Soğutma Sistemlerinde Enerji Ekonomikliği ve Optimizasyon

ÖZET

Bu çalışmada oldukça yaygın bir kullanımı olan soğutma sistemleri için enerji ekonomikliği ve optimizasyona gidilmesinde kullanılabilecek kriter ve yaklaşımlar ile analiz teknikleri verilmektedir.

GİRİŞ

1950-1973 yılları arasında Amerika ve Avrupa'da soğutucu ve buzdolabı talebinin oldukça artmasına paralel olarak enerji tüketim de artmıştır. Bu eğilim 1973'den sonra değişmiştir. Buzdolabı talebinin giderek azalması yanında ticari soğutucular, soğuk depolar ve dondurma tesislerine olan ilgi ve yatırım daha da artmıştır. Böylece tüketilen enerjide bir ekonomiklik sağlanması gündeme gelmiştir. Sonuç olarak, bu durum bir araştırma ve geliştirme ihtiyacını doğurmuştur. Öncelikle sistemde ele alınan elemanlar ve incelenen durumlar: izolasyon, motorkompresör, eva-poratör ve genleşme valfleri olmuştur. Genellikle bir soğutma sistemin motor kompresör kısmında en büyük kayıplar oluşabilmektedir (Caron, 1980).

Optimizasyon, bir sistem veya bir çevrimde en uygun şartlan sağlamak için kullanılan matematiksel ve teknik işlemlerin

bir karışımı olarak tanımlanabilmektedir. Genellikle aşağıdaki durumlardan oluşmaktadır

a)Enerji ve malzeme ekonomikliğinin sağlanması ve üretimin maksimize edilmesi,

b)İşlemlerin minimize edilmesi.

Bunlar gözönüne alındığında bir soğutma teçhizatını opti-mize etmek için iki yaklaşım bulunmaktadır.

1.Tesis parametrelerinin optimizasyonu ile enerji ekonomikliğinin sağlanması için ısıl işlemlerin optimizasyonu. Bu genel olarak otomatik kontrolün teori ve pratiğinden geliştirilmektedir.

2.Optimizasyon kriterini ya komple soğutma sistemine ya da elemanlarına ayrı ayrı uygulamaktır.

Böylece bir soğutma tesisinin dizaynında optimizasyon problemi, teçhizatın işlemsel ve konstrüksiyonel paramet-n için optimum değerlerin bir bütün olarak ele alınmasından oluşmaktadır. Bu tamamen soğutma makine ve teçhizatı konstrükte edilmesi ve dizaynının teori ve pratik mühendisliği ile de ilgili olmaktadır. Bir soğutma sisteminin optimizasyon kısmi ve kompleks olabilmektedir. Kısmi optimizasyon genel olarak soğutma elemanları ile ilgili olmaktadır.

-En yüksek ısı transfer katsayısını ortaya koymak için ısı değiştirgeci dizayn parametrelerinin optimizasyonu.

-Bir özel sistem için ısı değiştirgecinin dizayn ve proses parametrelerinin optimizasyonu.

Kompleks optimizasyon makine ve ısı değiştirgeçleri gibi elemanların yalnızca bireysel parçalarının kısmi optimasyonu için parametrelerin hesaplanmasını değil, aynı zamanda bir soğutma çevrim veya sistemi içerisine bu elemanların bir bütün olarak parametrelerinin analizini içermektedir. Kısmi optimizasyon, bir tesisin seçilen elemanları parametrelerindeki bağımsız değişkenlerin az bir sayısı veya daha çoğu ile ilgili olmaktadır. Optimizas-yonun bu metodu, bilgisayarların yaygın kullanıma girmesinden önce geliştirilmiştir. Buna karşılık kompleks optimizasyonda geniş bir bilgisayar kullanımı gerekmektedir.

OPTİMİZASYON KRİTERLERİ

Çalışan bir tesisin optimizasyonu için, teknik veya tekno-ekonomik kriterlerin uygulanması gerekmektedir. Bu görüşten hareketle optimizasyon için uygun kriter maksimum ısıl verim, minimum ağırlık, minimum teçhizat fiyatları v.s. için formülizasyon yapabilmektedir (Wall, 1986, 1991 ; Wong, 1991 ; Shelton ve Weber, 1991). Pratik olarak en yaygın uygulanabilecek kriterler aşağıda verilmektedir.

1)Termodinamik (enerjik veya ekserjik) optimizasyon

2)Konstrüksiyonel optimizasyon

3)Ekonomik (Tekno-ekonomik) optimizasyon,

4)Termoekonomik optimizasyon

 Termodinamik Optimizasyon

Özel termodinamik proseslerde veya bu proseslerin çevrimlerinde minimum ekserji kayıpları sağlayacak şekilde optimizasyona gidilmesidir. Termodinamiki optimizasyon kriterlerinde, dizayn edilen veya çalışan teçhizat için özellikle performans katsayısının, yani verimin arttırılması hedeftir. Örnek olarak, bir absorpsiyonlu soğutma tesisi için ekserjik verim aşağıdaki şekilde ifade edilebilmektedir

Burada AS bir absorpsiyonlu soğutma çevriminin bütün proseslerindeki entropi artışlarının toplamıdır. Konstrüksiyonel optimizasyon

Bir teçhizatın konstrüksiyonel optimizasyonu için aşağıdaki özellikler esas alınmaktadır.

-Minimum teçhizat ağırlığı veya minimum komple boyutlar.

-Endüstriyel imalatının kolaylığı ve böylece ekonomikliğe gitmek için optimum şartların uygulanması olmaktadır. Ekonomik optimizasyon

Optimizasyon için en kabul edilebilir kriter ekonomikliktir ve toplam fiyatın minimuma indirilmesi şeklinde ifade edilebilmektedir. Bu kritere gelince en ekonomik tesis veya teçhizat açıklanan bir enerji işlemi veya ısıl işlemlerin minimum yatırım gereksinimleri ve mali harcamaların sonucunda ortaya çıkmaktadır.

Bu kritere ait yaklaşımda, toplam fiyat (F) aşağıda verilen eşitlikten hesaplanabilmektedir (Maczek, 1980).

F fonksiyonunun formu daha geniş ısı değiştirgeçleri ve daha pahalı soğutma tesisleri için gerekli enerji için toplam fiyatı ifade etmektedir. Soğutma ünitelerindeki ısı değiştirgeçleri için bu bağımlılık Şekil l'de verilmektedir. Tam yükte çalışma zamanı (t) soğutma ünitesi için uygun teçhizat seçiminde önemli olmaktadır. Şekil 2'de gösterildiği gibi tam oranlı kapasitesi kullanılırken, yıl sırasında teçhizatın daha uzun çalışma zamanı Şekil l'de gösterildiği gibi benzer teçhizatın çalışma fiyatından daha yüksektir. Daha uzun çalışma zamanlan ile soğutma üniteleri benzer kapasitede kimyasal endüstri için soğutma sistemi klima sistemlerinden daha geniş ısı değiştirgeçlerine sahip olmaktadır. F fonksiyonu için hazırlanmış diyagramlar belirli ölçülerdeki elemanlar için düzenlendiğinden boyutlarda değişiklik yapıldığında farklılıklar gösterebilmektedir (Maczek, 1980).Kısmi Optimizasyon

Soğutma sistemlerindeki ısıl işlemler için kullanılan ısı değiştirgeçlerinin kısmi optimizasyonu için, sık sık tekno-ekonomik görüş kulalnılarak analiz edilmektedir. Bu analizin amacı;

a)Bir ısı değiştirgecinde kullanılan elemanlar için optimum sıcaklık farklarını belirlemek,

b)Farklı tip ısı değiştirgeçlerini karşılaştırmak,

c)Bir ısı değiştirgeci içinden geçen bir akışkan madde için optimum hızı belirlemektir.

Elemanlar optimum sıcaklık farkını belirlemede basitleştirilmiş bu formda obektif ekonomik fonksiyonuna başvurulmaktadır. Basitleştirilimiş bir formda, bir ısı değiştirgeci için toplam fiyat, aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.

Teknik ve ekonomik basitleştirmelerin sonucunda bir ısı değiştirgeci için yatırım fiyatı (ısı değiştirgeçlerinin küçük bir aralığı için, yüzey alanlarında değişimlerin küçük bir aralığı için) A/M ısı değiştirgecinin M birim kütlesindeki yüzey alanı veya birinci yüzey tüpleri için A yüzey alanının lineer fonksiyonu olarak sık sık hesaplanabil-mektedir.

aA ve ''A değerleri en küçük kareler metoduna göre yapılan regresyon analizi sonucunda bulunabilmektedir. Isı değiştirgecinin bir ucundan diğer ucuna akışkanın taşınması için örneğin, yardımcı pompalar, kompresörler ve fan üniteleri için fiyatlar, birleşik olarak verilen gücün (WM) bir lineer fonksiyonu olarak ısı değiştirgeçleri için

dikkate alınmalıdır.

Bazı sisıem elemanları için, a^ ve bjyj değerleri teçhizata

ait fiyat listelerinden yararlanarak hesaplanılmaktadır. Bu gibi yaklaşımlar daha çok küçük pompa ve fanlar için yapılmaktadır. Büyük kapasiteli kompresörler, fanlar ve pompalar için bu yaklaşımın hatası yüksek olmaktadır. Böylece gerçek fiyatların değerlerini azaltmak için forınü-lasyon tekniğini kullanmak daha iyi olacaktır. Termoekonomik optimizasyon

Verilen fiziksel ve ekonomik şartlar içinde en iyi sistem, o sistemin toplam maliyetinin optimizasyonu ile bulunabilmektedir. Bu nedenle, bir soğutma sisteminin herbir elemanındaki ekserji kayıplarının marjinal değerleri hesaplanmalıdır. Bu değerler, araştırma ve geliştirme metodunun seçiminde veya bir sistemin iyileştirilmesinde oldukça önemlidir.

Fiziksel şartlar basınç, sıcaklık ile kimyasal potansiyelleri ve ekonomik şartlar ise yatırım maliyeti, herbir elemanın maliyeti ve faiz oranlarını içermektedir. Bu şartlar fiziksel büyüklükleri temel alan fiyat ilişkileriyle bağlantılı olmaktadır.Bu durum Şekil 3'te gösterilmiştir.

Enerji ve kütle akış debileri fiziksel şartlar kullanılarak birim zamandaki ekserji terimleriyle değerlendirilebil-mektedir. Bütün kazanılan ve kaybedilen ekserji akışları arasındaki fark minimum tutularak verim maksim' edilmelidir. Ekonomik şartlar içinde, bütün enerji ütle akış debileri ekonomik değer ve fiyat terimleriyle değerlendirilmelidir. Temel fonksiyon, minimumu sağlayan birim zamandaki maliyettir. Örneğin, çalışma ve yatırım maliyetleri negatif gelirlerdir. Bu çerçevede termoekonomik optimizasyon, sistemin fiziksel güçlüklerine maruz kalan bir ekonomik optimizasyondur (Wall, 1991). Termoekonomik optimizasyonda, çözüm fonksiyonu olan ɸ₀ durum   parametreleri x_j (Burada x_j X₁ , X₂ , X_j … X_n ‘nin bir kısaltmasıdır)

 karar değişkenleri

{yk} ve karar parametreleri {Zj) 'nin bir fonksiyonu olarak

tanımlanmaktadır.

Burada j= l,2...n,k= 1,2...m, 1= l,2...r'dir. Durum denklemleri aşağıdaki gibidir.

Optimizasyon aşağıdaki gibi formüle edilir.

Aşağıdaki durumu sağlamak için (^minimize edilmelidir.

Dengeli bir durumda irreverzibilitelerden dolayı ekserji kayıpları, ekserji giriş ve çıkışı dikkate alınarak herbir eleman için aşağıdaki durumlarda belirlenebilmektedir (Wall, 1991).

Genel olarak ekserji içeriği aşağıdaki eşitlikle ifade edilmektedir.

Sistemin bütünü için toplam olarak yazılabilmektedir. Bu aynı zamanda referans sıcaklığı ve toplam entropi üretimi şeklinde de (TQ . Stop) yazılabilir. Şekil 4'de de gösterildiği gibi genel olarak bir kompresörlü soğutma sistemi, kompresör, kondenser, genleşme valfi, evaporatör ve kompresörü tahrik için kullanılan elektrik motorundan oluşmaktadır (Wall, 1986, 1991).Sistemin çalışmasını kısaca açıklayacak olursak : evapo-ratörde ısı alıp buhar faza geçen soğutucu akışkan (1-2), kondenserden geçerken yoğuşmaktadır (5-6). Kompresörden çıkan kızgın soğutucu akışkan buharı (3) reverzibil bir prosesten (3rev) farklı olmaktadır. Sistemde üretilen ısı h^-hg, giren ısı r^-hy ve kompresöre verilen iş h3-h2 olmaktadır. Sistemi çalıştırmak için gerekli elektrik enerji (h₃-h₂) / δ₅ ‘dir. Burada δ₅ elektrik motorunun verimidir

(Wall, 1986).

Böylece kompresör, kondenser, evaporatör ve elektrik motoru verimlerine bağlı olarak karar değişkenleri şeklinde aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.

Bu değişkenlerin herbiri sistemin bir durumunu belirler. Böylece ekserji oranları ve ekserji kayıpları herbir eleman kolaylıkla belirlenebilmektedir. Burada genel amaç, üretilen ısının miktarı için hem iletme fiyatı (elektrik) hem de yatırım maliyeti kapsayan toplam birim çevrim fiyatını minimuma indirmektir. Eğer yatırımlar azalırsa işletme fiyatları artabilmektedir. Tasarımcı bunu dikkatlice analiz etmelidir. Burada herbir eleman için işletme fiyatı ve yatırım fiyatı arasındaki ilişkiyi iyice belirlemek gerekmektedir. Sistemin elemanları için bu ilişkiler aşağıda verilmektedir. Bu ilişkiler sistem elemanları için kabullere bağlı olarak değişmektedir.

Değişik para yatırımları için yıllık ödenek faktörleri aşağıdaki gibi yazılır.

Amortisman süresi (rij) ekonomik ömür ve bakım masraflarındaki değişimlerden dolayı herbir eleman için değişmektedir.

Verimlerin bir fonksiyonu olarak yatırım fiyatlarının değişimi Şekil 5'de verilmektedir.

Burada kompresör verimi % 86 ve elektrik motoru verimi % 94 olarak dikkate alınmıştır. Yıllık ödenek faktörleri dikkate alınarak, herbir eleman için birim zamandaki fiyatı verecek şekilde yatınm fiyatları belirlenebilmektedir. Böylece birim zamandaki toplam fiyat (hedef fonksiyon) benzer zaman periyodu içinde kullanılan elektrik enerjisi masrafı ile diğer masrafların toplamıdır.   5

SONUÇLAR

Özet olarak aşağıdaki sonuçlan çıkarabiliriz :

a)         Yıldan yıla üretimi ve buna paralel olarak da kullanımı artan soğutma sistem ve tesislerinde enerji ekonomikliği ve optimizasyon çalışmaları yapmak bir zorunluluk haline gelmiştir.

b)Bir soğutma sisteminin optimizasyonunda maksimum verim, minimum ağırlık, minimum teçhizat yatırım fiyatı vs. sağlamak için dört metod kullanılabilmektedir. Bunlar; termodinamik, konstrüksiyonel, ekonomik ve termoe-konomik metodlar olmaktadır.

c)Kısmi ve kompleks optimizasyon tekniklerinin birinin seçiminde, eğer gelişmiş bilgisayarlar mevcut ise kompleks optimizasyona rahatlıkla gidilebilir. Aksi halde kısmi optimizasyon yapmak daha kolay ve daha faydalı olacaktır.

d)Örnek olarak, bir ısı değiştirgecinin dizaynında, termodinamik veya termoekonomik optimizasyonun yanında konstrüksiyonel optimizasyonu da yapmak gerekmektedir.      

KAYNAKLAR

1.Caron, G. (1980). Energy saving in household refrigerators with compression refrigerating m " ines. Saving of Energy in Refrigeration, International itute of Refrigeration, Paris, 174-176.

2.Maczek, K. (1971). A method of technical and economic optimization in the course of design of refrigeration systems and its components using computer. Xlllth Congress of Refrigeration, Washington.

3.Maczek, K. (1980). Applications of various criteria for optimizing refrigerating plant. Saving of Energy in Refrigeration, International Institute of Refrigeration, Paris, 27-39.

4.Moran, M. J. (1982). Availability Analysis : A Guide to Efficient Energy Use. Prentice Hail, Inc., New Jersey.

5.Shelton, S.V. & Weber, E. D. (1991) Modeling and optimization of commercial building chiller/cool' ower systems. ASHRAE Transactions 97(2), 1209-1216.

6.Szargut, J. (1973). Theory of heat processes. PWN, Warsaw.

7.Wall, G. (1991). Optimization of refrigeration machinery. Int. J. Refrig. 14, 336-340.

8.Wall, G. (1986). Thermoeconomic optimization of a heat pump system. Energy 11, 957-967.

9.Wong, K.V. (1991). Thermodynamic optimization of boiler and türbine with condenser. ASHRAE Transactions 97(2), 1217-1222.

SEMBOLLER

İndisler

İbrahim DİNÇER

Makina Yüksek Mühendisi

1964 yılında Trabzon'da doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini burada tamamladı. Makina Mühendisliği alanında lisans derecesini 1987 yılında Selçuk Üniversitesinden, yüksek lisans derecesini ise 1991 yılında Yıldız Üniversitesi'nden aldı. 1987yılında TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi, Soğutma Teknolojisi Bölümü'nde başladığı görevini 1992 Haziran ayından itibaren Enerji Sistemleri Bölümü'nde sürdürmektedir. Ayrıca 1991 yılında girdiği İTÜ Makina Fakültesi Enerji Anabilim dalında doktorasını sürdürmektedir.

Mustafa EDİN

Makina Mühendisi

1966 yılında İzmit'te doğdu. İlk, orta ve lise tahsilini burada tamamladı. 1989 yılında İTÜ Makina Fakültesi'ni bitirdi. Askerlik görevini tamamladıktan sonra 1992 Ocak ayında TÜBİTAK-Marmara Araştırma Merkezi, Enerji Sistemleri Bölümü'nde göreve başladı ve halen bu görevini sürdürmektedir