Isı Pompası Uygulamalarında Isı Boruları
GİRİŞ
İnsanları rahat ettirmek için konfor şartlarını sağlayan iklimlendirme tesisatları tasarlamaktadır. Hepimiz, devamlı oturduğumuz veya çalıştığımız ortamın havasının yaşanabilen uygun ve temiz halde olmasını isteriz ve temiz hale getirmek için de çaba gösteririz.
Bunun için en önemli adım, bulunduğumuz ortama verilecek havanın gerek soğutma ve nem alma; ve gerekse ısıtma ve nemlendirme işlemlerini yapabilecek ve aynı zamanda enerji tasarrufu sağlayabilecek bir sistem tasarlamaktır. Bu tasarımda amaç, ihtiyacımıza uygun karakteristik ve kapasitede enerji tasarrufu da sağlayan ekonomik bir cihaz seçmektir.
Burada çift hava akışlı tersinir ısı borulu ısı pompası sistemi ile çok rutubetli ortamlarda ısı borulu nem alma sisteminin kısa bir uygulaması tanıtılacaktır.
ÇİFT HAVA AKIŞLI ISI BORULU ISI POMPASI SİSTEMLERİ
Bu sistem havadan havaya tersinir ısı pompası ile tersinir bir ısı borusunun birleşiminden oluşturulmuştur. Böyle bir sistemi daha kolay anlayabilmek için ısı borusunun özelliklerini incelemekte yarar vardır. Isı borusu : Sistemde ısı boruları bağımsız çalışırlar. Isının çok iyi iletilmesinde ve ısıl enerjinin verimli geçişinde büyük rol oynarlar. Isı borusunun iç kısmının yüzeyi kılcal fitilli bir yapıya sahiptir. Hiçbir suretle sızdırmaz olup, içi soğutucu akışkan ile doldurulmuştur. Isı borusu iki bölgelidir. Birinci bölgede, ısı borusunun bir ucundan sıcak hava, diğer ikinci bölgedeki ucundan ise ters yönden akan soğuk hava geçer. Bu iki hava akışının birbirine karışmasını önlemek için aralarında sızdırmaz bir ilave bölme bulunmaktadır.
Şekil 2. 1-2 : Giren soğuk havanın ısıtılması, 3-4 : Sıcak havanın soğutulması
Isı borusunun bir ucunu yalayıp geçen sıcak hava, duyulur enerjisini borunun içindeki soğutucu akışkana aktararak, soğutucu akışkanın buharlaşmasına neden olur. Buharlaşan soğutucu akışkan, ısı borusunun diğer ucuna konveksiyonla, soğuk havanın aktığı kısma geçer ve soğuk hava da soğutucu akışkanın ısısını alarak ısınır. Bu sırada soğutucu akışkan gizli ısıyı vererek ısı borusunun duvarlarında yoğuşma meydana getirir. Yoğuşan ve sıvı hale gelen soğutucu akışkan tekrar evaporatör kısmına yani sıcak kısma kılcal fitiller vasıtasıyla akar. Böylece çevrim tamamlanarak devam eder. Isı borusunun, buharlaşan (sıcak) ve yoğuşan (soğuk) uçlarında bir sıcaklık farkı olduğu müddetçe enerji transferi meydana gelir. Bu da ısı borusunun çalışma prensibi olmaktadır. HVAC (ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme) ünitelerindeki ısı borusu uygulamalarında bakır boru ve alüminyum kanatlar kullanılmaktadır. Çoğunlukla ısı borularında fana ihtiyaç duyulmaz. Çünkü belli limitler içinde hava akışları arasındaki basınç farklılıklarına karşı duyarsızdırlar. Isı borusu eğimi değiştirilerek transfer edilen ısı miktarı kolayca kontrol edilebilir. Evaporatör (sıcak) kısmını yatay eksen hizasından aşağıya doğru biraz indirirsek, evaporatöre giden yoğuşmuş soğutucu akışkan miktarı artar ve böylece ısı geri kazanım miktarı da artmış olur. Çift hava akışlı ısı borulu ısı pompası sistemi çalışma prensibi : Şekil 3'te görüldüğü gibi, kışın dışarıdan gelen soğuk hava cihaza girer (1). İlk önce ısı borusundan (2)
Çift hava akışlı ısı borulu ısı pompası sistemi çalışma prensibi daha sonra kondenserden geçerek ısınır (3) ve bu ısınan hava fanlar vasıtasıyla iç ortama gönderilir. Özellik restaurant, lokanta gibi kalabalık veya yükün fazla olduğu bu tip ortamlar da sıcaklığın artmasına neden olur. İç ortamda daha sıcak olan hava (l1) santrifüj fanlar yardımıyla emilerek ısı borusundan geçirilir (2') ve bir miktar soğur. Böylece ısı borusu geçen sıcak havadan ısı çekerken hava özgül nemi sabit olacak şekilde doyma noktasına kadar soğutulmuş olur. Daha sonra da hava evaporatörden ayrılana kadar doyma eğrisi boyunca değişerek soğur (3'). Yazın ısı borusu eğimi ve soğutma devresi ters çevrilerek çalıştırılır. Kışın kondenser olarak çalışan kısım yazın evaporatör, kışın evaporatör olarak çalışan kısım ise yazın kondenser olarak görev yapar (Şekil4). Yazın cihaza giren dış hava (1) ısı borusunda özgül nem sabit olacak şekilde soğutulur (2). Evaporatörden geçerek (3) doyma eğrisi boyunca değişerek soğumaya devam eder.
Soğuyan hava iç ortama fanlarla gönderilerek iç ortamın havası temizlenir. İç ortamdan fanlar vasıtasıyla emilen hava (1'), ısı borusundan (2') ve daha sonra kondenserden (3') geçerek ısınır. Böylece bu çevrimde havanın bir kısmı dışarı atılır. Diğer kısmı ise sistem içinde sirkülasyona devam eder. Burada açıklandığı gibi, hiç bir dış enerji kullanılmadan ısı borusu sayesinde ısı transferi arttırılmış olmaktadır. Böylece sistemde hem ısı geri kazanımı sağlanarak önemli miktarda enerji tasarruflarına ve hem de kompresörün ebatlarında küçülmelere imkan verilmektedir.
ÇOK RUTUBETLİ ORTAMLARDA ISI BORULU NEM ALMA SİSTEMİ
Özel olarak tasarlanmış bu nem alıcılara, yüksek oranda nem almanın gerekli olduğu yüzme havuzları, hidroterapi salonları ve endüstriyel proseslerin bulunduğu mekanlarda ihtiyaç duyulur.
Sistemin çalışma prensibi : Nem giderme işlemi için, bir ısı borusu ile birlikte bir ısı pompasının, mekanik soğutma devresinde kullanılmasına ihtiyaç vardır. Böylelikle dışarıdan herhangi bir güç kaynağına gerek kalmadan başlangıçtaki ısı enerjisini tekrar kullanarak hem enerji tasarrufunu sağlarız hem de kompresörün ebatlarını küçültebiliriz.
Gizli ve dengelenmiş duyulur bir soğutma, mekanik bir soğutma sistemi devresiyle Şekil 5'deki gibi gerçekleştirilir. Böylece ısı borusu arasından geçen başgıçtaki havanın duyulur soğutması ile nemi giderilir. Şekil 6'da görüldüğü gibi, iç ortamdan gelen hava (1) önce ısı borusundan (2) daha sonra evaporatörden geçirilerek soğutulur ve nemi alınır (3). Bu sırada taşınan ısı, ısı borusunun diğer yarısından geçerek dengelenir (4) ve hava soğutmalı kondensere geçerek iç ortama temin edilecek hava tekrar ısıtılmış olur (5). Isı borusundaki gizli ısının geri kazanımı ve kompresöre enerji girişi nedeniyle, iç ortama temin edilen havanın kondenserden çıkış sıcaklığı, iç ortamdan dışarı çıkan sıcaklıktan daha yüksektir. Isı borusundaki bu gizli ve duyulur ısının tekrar geri kazanılması nedeniyle ve sisteme kompresör tarafından uygulanan gücün oluşturduğu ısı girişine ek olarak sirküle eden havanın sıcaklığı sistem içinde tam bir denge durumunda bulunmaktadır. Bu sistem, yüzme havuzlarında kullanıldığı takdirde, istenen ortam koşulları sağlandığı zaman, soğutma devresinde açığa çıkan fazla ısı miktarı, su soğutmalı kondenser yardımıyla havuz suyuna aktarılabilir. Bu iki çift hava akışlı sisteme % 100 taze hava girebilir ve aynı zamanda % 100 hava dışarı atılabilir veya havanın % 100'ü sirkülasyona uğrayabilir. Sistem bunların herhangi bir karışımıyla da çalışabilir.
SONUÇ: YÜKSEK ÇÖP DEĞERİ Misalde 8,3 kw/kw
Tanıttığımız bu sistem; çift hava akışlı ısı borulu ısı pompası sistemine 5000 ila 30000 m3/h'lik hava debilerinde hava girebilir ya da egzost edilebilir.
Soğutma kapasitesi: 23 ila 165kw, Isıtma kapasitesi:40 ila 231kw olabilmektedir.
Enerji geri kazanımı; Dışarı atılan hava 19C %50 izafi nem
Taze hava girişi -5 C % 95 izafi nem
200 Pa'da kullanılan ve egzost edilen hava debisi 8000 m3/h için;
Isı borusunda geri kazanılan ısı : 28.4 kw
Kondenserden geri kazanılan ısı: 33.2 kw
Toplam ısı geri kazanımı = Pısıborusu + Pkondenser
= 28.4 + 33.2 = 61.6 kw
Kompresörden çekilen güç = 7.4 kw
bulunmaktadır. Buna göre, ısı pompasında ısı borusu kullanıldığı takdirde randımanın normale göre daha fazla olduğu gözlenmektedir. Isı borulu nem alma sistemi ile de; 24 ila 129 kg/h miktarda nem atılabilmektedir. Cihaza giren veya egzost edilen hava debisi ise 4000 ila 35000 m3/h arasında değişebilmektedir.
KAYNAKLAR1- Pacare Teknik Dokümanları
2- ASHRAE Handbook & Product Directory (1979)
3- Heat Exchanger Design. Arthur P. Fraas 2nd Edition
4- Modern Air Conditioning Practice, Norman C. Harris 3rd Edition, McGraw-Hill (1983)
TRANS KLİMA
İzzet NASİ Msc. Mech. Eng.-Waterloo University
İ. Sain GEZCİ Mak. Müh. İ.T.Ü.
