Buzdolaplarında Alternatif Soğutucu Akışkan Olarak L.P.G. Kullanılması

Anahtar Kelimeler : Buzdolabı, Soğutucu akışkan, Performans katsayısı, Sıvılaştırılmış petrol gazı (L.P.G.).

ABSTRACT

The objective of this work is to investigate experimentally that liquefied petroleum gas (L.P.G.) can replace R-12 in domestic refrigerators. L.P.G. used in this study, is commercially available in local market, and it is a mixture of the following hydrocarbons on a weight basis: % 30 propane and % 70 n-butane. Different masses of this mixture were studied. The results show that L.P.G. provide good performance parameters , such as coefficient of performance of refrigerator, compression power, volumetric efficiency, condenser duty, compressor discharge pressure and temperature.

Keywords : Domestic refrigerator, Refrigerant, Coefficient of performance, Liquefied petroleum gas (L.P.G.).

1. GİRİŞ

9. yüzyılın ikinci yarısından itibaren ortaya çıkan soğutma sanayinde, ilk zamanlar soğutucu akışkan olarak karbondioksit, hava, su ve amonyak gibi doğal maddeler kullanılmıştır. Zamanla yapay olarak elde edilen kloroflorokarbon (CFC) ve hidrokloroflorokarbonlar (HCFC) bu maddelerin yerini almış ve yoğun şekilde kullanılmaya başlanmıştır.

Kloroflorokarbonlar (CFCs) 1930’lu yıllardan beri yüksek performanslarından dolayı soğutma endüstrisinde özellikle küçük soğutma sistemlerinde ve ev soğutucularında (buzdolaplarında) yaygın şekilde kullanılagelmiştir. Bunlardan R-12 en çok kullanılan soğutucu akışkan olmuştur. Daha sonraları CFC’lerin ozon tabakasının incelmesinin başlıca sebebi olduğu ortaya çıkmıştır. Ayrıca sera etkisi veya küresel ısınmaya neden oldukları da anlaşılmıştır. Böylece Montreal Protokolü ile, CFC’leri denetim altına almak ve soğutma endüstrisinde yasaklamak zorunda kalındı.

R-22 gibi hidrokloroflorokarbonlar (HCFCs) ozon tabakasına daha az zarar vermelerine karşın, oldukça yüksek sera etkisi gösterirler. Sera gaz emisyonları 1997’de gelişmiş ülkeleri hedef alan Kyoto Protokolü’nün imzalanmasına sebep oldu.

R-134a gibi hidroflorokarbonlar (HFCs) kimyasal yapılarında klor atomları içermediklerinden ozon tüketme potansiyelleri neredeyse sıfırdır. Bununla birlikte düşük enerji verimine sahiptirler ve R-12’den daha pahalıdırlar. Küresel ısınmaya negatif etkileri azdır. R-134a, yağ çözünürlüğü ile ilgili bazı problemler ortaya çıkarır. Ayrıca (HFCs)’ler çok yüksek basınç oranlarına ve düşük sıcaklıklarda zayıf ısı transferine sahiptirler.

Son zamanlarda ise sentetik (yapay) akışkanlardan ziyade, çevre dostu olan doğal soğutucu akışkanlar dikkat çekmektedir. Bunlar hidrokarbonlar ve onların karışımlarıdır. Ev soğutucularında (buzdolaplarında) ozon tüketme potansiyeline sahip akışkanların yerini alacak soğutucu akışkanlar olarak önerilmektedirler. Büyük miktarlarda mevcut olma ve çok pahalı olmama gibi avantajlara sahiptirler. Sıfır ozon tüketme potansiyeli ile çevre dostudurlar ve küresel ısınma etkisine neden olmazlar. Başlıca dezavantajları oldukça yanıcı olmalarıdır, bu nedenle çok dikkatli kullanılmaları gerekir. Doğal soğutucu akışkan olmaya aday akışkanlardan biri de hidrokarbonların bileşimi olan sıvılaştırılmış petrol gazı (L.P.G.)’dir. Pahalı olmayan L.P.G. yerel piyasalarda ticari olarak mevcut olup, L.P.G.’yi oluşturan kimyasalların bileşimdeki kütlesel yüzdeleri ülkeden ülkeye değişmektedir.

Alternatif soğutucu akışkanlar üzerine birçok araştırma yapılmıştır. Alsaad ve Hammad [1], ev tipi bir soğutma sisteminde R-12’ye alternatif bir soğutucu akışkan olarak propan/bütan (LPG) karışımının kullanımını göstermek için deneysel bir çalışma yapmışlardır. Bunun için % 24.4 propan, % 58.4 bütan ve % 17.2 izobütandan oluşan bir karışım kullanmışlardır. -15 ¡C’lik evaporatör ve 27 ¡C kondenser sıcaklığında COP değerini 3.4 elde etmişlerdir. Richardson ve Butterworth [2], % 45 propan ve % 52 bütan içeren hidrokarbon karışımının geniş sıcaklık oranları üzerinde R-12’ninki ile uyum gösteren termodinamik özelliklere sahip olduğunu bulmuşlardır. Hammad ve Alsaad [3], R-12’li bir ev tipi soğutucuda en iyi performansın % 50 propan, % 38.3 bütan, % 11.7 izobütanlı hidrokarbon karışımı ile elde edildiğini göstermişler ve 27 ¡C’lik kondenser sıcaklığında 3.7 lik bir COP değeri ile evaporatör sıcaklığının -16 ¡C’ye ulaştığını belirlemişlerdir. Bansal ve Purkayastha [4], soğutma ve ısı pompası uygulamalarında çokça kullanılan HCFC-22’nin yerine propan ve LPG’nin kullanımı üzerine deneysel bir çalışma yapmışlardır. Çalışmada LPG karışımı olarak % 98.95 propan, % 1.007 etan ve % 0.0397 izobütan kullanmışlardır. Deneylerde yoğuşma sıcaklığı 35 ¡C, 45 ¡C ve 55 ¡C’de sabit tutulurken buharlaşma sıcaklığı -15 ¡C ile +15 ¡C arasında değiştirilmiştir. Sonuç olarak bu karışım oranına sahip LPG’nin ısı pompalarında ve soğutma uygulamalarında iyi bir soğutucu akışkan olarak kullanılabileceğini göstermişlerdir. Jung ve diğ. [5], CFC-12’nin yerine geçmesi için propan/izobütan karışımının performansını deneysel olarak araştırmışlardır. Bunun için deneylerde propanın kütle oranları 0.2’den 0.6’ya kadar değiştirerek CFC-12’ye göre karşılaştırmışlar ve performans katsayısında % 2.3’lük bir artış olduğunu göstermişlerdir. Wongwises ve Chimres [6], bir ev tipi soğutma sisteminde HFC-134a’nın yerine geçmesi için propan, bütan ve izobütandan oluşan hidrokarbon karışımlarının uygulaması üzerine deneysel bir çalışma yapmışlardır. Deneylerde üç hidrokarbon karışımı, iki hidrokarbon karışımı ve iki hidrokarbon ile HFC134a’nın karışımı kullanılmış, ayrıca deneyler 25 ¡C’lik çevre sıcaklığında aynı olmayan yüklemeler altında yapılmıştır. Sonuç olarak propan/bütan karışımının (% 60 / % 40) HFC134a’ya göre en uygun alternatif soğutucu akışkan olduğu gösterilmiştir. Bechtler ve diğ. [7], bir ısı pompasının kararlı durum performansını modellemek için yapay sinir ağları metodunu kullanmışlardır. Modeller, LPG, R-22 ve R290 gibi üç farklı soğutucu akışkan için geliştirilmiştir. Tashtoush ve diğ. [8], ev tipi soğutma sistemlerinde R-12’ye bir alternatif olarak bütan/propan/R134a karışımlarını kullanarak deneysel olarak karşılaştırmışlardır. Bu karışımın, soğutma sisteminin performans katsayısı, kompresör gücü ve volümetrik verimi için mükemmel değerler sağladığını göstermişlerdir.

Bu çalışmanın amacı, R-12 soğutucu akışkanı ile çalışan bir buzdolabında ozon tüketme ve küresel ısınma potansiyeli sıfır olan doğal soğutucu akışkan olarak L.P.G.’nin kullanımı deneysel olarak araştırmaktır. Çalışmada, soğutucu akışkan olarak R-12 kullanılan ev tipi bir buzdolabının soğutma performansı önce bu akışkan ile deneysel olarak belirlendi, daha sonra benzer çalışma şartlarında aynı buzdolabında soğutucu akışkan olarak ülkemiz pazarından temin edilen L.P.G. kullanılarak yine deneysel olarak belirlenen soğutma performansı R-12’ninki ile ve literatürdeki benzer çalışmalarda elde edilmiş sonuçlarla karşılaştırıldı. Ayrıca üç değişik L.P.G. miktarının soğutma çevriminde kullanılması durumunda performansın deneysel olarak nasıl değiştiği araştırıldı. Kompresör yağlama yağı, L.P.G.’ye uyumlu olup olmadığını araştırmak amacıyla her iki soğutucu akışkan deneylerinde de değiştirilmedi. İncelenen bütün performans parametreleri için evaporatör yükü 150-450 W aralığında değiştirilen elektrik direnç telleri ile sağlandı ve bu parametrelerin evaporatör yükü ile değişimleri grafikler halinde verildi.

2. DENEYSEL ÇALIŞMA VE YÖNTEM

R-12 soğutucu akışkanı ile çalışan ev tipi bir buzdolabında alternatif soğutucu akışkan olarak Türkiye pazarında mevcut L.P.G.’nin kullanımının deneysel olarak araştırılması amacıyla hazırlanan deney düzeneğinin şematik görünüşü Şekil 1’de verilmiştir.

Deneylerde R-12 soğutucu akışkanlı ev tipi bir soğutucu buzdolabı kullanıldı. Kullanılan buzdolabının teknik özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Deneyler esnasında soğutucu akışkanın evaporatör sıcaklığı, kondenser sıcaklığı, soğutulan hacmin (buzdolabı içinin) sıcaklığı ve buzdolabının yerleştirildiği ortamın sıcaklığı belirli zaman aralıklarıyla bir multimetre ile okundu. Sıcaklıkları tespit etmek için bakır-konstantan (Cu-Co) termoelemanlar (ısıl çiftler) kullanıldı. Bunlarla, kompresöre soğutucu akışkan giriş sıcaklığı (T1), kompresörden soğutucu akışkan çıkış sıcaklığı (T2), kondenserden soğutucu akışkan çıkış sıcaklığı (T3), dondurucu (üst) bölme (evaporatör borusunun ortasında) soğutucu akışkan sıcaklığı (Te), soğutucu (alt) bölme soğutucu akışkan sıcaklığı (Tre) ve buzdolabının yerleştirilmiş olduğu çevre ortam (hava) sıcaklığı tespit edildi.

Ayrıca deneyler süresince kompresör giriş ve çıkış basıncı ile kompresöre harcanan güç yine eşit zaman aralıklarıyla tespit edildi. Basınçları belirlemek için belirtilen yerlere manometreler monte edildi. Kompresörün harcadığı elektrik gücünü okumak için bir Wattmetre’den yararlanıldı.

Deneyler benzer şartlar altında hem R-12 soğutucu akışkanı ile hem de üç farklı L.P.G. kütlesiyle ile tekrarlandı. L.P.G.’li deneyler için R-12 boşaltıldıktan sonra, soğutma devresi sırasıyla 90, 110 ve 130 gr L.P.G. ile dolduruldu ve kompresördeki yağlama yağı değiştirilmedi. Kullanılan L.P.G. Türkiye pazarından temin edilmiş olup, kimyasal bileşimi kütlece % 70 bütan ve % 30 propandan oluşmuştur. R-12 ve L.P.G.’li deneyler aynı evaporatör (soğutma) yükü altında olsun diye buzdolabının üst (dondurucu) bölmesi içerisine 50 ve 100 W’lık elektrik direnç tellerinden oluşan ısıtıcılar yerleştirildi. Deneyler için bunların kapasiteleri 150 ve 400 W arasında değiştirildi. Deney sonuçları sistem ısıl olarak kararlı hale geldikten sonra alındı.

3. HESAPLAMALAR

Kompresör giriş ve çıkış noktalarındaki soğutucu akışkanın (L.P.G.) özgül entalpi (h1, h2) ve özgül hacim (v1, v2) değerleri bu noktalarda okunan basınç ve sıcaklık değerleri esas alınarak kullanılan gazların P-h diyagramından belirlendi. Kondenser çıkışındaki soğutucu akışkanın özgül entalpisi (h3) yine bu noktada okunan basınç ve sıcaklıktan belirlendi. Evaporatör girişindeki soğutucu akışkanın özgül entalpisi (h4) ise, genleşme vanasında kısılma sabit entalpide olduğu için h3’e eşittir. Evaporatör (buharlaştırıcı) yükü (Qe), her deneyde kullanılan ve ısı akıları sabitlenen elektrik direnç teli ısıtıcısının kapasitesine eşit alındı. Diğer parametreler aşağıdaki eşitlikler yardımıyla belirlenmiştir:

Efektif soğutma kapasitesi, qe = h1 * h3(1)

Soğutucu akışkan debisi, m = Qe / qe(2)

Kompresör gücü, Wk = m(h2 * h1)(3)

Kondenser kapasitesi, Qc = m(h2 * h3)(4)

Performans katsayısı, COP = (h1 * h3) / (h2 * h1)(5)

Volümetrik verim, hv = 0.01m.v1 [9].(6)

4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Şekil 2, buzdolabı performans katsayısının evaporatör yükü ile değişimini göstermektedir. Şekilden de görüldüğü gibi L.P.G. miktarı arttıkça, performans katsayısı düşmektedir. Bunun sebebi Şekil 5’de de görüleceği gibi L.P.G. miktarı arttıkça kompresör güç tüketiminin de artmasıdır. Ayrıca Şekil 6’da L.P.G. miktarı ile kondenser yükünün dolayısıyla da evaporatör yükünün azalması bu durumun diğer bir göstergesidir. 110 gr L.P.G. için R-12’ninkine yakın COP değerleri elde edilmektedir.

Buzdolabı alt bölmesi ile üst bölmesi soğutucu akışkan sıcaklığının evaporatör yükü ile değişimi sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4’de görülmektedir.

Şekil 3’den görüldüğü gibi L.P.G.’nin denenen tüm miktarları genellikle R-12’ye göre daha iyi, yani daha düşük soğutucu akışkan sıcaklıkları verirken, 110 gr L.P.G. için elde edilen sıcaklıklar R-12’ninkilere çok yakındır. Zaten denenen soğutucu akışkanların alternatif olabilmeleri için, yerine kullanıldıkları soğutucu akışkanın sıcaklık değerlerine eşit veya daha düşük değerler göstermesi gerekir. Bu grafikten de görüldüğü gibi 110 gr L.P.G. miktarı diğer miktarlara göre daha çok tercih edilmelidir. Şekil 4’de ise L.P.G. miktarı arttırıldıkça R-12’ye nazaran daha düşük üst bölme soğutucu akışkan sıcaklıkları elde edilmektedir.

Şekil 5, kompresör güç tüketiminin evaporatör yükü ile değişimini vermektedir. Şekilden açıkça görüldüğü gibi, L.P.G. miktarı düştükçe kompresörün çektiği güç de azalmaktadır.

Kondenser yükünün evaporatör yükü ile değişimi ise Şekil 6’da gösterilmiştir. L.P.G. miktarı düştükçe kondenser yükü artmaktadır. Yine 110 gr L.P.G. için kondenser yükü R-12’ninkine yakın olduğundan, R-12 için dizayn edilmiş bir soğutucu bu miktar L.P.G. ile kondenser değiştirilmeden kullanılabilir.

Şekil 7’de kompresör volümetrik veriminin evaporatör yükü ile değişimi sunulmuştur. Şekilden görüldüğü gibi 110 gr L.P.G. ile çalışıldığında R-12’ye kıyasla daha yüksek volümetrik kompresör verimleri elde edilmektedir. Bu nedenle, R-12 için tasarlanmış bir kompresör bu miktar L.P.G. ile daha verimli çalışacak ve R-12 için mevcut kompresör yağlama yağının değiştirilmesine de gerek kalmayacaktır.

Soğutucu akışkan kütlesel debisinin evaporatör yükü ile değişimi Şekil 8’de görülmektedir. Kullanılan her üç L.P.G. miktarı için de R-12’ye göre çok daha düşük soğutucu akışkan kütlesel debileri elde edilmiş ve bunlardan sadece 110 gr L.P.G. için olanı bu şekilde R-12’ninkilerle karşılaştırılmıştır. Şekilden görüldüğü gibi L.P.G. için R-12’ye nazaran oldukça küçük kütlesel debiler elde edilmiştir. Bu elde edilen küçük soğutucu akışkan kütlesel debileri aynı zamanda L.P.G.’li soğutucunun R-12’liye göre daha sessiz çalıştığının da bir kanıtıdır.

Şekil 9 ve Şekil 10 sırasıyla, soğutucu akışkan kompresör çıkış basıncının ve soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklığının evaporatör yükü ile değişimlerini göstermektedir.

Düşük evaporatör yüklerinde L.P.G., R-12’ye göre daha yüksek kompresör çıkış basınçları verirken, yüksek evaporatör yüklerinde bu trendin tersi görülmektedir. Bununla birlikte Şekil 10’dan da görüldüğü gibi bütün evaporatör yükleri için L.P.G., R-12’ye göre daha düşük soğutucu akışkan kompresör çıkış sıcaklıkları sergilemektedir. Bu da daha az tersinmezlik ve dolayısıyla daha yüksek izentropik verim demektir. Ayrıca L.P.G. için bu durum daha düşük kondenser çıkışı soğutucu akışkan sıcaklığı anlamına gelir ki, bu da R-12’ye göre daha büyük soğutma etkisi demektir.

Deneysel sonuçlardan anlaşılmıştır ki, R-12’li bir buzdolabında kullanılan L.P.G. miktarları genelde iyi sonuçlar vermesine rağmen, R-12’ye en yakın değerler 110 gr L.P.G. için elde edilmiştir. Dolayısıyla bu miktar L.P.G.’nin kullanımı ile, ayrıca R-12 için kullanılan yağlama yağının ve kondenserin değiştirilmesine de gerek kalmamaktadır. Yine 110 gr L.P.G. için R-12’ye nazaran kompresörün volümetrik verimi daha yüksek elde edilmiştir.

İleriki çalışmalar için daha değişik soğutucu akışkanlar ve daha farklı kimyasal bileşime (hidrokarbonlara) ve miktarlara sahip L.P.G. denenebilir. Ayrıca hidrokarbonların yanıcılığına karşı alınacak önlemler üzerine araştırmalar yapılabilir.

KAYNAKLAR

[1]Alsaad M.A., Hammad M.A., "The Application of Propane/Butane Mixture for Domestic Refrigerators, Applied Thermal Engineering", 18, 911-918, 1998.

[2]Richardson R., Butterworth J., "The Performance of Propane/Isobutane Mixtures in Vapor Compression Systems", International Journal of Refrigeration, 18, 1, 58-62, 1995.

[3]Hammad M.A., Alsaad M.A., "The Use Hydrocarbon Mixtures as Refrigerants in Domestic Refrigerators", Applied Thermal Engineering, 19, 11, 1181-1189, 1999.

[4]Bansal P.K., Purkayastha B., "An Experimental Study on HC290 and a Commercial Liquefied Petrpleum Gas (LPG) Mix as Suitable Replacements for HCFC22", International Journal of Refrigeration, 21, 1, 3-17, 1998.

[5]Jung D., Kim C.B., Song K., et al., "Testing of Propane/Isobutane Mixture in Domestic Refrigerators", International Journal of Refrigeration, 23, 7, 517-527, 2000.

[6]Wongwises S., Chimres N., "Experimental Study of Hydrocarbon Mixtures to Replace HFC-134a in a Domestic Refrigerator", Energy Conversion and Management, 46, 1, 85-100, 2005.

[7]Bechtler H., Browne M.W., Bansal P.K., et al., "Neural Networks-A New Approach to Model Vapour-Compression Heat Pumps", International Journal of Energy Research, 25, 7, 591-599, 2001.

[8]Tashtoush B., Tahat M., Shudeifat M.A., "Experimental Study of New Refrigerant Mixtures to Replace R12 in Domestic Refrigerators", Applied Thermal Engineering, 22, 5, 495-506, 2002.

[9]Stoeker W., Jones J., "Refrigeration and Air Conditioning", second ed., McGraw-Hill, Singapore, 1987.

Mehmet ESEN - Serhat ŞENGÜR - Hikmet ESEN

Fırat Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi,

Makine Eğitim. Bölümü / ELAZIĞ