İklimlendirme sistemlerinde enerji geri kazanım sistemleri
DESCRIPTION
Günümüzde en önemli konulardan birisi olan enerjinin uygun kullanımı, klima sektörünün de üzerinde çalıştığı konulardan birisidir. Bu proje çalışmasında da öncelikle iklimlendirme sistemlerinde enerji geri kazanım sistemlerine ihtiyaç duyulmasının nedenleri anlatılmıştır. Daha sonra tüm enerji geri kazanım sistemlerini kapsayacak şekilde enerji geri kazanım sistemlerinin ekonomik açıdan faydaları, sistemlerin genel özellikleri, kullanım yerleri ve sınırlamaları anlatılmıştır. Daha sonra da iklimlendirmede en çok kullanılan enerji geri kazanım sistemlerinden plakalı, tamburlu, bataryalı ve ısı borulu ısı geri kazanım sistemleri detaylı olarak anlatılmıştır. Son olarak bir yaz uygulaması için belli özelliklerde seçilen, plakalı ısı geri kazanım cihazının sisteme sağladığı enerji tasarrufu hesaplanmıştır.TRANSCRIPT
T.C. KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ
2011-2012 ÖĞRETİM YILI BAHAR YARIYILI
İKLİMLENDİRME SİSTEMLERİNDE ENERJİ GERİ KAZANIM SİSTEMLERİ
SUNUMLU PROJE
Hazırlayan : Yusufhan CANALTAY Fakülte No : 080218101
Proje Danışmanı : Prof. Dr. İlhan Tekin ÖZTÜRK
ii
ÖZET
Günümüzde en önemli konulardan birisi olan enerjinin uygun kullanımı, klima sektörünün de
üzerinde çalıştığı konulardan birisidir. Bu proje çalışmasında da öncelikle iklimlendirme
sistemlerinde enerji geri kazanım sistemlerine ihtiyaç duyulmasının nedenleri anlatılmıştır.
Daha sonra tüm enerji geri kazanım sistemlerini kapsayacak şekilde enerji geri kazanım
sistemlerinin ekonomik açıdan faydaları, sistemlerin genel özellikleri, kullanım yerleri ve
sınırlamaları anlatılmıştır. Daha sonra da iklimlendirmede en çok kullanılan enerji geri
kazanım sistemlerinden plakalı, tamburlu, bataryalı ve ısı borulu ısı geri kazanım sistemleri
detaylı olarak anlatılmıştır. Son olarak bir yaz uygulaması için belli özelliklerde seçilen,
plakalı ısı geri kazanım cihazının sisteme sağladığı enerji tasarrufu hesaplanmıştır.
Anahtar Kelimler : Isı Geri Kazanım Sistemleri (IGK) , Plakalı Isı Geri Kazanım Cihazı, Isı
Tekerleği, Isı Borulu Tip Isı Geri Kazanım, Bataryalı Isı Geri Kazanım
iii
ÖNSÖZ
Klima sistemlerinin binalarda yaygın olarak kullanılmaya başlaması ile birlikte binaların
enerji maliyetlerinde de önemli artışlar olmuştur. Dünyanın mevcut enerji rezervlerindeki
azalma ve enerji üretiminin sebep olduğu çevre kirliliği enerji kullanılmasının kontrol altına
alınması gerekliliğini de doğurmuştur. Enerji kullanımının kontrol alınması gerekliliği de ısı
geri kazanım sistemlerine olan ihtiyacı artırmıştır. Gelişen teknoloji daha yüksek verimli ısı
geri kazanım sistemlerinin tasarlanmasını sağlamıştır. İleri teknoloji ürünü ısı geri kazanım
sistemleri binalarda enerji maliyetlerinin azaltılmasında büyük faydalar sağlamaktadır.
Türkiye de enerji geri kazanım sistemlerine ilgi git gide artmaktadır. Enerji geri kazanım
sistemlerinin önemini ve özelliklerini tanıtan pek çok seminerler yapılmakta ve bildiriler
yazılmaktadır. İlerde bir iklimlendirme sistemi denildiğinde ilk akla gelen şeylerden birisinin
ısı geri kazanım sistemi olacağı kesindir.
Mesleki hayatımda çok faydasını göreceğime inandığım bu proje konusunu almamda beni
yönlendiren, kaynak bulmamda yardımcı olan ve proje sürecinde rehberlik eden Sayın Hocam
Prof. Dr. İlhan Tekin ÖZTÜRK ‘e teşekkürlerimi sunarım.
iv
İçindekiler
ÖZET ......................................................................................................................................................... ii
ÖNSÖZ ..................................................................................................................................................... iii
ŞEKİL LİSTESİ ............................................................................................................................................ vi
TABLO LİSTESİ ........................................................................................................................................ viii
1. GİRİŞ .................................................................................................................................................... 1
2. ISI GERİ KAZANIM SİSTEMLERİ ............................................................................................................ 3
2.1 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarının İlk Yatırım ve İşletme Ekonomisine Etkileri .................................... 3
2.2 Havadan Havaya Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Teknik Özellikleri ................................................... 5
2.2.1 Havadan Havaya Isı Geri Kazanım İşleminin Psikrometrik Diyagramda Gösterimi ........................ 5
2.3 Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Performansları .................................................................................. 8
2.4 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Kirlilik ve Filtrasyon ....................................................................... 9
2.5 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Kaçaklar ........................................................................................ 9
2.6 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Yoğuşma ve Donma .................................................................... 10
2.7 Isı Transfer Yüzeyindeki Hava Hızları ............................................................................................... 11
2.8 Isı Geri Kazanımda Buharlaştırmalı Soğutma (Dolaylı Evaporatif Soğutma) .................................. 11
3. İKLİMLENDİRME SİSTEMLERİNDE ENERJİ GERİ KAZANIM ÇEŞİTLERİ ve TEKNİKLERİ ........................ 13
3.1 Plakalı Isı Geri Kazanım Sistemleri ................................................................................................... 13
3.1.1 Plakalı Eşanjörlerin Çalışma Prensibi ............................................................................................ 15
3.1.2 Plakalı Isı Geri Kazanım Sistemlerin Temel Uygulama ve Yerleşim Şekilleri ................................. 18
3.1.2.1 Tek Isı Değiştirici – Tek Geçiş ..................................................................................................... 18
3.1.2.2 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Seri Bağlantı) ................................................................................. 19
3.1.2.3 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Paralel Bağlantı) ............................................................................ 20
v
3.1.2.4 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Karışık Bağlantı) ............................................................................ 20
3.2 Tamburlu Isı Geri Kazanım Sistemleri (Isı Tekerleği) ....................................................................... 21
3.3 Bataryalı Isı Geri Kazanım Sistemleri ............................................................................................... 24
3.4 Isı Borulu Tip Isı Geri Kazanım Sistemleri (Heat Pipe) ..................................................................... 27
4. UYGULAMALAR ................................................................................................................................. 30
4.1 Bir Örnek Uygulama Hesabı ............................................................................................................ 31
4.1.1 IGK Cihazının Soğu Kazancının Hesaplanması .............................................................................. 34
SONUÇLAR ve ÖNERİLER ....................................................................................................................... 38
KAYNAKLAR ........................................................................................................................................... 39
vi
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.1 IGK sistemleri için yatırım kararı grafiği. ................................................................... 4
Şekil 2.3 Alüminyum eşanjörlü ısı geri kazanımı uygulamalı hava şartlandırma işleminin
psikrometrik diyagramda gösterimi. ........................................................................................... 7
Şekil 2.4 Selülozik eşanjörlü ısı geri kazanımı uygulamalı hava şartlandırma işleminin
psikrometrik diyagramda gösterimi. ........................................................................................... 8
Şekil 2.4 Dolaylı evaporatif soğutmalı plakalı ısı geri kazanım cihazı. ................................... 12
Şekil 3.1 Tipik bir eşanjör plakası ............................................................................................ 14
Şekil 3.2 Plaka tipi hava ısı eşanjörü. ....................................................................................... 14
Şekil 3.3 Plaklı eşanjörlerde çapraz hava akışı ve tipik bir santralde uygulaması. .................. 15
Şekil 3.4 Plakalı eşanjörlerde donmaya karşı bir önlem örneği ............................................... 16
Şekil 3.5 By-pass geçişli eşanjör. ............................................................................................. 16
Şekil 3.6 İki farklı by-pass konumu ......................................................................................... 17
Şekil 3.7 Plakalar yatay düzleme paralel dizayn ...................................................................... 19
Şekil 3.8 Plakalar yatay düzleme dik dizayn. ........................................................................... 19
Şekil 3.9 Seri bağlantı dizaynı. ................................................................................................. 20
Şekil 3.10 Paralel bağlantı dizaynı ........................................................................................... 20
Şekil 3.11 Yatayda seri, düşeyde paralel bağlantı dizaynı ....................................................... 21
Şekil 3.12 Isı tekerleği ............................................................................................................. 22
Şekil 3.13 Isı tekerleklerinde ısı transferi türleri ...................................................................... 23
Şekil 3.14 Süpürme bölmesinde havanın izlediği yol .............................................................. 24
Şekil 3.14 Bataryalı ısı geri kazanım sistemi ........................................................................... 26
Şekil 3.15 Bataryalı ısı geri kazanım sisteminde hava akışı .................................................... 26
Şekil 3.16 Isı borulu ısı geri kazanım sistemi. .......................................................................... 28
vii
Şekil 3.17 Isı borusunun çalışma prensibi ................................................................................ 28
Şekil 4.2 Prosesin psikrometrik diyagramda gösterilmesi ....................................................... 33
Şekil 4.3 Isı geri kazanımlı sistemin prosesinin psikrometrik diyagramda gösterimi .............. 36
viii
TABLO LİSTESİ
Tablo 3.1 Isı geri kazanım sistemlerinin özelliklerinin karşılaştırılması [6]. ........................... 29
Tablo 4.1 Klima santrallerindeki ısı geri kazanım sistemlerinde elde edilen tasarruf. ............ 30
Tablo 4.2 Sistemdeki noktaların psikrometrik özellikleri ........................................................ 33
Tablo 4.3 Isı geri kazanım sistemdeki noktaların psikrometrik özellikleri .............................. 36
1
1. GİRİŞ
Isı geri kazanım sistemleri enerjiden tasarruf etmek, dolayısı ile de işletme maliyetlerini
azaltmak için kullanılan sistemlerdir. Günümüzde azalan doğal kaynaklar ve artan çevre
kirliliği enerji üretimini daha zor hale getirmekte, dolayısı ile de enerji maliyetleri her geçen
gün artmaktadır. Enerji maliyetlerindeki artış ısı geri kazanım sistemlerine olan ihtiyacı
artırmaktadır. Bu ihtiyaçlardaki artış da yeni ve daha gelişmiş ısı geri kazanım cihazlarının
geliştirilmesini sağlamaktadır [2].
Klima sistemlerinin temel unsurlarından birisi taze hava kullanımıdır. Özellikle insan odaklı
klima sistemlerinde insan ve/veya insan harici kirletici unsurlardan açığa çıkarak mahal
havasına karışan kirliliklerin atılması ve yerine taze hava verilmesi konforun ve sağlıklı
ortamın oluşturulması açısından önemlidir. Taze hava, bazı ortamlarda miktar olarak ısıtma
veya soğutma ihtiyacını karşılamak için gerekli hava miktarından düşük olduğunda karışım
havalı klima santralleri kullanımı ile toplu hava debisinin bir kısmının taze hava olarak
mahalle verilmesi yöntemi kullanılır. Ancak bu miktarlar birbirine yakın ise veya taze hava
ihtiyacı daha fazla ise %100 taze hava klima santralleri tercih edilir. Bunun haricinde %100
taze havalı klima santrallerinin seçim kriterlerinden bazıları, egzoz havasının tekrar mahalle
verilmesini engelleyecek kirleticiler içermesi, mahal özellikleri nedeni ile %100 taze havanın
şart olması veya ısıtma ve soğutma yüklerinin sabit ekipmanlara yüklenmesi ve klima
santralinin sadece havalandırma (primer hava santrali) amaçlı olarak kullanılması sayılabilir
[3].
%100 taze hava kullanımı veya karışım havalı santrallerde taze hava kullanımı, yöntem ne
olursa olsun, kullanılan taze havanın mahalle verilmeden önce mahal sıcaklığına kadar (veya
istenilen bir sıcaklığa kadar) ısıtılması veya soğutulması gereklidir. Bu amaç santral ısıtıcı
veya soğutucu bataryaları mahal yüklerinin yanı sıra taze hava yüklerini de karşılar. Özellikle
%100 taze havalı klima santrallerinde toplam enerji harcamaları inanılmaz boyutlara
ulaşabilir. Isı geri kazanım üniteleri bu aşamada devreye girmektedir [3].
Isı geri kazanımında mantık, mahalden egzoz edilen havanın kullanımı yolu ile kış şartlarında
taze havanın ısıtıcı bataryaya ulaşmadan önce bir miktar ısıtılması veya yaz şartlarında taze
havanın soğutucu bataryaya ulaşmadan önce bir miktar soğutulması şeklindedir. Isı geri
2
kazanımı sistemlerinde iç hava ve dış hava şartları arasındaki farkların daha büyük olduğu
bölgelerde ve zamanlarda kazanç daha da büyük olmaktadır. Taze hava yüklerinde, anlık
kazançlar %75’lere sezonluk kazançlar ise %50-60’lara ulaşabilir. Bu değerler özellikle ısıtma
için geçerlidir. Yaz şartlarında, soğutma durumunda bu değerler bir miktar daha küçüktür.
Sezonluk kazançların %30-40 mertebelerinde olması gibi. Şu ana kadar anlatılanlardan
karışım havalı cihazlarda ısı geri kazanımı uygulamalarının fizibil olmadığı
düşünülmemelidir. Kazançlar taze hava yükleri açısından bakıldığında yine aynı orandadır
[3].
Sistemde mahal ısı yükleri açısından bir kazanç umulmamalıdır. Çünkü sistemde kazanılan
enerji zaten mahal havası kullanılarak elde edilmektedir. Dolayısı ile maliyet ve kazanç
hesapları yapılırken sadece taze hava yükleri değerlendirilmelidir. Ayrıca bu hesaplarda
sadece proje dizayn şartları üzerinde yola çıkılmamalı, sezon sıcaklık geçişleri ve gece
gündüz farkları da bu hesaplarda yerini almalıdır. Bu açıdan bakıldığında, toplam enerji
kazançları ilk bakışta görüldüğü üzere %70-75 değerlerinde değil, daha küçüktür. Ancak
küçük olarak tabir ettiğimiz bu rakamlar sistemi bir sezondan daha kısa bir süreçte amorti
edebilecek kadar büyük olabilir. Bu sistemlerin ülke ekonomisine ve çevreye katacağı
yararlarda göz ardı edilmeyecek kadardır. Belki ileride kullanımının mecbur kılınması
gerektirecek kadar [3].
Bu kazançlara ek olarak, ısı merkezlerinin ve soğutma gruplarının aynı oranda küçük
kurulabilmesi ve yatırım maliyetlerinde olan kazançlardan da bahsetmek gerekir. Daha küçük
kazan/soğutma grubu, daha küçük pompalar ve daha küçük dağıtım sistemleri kurulabilmekte
ve ayrıca mekanik tesisatta kullanılan tüm su ve gaz devresi elemanları (vana,boru,valf,
pompa, izolasyon, vs.) ve yardımcı malzemelerde küçülmekte ve ucuzlamaktadır.
3
2. ISI GERİ KAZANIM SİSTEMLERİ
Isı geri kazanım (IGK) sistemlerinin uygulanması özellikle iç hava kalitesi (IAQ)
standartlarının daha fazla bir şekilde uygulamaya konulduğu ve önem kazandığı günümüzde
iç hava kalitesini artırmak ve iç mekandaki zararlı mikroorganizmaların azaltılması amacıyla
daha fazla taze hava gereksinmesini sağlama amacı ile yaygınlaşmaktadır. Hasta Bina
Sendromunun azaltılabilmesi taze hava miktarının artırılmasını gerektirmektedir. Binaya daha
fazla taze hava verilirken enerji tasarrufu IGK uygulamaların yaygınlaşmasını sağlamaktadır.
Burada amaç şartlandırılmış mahal havası dışarıya egzoz edilirken içeri alınan taze havanın
atılan egzoz havasının enerjisi ile mahal şartlarına yaklaştırılması böylece de enerji tasarrufu
sağlanmasıdır [1].
2.1 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarının İlk Yatırım ve İşletme Ekonomisine Etkileri
Isı geri kazanım sistemlerinin binaların ilk yatırım masraflarını ve enerji maliyetlerini
azaltabilmesi için tasarım aşamasında aşağıda belirtilenlerin göz önüne alınması
gerekmektedir :
Birbirinden farklı bütün ısı geri kazanım sistemlerinin ve cihazlarının projeye teknik
uygunluğu gözden geçirilmelidir,
Projeye göre uygulanması mümkün olan her sistemin ilk yatırım ve enerji maliyetleri
hesaplanmalıdır,
Isı geri kazanım cihazlarının kullanımı yüzünden daha büyük fan, motor vb. kullanımının
ilk yatırım maliyetlerine getireceği ilave artışlar hesaplanmalıdır,
Kullanılacak olan daha küçük soğutma makinaları, ısı eşanjörleri, pompalar vb.’nin
sağlayacağı ilk yatırım maliyetindeki düşüşler hesaplanmalıdır,
Cihazların amortisman süreleri ve daha az ana para kullanımının getireceği finansal
avantajlar hesaplanmalıdır,
Kazanılan enerjinin getireceği avantajlar göz önüne alınmalıdır,
Isı geri kazanım cihazlarının kullanımı sebebi ile artacak olan bakım masrafları da
hesaplanmalıdır,
4
İlave olarak ısı geri kazanım cihazlarının sisteme getireceği kompleks yapının kalifiye
işletme personeli ihtiyacı doğuracağı da düşünülmelidir.
Bütün yukarıda belirtilen faktörler göz önüne alındıktan sonra bilinmelidir ki; binalarda
kullanılan ısı geri kazanım sistemlerinin verimliliği (yani kazanılan enerji miktarı) arttıkça
enerji maliyetleri azalmakta ancak ilk yatırım maliyetleri artmaktadır. Dolayısı ile binalarda
kullanılacak olan ısı geri kazanım sistemleri belirlenirken Şekil 2.1 göz önüne alınarak
optimum sistem tercih edilmelidir [2].
Şekil 2.1 IGK sistemleri için yatırım kararı grafiği [2].
Grafikteki sembollerin tanımları aşağıda belirtildiği gibidir :
C: İlk yatırım maliyeti,
Φh: Kazanılan ısı geri kazanım enerjisi,
1: İlk yatırım maliyeti eğrisi
2: Enerji harcamaları eğrisi,
3: Toplam maliyet eğrisi,
4: Optimum maliyet/harcamalar eğrisi.
Eğriden de görülebileceği gibi çok verimli bir sistemin kullanımı her zaman en optimum
sonucu vermemektedir. Isı geri kazanım sistemlerinin tercihinde dikkat edilmesi gerekli olan
bir diğer faktör de ısı geri kazanım sistemlerinin bina içerisinde kaplayacağı alandır. Bu
sistemlerin kullanıldığı binalarda sistemlerin fiziksel boyutları yüzünden bina içersinde daha
büyük tesisat mahallerine ihtiyaç duyulmaktadır. Isı geri kazanım sistemlerinin kullanımı
neticesinde artan statik basıncı yenmek için daha büyük fan ve fan motorlarına ihtiyaç
5
duyulduğu, hava sıcaklıklarının eksi değerlere düştüğü bazı soğuk iklimlerde donmaya karşı
koruma sağlayabilmek için taze havanın ısı geri kazanım sistemine girmeden önce ısıtılması
gerektiği de ilk yatırım ve enerji maliyetleri hesaplarında dikkate alınmalıdır. Bu sistemlerin
kullanımı ile otomatik kontrol maliyetlerinin de artacağı düşünülmelidir [2].
2.2 Havadan Havaya Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Teknik Özellikleri
İdeal bir havadan havaya ısı geri kazanım sistemi, iki hava arasında ısı transferini mümkün
olan en verimli şekilde yapabilmeli, iki hava arasında mümkünse nem transferi yaparak ısı
geri kazanım verimini artırabilmeli, iki havanın birbirine karışmasını mümkün olduğunca
önleyebilmelidir. Isı geri kazanım sistemlerinden öncelikle beklenen atık ısının geri
kazanılmasıdır. Nemin geri kazanılması ikinci öncelikli bir beklentidir. Nemin geri kazanımı
sistemin verimini artırdığı için tercih edilir. Sıcak ve nemli bir iklimde kullanılan bir ısı geri
kazanım sistemini örnek olarak alacak olursak; şayet ısı geri kazanım cihazı sadece ısıyı geri
kazanan ve nemi geri kazanmayan bir sistem ise, eşanjörden geçen taze hava iç havadan
alınan enerji ile belirli bir miktarda soğutulacaktır. Ancak ısı geri kazanım süresince dış
havadaki nem alınmadığı için içeride konforsuz bir ortam yaratmamak için ilave bir proses ile
dış havanın nemi alınmalıdır. Nemin alınabilmesi için de ciddi bir enerjiye ihtiyaç
duyulacaktır. Diğer taraftan şayet ısı geri kazanım sistemi hem ısıyı hem de nemi transfer
edebilecek özellikte olsa, bu durumda yüksek sıcaklık ve nemdeki dış hava eşanjörden
geçerken sıcaklık ve nemini düşük sıcaklık ve nemdeki egzoz havasına transfer edecek ve
böylece ısı eşanjöründen geçen taze havanın mahalde istenilen konforu sağlayabilmesi için
gerekli olan ilave enerji ihtiyacı daha az olacaktır.
2.2.1 Havadan Havaya Isı Geri Kazanım İşleminin Psikrometrik Diyagramda Gösterimi
Psikrometri, nemli havanın termodinamik özellikleri ile bu özellikleri kullanarak nemli
havadaki işlemler ve şartlar ile ilgilenen, termodinamiğin bir dalıdır. Psikrometrik diyagram,
genel itibariyle kapalı mahalleri istenilen (sıcaklık, nem) koşullara getirmek amacıyla gerekli
hesapları yapabilmek için kullanılmaktır. Bu mahaller, yaşama alanları veya özellikleri gereği
belli koşullarda kalması gereken hacimler olabilir.
Dünyada kabul edilmiş araştırmalara göre, insanlar havası temiz ve belli bir sıcaklık-nem
aralığında olan ortamlarda rahat etmektir. Bu aralık konfor bölgesi olarak tanımlanmıştır (nem
%30 ile %60, sıcaklık 20 - 27°C). Konfor koşulları yaz ve kış olarak ayrılmalıdır. Kış konfor
6
koşulları 22 C sıcaklık %40 bağıl nem, yaz konfor koşulları da 26 C sıcaklık %50 bağıl nem
olarak kabul edilebilir.
Isı geri kazanım cihazı kullanılmadığı takdirde taze havanın koşullandırılıp ortam şartlarına
getirilmesi Şekil 2.2 ’deki psikrometrik diyagramda gösterilmiştir. Diyagramda 1 noktası
ısıtıcı/soğutucu bataryaya giriş, 2 noktası bataryadan çıkış ve nemlendiriciye giriş, 3 noktası
ise konfor şartlarını göstermektedir. Kış iklimlendirmesi yapılırken soğuk ve bağıl nemi
yüksek olan dış hava bir ısıtıcı bataryadan geçirilir. Bu ısıtıcı bataryanın havaya vermesi
gereken enerji, 1 ve 2 noktaları arasındaki entalpi farkının bataryadan geçen havanın kütlesel
debisi ile çarpımı kadardır. Hava bataryadan geçerken bağıl nemi konfor şartlarının altına
düşer. Bataryadan çıkan ısıtılmış havanın bağıl nemi, nemlendiriciden geçirilerek
yükseltilebilir.
Şekil 2.2 Isı geri kazanımı uygulaması olmayan hava şartlandırma işleminin psikrometrik
diyagramda gösterimi.
Şekil 2.3 ’de iklimlendirme sistemine ısı geri kazanımı uygulaması eklendiğindeki durum
gösterilmiştir. Bu durumda 1 şartlarındaki taze hava önce ısı geri kazanımı cihazından
geçirilerek 1’ konumuna getirilir. Bu sırada, örneğin kış uygulamasında egzoz havasından
7
QIGK= m.(h1-h1’) kadarlık enerji, taze havaya aktarılır. Böylece ısıtıcı bataryanın havaya
vermesi gereken enerji Qbatarya= m.(h2-h1’) kadar olur.
Şekil 2.3 Alüminyum eşanjörlü ısı geri kazanımı uygulamalı hava şartlandırma işleminin
psikrometrik diyagramda gösterimi.
Sistemin kapasitesindeki bu azalma sayesinde kullanılan elemanların boyutları küçülür, ilk
yatarım maliyeti düşer. Geri kazanılan soğutma ve ısıtma miktarlarının toplam ısı yüklerinden
indirilerek su soğutma gruplarının ve ısı merkezlerinin küçültülmesine bağlı yatırım indirimi,
ayrıca azalan kapasitelere paralel olarak küçülen boru çapları, fittingsler, otomatik kontrol
devreleri, kullanılan su miktarı, izolasyonlar, tesisat ile işgal edilen yer azalmaları ısı geri
kazanımının önemini göstermektedir.
Yaz şartlarında taze hava daha yüksek, kış şartlarında ise daha düşük nemlidir. Yani
iklimlendirme sistemine, gerekli mekanik ısıtma soğutma yanında, kış çalışmasında
nemlendirme, yaz çalışmasında ise nem giderme fonksiyonları ilave edilmelidir. Özellikle
pahalı olan ve yüksek enerji sarfiyatı gerektiren nemlendirme gereksinimi, uygulanacak doğru
ısı geri kazanım uygulaması ile büyük oranda ortadan kaldırılabilir. Dönüş havası ile atılan
8
nem, kuru olan taze havaya aktarılır. Ek bir enerji sarfiyatı gerektirmeyen bu işlem hem
iklimlendirme ilk yatırımını, hem de işletme giderlerini azaltır. Bu işlem için genellikle
rotorlu tip veya selülozik malzemeli plakalı ısı değiştiriciler kullanılır. Bu eşanjörler ısı
transferinin yanında nem transferi de yaparak hem sistemin verimini artırır hem de
nemlendirme veya nem alma işlemi gerçekleştirmiş olur.
Isı geri kazanım cihazında selülozik eşanjör kullanılması durumundaki hava koşulları Şekil
2.4 ‘de gösterilmiştir. Selülozik eşanjör, ısının yanında nem transferi de yaparak transfer
edilen enerjiyi büyük ölçüde artırır. Aynı zamanda yazın nemli havanın neminin alınması,
kışın da kuru havaya nem verilmesi işlemini gerçekleştirerek, bu işlem için harcanan enerjiyi
tamamen kaldırır ya da kısmen azaltır.
Şekil 2.4 Selülozik eşanjörlü ısı geri kazanımı uygulamalı hava şartlandırma işleminin
psikrometrik diyagramda gösterimi.
2.3 Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Performansları
Su buharının basınç farklılıkları, ısı transfer yüzey alanı, ısı eşanjörü üzerindeki havanın hızı,
hava akış şekilleri veya geometrik konfigürasyon, üfleme ve egzoz havası debileri, donma
9
koruması metotları havadan havaya ısı transferi yapan cihazların performansını etkileyen
değişkenlerdir. Cihazların performanslarını etkileyen bu değişkenlerin dışında cihazların
verimlikleri de aşağıda belirtilen değerlerin ölçümleri ile belirlenebilmektedir [2].
Duyulur enerji transferi yani sadece sıcaklık transferi yapabilen cihazlarda kuru
termometre sıcaklığının ölçümü,
Gizli enerji transferi yani nem transferi yapabilen cihazlarda nem oranının ölçümü,
Toplam enerji transferi yani hem sıcaklık hem de nem transferi yapabilen cihazlarda
entalpi ölçümü
Cihazların enerji transfer oranları da, iklim şartları, paralel akışlı cihazların kullanımı, ters
akışlı cihazların kullanımı, havanın geçtiği pasaj sayıları, hatve aralıkları ve hatve malzemesi,
iki havayı birbirinden ayıran malzemenin ısıl geçirgenliği, iki havayı birbirinden ayıran
malzemenin su buharı dahil çeşitli gazları geçirgenliği gibi faktörlere bağlıdır. Bu faktörler
enerji transferinde artış veya azalmaya sebep olur.
Binalarda yüksek performanslı ısı geri kazanım sistemlerinin kurulmasını temin etmek için
proje safhasında bütün bu belirtilenlerin göz önüne alınması, sistemin bu faktörler
düşünülerek tasarlanması ve hangi ısı geri kazanım sisteminin bina için daha verimli
olacağının tespit edilmesi gerekmektedir.
2.4 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Kirlilik ve Filtrasyon
Isı eşanjörlerinin yüzeyinde oluşan kirlilik, hava akışının önünde bir direnç oluşturacağı için
ısı transfer katsayısını düşürmekte ve dolayısı ile ısı geri kazanım sisteminin performansını
olumsuz etkilemektedir.
Kirlilik yüzünden artan direnç fanların çekeceği gücü arttırmakta ve hava debisinin
azalmasına sebep olmaktadır. Isı geri kazanım sisteminin performansını artırmak için
eşanjörlerin yüzeyi sürekli temiz tutulmalıdır. Bunu sağlamak amacı ile hem taze hava
tarafına, hem de egzoz havası tarafına mutlaka filtre koymak gerekmektedir. Bu filtreler
sistemin verimini arttıracağı gibi eşanjörlerin bakım masraflarını da azaltır [2].
2.5 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Kaçaklar
Dönüş havası ile taze havanın birbirine karışmasına sebep olan kaçaklar havadan havaya ısı
geri kazanım sistemlerinin seçiminde önemli bir kriterdir. Dönüş havasının taze havaya
karışmasının sakıncalı olduğu durumlarda seçilecek olan ısı geri kazanım cihazının kaçak
10
olmayacak özellikte seçilmesi gerekmektedir. Isı geri kazanım sistemlerinde kaçaklar, ısı
eşanjörlerinin tip ve tasarımlarına, iki hava arasındaki statik basınç farklılıklarına ve
eşanjörün fiziksel durumuna göre değişiklik göstermektedir [2].
2.6 Isı Geri Kazanım Ekipmanlarında Yoğuşma ve Donma
Yoğuşma, buz oluşumu ve/veya donma, ısı transfer yüzeylerinde gerçekleşmesi olası olan
durumlardır. Kış uygulamalarında, sıcak olan dönüş havası ile soğuk olan taze hava arasında
ısı transferi gerçekleşmeye başladığında, şayet dönüş havası çiğ nokta sıcaklığının altında bir
değere soğutulursa yoğuşma gerçekleşir. Bu yoğuşmanın sonucunda ise ısı transfer
yüzeylerinde ıslaklık oluşur. Şayet ısı transfer yüzeyinin sıcaklığı donma sıcaklığının altına
inerse yoğuşan su donmaya başlar. Bunun dışında dönüş havası sıcaklığının 0 oC ’nin altına
inmesi de yüzeylerde donmanın başlamasına sebep olur. Donmanın hangi bölgelerde olacağı,
yoğuşma oranının ne kadar olacağı ve don miktarının ne kadar olacağı, donma şartlarının
süresine, hava debilerinin oranlarına, giriş hava sıcaklığı ve nem miktarına, ısı eşanjörünün
yüzey sıcaklığına, ısı eşanjörünün verimliliğine, geometrisine, konfigürasyonuna ve ısı
transfer katsayılarına bağlılık gösterir. Yoğuşma, ısı transfer oranını arttıran ve dolayısı ile
duyulur verimliliği arttıran bir olaydır. Aynı zamanda, hava geçiş aralığı az olan ısı
eşanjörlerinde basınç kaybını da arttırır. Yoğuşma ilk başta ısı transfer oranını arttırırken
donmanın oluşmaya başlaması ile birlikte dönüş havasının geçişine engel oluşturur ve
dolayısı ile ısı geri kazanım verimliliğini düşürmeye başlar. Bazı özel durumlarda dönüş
havası tarafı tamamı ile donar ve hava geçişi engellenir. Ayrıca su donunca genleşeceği için
de ısı geri kazanım yüzeylerinde ciddi hasarlara sebep olabilir. Donma oluşumunun sebep
olabileceği olumsuz etkileri ortadan kaldırma için donma olasılığı olan şartlarda çalışan ısı
geri kazanım sistemlerinde özel donma koruma önlemleri alınmalıdır. Taze havanın ısı
eşanjöründe giriş sıcaklığını arttırmak için bir ön ısıtma kullanımı veya ısı eşanjörünün
verimliliğini azaltıcı önlemler almak donma koruma önlemleri arasında sayılabilir.
Isı geri kazanım eşanjörlerinin verimliliğini kontrol etmek için, bataryalı ısı geri kazanım
sistemlerinde üç yollu vana kontrolü, plakalı ısı geri kazanım sistemlerinde taze hava by-
pass’ı, tamburlu ısı geri kazanım sistemlerinde tambur hızının değiştirilmesi, ısı borulu (heat
pipe) tipi ısı geri kazanım sistemlerinde heat pipe cihazının yatay ile olan açısının
değiştirilmesi uygulamaları yapılabilir [2].
11
2.7 Isı Transfer Yüzeyindeki Hava Hızları
Isı eşanjörlerinin yüzey hava hızları belirlenirken hava hızının ısı geri kazanım performansına
etkisinden daha çok basınç kaybına olan etkisi göz önüne alınır. Hava hızı artarken ısı geri
kazanım cihazının performansı azalır. Hava hızındaki artış basınç kaybında da artışa neden
olur. Basınç kaybındaki artışın olumsuz etkileri performansın azalışının olumsuz etkilerinden
daha önemlidir. Düşük hava hızlarında, basınç kayıpları daha az, verimler daha yüksek ve
işletme maliyetleri daha düşük olur. Ancak düşük hava hızlarında seçilmiş bir ısı geri kazanım
sisteminde ilk yatırım maliyetleri daha yüksek olacak ve cihazlar daha büyük seçildiği için de
cihaz yerleşimleri için daha büyük mahallere ihtiyaç duyulacaktır [2].
2.8 Isı Geri Kazanımda Buharlaştırmalı Soğutma (Dolaylı Evaporatif Soğutma)
Buharlaştırmalı soğutma bilinen en eski serinletme tekniklerinden birinin uyarlamasıdır.
Direk evaporatif soğutma, suyun buharlaşma enerjisi kullanılarak havanın soğutulması
esasına dayanır. Hava hem nemlenmekte hem de soğumaktadır. Bu proses psikrometrik
diyagramda sabit yaş termometre sıcaklığı doğrultusunda hareket eden bir prosestir. Soğuma
sınırı nemlendirilen havanın yaş termometre sıcaklığıdır. Serinlik açısından yeterli sıcaklığa
ulaşılsa dahi, resirküle su ile nemlendirilmiş yüksek nemli bir hava elde edilmesi, solunum ve
kullanım açısından günümüzde sorgulanmaktadır [9].
Dolaylı evaporatif soğutma uygulanmasında ise resirküle su ile kullanım havasının teması
yoktur. Burada egzoz havası evaporatif olarak nemlendirilmekte ve soğutulmaktadır. Dolaylı
buharlaştırmalı soğutma sistemi özellikle plakalı ısı eşanjörü ile kullanılan bir yöntemdir. Bu
sistem ile dönüş havası ve taze hava arasındaki sıcaklık farkının artırılması sureti ile ısı geri
kazanımdan kazanılan enerji artırılır. Ayrıca, dönüş havası tarafındaki ısı geri kazanım
yüzeyinin ıslak hala getirilmesi ile de ısı transfer katsayısı artırılmış olur. Buharlaştırmalı
soğutmanın kullanıldığı sistemlerde daha fazla ısı geri kazanımı sağlandığı için ilave soğutma
ihtiyacı da azalmış olur. Bu durum soğutma sistemlerinin daha küçük seçilmesi, dolayısı ile
de daha düşük ilk yatırım maliyetlerini ve daha az soğutma enerjisi kullanımı sağlar [2].
Plakalı eşanjörler için dolayı evaporatif soğutma uygulamasına bir örnek Şekil 2.5 ‘de
gösterilmiştir.
12
Şekil 2.4 Dolaylı evaporatif soğutmalı plakalı ısı geri kazanım cihazı [9].
Şekildeki ısı geri kazanım cihazı aynı zamanda taze ve egzoz havası fanları, plakalı ısı
değiştirici ve su deposu, sirkülasyon pompası ve fıskiyeleri ile temel bir hava serinletme
cihazıdır [9].
13
3. İKLİMLENDİRME SİSTEMLERİNDE ENERJİ GERİ KAZANIM ÇEŞİTLERİ ve
TEKNİKLERİ
Isı geri kazanım cihazlarını ısı transfer metoduna göre ikiye ayırabiliriz.
Duyulur ısı cihazları, sadece duyulur enerjiyi yani sıcaklığı transfer eden cihazlar.
Toplam ısı cihazları, duyulur enerjiyi ve gizli enerjiyi yani sıcaklığı ve nemi transfer eden
cihazlar.
Bunun dışında ısı geri kazanım cihazlarını reküparatif (yüzeyli) ve rejeneratif (dolgu maddeli)
sistemler olarak iki ana kategoriye ayırabiliriz. Reküparatif ısı geri kazanımında akışkanlar,
birbiriyle karıştırılmadan ısı geçişi doğrudan yapılır ve genelde metal malzeme olan katı bir
yüzey ile birbirinden ayrılırlar. Rejeneratif ısı geri kazanımında ise ısı geçişi doğrudan
olmayıp, ısı depo edilir, daha sonra bu dolgu maddesindeki bu ısı soğuk akışkana verilir.
Genel olarak reküparatif ısı geri kazanımında incelemeler zamandan bağımsız olmasına
rağmen, rejeneratif ısı geri kazanımında incelemeler zamana bağlıdır [4].
İklimlendirme sistemlerinde enerji geri kazanımı için rejeneratif ısı geri kazanım
sistemlerinden plakalı ısı geri kazanım cihazları, rejeneratif ısı geri kazanım sistemlerinden de
tamburlu ısı geri kazanım cihazları, bataryalı ısı geri kazanım cihazları ve ısı borulu tip ısı
geri kazanım cihazları incelenecektir.
3.1 Plakalı Isı Geri Kazanım Sistemleri
Plakalı tip ısı geri kazanım sistemleri ağırlıklı olarak duyulur ısıyı, yoğuşmanın oluşması
durumunda da gizli ısıyı transfer eder. Bu tip ısı eşanjörlerinde normal şartlarda nem transferi
söz konusu olmaz, dolayısı ile bu tip ısı eşanjörlerin duyulur ısı eşanjörleri olduğu
söylenebilir. Ancak, çok özel durumlarda ısı transfer yüzeyi olarak kullanılan özel malzemeler
bu eşanjörlerin hem ısıyı hem de nemi, dolayısı ile de toplam enerjiyi transfer edebilme
özelliğine sahip olmasını sağlarlar. Toplam enerjiyi transfer edebilmek için kullanılan ve su
buharının transfer edilmesine izin veren malzemeler özel işlemden geçirilmiş kağıt veya
mikroporous polimerik membran olabilir [2].
14
Plakalı tip ısı geri kazanım eşanjörlerinde cam, alüminyum veya plastik malzemeden yapılmış
paslanmaya karşı dayanıklı özel plakalar iki hava arasında ısı transferinin sağlanmasını sağlar.
Genellikle ısı iletim katsayısı yüksek malzemeden (Alüminyum gibi), hafif, kompakt ve
yüksek verim için özel plaka profillerinden imal edilirler [1]. Şekil 3.1 ‘de tipik bir eşanjör
plakası ve Şekil 3.2 ‘de ısı geri kazanım eşanjörü kesitli olarak gösterilmiştir.
Şekil 3.1 Tipik bir eşanjör plakası [1].
Şekil 3.2 Plaka tipi hava ısı eşanjörü [7].
Bu tiplerde çapraz kirlenme olma ihtimali olabildiğinden hastana gibi uygulamalarda dikkatle
kullanılmalı ve kurulduktan sonra kaçak ve sızıntılara karşı test edilmelidirler. Düşük dış hava
sıcaklıklarında taze dış havanın ön ısıtılması amacıyla kullanıldıklarında donmaya karşı
önlem alınmalıdır. Özel don koruma sistemlerinin kullanılması ile bu modüller çok düşük
sıcaklıklara kadar (-28 oC) %86 ’ya varan verimlerle kullanılabilirler. Plakalı ısı geri kazanım
eşanjörlerinin hareketli parçaları veya endişe edilecek elektrik bağlantıları yoktur. Bu da plaka
ısı geri kazanım cihazlarına %100 güvenilirlik ve montaj kolaylığı sağlar. Isı boruları ya da ısı
tamburlarının aksine yağlanma, ayar ve parça değişimi, freon gazı, özel kaplama vb.
ihtiyaçları yoktur ve çalışma garantisi her zaman %100 dür. Özel tasarımlar sayesinde çok
15
kirli ve yağlı ortamlarda bile temizliğe gerek kalmaksızın ve filtreler kullanılmaksızın
çalışabilirler.
3.1.1 Plakalı Eşanjörlerin Çalışma Prensibi
Plakalı eşanjörlerde iki havanın akışı birbirlerine ters, paralel veya çapraz olabilir. Taze dış
hava ve egzoz havasının ısı geri kazanım cihazından birbirine karışmadan çapraz akışı Şekil
3.3 ‘de gösterilmiştir [2].
Şekil 3.3 Plaklı eşanjörlerde çapraz hava akışı ve tipik bir santralde uygulaması [1].
Sıcak hava akımındaki enerji eşanjörün alüminyum plakalarından geçer ve depo edilir sonra
da diğer tarafta soğuk hava akımı tarafına iletilir. Soğutma amaçlı kullanıldığında da ise
benzer şekilde serin havadan alınan “serin enerji” eşanjörün plakalarından geçirilerek sıcak
hava akımını verimli bir şekilde serinletir [1].
Seçim yapılırken plakaların proflleri, sızdırmazlıklarının sağlanma şekli, köşe birleşme detayı,
korozif ortamda çalışıyorsa korozyona karşı PVC gibi kaplama ile koruma, yüksek
sıcaklıklarda (yaklaşık 288 oC ‘ye kadar) kullanılacaksa köşelerin sızdırmazlığının silikon ile
sağlanması gibi detaylara dikkat edilmelidir [1].
Kışın alınan taze hava sıcaklığının 0 oC ‘nin altında olması durumunda şayet dönüş havasının
çiğ nokta sıcaklığı daha yüksek bir değerde ise egzoz havası yönünde yoğuşma olabilir. Bu
olaydan sonra hava sıcaklığına bağlı olarak yoğuşan suyun plaka yüzeylerinde donma riski
vardır. Buzlanma eşanjör plakalarının en soğuk köşesinde başlar. En soğuk köşe, plaka
yüzeyinin sıcak hava akımına en uzak, soğuk hava akımına en yakın köşesidir. Buzlanma
başlar ve kontrol edilmez ise tüm plaka yüzeyini kaplar, hava akımı durur, fan motorları
yanabilir, basınç farkı sebebi ile santral çökebilir ve ısı değiştirici deforme olabilir. Kısaca
tüm havalandırma sisteminde onarılması güç tahribat oluşabilir [9]. Donma kurma sistemleri
değişik şekillerde yapılmakta olup bir örneği Şekil 3.4 ‘de gösterilmiştir.
16
Şekil 3.4 Plakalı eşanjörlerde donmaya karşı bir önlem örneği [1]
Buzlanmanın, zaman zaman eritilerek kontrol edilmesi için ilk yol by-pass kanalı ve
damperidir. Buzlanma hissedici sensörün damper motorunu uyarması ile ısı değiştirici yüzey
damperi kapanırken, by-pass damperi açılmaya başlar. Isı değiştiricinin soğuk tarafında
azalan veya durdurulan hava debisine karşılık, sıcak dönüş havası tarafındaki hava debisi aynı
kalır. Sıcak hava hakimiyetine geçen ısı değiştirici yüzeylerindeki buz erir. Sensörün ikinci
uyarısı ile damperler normal pozisyonuna döner [9]. Şekil 3.5 ‘de by-pass geçişli bir eşanjör
ve Şekil 3.6 ‘da iki değişik by-pass konumu gözükmektedir.
Şekil 3.5 By-pass geçişli eşanjör [7].
17
Şekil 3.6 İki farklı by-pass konumu [7].
Yukarıdaki senaryoda buz eritme süresince, by-pass damperinden geçen soğuk havanın, ön
ısıtmadan ( ısı geri kazanımı ile ) geçmeden son ısıtıcıya gittiği ve iç mekanda sıcaklık
dalgalanması ( soğuma ) olabileceği kabul edilmelidir. Bu olumsuzluk, santral otomasyonuna
ilave edilecek değişik önlemler ile ortadan kaldırılabilir.
Plakalı ısı değiştiricileri üzerindeki buzlanmanın eritilmesi için en klasik yolun, taze hava
akımının yani fanının durdurulması olduğu söylenebilir. Buzlanmanın kabul edilebilir azami
limitlere ulaştığını algılayan sensörün uyarması ile taze-dış hava fanı durur, egzost fanı
çalışmaya devam eder. Artan sıcak hava hakimiyeti oluşan buzlanmayı eritir. Bu senaryoda
havalandırma işlemi zaman zaman durduğu için çok tercih edilmez. Taze hava fanının
durdurulması yerine, hızının ve debisinin kademeli veya oransal olarak azaltılması tercih
edilmelidir. Hem havalandırma-ısı geri kazanım işlevi tamamen durdurulmayacak, hem de
buz eritme işlevi yerine getirilebilecektir.
Isı geri kazanım cihazında yoğuşma, buzlanma ve buz eritme olasılıkları göz ardı
edilmemelidir. Bunun yanında yoğuşma suyunu toplayacak tava ve su tahliye sistemi
kullanılması gereklidir. Ayrıca suyun göllenmesine ve durgun kalmasına sebep olacak tava ve
su tahliye sisteminin, bakteri üreme olasılığına bağlı olarak, insan sağlığı açısından tehlikeli
olabileceği unutulmamalıdır [9].
Dış hava şartları ile iç dizayn şartlarının birbiri ile aynı veya çok yakın olduğu zamanların
yaşanması mümkündür. İki hava akımı arasında sıcaklık fakının olmadığı veya çok az olduğu
böyle durumlarda, ısı transferi ve ısı geri kazanımı ya hiç olmayacak ya da çok az olacaktır.
Isı geri kazanım eşanjörü işlevini yitirecek, daha da önemlisi ısıtma yada soğutma ihtiyacı
ortadan kalkacaktır. Tanımlanan durumda ısı değiştirici yüzey damperi kapatılıp, filtre edilmiş
temiz ve serin ya da ılık taze hava, by-pass kanalı üzerinden iç mekâna gönderilebilir. Bu
18
senaryoda, fan motoru üzerindeki ısı geri kazanım eşanjörü direnci kalktığı için, fan motoru
daha az enerji sarfedecek ve enerji ekonomisi sağlanacaktır. Bu şekilde sağlanacak enerji
ekonomisi, damper üzerindeki hava hızı ve basınç kaybı ile direkt ilişkili olduğu için, by-pass
genişliği ve kesitteki hava hızının doğru tespit edilmiş olması önemlidir [9].
Plaka tipi ısı geri kazanım ünitelerinin kullanıldığı sistemlerde egzoz aspiratörü ve klima
santrali aynı gövde üzerindedir. Aspiratörün ayrı montajı ve egzoz havası veya taze havanın
kanalla ısı geri kazanım ünitesine taşınması da mümkündür, ancak hava taşımanın enerji
maliyetinin yüksek olması ve hatta bazı durumlarda mimari engeller yüzünden mümkün
olamaması ihtimali nedeni ile bu tarz uygulamalar çok tercih edilmez.
3.1.2 Plakalı Isı Geri Kazanım Sistemlerin Temel Uygulama ve Yerleşim Şekilleri
Isı geri kazanım uygulamaları, uygulamalarda yer alan ısı değiştirici miktarı ile hava
akımlarının ısı değiştirici üzerinden geçiriliş sayısına bağlı olarak, değişik şekillerde
düzenlenebilir. Bu düzenlemeler;
- Tek ısı değiştirici – tek geçiş,
- İki ısı değiştirici – iki geçiş, seri bağlantı,
- İki ısı değiştirici – iki geçiş, paralel bağlantı,
- İki ısı değiştirici – iki geçiş, karışık bağlantı
olarak isimlendirilir [9].
3.1.2.1 Tek Isı Değiştirici – Tek Geçiş
Plakaların yatay düzleme paralel veya dik duruşuna göre iki şekilde kullanılabilir (Şekil 3.7
ve 3.8). Yatay plakalı yerleşimde ısı değiştiriciye, yoğuşma sularının plaka yüzeylerinden
rahatça süzülmesini sağlayacak kadar eğim verilmesi, düşey plakalı yerleşimde ise,
yoğuşmanın olacağı sıcak hava tarafındaki hava akımının, yukarıdan aşağıya doğru
yönlendirilmesi önerilir. Bu önlemler, hem olası buzlanma risk ve hızını azaltacak, hem de
fan motorlarının gereğinden fazla enerji sarf etmesine engel olacaktır.
19
Şekil 3.7 Plakalar yatay düzleme paralel dizayn [9].
Şekil 3.8 Plakalar yatay düzleme dik dizayn [9].
Plakalar yatay düzleme paralel duracak şekilde yapılan uygulamalar, genellikle küçük debili
ve düşük cihaz yüksekliği aranılan yerlerde ön plana çıkar. Bunun yanında, hava akımlarının
yönleri birbirlerine göre paralel veya zıt olabilir. Ancak bu durum, ısı değiştiriciden
beklenilen verimliliği değiştirmez. Çünkü ısı değiştirici üzerindeki hava akımı, her iki
durumda da çapraz akış şeklinde oluşur [9].
3.1.2.2 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Seri Bağlantı)
İki ısı değiştiricili iki geçişli yerleşim, daha yüksek verimlilik hedeflenen ısı geri kazanım
uygulamalarında ön plana çıkar. İki ısı değiştiricili ve çift geçişli uygulamalarda yüksek
verimlilik aranırken, hava basınç kaybı ve fiyat artışı göz ardı edilmemeli, basınç kaybı, fiyat
ve verimlilik optimizasyonu aranmalıdır. Uygulamanın klima santrali içinde, ayrı dizayn
edilmiş bir ünite olarak veya kanallar üstünde yapılması mümkündür. Seri bağlantı için
tasarım dizaynı Şekil 3.9 ‘da verilmiştir.
20
Şekil 3.9 Seri bağlantı dizaynı [9].
3.1.2.3 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Paralel Bağlantı)
Hem taze hava akımı hem de egzoz havası, aynı kaset içine yerleştirilmiş iki ayrı ısı
değiştirici üzerinden ve paralel bağlantı esaslarına göre geçirilmektedir. Uygulama, özellikle
her iki hava akımının yüksek debilere sahip olduğu durumlarda kullanılır. İlke olarak tek
geçişli bir uygulama olup, verimlilik ve basınç kaybı seviyeleri diğer tek geçişli uygulamalar
ile aynı seviyededir. Aşırı büyük ve tek parça ısı değiştirici kullanılması opsiyonuna karşılık,
hem daha uygun basınç kayıpları, hem de bakım ve temizlik kolaylığı sağlaması açısından
tercih edilir. Paralel bağlantı için tasarım dizaynı Şekil 3.10 ‘da gösterilmiştir.
Şekil 3.10 Paralel bağlantı dizaynı [9].
3.1.2.4 İki Isı Değiştirici – İki Geçiş (Karışık Bağlantı)
Isı değiştiricilerinin üzerinden, bir hava akımı paralel, diğeri ise seri bağlantı esasına uygun
geçmektedir. Geçiş kesiti açısından daha büyük olması sebebi ile daha fazla debiye sahip olan
hava akımı paralel bağlantı devresinden, daha düşük debiye sahip olan hava akımı ise seri
21
bağlı devre üzerinden geçirilmelidir. Bu sayede, düşük debili devredeki basınç kaybı ile
yüksek debili devredeki basınç kaybının birbirinden çok farklı olmaması sağlanarak, santral
içinde daha dengeli basınç kayıpları sağlanır. Kullanılan her iki ısı değiştiricide de, özellikle
seri bağlı devre üzerindeki plaka aralıklarının eşit olması, aşırı yüksek basınç kayıpları ve
istenilmeyen türbülanslar için aranılması gereken özelliklerdir. Karışık bağlantı için tasarım
dizaynı Şekil 3.11 ‘de gösterilmiştir.
Şekil 3.11 Yatayda seri, düşeyde paralel bağlantı dizaynı [9]
3.2 Tamburlu Isı Geri Kazanım Sistemleri (Isı Tekerleği)
Isı tekerleği taşıyıcı konstrüksiyon üzerine yataklanmış ve çevrelenmiş dönen bir ısı
değiştirgecidir. Genellikle ince alüminyum şeritten üretilen rotor dolgusu, yatay bölme
üzerinde hava kanallarıyla ikiye bölünür. Dairenin bir yarısından egzoz havası geçerken diğer
yarısından taze hava geçer ve bu esnada daire bir elektrik motoru ve kayış kasnak sistemi
vasıtası ile çok düşük devirlerde döndürülür [6]. Şekil 3.12 ‘de ısı tekerleğinin genel görünüşü
ve genel hava akımları gösterilmiştir.
22
Şekil 3.12 Isı tekerleği [6].
Isı tekerleğinde, ısı transferinin yapıldığı hava geçişine izin veren malzeme sadece duyulur ısı
transferini veya toplam ısı transferini (duyulur ısı ve gizli ısı) yapacak şekilde seçilebilir
(Şekil 3.13). Duyulur ısı transfer, sıcak havanın ısı transfer yüzeyini ısıtması ve tamburun
dönerek soğuk havanın önüne gelmesi ve ısınan yüzeyin soğuk havayı ısıtması ile gerçekleşir.
Gizli ısı transferi, yüksek nem oranına sahip havanın içerisindeki nemin ısı transfer yüzeyinde
yoğuşması ile gerçekleşir. Bu durumda nemli hava kururken kuru hava nemlenir. Nem
transferi desiccant kaplama sayesinde gerçekleştirilir. Bu tip ısı geri kazanım cihazları
yaklaşık dakikada 5-10 devir dönerek egzoz ve taze havanın önünden geçerler. Isı
tekerleğinde verimler rahatlıkla %75 değerlerine ulaşabilir [2].
23
Şekil 3.13 Isı tekerleklerinde ısı transferi türleri [1].
Isı tekerleğinde plakaların arasından egzoz havası geçerken taze hava tarafına dönmesi nedeni
ile plakalar arasında bir miktar taşınan egzoz havası taze havaya karışır. Ayrıca ünitenin döner
konumda kalabilmesi için cihazla ünite arasına bir miktar ara bırakılmak zorundadır. Her iki
havanın statik basınçlarının birbirinden farklı olması durumunda, hava yüksek basınçlı
bölümden düşük basınçlı bölüme bu dar aralıktan geçer ve iki hava karışır. Dolayısı ile ısı
tekerleği %100 taze havanın önemli olduğu uygulamalar için uygun değildir. Uygulamaların
bir kısmında da dönüş havasının taze havaya karışması problem olmayabilir [1].
Dönüş havasının taze havaya karışmasını önlemek için gerekli bazı önlemler vardır.
Bunlardan en önemlisi egzoz ve taze hava tarafları arasındaki basınç farklılıklarının çok
yüksek olmamasını sağlamaktır. Basınç farkı yükseldikçe by-pass miktarı artacaktır [1]. Diğer
bir yöntem ısı tekerleğinde süpürme bölmesi (purge) bulunmasıdır. Süpürme bölmesi, ısı
değiştirici dolgusu ile birlikte dış hava dilimine geçen kirli havanın, bir miktar dış hava
kullanılarak, dolgu içinden süpürülüp egzoz havası tarafına nakledilmesi esasına dayanır.
Ayrıca süpürme bölmesi taze havanın içine taşınabilecek kirli dönüş havasının atılmasını
sağlarken, dönüş havası tarafından kirletilen dolgu malzemesini de temizlemiş olur [6]. Şekil
3.14 ‘de süpürme bölmesinin çalışma prensibi gösterilmiştir.
24
Şekil 3.14 Süpürme bölmesinde havanın izlediği yol [6].
Tamburlu ısı geri kazanım cihazının enerji geri kazanım miktarını kontrol etmek için genel
olarak iki metod kullanılır. Birinci metoda taze havanın tamburdan by-pass edilmesi sureti ile
geri kazanım miktarı kontrol altında tutulabilir. Tamburun taze hava çıkış noktasına
yerleştirilmiş olan bir sıcaklık sensörü aracılığı ile kontrol edilen by-pass damperi sayesinde
istenilen miktarda taze hava eşanjörden by-pass edilir. İkinci metoda ise geri kazanılan enerji
miktarı tamburun dönüş hızının değiştirilmesi ile kontrol edilir. Tambur hızı bir frekans
inverter cihazı ile değiştirilebilir. Tambur hızının artırılması ısı geri kazanım verimliliğini de
artırır. Ancak, bu hızın belirli bir üst limiti vardır. Bu üst limitin aşılması durumunda
tamburun havayı taşıma miktarı artar bu da tercih edilen bir durum değildir. Dönüş hızı için
belirlenen üst limite kadar ısı geri kazanım miktarı artarken üst limite ulaşıldıktan sonra
tamburun hızının artırılması ısı geri kazanım miktarını değiştirmez [2].
Düşük sıcaklıkta ve nem oranı yüksek atmosferik hava ile çalışılması durumunda donma
oluşumunu önlemek için taze hava girişine bir elektrikli veya sulu ısıtıcı konulabilir ya da taze
hava ile dönüş havasının karışmasında engelleyici bir durum yoksa karışım damperleri
kullanılabilir [2].
3.3 Bataryalı Isı Geri Kazanım Sistemleri
Bu sistem biri dönüş havası üzerinde, diğeri taze hava üzerinde bulunan iki bataryadan
oluşmaktadır. Bataryalar birbirlerine bir borulama sistemi ile bağlıdır. Isı transferini sağlayan
akışkan bu boruların içinde dolaşır. Bataryalar genellikle bakır boru alüminyum kanatlı olarak
tasarlanır. İki batarya arasında dolaşan suya dış hava sıcaklığına bağlı olarak (donmaya karşı)
glikol katılır. Doğru bir glikol karışımı ve batarya malzemesi ile yaklaşık -45 oC ’deki
25
sıcaklıklara kadar bu ısı geri kazanım sistemi kullanılabilir. Su/glikol karışımının iki batarya
arasındaki sirkülasyonu bir pompa ile sağlanır. Geri kazanılacak olan ısı miktarının ihtiyaç
duyulan değerde olmasını temin etmek için üç yollu vana kontrolü kullanılır. Bu vana taze
havanın geçtiği bataryaya yakın konulmalıdır.
Bataryalı ısı geri kazanım cihazında taze hava ve dönüş havasının birbirleri ile karışma riski
olmadığı için hijyenik sistemlerde ve dönüş havasının taze havaya karışmasında mahsur olan
uygulamalarda kullanılabilir. Ayrıca taze hava girişi ile egzoz havası çıkışının birbirine uzak
olduğu durumlarda özellikle tercih edilir. Çünkü ısının taşındığı bağlantı boruları az yer
kaplar ve kurulumu hava kanallarına göre çok daha ekonomik ve kolaydır. Standart klima ve
havalandırma cihazlarına rahatlıkla adapte edilebildikleri için de ilk yatırım maliyetleri
oldukça düşük olmaktadır.
Bataryalı ısı geri kazanım sistemlerinde ısıyı taşıyan akışkanın debisi artırılıp hava debisi
sabit tutulursa ısı geri kazım miktarı artırılabilir. Bu artış belirli bir değere kadar olabilir, bu
belirli değerden sonra akışkanın debisi artırılırsa da ısı geri kazanım miktarı daha fazla
artmaz. Ayrıca ısı geri kazanım yüzey alanı ne kadar büyük olursa ısı geri kazanım miktarı da
o kadar büyük olur. Dönüş havası debisinin taze hava debisinden fazla olduğu durumlarda da
ısı geri kazanım miktarı fazla olur [2].
Isı transfer akışkanının düşük sıcaklıklarda olması durumunda dönüş havası bataryasının
yüzey sıcaklığı 0 oC ‘nin altına düşebilir. Bu durumda dönüş havasının içerisindeki yoğuşan
su buharı batarya yüzeyinde donabilir. Hava geçişine direnç oluşturacak ve bataryanın
yıpranmasına sebep olacak donmaya karşı mutlaka önlem alınmalıdır. Donma korumasında
kullanılan üç yollu karışım vanası donmayı engellemek için sıcak akışkanın belirli bir
kısmının soğuk akışkan ile karıştırılmasını ve ısı transfer akışkanının sıcaklığının donma
olmasına engel olacak düzeyde tutulmasını sağlar. Sistemin çalışması esnasında donma
oluşumunda sadece dış havanın sıcaklığı değil dönüş havası sıcaklığı ve ısı geri kazanım
sistemi tarafından transfer edilen ısı miktarı da belirleyicidir [2]. Ayrıca dönüş havası
bataryasına yoğuşma tavası ve damla tutucu kullanılmalıdır.
Isı geri kazanım sisteminde iki bataryayı birleştiren boru devresi üzerinde sıcaklık kontrol
vanası ve genleşme tankı kullanılmalıdır. Bataryalı ısı geri kazanım sistemleri en az düzeyde
bakım ihtiyacına sahip sistemlerdir, pompa ve üç yollu vana dışında hareketli parça
bulunmamaktadır. Ancak, sistemin uzun ömürlü ve yüksek performanslı olmasını temin için
her iki bataryanın da girişine filtreler konulmalı, bu filtreler ve bataryalar belirli aralıklarla
26
temizlenmeli ve sistemdeki diğer parçaların bakımları yapılmalıdır. Ayrıca belirli aralıklarla
ısı transfer akışkanı (su/glikol karışımı) değiştirilmelidir.
Şekil 3.14 Bataryalı ısı geri kazanım sistemi [6]
Şekil 3.15 Bataryalı ısı geri kazanım sisteminde hava akışı [6].
27
3.4 Isı Borulu Tip Isı Geri Kazanım Sistemleri (Heat Pipe)
Bir heat pipe tipi ısı geri kazanım cihazı dışarıdan bakıldığında sulu veya buharlı bir
bataryaya benzer. Ancak, aslında bu batarya iki kısımdan oluşmaktadır, bir kısmı evaporatör,
diğer bir kısmı ise kondenser özelliğindedir. Bu sistemde sıcak hava, bataryanın evaporatör
kısmından geçerken soğuk hava kondenser kısmından geçmektedir.
Heat pipe sistemi duyulur ısı transferi sağlayan bir sistemdir. Ancak, batarya üzerindeki
yoğuşma gizli ısı transferinin de oluşmasını, dolayısı ile ısı geri kazanım performansının daha
yüksek olmasını sağlar.
Bakır borular içerisinde freon bazlı bir soğutucu akışkan (R134a, R410a) bulunmaktadır.
Sıcak hava evaporatör üzerinden geçerken soğutucu akışkanın buharlaşmasını sağlar.
Buharlaşan soğutucu akışkan basınç farkı sayesinde cihazın kondenser bölümüne geçer ve
soğuk havanın etkisi ile yoğuşurken ortama gizli ısı bırakır. Bu gizli ısı taze havanın
ısıtılmasını sağlar. Yoğuşan akışkan tekrar evaporatör kısmına geçerek buharlaşır, böylece
çevrim tamamlanmış olur. Cihazın düşeye göre açılı bir konumda olması yoğuşan akışkanın
evaporatör bölümüne daha kolay geçmesini sağlar. Prosesin sürekliliğini sağlayacak miktarda
her iki hava arasında sıcaklık farkı olması durumunda, kapalı devre heat pipe sistemi,
soğutucu akışkanın devamlı olarak evaporasyon ve kondenzasyonu ile çalışmasına devam
eder.
Isı geri kazanım kapasitesi tüp malzemesinin çapına, kullanılan soğutucu akışkanın
termodinamik özelliğine ve heat pipe cihazının açısal konumuna bağlı olarak değişkenlik
gösterir. Kullanılan bakır boru miktarının fazla olması sistem verimliliğinin de fazla olmasını
sağlar. %60 verimliliği olan bir heat pipe cihazının bakır boru miktarının iki misli arttırılması
aynı cihazın verimliliğini %75’e çıkarır. 25 mm’lik iç çapa sahip bakır borulardan oluşmuş bir
heat pipe cihazından alınabilecek kapasite 16mm’lik iç çapa sahip bakır borulu bir cihazın
yaklaşık 2.5 misli daha fazlasıdır.
Kurulmuş olan bir heat pipe cihazının kapasite kontrolü yatay ile olan açısının değiştirilmesi
ile yapılır. Yaz sezonundan kış sezonuna veya kış sezonundan yaz sezonuna geçildiği
durumlarda ısı akışının yönünü değiştirebilmek için cihazın açısının değiştirilmesi
gerekmektedir [2].
Şekil 3.16 ‘da ısı borulu ısı geri kazanım sisteminin genel dış görünümü ve hava akışları
gözükmektedir. Şekil 3.17 ‘de ısı borusunun çalışma prensibi gösterilmektedir.
28
Şekil 3.16 Isı borulu ısı geri kazanım sistemi [6].
Şekil 3.17 Isı borusunun çalışma prensibi [6].
İncelediğimiz 4 farklı ısı geri kazanım sisteminin, piyasadaki genel özelliklerine göre
karşılaştırılması Tablo 3.1 ‘de verilmiştir.
29
Tablo 3.1 Isı geri kazanım sistemlerinin özelliklerinin karşılaştırılması [6].
30
4. UYGULAMALAR
Öncelikle bir mühendislik firması tarafından yapılan ısı geri kazanımlı klima santrali
projesinde, ısı geri kazanım sistemi kullanılmasının sağlayacağı enerji tasarrufuna bakalım.
Kazakistan’ın Alma-Ata şehrinde bulunan The Regent Ankara Hotel ’de 20 adet klima
santrali bulunmaktadır. Bu klima santrallerinin 3’ünde ısı tekerleği, 5’inde plaka tip ısı
eşanjörü ve 3’ünde ısı geri kazanım serpantini olmak üzere toplam 11 adedinde ısı geri
kazanım sistemi kullanılmıştır. AC-5,6,7’de ısı tekerleği, AC-11,13,14,15,18’de çapraz akışlı
ısı eşanjörü, AC-16,17,19’da ise serpantinden serpantine ısı geri kazanım sistemleri
bulunmaktadır. Tablo 4.1 ‘de bu klima santrallerindeki ısı geri kazanım sistemleri ile elde
edilen enerji tasarrufu gösterilmiştir.
Tablo 4.1 Klima santrallerindeki ısı geri kazanım sistemlerinde elde edilen tasarruf [7].
31
Otel’in toplam ısıtma yükü: QT
= 4.350.000 kcal/h
Klima santrallerindeki ısı geri kazanım sistemlerinden elde edilen enerji tasarrufu:
QH/R
/ QT
= 1.108.887 / 4.350.000 = 0.2549
Sonuç olarak, Otelin toplam ısıtma yükünün dörtte biri ısı geri kazanım sistemleri ile geri
kazanılmaktadır.
Bu enerji tasarrufunun fuel-oil karşılığı :
1108887 (kcal/h) / 9700 (kcal/kg) / 0.80 (kazan verimi) = 143 (kg/h)
4.1 Bir Örnek Uygulama Hesabı
Şekil 4.1’ de proses akış şeması verilen ve gerekli bilgiler, çeşitli noktalar için şekil üzerinde
belirtilen, duyulur ısı kazancı 150 000 (kj/h) ve gizli ısı kazancı 50 000 (kj/h) olan ortamın
iklimlendirilebilmesi için ortama üflenecek havanın özellikleri, miktarı ve soğutucunun
kapasitesi önce ısı geri kazanım (IGK) sisteminin olmadığı hal için daha sonra IGK sistemi de
hesaba katılarak hesaplamalar yapılacaktır. Ortama üflenen havanın sıcaklığı ile ortam havası
sıcaklığı arasında 7 oC lik bir sıcaklık farkı konfor şartlarından dolayı kabul edilirse, ortama
üflenecek olan havanın kuru termometre sıcaklığı 15 oC olur.
Şekil 4.1 Sistemin proses akış şeması ve gerekli bilgiler
32
Bağlantı kanallarındaki kayıplar (emme, besleme vantilatörleri ve hava kanalları kayıpları)
ihmal edildiğinde DIO’nı Denklem 4.1 ile hesaplanabilir.
(Denklem 4.1)
DIO = 150000 / (150000 + 50000) = %75
IGK sisteminin olmadığı durum için (0) noktası ile (1) noktası aynı özelliklere sahiptir. IGK
sisteminin olduğu durumla karılaştırılması daha kolay olabilir diye taze hava girişi için IGK
sisteminin olmadığı durumda (1) ifadesi kullanılacaktır.
Psikrometrik diyagram üzerinde (1) ve (4) noktaları verilen bilgiler yardımı ile işaretlenir.
Daha sonra psikrometrik diyagram üzerindeki yarı dairesel ölçek üzerinde DIO = 0.75 olan
doğruya (4) noktasından paralel çizilerek şartlandırma hattı çizilir. (3) noktası bu hat üzerinde
her hangi bir yer olabilirdi fakat ortama üflenen havanın kuru termometre sıcaklığı verildiği
için, hattın bu sıcaklıkla kesiştiği nokta bize üfleme şartlarını vermektedir.
Ortam için gerekli hava miktarı ortam için gerekli enerji dengesinden elde edilebilir. Sürekli
rejim çalışma şartlarında ortam için enerji dengesi Denklem 4.2 ‘de gösterilmiştir.
(Denklem 4.2)
Denklem 4.2 ‘den ortamın ısı yükü bağıntısı Denklem 4.3 ve sisteme gönderilmesi gerekli
şartlandırılmış hava miktarı bağıntısı Denklem 4.4 de verilmiştir.
(Denklem 4.3)
(Denklem 4.4)
Şekil 4.2 ‘de proses psikrometrik diyagramda gösterilmiştir. Psikrometrik diyagramdan (3) ve
(4) noktalarının iki noktasını bildiğimizden entalpilerini okuyabiliriz. Daha sonra tablo
halinde tüm değerler verilecektir.
19048 (kg/h)
= = 19048 (kg/h)
Klima cihazına giren resirküle havası ile dış hava karışımı olan (2) noktasının özellikleri için
sürekli rejimde bir kütle dengesi Denklem 4.5 ‘de gösterilmiştir.
+ = = (Denklem 4.5)
= 19048 – 4000 = 15048 (kg/h)
33
Karışım havası, 15048 (kg/h) debisinde ve 7 nolu özelliklerindeki hava ile 4000 (kg/h)
debisinde dış hava özelliklerinde iki havanın karışımıdır. Burada (2) noktası grafik yolla
bulunmuştur. Bunun için gerekli formül Denklem 4.6 da verilmiştir.
=
= 0.21 (Denklem 4.6)
Bu denklemle (2) noktasının yeri tespit edilir. Şekil 4.2 de psikrometrik diyagramda (2)
noktasının yeri gösterilmiştir.
Şekil 4.2 Prosesin psikrometrik diyagramda gösterilmesi
Bu psikrometrik diyagramda gösterilen noktaların gerekli değerleri Tablo 4.2 ‘de
gösterilmiştir.
Tablo 4.2 Sistemdeki noktaların psikrometrik özellikleri
Psikrometrik Özellik 1 noktası 2 noktası 3 noktası 4 noktası d noktası
Kuru termometre Sıc. 30 23.8 15 22 6.2
Yaş Termometre Sıc. 24.8 17.8 11.8 15.4 6.2
Özgül Nem (gr/kg) 17.4 10.2 7.2 8.2 6
Bağıl Nem (%) 65 56 68 50 100
Özgül Entalpi (kj/kg) 76 51 34 44.5 21
34
Psikrometrik diyagramda (2-3) hattı soğutucu cihazda gerçekleşen prosesi göstermektedir.
Diyagramda (2-3) proses hattını yarı dairesel ölçeğe paralel olarak çizersek, soğutucu ünite
için DIO yaklaşık olarak 0.52 civarındadır (DIOs = 0.52). Soğutucu ünitenin kapasitesinin
hesaplanması için gerekli bağıntı Denklem 4.7 ‘ de verilmiştir.
= (h2 – h3) (Denklem 4.7)
= 19048.(51-34) = 323816 (kj/h)
= 90 kW
= DIOS. = (0.52).90 = 46.8 kW
= 90 – 46.8 = 43.1 kW
Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, belirli bir miktar taze havanın şartlandırılmada
kullanılması sonucu, 200000 (kj/h) olan ortamın soğutma yükünün karşılanabilmesi için, bu
çalışma şartlarında soğutucu ünitenin kapasitesi 323816 (kj/h) olmaktadır. Gereken soğutma
ihtiyacı bu şartlarda yaklaşık %62 daha fazladır. Bu fazlalığın sebebi klima santralinde
şartlandırdığımız havanın, taze hava miktarı kadarını dışarıya atmamızdır. Tam bu noktada ısı
geri kazanım cihazları devreye girer. Şartlandırdığımız havanın taze hava miktarı kadarını
dışarıya değil de ısı geri kazanımdan geçirerek, dış ortam şartlarından aldığımız taze havayı
soğutmak için kullanırsak büyük oranda tasarruf etmiş oluruz.
4.1.1 IGK Cihazının Soğu Kazancının Hesaplanması
Yoğuşma ve nem transferinin oluşmadığı durumlarda, soğu kazancı (Q, kW), taze havanın
duyulur ısı değişime eşit olur [10].
= Cp.(Tt ,ç – Tth,g) (Denklem 4.8)
Burada m, ısı geri kazanım cihazından geçen taze havanın kütlesel debisi (kg/s), Cp taze
havanın özgül ısısı (kj/kg.K), Tt ,ç ve Tth,g ise sırası ile taze avanın ci azdan çıkış ve giriş
sıcaklıkları oC) ol aktadır
Egzoz ve taze ava arasındaki sıcaklık farkının ve taze avanın bağıl ne inin yüksek
olduğu soğu kazanı uygula alarında, taze avanın içindeki ne in bir kıs ı ısı geri
kazanı ci azında yoğuş aktadır Bu duru da taze avanın soğu kazancı GK ci azı
giriş ve çıkışı arasındaki entalpi , kj/kg değişi ine bağlı olarak esaplanır [10].
35
= (ht ,ç – hth,g) (Denklem 4.9)
Taze havanın ISG cihazından çıkış sıcaklığı, ideal durumda, egzoz havasının cihaza giriş
sıcaklığına (Teg,g, oC) ulaşacaktır. Cihazın ısıl verimini (η), taze havanın duyulur ısı değişimi
göz önüne alınarak tanımlayabiliriz [10].
η = ,ç ,
, , (Denklem 4.10)
Sistemde ısı geri kazanım cihazı olması basınç düşümünü artıracaktır. Bu basınç düşümü
karşılamak için gerekli fan gücünün hesaplanması gerekmektedir.
P = 2.Vdebi.∆P / ηfan (Denklem 4.11)
Burada P (W) fan gücünü, Vdebi (m3/s) hava debisini, .∆P (Pa) cihazdaki basınç düşümünü
ve ηfan fan verimini göstermektedir. Denklemdeki 2 katsayısı dış atım ve taze hava tarafının
toplam gücünü hesaplamak için kullanılmaktadır.
Bizim uygulamamız için IGK cihazı olarak duyulur ısı transferi yapan ve enerji geri kazanım
miktarı %70 olan bir plakalı ısı geri kazanım cihazı seçtik. Bu halde Denklem 4.10 ‘u
kullanarak (1) noktasının sıcaklığını bulabiliriz.
T1 = T0 + η.(T5 – T0) (Denklem 4.12)
T1 = 30 + (0.70).(22–30) = 24.4 oC
Isı geri kazanım cihazının prosesini ve sistemde yarattığı değişikler Şekil 4.3 ‘de psikrometrik
diyagram üzerinde gösterilmiştir.
Karışım havası, 15048 (kg/h) debisinde ve (7) nolu özelliklerindeki hava ile 4000 (kg/h)
debisinde ısı geri kazanım cihazından çıkan (1) nolu taze havanın karışımıdır. Burada (2)
noktası grafik yolla bulunmuştur. Bunun için gerekli formül Denklem 4.6 da verilmişti.
=
= 0.21 (Denklem 4.6)
Bu denklemle (2) noktasının yeri tespit edilir. Şekil 4.3 de psikrometrik diyagramda (2)
noktasının yeri gösterilmiştir.
36
Şekil 4.3 Isı geri kazanımlı sistemin prosesinin psikrometrik diyagramda gösterimi
Bu psikrometrik diyagramda gösterilen noktaların gerekli değerleri Tablo 4.3 ‘de
gösterilmiştir.
Tablo 4.3 Isı geri kazanım sistemdeki noktaların psikrometrik özellikleri
Psikrometrik Özellik 0 noktası 1 noktası 2 noktası 3 noktası 4 noktası d noktası
Kuru termometre Sıc. 30 24.4 22.3 15 22 6.2
Yaş Termometre Sıc. 24.8 23.2 17.4 11.8 15.4 6.2
Özgül Nem (gr/kg) 17.4 17.4 10.4 7.2 8.2 6
Bağıl Nem (%) 65 88 60 68 50 100
Özgül Entalpi (kj/kg) 76 69 49 34 44.5 21
Psikrometrik diyagramda (2-3) hattı soğutucu cihazda gerçekleşen prosesi göstermektedir.
Diyagramda (2-3) proses hattını yarı dairesel ölçeğe paralel olarak çizersek, soğutucu ünite
için DIO yaklaşık olarak 0.50 civarındadır (DIOs = 0.50). Soğutucu ünitenin kapasitesinin
hesaplanması için gerekli bağıntı Denklem 4.7 ‘ de verilmişti.
= (h2 – h3) (Denklem 4.7)
= 19048.(49-34) = 285720 (kj/h)
= 80 kW
37
= DIOS. = (0.50).80 = 40 kW
= 80 – 40 = 40 kW
Sonuç olarak ; ısı geri kazanım sistemli klima santralinde, iç ortamın 200000 (kj/h) soğutma
yükünün karşılanabilmesi için soğutucu ünitenin kapasitesi 285720 (kj/h) olmaktadır.
Gereken soğutma ihtiyacı bu şartlarda yaklaşık %42 daha fazladır. Isı geri kazanım olmayan
klima santralinde ise gereken soğutma ihtiyacı %62 çıkmıştı. Bu oranın daha fazla
düşürülmesi için ısı geri kazanım verimi daha yüksek olan ve gizli ısı transferi yapabilen bir
IGK cihazı kullanılabilir.
Bu sistemde ısı geri kazanım cihazı ile kazanılan soğu kazancı yaklaşık 10 kW ‘dır ve ilk
durumdaki santral soğutma yükü %11 azalmıştır.
Eğer bu sistem %100 taze hava ile çalışan bir sistem olsaydı, ısı geri kazanım cihazının
kullanılmaması durumundaki santral soğutma yükü ;
, = 19048.(76 – 34) = 800016 (kj/h) = 222.2 kW
Isı geri kazanım cihazı kullanılması durumundaki santral soğutma yükü ;
, = 19048.(69 – 34) = 666680 (kj/h) = 185 kW
Gördüğümüz gibi taze hava miktarımız arttıkça ısı geri kazanım cihazının sağlayacağı soğu
kazancıda artıyor. %100 taze havalı durumda ısı geri kazanım cihazı soğutma yükünü %16.7
azaltmıştır. Ayrıca dış hava sıcaklığımızın daha yüksek olduğu durum için ısı geri kazanımın
sağlayacağı tasarruf daha fazla olacaktır.
38
SONUÇLAR ve ÖNERİLER
Hem Dünyanın hem de ülkemizin ekonomik sıkıntılar içinde bulunduğu günümüzde enerjinin
daha verimli kullanımı için ısı geri kazanım sistemlerinin mümkün olan her uygulamada
kullanılmasında fayda vardır. Isı geri kazanım sistemlerinin kullanımı ekonomi dışında
çevrenin de korunması için oldukça faydalı olacaktır.
Her ısı geri kazanım projesi bir fizibilite çalışması gerektirir. Burada ısı geri kazanım
sisteminin yatırım masrafı, sistemin işletme masraflarına etkisi ve ayrıca klima sistemine
yapılacak yatırımın masrafına etkisi göz önüne alınmalıdır. Isı geri kazanım sistemleri doğal
enerji kaynaklarının ve çevrenin korunmasına katkı sağladığından yatırımlarının fizibıl
oluşunun sorgulanmasında daha hoş görülü olunabilir. Isı geri kazanım sisteminin büyüklüğü,
sağlayacağı fayda ve zararlara bakarak seçilir. Ayrıca hangi ısı geri kazanım sisteminin tercih
edileceği her uygulama için mutlaka incelenmeli, bütün faktörler değerlendirilerek projeye en
uygun ısı geri kazanım sistemi seçilmelidir.
Bir mühendislik firması tarafından yapılan bir otelin ısı geri kazanımlı klima santrali
projesinde, ısı geri kazanım sistemi kullanılmasının sağladığı enerji tasarrufunun 1.108.887
kcal/h olduğu ve otelin toplam ısıtma yükünün dörtte birinin ısı geri kazanım sistemleri ile
geri kazanıldığı görülmüştür. Yapılan yaz uygulaması örneğinde ise %75 resirküle havalı
olduğunda 10 kW soğu kazancı, %100 taze havalı olduğu durumda ise 37 kW soğu kazancı
olduğu görülmektedir. Burada ısı geri kazanım sisteminden sağlanan kazancın taze hava
miktarına ve dış hava sıcaklığı ile taze hava sıcaklığı arasındaki farka bağlı olduğunu
söyleyebiliriz.
39
KAYNAKLAR
1-) TTMD Dergisi 16.Sayı Makalaler (Eylül-Ekim 2001), Yazar : Ömer DEMİREL
2-) TTMD Dergisi 26.Sayı Makalaler (Mayıs-Haziran 2003), Yazar : K.Oktay GÜVEN
3-) TTMD Dergisi 40.Sayı Makalaler (Kasım-Aralık 2005), Yazar : Faruk ÇİMEN
4-) Prof.Dr.Osman F. GENCELİ, Isı Değiştiricileri, 2010
5-) Enerji 2003 Ulusal Enerji Verimliliği Kongresi, “İklimlendirme Tesislerinde Enerji
Tasarrufu“ makalesi, Prof.Dr. İlhan TEKİN ÖZTÜRK , Doç.Dr. Hasan KARABAY, 23-24
Ocak 2003, ANKARA
6-) Isı geri kazanım cihazı üreten firma katalogları
7-) IV. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, “Isı Geri Kazanım ve Sudan Suya Isı
Popması Uygulaması” makalesi, Veli DOĞAN
8-) II. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, “Yapılarda Isıtma Soğutma
Uygulamalarında Enerji Geri Kazanma Sistemleri ve Enerji Ekonomosi” makalesi, Tuncal
YILMAZ
9-) VI. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, “Isı Geri Kazanım Eşanjörlerinin
Kullanım Opsiyonları” makalesi, A. Müjdat ŞAHAN
10-) VII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi, “Isı Geri Kazanım Cihazlarının
Bazı Şehirlerdeki Yıllık Toplam Isıtma ve Soğutma Kazançları” makalesi, Serhan KÜÇÜKA