134a.(k4 – k3) + ky
.
χ
0 = 0,03057955. (39,9187 – 43,61576) + ky
.
χ
ky
.
χ = 0,1130544 kW / K = .
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε =
3a134R
.
ky
.
k.m1
−
χ− =
67
915235708,061576,43.03057955,0
1130544,01 =−
68
KONDANSER Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P '2 = 1016,4 kPa P3 = 1016,4 kPa To = 25 oC T '2 = 51,109 oC T3 = 40 oC ho = 274,38 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
.
Q kondanser = Rm.
-134a . (h3 – h '2 ) = 0,03057955. ( 106,19 – 281,307 ) = - 5,355 kW
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a . (s3-s '2 ) – ( kQ.
/Tk)
= 0,03057955. (0,3866 – 0,9462 ) – ( -5,355/ 276,15 ) = 0,0022793188 kW/ K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (0,0022793188) = 0,6795789 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k '2 = (h '2 -h0) – T0 . (s '2 -s0) = (281,307–274,38) – 298.15 . (0,9462 -1,097) = 51,88802 kJ/kg k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,3866 - 1,097) = 43,615 kJ/kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
kQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.
-134a.(k3 – k '2 ) + ky
.
χ
(- 5,355 ) . [ 1 – (298,15/276,15)] = 0,03057955. ( 43,615 – 51,88802 ) + ky
.
χ
ky
.
χ = 0,679601197 kW = .
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε = '2
a134R
.
ky
.
k.m1
−
χ−
69
ε = 571692236,088802,51.03057955,0
679601197,01 =−
70
Toprak Isı Değiştiricisi Hesabı
Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği 1,5 m olarak seçilmiştir. Bu derinlikteki
minimum ve maksimum toprak sıcaklıkları Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü’nde Timur Diz tarafından hazırlanmış “Minimum Enerjili Bina Tasarımı”
adlı yüksek lisans tezinden Tmax= 21,71 oC ve Tmin=9,99 oC olarak alınmıştır. Kış
durumunda toprak sıcaklığı 10 oC olarak kabul edilmiştir. Isı taşıyıcı akışkanın
toprak ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 2 oC olarak kabul edilmiştir. Çıkış sıcaklığı da
5 oC olarak hesaplanmıştır.
Sabit Yüzey Sıcaklığı Kabulüyle Toprak Isı Değiştiricisi Uzunluğu Hesabı
Sabit yüzey sıcaklığı kabulüne ait teorik alt yapı Jaeger ve Carslaw’un
çalışmalarından elde edilmiştir. Toprağın başlangıç sıcaklığından T∆ kadar düşük
veya yüksek sıcaklıkta tutulan uzun bir boruda birim boyda transfer olan ısı miktarı
'Q ve ısı akısı w, zamana bağlı olarak aşağıdaki ifadelerle bulunur (Ingersoll ve
Plass,1955).
)z(F.T.kQ t' ∆=
r..2
)z(F.T.kw t
π
∆=
)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q sutoprakttz −=∆=
r..2
)z(F.T.k.15459,3q t
π
∆=
∫∞ β−
β
β
β+βπ=→=
020
20
z2
t
d.
)(Y)(j
e8)z(Fr/taz
2
Burada;
at : Toprağın ısıl difüzivite katsayısı (fph)
t : Zaman (h)
kt : Toprağın ısıl iletkenlik değeri (fph)
71
T∆ : Başlangıçtaki toprak sıcaklığı ile yüzey sıcaklığı arasındaki fark (F)
'Q : Birim boru boyu için transfer olan ısı miktarı [btu /(ft.h)]
zQ : Birim boru boyu için transfer olan ısı miktarı (W/m)
w : Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı [btu /(ft2.h)]
q : Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı (W/m2)
r : Borunun yarıçapı (ft)
olmaktadır.
Sabit yüzey sıcaklığı teorisinde aşağıdaki kabuller yapılmıştır.
1.Toprak özellikleri üniform ve sabittir.
2.Hesap yapılan zaman aralığında birim boydaki ısı geçişi sabit değildir.
3.Borunun yüzey sıcaklığı sabit bir değerde tutulmaktadır.
Hesapların kolaylaştırılması amacıyla uzun integral işlemleri uğraşmak yerine z’ye
bağlı olarak elde edilen F(z) değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Tablo 3.1 F(z) integralleri (Ingersoll ve Plass, 1955)
72
Tablo 3.2 Değişik toprak tiplerinin fph biriminde fiziksel özellikleri (Plass,
1955)
fph Malzeme
k c ρ a
% 43 sulu kalkerli
toprak 0,41 0,53 104 0,007
Kuartzlı, orta derece iyi,
kuru kum 0,15 0,19 103 0,008
Kuartzlı kum(%8,3
nemli) 0,34 0,24 109 0,013
%15 nemli kumlu kil 0,53 0,33 111 0,014
Kuru toprak 0,1-0,2 - - 0,008-0,012
Nemli toprak 0,8-2,0 - - 0,02-0,04
Çamur 0,5 0,6 94 0,009
Tablodan yararlanarak İstanbul için toprağın ısıl difüzivite katsayısı ve ısı iletim
katsayıları sırasıyla at=0,0261 fph ve kt=1,2 fph olarak bulunur. Tezdeki hesaplar
nemli toprak özelliklerine göre yapılmıştır.
Toprak ısı değiştiricisinde 1 inch’lik boru tercih edilmiştir.
Borunun yarıçapı; r =(d/2).(1/12) = (1/2).(1/12)=0,0417 ft’dir. İntegrasyon sabiti
hesaplanırken t = 24 saat alınmıştır. Verilen değerler yerine konularak
integrasyon sabiti
z = at t / r2 = (0,0261 . 24) / 0,04172 =366,38 olarak bulunur.
İntegrasyon sabiti z =366,38 için F(z) integralinin değeri Çizelge 3.1’den
yararlanarak F(z)=1,7988 bulunur. Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı
)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q sutoprakttz −=∆= denkleminden
yararlanarak
m/W604,167988,1.)8(.2,1.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q tz ==∆= olarak
bulunur.
73
Birim yüzey alanından transfer olan ısı miktarı ise r..2
)z(F.T.k.15459,3q t
π
∆=
denklemine verilerin girilmesi ile;
2t m/W0124,2080417,0..2
268,17.15459,3
r..2
)z(F.T.k.15459,3q =
π=
π
∆=
Düşük sıcaklıklarda suyun yoğunluğu ρ =1000 kg/m3’tür. Boru içerisindeki suyun
akış hızı 0,5 m/s olsun. 1 inch’lik borunun iç çapı ise 1,075 inch olduğuna göre boru
sistemindeki suyun kütlesel debisi,
.bulunurolaraks/kg293,05,0.4
)0254,0.075,1.(.1000u.
4
d..u.A.m
22
=π
=π
ρ=ρ=
Suyun özgül ısınma ısısı, suyun termofiziksel özellikleri tablosundan cp = 4,198
kJ/kg olarak okunur. Suyun boru sisteminden çıkması gereken su sıcaklığı;
50,5198,4.293,0
312939732,42
c.m
QTT
p
gç =+=+= oC olarak hesaplanır.
Boru başlangıç ve sonunda, birim boy boruya transfer olan ısı miktarı şu şekilde
bulunur.
7988,1).210.(2,1.961519,0
)(.)(..961519,0)(...961519,01
−=
−=∆= zFTTkzFTkQ sutoprakttz
m/W60397,16Q 1z =
7988,1).50,510.(2,1.961519,0
)(.)(..961519,0)(...961519,02
−=
−=∆= zFTTkzFTkQ sutoprakttz
m/W33973,9Q 2z =
Gerekli olan boru boyu L;
m48,3322/)33973,960397,16(
939732,4312
2/)QQ(
QL
2z1z
=+
=+
=
74
Basınç Kaybı Hesabı
Lineer yük kaybı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.
g.2
u.
d
L.)m(KaybıYük
2
λ=
Burada λ lineer yük kayıp katsayısıdır ve akışın türüne göre belirlenir. Bir ortamdaki
akışın türü boyutsuz Reynold sayısı ile belirlenir.
1239,894610x52,1
)0254,0.075,1(.50,0.016,996d.V.Re
3s
==µ
ρ=
−
Suyun fiziksel özellikleri tablosundan;
Suyun viskozitesi : 1,52 x 10-3 N.s/m2
Suyun özgül ağırlığı : 9,81 kN/m3 olarak okunur.
2320<Re<100000 olduğundan akış türbülanslıdır. Akışın türbülanslı olduğu durumda
λ şu şekilde bulunur.
032492,01239,8946
316,0
Re
316,044
===λ
Toprak ısı değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğu daha önce 332,48 m olarak
bulunmuştur. Boru içerisindeki suyun akış hızı 0,5 m/s olarak kabul edilmiştir. λ
değeri de yerine konulduğunda;
m041279,581,9.2
5,0.
)0254,0.075,1(
48,332.032492,0)m(KaybıYük
2
== olarak bulunur.
Bulunan değer suyun özgül ağırlığı ile çarpıldığıında basınç kaybı kPa cinsinden elde
edilir. Basınç kaybı hesabında lokal kayıplar ihmal edilip, toprak altı boru sistemi
düz kabul edilerek hesaplamalar yapılmıştır.
5,041279 x 9,81 = 49,45 kPa
Isı taşıyıcı akışkanın evaporatörden çıkış basıncı 292,82 kPa idi. Toprak ısı
değiştiricisinde 49,45 kPa basınç kaybıyla 6 Noktasına gelerek, 6 Noktasındaki
basınç 243,37 kPa olarak elde edilir.
75
Pompa – Kış Durumu – Toprak Isı Değiştiricisi
Pompa verimi %85 kabul edilmiştir. ηp = 0,85 izantropik verim )0Q( p
.
≅
5 –Evaporatör çıkışı– su P5 = 292,82 kPa T5 = 2 0C Sıkıştırılmış sıvı 2 0C için v5 = vs = 0,001 m3 / kg h5 = hs = 8,37278 kJ / kg s5 = ss = 0,03034849 kJ / kg.oK 6 – Pompa girişi –su P6 = 243,37 kPa T6 = 5,50 oC Sıkıştırılmış sıvı 5,50 0C için h6 = hs =23,08 kJ/kg s6 = ss = 0,0836 kJ/kg oK v6 = vs = 0,001 m3/kg 7 – Evaporatör Girişi (pompa çıkışı)– Su P5 = P7 = 292,82 kPa olarak seçilmiştir (kaçak olmaması için). T7 = 5,50 0C h7 = 23,1381 kJ/kg v7 = 0,001 m3/kg s7 = 0,08485 kJ/kg K Pompa için Termodinamiğin I. Kanunu -wp ≅ v6.(P7-P6) / pµ =h7-h6
-wp ≅ 0,001.(292,82-243,37)/0,85=h7-23,08
-wp ≅ 0,058176 kJ/kg , h7=23,1381 kJ/kg Ölü Hal Po = 100 kPa To = 25 oC ho = 104,77 kJ/kg v0 = 0,0010029 m3 / kg so = 0,367 kJ/kg.K
76
Evaporatör için enerji dengesi yazıldığında
7su
.
1a134R
.
5su
.
4a134R
.
h.mh.mh.mh.m +=+ −−
)hh(.m)hh(.m 57su
.
14a134R
.
−=−−
sum.
= a134R
.
m − . ( h4 – h1) / ( h7 – h5 )
sum.
= 0,03057955 . ( 106,19 – 247,23 ) / ( 23,1381 – 8,37278 )
sum.
= 0,293 kg / s (toprak ısı değiştiricisinde dolaştırılması gereken su debisi)
pW.
= sum.
. wp = ( 0,293 ) . (-0,058176 ) = -0,017045 kW (pompada harcanan güç) Pompa için Ter. II Kanunu Uygulandığında Pompa çıkışı P7 = 292,82 kPa T7 = 5,50 0C Sıkıştırılmış sıvı S7 = 0,08485 kJ/kg.K
netS.
∆ = sum.
. (s7-s6) – ( pQ.
/Tç) ( pQ.
/Tç) = 0
netS.
∆ = 0,293 . ( 0,08485 – 0,0836 ) – 0
netS.
∆ = 0,00036625 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (0,00036625) = 0,109197437 kW Akış Hali İçin Kullanılabilirlik ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k6 = (h6-h0) – T0 . (s6-s0) = ( 23,08 – 104,77 ) – 298.15 . (0,0836 – 0,367 )=2,80571 kJ /kg k7 = (h7-h0)–T0.(s7-s0)=(23,1381–104,77)–298.15.(0,08485–0,367) =2,4911225 kJ /kg
77
Kullanılabilir Enerji Denklemi
kyaççaggACfay mmQW.....
... χχχη −Σ−Σ+=
pfay WW..
=
p
.
67su
..
ky W)kk(.m −−=χ
ky
.
χ = 0,293 . (2,80571 - 2,4911225) + 0,017045
ky
.
χ = 0,109219137 kW ≅.
Ι
Kayıp Kullanılabilir Enerji ≅ Tersinmezlik II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji
ε = p
.
6su
.
ky
.
Wk.m
1
+
χ−
ε = 86984,0017045,080571,2.293,0
109219137,01 =
+−
Kış Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin Isıtma Tesir Katsayısı
pk WW
Q
..
.
'
+
=β = 017045,07027,1
355,5
+
'β = 3,113833
78
Kış Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin İkinci Yasa Verimi-Tersinirlik
tr'
'
β
βε =
trpompatrkomp
trkondanser
tr
WW
Q
,
.
,
.
,
.
'
+
=β
pompakypompakompkykomp
kondanserkykondanser
tr
XWXW
XQ
....
..
'
+++
−
=β
109219137,0017045,0961513033,0702932328,1
679601197,0355,5'
+−+−
−−=trβ
294795545,9649245158,0
034601197,6' ==trβ
335,0294795845,9
113833,3==ε
79
Şekil III.3 Yaz Durumu
80
YAZ DURUMU – Isı Pompası Hesabı
'2 noktası 2 noktasının Cp si yani 1016,4 kPa ve 46 oC için Cp = 1,08956 kJ/kg.K bulunmuştur. tablodan interpolasyonla hesaplanmıştır. Kompresör verimi % 90 ve Pompa verimi % 85 kabul edilmiştir.. -wk = Cp.(T2 –T1) /ηks = Cp .( T '2 – T1 ) formülünde yerine konulduğunda = 1,08956. ( 46 - 0 ) / 0,90 = 1,08956. ( T '2 – 0 ) -wk = 55,6886 kJ / kg T '2 = 51,109 oC bulunur.
'2 noktası T '2 = 51,109 oC P '2 =1016,4 kPa olduğu bilinmektedir. Tablolardan; h '2 =281,307 kJ/kg s '2 =0,9462 kJ/kg.K olarak okunur.
.
Q = Rm.
-134a . (h3 – h '2 )
-5,355 = Rm.
-134a . ( 106,19 – 281,307 )
Rm.
-134a = 0,03057955 kg/s bulunur.
81
YAZ DURUMU – Isı Pompası Hesabı KOMPRESÖR: Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P1 = 292,82 kPa P '2 = 1016,4 kPa To = 25 oC T1 = 0 oC T '2 = 51,109 oC ho = 274,38 kJ/kg h1 = 247,23 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ / kg So = 1,097 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3/kg v1 = 0,0689 m3/kg v '2 = 0,02184 m3/kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
)hh(mWQ 12a134R
.
12
.
12
.
''' −=− −
)hh(mw.mQ 12a134R
.
ka134R
.
12
.
'' −=− −−
'12
.
Q - 0,03057955 . ( -55,6886 ) = 0,03057955. ( 281,307 – 247,23 )
'12
.
Q = -0,660873 kW ( Dışarıya Isı Kaçıyor )
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
ç
12
.
12a134R
.
net
.
T
Q)ss(.mS
'
' −−=∆ − Tç = Tk = 33 0C = 306,15 K
netS.
∆ = 0,03057955 . ( 0,9462 – 0,9190 ) – (-0,660873) / ( 306,15)
netS.
∆ = 0,0029904212 kW / K Tersinmezlik I = T0 x ∆Snet= 298,15 x (0,0029904212) = 0,891594104 kW Akış hali için Kullanılabilirlik ka = h – T0.s – ρ0 = h – T0.s – [ u0 + P0.v0 – T0.s0 ] ↓ h0
82
ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg k '2 = (h '2 - h0)–T0 . (s '2 - s0)=(281,307 – 274,38 )– 298.15.(0,9462 - 1,097) = 51,88802 kJ / kg Kullanılabilir enerji denklemi ( S.A.S.A ) için
kyaççaggACfay mmQW.....
... χχχη −Σ−Σ+=
a134R
.
ç
.
g
.
mmm −== ; ka134R
.
12
..
fay
.
w.mWWW ' −===
'12
..
QQ A = ; 1kag =χ ; '2kaç=χ
K
cT
T01−=η
ky
.
'21a134R
.
12
.
K
0Ka134R
.
)kk(.mQ.)T
T1(w.m ' χ−−+−= −−
Ka134R
.
21a134R
.
12
.
K
0ky
.
w.m)kk(.mQ.)T
T1( '' −− −−+−=χ
)6886,55(.03057955,0)88802,519207,25(.03057955,0)660873,0(.)15,306
15,2981(
.
−−−+−−=kyχ
..
891594108,0 IkWky ==χ
II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji
ε =
Ka134R
.
1a134R
.
ky
.
w.mk.m
1
−− +
χ−
ε = 1 – 0,891594108 / ( 0,03057955 . 25,9207 ) + ( 0,03057955 . 55,6886) ε = 0,642730
83
EVAPORATÖR Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P4 = 292,82 kPa P1 = 292,82 kPa To = 25 oC T4 = 0 oC T1 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg h1 =247,23 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 /kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
.
Q evaporatör = Rm.
-134a . (h1 – h4) = 0,03057955 . ( 247,23 – 106,19) = 4,312939732 kW
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a . (s1-s4) – ( eQ.
/Tk)
= 0,03057955 .(0,9190 –0,399 )–( 4,312939732 / 306,15) = 1,813697432 .10-3 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (1,813697432 .10-3 ) = 0,540753989 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38 ) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
eQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.
-134a .(k1 – k4) + ky
.
χ
4,312939732. [ 1 – (298,15/306,15)] = 0,03057955 . (25,9207 – 39,9187) + Xky
ky
.
χ = 0,540753889 kW =
.
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε = [ ]KeaR
ky
TTQkm /1..1
0
.
4134
.
.
−+
−
−
χ
84
ε =
−+
−
15,306
15,2981.312939732,4)9187,39.03057955,0(
540753889,01
ε = 0,936662364
85
KISILMA VANASI Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P3 = 1016,4 kPa P4 = 292,82 kPa To = 25 oC T3 = 40 oC T4 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında
.
Q kısılma = Rm.
-134a . (h4 – h3) = 0 kW
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a. (s4-s3) – ( kQ.
/Tk)
= 0,03057955. (0,399 – 0,3866 ) – 0 = 3,7918642 x 10-4 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (3,7918642 x 10-4) = 0,1130544 kW / K Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,3866 - 1,097) = 43,61576 kJ /kg k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
kQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.
-134a.(k4 – k3) + ky
.
χ
0 = 0,03057955. (39,9187 – 43,61576) + ky
.
χ
ky
.
χ = 0,1130544 kW / K = .
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε =
3a134R
.
ky
.
k.m1
−
χ− =
86
915235708,061576,43.03057955,0
1130544,01 =−
87
KONDANSER Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P '2 = 1016,4 kPa P3 = 1016,4 kPa To = 25 oC T '2 = 51,109 oC T3 = 40 oC ho = 274,38 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,
.
Q kondanser = Rm.
-134a . (h3 – h '2 ) = 0,03057955. ( 106,19 – 281,307 ) = - 5,355 kW
Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,
netS.
∆ = Rm.
-134a . (s3-s '2 ) – ( kQ.
/Tk)
= 0,03057955. (0,3866 – 0,9462 ) – ( -5,355/ 306,15 ) = 0,0003791095917 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (0,0003791095917) = 0,113031524 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k '2 = (h '2 -h0) – T0 . (s '2 -s0) = (281,307–274,38) – 298.15 . (0,9462 -1,097) = 51,88802 kJ/kg k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,3866 - 1,097) = 43,615 kJ/kg Kayıp Kullanılabilir Enerji
kQ.
. [ 1 – (T0/Tk) ] = a134R
.
m − .(k3 – k '2 ) + ky
.
χ
(- 5,355 ) . [ 1 – (298,15 / 306,15)] = 0,03057955. ( 43,615 – 51,88802 ) + ky
.
χ
ky
.
χ = 0,113053822 kW = .
Ι
II. Yasa Verimi – Tersinirlik
ε = '2
a134R
.
ky
.
k.m1
−
χ−
88
= 928749641,088802,51.03057955,0
113053822,01 =−
89
Yaz Durumu - Toprak Isı Değiştiricisi Hesabı
Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği yaz durumunda da 1,5 m olarak kabul
edilmiştir. Bu derinlikteki minimum ve maksimum toprak sıcaklıkları Yıldız Teknik
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde Timur Diz tarafından hazırlanmış
“Minimum Enerjili Bina Tasarımı” adlı yüksek lisans tezinden Tmax= 21,71 oC ve
Tmin=9,99 oC olarak alınmıştır. Yaz durumunda toprak sıcaklığı 20 oC olarak kabul
edilmiştir. Isı taşıyıcı akışkanın toprak ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 30 oC olarak
kabul edilmiştir. Çıkış sıcaklığı da 25,646 oC olarak hesaplanmıştır.
Sabit Yüzey Sıcaklığı Kabulüyle Toprak Isı Değiştiricisi Uzunluğu Hesabı
Toprağın başlangıç sıcaklığından T∆ kadar düşük veya yüksek sıcaklıkta tutulan
uzun bir boruda birim boyda transfer olan ısı miktarı 'Q ve ısı akısı w, zamana bağlı
olarak aşağıdaki ifadelerle bulunur (Ingersoll ve Plass,1955).
Yaz durumunda da kış durumunda kullanılan formüller ve çizelgelerden
yararlanılmıştır. Çizelge 3.2’den yararlanarak İstanbul için toprağın ısıl difüzivite
katsayısı ve ısı iletim katsayıları sırasıyla at=0,0261 fph ve kt=1,2 fph olarak bulunur.
Tezimizdeki hesaplar nemli toprak özelliklerine göre yapılmıştır.
Toprak ısı değiştiricisinde 1 inch’lik boru tercih edilmiştir.
Borunun yarıçapı; r =(d/2).(1/12) = (1/2).(1/12)=0,0417 ft’dir. İntegrasyon sabiti
hesaplanırken t = 24 saat alınmıştır. Verilen değerler yerine konularak
integrasyon sabiti
z = at t / r2 = (0,0261 . 24) / 0,04172 =366,38 olarak bulunur.
İntegrasyon sabiti z =366,38 için F(z) integralinin değeri Çizelge 3.1’den
yararlanarak F(z)=1,7988 bulunur. Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı
)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q topraksuttz −=∆= denkleminden
yararlanarak
m/W7549,207988,1.)10(.2,1.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q tz ==∆= olarak
bulunur.
90
Birim yüzey alanından transfer olan ısı miktarı ise r..2
)z(F.T.k.15459,3q t
π
∆=
denklemine verilerin girilmesi ile;
2t m/W89,2590417,0..2
5856,21.15459,3
r..2
)z(F.T.k.15459,3q =
π=
π
∆=
Düşük sıcaklıklarda suyun yoğunluğu ρ =1000 kg/m3’tür. Boru içerisindeki suyun
akış hızı 0,5 m/s olsun. 1 inch’lik borunun iç çapı ise 1,075 inch olduğuna göre boru
sistemindeki suyun kütlesel debisi,
.bulunurolaraks/kg293,05,0.4
)0254,0.075,1.(.1000u.
4
d..u.A.m
22
=π
=π
ρ=ρ=
Suyun özgül ısınma ısısı, suyun termofiziksel özellikleri tablosundan cp = 4,198
kj/kg olarak okunur. Suyun boru sisteminden çıkması gereken su sıcaklığı;
646,25198,4.293,0
355,530
c.m
QTT
p
gç =−=−= oC olarak hesaplanır.
Boru başlangıç ve sonunda, birim boy boruya transfer olan ısı miktarı şu şekilde
bulunur.
7988,1).2030.(2,1.961519,0
)(.)(..961519,0)(...961519,01
−=
−=∆= zFTTkzFTkQ topraksuttz
m/W7549,20Q 1z =
7988,1).20646,25.(2,1.961519,0
)(.)(..961519,0)(...961519,02
−=
−=∆= zFTTkzFTkQ topraksuttz
m/W718,11Q 2z =
91
Basınç Kaybı Hesabı
Lineer yük kaybı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.
g.2
u.
d
L.)m(KaybıYük
2
λ=
Burada λ lineer yük kayıp katsayısıdır ve akışın türüne göre belirlenir. Bir ortamdaki
akışın türü boyutsuz Reynold sayısı ile belirlenir.
1239,894610x52,1
)0254,0.075,1(.50,0.016,996d.V.Re
3s
==µ
ρ=
−
Suyun fiziksel özellikleri tablosundan;
Suyun viskozitesi : 1,52 x 10-3 N.s/m2
Suyun özgül ağırlığı : 9,81 kN/m3 olarak okunur.
2320<Re<100000 olduğundan akış türbülanslıdır. Akışın türbülanslı olduğu durumda
λ şu şekilde bulunur.
032492,01239,8946
316,0
Re
316,044
===λ
Toprak ısı değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğu daha önce 332,48 m olarak
bulunmuştur. Boru içerisindeki suyun akış hızı 0,5 m/s olarak kabul edilmiştir. λ
değeri de yerine konulduğunda;
mmKaybıYük 04128,581,9.2
5,0.
)0254,0.075,1(
48,332.032492,0)(
2
== olarak bulunur.
Bulunan değer suyun özgül ağırlığı ile çarpıldığında basınç kaybı kPa cinsinden elde
edilir. Hesaplamalarda toprak altı boru tesisatı düz olarak kabul edilip, lokal kayıplar
ihmal edilmiştir.
5,04128 x 9,81 = 49,45495 kPa
Isı taşıyıcı akışkanın evaporatörden çıkış basıncı 1016,4 kPa idi. Toprak ısı
değiştiricisinde 49,45495 kPa basınç kaybıyla 6 Noktasına gelerek, 6 Noktasındaki
basınç 966,94 kPa olarak bulunur.
92
Pompa – Yaz Durumu – Toprak Isı Değiştiricisi
Pompa verimi %85 kabul edilmiştir. ηp = 0,85 izantropik verim )0Q( p
.
≅
5 –Kondenser çıkışı– su P5 = 1016,4 kPa T5 = 30 0C Sıkıştırılmış sıvı 30 0C için v5 = vs = 0,001004 m3 / kg h5 = hs = 125,79 kJ / kg s5 = ss = 0,4369 kJ / kg.oK 6 – Pompa girişi –su P6 = 966,94 kPa T6 = 25,646 oC Sıkıştırılmış sıvı 25,646 0C için h6 = hs =107,59 kJ/kg s6 = ss = 0,3763 kJ/kg oK v6 = vs = 0,001003 m3/kg 7 – Kondenser Girişi (pompa çıkışı)– Su P5 = P7 = 1016,4 kPa olarak seçilmiştir (kaçak olmaması için). T7 = 25,646 0C h7 = 107,647 kJ/kg v7 = 0,001003 m3/kg s7 = 0,376492668 kJ/kg K Pompa için Termodinamiğin I. Kanunu -wp ≅ v6.(P7-P6) / pµ =h7-h6
-wp ≅ 0,001003.(1016,4-966,94)/0,85=h7-107,59
-wp ≅ 0,05836 kJ/kg , h7=107,647 kJ/kg Ölü Hal Po = 100 kPa To = 25 oC ho = 104,77 kJ/kg v0 = 0,0010029 m3 / kg so = 0,367 kJ/kg.K
93
Kondenser için enerji dengesi yazıldığında
7su
.
3a134R
.
5su
.
2a134R
.
h.mh.mh.mh.m ' +=+ −−
)hh(.m)hh(.m 57su
.
32a134R
.
' −=−−
sum.
= a134R
.
m − . ( h2’ – h3) / ( h7 – h5 )
sum.
= 0,03057955 . ( 281,307 – 106,19 ) / ( 107,647 – 125,79 )
sum.
= 0,295 kg / s (toprak ısı değiştiricisinde dolaştırılması gereken su debisi)
pW.
= sum.
. wp = ( 0,295 ) . ( -0,05836 ) = -0,017216 kW (pompada harcanan güç) Pompa için Termodinamiğin II Kanunu Uygulandığında Pompa çıkışı P7 = 1016,4 kPa T7 = 25,646 0C Sıkıştırılmış sıvı S7 = 0,376492668 kJ/kg.K
netS.
∆ = sum.
. (s7-s6) – ( pQ.
/Tç) ( pQ.
/Tç) = 0
netS.
∆ = 0,295 . ( 0,376492668 – 0,3763 ) – 0
netS.
∆ = 0,00005683706 kW / K Tersinmezlik .
Ι = T0 x netS.
∆ = 298,15 x (0,00005683706) = 0,016945 kW Akış Hali İçin Kullanılabilirlik ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k6 = (h6-h0) – T0 . (s6-s0) = ( 107,59 – 104,77 ) – 298.15 . (0,3763 – 0,367 ) = 0,047205 kJ /kg k7 = (h7-h0) – T0 . (s7-s0) = (107,647–104,77) – 298.15.( 0,376492668–0,367) = 0,046761036 kJ /kg
94
Kullanılabilir Enerji Denklemi
kyaççaggACfay mmQW.....
... χχχη −Σ−Σ+=
pfay WW..
=
p
.
67su
..
ky W)kk(.m −−=χ
ky
.
χ = 0,295 . (0,046761036 - 0,047205) + 0,017077
ky
.
χ = 0,016946 kW ≅.
Ι
Kayıp Kullanılabilir Enerji ≅ Tersinmezlik II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji
ε = p
.
6su
.
ky
.
Wk.m1
+
χ−
ε = 453398478,0017077,0047205,0.295,0
016946,01 =
+−
Yaz Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin Soğutma Tesir Katsayısı
pk WW
Q
..
.
+
=β = 017216,07029,1
312939732,4
+
β = 2,507353
95
Yaz Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin II. Yasa Verimi-Tersinirlik
trβ
βε =
trpompatrkomp
trevaporatör
tr
WW
Q
,
.
,
.
,
.
+
=β
pompakypompakompkykomp
evaporatörkyevaporatör
tr
XWXW
XQ
,
..
,
..
,
..
+++
−
=β
016946,0017216,0891594108,070293228,1
540753889,0312939732,4
+−+−
−=trβ
647791845,4811608172,0
772185843,3==trβ
539,0647791845,4
507353,2==ε
96
BÖLÜM IV
SONUÇLAR Toprak kaynaklı ısı pompasını oluşturan elemanlara ayrı ayrı ekserji analizi
uygulandı ve şu sonuçlara varıldı.
Tablo IV.1 Kompresör giriş sıcaklığı değişiminin tesirliliğe etkisi
SICAKLIK (C) -4 -2 0 2 4
TESİRLİLİK 0,593 0,633 0,658 0,667 0,715
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
-4 -2 0 2 4
SICAKLIK
TE
SİR
LİLİK
Şekil IV.1. Kompresör giriş sıcaklığı değişiminin tesirliliğe etkisi
97
Kompresör tesirliliğini etkileyen etmenlerin başında soğutucu akışkanın kompresöre
giriş sıcaklığı gelmektedir. Şekil IV.1.’de kompresöre gelen soğutucu akışkanın
sıcaklığının, tesirlilik üzerindeki etkisi görülmektedir.
Tablo IV.2 Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliğinin toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğuna
etkisi
DERİNLİK (m) 1 1,3 1,5 1,8 2
TOPRAK SICAKLIĞI (C) 8,76 9,53 9,99 10,63 11,01
BORU UZUNLUĞU (m) 414 359 332 302 286
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 1,3 1,5 1,8 2
TOPRAK ISI DEĞİŞTİRİCİSİ GÖMME DERİNLİĞİ (m)
TO
PR
AK
IS
I D
EĞİŞ
TİRİCİSİ
BO
RU
UZ
UN
LUĞ
U (
m)
Şekil IV.2. Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliğinin toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğuna
etkisi
Toprak ısı değiştiricisinin toprağa gömülme derinliği, toprak ısı
değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğunda belirleyici rol oynamaktadır. Tablo
IV.2’de derinliğe bağlı olarak toprak sıcaklıkları ve buna bağlı olarak da toprak ısı
değiştiricisinde kullanılacak boru boyları verilmiştir. Şekil IV.2.’den de anlaşılacağı
üzere boruların gömüldüğü derinlik arttıkça toprak sıcaklığı artmakta, buna bağlı
olarak da kullanılacak boru miktarında azalma olmaktadır. Şu da unutulmamalıdırki,
toprak ısı değiştiricisinin gömme derinliği arttıkça hafriyat masrafları ve dolayısıyla
ilk yatırım maliyeti yükselecektir. Literatürde optimum toprak ısı değiştiricisi
98
gömme derinliği 1,3-1,5 m olarak geçmektedir. Tez çalışmasında da toprak ısı
değiştiricisi gömme derinliği 1,5 m olarak alınmıştır.
TabloIV.3 Kompresör veriminin kompresör tesirliliğine etkisi
KOMPRESÖR VERİMİ 70% 75% 80% 85% 90%
TESİRLİLİK 0,531 0,553 0,574 0,595 0,614
0,48
0,5
0,52
0,54
0,56
0,58
0,6
0,62
0,64
70% 75% 80% 85% 90%
KOMPRESÖR VERİMİ
TE
SİR
LİLİK
Şekil IV.3 Kompresör veriminin kompresör tesirliliğine etkisi
Şekil IV.3’te kompresör verimi ile kompresör tesirliliği arasındaki bağıntı
görülmektedir. Kompresör verimi, kompresör tesirliliğini doğru orantılı olarak
etkilemektedir.
TabloIV.4 Farklı dış sıcaklık değerleriyle kondanser tesirliliğinin değişimi
DIŞ SICAKLIK (C) 1 3 5 7 9
TESİRLİLİK 0,545 0,571 0,597 0,623 0,649
99
0,48
0,5
0,52
0,54
0,56
0,58
0,6
0,62
0,64
0,66
1 3 5 7 9
DIŞ SICAKLIK
TE
SİR
LİLİK
Şekil IV.4 Farklı dış sıcaklık değerleriyle kondanser tesirliliğinin değişimi
Şekil IV.4’te farklı dış ortam sıcaklıkları ile kondanser tesirliliğinin arasındaki ilişki
görülmektedir. Dış ortam sıcaklığı yükseldikçe kondanser tesirliliği artmaktadır.
100
BÖLÜM V
TARTIŞMA VE DEĞERLENDİRMELER
Bu çalışmada, toprak kaynaklı ısı pompasının çalışma prensibi, toprak
kaynaklı ısı pompasının elemanları, ekserji analizi konuları incelenerek; teorik olarak
toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemi kurulup, sistemi oluşturan elemanlara ayrı
ayrı ekserji analizi uygulanmıştır.
Enerji sarfiyatının büyük bir kısmının ısıtma sistemlerinde kullanıldığı göz
önüne alındığında verimli, çevreye dost, düşük enerji sarfiyatıyla konfor sağlayan
cihazlar ön plana çıkmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompaları da bu alternatiflerden
biridir. Toprak kaynaklı ısı pompaları, toprağın derinlere inildikçe havaya göre
nispeten sabit sıcaklıkta kalması avantajını kullanarak, yaz aylarında soğutma kış
aylarında ısıtma yapan, elektrikle çalışan cihazlardır. Avrupa ülkelerinde oldukça
yaygınlaşan toprak kaynaklı ısı pompaları, ülkemiz için halen yeni bir teknolojidir.
İlk yatırım maliyetinin yüksek olması sistemin yaygınlaşmasının önündeki
engellerden biridir.
Ülkemizdeki enerji sıkıntısı yurt dışından ithal edilen enerji ile karşılanmaya
çalışılmaktadır. Türkiye ve enerji sıkıntısı çeken diğer ülkelerde, enerji maliyetlerinin
yüksek olması sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının değerlendirilmesi
gerekmektedir. Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin çevre kirliliğini
azaltmadaki rolü de göz önünde bulundurulmalıdır.
Toprak kaynaklı ısı pompası tasarımı yaparken verim açısından toprağın ısıl
iletkenliği, toprağın cinsi ve özellikleri iyi incelenmeli; kompresör, yoğuşturucu,
buharlaştırıcı ve diğer elemanlar kapasiteye uygun seçilmelidir. Optimum olmayan
101
her malzeme, hem maliyeti artırıcı etki yaratacak, hem de sistemin verimini olumsuz
yönde etkileyecektir.
Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinde, toprak ısı değiştiricisi, maliyet
üzerinde önemli etkiye sahiptir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının güneş enerjisi
destekli hale getirilmesi ile toprak ısı değiştiricisi uzunluğu azaltılabilir ve
dolayısıyla hafriyat maliyetleri azaltılmış olur.
Toprağın havaya oranla daha kararlı bir yapıda olması, ani sıcaklık
değişimlerinden etkilenmemesi, toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin performans
katsayısının kararlı bir yapıda olmasını sağlamaktadır. Hava kaynaklı ısı
pompalarında, havanın kararlı bir yapıda olmaması nedeniyle dış sıcaklığın değişimi
ile ısı pompası performans katsayısı da sürekli değişim göstermektedir.
Toprak kaynaklı ısı pompalarının ekserji analizi konulu bu çalışmada sistemi
oluşturan her bir parçanın tesirliliği hesaplandıktan sonra, parçaların tesirliliği
üzerine etki eden parametreler üzerinde (dış sıcaklık, soğutucu akışkan sıcaklığı,
toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği vb.) değişiklikler yapılarak, farklı değerlerle
hesaplamalar yapılmış ve sonuçlar bölümünde tablo ve şekillerle ifade edilmiştir.
Bu çalışmanın bundan sonra yapılacak çalışmalar, araştırma ve geliştirmeler
için bir temel teşkil etmesi düşünülmektedir. Bu çalışmada ısı pompası soğutucu
akışkanı olarak R-134a kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Farklı soğutucu
akışkanlar kullanılarak, sistemde ekserji analizi uygulanan parçaların tesirlilik
değerleri üzerindeki etkiler üzerine çalışmalar yapılabilir.
Sonuç olarak; toprak kaynaklı ısı pompalarının Avrupa ülkelerinde olduğu
gibi ülkemizde de yaygınlaşması için gerekli önem verilmeli, performans katsayısı
yükseltilip, maliyetler düşürülerek daha cazip hale getirilmesi sağlanmalıdır.
102
KAYNAKLAR
[1] Süzer, B.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Hava Kaynaklı Isı Pompasının
Tekno-ekonomik Açıdan Karşılaştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2001).
[2] Çengel,Yunus.; Boles, Michael.: “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik”,
McGraw Hill-Literatür, Türkiye, (2000). [3] Erbil T.: “Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Hibrit Isı Pompası
Tesisinin Enerji ve Ekserji Analizinin Teorik ve Deneysel Olarak İncelenmesi” ,Yüksek Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2002).
[4] Diz, Timur.: “Minimum Enerjili Bina Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi , Yıldız
Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2001). [5] Esen, H.; İnallı, M.: “Yatay Isı Değiştiricili Toprak Kaynaklı Isı Pompasının
Performansının Deneysel Olarak İncelenmesi”, 1. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi, Denizli,Türkiye, Mayıs, (2003).
[6] Hancıoğlu E.: “Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Bir
Hacmin Isıtılması” Yüksek Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2000).
[7] Güven Ş.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının Diğer Sistemlerle
Karşılaştırılması” , Yüksek Lisans Tezi , Pamukkale Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli, Türkiye, (2002).
[8] Savaş A. F.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Konut Isıtılması” , Yüksek
Lisans Tezi , Dumlupınar Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, (1996). [9] Esen, H.: “ Toprak Kaynaklı Isı Pompası Performansına Etki Eden
Parametrelerin Araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi , Fırat Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, (2002).
[10] Ersöz, İ.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Bir Hacmin Soğutulması”, Yüksek
Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2000). [11] Yanma Ders Notları, Prof.Dr. A. Korhan Binark, (2004).
103
[12] Kılıçarslan, Y.: “Seramik Fabrikalarında Ekserji Analizi”, Yüksek Lisans Tezi ,
Marmara Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2004). [13] Öztürk, Aksel; Kılıç, Abdurrahman.: “Çözümlü Problemlerle Termodinamik”,
Çağlayan Basımevi, 3.Yayım (1993). [14] Binark A.K.: “Termodinamik-Isı Geçişi Tablolar Şekiller”, Genişletilmiş 4.
Baskı (2002). [15] Kruse, H.; Heidelck, R.: Heizen mit Wärmepumpen, Köln: TÜV-Verlag, Reihe
„BINE-Informationspakete“, 3. erweiterte Auflage Februar 2002
[16] http://www.yesilcizgi.com.tr/ip.htm (Erişim tarihi: Şubat 2006) [17] http://www.alperen.com.tr/kutuphane/toprak_su.htm (Erişim tarihi: Nisan
2005)
104
EKLER
105
Program MATLAB 6.5 versionunda yazılmıştır.
KIŞ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI DEĞİŞKEN TANIMLAMALARI
PROGRAM DEĞİŞKENİ
AÇIKLAMASI
To R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal sıcaklığı ho R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entalpisi so R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entropisi h1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entalpisi s1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entropisi h2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entalpisi s2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entropisi mr R-134a soğutucu akışkanı kütlesel debisi Tc Dış ortam sıcaklığı wk Kompresör işi
Snet Kompresördeki net entropi değişimi Qa Kompresörden kaçan ısı I Kompresör tersinmezliği
k1 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik k2 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik
Xky Kompresördeki kayıp kullanılabilir enerji E Kompresör tesirliliği h4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entalpisi s4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entropisi Qe Evaporatördeki ısı transferi
Snete Evaporatördeki net entropi değişimi Ie Evaporatör tersinmezliği k4 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik k1 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik
Xkye Evaporatördeki kayıp kullanılabilir enerji Ee Evaporatör Tesirliliği h3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entalpisi s3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entropisi
Qkis Kısılma vanasındaki ısı transferi Snetk Kısılma vanasındaki net entropi değişimi
Ik Kısılma vanası tersinmezliği k3 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik k4 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik
Xkyk Kısılma vanasındaki kayıp kullanılabilir enerji Ek Kısılma vanası tesirliliği h5 Su için evaporatör çıkış entalpisi s5 Su için evaporatör çıkış entropisi
Qkon Kondanserdeki ısı transferi Snetko Kondanserdeki net entropi değişimi
Iko Kondanser tersinmezliği k3 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik k2 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik
Xkyko Kondanserdeki kayıp kullanılabilir enerji Eko Kondanser tesirliliği
106
PROGRAM DEĞİŞKENİ
AÇIKLAMASI
Too Su için ölü hal sıcaklığı hoo Su için ölü hal entalpisi soo Su için ölü hal entropisi at Toprağın ısıl difüzivite katsayısı kt Toprağın ısıl iletkenlik değeri r Borunun yarıçapı t zaman
wp Pompa işi v6 Pompa girişinde suyun özgül hacmi p7 Pompa çıkışında suyun basıncı
itap Pompa verimi z İntegrasyon sabiti
Fz İntegral değeri Qz Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı q Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı g Yoğunluk U Suyun toprak ısı değiştiricisindeki hızı A Borunun alanı Cp Sabit basınçta suyun özgül ısısı Tg Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı Td Toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığı
Qza Toprak ısı değiştiricisi başlangıç noktasında birim boy boruya transfer olan ısı miktarı
Qzb Toprak ısı değiştiricisi sonunda birim boy boruya transfer olan ısı miktarı Q Topraktan çekilmesi gereken ısı miktarı L Toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu
Tsu2 Toprak ısı değiştiricisindeki suyun sıcaklığı Ttop Toprak sıcaklığı msu Suyun kütlesel debisi Wg Pompada harcanan güç B Kış durumu için sistemin ısıtma tesir katsayısı
Wk Kompresörde harcanan güç Snetc Pompada net entropi değişimi
Ic Pompa tersinmezliği k6 Pompaakış hali için kullanılabilirlik k7 Pompa akış hali için kullanılabilirlik
Xkyc Pompadaki kayıp kullanılabilir enerji Ec Pompa tesirliliği
107
KIŞ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI AKIŞ DİYAGRAMI
108
KIŞ DURUMU PROGRAMI
%-------------------------------------------------------------------------- % PROGRAM : TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI HESABI % % DEĞİŞKENLERİ TANIMLAMA : % To -- To % ho -- ho % so -- So % h1 -- h1 % s1 -- S1 % h2 -- h2 % s2 -- S2 % mr -- mr % Tc -- Tc % wk -- Wk % snet -- Snet % Qa -- Qa % I -- I % k1 -- k1 % k2 -- k2 % xky -- Xky % E -- e % h4 -- h4 % s4 -- S4 % Qe -- Qeve % snete -- snete % Ie -- Ie % k4 -- k4 % k1 -- k1 % xkye -- Xkye % Ee -- Ee % h3 -- h3 % s3 -- S3 % Qkis -- Qkis % snetk -- snetk % Ik -- Ik % k3 -- k3 % k4 -- k4 % xkyk -- Xkyk % Ek -- Ek % h2 -- h2 % s2 -- S2 % h5 -- h5 % s5 -- S5 % Qkon -- Qkon % snetko -- snetko % Iko -- Iko % k3 -- k3 % k2 -- k2 % xkyko -- Xkyko % Eko -- Eko % Too -- Too % hoo -- hoo % soo -- Soo % at -- at % kt -- kt % m -- m % r -- r
109
% d -- d % t -- t % wp -- wp % v6 -- v6 % p7 -- p6 % itap -- itap % z -- z % Fz -- Fz % Qz -- Qz % q -- q % g -- g % U -- V % r2 -- r2 % A -- A % del -- del % cp -- cp % Tg -- Tg % Td -- Td % Qza -- Qza % Qzb -- QZb % Q -- Q % L -- L % Tsu2 -- Tsu2 % Ttop -- Ttop % wp -- wp % msu -- msu % Wg -- Wg % B -- B % Wk -- Wk % Snetc -- Snetc % Ic -- Ic % k6 -- k6 % k7 -- k7 % xkyc -- xkyc % Ec -- Ec %-------------------------------------------------------------------------- To=input('R-134a için To degerini girin= '); ho=input('R-134a için ho degerini girin= '); so=input('R-134a için so degerini girin= '); h1=input('1 noktasındaki h1 degerini girin= '); s1=input('1 noktasındaki s1 degerini girin= '); h2=input('2 noktasındaki h2 degerini girin= '); s2=input('2 noktasındaki s2 degerini girin= '); h3=input('3 noktasındaki h3 degerini girin= '); s3=input('3 noktasındaki s3 degerini girin= '); h4=input('4 noktasındaki h4 degerini girin= '); s4=input('4 noktasındaki s4 degerini girin= '); Tc=input('Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= '); mr=input('m r-134a degerini girin= '); wk=input('wk degerini girin= '); hoo=input('su için ho degerini girin= '); soo=input('su için so degerini girin= '); h5=input('h5 degerini girin= '); s5=input('s5 degerini girin= '); p6=input('p6 degerini girin= '); h6=input('h6 degerini girin= '); s6=input('s6 degerini girin= '); v6=input('v6 degerini girin= '); p7=input('p7 degerini girin= ');
110
h7=input('h7 degerini girin= '); s7=input('s7 degerini girin= '); itap=input('pompanın verim degerini girin= '); g=input('Suyun yoğunluk degerini girin= '); U=input('toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= '); Ttop=input('toprak sıcaklığını girin= '); Tsu2=input('toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığını girin= '); Tg=input('Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= '); r=input('inch cinsinden r degerini girin= '); r2=input('ft cinsinden r degerini girin= '); at=input('at degerini girin= '); kt=input('kt degerini girin= '); t=input('t degerini girin= '); cp=input('cp degerini girin= '); Fz=input('Fz degerini girin= '); Wm=input('Wk degerini girin= '); Qa=mr*(h2-h1)+(mr*wk); snet=mr*(s2-s1)-Qa/Tc; I=To*snet; k1=(h1-ho)-To*(s1-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xky=(1-To/Tc)*Qa+mr*(k1-k2)-mr*wk; E=1-xky/(mr*k1+abs(mr*wk)); Qe=mr*(h1-h4); snete=mr*(s1-s4)-(Qe/Tc); Ie=To*snete; k4=(h4-ho)-To*(s4-so); k1=(h1-ho)-To*(s1-so); xkye=Qe*(1-(To/Tc))+mr*(k4-k1); Ee=1-xkye/(mr*k4+abs(Qe*(1-To/Tc))); Qkis=mr*(h4-h3); snetk=mr*(s4-s3)-(Qkis/Tc); Ik=To*snetk; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k4=(h4-ho)-To*(s4-so); xkyk=-mr*(k4-k3)+Qkis*(1-(To/Tc)); Ek=1-xkyk/(mr*k3); Qkon=mr*(h3-h2); snetko=mr*(s3-s2)-(Qkon/Tc); Iko=To*snetko; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xkyko=Qkon*(1-(To/Tc))-mr*(k3-k2); Eko=1-xkyko/(mr*k2); z=at*t/r2^2; Qz=0.9611519*kt*(Ttop-Tg)*Fz; q=3.154*17.268/(2*pi*r2); d=r*0.0254; A=pi*(d^2)/4; m=g*A*U; msu=mr*abs(h4-h1)/(h7-h5); Td=Tg+Qe/(msu*cp); Qza=0.961519*kt*(Ttop-Tg)*Fz; Qzb=0.961519*kt*(Ttop-Tsu2)*Fz; L=Qe*1000/((Qza+Qzb)/2); wp=-v6*(p7-p6)/itap Wg=msu*wp; B=abs(Qkon)/abs(Wm+Wg); Snetc=msu*(s7-s6); Ic=To*Snetc;
111
k6=(h6-hoo)-To*(s6-soo); k7=(h7-hoo)-To*(s7-soo); xkyc=msu*(k6-k7)-Wg; Ec=1-xkyc/(msu*k6+abs(Wg)); fprintf(' Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: %f\n', Qa); fprintf(' snet degeri: %f\n', snet); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', I); fprintf(' k1 degeri: %f\n', k1); fprintf(' k2 degeri: %f\n', k2); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xky); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', E); fprintf('Evaporatörün Q degeri: %f\n', Qe); fprintf('snet degeri: %f\n', snete); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Ie); fprintf('k4 degeri: %f\n', k4); fprintf('k1 degeri: %f\n', k1); fprintf('Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkye); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Ee); fprintf(' Kısılma vanası Q degeri: %f\n', Qkis); fprintf(' snet degeri: %f\n', snetk); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', Ik); fprintf(' k3 degeri: %f\n', k3); fprintf(' k4 degeri: %f\n', k4); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyk); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ek); fprintf('Qkondenser degeri: %f\n', Qkon); fprintf('kondenserdeki snet degeri: %f\n', snetko); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Iko); fprintf('k3 degeri: %f\n', k3); fprintf('k2 degeri: %f\n', k2); fprintf('kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyko); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Eko); fprintf(' toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: %f\n', L); fprintf(' ısıtma tesir katsayısı: %f\n', B); fprintf(' pompa Snetc degeri: %f\n', Snetc); fprintf(' pompa tersinmezlik degeri: %f\n', Ic); fprintf(' k6 degeri: %f\n', k6); fprintf(' k7 degeri: %f\n', k7); fprintf(' kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyc); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ec);
112
PROGRAM GİRİŞ DEĞERLERİ R-134a için To degerini girin= 298.15 R-134a için ho degerini girin= 274.38 R-134a için so degerini girin= 1.097 1 noktasındaki h1 degerini girin= 247.23 1 noktasındaki s1 degerini girin= 0.919 2 noktasındaki h2 degerini girin= 281.307 2 noktasındaki s2 degerini girin= 0.9462 3 noktasındaki h3 degerini girin= 106.19 3 noktasındaki s3 degerini girin= 0.3866 4 noktasındaki h4 degerini girin= 106.19 4 noktasındaki s4 degerini girin= 0.399 Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= 276.15 m r-134a degerini girin= 0.03057955 wk degerini girin= -55.6886 su için ho degerini girin= 104.77 su için so degerini girin= 0.367 h5 degerini girin= 8.37278 s5 degerini girin= 0.03034849 p6 degerini girin= 243.37 h6 degerini girin= 23.08 s6 degerini girin= 0.0836 v6 degerini girin= 0.001 p7 degerini girin= 292.82 h7 degerini girin= 23.1381 s7 degerini girin= 0.08485 pompanın verim degerini girin= 0.85 Suyun yoğunluk degerini girin= 1000 toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= 0.5 toprak sıcaklığını girin= 10 toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığını girin= 5.50 Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= 2 inch cinsinden r degerini girin= 1.075 ft cinsinden r degerini girin= 0.0417 at degerini girin= 0.0261 kt degerini girin= 1.2 t degerini girin= 24 cp degerini girin= 4.198 Fz degerini girin= 1.7988 Wk degerini girin= 1.7027
113
PROGRAM ÇIKIŞI Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: -0.660873 snet degeri: 0.003225 Tersinmezlik degeri: 0.961513 k1 degeri: 25.920700 k2 degeri: 51.888020 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.961513 Ekserjik verim degeri: 0.614713 Evaporatörün Q degeri: 4.312940 snet degeri: 0.000283 Tersinmezlik degeri: 0.084454 k4 degeri: 39.918700 k1 degeri: 25.920700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.084454 Ekserjik verim degeri: 0.946011 Kısılma vanası Q degeri: 0.000000 snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113054 k3 degeri: 43.615760 k4 degeri: 39.918700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113054 Ekserjik verim degeri: 0.915236 Qkondenser degeri: -5.354999 kondenserdeki snet degeri: 0.002279 Tersinmezlik degeri: 0.679578 k3 degeri: 43.615760 k2 degeri: 51.888020 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.679578 Ekserjik verim degeri: 0.571707 toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: 332.484479 ısıtma tesir katsayısı: 3.176709 pompa Snetc degeri: 0.000365 pompa tersinmezlik degeri: 0.108862 k6 degeri: 2.805710 k7 degeri: 2.491122 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.108884 Ekserjik verim degeri: 0.869840
114
YAZ DURUMU DEĞİŞKEN TANIMLAMALARI
PROGRAM DEĞİŞKENİ
AÇIKLAMASI
To R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal sıcaklığı ho R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entalpisi so R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entropisi h1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entalpisi s1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entropisi h2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entalpisi s2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entropisi mr R-134a soğutucu akışkanı kütlesel debisi Tc Dış ortam sıcaklığı wk Kompresör işi
Snet Kompresördeki net entropi değişimi Qa Kompresörden kaçan ısı I Kompresör tersinmezliği
k1 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik k2 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik
Xky Kompresördeki kayıp kullanılabilir enerji E Kompresör tesirliliği h4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entalpisi s4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entropisi Qe Evaporatördeki ısı transferi
Snete Evaporatördeki net entropi değişimi Ie Evaporatör tersinmezliği k4 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik k1 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik
Xkye Evaporatördeki kayıp kullanılabilir enerji Ee Evaporatör Tesirliliği h3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entalpisi s3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entropisi
Qkis Kısılma vanasındaki ısı transferi Snetk Kısılma vanasındaki net entropi değişimi
Ik Kısılma vanası tersinmezliği k3 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik k4 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik
Xkyk Kısılma vanasındaki kayıp kullanılabilir enerji Ek Kısılma vanası tesirliliği h5 Su için evaporatör çıkış entalpisi s5 Su için evaporatör çıkış entropisi
Qkon Kondanserdeki ısı transferi Snetko Kondanserdeki net entropi değişimi
Iko Kondanser tersinmezliği k3 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik k2 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik
Xkyko Kondanserdeki kayıp kullanılabilir enerji Eko Kondanser tesirliliği
115
PROGRAM DEĞİŞKENİ
AÇIKLAMASI
Too Su için ölü hal sıcaklığı hoo Su için ölü hal entalpisi soo Su için ölü hal entropisi at Toprağın ısıl difüzivite katsayısı kt Toprağın ısıl iletkenlik değeri r Borunun yarıçapı t zaman
wp Pompa işi v6 Pompa girişinde suyun özgül hacmi p7 Pompa çıkışında suyun basıncı
itap Pompa verimi z İntegrasyon sabiti
Fz İntegral değeri Qz Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı q Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı g Yoğunluk U Suyun toprak ısı değiştiricisindeki hızı A Borunun alanı Cp Sabit basınçta suyun özgül ısısı Tg Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı Td Toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığı
Qza Toprak ısı değiştiricisi başlangıç noktasında birim boy boruya transfer olan ısı miktarı
Qzb Toprak ısı değiştiricisi sonunda birim boy boruya transfer olan ısı miktarı Q Topraktan çekilmesi gereken ısı miktarı L Toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu
Tsu2 Toprak ısı değiştiricisindeki suyun sıcaklığı Ttop Toprak sıcaklığı msu Suyun kütlesel debisi Wg Pompada harcanan güç B Kış durumu için sistemin ısıtma tesir katsayısı
Wk Kompresörde harcanan güç Snetc Pompada net entropi değişimi
Ic Pompa tersinmezliği k6 Pompaakış hali için kullanılabilirlik k7 Pompa akış hali için kullanılabilirlik
Xkyc Pompadaki kayıp kullanılabilir enerji Ec Pompa tesirliliği
116
YAZ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI AKIŞ DİYAGRAMI
117
YAZ DURUMU PROGRAMI %-------------------------------------------------------------------------- % PROGRAM : TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI HESABI % % DEĞİŞKENLERİ TANIMLAMA : % To -- To % ho -- ho % so -- So % h1 -- h1 % s1 -- S1 % h2 -- h2 % s2 -- S2 % mr -- mr % Tc -- Tc % wk -- Wk % snet -- Snet % Qa -- Qa % I -- I % k1 -- k1 % k2 -- k2 % xky -- Xky % E -- e % h4 -- h4 % s4 -- S4 % Qe -- Qeve % snete -- snete % Ie -- Ie % k4 -- k4 % k1 -- k1 % xkye -- Xkye % Ee -- Ee % h3 -- h3 % s3 -- S3 % Qkis -- Qkis % snetk -- snetk % Ik -- Ik % k3 -- k3 % k4 -- k4 % xkyk -- Xkyk % Ek -- Ek % h2 -- h2 % s2 -- S2 % h5 -- h5 % s5 -- S5 % Qkon -- Qkon % snetko -- snetko % Iko -- Iko % k3 -- k3 % k2 -- k2 % xkyko -- Xkyko % Eko -- Eko % Too -- Too % hoo -- hoo % soo -- Soo % at -- at % kt -- kt % m -- m % r -- r % d -- d
118
% t -- t % wp -- wp % v6 -- v6 % p7 -- p6 % itap -- itap % z -- z % Fz -- Fz % Qz -- Qz % q -- q % g -- g % U -- V % r2 -- r2 % A -- A % del -- del % cp -- cp % Tg -- Tg % Td -- Td % Qza -- Qza % Qzb -- QZb % Q -- Q % L -- L % Tsu2 -- Tsu2 % Ttop -- Ttop % wp -- wp % msu -- msu % Wg -- Wg % B -- B % Wk -- Wk % Snetc -- Snetc % Ic -- Ic % k6 -- k6 % k7 -- k7 % xkyc -- xkyc % Ec -- Ec %-------------------------------------------------------------------------- To=input('R-134a için To degerini girin= '); ho=input('R-134a için ho degerini girin= '); so=input('R-134a için so degerini girin= '); h1=input('1 noktasındaki h1 degerini girin= '); s1=input('1 noktasındaki s1 degerini girin= '); h2=input('2 noktasındaki h2 degerini girin= '); s2=input('2 noktasındaki s2 degerini girin= '); h3=input('3 noktasındaki h3 degerini girin= '); s3=input('3 noktasındaki s3 degerini girin= '); h4=input('4 noktasındaki h4 degerini girin= '); s4=input('4 noktasındaki s4 degerini girin= '); Tc=input('Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= '); mr=input('m r-134a degerini girin= '); wk=input('wk degerini girin= '); hoo=input('su için ho degerini girin= '); soo=input('su için so degerini girin= '); h5=input('h5 degerini girin= '); s5=input('s5 degerini girin= '); p6=input('p6 degerini girin= '); h6=input('h6 degerini girin= '); s6=input('s6 degerini girin= '); v6=input('v6 degerini girin= '); p7=input('p7 degerini girin= '); h7=input('h7 degerini girin= ');
119
s7=input('s7 degerini girin= '); itap=input('pompanın verim degerini girin= '); g=input('Suyun yoğunluk degerini girin= '); U=input('toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= '); Ttop=input('toprak sıcaklığını girin= '); Tg=input('Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= '); r=input('inch cinsinden r degerini girin= '); r2=input('ft cinsinden r degerini girin= '); at=input('at degerini girin= '); kt=input('kt degerini girin= '); t=input('t degerini girin= '); cp=input('cp degerini girin= '); Fz=input('Fz degerini girin= '); Wm=input('Wk degerini girin= '); Qa=mr*(h2-h1)+(mr*wk); snet=mr*(s2-s1)-Qa/Tc; I=To*snet; k1=(h1-ho)-To*(s1-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xky=(1-To/Tc)*Qa+mr*(k1-k2)-mr*wk; E=1-xky/(mr*k1+abs(mr*wk)); Qe=mr*(h1-h4); snete=mr*(s1-s4)-(Qe/Tc); Ie=To*snete; k4=(h4-ho)-To*(s4-so); k1=(h1-ho)-To*(s1-so); xkye=Qe*(1-(To/Tc))+mr*(k4-k1); Ee=1-xkye/(mr*k4+abs(Qe*(1-To/Tc))); Qkis=mr*(h4-h3); snetk=mr*(s4-s3)-(Qkis/Tc); Ik=To*snetk; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k4=(h4-ho)-To*(s4-so); xkyk=-mr*(k4-k3)+Qkis*(1-(To/Tc)); Ek=1-xkyk/(mr*k3); Qkon=mr*(h3-h2); snetko=mr*(s3-s2)-(Qkon/Tc); Iko=To*snetko; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xkyko=Qkon*(1-(To/Tc))-mr*(k3-k2); Eko=1-xkyko/(mr*k2); z=at*t/r2^2; Qz=0.9611519*kt*abs(Ttop-Tg)*Fz; q=3.154*21.5856/(2*pi*r2); d=r*0.0254; A=pi*(d^2)/4; m=g*A*U; msu=mr*abs(h4-h1)/(h7-h5); Td=Tg+Qe/(msu*cp); Qza=0.961519*kt*abs(Ttop-Tg)*Fz; Qzb=0.961519*kt*abs(Ttop-Td)*Fz; L=Qe*1000/((Qza+Qzb)/2); wp=-v6*(p7-p6)/itap Wg=0.295*wp; B=abs(Qkon)/abs(Wm+Wg); Snetc=0.295*(s7-s6); Ic=To*Snetc; k6=(h6-hoo)-To*(s6-soo); k7=(h7-hoo)-To*(s7-soo);
120
xkyc=0.295*(k6-k7)-Wg; Ec=1-xkyc/(0.295*k6+abs(Wg)); fprintf(' Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: %f\n', Qa); fprintf(' snet degeri: %f\n', snet); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', I); fprintf(' k1 degeri: %f\n', k1); fprintf(' k2 degeri: %f\n', k2); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xky); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', E); fprintf('Evaporatörün Q degeri: %f\n', Qe); fprintf('snet degeri: %f\n', snete); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Ie); fprintf('k4 degeri: %f\n', k4); fprintf('k1 degeri: %f\n', k1); fprintf('Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkye); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Ee); fprintf(' Kısılma vanası Q degeri: %f\n', Qkis); fprintf(' snet degeri: %f\n', snetk); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', Ik); fprintf(' k3 degeri: %f\n', k3); fprintf(' k4 degeri: %f\n', k4); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyk); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ek); fprintf('Qkondenser degeri: %f\n', Qkon); fprintf('kondenserdeki snet degeri: %f\n', snetko); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Iko); fprintf('k3 degeri: %f\n', k3); fprintf('k2 degeri: %f\n', k2); fprintf('kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyko); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Eko); fprintf(' toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: %f\n', L); fprintf(' ısıtma tesir katsayısı: %f\n', B); fprintf(' pompa Snetc degeri: %1.12f\n', Snetc); fprintf(' pompa tersinmezlik degeri: %f\n', Ic); fprintf(' k6 degeri: %1.12f\n', k6); fprintf(' k7 degeri: %1.12f\n', k7); fprintf(' kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyc); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ec);
121
PROGRAM GİRİŞ DEĞERLERİ R-134a için To degerini girin= 298.15 R-134a için ho degerini girin= 274.38 R-134a için so degerini girin= 1.097 1 noktasındaki h1 degerini girin= 247.23 1 noktasındaki s1 degerini girin= 0.919 2 noktasındaki h2 degerini girin= 281.307 2 noktasındaki s2 degerini girin= 0.9462 3 noktasındaki h3 degerini girin= 106.19 3 noktasındaki s3 degerini girin= 0.3866 4 noktasındaki h4 degerini girin= 106.19 4 noktasındaki s4 degerini girin= 0.399 Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= 306.15 m r-134a degerini girin= 0.03057955 wk degerini girin= -55.6886 su için ho degerini girin= 104.77 su için so degerini girin= 0.367 h5 degerini girin= 125.79 s5 degerini girin= 0.4369 p6 degerini girin= 966.94 h6 degerini girin= 107.59 s6 degerini girin= 0.3763 v6 degerini girin= 0.001003 p7 degerini girin= 1016.4 h7 degerini girin= 107.647 s7 degerini girin= 0.376492668 pompanın verim degerini girin= 0.85 Suyun yoğunluk degerini girin= 1000 toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= 0.5 toprak sıcaklığını girin= 20 Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= 30 inch cinsinden r degerini girin= 1.075 ft cinsinden r degerini girin= 0.0417 at degerini girin= 0.0261 kt degerini girin= 1.2 t degerini girin= 24 cp degerini girin= 4.198 Fz degerini girin= 1.7988 Wk degerini girin= 1.7029
122
PROGRAM ÇIKIŞI Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: -0.660873 snet degeri: 0.002990 Tersinmezlik degeri: 0.891594 k1 degeri: 25.920700 k2 degeri: 51.888020 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.891594 Ekserjik verim degeri: 0.642730 Evaporatörün Q degeri: 4.312940 snet degeri: 0.001814 Tersinmezlik degeri: 0.540754 k4 degeri: 39.918700 k1 degeri: 25.920700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.540754 Ekserjik verim degeri: 0.594454 Kısılma vanası Q degeri: 0.000000 snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113054 k3 degeri: 43.615760 k4 degeri: 39.918700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113054 Ekserjik verim degeri: 0.915236 Qkondenser degeri: -5.354999 kondenserdeki snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113031 k3 degeri: 43.615760 k2 degeri: 51.888020 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113031 Ekserjik verim degeri: 0.928764 toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: 265.085359 ısıtma tesir katsayısı: 3.176753 pompa Snetc degeri: 0.000056837060 pompa tersinmezlik degeri: 0.016946 k6 degeri: 0.047205000000 k7 degeri: 0.046761035800 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.017348 Ekserjik verim degeri: 0.442948
123
ÖZGEÇMİŞ
1982 yılında İzmit’te doğdu. İlkokulu Kocaeli’nin Gölcük ilçesinde okudu. 1993 yılında orta
ve lise öğrenimi için İstanbul’a geldi. Kartal Anadolu İmam Hatip Lisesi’nden 2000 yılında
mezun oldu. Aynı yıl Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Enerji Öğretmenliği
bölümünü kazandı. 2004 yılında lisans öğrenimini tamamladı. Aynı yıl Fen Bilimleri
Enstitüsü Makine Eğitimi bölümünde yüksek lisansa başladı, halen öğrenimine devam
etmektedir.