SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ESASLARI

  • Published on
    05-Aug-2015

  • View
    120

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

<p>SOUTMA SSTEMLERNN ESASLARI Dr. M. Turhan OBAN E.. Mhendislik Fakultesi, Makine Mh. Blm1. SOUTMA SSTEMLER HAKKINDA TEMEL BLGLER</p> <p>1.0 GENEL TANIMLAR Akkan : Termodinamik evrimi oluturan maddelerdir sv, buhar veya gaz halinde bulunabilirler. enerji : Atomlarn hareketlerinden dolay oluan kinetik enerjidir Scaklk : Atomlar kinetik enerjisinin (i enerjinin) llebilir bir gstergesidir. Birim K (derece Kelvin = C + 273.15) Basn : Birim alana uygulanan Kuvvettir. (birim N/m2=Pa) Entalpi : i enerji art potansiyel enerji Doymu sv : verilen akkan basnc iin kaynama noktasndaki sv Doymu buhar : verilen akkan basnc iin kaynama noktasndaki buhar Buhar yzdesi : doymu buhar-sv karmndaki % buhar miktar Akkan debisi : akkann sistemdeki ak oran kg/s 1.1. SOUTMA MAKNALARI Soutma makinalar bir blgeyi evre scaklnn altnda tutmak iin kullanlan sistemlerdir. Bu tr sistemlerde tek fazl akkan kullanlabilecei gibi iki fazl akkanlar da kullanlabilir. Genelde soutma uygulamalar, yiyeceklerin saklanmas, binalarn soutulmas gibi uygulamalar iin dnlr, fakat bir ok farkl uygulamas da mevcuttur. rnein uzay aralarnn sv yaktlarnn eldesi, demir elik fabrikalarnda kullanlan oksijenin elde edilmesi , doal gazin tanmas ve depolanmas gibi alanlar kapsayabilir. Soutma makinalar temel olarak g retme makinalarnn tersi prensiple alr. Dardan i girerek sou enerjisi elde edilir. Hepimiz elimize dklen kolonyann serinlik verdiini biliriz. Bunun temel nedeni kolonyann iindeki alkoln buharlamas sonucu evresinden (elimizden) s enerjisi ekmesidir. Soutma makinalarnn ou genel olarak bir alma akkannn (soutkann) dk basnta buharlatrlmas ve yksek basnta tekrar svlatrlmas prensibine dayanr. Bundan baka bir gazn yksek basnca sktrldktan sonra soutulmas sonrada dk basnca genletirilmesi prensibine dayanan soutma sistemleri de vardr. Bu tr sistemler gazlarn svlatrlmasnda ve uaklarda ska kullanlrlar. Termo-iyonik soutucularda (Peltier soutucular) gittike daha fazla kullanm bulunmaktadr. Bu soutucularda ularndan birbirine balanm iki deiik tr alamdan elektrik akm geirilir ve bir u snrken dieri u sour. Soutma akkanlarnn sktrlmas genelde kompresr dediimiz aygtlarla gerekleir. Kompresrler genel olarak piston silindir tipi, turbokompresrler, vida tipi kompresrler, ses dalgalaryla sktrma gibi deiik tiplerde olabilir. Absorbsiyon tipi soutucularda basn sv pompas ve birden fazla svnn fazlarnn ayrlmas sistemiyle de oluturulabilir</p> <p>Soutma akkanlarnn ayn zamanda genletirilmesi de gerekmektedir. Genleme ideal olarak bir trbin veya genleme makinasnda yaplabilir, fakat genel uygulama bir genleme vanas veya lle, klcal bir boru veya delikli levhalar kullanmaya dayanr. imdi bu makinalarn bazlarn daha detayl olarak inceleyelim. 1.2. KARNOT SOUTMA MAKNASI Karnot soutma makinas teorik olarak soutma akkannn sktrld bir kompresr, soutma akkannn buharlatrld bir evaporatr, soutma akkannn genletirildii bir trbin ve bir kondenserden (youturucu) oluur. En yksek alma verimine ulaabilecek makinadr. Akkan olarak doymu sv buhar karmn kullanlabilir. Teoride bu evrim en iyi verim vermekle beraber, pratik kullanmda sv buhar karmnn kompresrde sktrlmas ve trbinde genletirilmesi ok zordur. Ayn zamanda trbin pahal bir aratr. Bu yzden bu evrim pratik uygulamalarda ok fazla yer bulmamtr.</p> <p>ekil 1.1 Karnot evrimi ematik grnm ve T-s (scaklk entropi) diyagram.</p> <p>Burada 1-2 kompresr, 2-3 kondenseri, 3-4 trbini, 4-1 evaporatr gstermektedir. 1.3. STANDART SOUTMA EVRM (MAKNASI) Carnot evrimindeki problemler bu evrimi biraz deitirerek giderilebilir. Kompresre doymu sv-buhar karm gnderilecek yerde karm kzdrlarak tamamen doymu veya kzgn buhar haline getirilebilir. Pahal olan trbin bir genleme vanasyla deitirilebilir. Bu deiiklikler yapldnda gnmzde en fazla kullanlan soutma sistemi olumu olur.ekil 2 de bu evrimin bileenlerini ematik olarak grmekteyiz.</p> <p>ekil 1.2 Standart soutma evrimiekil 3 de byle bir soutma sisteminin daha ayrntl ve gereki bir diyagramn grmekteyiz. ekil 4 de ise ayn evrimin scaklk entropy (T-S) diyagramnda gsteriliini grmekteyiz. ekillerden de grld gibi soutma makinas temel olarak bir buharlatrc (evaporatr), bir Youturucu (Kondanser), bir kompresr ve bir genleme vanasndan olumaktadr. Evaporatrde ortamdan s enerjisi ekilir, kondenserde ise s evreye verilir. Kondenser ve evaporatr olarak genelde hava veya suya veya soutulacak besin maddesine s aktaracak s deitirgelerinden yararlanlr. Kompresr giriine 1, kompresr k-kondenser giriine 2, kompresr kna 3 ve evaporator giriine 4 dersek, Bu sistemdeki evaporatrn evreden ektii s : Qevaporatr = m * (h1 h4) forml ile hesaplanabilir. Burada m akkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (KJ/kg). Burada m akkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (KJ/kg). Soutma evriminde deiik akkanlar kullanlabilir. Bu akkanlar ve termodinamik zelliklerinin detaylar bir sonraki blmmzde verilecektir. Evaporatr giri ve k artlar bilindiinde entalpi deerleri termodinamik tablo, diagram veya programlar yardmyla bulunabilir. Kondenserde da atlan s ise Qkondenser = m * (h2 h3) forml ile hesaplanabilir. Kompresrn ektii elektrik enerjisi : Wkompresr = m (h2 h1) / mekani-elektrik forml ile hesaplanr. Buradaki mekani-elektrik kompresr mekanik ve elektrik verimini ifade eder. Kondenser veya evaporatrdeki s transferinin kompresre verilen mekanik ie oranna etkinlik katsays (COP) ad verilir. COPevaporatr = Qevaporatr / Wkompresr COPkondenser = Qkondenser / Wkompresr Evaporator etkinlik katsays soutma sistemlerinde, Kondenser etkinlik katsays stma sistemlerinde (Is pompalarnda) kullanlr.</p> <p>ekil 1.3 Standart soutma evriminin ayrntl grafik gsterimi</p> <p>ekil 1.4 Standart soutma evriminin T-S diyagramnda gsterimi Bu hesab kk bir rnek problemle grelim : rnek 1 : Bir standart soutma makinasnda soutma akkan olarak Freon-12 kullanlmaktadr. Akkan kompresre 1.4 Bar basn ve 20 C de 0.05 kg/s debi ile girmekte ve 8 bar 50 C de kmaktadr. Akkan kondenserden 26 C de ve 7.2 de barda kmtr. Akkan genlema vanasndan 1.5 bar basnta kmtr. Evaporatrdeki s ekimi, kondenserdeki s transferini bulunuz. Kompresrn mekanik-elektrik verimi 0.9 ise kompresre giren elektrik enerjisini bulunuz. Sistemin soutma sistemi ve s pompas olarak etkinlik katsaysn bulunuz. bir Freon-12 tablosundan entalpi deerleri aadaki gibi bulunabilir. Burada unu hemen belirtelim mutlak entalpi deerleri deiik referans deerleri kullanldndan deiik deiik tablo ve programlarda deiik olabilir, fakat entalpi farklar deimez. evaporatr k : P1 = 1.4 bar T1 = -20C de h1 = 179.01 KJ/kg olarak bulunur. Kompresr k : P2 = 8 bar T2 = 50C de h1 = 179.01 KJ/kg olarak bulunur. Kondenser k : P3 = 7.2 bar T2 = 26 C de h3 = 60.68 KJ/kg olarak bulunur. h4=h3=60.68 KJ/kg (genleme vanasnda darya enerji kaa-s transferi yoksa entalpi sabit kalr.) Bu deerleri kullanrsak : Qevaporatr = m * (h1 h4) = 0.05kg/s * (179.01- 60.68) = 5.92 KW Qkondenser = m * (h2 h3) = 0.05kg/s * (213.45 60.68) = 7.6385 KW Wkompresr = m * (h2 h1) /hmekani-elektrik = 0.05kg/s/0.9*(213.45-179.01) = 1.913 KW COPevaporatr = Qevaporatr / Wkompresr =5.91/1.913=3.094 COPkondansr = Qkondansr / Wkompresr =7.6385/1.913=3.9929</p> <p>Burada hemen belirtelim ki biz bu makinay hem stma hem de soutma amacyla kullanabilirsek verdiimiz enerjinin yaklak 7 katn, sadece soutma olarak kullanrsak 3 katn, sadece stma iin kullanrsak 4 katn almaktayz. Enerji kazanm bakmndan fabrikamzda makinamz hem soutma hem de stma olarak kullanmamz bize byk avantajlar salayabilir. Burada zor olan hem stma hem de soutma uygulamasn ayn prosessler iinde bulmaktan kaynaklanabilir.</p> <p>1.4. KASKAD SOUTMA EVRM (MAKNASI) Youturucu (Kondenser) scaklyla buharlatrc (evaporatr) scakl arasndaki fark ok byk olduunda kompresr ok fazla giri ii (elektrik enerjisi) harcar. Bu elektrik enerjisi miktarn azaltmann ve sistemin toplam etkinlik katsaysnn arttrlmasnn bir yolu Kaskad soutma sistemlerinin kullanlmasdr. Bu tr sistemler temel olarak iki bamsz soutma gurubundan oluur. Dk scaklktaki sistemin youturucusunun ss yksek scaklktaki sistemin buharlatrcs tarafndan ekilir. Bylece kompresrn istedii toplam enerji decei gibi, toplam ekilen sou yk de artar. ekil 6 da bir Kaskat soutma sistemi grlmektedir. Sistemin yksek basn ve alak basn taraflarnda ayn akkan kullanlaca gibi, deiik akkanlarn kullanlmas da mmkndr. Temel olarak bu evrim yukarda anlattmz evrimin iki tanesinin bir araya gelmesinden olutuu iin ayn denklemler kullanlarak hesaplanabilir. Temel ayrlk dk basn kondenseriyle yksek basn evaporatrnn sy bir s deitirgecinde birbirlerine aktarmalardr. Qevaparotr- A = Qkondenser- B = mA (h5 h8) = mB(h2 h3)</p> <p>imdi bir rnekle kaskad soutma sisteminin nasl hesaplanacan grelim :</p> <p>ekil 1.5 Kaskad soutma evrimi rnek 2 : ki kademeli bir kaskad soutma sistemini gz nne alalm. Bu sistemin her kademesinde ayn soutma svsnn kullanldn varsayalm. Bu sistem ideal standart soutma evrimiyle alsn ve soutma akkan Freon 12 olsun. Sistem alma basnc 1.4 bar ile 8 bar arasnda ise ve aradaki s deitirgeci 3.2 barda alyorsa, yksek basnl soutma sisteminin debisi 0.05 kg/s ise sistem soutma etkinlik katsaysn bulunuz. Not : ideal standart soutma evrimi deyince kompresrde s transferi olmadn, kompresr giriinin doymu buhar ve kondenser knn doymu sv olduunu kabul ediyoruz. Yksek basn soutucumuz 8 bar ile 3.2 bar arasnda almaktadr. P5 = 3.2 bar</p> <p>T5 = 1.11 C (kuruluk derecesi 1) h5 = 188 KJ/kg P6 = 8 bar Entropi s6 = s5= 0.69595 KJ/kg K (bu art kompresrde s transferinin olmamas anlamna gelir) T6 = 37.43 C h6 = 204.18 KJ/kg P7 = P6 = 8 bar T7 = 32.74 C (kuruluk derecesi 0) h7 = 67.3 KJ/kg P8 = 3.2 bar h7 = h8 = 67.3 KJ/kg T8 = 1.11 C (kuruluk derecesi 0.2) Alak basn soutucumuz 1.4 ile 3.2 bar arasnda almaktadr. P1 = 1.4 bar T1= -21.92 C (kuruluk derecesi 1) h1 = 177.87 KJ/kg s1 = 0.710150 P2 = 3.2 bar T2 = 7.16 C (s1=s2 = 0.710150 kompresrde s transferinin olmad kabul edildi) h2= 191.84 KJ/kg P3 = 3.2 bar T3 = 1.1 h3=37.08 KJ/kg P4 = 1.4 bar h4 = h3 = 37.08 T4 = -21.92 C (kuruluk derecesi 0.1297) Dk basn soutma sisteminin debisi ortadaki s deitirgecinin enerji deiiminden bulunabilir. Qevaparotr- A = Qkondenser- B = mA (h5 h8) = mB(h2 h3) = 0.05 (188 67.3) = mB(191.94 37.08) mB = 0.039 kg/s Qkondenser- A = mB (h6 h7) = 0.05*(204.18 67.3) = 6.844 KW Qevaparatr- B = mA (h1 h4) = 0.039*(177.87-37.08) = 5.49 KW Wkompresr = mA (h6 h5) + mB (h2 h1) = 0.05*(294.18-188)+0.039*(191.97-177.87) = 1.36 KW</p> <p>COPevaparatr- B = Qevaparatr- B / Wkompresr = 5.49/1.36 = 4.04 8 bar ile 1.4 bar arasndaki ideal standart soutma evrimini hesaplarsak COP deeri 3.59 olarak bulunur. (bunu dev olarak siz hesaplaynz) kaskad sistemde ise 4.04 e trmanmtr. Daha fazla kaskad stepleri kullanarak verimi daha da arttrmamz mmkndr. Kompresr ara soutma kademeli olarak birden fazla kademeler halinde yaparak da belli bir enerji tasarrufu salanabilir. Kaskat sistemlerde ayn zamanda toplam soutma s transferi de artmaktadr. 1.5. GAZLARIN SIVILATIRILMASI Gnmzde 75 derece santigradn altndaki scaklklarda gazlarn svlatrlmas, sanayideki nemli bir prosestir. Doal gazlarn kullanmnn artmas bu prosesin nemini daha da arttrmtr. svlatrlm doal gaz bir ok sanayide temel enerji girdisi olarak kullanlmaktadr.</p> <p>ekil 1.6 Gaz svlatrma evriminin ematik grnm</p> <p>ekil 1.7 Gaz svlatrma evriminin T-S diyagram Bu tr svlatrma ilemleri iin standart soutma evriminin modifiye edilmi ekilleri kullanlr. ekil 6 da bu tr bir svlatrma sisteminin diyagram ve ekil 7 de T-S diyagramnda grnm mevcuttur. Diyagramdan da grlecei gibi sisteme giren gaz ok kademeli bir kompresrde sktrlmakta, daha sonra bir soutucuda soutulduktan sonra bir s deitirgecinde daha fazla soutulmakta ve genleme vanasnda genletirilmektedir. Genleme sonunda gazn bir ksm svlamakta, sv ksm sv gaz ayrtrcsnda ayrlrken geri kalan gaz nce s eanjrnde snmakta, sonra da kompresre gitmektedir. Bu tr proseslerin kullanmnda enerji veriminin ykseltilmesinde s deitirgecinin verimi ve kompresr verimi ok nemlidir. Verimi arttrmak iin kompresrn her kademede soutulmas gerekir. Bu tr evrimlerde ok yksek basnlar kullanldndan genleme vanas yerine trbin kullanlmas ve kompresr enerjisinin bir ksmnn trbinden salanmas byk sistemlerde ekonomik olabilir. 1.6 TERMOELEKTRK (PELTER) SOUTMA SSTEMLER Birbirinden ayr malzemeden yaplm iki teli ularndan birbirine balar ve devreden elektrik akm geirirsek bir ucun snrken dier ucun souduunu grrz. Eer snan tarafdaki sy devreden atarsak, souyan taraftan srekli olarak s ekebiliriz. lk defa Thomas Seebeck tarafndan bulunan bu etki soutma makinas olarak kullanlabilir. Soutma makinas olarak kullanm ilk defa peltier tarafndan gerekletirilmitir ve Peltier etkisi olarak anlr. Gnmzde bilhassa kk elektrik devrelerinin soutulmasnda pratik olarak kullanlan bu sistem, COP katsays standard soutma makinasnn verimine henz ulamad iin byk sistemlerde pek kullanlmamaktadr. Bu sistemlerin tercih nedeni kk boyutlarda kullanlabilmesi, sessiz almas ve gvenilirliidir. Peltier sistemlerinin COP deerlerini arttrmak iin yeni metal iftleri zerinde almalar srmektedir, bu almalar sonucunda gelecekte standard soutma evriminin zerinde COP deerlerinin yakalanmas mmkn olabilecektir. ekil 8 de elektronik devreleri soutmakta kullanlan bir seebek-peltier sistemi ematik olarak gsterilmitir.</p> <p>ekil 1.8 Seebeck devresiyle snn darya atlmas (sistemin soutulmas) Peltier soutucular bilhassa ufak alandaki soutma ihtiyalarnn giderilmesinde nem kazanmaktadr. Bilgisayar ve elektronik devrelerinin soutulmas, soutmal ara koltuklar, kk soutucu niteler (rnein bira soutucular) gibi eitli uygulamalarda kullanlmaktadr. ekil 9 da bir bilgisayar ana belleinin bu tr bir peltier soutucusu kullanlarak soutulmas grlmektedir.</p> <p>ekil 1.9 Peltier devresikullanarak bilgisayarana ilemcisinin soutulmas 1.7 GAZ TRBN SOUTMA MAKNASI (BRAYTON EVRM) Gaz trbini soutma makinas bir gaz trbini, bir kompresr ve iki s deitirgecinden oluur. Gaz kompresrde sktrldktan sonra bir s eanjrnde soutulur (evreye s atlr). Daha sonra bir trbinde genletirilen ve souyan gaz ikinci bir s eanjrnde ortamdan s ekmek iin kullanlr. Eer alma gaz havaysa ve ortam soutulmasnda kullanlyorsa bu s deitirgecine gerek kalmadan souyan hava direk olarak ortama gnderilebilir. Bu sistemin etkinlik katsays (COP deeri) de standard soutma sistemine gre daha ktdr. u andaki en nemli uygulamas uak kabinlerinin soutulmas (veya stlmasdr) dr. Bu uygulamada uak gaz trbinin kompresrnden alnan skm hava bir s deitirgecinde soutulduktan sonra kk bir trbinde genletirilerek kabin iine verilir.</p> <p>ekil 1.10 Brayton evrimi alma prensibi</p> <p>1.8 TERMO-AKUSTK SOUTMA SSTEMLER Bir gazn iinde yaratlan ses dalgalar gazn iinde osilasyonlar yaratarak gaz sktrr ve genletirir. Bu etki ayn zamanda gazn soumasna ve snmasna da yol aar. Mekanizmay daha iyi anlayabilmek iin ii bir gaz dolu bir ucu kapal bir boru dnelim.Dier ucunda titreen bir piston ileri geri hareket etsin. Termoakustik evrimin almasn anlamak iin pistonun iindeki duvar boyunca hareket eden kk bir gaz hacminde ne olduunu inceleyelim. Normalde pistonun hareketi sinizoidaldr, fakat biz bunu basitletirmak iin hzl bir hareket ve bekleme sonra tekrar hzl bir hareket ve bekleme...</p>