ısı pompası deney föyü - Bursa Teknik Üniversitesi

T.C
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
DOĞA BİLİMLERİ, MİMARLIK ve MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ISI POMPASI DENEY FÖYÜ
2015-2016 Güz Yarıyılı
© Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığı, BURSA
TERMODİNAMİK LABORATUVARI
ISI POMPASI DENEYİ
1. DENEYİN AMACI:
Isı pompasının tanıtılması, ısı pompası çevriminin irdelenmesi, çevrimde kullanılan
elemanların tanıtılması, ısı pompasının en önemli karakteristiği olan performans
katsayılılarının (COP) hesaplanması ve katsayıların sıcaklık ile değişiminin irdelenmesi.
2. GENEL BİLGİLER:
Gerçekte bir soğutma çevrimi olan ısı pompası çevriminin temel prensibi Sadi Carnot
tarafından 1824 yılında ortaya atılmıştır. 1850 yılında Lord Kelvin’in soğutma cihazlarının
ısıtma maksadı ile kullanabileceğini ileri sürmesiyle ısı pompası uygulamaya girmiştir. Isı
pompası hem ısıtma hem de soğutma işlevini yapabilecek şekilde tasarlanmış
termodinamik bir çevrimdir. Isı pompası, dışarıdan enerji verilmesi ile düşük sıcaklıktaki
bir ortamdan aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren bir makinedir. Kışın ısıtma
maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılır. Isı pompası; toprak, su
veya hava kaynaklı olmak üzere ısıtma, soğutma, kurutma gibi birçok uygulamada
kullanılmaktadır. İşletme maliyetlerinin uygunluğu nedeniyle özellikle su ve toprak
kaynaklı ısı pompaları yüksek ısıtma ve soğutma yüklerine ihtiyaç duyan iş merkezlerinin
ve yerleşkelerin iklimlendirilmesinde kullanılmaktadır.
Bir ısı pompasının en önemli karakteristiği performans katsayısıdır (COP). Verimli bir
sistemin COP değeri tipik olarak 4’e eşittir. Yani sisteme girilen her birim girdi
karşılığında 4 birim enerji ortaya çıkar. Mevcut teknolojide en iyi ısı pompaları 6.8 COP
değerine ulaşmaktadır. Bir ısı pompası temelde Şekil.1’de verildiği gibi kondenser,
evaparatör, kompresör ve genleşme vanasından oluşmaktadır.
1. Yoğuşturucu (Kondenser)
2. Genleşme vanası (Kısılma vanası)
3. Buharlaştırıcı (Evaporatör)
4. Kompresör
Şekil.1 Isı pompası Temel Elemanları
3. ISI POMPASI TERMODİNAMİĞİ:
Isı pompasını, basitçe ısı makinesinin tersi bir çevrim olarak göz önüne alabiliriz. Isı
makinesi yüksek sıcaklıktaki ortamdan ısı çekerek, düşük sıcaklıktaki ortama aktaran ve bu
işlemi yaparken dışarıya iş veren makinedir. Isı pompası ise, dışarıdan enerji verilmesi ile
düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki ortama veren makinedir.
Kışın ısıtma maksadı ile kullanılan ısı pompası, yazın da soğutma için kullanılabilir. Isının,
soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına nakledilmesi çeşitli şekillerde gerçekleştirilir. Buna
göre ısı pompası çeşitleri “Buhar sıkıştırmalı” ve “Absorbsiyonlu” olarak sınıflandırılır. Isı
pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Basit bir ısı
pompasının ana elemanları kompresör, genleşme vanası, buharlaştırıcı ve yoğuşturucudur.
T-s ve P-h diyagramlarına bakıldığında çevrimi oluşturan hal değişimleri şu şekildedir.
Şekil.2 Buhar Sıkıştırmalı İdeal Isı Pompası Çevriminin T-s Ve P-h Diyagramları

1-2’: Kompresörde izentropik sıkıştırma

2’-3: Yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi

3-4: Genişleme vanasında sabit entalpide genişleme

4-1: Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi
Buharlaştırıcıdan çıkan doymuş buhar kompresörde izentropik olarak daha yüksek bir basınç
ve sıcaklığa sıkıştırılarak kızgın buhar haline getirilir (1-2’). Daha sonra yoğuşturucuya giren
kızgın buhar, kullanılabilir ısısını çevreye vererek sabit basınçta yoğuşur (2’-3). Doymuş sıvı
haldeki yüksek basınçlı akışkanın basıncı ve sıcaklığı genleşme vanasında buharlaştırıcı
şartlarına getirilir (3-4). Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığından
düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı geçişi olur ve akışkan buharlaşır
(4-1). Bu adımdan sonra çevrim yeniden başlar ve aynı şekilde devam eder.
4. CİHAZ ve APARATLAR
Isı pompası temel olarak kompresör, kondenser, genleşme vanasu ve evaporatör den
oluşmaktadır. Deneyde, Şekil.3'de gösterilen ElettronicaVeneta marka EPTC/EV modeli ısı
pompası deney düzeneği kullanılacaktır. Deney düzeneğine ait cihaz ve aparat listesi
Tablo.1’deki gibidir.
Şekil.3 ElettronicaVeneta EPTC/EV Isı Pompası Deney Düzeneği
Tablo.1 Isı Pompası Deney Düzeneği Ekipmanları
Şematik Diyagram
USB Port
Yüksek ve düşük basınç göstergesi
Yüksek ve düşün basınç
anahtarı(şalter)
5. Basınç sensörleri
6. Manuel valf
7. Soğutucu akışkan debisi elektronik
kontrol valfi
8. Hava sızdırmasız kompresör
9. Freon için elektronik akışölçer
(Flowmetre)
10. Tersine çevrim valfi (reversing valve)
1.
2.
3.
4.
11. Su pompası
12. Su için elektronik akış ölçer
13. Su yoğuşturucu/buharlaştırıcı
14. Hava yoğuşturucu/Buharlaştırıcı
15. Kurutma filtresi
16. Likit ayırıcı
17. Tek fazlı güç kaynağı
18. Acil durum butonu
19. Ana switch
20. Kontrol camı (sight glass)
21. Hava-su eşanjörü
22. Su tankı
Sistemde soğutucu akışkan olarak R-134a olarak bilinen Freon kullanılmaktadır.
Soğutucu akışkana ait kondenser ve evaporatör giriş çıkışlarındaki sıcaklık değerleri ile alçak
basınç
ve
yüksek
basınç
değerleri
termometre
ve
basınç
göstergeleri
ile
gözlemlenebilmektedir.
5. DENEYİN YAPILIŞI:

Sistem çalıştırılarak kontrol valfinde hacimsel su debisi ayarlanır.

Şekil.4’te gösterilen Bilgisayar-deney düzeneği arayüzü ile sıcaklık değerleri termokupl
üzerinden elektronik olarak okunur ve not edilir.

Elemanların giriş ve çıkış entalpi değerleri arayüz üzerinden okunur ve Şekil.5
termodinamik özellikler tablosundan okunan değerler ile karşılaştırılır.

Kompresörün harcadığı güç arayüzden Watt cinsinden okunur.

COP değeri hesaplanır.
Şekil.4 ElettronicaVeneta EPTC/EV Isı Pompası Bilgisayar Arayüzü
6. HESAPLAMALAR:
Asıl etkinlik katsayısı kondenserden suya geçen toplam ısı ve kompresöre giren enerji
yardımı ile hesaplanır.
𝑄̇
𝐶𝑂𝑃 = 𝑊ç𝚤𝑘𝑎𝑛 =
𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛
𝑄̇𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤
𝑃𝑘𝑜𝑚𝑝
(1)
1 numaralı denklemde 𝑄̇ç𝚤𝑘𝑎𝑛 kondenserden suya geçen ısıyı temsil ederken, 𝑊𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛
kompresöre dışarıdan verilen ışı temsil etmektedir. 𝑄̇𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤 değerini hesaplamak için 2
numaralı denklem kullanılır.
𝑄̇𝑓𝑎𝑦𝑑𝑎𝑙𝚤=𝑚̇𝑐𝑝 (𝑇ç𝚤𝑘𝑎𝑛−𝑇𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 )
(Kilowatt)
(2)
Burada 𝑐𝑝 suyun özgül ısısı olup değeri (4,19 kj/kg𝐾°)’dir.
Sonuç olarak çevrimin COP değeri 3 numaralı formülle ifade edilir.
𝐶𝑂𝑃 =
𝑚̇𝑐𝑝 (𝑇ç𝚤𝑘𝑎𝑛 −𝑇𝑔𝑖𝑟𝑒𝑛 )
𝑃𝑘𝑜𝑚𝑝
(3)
İdeal çevrim için P-h diyagramı okunan basınçlar kullanılarak oluşturulur. Çevrim
sürecindeki entalpi değerleri p-h diyagramından elde edilir. İdeal çevrim için etkinlik katsayısı
COP eşitlik 4.’teki gibi hesaplanır.
ℎ −ℎ
𝐶𝑂𝑃𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = ℎ2 −ℎ3
2
1
(4)
Çevrimin gerçek etkinlik katsayısını hesaplamak için çevrimin p-h diyagramı çizilir ve
çevrimin gerçek etkinlik katsayısı 𝐶𝑂𝑃𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 eşitlik 5 ile hesaplanır.
𝐶𝑂𝑃𝑔𝑒𝑟ç𝑒𝑘 =
ℎ2 ∗−ℎ3 ∗
ℎ2 ∗−ℎ1∗
(4)
7. DENEYDEN İSTENİLENLER:
Deney düzeneğinden elde edilen sıcaklık, basınç ve debi değerleri kullanılarak
evaporatör ve konderserde meydana gelen ısı geçiş miktarları ayrı ayrı hesaplanarak
karşılaştırılacaktır. Kompresöre ait enerji tüketim değerleri kullanılarak performans katsayısı
(COP) hesaplanacaktır. Ayrıca çevrimde ölçülen sıcaklık ve basınç değerleri kullanılarak P-h
diyagramı hem deneysel veriler için hem de ideal durum için çizilecektir. P-h diyagramının
elde edilmesinde kullanılan veriler yardımıyla hem ideal hem de gerçek durum için COP
değerleri hesaplanıp hata hesabı gerçekleştirilecektir.
1. Aşağıdaki tabloda istenilen değerler hesaplayınız.
𝑊𝑘𝑜𝑚𝑝 (𝑘𝑗/𝑘𝑔)
Hesaplanan Değeler
Deney
P-h Diyagramından Elde Edilen Bilgiler
COP,asıl
COP,ideal
COP,gerçek
2. Ölçülen değerleri kullanarak EK.1’de verilen P-h diyagramını deney sonuçlarına göre
oluşturunuz ve sonuçları tartışınız.
3. Arayüzden okunan entalpi değerleri ve hesaplanan entalpi değerleri kullanılarak kompresör
gücüne bağlı olarak elde ettiğiniz COP değerlerini karşılaştırınız ve sonuçları yorumlayınız.
KAYNAKLAR
[1] Thermotronics, “Description of the Equipment Operational Handbook”, Volume 1/3
[2] Thermotronics, “Description of the Equipment Operational Handbook”, Volume 2/3
[3] Ondokuz Mayıs Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü “Isı
Pompası Deney Föyü”, 2011
[4] Çengel, Y., Boles, M., “Termodinamik”, Güven Bilimsel Yayınları, 2012
[5] Vikipedia, “Heat Pump” <url> https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_pump
EKLER
EK-1 Freon Akışkanına ait P-h Diyagramı