HAVA SOĞUTMALI BİR SOĞUTMA GURUBUNDA SOĞUTMA KAPASİTESİ VE ETKİNLİĞİNİN DIŞ

SICAKLIKLARLA DEĞİŞİMİ

Serhan Küçüka*, Serkan Sunu, Anıl Akarsu, Emirhan BayırDokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü

*e-ileti: serhan.kucuka@deu.edu.tr

ÇALIŞMANIN AMACIYoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının değişiminin;

Buharlaştırıcı ısı yüküne (soğutma kapasitesine),

Yoğuşturucu ısı yüküne,

Kompresör işine,

Soğutma sisteminin performans katsayısına

etkilerinin belirlenmesidir.

NE YAPILDI?

• Bir soğutma sistemi deney düzeneği tasarlandı.

• Bu düzenekte, yoğuşturucuya gönderilen hava sıcaklığıve buharlaştırıcıya gönderilen su sıcaklıkları değiştirilerek farklı buharlaşma ve yoğuşma sıcaklıkları elde edildi.

NE YAPILDI ?

• Soğutma çevrimini modelleyen bir bilgisayar programıgeliştirildi.

• Deney şartları için sayısal veriler elde edildi.

• Program aynı koşullarda işletilerek model ve deney sonuçları karşılaştırıldı.

NE YAPILDI ?

• Program farklı durumlar için çalıştırılarak, her bir durum için yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıkları, ısıyükleri ve kompresör güçleri belirlendi.

• Bulunan sonuçlar tablolar ve grafikler halinde verilerek sonuçlar irdelendi.

6

DENEY DÜZENEĞİ

Ampermetre

Ventüri

Pompa

Genleşme Vanası

Gözetleme Camı

Kurutucu

Kompresör

Lüle plakası

yoğuşturucu

Fan

Elektrikli Isıtıcılar

buharlaştırıcı

Hava Akışı

Su Isıtıcısı

DENEY DÜZENEĞİ

DENEY DÜZENEĞİ

• Scroll Tip Kompresör (Copeland Scroll ZR 28K3–PFJ–522)•Hava Kanalı (0.65 m x 0.65 m x 2 m) ve yoğuşturucu•40 litre hacimli gövde içerisinde spiral sarımlı buharlaşma borusu ve 1000 litre hacimli su besleme tankı•Termostatik Genleşme Vanası (SPORLAN FJE–1- ½ - C)•Kurutucu ve Gözetleme Camı

• Elektrikli Isıtıcı ( 2 adet x 8 kW)• Radyal Fan (3000 m3/h)• Veri okuma ünitesi (Hewlett-Packard)• Debi okuma lüleleri ve U-Tipi Manometre• Basınç ve sıcaklık ölçerler•Güç ölçer

DENEY DÜZENEĞİ

YAPILAN ÖLÇÜMLER– Soğutkanın;

Kompresör giriş ve çıkışında, yoğuşturucu çıkışı veGenleşme vanası girişinde, buharlaştırıcı girişinde

sıcaklık ve basınçları ölçüldü.

Buharlaştırıcı üzerinden olan su akışının;• Buharlaştırıcı giriş ve çıkış sıcaklıkları ve • kütlesel debisi ölçüldü.– Yoğuşturucu üzerinden olan hava akışının; • Yoğuşturucu tarafı giriş ve çıkış sıcaklıkları ve• kütlesel debisi ölçüldü

HAVA DEBİSİNİN ÖLÇÜMÜ

1.5 D

Ayırma Tabakası

Hava Akışı

Pitot Tüpü (isteğe bağlı)

1.5 D

3 D

Lüle

Lüle

2.5 D

D

Manometre

GelişOdası

ÇıkışOdası

Ayırma Tabakası

180

5590

90

275

550275

550

2 va N N a

a

2 Pm n x r x x ρρ∆

= π

HAVA DEBİSİNİN ÖLÇÜMÜ

Burada;ma : Hava DebisinN : Lüle sayısırN : Lüle dış çapı∆Pv : Basınç farkıρa : Havanın yoğunluğu

Basit soğutma çevrimi

3

4

2

1

4 1

23

HESAPLANAN DEĞERLER• Sistemin her bir noktasındaki soğutkan entalpisi• Kompresör işi• Yoğuşturucu kapasitesi• Buharlaştırıcı kapasitesi• Soğutkan debisi• Kompresörün isentropik verimi• Kompresör emiş hacmi • Soğutkanın kompresör emişinde kızgınlık derecesi• Soğutkanın yoğuşturucu çıkışında aşırı soğuma miktarı• Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı UA değerleri

Yoğuşturucu Yükü: ( )yoğ hava p hava,çıkış hava,gelişQ m C T T = −

kızgınlık 1 buharlaşmaT T T∆ = −Aşırı Kızdırma:

Kompresör Gücü: compW I VCos= ϕ

SoğutmaYükü: ( )buh yoğ comp su p,su su,geliş su,çıkışQ Q -W =m C T T = −

Aşırı Soğuma: altsoğuma yoğuşma 3T T T∆ = −

UA Değerleri:ısı değiştirici

lm

QUA

T=

∆

Soğutkan Debisi: (yoğuşturucu yükü üzerinden hesaplanan)

yoğuşmar

2 3

Qm

h - h=

2s 1s

2 1

h hh h

−η =

−İsentropik Verim:

s r rV m x = νEmiş Hacmi:

ÖLÇÜMLER *Soğutkan: R134a

Deney 1

Deney 2

Deney 3

Deney 4

Deney 5

Deney 6

Deney 7

Deney 8

Deney 9

Deney 10

Deney 11

Deney 12

Deney 13

Kompresör çıkış sıc. , °C 79.8 82.4 87.3 88.4 89.2 89.6 90.0 90.6 90.6 91.4 91.9 91.4 90.9

Yoğuşturucu çıkış sıc. , °C 51.4 51.7 51.4 50.8 50.4 50.2 49.6 49.2 48.4 48.2 47.8 46.7 45.9

Buharlaştırıcıgiriş sıc., °C 8.0 8.0 6.6 6.2 5.1 4.6 3.7 3.1 2.0 1.5 0.4 -0.7 -0.9

Kompresör emiş sıc. , °C 10.7 10.6 9.6 8.7 8.1 7.3 6.7 6.2 5.3 4.6 3.7 2.5 2.1

Hava giriş, °C 33.3 33.7 33.9 33.8 33.8 34.1 33.9 33.9 33.5 33.5 33.4 32.9 32.2

Hava çıkış, °C 39.6 40.1 40.3 40.1 40.0 40.1 39.8 39.7 39.3 39.3 38.8 38.3 37.5

Su giriş sıc. , °C 17.9 17.5 16.2 15.3 14.5 13.7 12.7 11.8 10.9 9.9 9.0 8.2 7.5

Su çıkış sıc.,°C 16.0 15.6 14.5 13.6 12.8 12.1 11.1 10.3 9.4 8.5 7.6 6.9 6.2

Kompresör çıkış bas., kPa 1505 1515 1515 1503 1488 1487 1463 1445 1420 1415 1390 1367 1335

Yoğuşturucu çıkış bas. , kPa 1490 1500 1500 1488 1473 1472 1448 1430 1405 1400 1375 1352 1320

Buharlaştırıcıgiriş bas. , kPa 388 388 370 364 351 345 334 327 315 309 297 286 284

Kompresör emiş bas. , kPa 353 353 335 329 316 310 299 292 280 274 262 251 249

Kompresör Gücü, kW 1.727 1.754 1.770 1.749 1.720 1.723 1.692 1.673 1.625 1.64 1.603 1.574 1.527

NOT: Yoğuşturucu çıkış ve buharlaştırıcı giriş basınçları ölçülmüş, yoğuşturucu basınç düşümü yaklaşık 15 kPa, buharlaştırıcı basınç düşümü ise yaklaşık 35 kPa olarak belirlenmiş ve buradan kompresör emiş ve çıkış basınçları hesaplanmıştır.

HESAPLAMALAR Deney 1

Deney 2

Deney 3

Deney 4

Deney 5

Deney 6

Deney 7

Deney 8

Deney 9

Deney 10

Deney 11

Deney 12

Deney 13

Yoğuşturucu Kapasitesi, kW 5.631 5.758 5.731 5.587 5.569 5.331 5.365 5.147 5.154 5.138 4.907 4.826 4.741

Buharlaştırıcı Kapasite., (Qyoğuş-Wcom), kW

3.904 4.004 3.961 3.838 3.849 3.608 3.673 3.474 3.529 3.499 3.304 3.252 3.214

Buharlaştırıcı Kapasite(suya aktarılan, kontrol, kW

4.523 4.414 4.143 4.039 3.913 3.829 3.713 3.569 3.469 3.309 3.215 3.168 3.099

Soğutma etkinlik katsayısı,COP 2.261 2.283 2.238 2.195 2.238 2.094 2.171 2.076 2.172 2.135 2.061 2.066 2.105

Soğutkan Kütlesel Debisi, entalpi farkından, kg/s

0.031 0.031 0.030 0.029 0.029 0.027 0.027 0.026 0.026 0.026 0.024 0.024 0.023

Yoğuşma sıcaklığı, °C 55.0 55.2 55.2 54.9 54.5 54.5 53.8 53.3 52.6 52.4 51.7 51.0 50.1

Buharlaşma Sıcaklığı, C 5.3 5.3 3.7 3.3 2.2 1.5 0.5 -0.1 -1.3 -1.8 -3.0 -4.2 -4.4

Aşırı soğuma miktarı, C 3.6 3.5 3.9 4.1 4.1 4.3 4.2 4.0 4.2 4.3 3.9 4.3 4.2

Kızgınlık miktarı, °C 5.4 5.3 5.9 5.5 6.0 5.8 6.2 6.2 6.5 6.4 6.8 6.7 6.6

Yoğuşturucuda logaritmik sıcaklık farkı, °C

18.3 18.1 18.0 17.8 17.5 17.2 16.8 16.3 16.0 15.8 15.4 15.3 15.0

Buharlaştırıcıda logaritmik sıcaklık farkı, °C

11.6 11.3 11.6 11.2 11.5 11.3 11.3 11.1 11.4 11.1 11.3 11.7 11.2

Yoğuşturucu ısıaktarım kap., kW/K 0.307 0.318 0.319 0.315 0.319 0.310 0.320 0.316 0.322 0.324 0.318 0.316 0.316

Buharlaştırıcı ısıaktarım kap., kW/K 0.336 0.356 0.342 0.342 0.336 0.319 0.324 0.313 0.309 0.317 0.293 0.277 0.286

BİLGİSAYAR PROGRAMI

Deneyler sonucu elde edilen veriler, geliştirilen bilgisayar programında kullanılarak deneyde belirlenen ve modelden hesaplanan buharlaşma ve yoğuşma yükleri sonuçları karşılaştırılmıştır.

Programın doğruluğu tespit edildikten sonra, hava ve su giriş sıcaklıkları değiştirilerek program çalıştırılmışve sonuçlar elde edilmiştir.

SONUÇLARIN KARŞILAŞTIRILMASI

01

23

45

67

Dene

y 1De

ney 2

Dene

y 3De

ney 4

Dene

y 5De

ney 6

Dene

y 7De

ney 8

Dene

y 9De

ney 1

0De

ney 1

1De

ney 1

2De

ney 1

3

Isıl yük, kW

Yoğuşturucu yükü, deney Buharlaştırıcı yükü, deneyYoğuşturucu yükü, model Buharlaştırıcı yükü, model

PROGRAMIN FARKLI KOŞULLAR İÇİN ÇALIŞTIRILMASI

Aşırı Kızdırma Derecesi 8 °C

Aşırı Soğuma 5 °CBuharlaştırıcı Basınç Kaybı 40 kPaYoğuşturucu Basınç Kaybı 20 kPaKompresörün İsentropik Verimi 65 %Kompresörün Emiş Hacmi 7.6 m3/hBuharlaştırıcı UA Değeri 0.329 kW/KYoğuşturucu UA Değeri 0.326 kW/K

Suyun Özgül Hacmi 4.18 kJ/kg-K

Havanın Özgül Hacmi 1.006 kJ/kg-K

Suyun Kütlesel Debisi 0.313 kg/s

Havanın Kütlesel Debisi 0.667 kg/s

Hava Giriş Sıcaklığı 25 °C ‘den 40 °C

Suyun Giriş Sıcaklığı 10 °C ‘den 25 °C

• Kabul edilen çalışma değerleri gösterilmiştir

Yoğuşma ve Buharlaşma Sıcaklıklarının Hava Giriş Sıcaklığı İle Değişimi (Su giriş sıcaklığı 12°C)

-505

101520253035404550556065

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş Sıcaklığı (°C)

Sıca

klık

(°C

)

Buharlaşma Sıcaklığı

Yoğuşma Sıcaklığı

Yoğuşma ve Buharlaşma Sıcaklıklarının Hava Giriş Sıcaklığı İle Değişimi (Su giriş sıcaklığı 12°C)

-505

101520253035404550556065

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş Sıcaklığı (°C)

Sıca

klık

(°C

)

Buharlaşma Sıcaklığı

Yoğuşma Sıcaklığı

Soğutma kapasitesi ve yüklerinin hava sıcaklığı ile değişimi (Su giriş sıcaklığı 12 °C)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş Sıcaklığı (°C)

Yük

(kW

)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Soğu

tma

etki

nlik

ka

tsayısıEvaporatör Yükü

Kondenser Yükü

Kompresör Gücü

COP

Soğutma kapasitesi ve yüklerinin hava sıcaklığı ile değişimi (Su giriş sıcaklığı 12 °C)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş Sıcaklığı (°C)

Yük

(kW

)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Soğu

tma

etki

nlik

ka

tsayısıEvaporatör Yükü

Kondenser Yükü

Kompresör Gücü

COP

Dış hava sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi

Dış hava sıcaklığının artması ile soğutma kapasitesi azalırken kompresör işi artmaktadır.

Yoğuşma basıncının değişimi

w2w1

w2 > w1

Kompresör işinin değişimi

qe,1

qe,1 > qe,2

qe,2

Soğutma kapasitesinin değişimi

qk,1 ≈ qk,2

qk,2qk,1

Yoğuşma yükünün değişimi

Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının su ve hava sıcaklığı ile değişimi

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş Sıcakl ığı (°C)

Sıca

klık

(°C

)

10 °C Su Giriş Sıc. 15 °C Su Giriş Sıc.

20 °C Su Giriş Sıc. 25 °C Su Giriş Sıc.

Soğutma kapasitesi ve kompresör yükünün su ve hava sıcaklığı ile değişimi

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş S ıcaklığı (°C)

Yük

(kW

)

10 °C Su Giriş Sıc. 15 °C Su Giriş Sıc.

20 °C Su Giriş Sıc. 25 °C Su Giriş Sıc.

soğutma etkinlik katsayısının dış sıcaklıklarla değişimi

1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

3.00

3.25

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Hava Giriş S ıcaklığı (°C)

Soğu

tma

etki

nlik

kat

sayı

sı

10 °C Su Giriş Sıc. 15 °C Su Giriş Sıc.20 °C Su Giriş Sıc. 25 °C Su Giriş Sıc.

Su sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi

Su sıcaklığının azalması ile birlikte buharlaşma basıncı ve buna bağlıolarak soğutkan kütlesel debisi azalır.

qe,1 ≈ qe,2

msoğ,1 < msoğ,2

qe,1 qe,2

Soğutkan debisinin azalmasıile soğutma kapasitesi, kompresör işi ve yoğuşturucu yükü hepsi birden azalır.

Su sıcaklığı değişiminin çevrime etkisi

Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı ısıaktarım kapasitelerinin(UA) değişimi

• Yoğuşturucu ve buharlaştırıcının yüzey alanlarının değişiminin etkisi incelenmiştir.

• Hava ve su debilerinin sabit kaldığıvarsayılmıştır. Yani yoğuşturucunun yüzey alanı ve UA değeri artmakta, ancak toplam hava debisi değişmemektedir.

Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi

Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi (UA_buharlaşma=0.3 kW/K, sabit)

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

UA_yoğuşma, kW/K

Sıca

klık

lar,

ºC

Buharlaşma Sıcaklığı Yoğuşma Sıcaklığı

Soğutma kapasitesi, kompresör gücü ve soğutma etkinlik katsayısının yoğuşturucu UA değeri ile değişimi

Yoğuşma ve buharlaşma yüklerinin ve kompresör gücünün yoğuşturucu UA değeri ile değişimi (UA_buharlaşma=300 W/K, sabit)

0.00.51.0

1.52.02.53.03.54.0

4.55.05.5

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

UA_yoğuşma, kW/K

Kap

asite

(kW

)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Soğu

tma

etki

nlik

kat

sayı

sı, C

OP

Buharlaştırıcı (soğutma) yükü yoğuşturucu yükü Komp. Gücü COP

Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi

Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi (UA_yoğuşma=0.3 kW/K, sabit)

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

UA_buharlaşma, kW/K

Sıca

klık

lar,

ºC

Buharlaşma Sıcaklığı Yoğuşma Sıcaklığı

Soğutma kapasitesi, kompresör gücü ve soğutma etkinlik katsayısının buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi

Yoğuşma ve buharlaşma yüklerinin ve kompresör gücünün buharlaştırıcı UA değeri ile değişimi (UA_yoğ=300 W/K, sabit)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6

UA_buharlaştırıcı, kW/K

Kap

asite

, kW

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Soğu

tma

etki

nlik

kat

sayı

sı,C

OP

Buharlaştırıcı yükü Yoğuşturucu yükü. Komp. Gücü COP

SONUÇLAR (1)

• Dış ortam sıcaklığının artması ile yoğuşma basıncıartmakta, soğutma kapasitesi ve soğutma etkinlik katsayısı önemli ölçüde azalmaktadır.

• Dış hava sıcaklığının 25°C tan 40°C a yükselmesi, soğutma kapasitesinin yaklaşık %10 azalmasına neden olmuştur. Aynı sıcaklık değişiminde kompresör gücü %20 kadar artmış ve soğutma etkinlik katsayısı%30 oranında azalmıştır.

SONUÇLAR (2)• Yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarının çevre

sıcaklıklarına yaklaşması, soğutma çevriminin kapasite ve etkinliğini arttırmaktadır. Isıdeğiştiricilerin yeterli seçilmemesi durumunda ise sistemin kapasite ve etkinliği düşecektir.

• Buharlaştırıcı UA değerinin arttırılması ile, buharlaşma sıcaklığı ve basıncı ve buna paralel olarak soğutma kapasitesi artmaktadır. UA değerinin 4 kat artması ile, çalışılan aralık için soğutma kapasitesi %46, etkinlik katsayısı%14 artmıştır.

SONUÇLAR (3)• Yoğuşturucu üzerinden geçen toplam hava debisinin

sabit tutulması ancak UA değerinin 4 kat artması ile, yoğuşma sıcaklığı 71°C dan 47°C ‘a düşmüştür. Bu durum için, kompresöre verilmesi gereken güç %30 azalırken, soğutma kapasitesi %20 artmıştır.

• Bu değerlendirme sırasında hava debisi sabit tutulmuştur. Hava debisinin yoğuşturucu yüzey alanı ve UA değeri ile birlikte arttırılmasıdurumunda, soğutma kapasitesindeki ve çevriminin etkinliğindeki artış oranı daha yüksek olacaktır.

KAYNAKLARBildiri ve Makaleler Sunu S., Küçüka S., "Hava Soğutmalı Kondenserli Bir Soğuksu Gurubunda Dış Sıcaklıkların Değişiminin Soğutma Kapasitesi ve Etkenliğine Etkisi ", ESSİAD Soğutma Dünyası Dergisi, İzmir, 2009.

Sunu S., Küçüka S., “Ortam Sıcaklığının Soğutma Çevrimine Etkisinin Sayısal Olarak Modellenmesi”,ULIBTK-09, 17. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Sivas, 2009.

Bayır, E., Küçüka S., “Scroll ve Pistonlu Tip Soğutma Kompresörlerinin Kapasite ve Verimlerinin Çalışma Şartları ile Değişimi”, TESKON IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 2009.

Tez (Yüksek Lisans) ÇalışmalarıSerkan Sunu, Bir Soğutma Sistemi Performansının Buharlaşma Ve Yoğuşma Sıcaklıklarına Bağlı Olarak Değişimi (İng.), Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.

Anıl Akarsu, Genleşme Vanası Karakteristiğinin Soğutma Sistemi Performansına Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008.

Emirhan Bayır, Scroll Ve Pistonlu Tip Kompresörlerin Kapasite Ve Verimlerinin Çalışma Şartları İle Değişimi, Yüksek Lis. Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008.