Isıtma ve soğutma sistemlerinin

TESKON 2015 / SOĞUTMA TEKNOLOJĠLERĠ SEMPOZYUMU
Bu bir MMO
yayınıdır
MMO bu yayındaki ifadelerden, fikirlerden, toplantıda çıkan sonuçlardan,
teknik bilgi ve basım hatalarından sorumlu değildir.
ÇĠFT KADEMELĠ ABSORBSĠYONLU - BUHAR
SIKIġTIRMALI KASKAD SOĞUTMA
ÇEVRĠMĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ
CANAN CĠMġĠT
ĠLHAN TEKĠN ÖZTÜRK
KOCAELĠ ÜNĠVERSĠTESĠ
MAKĠNA MÜHENDĠSLERĠ ODASI
BĠLDĠRĠ
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1001 _______
ÇĠFT KADEMELĠ ABSORBSĠYONLU- BUHAR SIKIġTIRMALI
KASKAD SOĞUTMA ÇEVRĠMĠNĠN TERMODĠNAMĠK ANALĠZĠ
Canan CĠMġĠT
Ġlhan Tekin ÖZTÜRK
ÖZET
Buhar sıkıĢtırmalı çevrimlere alternatif olarak geliĢtirilen absorbsiyonlu soğutma çevrimleri düĢük
sıcaklıklara etkin soğutma yapamamaktadır. Absorbsiyonlu ve buhar sıkıĢtırmalı çevrimler kaskad
çalıĢtırılacak Ģekilde birleĢtirildiğinde kompresörde tüketilen iĢ yaklaĢık yarı yarıya azaltılabilmektedir
o
fakat bunun yanı sıra düĢük sıcaklıkta (80-150 C) ısı enerjisi kullanımı da gerektirmektedir. DüĢük
sıcaklıkta ısı kaynağı olarak güneĢ enerjisi, jeotermal enerji ve endüstriyel tesislerin atık ısıları
rahatlıkla kullanılabilmektedir. Çift kademeli absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde iki adet
kaynatıcı(generatör) kullanımı ile soğutma gücü arttırılarak çevrimin soğutma tesir katsayısının (COP)
iyileĢmesi sağlanır. Bu çalıĢmada absorbsiyonlu–buhar sıkıĢtırmalı kaskad çevriminin performansını
iyileĢtirmek için absorbsiyonlu kısmının çift kademeli olarak çalıĢtırılması tasarlanmıĢtır. AkıĢkan
olarak absorbsiyonlu kısımda LiBr-H2O ve buhar sıkıĢtırmalı kısmında da NH3 ve R-134a soğutucu
akıĢkan çiftlerinin kullanılacağı iki ayrı kaskad çevrimin termodinamik analizi ve tek kademeli
absorbsiyonlu–buhar sıkıĢtırmalı kaskad çevrimi ile karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. Analiz sonuçlarına
göre çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı kaskad çevrimlerinin tek kademeli kaskad soğutma
çevrimine göre % 33 daha az ısıl enerjiye ve tek kademeli buhar sıkıĢtırmalı soğutma çevrimine göre
de % 57 daha az elektrik enerjisine ihtiyaç olduğu görülmüĢtür.
Anahtar kelimeler: Soğutma, absorbsiyon, kaskad.
ABSTRACT
Absorption refrigeration cycles, the developed as an alternative to vapour-compression refrigeration
cycle, are not effective at low temperatures. When the absorption and vapour compression cycles are
combined as cascade the consumed compressor work can be reduced considerably but it requires
o
the use of heat energy at low temperature (80-150 C). Solar energy, geothermal energy and industrial
waste heat can easily be used as the heat source at low temperature. The double generator is used in
the two-stage absorption cooling system because the coefficient performance of cycle (COP) is
achieved by increasing cooling capacity. In this study, the absorption part has been designed to
improve the performance of absorption-vapour compression cascade cycle as a two-stage. For the
two-stage absorption-vapour compression cascade cycle working fluid used NH3 and R-134a for
vapour compression section and NH3-H2O for absorption section. The new cycles have been
compared with single-stage absorption-vapour compression cascade cycle. The results show that the
thermal energy in the two-stage cascade cycle is 33 % lower than the single-stage cascade
refrigeration and the electrical energy consumption in the two-stage cascade cycle is 57 % lower than
classical one stage vapour compression refrigeration cycle.
Key words: Refrigeration, absorption, cascade.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1002 _______
1.GĠRĠġ VE AMAÇ
Klasik buhar sıkıĢtırmalı soğutma sistemlerinde kullanılan soğutucu akıĢkanların ozon tabakasına
zararlı etkileri ve günümüzde yaĢanan enerji darboğazı nedeniyle özellikle absorbsiyonlu soğutma
sistemleri büyük önem kazanmıĢtır. Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde güneĢ enerjisi, jeotermal
enerji, atık ısı gibi temini ucuz olan enerji türlerini kullanabilmesi nedeniyle hem çevre koruması hem
de enerji tasarrufu sağlanmaktadır.
Literatürde absorbsiyonlu soğutma çevrimlerinin performansını inceleyen bir dizi çalıĢma sunulmuĢtur.
Lee ve Sherif [1], ısıtma ve soğutma uygulamaları için LiBr-su akıĢkan çifti ile çalıĢan absorbsiyonlu
soğutma sistemine termodinamiğin birinci ve ikinci kanunun analizi yapmıĢlardır. Mehrabian ve
Shahbeik [2], LiBr-su ile çalıĢan tek etkili absorbsiyonlu soğutma sisteminin tasarım ve termodinamik
analizi için bilgisayar programı geliĢtirmiĢlerdir. Bu program bütün noktalardaki termodinamik
özellikleri, sistemdeki bütün ısı değiĢtiricilerin tasarım bilgilerini ve toplam çevrim performansının
hesaplanmasını sağlamaktadır. Kılıç ve Kaynaklı [3], tek etkili LiBr-su eriyiği ile çalıĢan absorbsiyonlu
soğutma sistemlerine termodinamiğin birinci ve ikinci kanun analizlerini uygulamıĢlardır. Sistemin
performansını, sistemi oluĢturan her bir elemanın ekserji kaybını ve sistemin toplam ekserji kaybını
hesaplamak için ekserji metodunu temel alan matematiksel model oluĢturmuĢlardır. Gomri [4], tek
etkili ve çift etkili absorbsiyonlu soğutma sistemlerini termodinamiğin birinci ve ikinci kanununa göre bir
karĢılaĢtırma çalıĢması yapmıĢtır. Çift etkili absorbsiyonlu soğutma sisteminin soğutma tesir
katsayısının (COP) tek etkili absorbsiyonlu soğutma sisteminin performans katsayısının yaklaĢık
olarak 2 katı olduğunu fakat ekserji veriminin tek etkili absorbsiyonlu soğutma sistemine göre biraz
yüksek olduğunu belirtmiĢlerdir. Solum vd. [5], LiBr-su akıĢkan çiftiyle çalıĢan bir çift etkili absorpsiyon
soğutma sisteminin termodinamiksel büyüklüklerinin sistem performansına etkileri incelenmiĢtir.
Sistem elemanlarının sıcaklık ve basınçları değiĢtirilerek, sistemin COP‟si ölçülmüĢtür. ÇalıĢmada,
çevrimin analizi için EES adlı bir mühendislik programı kullanılmıĢtır. Herold vd. [6], soğutucu akıĢkan
olarak LiBr-H2O çiftini kullanarak buhar sıkıĢtırmalı-absorbsiyonlu hybrid çevrimin analizini
incelemiĢlerdir. Absorbsiyonlu sisteminin performansını iyileĢtirmek için sistemde kompresör
kullanılmıĢtır. Kompresörün düĢük izontropik verimi ve yüksek maliyetinden dolayı bu analiz düĢük
ekonomik olarak sonuçlanmıĢtır.
Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin performanslarını artırmak amacıyla klasik buhar sıkıĢtırmalı
soğutma sistemlerle birlikte tasarlanması ile ilgili literatürde çeĢitli çalıĢmalar mevcuttur. Kairouani ve
Nehdi [7], absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı kaskad soğutma sisteminin absorbsiyonlu kısmında NH 3H2O akıĢkan çifti, buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise üç farklı akıĢkan (R717, R22, R-134a) kullanan
sistem için gerekli elektrik enerjisinin aynı çalıĢma koĢullarında R717, R22 ve R-134a soğutucu
akıĢkan kullanan buhar sıkıĢtırmalı sistemden %37-54 daha düĢük olduğunu belirtmiĢlerdir. CimĢit ve
Öztürk [8], kaskad soğutma sisteminin absorbsiyonlu kısmında daha önce çalıĢılan NH 3-H2O akıĢkan
çiftine alternatif olarak LiBr-H2O çiftinin kullanılması buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise farklı soğutucu
akıĢkanlar (R-134a, R410A, NH3) kullanılması durumlarının termodinamik analizini yapmıĢtır. Kaskad
soğutma sistemleri aynı çalıĢma Ģartlardaki klasik buhar sıkıĢtırmalı sistemlerine göre aynı miktar
soğutma elde edebilmek için kaskad sistemlerde % 48 ile %52 arasında değiĢen daha az elektrik
enerjisine ihtiyaç duyulduğu görülmüĢtür. CimĢit vd. [9], kaskad soğutma sisteminin absorbsiyonlu
kısmında LiBr-H2O akıĢkan çiftinin buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise NH 3, R-134a, R-410A ve CO2
soğutucu akıĢkanlar kullanılması durumlarında sistemin farklı çalıĢma sıcaklıklarına göre birinci ve
ikinci kanun analizleri yapılmıĢtır. Bu analizlere göre kaskad çevriminin yoğuĢturucu ve absorber
sıcaklığı arttıkça çevrimin soğutma tesir katsayısı azalmakta buna karĢılık kaynatıcı ve buharlaĢtırıcı
sıcaklığının artmasıyla da çevrimin soğutma tesir katsayısının artmakta olduğu tespit edilmiĢtir. Artan
absorber, kaynatıcı ve kondenser sıcaklıklarında sistemin toplam tersinmezliklerinin artmakta olduğu
bunun da ekserji verimlerini olumsuz yönde etkilediği görülmüĢtür.
CimĢit vd. [10], kaskad soğutma sisteminin termoekonomik yapılmıĢtır. Kaskad soğutma çevriminin en
iyi çalıĢma koĢullarının belirlenmesi için farklı sıcaklıklara göre optimizasyonu yapılmıĢtır. Bu
kapsamda absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı kaskad soğutma sisteminin termoekonomik analizi için
sistemin ve sistem elemanlarının detaylı ekserji analizi, sistem elemanlarının yatırım maliyetinin
hesabı, elemanların termodinamik değiĢkenler cinsinden yatırım maliyetlerinin açıklanması,
ekserjiekonomi analizi ve enerjinin etkin kullanımı amacıyla sistemin optimizasyonu yapılmıĢtır.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1003 _______
Bu çalıĢmada absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı soğutma sisteminin verimini artırmak için absorbsiyonlu
kısmının çift kademeli olarak çalıĢtırılması tasarlanmıĢtır. Analizde çift kademeli absorbsiyonlu-buhar
sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma sisteminin absorbsiyonlu kısmında LiBr-H2O akıĢkan çifti kullanıldığı,
buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise R-134a ve NH3 kullanıldığı kabul edilerek oluĢturulan çevrimlerin ve tek
kademeli absorbsiyonlu–buhar sıkıĢtırmalı kaskad çevrimlerinin termodinamiğin birinci kanununa göre
analizleri yapılmıĢ ve sonuçları karĢılaĢtırılmıĢtır.
2. ÇEVRĠMLERĠN ANALĠZĠ
Bu bölümde bu çalıĢmada analiz edilecek çevrimler tanıtılarak, analizlerde yapılan kabuller ile
kullanılan bağıntılar açıklanacaktır.
2.1. Tek Kademeli Absorbsiyonlu- Buhar SıkıĢtırmalı Kaskad Soğutma Çevrimi
Tek kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma sistemi için absorbsiyonlu kısmında
akıĢkan çifti olarak LiBr-H2O buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise R-134a kullanıldığı kabul edilerek
oluĢturulan çevrim ġekil 1‟de detaylı açıklanmıĢtır.
Qyoğ
Qkay
YoğuĢturucu 2
(Kondenser)
Kaynatıcı
(Generatör)
1
8
1
7
Eriyik Isı DeğiĢtiricisi (EID)
9
6
1
BuharlaĢtırıcı 2
1
5
1
YoğuĢturucu 1
3
Absorber
2
Kompresö
r
W ne
Qabs
4
BuharlaĢtırıcı 1
(Evaporatör 1)
1
Qbuh
ġekil 1.Tek kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma sistemi.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1004 _______
Absorberden çıkan LiBr bakımından fakir olan eriyik bir pompa aracılığı ile ısı değiĢtiricisinden geçerek
kaynatıcıya(generatör) gelir. Sıcak ve yüksek basınçtaki soğutucu akıĢkan kaynatıcıdan kondensere
girer. Kaynatıcıda eriyikten soğutucu buharının ayrılmasıyla LiBr bakımından zenginleĢen eriyik ısı
değiĢtiricisinden geçerken fakir eriyiğe ısı vererek absorbere geri döner. Kondenserden doymuĢ sıvı
olarak çıkan soğutucu akıĢkan kısılma vanası aracılığıyla buharlaĢtırıcı basıncına kadar geniĢletilir.
BuharlaĢtırıcıda soğutucu akıĢkan buhar sıkıĢtırmalı soğutma sisteminin kondenserinden aldığı ısıyla
buharlaĢarak absorbere girer. Buhar sıkıĢtırmalı soğutma sisteminde ise soğutucu akıĢkan
kompresörde yüksek basınca kadar sıkıĢtırılarak kondensere gönderilir. Kondenserde absorbsiyonlu
soğutma sisteminin soğutucu akıĢkanına ısı vererek yoğuĢan soğutucu akıĢkan, kısılma vanasında
kısılarak buharlaĢtırıcıya girer. BuharlaĢtırıcıda soğutucu akıĢkan soğutulan ortamının ısısını çekerek
ortamı soğutur.
2.2. Çift Kademeli Absorbsiyonlu- Buhar SıkıĢtırmalı Kaskad Soğutma Çevrimi
Bu çalıĢma için tasarlanan çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma çevrimi
için absorbsiyonlu kısmında akıĢkan çifti olarak LiBr-H2O kullanıldığı, buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise
R-134a kullanıldığı kabul edilmiĢtir. Böyle bir çevrimin genel Ģeması ġekil 2‟de verilmiĢtir.
Qgen
Qkon
1
YoğuĢturucu 2
(Kondenser)
1
Kaynatıcı II
(Generatör II)
Kaynatıcı I
(Generatör
I)
1
1
1
9
8
Eriyik Isı DeğiĢtiricisi I (EID)
2
1
1
7
Eriyik Isı DeğiĢtiricisi II (EID)
1
1
6
1
BuharlaĢtırıcı 2
2
5
Absorber
YoğuĢturucu 1
3
2
Kompresör
Exv-1
W ne
Qabs
4
BuharlaĢtırıcı
1
(Evaporatör 1)
1
Qevap
ġekil 2. Çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma sistemi
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1005 _______
Çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma sisteminin absorbsiyon kısmında
LiBr-H2O ve buhar sıkıĢtırmalı kısımda R-134a kullanılması durumu ġekil 2‟de gösterilmiĢtir. Çift
kademeli kaskad soğutma sisteminin absorbsiyon kısmının çalıĢma prensibi tek kademeli
absorbsiyonlu soğutma sistemiyle aynı olmakla beraber sistemde iki adet kaynatıcı (generatör) ve ısı
değiĢtirgeci bulunmaktadır. Absorberden çıkan LiBr eriyiği sırasıyla ikinci eriyik ısı değiĢtirici, birinci ısı
değiĢtirici, birinci kaynatıcı (generatör), birinci ısı değiĢtirici, ikinci kaynatıcı (generatör), ikinci eriyik ısı
değiĢtiricisini dolaĢtıktan sonra tekrar absorbere girer. Ġkinci kaynatıcıdan ayrıĢan su kondensere
girerek diğer su buharıyla birleĢir. Kondenserden doymuĢ sıvı olarak çıkan soğutucu akıĢkan kısılma
vanası aracılığıyla buharlaĢtırıcı basıncına kadar geniĢletilerek evaporatöre gelir. Evaporatörde
soğutucu akıĢkan buhar sıkıĢtırmalı soğutma sisteminin kondenserinden aldığı ısıyla buharlaĢarak
absorbere girer. Buhar sıkıĢtırmalı soğutma sisteminin çalıĢması tek kademeli kaskad soğutma
sistemiyle aynı olup Bölüm 2.1.‟de bahsedilmiĢtir [5] ve [8].
Çevrimlerin termodinamik analizine temel oluĢturacak aĢağıda belirtilen birtakım kabuller yapılmıĢtır,
bunlar:
1.
Analiz sürekli rejim Ģartlarında yapılmıĢtır.
2.
Generatör çıkıĢındaki akıĢkan doymuĢ buhar olup sıcaklığı, generatör sıcaklığındadır.
3.
Kondenserden çıkan soğutucu akıĢkan, doymuĢ sıvı fazındadır.
4.
Evaporatörden çıkan soğutucu akıĢkan, doymuĢ buhar fazındadır.
5.
Absorberden çıkan eriyik, absorber basıncı ve sıcaklığında denge halindedir.
6.
Generatörden çıkan eriyik, generatör sıcaklığı ve basıncında denge halindedir.
7.
Sistemde bütün basınç kayıpları ihmal edilmiĢtir.
8.
Absorbsiyonlu sistemde pompanın tükettiği iĢ ihmal edilmiĢtir.
Ayrıca buhar sıkıĢtırmalı soğutma sistemindeki kompresörün izantropik ηis=0.80 alınmıĢtır.
Sistemde evaparatör, kondenser, absorber, iki jeneratör ve iki adet ısı değiĢtirgeci vardır. Sistem
elemanları yüksek, orta ve düĢük basınç seviyelerinde olmak üzere üç farklı basınç kategorisinde
çalıĢacak Ģekilde gruplandırılabilirler. Birinci jeneratör yüksek basınçta, ikinci jeneratör ve kondenser
orta basınçta, evaparatör ve absorber ise düĢük basınçta çalıĢır. Birinci jeneratördeki yüksek basınç
bir pompa vasıtayla sağlanmaktadır. Ġkinci jeneratör ve kondenser orta basıncı iki adet basınç
düĢürücü vana ile sağlanır. Absorberdeki düĢük basınç bir basınç düĢürücü vana ile evaparatör düĢük
basıncı ise bir kısılma vanası ile elde edilir [4].
Absorbsiyonlu soğutma sistemini oluĢturan her bir eleman Sürekli AkıĢlı Sürekli Açık Sistem (SASA)
olarak ele alınıp, her bir eleman için ayrı ayrı süreklilik denklemi ve Termodinamiğin I.Kanunu
yazılarak ısıl kapasiteleri bulunabilir [11] ve [12].
Genel kütle dengesi ve LiBr için kütle dengesi kararlı rejim Ģartlarında çalıĢma için aĢağıdaki
denklemlerle elde edilebilir.
.
.
m  m
 m .x   m .x
g
.
.
g
(1)
ç
g
ç
ç
0
(2)
Termodinamiğin I.Kanunu; kinetik ve potansiyel enerjilerin ihmal edilmesi durumunda kararalı rejim
için
. .
.
.
Q W   H ç   Hg
(3)
Absorbsiyonlu soğutma sistemi cihaz kapasiteleri kondenser 2, absorber, kaynatıcı I, buharlaĢtırıcı 2
ve kaynatıcı II için aĢağıda verilmiĢtir.
 16.h16  m
 17.h17  m
 18.h18
Q kon.2  m
(4)
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1006 _______
 13.h13  m
 20.h20  m
 5.h5
Q abs  m
 14.h14  m
 9.h9  m
 8.h8
Q kayI  m
(5)
(6)
 2.h2  m
 3.h3
Q buh2  m
 21.h21  m
 16.h16  m
 11.h11
Q kayII  m
(7)
(8)
Buhar sıkıĢtırmalı soğutma sistemi cihazlarının kapasiteleri kompresör ve buharlaĢtırıcı 1 için aĢağıda
verilmiĢtir.
.
W komp  m 1.( h 2  h1)
 1.(h1  h4)
Q buh1  m
(9)
(10)
Kaskad sisteminin buhar sıkıĢtırmalı soğutma kısmının performans katsayısı (COPbuh.)
COPbuh  Q buh1 / W komp
(11)
Kaskad sisteminin absorbsiyonlu kısmının soğutma tesir katsayısı (COPabs):
COPabs  Q buh2 / Q kay1
(12)
Kaskad sisteminin genel performans katsayısı (COPçevg.)
COPçevg  Q buh1 /(W komp  Q kayI )
(13)
Soğutma çevrimlerinde kullanılan LiBr-H2O eriyiği ilgili termodinamik özellikler [13] referansında verilen
bağıntılar yardımıyla elde edilmiĢtir.
ġekil 2‟de verilen örnek çevrimin (absorbsiyonlu kısmında LiBr-H2O akıĢkan çifti kullanıldığı, buhar
sıkıĢtırmalı kısmında ise R-134a kullanıldığı kabul edilen) bütün noktalarındaki sıcaklık, entalpi,
kütlesel debi ve konsantrasyon değerleri Tablo 1‟de verilmiĢtir. Tüm analizlerde birinci ve ikinci eriyik
eĢanjörü ısı değiĢtirgeci etkenlikleri sırasıyla ε1= 0,70 ve ε2=0,80 olarak alınmıĢtır.
Analiz edilen çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma çevriminin
absorbsiyonlu kısmında LiBr-H2O akıĢkan çifti kullanıldığı, buhar sıkıĢtırmalı kısmında ise R-134a ve
NH3 kullanıldığı kabul edilmiĢtir. OluĢturulan bu çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad)
o
o
soğutma çevrimlerinin aynı çalıĢma koĢullarındaki (T buh=-10 C ve Tkon=40 C, soğutma yükü 50 kW) tek
kademeli absorbsiyonlu–buhar sıkıĢtırmalı kaskad ve tek kademeli klasik buhar sıkıĢtırmalı soğutma
çevrimi ile karĢılaĢtırılması yapılmıĢtır. Analiz sonuçlarına göre sistem elemanlarının ısıl kapasite ve
soğutma tesir katsayısı (STK) değerleri Tablo 2‟de gösterilmiĢtir.
Tablo 2‟den görüldüğü gibi çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma
çevrimlerinden (LiBr-H2O/R-134a ve LiBr-H2O/NH3) buhar sıkıĢtırmalı kısmında R-134a kullanım
durumunda kompresör iĢi NH3 „a göre biraz daha az olmaktadır.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1007 _______
Tablo 1. ġekil 2‟de açıklanan çevrimin çeĢitli noktalarındaki termodinamik özellikleri.
AkıĢ No
o
T( C)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
P(kPa)
-10
22
14
-10
40
40
71
112
135
90.2
90.2
49
49
135
87
85
40
40
10
10
85
200.52
472,76
472,76
200.52
1.23
62.73
62.73
62.73
62.73
62.73
7.38
7.38
1.23
62.73
62.73
7.38
7.38
7.38
1.23
1.23
7.38
h (kj/kg)
391.32
413.18
218.92
218.92
97.64
97.64
160.95
246.61
298.65
208.32
208.32
136.32
136.32
2727.2
364.30
2651.40
364.30
167.5
167.5
2518.90
205.38
X(% LiBr)
55
55
55
55
58
58
58
60
60
60
m (kg/s)
0.290
0.290
0.290
0.290
0.288
0.288
0.288
0.288
0.273
0.273
0.273
0.264
0.264
0.015
0.015
0.009
0.015
0.024
0.024
0.024
0.264
Tablo 2. DüĢünülen çevrimlerin sistem elemanlarının ısıl kapasite ve soğutma tesir katsayıları
değerlerinin karĢılaĢtırılması.
Çift kademeli kaskad Çift kademeli kaskad
soğutma sistemi
soğutma sistemi
(LiBr-H2O/R-134a)
(LiBr-H2O/ NH3)
Qkay1 (kW)
Qkay2 (kW)
Qabs. (kW)
Qbuh2 (kW)
Qkon2 (kW)
Wkomp (kW)
Qbuh1 (kW)
COPbuh
COPabs
COPçevg
51.42
21.21
68.32
56.34
25.31
6.34
50
7.89
1.09
0.87
51.42
21.21
68.32
56.03
25.31
6.29
50
7.95
1.09
0.87
Tek kademeli kaskad Tek kademeli
soğutma sistemi
klasik buhar sıkıĢtırmalı
(LiBr-H2O/ NH3)
soğutma sistemi
(NH3)
76.59
73.36
56.02
59.61
6.29
50
7.95
0.73
0.60
64.55
14.55
50
3.44
-
Tablo 2‟den çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma çevrimleri aynı Ģartlarda
aynı miktar soğutma elde edebilmek için gerekli olan kompresör iĢi tek kademeli buhar sıkıĢtırmalı
soğutma çevrimine göre % 57 daha az olduğu görülmektedir. Ancak çift kademeli kaskad soğutma
çevriminin 51.42 kW kadar ısıl enerji ile (güneĢ enerjisi, jeotermal veya atık ısı) beslenmesi
gerekmektedir.
Çift kademeli kaskad soğutma çevriminin (LiBr-H2O/NH3) absorbsiyon kısmının performans katsayısı
(COPabs) tek kademeli kaskad soğutma çevriminin (LiBr-H2O/NH3) performans katsayısından yaklaĢık
yaklaĢık % 33 daha fazladır. Ayrıca çift kademeli kaskad soğutma çevriminin (LiBr-H2O/NH3) COPçevg
değeri tek kademeli kaskad soğutma çevrimine (LiBr-H2O/NH3) göre % 31 daha fazla olduğu Tablo
2‟den görülmektedir. Çift kademeli kaskad soğutma çevrimi ile alternatif enerji kaynaklarının ve atık
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1008 _______
ısıların değerlendirilmesi sonucu klasik buhar sıkıĢtırmalı çevrimlere göre daha az elektrik enerjisi sarf
edilerek düĢük sıcaklıklara soğutma yapmak mümkün olabilmektedir.
3.SONUÇ VE ÖNERĠLER
Bu çalıĢmada absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin performansını artırmak için absorbsiyonlu ve klasik
buhar sıkıĢtırmalı soğutma sistemleri birlikte düĢünülerek oluĢturulan çift kademeli absorbsiyonlubuhar sıkıĢtırmalı (kaskad) çevrimleri incelenmiĢtir. Çift kademeli absorbsiyonlu-buhar sıkıĢtırmalı
(kaskad) çevrimleri karĢılaĢtırma için esas alınan çevrim Ģartlarında tek kademeli kaskad soğutma
çevrimine göre % 33 daha az ısıl enerjiye ve tek kademeli buhar sıkıĢtırmalı soğutma çevrimine göre
de % 57 daha az elektrik enerjisi tüketimine ihtiyaç duyulmaktadır. Çift kademeli absorbsiyonlu-buhar
sıkıĢtırmalı (kaskad) soğutma çevrimleriyle güneĢ enerjisi, jeotermal enerji ve atık ısıların
değerlendirilmesi sonucu klasik buhar sıkıĢtırmalı çevrimlere göre daha az elektrik enerjisi tüketimi ve
kullanılan akıĢkan çiftlerinin ozon tabakasına zarar vermemesiyle düĢük sıcaklıklara daha etkin
soğutma yapma imkânı bulunmaktadır. Ayrıca bu sistemlerin optimum çalıĢma Ģartlarının elde
edilebilmesi için termoekonomik analizinin yapılması gerekmektedir.
4. SEMBOLLER
Semboller
EID
h
m
P
Q
COP
T
x
W
Eriyik Isı DeğiĢtiricisi
Entalpi [kJ/kg]
Kütlesel debi [kg/s]
Basınç [kPa]
Isıl güç [kW]
Soğutma tesir katsayısı
Sıcaklık [K]
Konsantrasyon
Kompresör gücü [kW]
Alt indisler
abs
buh
çevg
ç
g
kay
komp
kon
Absorber, absorbsiyon
BuharlaĢtırıcı
Çevrim genel
ÇıkıĢ
GiriĢ
Kaynatıcı
Kompresör
YoğuĢturucu
5. KAYNAKLAR
[1] LEE, S., SHERIF S.A., “Thermodynamic analysis of a lithium bromide/water absorption systems
for cooling and heating applications”, Int. Journal of Energy Research, 25, 1019-1031, 2001.
[2] MEHRABIAN, M.A., SHANBEIK, A.E., “Thermodynamic modelling of a single-effect LiBr-H2O
absorption refrigeration cycle”, Process Mechanical Engineering, 219, 261-273, 2005.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi
12. ULUSAL TESĠSAT MÜHENDĠSLĠĞĠ KONGRESĠ – 8-11 NĠSAN 2015/ĠZMĠR
____________________ 1009 _______
[3] KILIÇ, M., KAYNAKLI, Ö., “Second law-based thermodynamic analysis of water lithium bromide
absorption refrigeration system”, Energy, 2006.
[4] GOMRI, R., “Second law comparison of single effect and double effect vapour absorption
refrigeration systems”, Energy Conversion and Management, 50, 1279-1287, 2009.
[5] SOLUM, C., KOÇ, Ġ., ALTUNTAġ, Y., “Çift etkili LiBr-H2O akıĢkanlı Absorbsiyonlu Soğutma
Sisteminde Termodinamiksel Büyüklüklerin Sistem Performansına Etkileri”, Havacılık ve Uzay
Teknolojileri Dergisi, Cilt 5, Sayı 1, 19-26, Ocak 2011.
[6] HEROLD, K.E., HOWE, L.A., RADERMACHER, R., “Analysis of a hybrid compression-absorption
cycle using lithium bromide and water as the working fluid”, International Journal of Refrigeration
14 264-272, 1991.
[7] KAIROUANI, L., NEHDI, E., “Cooling performance and energy saving of a compressionabsorption refrigeration system assisted by geothermal energy”, Applied Thermal Engineering, 26,
288-294, 2006.
[8] CĠMġĠT, C., ÖZTÜRK, Ġ.T., “Analysis of compression-absorption cascade refrigeration cycles”,
Appl. Therm. Eng. 40, 311-317, 2012.
[9] CĠMġĠT, C., ÖZTÜRK Ġ.T., HOġÖZ, M., “Second Law Based Thermodynamic Analysis Of
Compression-Absorption Cascade Refrigeration Cycles”, Journal of Thermal Science and
Technology, 34 (2), 9-18, 2014.
[10] CIMSIT, C., OZTURK, I., KINCAY, O., “Thermoeconomic optimization of LiBr/H2O-R134a
compression- absorption cascade refrigeration cycle”, Applied Thermal Engineering, Volume 76,
Pages 105-115, July 2015.
[11] YAMANKARADENĠZ, R., HORUZ, Ġ., ÇOġKUN, S., “Soğutma Tekniği ve Uygulamaları”, VipaĢ
A.ġ., Uludağ Üniversitesi Güçlendirme Vakfı, Bursa, 2002.
[12] ÇENGEL, Y.A., BOLES, M.A., “Mühendislik YaklaĢımıyla Termodinamik, 2. Basım”, Derbentli, T.,
McGraw-Hill/Literatür:Yayıncılık, 1996.
[13] KAITA, T., “Thermodynamic properties of lithium bromide-water solutions at high temperatures”,
Int. J. Refrigeration, 24, 374-390, 2001.
ÖZGEÇMĠġ
Canan CĠMġĠT
Ġlk, orta ve lise eğitimini Kocaeli tamamladı. Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık
Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü‟nden mezun oldu. Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü‟nde yüksek lisansını tamamladı. Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina
Mühendisliği Anabilim Dalı‟ndan Doktora derecesini aldı. Halen Kocaeli Üniversitesi Gölcük Meslek
Yüksekokulu‟nda öğretim üyesi olarak çalıĢmaktadır.
Ġlhan Tekin ÖZTÜRK
Yıldız Üniversitesi Kocaeli Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü‟nden 1985 yılında
mezun oldu. Yine aynı üniversitenin Fen Bilimleri Enstitüsü‟nde 1987 yılında yüksek lisansını
tamamladı. 1993 yılında Y.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı‟ndan
Doktora derecesini aldı.1998 yılında Makina Mühendisliği Termodinamik Anabilim Dalı‟ndan Doçent ve
2004 tarihinde yine aynı anabilim dalından Profesör unvanını aldı. 1987-1992 tarihleri arasında YTÜ
Kocaeli Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü‟nde araĢtırma görevlisi olarak görev yaptı.
1993 tarihinden itibaren Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü
Termodinamik ve Isı Tekniği Anabilim Dalı‟nda öğretim üyesi olarak görevine devam etmektedir. Evli
ve bir çocuk babası olan ÖZTÜRK‟ün uzmanlık alanları; Termodinamik, Ekserji Analizi,
Termoekonomik Optimizasyon, Enerji Yönetimi, Bölgesel Isıtma, Ġklimlendirme, Soğutma ve Yalıtım
olarak sıralanabilir. TMMOB Makine Mühendisleri Odası, Türk Isı Bilimi ve Tekniği Derneği ve Türk
Tesisat Mühendisleri Derneği üyesidir.
Soğutma Teknolojileri Sempozyumu Bildirisi