Bir Isı Pompalı Isı Geri Kazanım Cihazının Performansının Farklı Soğutucu Akışkanlara Göre Değişimi
Yazarlar: Soykan Yaşar, Zeki Peker, Meltem Koçak
Eneko Havalandırma ve Isı Ekonomisi Sist. Tekn. Mak. San.ve Tic. A.Ş.
Özet
Soğutma çevrimi günümüzde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Ev tipi klimalar, VRF-VRV sistemleri, çatı tipi klima cihazları, havuz nem alma cihazları ve klima santrallerindeki direkt genleşmeli sistemler en yaygın örneklerdir. Soğutma çevriminde soğutucu akışkan, kompresör tarafından mekanik olarak sıkıştırılarak basınçlandırılır. Buharlaştırıcı ile soğutucu akışkanın üzerine alınan ısı, yoğuşturucu vasıtasıyla soğutucu akışkandan atılır. Soğutma çevrimlerinde genel olarak R22, R404A, R407C, R410A, R32 gibi soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Son dönemlerde ise ozon tabakasındaki hasar ve küresel ısınmayı azaltmak için küresel ısınma potansiyeli (GWP) değeri en düşük soğutucu akışkanlara göre sistemler revize edilmektedir. Bu çalışmada kanatçıklı borulu ısı değiştirgecine sahip bir ısı geri kazanımlı ısı pompasının, farklı soğutucu akışkanlara göre kapasite, maliyet ve verim değerleri incelenmiştir. Matematiksel model olarak kesit-kesit metoduna göre ısı değiştirgeci ısı transferi ve akışkan hesapları yapılmış ve buna göre çevrimdeki gerekli soğutucu akışkan miktarı hesaplanmıştır.
Anahtar kelimeler: Kanatçıklı borulu ısı değiştirgeci, evaporatör, kondenser, soğutma çevrimi, soğutucu akışkan, küresel ısınma potansiyeli (GWP), hava dağılımı, devreleme algoritması, soğutma çevrimi simülasyonu, soğutucu akışkan miktarı hesaplama
Variation of Performance of a Heat Pump Heat Recovery Device for Different Refrigerants
The refrigeration cycle is used in many applications today. Residental air conditioners, VRF-VRV systems, rooftop air conditioners, pool dehumidifiers and direct expansion systems in air handling units are the most common examples. In the refrigeration cycle, the refrigerant is pressurized by mechanical compression by the compressor. The heat gained from the refrigerant by the evaporator, is removed from the refrigerant by condenser. Refrigerants such as R22, R404A, R407C, R410A, R32 are generally used in refrigeration cycles. Recently, systems have been revised according to the refrigerants with the lowest global warming potential (GWP) value due to reduce damage to the ozone layer and global warming. In this study, the capacity, cost and efficiency values of a heat recovery heat pump with a finned tube heat exchanger were investigated according to different refrigerants. As a mathematical model, heat exchanger heat transfer and fluid calculations were made according to the section-section method and the required amount of refrigerant in the cycle was calculated accordingly.
Keywords: Finned tube heat exchanger, evaporator, condenser, refrigeration cycle, refrigerant, global warming potential (GWP), air distribution, circuit algorithm, refrigeration cycle simulation, refrigerant amount calculation
Giriş
Soğutma çevrimi günümüzde birçok uygulamada kullanılmaktadır. Ev tipi klimalar, VRF-VRV sistemleri, çatı tipi klima cihazları, havuz nem alma cihazları ve klima santrallerindeki direkt genleşmeli sistemler en yaygın örneklerdir. Soğutma çevriminde soğutucu akışkan kompresör tarafından sıkıştırılarak buharlaştırıcı ile soğutucu akışkanın üzerine alınan ısı yoğuşturucu vasıtasıyla soğutucu akışkandan atılır. İklimlendirme cihazlarında genel olarak R22, R407C, R410A, R32 gibi soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Son dönemlerde ise ozon tabakasındaki hasar ve küresel ısınma sebebiyle küresel ısınma potansiyeli (GWP) değeri en düşük soğutucu akışkanlara göre sistemler revize edilmektedir. Bu çalışmada kanatçıklı borulu ısı değiştirgecine sahip bir ısı geri kazanımlı ısı pompasının, farklı soğutucu akışkanlara göre kapasite, maliyet ve verim değerleri incelenmiştir. Matematiksel model olarak kesit-kesit metoduna göre ısı değiştirgeci ısı transferi ve akışkan hesapları yapılmış ve buna göre çevrimdeki gerekli soğutucu akışkan miktarı hesaplanmıştır.
Soğutucu akışkanların küresel ısınmaya etkisi
1990 yıllarında ozon tabakasını tahrip eden hidrokloroflorokarbonlar (HFC) Montreal Protokolü ile kullanım dışı kalmıştır. Bu doğrultuda birçok soğutucu akışkanın ozon tabakasına zarar verici etkisi sıfırlanmış olsa da küresel ısınmaya etkileri hala devam etmektedir.
Küresel ısınma potansiyeli (GWP), değişik sera gazlarının, karbondioksit referans değer (1) kabul edilerek 100 yıllık bir süre zarfındaki etkisini ifade etmektedir. Bu faktörler aynı zamanda bu gazların küresel ısınmaya etkisini de belirlemektedir. Geçen yüzyıl süresince gezegenimizde 0,5 C lık artma, deniz seviyesinde 20 cm’lik yükselme gerçekleşmiştir. 2100 yılına kadar ise sıcaklık artışının 3C lik bir artışa ve deniz seviyesinde ise 110 cm yükselme olması beklenmektedir. (AKSAY, ve diğerleri, 2005) Bu noktada 1990 yılından bu yana da bina soğutmasına harcanan enerjinin neredeyse 3 katına çıktığı düşünülürse, bu sistemlerin verimliliği ve bu sistemlerde kullanılan soğutucu akışkanların küresel ısınmaya etkisinin en az olacak şekilde seçilmesi ve tasarlanması ciddi önem taşımaktadır.
Tablo 1’de iklimlendirme cihazlarında kullanılan soğutucu akışkan tipleri ve ODP, GWP değerleri belirtilmiştir. Ozon tabakası incelmesine katkısı olduğu için R22 gazı Avrupa’da 2004 yılından, Türkiye de ise 2015 yılından itibaren kullanımı yasaklı durumdadır.
Bu gaz yerine kullanılan R410A ve R407C gazlarının ise ozon tabakasının incelmesine etkisi olmasa da küresel ısınma potansiyeli muadili olan R32’ye göre 2-3 kat aralığında daha yüksektir.
1. Çevrim Hesaplamaları
İklimlendirme cihazlarında termodinamik dengenin sağlanması için 4 ana ekipman, kompresör, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve genleşme vanası kullanılmaktadır. Bu ekipmanların birbirine bağlanması için bakır boru, boru içi nemin ve pisliklerin tutulması için kurutucu, soğutucu akışkanın durumunun gözlenmesi için gözetleme camı, akışkanın yönlendirilmesi için selenoid vana gibi ekipmanlar kullanılmaktadır. Bu çalışmada buharlaştırıcı, yoğuşturucu için ısı transferi ve akışkan hesapları yapılırken, bakır borularda ise akışkan basınç düşümleri ve soğutucu akışkan miktarının hesaplanabilmesi için akışkan hesapları yapılmıştır.
Çevrim hesapları yapılırken iteratif bir matematiksel metot kullanılmıştır. Buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıklarına göre kompresör polinomlarından elde edilen akışkan debisi sırayla basma borusu, kondenser, likit hattı borusu, buharlaştırıcı ve dönüş hattından geçirilerek kullanıcının giriş parametrelerine göre sistem denge noktası hesaplanmaktadır. Şekil 1’de hesaplama algoritması detaylı olarak belirtilmiştir.
1.1 Kanatçıklı borulu ısı değiştirgeci ısı transferi ve basınç kaybı hesapları
Bu çalışmada, sistem denge noktasını ve kanatçıklı boruların içerisindeki akışkan kütle miktarını hesaplamak için ısı değiştirgeçleri için kesit-kesit matematiksel modeli kullanılmıştır. (Yaşar, ve diğerleri, 2020) Kesit-kesit modeli ve diğer matematiksel modeller Şekil 2’de gösterilmiştir.
.jpg)
Isı değiştirgecindeki akışkan tarafı ısı transfer hesapları için Thome ve arkadaşlarının geliştirdiği yoğuşma (Thome, ve diğerleri, 2003) ve buharlaşma (Thome, ve diğerleri, 2005) formülleri kullanılmıştır. Tek faz da ise Gnelski’nin geliştirdiği formüller kullanılmıştır. (Gnielinski, 1976). Sürtünmeye dayalı basınç kaybı hesapları için buharlaşma durumunda yine Thome ve arkadaşlarının (Thome, ve diğerleri, 2007) geliştirmiş olduğu formüller kullanılırken, yoğuşmada Souza ve arkadaşlarının (Souza, ve diğerleri, 1992) geliştirmiş olduğu formüller kullanılmıştır. Tek fazlı durumda ise Ragazzi ve arkadaşlarının geliştirmiş olduğu formüller kullanılmıştır.
Dalgalı tip kanatçık yapısı kullanıldığı için, hava tarafı ısı transferi ve basınç kaybı hesabı için Wang ve arkadaşlarının (Wang, ve diğerleri, 2002) Colburn J ve fan sürtünme faktörüne göre geliştirmiş olduğu formüller kullanılmıştır. Katsayılar her kesit için farklı hava giriş çıkış koşullarında, tüm eşanjör yüzeyi için hesaplanmıştır.
Isı transferi hesaplamalarında ise çıkış sıcaklığı girilmesine gerek olmayan ve hesaplama süresi daha kısa olan Ԑ-NTU metodu kullanılmıştır. (Incorpera, ve diğerleri, 2006). Kanatçık veriminde ise Schmidt metodu (Schmidt, 1949) kullanılmıştır. Ԑ-NTU metodunda kuru yüzeyler için aşağıdaki formüller kullanılırken ıslak yüzeyler için Harms ve arkadaşlarının (Harms, ve diğerleri, 2003) oluşturduğu modifiye edilmiş formüller kullanılmıştır.
1.1.1 Boru dizilimi
Soğutma çevrimi simülasyonlarında boru iz takibi ve kesit-kesit modeli, tasarım koşulunda sistem içerisinde olması gereken gaz miktarının hesaplanması için büyük önem taşımaktadır. Literatürde, Domanski ve Jiang gibi araştırmacıların boru iz takibi yapmak için geliştirdiği ve “Junction Tube Matrix” olarak adlandırdığı matriks sistemler bulunmaktadır (Jiang, ve diğerleri, 2006) (Domanski, P. A.; Yashar, D., 2004). Şekil 5’de elektrik devre analizine benzer yapıda incelenmiş bir devreleme sisteminin örneği verilmiştir. Şekil 3’te akışkanın yönleri sayfa içine ve dışına göre tarif edilmiş olup, çizgilerle de borulardan geçiş noktaları (kuruve yerleri) belirtilmiştir. Akışkan 1 ve 5. borulardan geçiş yapıp, 2 ve 6. boruları takip ederek 3 boruda birleşmiş, 7,4 ve 8 no’lu boruları takip ederek akışkan devreden çıkmıştır. Bu örnekten yola çıkılarak, bu çalışmada da devredeki akışkan borulara giriş sıralaması ve yönleri tarif edilmiş ve iz takibi yapılmıştır. Boru iz takibi ile;
1- Akışkan faz durumu ve basınç kayıpları her devre için hesaplanabilir.
2- Akışkan debisi her devre için ayrı ayrı hesaplanabilir.
3- Farklı devrelerde, farklı akışkan tipleri ile kapasite hesaplanabilir.
4- Borular üzerinden geçen havanın homojen olmadığı durumlarda hesaplamalar yapılabilir.
5- Her kesitte sistemde olması gereken soğutucu akışkan miktarı hesaplanabilir.
6- Aynı devre içerisinde ayrılan ve birleşen hatların kapasiteleri hesaplanabilir.
Bu çalışmada farklı akışkanların çalışma noktaları incelendiği için hava dağılımı ısı değiştirgeçleri için homojen olarak alınmıştır.
1.2 Kompresör hesaplamaları
HVAC'da scroll ve pistonlu kompresör tipleri yaygın olarak kullanılmaktadır. En yaygın performans hesaplaması, kompresörlerin emme ve basma doyma sıcaklıklarının polinom katsayılarını içeren ARI modelinin (ARI, 2001) derecelendirme standardıdır. Formüldeki her katsayı, belirli derecelendirme koşulları için geçerlidir. Bu nedenle kompresör üreticileri, belirli bir kompresörün soğutma kapasitesini, güç girişini, kütle akışını ve akımını hesaplamak için Ci ve Di katsayılarını yayınlamaktadır.
Ayrıca aşırı soğutma derecesi pratik alanda değiştirilebilir. Bu nedenle kompresör kapasitesi ve COP değerleri entalpi farkına göre düzeltilmelidir.
1.3 Bakır boru hesaplamaları
Sistemde kullanılan bakır borulamalar yatay ve dikey olarak tanımlanmaktadır. Yatay borularda sürtünme ve hızlanmaya yönelik basınç kayıpları hesaplanırken, dikey borularda ekstra olarak yer çekimi kaynaklı basınç kayıpları da ilave edilmektedir. (Ragazzi, ve diğerleri, 1991)
1.4 Soğutucu Akışkan Miktarı
Soğutucu akışkan kütle miktarı hesaplarken faz durumu göz önüne alınmalıdır. Soğutucu akışkanın tek fazda olduğu durumda kesit hacmi ve yoğunluğa göre hesap yapılabilirken, çift faz bölgesinde akışkanın gaz ve sıvı fazlarında homojen dağılım olmadığından void fraction kavramının hesaplanması gerekmektedir. Void fraction kavramı bir kanalda bulunan gaz fazı hacminin kanalın toplam hacmine oranı olarak tanımlanabilir. Bu noktada Void fraction kavramının hesabı için kesit içerisinde gaz fazı hızının sıvı fazına oranı olan Slip ratio kavramı da hesaplanmalıdır. Literatürde slip ratio hesaplaması için bir çok çalışma olmakla beraber, bu çalışmada Hughmark (Rice, 1987) korelasyonu kullanılmıştır.
Kh parametresi Z parametresine bağlı bir fonksiyon olup değerleri Tablo 2 de belirtilmiştir. α parametresi hesaplamada yine α parametresi içerdiğinden hesaplama iteratif olarak çözülmelidir.
1.5 Çevrim Girdileri
Simülasyon programına buharlaştırıcı, yoğuşturucu notasyonları, bakır boru çap ve metrajları ile kompresör model ve adetleri tanımlanmaktadır. Bunun haricinde giriş sıcaklık, nem hava debisi verileri ile soğutucu akışkan tipi verileri girilmektedir.
1.5.1 Ekipman seçimleri
Simülasyonu yapılan cihaz plakalı ısı geri kazanımlı bir ısı pompasıdır. Bu tip cihazlar genel anlamda taze hava ile mahalin havalandırılması sırasında ek olarak havanın şartlandırılması için en az miktarda enerji harcanması amacı için çalışmaktadır. Plakalı ısı değiştirgeçleri verim olarak %45-55 seviyelerinde kalmaktadır. Bu da mahalden taze havaya aktarılan enerjinin %45-55 seviyesinde olduğu anlamına gelmektedir. Arta kalan miktar ise ısı pompası vasıtasıyla alınmaya çalışılmaktadır. Şekil 5’te cihazın iç yerleşimi ve hava giriş-çıkış konfigürasyonu belirtilmiştir.
Yapılan soğutma çevrimi simülasyon çalışmalarında R410A, R32, R407C için aynı ısı değiştirgeçlerini kullanılmış, kapasitenin sağlanabilmesi içi R22’de diğer tüm geometrik özellikler aynı tutularak sadece lamel aralığı 2,5 mm’den 2,3 mm’e indirilmiştir. Isı değiştirgeçlerinin geometrik özellikleri Tablo 3’te belirtilmiştir.
Kompresörler farklı süpürme hacimlerinde, soğutucu akışkana uygun olarak sistemin aynı soğutma kapasitesini sağlayabilmesi için seçilmiştir. Bu çalışmada kullanılan kompresörlerin süpürme hacimleri Tablo 4’te verilmiştir.
Cihaz bakır borulamasında kullanılan boru çapları ve miktarları yatay ve dikey Tablo 5’te verilmiştir.
1.5.2 Giriş hava koşulları ve simülasyon sonuçları
Cihaz çalışma prensibi olarak mahaldeki ısı enerjisi karışım olmadan, taze havaya plakalı ısı değiştirgeci vasıtasıyla aktarılmaktadır. Sonrasında taze hava tarafında plakalı ısı değiştirgecinden çıkan hava yoğuşturucuya, mahalden gelen hava tarafında ise buharlaştırıcıya girmektedir. Dolayısıyla bu ısı değiştirgeçlerine giren hava koşulları plakalı ısı değiştirgecinden çıkış koşulları olarak baz alınmıştır. Tablo 6’t sistemdeki ekipmanlara ilişkin giriş koşulları belirtilmiştir.
4 ayrı soğutucu akışkana göre simülasyon yapılmış olup sistemdeki gaz miktarları, soğutma kapasitesi ve verimlilik değerleri hesaplanmıştır. Tablo 6’te simülasyon sonucuna ait veriler belirtilmiştir. Simülasyonda buharlaştırıcı çıkışı aşırı kızdırma 8K ve yoğuşturucu sonrasında aşırı soğutma değerleri 5K olarak sabit tutulmuştur.
Sonuçlar
Bu çalışmada, endüstriyel ve ev tipi ısı pompası cihazlarında en çok kullanılan R407C, R410A, R32, R22 gazları ile, ısı pompalı bir ısı geri kazanım kazanımının sistem simülasyonları yapılmış ve kıyaslanmıştır. R410A gazı R32 gazı ile birbirine çok yakın performans verirken, R407C ve R22 gazlarının verimliliği daha düşük kalmıştır. Bu gazlar içerisinde R22 gazının ozon tabakasına zarar verme potansiyelinin de olduğu düşünüldüğünde kullanılmamasının her yönden pozitif etkiye sebep olacaktır. R410A ve R32 gazı kıyaslandığında ise, R32 gazının benzer sistem için daha az kullanımı ve küresel ısınmaya etkisinin R410A gazına göre 3 kat daha az olması sebebiyle R410 a gazına göre daha makul olmaktadır.
