Konutsal Uygulamalar İçin Isı Pompası Sistemlerinin Ekserji

makale - article
HMD Dergisi 44 (2006) 18-24
ISSN 1302-2415
Konutsal Uygulamalar İçin Isı Pompası Sistemlerinin
Ekserji Analizi
Exergy Analysis Of Heat Pump Systems For
Residential Applications
Prof. Dr. ArifHepbaslı; Mak. Müh.
Prof. Dr. İbrahim Dinçer; Mak. Müh.
Prof. Dr. Marc A. Rosen; Mak. Müh.
ÖZET
Isı pompası (IP) sistemlerinin verim değer¬
lendirilmesinde, en yaygın kullanılan ölçüt,
IP sistemleri için etki katsayısı (COP) olarak
iyileştirilen, enerji (ya da birinci yasa) veri¬
midir. Bununla beraber, termodinamik iyileş¬
tirme olanaklarının gösterilmesi için ekserji
analizi gereklidir. Bu çalışmada, modelleme
ve iyileştirme potansiyelinin belirlenmesi
için hava kaynaklı ısı pompalarının (HKIP'
lan) ekserji analizi sunulmakta ve tanım¬
layıcı bir örnek verilmektedir. Tüm sistem
bileşenlerinin her birindeki ekserji kayıpları
(tahripleri), deneysel olarak elde edilen orta¬
lama ölçüm parametreler için hesaplan¬
maktadır. Sistem bileşenlerinin ekserji verim¬
leri, performanslarını değerlendirmek ve iyi¬
leştirme potansiyellerini açıklığa kavuş¬
turmak için belirlenmektedir. Isı pompası
cihazının ve tüm IP sisteminin ekserji verim¬
lilik değerleri, ürün/yakıt bazında, sırasıyla,
% 72.07 ve % 59.77 olarak elde edilirken,
bunların COP değerleri, sırasıyla, 3.4 ve
1.69 olarak bulunmaktadır.
ABSTRACT
In evaluating the efficiency of heat pump
(HP) systems, the most commonly used
measure is the energy (or first law) efficiency,
which is modified to a coefficient of
performance (COP) for HP systems.
However, for indicating the possibilities for
thermodynamic improvement, energy analysis
is inadequate and exergy analysis is needed.
This study presents an exergy analysis of airsource heat pump (ASHP) systems aimed at
identifying improvement potential. An
illustrative example is also presented. The
exergy destructions in each of the components
of the overall system are determined for
average values of experimentally measured
parameters. Exergy efficiencies of the system
components are determined to assess their
performances and to elucidate potentials for
improvement. COP values for the HP unit
and the overall HP system are found to be
3.4 and 1.68 respectively, while corresponding
exergy efficiency values are found to be
72.07% and 59.77% on aproduct/fuel basis,
respectively.
Temmuz-Ağustos 2006
1. Giriş
Karbondiokist yayınımını azaltmak ve küresel
ısınmaya karşı böylece çevreyi korumak
için atık ısı ve yenilenebilir enerji de dahil
olmak üzere enerjinin verimli ve etkin olarak
kullanımı teşvik edilmelidir. Bir ısı pompası,
çalıştırmak için gerekli elektriksel enerjiden
daha fazla ısı enerjisi sağlayarak bu amaca
katkı yapabilir [1].
Küresel enerji tüketiminin önemli bir kısmı
evsel ısıtma ve soğutmaya bağlanabilir. Isı
pompaları sıradan ısıtm ve soğutma sistem¬
lerine oranla, daha verimli enerji kullanımları
nedeniyle avantajlı olup geniş bir biçimde
uygulanmaktadır. Isı pompalarının, hava kay¬
naklı (ASHP) ve yer kaynaklı (GSHP) olmak
üzere iki temel türü bulunmaktadır.
Ekserji, bir sistem ya da maddesel akış veya
enerji tarafından bir referans çevreyle denge
haline gelirken üretilebilecek maksimum iş
miktarı olarak tanımlanır. Ekserji bir sistemin
ya da akışın, referans çevreyle tam olarak
denge halinde olmamasından kaynaklanan
ve akışta bir değişmeye neden olabilme
potansiyelinin bir ölçüsüdür. Ekserji, enerjiyle
ilgili korunum yasasına gerçeklemez (ideal
veya tersinir süreçler dışında). Ekserji, her¬
hangi bir gerçek süreçteki (process) tersinir
olmama nedeniyle tüketilebilir ya da yıpratılabilir. Bir süreçteki ekserji tüketimi, tersinir
olmama nedeniyle bu çevrimdeki antropi
üretimiyle orantılıdır. [2].
Ekserji analizi, enerji ve diğer sistemlerin
analizinde termodinamiğin ikinci yasası ile
birlikte kütlenin ve enerijini korunumu
ilkelerini kullanan bir yöntemdir [3]. Ekserji
analizi, özellikle atık ve kayıpların yerlerini,
türlerini ve büyüklüğünü niceliksel olarak
ortaya koyduğundan enerji-kaynaklarının
kullanım verimini iyileştirme yönünden
yararlıdır. Genelde, ekserji verimleri sürecin
sahip olduğu verimin ideal duruma yaklaş¬
masının bir ölçüsü olduğundan, verimler
enerji analiziyle değil, fakat ekserji analiziyle
daha anlamlı bir biçimde değerlendirilebilir.
Böylece ekserji analizi verimsizlikleri azal¬
tarak daha etkili ve verimli bir sistem tasar¬
lama aralığını doğru biçimde tanımlamak¬
tadır. Bir çok mühendis ve bilim adamı, siste¬
min iç yüzünü daha iyi kavrama ve verimin-
artırılmasında enerji analizinden daha yararlı
olduğundan, termodinamik performansın en
iyi ekserji analiziyle değerlendirilebileceğini
ileri sürmektedir [2] .
Son yıllarda HP (Isı Pompasıj'lerin değişik
ekserji analizleri literatürde görülmüştür [410]. Bilgen and Takahashi [4] ısı pompasıiklimlendirme cihazı ekserji analizi ortaya
koymakta ve enerji temelli bir performans
katsayısı, bunların optimal değerleri ve ekserji
temelli bir verim ve performans katsayısı
vermektedirler. Sarkar ve ark. [5] bir ekserji
analizi ile aynı anda ısıtma ve soğutmada
kullanılabilen kritik üstü bir karbondioksitli
ısı pompasının optimalleştirilmesini sun¬
maktadır. Ma ve Li [6] bir scroll kompresörle
çalışan ekonomizerli bir ısı pompasının
performansını değerlendirmekte ve ekserji
kayıpları ile verimler hakkında eşitlikler
türetmektedir. Hepbaslı [7] bölgesel ısıtma
sistemleri için GSHP sistemlerinin termo¬
dinamik analizini gerçekleştirmekte, ve bu
sistemler için kütle, enerji, antropi ve ekserji
denge ilişkileri türetmektedir. Ozgener and
Hepbaslı [8,9] bir serada güneş enerji destekli
GSHP'lerin ekserji ve ekseri ekonomik değer¬
lendirmesini yaparak, güneş enerji destekli
GSHP sistemlerinin enerji ve ekserji analiz¬
lerini gözden geçirmektedir [10].
Bu makalede, hava kaynaklı bir HP'nin enerji
ve ekserji analizleri yapılmaktadır. Verim
iyileştirme potansiyeli ortaya konulurken,
sistemin her elemanı için ekserji kayıpları
belirlenmektedir. Bu çalışma tasarımcılara
sistemin iç yüzünü açıklamak amacı da
taşımaktadır.
2. Sistemin Açıklanması
Ele alman hava/su HP sisteminin şematik
görünümü Şekil l'de verilmektedir [11].
Sistem iki ayrık devre içermektedir: (1) bil¬
isi pompa devresi, ve (2) bir ısı dağıtım dev¬
resi (su devresi). Soğutkan devresi bir
kompresör, bir kondenser, bir ekspansiyon
elemanı ve bir evaporator içerir. Soğutkan
134a'dır. Isı dağıtım devresi, bir depolama
tankı ve bir sirkülasyon pompası içerir. Bütün
sistem bir PC veri çıktı birimi ile donatıl¬
mıştır. Şekil l'deki cihaz tümüyle hermetik
olarak sızdırmaz pistonlu bir kompresördür.
18
TTMD
Tesisat
Sorunlarınızı
Biz Çözeriz.
makale - article
©
4
Pÿ-{
©
(Ol-
©
3
7
b
m*
S"
•Isıtma
•Soğutma
•İçme Suyu
Boru Çeşitleri
«
8
© ©
1
I
O
© ©
-©
2
I : Kompresör
II : Koııdenser
I
III : Genişleme vanası
IV : Evaporator
V : Fan
VI : Tank
VII : Sirkülasyon pompası
11
12
9
O
a. Filtre/Kurutucu
b. Gözetleme camı
c. Su boşaltma vanası
d. Kontrol vanası
e. Debi ölçer
s-
VI
aquatherm
VII
FUSIOLEN TESİSAT
SİSTEMLERİ
10
-«—IX-
Şekil 1. Bir ısı pompası örneği.
T
Kondenser (II) iç içe geçmiş boru demeti türünden bir ısı eşanjörü olup, karşıt akım ilkesine
göre çalışmaktadır. Soğutkan bir genleşme vanasında (III) genleşmekte, evaporator (IV)
kanatlı boru türünden olup geniş bir yüzey içermektedir. Soğutkan evaporatörden geçerken
geniş bir yüzey aracılığı ile ısı çeker. Isı transferi kanatlar arasından havayı çeken iki fan
ile artırılır.
ı
r:
Deney sırasında [111, kontrol vanası, sıcak su devresindeki akış miktarı yaklaşık olarak
0.023 m"’/h olacak biçimde ayarlanır. Test düzeneği, emme ve basma tarafındaki basınçların
kararlı hale gelmesine kadar çalışmaya bırakılır. Daha sonra, güç-metreden alman güç
değerleri, sıcak su akış miktarı (debi), sıcak su giriş ve çıkış sıcaklıkları ve birimin değişik
noktalarındaki basınç ve sıcaklıklar kaydedilir.
* Tüm üretim programı
fusiolen adlı patentli özel bir
karışım olan hammaddeden
üretilmektedir ve önündeki
metal tesisattan gelen metal
iyonlarından etkilenmeyen
dünyadaki tek Polipropilen
tesisat sistemidir.
3. Modelleme ve Analiz
Isı girdisinin, ekserji yıpranmasının, enerji ve ekserji verilerinin belirlenmesinde kütle, enerji
ve ekserji dengesi kullanılmıştır. Kararlı hal, kararlı akış durumlarının bulunduğu varsayılmıştır.
Genel bir kütlesel denge miktar biçiminde aşağıdaki gibi ifade edilebilir:
(D
Burada m kütlesel akış miktarı (debi) olup “in” alt indisi girişi ve “out” alt indisi çıkış
durumunu ifade etmektedir. Enerji ve ekserji dengesi, toplam ekserji girdisini toplam ekserji
çıktısına eşitlenerek aşağıdaki gibi yazılabilir:
E,„ = E„t
(2)
Exjn - Exmt = Exdest
(3)
= U>-h„)-T„(s-s„)
*16-160 mm arası çaplarda
stoktan teslimdir.
I
Soğutkanın ya da suyun özgül akış ekserjisi aşağıdaki gibi değerlendirilebilir:
(4)
-
1
-
ln(777’0)] + (1 4 1.607801)77,7’ ln(P /Pn)
(5)
+ 77J7’0{(1 + 1.6078co)ln[(l + 1.6078oın)/(l + 1,6078ta)] + 1.6078oı lnfco /«>„)}
burada özgül nemlilik oram;
(6)
ü> = mjma
TTMD
19
* 10 yıl süreyle 2.500.000 Euro
sigortalıdır.
f * TSE, Hijyen Enstitüsü, DVGW,
I
Toplam akış ekserjisi aşağıdaki gibi belirlenir : [12]
47» = (CpM + coCj, ,. )Tn[(T/T0 )
Reklam
>ÿ 4 alanıdır.
vıJr tj
1
NSF, GOST v.b. sertifikalara
sahiptir.
Türkiye Distribütörü
t nGELİŞİM TEKNİK
| A3 Tie. SAN. ve PAZ. LTD.ŞTİ.
I Serik Cad. havaalanı Karş. No:411 07300 ANTALYA
:0.242. 340 25 75 (pbx) Fax: 0.242. 340 25 77
I Telhttp://www.gelisimteknik
com.tr
f
e-mail:[email protected]
LÜTFEN DAHA DETAYLI BİLGİ İÇİN
TEKNİK KATALOĞLARIMIZI İSTEYİNİZ.
makale - article
olup, ekserji miktarı şöyle belirlenir.
(7)
Ex = »njı
Burada h antalpi, s antropi ve sıfır alt indisi referans durumundaki özellikleri ifade eder
(yani, Pn ve T,/deki durumları). Isı eşanjörü ve pompadaki ekserji yıpranması (kondenser
veya evaporatörde) sırasıyla aşağıdaki gibi değerlendirilir.
Exin - Ex
Exdm. HE
~K
Exdest,pump
(8)
-
(9)
Burada Vf jIUI11ı, pompanın iş miktarıdır. HP biriminin ve toplam HP sisteminin (COPsyJ
enerji-temelli verim ölçüsü (COPHp) aşağıdaki gibi belirlenir:
COPHP =
(10a)
veya elektriksel girdiyle;
COPHP -
A
omp,ıilnc
(10b)
ve
COP,„
=
*
q ..d
(İla)
K
yada elektriksel girdi biçiminde;
COP,)s =
nmp.nlec
Burada;
A,.
—
...
Wclm /Ol
punıp.ı'h'i'
i
=
70
W,
,,,,,
/,
„„I;
/
/
t" If p.,: ,!,:
(11b)
.
0 r.mp .ncı h )
.0
;jf,
..m, /O),,,.
0
:n i
(12a)
)
„ ,, )
(12b)
Her bir HP elemanı için ekserji dengesinden
elde edilen ekserji yıpranması gibi külle ve
(12c)
enerji dengeleri Şekil l'de gösterilmiştir.
Kompresör (I):
Ekserji verimi, toplam ekserji çıktısının toplam ekserji girdisine oranı olarak ifade edilebilir:
Ex
£
4. Enerji ve Ekserji Analizlerinin Sisteme
Uygulanması
Enerji ve ekserji analizleri sırasında aşağıdaki
varsayımlar yapılır:
a) İhmal edilebilir potansiyel ve kinetik ener¬
ji etkileriyle bütün süreçler kararlı halde
gerçekleşirken bütün akışlar kararlı hal
akışlarıdır ve kimyasal ya da nükleer tep¬
kime bulunmamaktadır.
b) Sisteme ısı transferi ile sistemden iş trans¬
feri pozitiftir.
c) Uzunlukları fazla olmadığından eleman¬
ları birbirine bağlayan borulardaki basmç
kayıpları ihmal edilebilir düzeydedir.
d) Kompresörün mekanik (rpomp mcch) ve
kompresör elektrik motorunun verimleri
(ricomp.dcc) sırasıyla 68% ve 69%'dur. Bu
değerler kompresöre güç girdisi 0.149
kW olan kompresörün gerçek verile¬
rinden alınmıştır.
e) Sirkülasyon pompası mekanik (r|pıınıp.m.dİ
ve sirkülasyon pompa motorunun meka¬
nik verimi (tlpump.eiec) Sırasıyla 82% ve
88%'dir. Bu değerler pompa karakteristik
eğrisinden elde edilen 0.050 kW 'lık bir
pompaya dayanmaktadır [16].
f) Pan mekanik (rtfa,,.ÿÿ) ve fan motoru
elektriksel (ihan,dUc) verimleri sırasıyla
40% ve 80% 'dir. Bu değerler fan karak¬
teristik verilerine [17] ve küçük pervane
kanatlı pompalar için önerilen verim de¬
ğerlerine dayanmaktadır [18],
»i
-
">2.., =
(13)
Ex
Ek
“output” “net çıktıyı” veya “üretilen“ ya da “istenen değeri”, ve “input” tahrik girdisini”
ya da “yakıt girdisini” ifade eder.
Isı eşanjörünün (kondenser veya evaporator) ekserji verimi soğuk akımın ekserji artışının
sıcak akımın ekserji azalmasına bölümüyle, miktarlar temelinde aşağıdaki gibi belirlenir:
eH£
=
=
Ek cold,out -Ek cold,in
Ex
-
old,out
4’,
= m,.0jı
mr
(17a)
h,)
(17b)
t|riaJ + Wc
Burada çevreyle olan ısı etkileşimleri ihmal
edilmiştir. Kondenser (II):
m2 = m3 = mr ; m7 = m8 = mw
(14)
(18b)
e„J=<c,,(VT7)
IP = (l- e)(Eİ,,-Ex„ut)
(18a)
h,);
Exhoi.out
Van Goof ün verdiği iyileştirme potansiyeli şöyle ifade edilebilir [14].
(17c)
Ex desl,cond
(18c)
(15)
Ekspansiyon (kısılma) Valfi (III):
Bağıl tersinirlik aşağıdaki gibi değerlendirilebilir [13].
RI =
A
Ekdest,i _
Ex dest,tot L
burada “i” alt-indisi inci cihazı ifade eder.
Temmuz-Ağustos 2006
(16)
m, = ıiıi = m,
(19a)
Uı, =
(19b)
ha )
Ek dest,s\f>
= mr(ıj),-
t]>4)
(19c)
20
TTMD
Pis Su Tesisatı
Sorunlarınızı
Biz Çözeriz.
makale - article
Evaporator:
mA
= m[ =
=
(20a)
mr
(20b)
th,('h - A) Q„aP = 'M',..' T - T,)
Exdest.evtıp = Wfa„ + m,. (iğ 4 - ı|’, ) + mair(US -
)
•Ses problemi
•Mutfak hattı
(20c)
Fan (V):
m5
= ıh_ = mülr
•Korozyon
(21a)
Wb„=mairl(ÿ-hs) +
Evdest,fan
V’2
-f-]
(21b)
- ı|>})
+
•v.b.
(21c)
Depolama tankı (VI):
(22a)
ms=m9 = m„
-
- mKCpM{TK -
a, <CpJTx -
T„)
Fx
'*!>!.) + "<,»-('4>„- 'l’ll)
-KOi’s-
....
Q,,k
T„)
wavinAS
(22b)
(22c)
SESSİZBORU
Sirkülasyon pompası (VII):
m, = wln, =
=
Wpump,='»„•< ;W, -
iıi'fofc.
(23a)
mw
V
Ex dest,pump = '»-Wr
Daha $esS
(23b)
‘ÿft
(23c)
+
ifl
7'
I
Burada çevreyle olan etkileşimler ihmal edilmiştir. Soğutkan tarafrndaki akış debisi ölçülmcdiğindcn, COP, (18b) eşitliği kullanılarak aşağıdaki gibi hesaplanır:
>n,rCpJ T,- T7)
COPM =
Vwp,„CpjTs -r7)
Vc
Wcoı
tıp.act
omp.act
(24)
* WavinAS PVC veya PP
değildir. Mineral takviyeli
HP sistemi ve elemanları için ekserji verimleri aşağıdaki gibi değerlendirilir:
Polipropilen den
üretilmektedir.
HP Birimi (I-IV):
E«r
=
tl'.,
Ex heat
E*out.cond
(25)
* DIBt (Almanya İnşaat Tekniği
Enstitüsü) RAL (Almanya
Konıp,eler
onıp.elec
Plastik Borular Kalite Birliği)
TSE ve GOST belgelerine
Toplam HP Sistemi (I-VII):
Extern
iHP.sys
omp,elec
- Exout.cond
+ Wpump,dec
1
(26)
sahiptir.
fans,:/
Kompresör (I):
E,omp
ExlM - Ey
I
Kondenser için (II):
Ex% - Ek,
Esi..,,,- Es 3
»MVs
mAVı,*, - Vb
-
(28)
Ekspansiyon (kısılma) vanası (III):
E*
*Tüm üretim programı 1.9
g/cm3 yoğunluktadır.
(27)
K
tiy
*.
EX3 \Jı3
I
5
5!
(29)
I
I
Evaporator (IV):
EX4 - Ex,
£(, - Exb
TTMD
21
ıhMU
-
">0fr(V5
-'N’J
U’ı )
Reklam alanıdır.
(30)
1
c
I
5
-JiS*
a
Türkiye Distribütörü
GELİŞİM TEKNİK
m
TİC. SAN. ve PAZ. LTD.ŞTİ.
Serik Cad. havaalanı Karş. No:411 07300 ANTALYA
Tel. :0.242. 340 25 75 (pbx)ÿ Fax: 0.242. 340 25 77
http://www.gelisimteknik com.ir
e-mail:[email protected]
LÜTFEN DAHA DETAYLI BİLGİ İÇİN
TEKNİK KATALOĞLARIMIZI İSTEYİNİZ.
makale - article
dördüncü en büyük tersinirsizlik içerisinden
geçen akışkanın basınç kaybı nedeniyle kılcal
Fan (V):
(31)
- 'M
Ex. - Ex.,
borudadır.
wf,.
Depolama Tankı(Vl):
EX]2 - Exu
Ext - Ev,,
ı'n„M'r.
%>
-
l>s -
(32)
lK)
Sirkülasyon Pompası (VII):
E*m.,,,, - Exa
m„(T'ı
-
w
w
hM
(33)
5. Sonuçlar ve Tartışma
İş akışkanı S-134a, su ve hava için sıcaklık, basınç ve kütlesel akış miktarı (debi) verileri,
Şekil l'deki hal numaraları izlenerek Tablo l'de sıralanmaktadır. Her durum için ekserji
miktarları hesaplanmış ve Tablo 1'de gösterilmiştir. Bu çalışmada, referans durum, sıcaklığın
2.2°C basıncın 19.80 kPa olduğu 4 Şubat 2006 günü çevre havasının durumu olarak
alınmaktadır [19]. Hava, su ve S-134a'nın termodinamik özellikleri Engineering Equation
Solver (EES) yazılım paketi kullanılarak bulunur.
Sıcaklık Basınç Spesifik Özgül Spesifik Mass
P
T
Nem Antalpi Antropis Debi
rc)
(kPa)
t
(kj/kg K) m
Oranı
(O
(kg/s)
(kİ/kg)
(kg
Spesifik
Ererji
Exergy
.4’
(kj/kg)
Cx = ırnp
Soğutkan Nötr
Su
Nötr
Nemli
Nötr
Hava
Kızgın
Soğutkan Buhar
2.2
2.2
98.80
98.80
0
0
0
2.2
98.80
0
0
2.5
307
252.3 0.935
0.002 24.09
0.048
Soğutkan Kızgın
45.3
1011
256.2 0.935
0.002 27.98
0.056
Soğutkan Buhar
54.6
1011
287.4 0.966
0.002 50.65
0.101
Soğutkan Sıkıştırılmış 22.8
Sıvı
1011
83.4
0.313
0.002
26.45
0.053
Soğutkan Karışım
307
83.4
0.252
0.002
24.30
5'
Kondens Çıkışı/
TXV Girişi
Evaporator Girişi
Fan Havasının
evap. girişi
Havanın Fana
6
Hal
No.
Açıklama
0
0"
0”
Evap Çıkısı
1 /Kompr.
Girişi
Kondens Girişi/
2.5 Kompr.
Çıkışı
4
5
7
8
9
257.4 1.041
9.3
0.034
0.002
Miktaı
(kW)
0
Hava
Gaz
16
0.004
26.20
0.136 0.33
0.045
_
Hava
Gaz
15.9
0.004
26.09
0.136 0.23
0.032
6. Sonuçlar
HP sistemleri ve bunların elemanlarının
değerlendirilmesine ilişkin, kapsamlı enerji
ve ekserji analizini kullanan bir yöntem
burada verilmektedir. Analizde varsayımsal
ve deneysel değerler kullanılmıştır. Sistem¬
deki ekserji yıpranmaları sayısal olarak
Evaap.’den hava
Hava
Gaz
14
0.004
24.17
0.136 0.27
0.037
gösterilmiştir.
Su
Sıkıştırılmış
16.9
230
71.1
1.77
0.020
Su
Sıkıştırılmış 24.6
Sıvı
220
103.3 0.361
0.011 3.96
0.044
Su
Sıkıştırılmış 16.0
Sıvı
200
67.3
0.239
0.011 1.55
0.017
Sıkıştırılmış 16.05
Sıvı
240
69.9
0.239
0.011
4.15
0.046
Sıkıştırılmış 16.9
Sıvı
240
71.0
0.251
0.011 1.96
0.022
500
38.7
0.138
0.024 0.76
0.018
500
54.9
0.196
0.024
1.00
0.024
Sonuçlardan bazı önemli hususlar çıkarıla¬
bilir:
a) Referans hal sıcaklığı olan 2.2°C'de,
COPHP ve COPsys için bulunan değerler
sırasıyla 3.40 ve 1.68’dir.
b) Bir ürün/yakıt temelindeki ekserji verimi
değerleri sırasıyla %72.1 ve %59.8’dür.
c) HP birimindeki en büyük tersinirsizlikler
sırasıyla kondenser, kompresör, evaporator
ve genleşme elemanındadır.
d) Sonuçlar mühendisin dikkatini, en büyük
potansiyelin yıprandığı yerlerdeki ele¬
manlara ve bir elemanda yapılan deği¬
şikliğin, olumlu yada olumsuz olarak
diğer elemanların performansı üzerindeki
etkilerini sayısal olarak belirlemeye
odaklayabilir.
Kondens Girişi /
2,act Kompr.
Çıkışı
3
Akışkan Faz
HP biliminin elemanlanna ait tersinirsizlikler
olası en büyük iyileştirme potansiyelinin
kondenserde ve daha sonra kompresör, eva¬
porator ve genişleme elemanında olduğunu
gösterir. Evaporator ve kondenserdeki
tersinirsizlikler iki akışkan arasındaki sıcak¬
lık farkları, basınç kayıpları, akış dengesizliği
ve çevreyle olan ısı transferi nedeniyledir.
Kompresör gücü önemli ölçüde giriş ve çıkış
sıcaklıklarına bağlı olduğundan, sıcaklık
farkım azaltan her hangi bir ısı eşanjörü,
yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarını birbi¬
rine yaklaştırarak kompresör gücünü azalta¬
caktır. Tasarım yönünden, kompresörün
teı sinirsizliği bağımsız olarak azaltılabilir.
İsı pompası piyasasında son zamanlardaki
ilerlemeler, scroll kompresörlerin kullanımına
yol açmıştır. Pistonlu kompresörü bir scroll
birimle değiştirilmesi soğutma verimini artı¬
rabilir. Kısılma kaybını ortadan kaldırmanın
tek yolu, kılcal boruyu bir izanlıopik lürbinle
değiştirmek (izantropik bir genişletici) ve
mil işinin bir bölümünü basınç düşümünden
geri kazanmaktır.
Girişi
çıkışı
Kondensere su
girişi
Kondenserden
suyun çıkışı
Depo tankından su
çıkışı / Pompaya
girişi
Depo tankından su
10,s çıkışı / pompadan Su
su çıkışı_
Depo tankından su
10,act çıkışı / pompadan Su
su çıkışı_
suyunun
11 Musluk
Su
tanka girişi
suyunun
Musluk
12
Su
tanktan çıkışı
Sıvı
1.3
Sıkıştırılmış 9.1
Sıvı
Sıkıştırılmış 13.1
Sıvı
0.252
0.011
0.050
Tablo 1. Sisteme ilişkin sonuçlar.
Tablo 2 HP sistemini temsil eden birim için enerji, ekserji ve bağıl tersinirsizlik (IR) verilerini
göstermektedir. HP Birimi ve toplam sistem için ekserji verim değerleri ürün/yakıt temelinde
% 72.1 % 59.8 olarak ve bunlara karşı gelen COP değerleri 3.4 ve 1.68 olarak belirlenmiştir.
Tablo 2'den açıkça görüldüğü gibi, en büyük tersinirsizlik HP birimi ve tüm sistem için
sırasıyla cihazI(kondenser) ve cihaz VII (sirkülasyon pompası)'de ortaya çıkmaktadır. İlk
tersinirsizlik, ısı transferinin ilk fazını oluşturarak, geniş bir sıcaklık farkı ortaya koyan ve
kompresyon sürecinin sonunda ulaşılan kızgınlık (superheated) durumundan kaynaklanmak¬
tadır. HP birimi temelinde, kompresör ikinci en büyük ters inirsiziiğe sahiptir. Mekanikelektriksel kayıplar, tam olmayan mekanik, elektriksel ve izantropik verimler nedeniyledir
ve kötü performans bileşenleri toplam verimi önemli ölçüde azalttığından ekipman seçimine
önemli bir dikkat gerektiğini de belirginleştirir. Üçüncü en büyük tersinirsizlik evaporatörde ve
Temmuz-Ağustos 2006
7. Kaynaklar
[1] OKAMOTO S., A Heat Pump System
with a Latent Heat Storage Utilizing
Seawater Installed in an Aquarium,
Energy and Buildings, 38, 121-128,
2006.
22
TTMD
Süzgeç
Sorunlarınızı
Biz Çözeriz.
makale - article
S.
Eleman
ü
İ
Ekserji Kullanım p
F
İP
Yıpranma Gücü
(kW) (kW) (kW)
Miktaıı, (kW)
Rl
(%)
Performans Katsayısı
COP
(-)
8
Fxdest
LU
Ekseıji
Verimi,
Koku
İzolasyon
•Yükseklik
•v.b.
(%)
(kW)
OP
CD
•
•
|c P/F
r~ v
CD
a? -Str
•
=1 £1
-Iil
mm
I
£B
LO¬
GO*
LU
I
Kompresör 0.017
0.070
0.053 0.070 0.0041 31.48 15.89 75.71
II
Kondenser 0.024
0.408
0.024 0.048 0.0120 44.44 22.43 50.00
III
Genişleme
0.003
Vanası
IV
Evaporator 0.010
0.338
0.002 0.008 0.0075 18.53 9.35
V
Fan
0.001
0.014
0.013 0.014 0.00007
0.93 92.85
VI
Depolama
0.021
Tankı
0.389
0.006 0.027 0.0163
19.63 22.22
Sirkülasyon
Pompası 0.031
0.036
0.005 0.036 0.0267
28.97 13.89
VII
0.050 0.053 0.0002 5.55
l-IV HP Birimi 0.054
0.129 0.179 0.0151 100.00
l-VII Toplam
Sistem
0.153 0.256 0.0430
0.107
O
O
2.80 94.34
I
25.00
SIFONE
I
72.07 16.11 5.83
100.0059.77 9.89
|aÿ
2.74
3.4
1.68
•3
Tablo 2. HP (ısı pompası) sistemindeki temsili bir eleman için ekserji. enerji iyileştirme potansiyeli
(IP) ve bağıl tersinirlik (RI) verilen (DATA).
[2] DINCER I., ROSEN M.A., Thermodynamic Aspects of Renewables and Sustainable
Development, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 9, 2, 169-189, 2005.
Reklam alanıdır.
[3] ROSEN M.A., Assessing Energy Technologies and Environmental Impacts with the
Principles of Thermodynamics, Applied Energy, 72, 1, 427-441, 2002.
KOKUYA
PAYDOS!
[4] BİLGEN E., TAKAHASHI H„ Exergy Analysis and Experimental Study of Heat Pump
Systems. Exergy, An Int. J., 2, 4, 259-265, 2002.
|5J SARKAR J„ BH ATTACH ARY YA S., GOPAL M.R., Transcritical C02 Heat Pump
Systems: Exergy Analysis Including Heat Transfer and Fluid Flow Effects, 46, 20532067, 2005.
|6J MAG., LI X„ Hxergetic Behavior for an Air-Source Heat Pump System with Economizer
Coupled with Scroll Compressor, CD-Proceedings of the International Green Energy
Conference (IGEC-1), Waterloo, Ontario, Canada, Paper No. IGEC-1-132, 12-16 June
2005.
[7] HEPBASLI A., Thermodynamic Analysis of a Ground-source Heat Pump System for
District Heating, International Journal of Energy Research, 7, 671-687, 2005.
K
[8] OZGENER O., HEPBASLI A., Experimental Performance Analysis of a Solar Assisted
Ground-source Heat Pump Greenhouse Heating System, Energy and Buildings, 37, 1,
101-110,2005.
Î
[9J OZGENER O.. HEPBASLI A., Exergoeconomic Analysis of a Solar Assisted Ground- |
source Heat Pump Greenhouse Heating System, Applied Thermal Engineering, 25, 10, =
1459-1471,2005.
1 1 0] OZGENER O., HEPBASLI A., A Review on the Energy and Exergy Analysis of Solar 2
Q
Assisted Heat Pump Systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2006 (Article
in Press).
[ 1 1 J Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology J
(UOIT), Oshawa, Ontario, Canada, “Laboratory Manual for Thermodynamics and Heat s
Transfer”, 2005.
[12J WEPE’ER W.J., GAGGIOLI R.A., OBERT E.F., Proper Evaluation of Available Energy
for HVAC, ASHRAE Transactions, 85(1), 214-230, 1979.
=
J
E
Türkiye Distribütörü
a
GELİŞİM TEKNİK
M
TİC. SAN. ve PAZ. LTD.ŞTİ.
Serik Cad. havaalanı Karş. No:411 07300 ANTALYA
e-mail:[email protected]
TTMD
23
LÜTFEN DAHA DETAYLI BİLGİ İÇİN
TEKNİK KATALOĞLARIMIZI İSTEYİNİZ.
makale - article
[14] GOOL W. VAN., Energy Policy: Fairly CHECK EXACT’ SPELLING OF’ LAST WORD.
Tales and Factualities. In: Innovation and Technology-Strategies and Policies (Eds
O.D.D. Soares, A. Martins da Cruz. G. Costa Pereira, I.M.R.T. Soares and A.J.P.S. Reisi,
93-105, Kluwer, Dordrecht, 1997.
[15] YUMRUTAS R„ KUNDUZ M., KANOGLU M„ Exergy Analysis of Vapor Compression
Refrigeration Systems. Exergy, An Int .1, 4 (2), 266-272. 2002.
[16] GRUNDFOS TÜRKÎYE, Circulating Pump, Type: UPS 25-42 180, Product no.:
59544561, http://www.grundfos.com/web/hometr.nsf, February 10, 2006 (in Turkish).
[17] EBMPAPST, “Airflow Performance and Speed at a Glance: Fan Curves and Optimum
Operating Points”, http://www.ebmpapst.us, February 10, 2006.
[18] NAGANO K., MOCHIDA T., SHIMAKURA K., MURASHITA K., TAKEDA S.,
Development of Thermal-photovoltaic Hybrid Exterior Wallboards Incorporating PV
Cells in and their Winter Performances, Solar Energy Materials & Solar Cells, 77, 265282, 2003.
[19] The Weather Network, http://historical.farmzone.com/climate/historical.asp, Feb. 4,
2006.
Simgeler
Cp:
COP
E
Ex
F
h
İ
IP
riı
P
P
Q
R
RI
s
T
V
w
özgül ısı (kJ/kg K)
ısı pompasının ısıtmadaki performans katsayısı (-)
enerji miktarı (kW)
ekserji miktarı (kW)
yakıtın ekserji miktarı (kW)
özgül antalpi (kl/kg)
tersinirsizlik miktari(kW)
iyileştirme potansiyeli miktarı (kW)
kütlesel akış debisi (kg/s)
basınç (kPa)
ürünün ekserji miktari(kW)
ısı transferi miktarı (kW J
İdeal gaz sabitit (kJ/kg K)
bağıl tersinirsizlik (-)
özgül antropi (kJ/kg K)
sıcaklık (°C)
hacimsel debi (m Vs)
iş miktarı veya güç (kW )
Grek harfleri
P
E
O)
O)o
özgül ekserji (kJ/kg)
yoğunluk (kg/m3)
ekserji(ikinci yasa) verimi (-)
özgül nemlilik oranı (kgwater/kgair)
referans durumdaki özgül nemlilik oranı (kgwater/kgair)
indisler
a
act
comp
cond
dest
elec
evap
exp
HE
HP
in
mech
out
r
s
st
sys
Tot
tw
V
w
0
kuru hava
actual (gerçek)
compressor (kompresör)
condenser (condenser)
destroyed (destruction) (yıpranmış-yıpranma)
electric (elektrik)
evaporator (evaporator)
expansion valve (genişleme valfi)
heat exchanger (ısı eşanjörü)
heat pump (ısı pompası)
inlet (giriş)
mechanical (mekanik)
outlet (çıkış)
refrigerant (soğutkan)
isentropic (izantropik)
storage tank (depolama tankı)
system (system)
total (toplam)
tap water (musluk suyu)
water vapor (su buharı)
water (su)
dead (reference) state (referans durum)
Yazar;
Prof. Dr. Arif Hepbaşlı,
Ege Üniversitesi. İzmir-Tiirkiye, Makina
Mühendisliği bölümünde profesördür. I996'da
üniversiteye geçişine kadar, on yıl boyunca
Türkiye'de değişik enerji şirketlerinde çalıştı.
Araştırmalarından bazıları, ısıl sistemlerin
enerji ve ekserjianalizleri, yer-kaynaklı (Jeotermal) ısı pompalarının enerji verimi ve
yönetimi, gibi konuları kapsamaktadır. En¬
düstriyel Endüstri Enerji Yöneticisi Sertifi¬
kasına da sahip olan Prof. Dr. Hepbaşlı, 267
ulusal ve uluslararası makalenin yazarı, eş¬
yalarıdır. 2004-2005 yılında Kanada, Ontario
Teknoloji Enstitüsünün (UOIT) konuk
profesörü olmuştur. Prof. Dr. Hepbaşlı bir
çok ulusal ve uluslararası konferans, sempoz¬
yum, atelye-çahşması ve teknik nitelikteki
toplantıya başkanlık ve eş-başkanlık, araştır¬
ma uzmanlığı ile ilgili konularda danışmanlık
yapmıştır. Prof. Dr. Hepbasli aynı zamanda,
uluslararası nitelikli beş derginin danışma
kurulu üyeliğini de yürütmektedir.
Prof Dr. İbrahim Dinçer
Mühendislik ve uygulamalı bilimler fakül¬
tesinde tam-gün profesör ve Programlar
Yöneticisidir. Öncü çalışmalarıyla ünlü olup,
birkaç kitabın ve kitap bölümünün yazarı ve
eş-yazaıı olarak tanınmaktadır ("Thermal
Energy Storage Systems and Applications”
- Wiley in 2002 da dahil olmak üzere).
Hakemli dergilerde 350 makale ve koOnferaııs
bildirisi ve bir çok teknik makale yayımla¬
mıştır. Bir çok ulusal ve uluslararası konfe¬
rans, sempozyum, atölye-çalışması ve teknik
nitelikteki toplantıya başkanlık ve eş-başkanlık
yapmıştır. Elli'den fazla not yayımlamış ve
davetli-ders vermiştir. Bir çok bilimsel organi¬
zasyonda aktif üye olup, bir çok nitelikli ulus¬
lararası derginin başkan-editör, yardımcı
editör, bölgesel editör ve yayım kurulu üyeliği
gibi görevleriyürütmektedir. Araştırma, öğre¬
tim ve hizmet alanlarında birkaç ödülün de
sahibidir.
Prof. Dr. Marc A. Rosen
University of Ontario Institute of Technology
- Oshawa, Canada 'da Mühendislik ve uygu¬
lamalı bilimler fakültesi kurucu dekanıdır.
Canadian Society for Mechanical
Engineering eski başkanı olan Dr. Rosen.
Ontario Ministry of Environment and
Energy'den, Teknoloji Geliştirme ve Araştır¬
mada Mükemmellik ödülü almıştır.
Engineering Institute of Canada, American
Society of Mechanical Engineers, Canadian
Society for Mechanical Engineering ve
International Energy Foundation gibi
kuruluşların da üyesidir. Finlandiya'da Imatra Power Company, Argonne National
Laboratory ve Toronto yakınlarındaki Institute
for Hydrogen Systems' de çalışmıştır. 50'den
fazla araştırma teşviki ve sözleşmesi yanında
350’den fazla teknik makalesiyle Dr. Rosen,
termodinamik ve enerji tasarrufu ile enerji
ve endüstriyel sistemlerin çevreye etkileri
gibi konularda aktif bir araştırmacıdır.
Lütfen derginin arkasında bulunan
Okuyucu İletişim Kartlarındaki,
yazıyla ilgili uygun numarayı işaretleyiniz.
rate
Kısaltmalar
air-source heat pump (Hava kaynaklı ısı pompası)
ASHP
HP
heat pump (ısı pompası)
GSHP
ground-source (or geothermal) heat pump (yer kaynaklı veya jeotermal) ısı
pompası
Temmuz-Ağustos 2006
Çok Faydalı
Faydalı
Biraz Faydalı
Faydasız
14
15
16
17
24
TTMD