SOĞUTMA SİSTEMLERİ VE
ÇALIŞMA İLKELERİ
(Devamı)
Soğutma devresine ilişkin bazı parametrelerin hesaplanması
"Doymus sıvı - doymuş buhar" aralığında çalışma
Basınç-entalpi grafiğinde genel bir soğutma devresi şematik olarak gösterilmiştir.
Herhangi bir refrijeranta ait "basınç-entalpi" grafiği üzerinde oluşturulacak böyle
bir soğutma devresi yardımıyla, soğutma sisteminin "soğutma etkinliği",
"kondenserden uzaklaştırılan ısı", "kompresörün refrijeranta yaptığı iş" ve
"performans katsayısı" gibi bazı parametreler hesaplanabilmektedir.
Şekil. Refrijerantların basıç-entalpi grafiğinde bir soğutma devresi
Soğutma etkisi (SE): Sistemin soğutma etkisini (BC)
doğrusu temsil eder. Buna göre soğutma etkisi B ye C
noktalarının temsil ettiği H1 ve H2 entalpi değerleri
yardımıyla hesaplanabilir.
SE = H2- H1
Burada:
H1 : Refrijerantin evaporatöre girişteki entalpisi, kJ/ kg
H2 : Refrijerantin evaporatörden çıkıştaki entalpisi, kJ/ kg
Soğutma kapasitesi (Qs): Bir soğutma sisteminin soğutma kapasitesi (Qs) sistemin
soğutma etkisi ile, refrijerantın soğutma sistemindeki kütlesel akış hızından
yararlanılarak hesaplanır.
Burada:
Qs = m (H2- H1)
m: Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s
Q: Toplam soğutma yükü, kW
Refrijerantın kütlesel akış hızı (m): Bir soğutma sisteminde refrijerantın kütlesel
akış hızı, sistemin toplam soğutma yükü ile sistemin soğutma etkisine bağlıdır.
Toplam soğutma yükü, sistemden uzaklaştırılması gereken toplam ısıdır.
=
Burada:
Q: Sistemin soğutma kapasitesi, kW
m: Refrijerantın sistemdeki kütlesel akış hızı, kg/s
Kompresör tarafından yapılan iş (W):
Refrijerant buharının izentropik sıkıştırılması
sırasında, kompresörün refrijeranta uyguladığı iş
(W), bu işlem sırasındaki entalpi artışı ile
refrijerantın kütlesel akış hızından hesaplanabilir.
W = m (H3- H2)
Burada
W: Kompresörün refrijeranta yaptığı iş, kW
m: Refrijerantın kütlesel akı hızı, kg/ s
H2: Kompresör girişinde refrijerantın entalpisi, kJ/ kg
H3: Sıkıştırma sonunda refrijerantın entalpisi, kJ/ kg
(H3 — H2) değeri aynı zamanda sıkıştırmaya bağlı entalpi artışı olarak da anılır.
Kompresör tarafından kullanılan enerjinin tümü refrijerantı sıkıştırmaya kullanılan işe
çevrilemez. Refrijerantı sıkıştırmak için harcanan enerjinin, kompresörün kullandığı
toplam enerjideki oranına kompresörün "etkinlik derecesi" denir. Örneğin bir
kompresörün etkinlik derecesi % 80 ise, bu kompresörün kullandığı enerjinin
(kompresörün güç ihtiyacının) % 80'ini refrijerant üzerine iş olarak kullanabilmekte
olduğu anlaşılır. Bu temel açıklamaya göre, kolaylıkla hesaplanabilen "kompresör
tarafından yapılan iş" (W) değeri, eğer kompresörün etkinlik derecesine bölünürse,
kompresörün toplam güç ihtiyacı (qw) bulunur.
=
( )
öü
Burada:
q: Kompresörün toplam güç ihtiyacı, W
m : Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s
Kondenser yükü (Qc): Refrijerantın evaporatörde
kazandığı ısı ile, sıkıştırılma sonucunda kazandığı ısının
toplamı, kondenserde sabit basınç altında, soğutma
ortamına (su veya havaya) verilerek uzaklaştılar.
Kondenserde uzaklaştırılan ısı, "kondenser yükü" olarak
anılır.
Burada :
Qc= m (H3 – H1) Qc: Kondenser yükü, kW
m : Refrijerantın kütlesel akış hızı, kg/ s
H1: Genişleme valfine girişteki refrijerantın entalpisi, kJ/ kg
H3 : Kompresör çıkısında refrijerantın entalpisi, kJ/ kg
Performans katsayısı (C.O.P.): Bir soğutma sisteminin etkinliği, "performans katsayısı"
(Coefficient of Performance = COP.) ile belirtilir. Başka bir ifadeyle soğutma sistemine
giren enerjiden yararlanma düzeyine performans katsayısı denir.
6&)&)0&1ı0&1,1,)5/
Buna göre:
. ". #. =
7/),1,1,)5/
C.O.P. aynı zamanda, evaporatörde absorbe edilen ısının, sisteme giren enerjiye oranıyla da
ifade edilebilir. Bu oranların hesaplanmasında, önce enerji birimleri (ısı olsun, elektrik
olsun) aynı cinsten ifade edilmelidir.
$%&'()&*ö)+,&-.()-,,+/0,1ı.ı
. ". #. =
3/.*,,4/),1,1,)5/
C.O.P. ayrıca, daha pratik olarak, sistemin soğutma kapasitesinin,
− kompresyon nedeniyle artan entalpiye oranıyla da bulunabilir.
. ". #. =
9 − Buna göre:
Performans katsayısının anlamını irdelerken şu hususlar gözden uzak tutulmamalıdır.
Refrijerant buharını sıkıştırmak için gerekli olan enerji, evaporatörde refrijerant
tarafından absorbe edilen ısı enerjisinden daha küçüktür. Ancak bu, az enerji sarf
edilerek daha fazla enerji üretilmiş olduğu anlamında değildir. Çünkü sisteme verilen
enerji, yani kompresörün çalışmasını sağlayan enerji, sadece refrijerantı sıkıştırarak
sıcaklığını yükseltmek ve bu yolla absorbe edilmiş ısının dışarıya aktarılmasını
sağlamak içindir. Yoksa sisteme verilen enerji, soğutma ile yapılan işin eşdeğeri
değildir. Soğutma ile yapılan işin eşdeğeri, kondenserde suya veya havaya atılan ısıda
aranmalıdır. Buradan atılan ısı, soğutmada absorbe edilmiş ısı ile kompresörün sistem
üzerine yaptığı iş nedeniyle oluşan ısı toplamına eşittir.
Bütün bu açıklamalar, performans katsayısının daima 1'den büyük bir değer olduğunu
ortaya koymaktadır. Eğer entalpi-basınç grafiği incelenirse, kompresörden çıkış
basıncının yüksek veya düşük olmasının çeşitli faktörlere bağlı olduğu anlaşılır. Eğer
kompresör çıkış basıncı düşük tutulursa, refrijerant buharını yüksek basınçlara kadar
çıkarmak gerekmediğinden, daha az enerji kullanılacaktır. Bu durumda C.O.P. değeri
daha büyüyecek yani, daha etkin bir sistem elde edilecektir. Düşük çıkış basıncında
çalışabilmenin en önemli koşulu, çok geniş yüzeyli bir kondenser kullanılması ve
kondensasyon aracının (su veya hava) olabildiğince düşük sıcaklıkta olmasıdır. Çünkü
düşük çıkış basıncındaki refrijerant buharının, bu basınca eşdeğer olan kondensasyon
sıcaklığı da aynı şekilde düşük olacaktır. Bu nedenle kondenserde etkili bir ısı akışı,
kondensasyon ortamının düşük sıcaklıkta olmasını zorunlu kılmaktadır
Örnek: Sıcaklığı -18 °C'de sabit tutulan bir dondurulmuş ürün deposunda,
evaporatör sıcaklığı -25 oC, kondensasyon sıcaklığı 45 oC, soğutma yükü 60 W
ve kompresör etkinliği %85 olan ve R-12 gazının kullanıldığı bir sistemde;
Basınç-entalpi grafiğini çizerek P1, P2, H1, H2, H3 değerlerini bulunuz.
Refrijerantın kütlesel akış hızını
Sistemin soğutma kapasitesini (Q),
Kompresör tarafından yapılan işi (W), ve kompresörün güç ihtiyacı (qw)
Kondanser yükünü (Qc),
Performans katsayısını (COP) bulunuz.
Çözüm:
a)
Verilen değerler:
Depo sıcaklığı
: -18 oC
Evaporatör sıcaklığı
: -25 oC
Kondensasyon sıcaklığı : 45 oC
Soğutma yükü
: 60 kW
Kompresör etkinliği
: %85
R-12’ye ait basınç entalpi grafiğinden saptanan değerler
Evaporatör basıncı; P1=125kPa
Kondenser basıncı; P2=1100 kPa
H1=243 kj/kg
H2=340 kj/kg
H3=380 kj/kg
A
<<<<< Yoğunlaşma<<<< 45oC
45oC
11 Bar
1100kPa
1,25 Bar
125 kPa
>>>>> Genişleme >>>>
-25oC
E
B
60oC
D
0.11m3/kg
C
>>>>> Buharlaşma>>>>>
%40 buhar
H=178
243-178=65
H1=243
340-243=97(Soğutma etkisi)
340-178=162
H2=340
H3=380
Entalpi (kj/kg)
380-340=40(Mekanik iş eşdeğeri)
45oC
A
<<<<< Yoğunlaşma<<<< 45oC
Mutlak Basınç (Bar)
-25oC
1,25 Bar
(125 kPa)
-25oC
E
>>>>> Genişleme >>>>
11 Bar
(1100kPa)
B
60oC
D
45oC
>>>>> Buharlaşma>>>>>
C
%40
buhar
-25oC
H2=340
H1=243
Entalpi (kj/kg)
H3=380
60oC
b) Refrijerantın kütlesel akış hızı (m);
60=>/@
=
: =
= 0.618=D/@
− 340 − 243 =>/=D
c) Sistemin soğutma kapasitesi (Qs)
Qs = m (H2- H1)
Qs = 0.618 kg/s (340-243) kj/kg = 59.95 kW
d) Kompresör tarafından yapılan iş (W)
W = m (H3- H2)
W = 0.618 kg/s (380-340) kj/kg = 24.72 kW
Kompresörün toplam güç ihtiyacı (qw)
=
:(GH − GI )
24.72=V
=
= 29.08=V
JK:LMN@öMü[email protected]
0.85
e) Kondenser yükü (Qc)
Qc= m (H3 – H1)
Qc= 0.618 kg/s (380-243) kj/kg
Qc= 84.67 kW
f) Performans katsayısı (C.O.P.)
. ". #. =
6&)&)0&1Y0&1,1,)5/
7/),1,1,)5/
Z. [. \. =
H]^I]H _/`
Ha^H]^ _/`
= 2.43
Örnek: 80 kW soğutma kapasitesindeki bir soğutma sisteminde refrijerant olarak
amonyak kullanılmaktadır. Soğutma devresinde, buharlaşma sıcaklığı – 20 oC,
yoğunlaşma sıcaklığı 30 oC olarak seçilmiştir. Buna göre;
a) Basınç-entalpi grafiğini çizerek P1, P2, H1, H2, H3 değerlerini bulunuz.
b) Amonyağın kütlesel akış hızını (m)
c) Kompresör tarafından yapılan işi (W),
d) Sistemin performans katsayısını (COP)
e) Kondenser yükünü (Qc),
f) Her kW soğutma için güç kullanımını hesaplayınız.
Çözüm: a)
Amonyağa ait basınç entalpi grafiğinden saptanan değerler
P1=P2 = 190.7 kPa
P3= P4= 1168 kPa
H1= 341.8 kj/kg
H2=H4 =1437 kj/kg
H3=1715 kj/kg
Evaporatör sıcaklığı
: -20 oC
Kondensasyon sıcaklığı : 30 oC
Soğutma yükü
: 80 kW
b) Amonyağın kütlesel akış hızı (m);
=
− 80=>/@
:=
= 0.073=D/@
1437 − 341.8 =>/=D
veya
m = 263 kg/h
c) Kompresör tarafından yapılan iş (W)
W = m (H3- H2)
W = 0.073 kg/s (1715-1437) kj/kg = 20 kW
d) Kondenser yükü (Qc)
Qc= m (H3 – H1) Qc= 0.073 kg/s (1715-341.8) kj/kg
Qc= 100 kJ/s
e) Performans katsayısı (C.O.P.)
. ". #. =
6&)&)0&1Y0&1,1,)5/
7/),1,1,)5/
=
b]HcH]b.a _/`
bcbdb]Hc _/`
= 3.94
f) Her kW soğutma için güç sarfiyat değeri: Bu değer kompresör güç ihtiyacının
sistemin soğutma kapasitesine (soğutma gücüne) bölümüyle bulunabilir.
eüç@gMhQigPSNğNMQ =
ö`üçklmY
ğnmmm
I^o
= a^o = 0.25
Örnek: Sistem kapasitesi 2kw/h olan tek kademeli bir soğutma sistemi R-134a
soğutucu akışkanla +30oC yoğuşma, -10oC buharlaşma sıcaklıkları arasında
çalışmaktadır.
a) Sistemin p-h diyagramını çizin.
b) Sistemde dolaştırılması gereken akışkan miktarını bulunuz.
Çözüm:
1 bar=100kPa, 1kWh=3600 kJ
a)
b)
=
− : =
veya
IpHq^^_/k
Irqb]^ _/`
= 46.153=D/ℎ
m = 0.0128 kg/s
Çok Aşamalı Kompresyon sistemi
Çok düşük derecelerde soğuk üretilmesi gerektiğinde, tek aşamalı bir sistem
yeterli gelmemektedir. Çünkü bu durumda refrijerantın buharlaşma sıcaklığı
ile yoğunlaşma sıcaklığı arasındaki aralık çok büyüyecek ve bu sıcaklıklara
karşı gelen basınçların oranı (P2/P1 ) yükselecektir.
P2/P1 oranına "sıkıştırma oranı" denir. Sıkıştırma oranı büyüdükçe
kompresörün gerek konstrüksiyonunda gerekse çalışmasında sorunlar
çıkmaktadır. Örneğin sıkıştırma oranı yükseldikçe, sıcaklık o kadar
yükselebilir ki, kompresördeki yağlama yağının viskozitesi azalır ve artık
yağlama görevi yapamaz. Bu ve benzer sakıncalar nedeniyle sıkıştırma oranı
çok yüksek değerlere ulaşınca, örneğin pistonlu kompresörlerde P2/P1 > 8-9 ve
turbo-kompresörlerde P2/P1 > 2.5-3 olunca, sıkıştırma iki veya daha fazla
aşamada yapılır. Bunlara çok aşamalı (veya çok kademeli) sistemler denir.
Çok aşamalı sistemlerin en basiti iki kademeli sistemlerdir. İki kademeli
sistemlerde yaygın olarak, kademeler arasındaki soğutma, "serbest genişleme
kabı" olarak adlandırılan bir ara hazne yardımlıyla yapılmaktadır.
İki aşamalı sistemler, dondurulmuş ürünlerin -18 °C ve altındaki sıcaklıklarda
depolanmasında ve özellikle amonyaklı sistemlerde yaygın olarak
kullanılmaktadır.
İki kademeli soğutma sistemlerinde de; tek aşamalı
sistemlerde olduğu gibi, genişleme valfine soğuk,
"doymuş sıvı" olarak giren (7) refrijerant, valfi
aşarken genişler ve sistemde en düşük basıncın (Pd)
hakim olduğu evaporatöre ulaşır (8).
Evaporatörde (Pd) basıncı altında buharlaşırken
çevreden ısı absorbe eder. Evaporatörü doymuş buhar
olarak terk eden (1) refrijerant, düşük basınç
kompresörü tarafından emilip sıkıştırıldıktan (2)
sonra, ara genişleme kabındaki soğuk refrijeranta
enjekte edilerek soğutulur.
Bu şekilde, ara genişleme kabında orta düzey bir basınç (Pi) altında oluşan soğuk
refrijerant buharı (3), yüksek basınç kompresorü yardımıyla yoğunlaşma basıncı olan
yüksek bir basınca (P) kadar sıkıştırılır (4). Nihayet kondenserde, aynı basınç (P) altında
yoğunlaşan refrijerant, sıvı refrijerant deposuna ulaşır.
Refrijerant deposundaki doymuş sıvı refrijerant, bir şamandıra valf üzerinden, orta
düzeyde bir basıncın hakim olduğu ara genişleme haznesinde genişleyerek, doymuş sıvı
ve doymuş buhara dönüşürken evaporatif yolla soğur. İşte burada oluşan "doymuş sıvı"
genişleme valfine yönelirken (7), doymuş buhar (3) yüksek basınç kompresörü tarafından
emilerek sıkıştırılır. Yukarıda değinildiği gibi, ara genişleme kabı, aynı zamanda düşük
basınç kampresöründen gelen sıcak refrijerant buharının soğutulduğu bir ünitedir.
İki kademeli soğutma sisteminin analizi
Py basıncı : Refrijerantın yoğunlaşma sıcaklığına eşdeğer olan
yüksek basınçtır. Bu basınç aynı zamanda yüksek basınç
kompresöründen çıkış basıncıdır.
Pd basıncı : Refrijerantın evaporatördeki buharlaşma
sıcaklığına eşdeğer olan bir düşük basınçtır.
Pi basıncı : Ara genişleme kabında hakim olan orta düzeydeki
basınçtır. Sistemin en ekonomik düzeyde çalışabilmesi için bu
basıncın boyutu, şu eşitlikle hesaplanır.
#/ =
#t . #+
Nokta 1 : Refrijerantın, evaporatörden çıkışı ve düşük basınç kompresörüne girişi sırasındaki
doymuş buharın niteliklerini temsil eder ve entalpisi H1’dir.
Nokta 2 : Refrijerantın düşük basınç kompresöründen çıkış koşullarını temsil eder. Burası, (1)
No'lu noktadan geçen izentropik eğri ile, (Pi) izobarik hattın kesiştiği noktadır. Burada sıcak
refrijerant buharının entalpisi H2'dir.
Nokta 3 : (Pi ) basınçtaki "doymuş buharın" yüksek basınç kompresörüne girişte bulunduğu
koşulları temsil eder. Burada refrijerantın sıcaklığı (T3), entalpisi H3'dür.
Nokta 4 : Burası, 3 No’1u noktadan geçen izentropik eğri ile, yüksek basınç kompresörünün çıkış
basıncını temsil eden (Py) izobarik eğrinin kesişme noktasıdır. Burada entalpi H4'dür.
Nokta 5 : Kondenserden çıkan doymuş sıvının bulunduğu koşulları temsil eden bu noktanın
entalpisi, H5'dir.
Nokta 6 : Ara genişleme kabında hakim olan (Pi) basınçtaki "sıvı-buhar" karışımını temsil eden
bu noktanın entalpisi H6'dir.
Nokta 7 : (Pi ) basınçtaki "doymuş sıvının" niteliklerini temsil eder. Burada entalpi H7'dir.
Nokta 8 : Evaporatöre girişteki "sıvı-buhar" karışımını temsil eden bu noktada entalpi H8'dir.
İki kademeli soğutma devresine ilişkin
bazı parametrelerin hesaplanması
Refrijerantın kütlesel akış hızı (m) : İki
kademeli sistemde m1 ve m3 gibi iki grup
kütlesel akış hızı söz konusudur:
m1 = m2 = m7 = m8
m3 = m4 = m5 = m6
Soğutma etkisi (SE) :
SE = H1-H8
Soğutma kapasitesi, QE :
QE = m1 (H1 –H8)
Refrijerantın kütlesel akış hızı (m1 ve m3 ) :
$
− w
=
, 9 =
− u
(9 −x )
Kompresörlerin toplam güç ihtiyacı (W) : Bu değer, düşük basınç kompresörünün
güç ihtiyacı (W1 ) ile yüksek basınç kompresörünün güç ihtiyacının (W2) toplamıdır.
W = W1 + W2
W1 = m1 (H2 –H1)
W = m1 (H2 –H1) + m3 (H4 –H3)
W2 = m3 (H4 –H3)
Performans katsayısı (C.O.P.) :
3(ğy*&z&'&./*,./
. ". #. = {('),.ö)ü1*('0&4üç/|*/t&}~ = $
Kondenser yükü (Qc):
Qc =m4 (H4 – H5)
Örnek: Refrijerant olarak amonyak kullanılan, 200 kW'lık bir soğutma sistemi;
iki kompresör, tek evaporator ve ara genişleme haznesinden oluşan iki aşamalı bir
sistem olarak, çalışmaktadır. Yoğunlaşma sıcaklığı 35°C, buharlaşma sıcaklığı 25°C olan bu sistemin;
a)
Amonyağa ait basınç-entalpi grafiğini çizerek Py, Pd, Pi, H1, H2, H3, H4, H5,
H6, H7, H8, H9 değerlerini bularak belirtiniz.
b) Soğutma etkisini (SE),
c) Refrijerantın kütlesel akış hızları (m1 ve m3 ),
d) Kompresörlerin toplam güç ihtiyacını (W),
e) Performans katsayısını (C.O.P.),
f) Kondenser yükünü (Qc) hesaplayınız.
Çözüm: a)
#/ =
#t . #+ \ =
1352.2 . 152.2 \ = 453.6=\g
5
4
1352,2
453,6
6
7
152,2
2
1
8
506.5
3
666.5
H7= H8 H5= H6
1872
1730.2
1773.2
1905
H1 H3 H2 H4
b) Soğutma etkisi (SE) :
SE = H1-H8
SE= 1730.2 – 506.5 = 1223.7 kj/kg
c) Refrijerantın kütlesel akış hızları (m1 ve m3 ) :
$
− w
=
, 9 =
− u
(9 −x )
:b =
200
0.163 1872 − 506.5
:H =
1730.2 − 506.5
(1773.2 − 666.5)
:b = 0.163=D/@:H = 0.203=D/@
d) Kompresörlerin toplam güç ihtiyacı (W)
W = W1 + W2
W = m1 (H2 –H1) + m3 (H4 –H3)
W = 0.163 (1872 –1730.2) + 0.203 (1905 –1773.2)
W = 23.11 + 28.78 = 51.89 kW
e) Performans katsayısı (C.O.P.) :
€
200
Z. [. \. =
=
= 3.85
V 51.89
f) Kondenser yükü (Qc):
m1 = m2 = m7 = m8
Qc = m4 (H4 – H5) = 0.203 (1905 – 666.5)
m3 = m4 = m5 = m6
Qc = 251.5 kW
Download

(Microsoft PowerPoint - 3-SO\320UTMA S\335STEMLER\335 VE