T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA

EKSERJİ ANALİZİ

Ömer PATLAR

Teknik Öğretmen, MSc.

YÜKSEK LİSANS TEZİ

MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI

DANIŞMAN

Prof.Dr. Ahmet Korhan BİNARK

İSTANBUL 2006

T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA

EKSERJİ ANALİZİ

Ömer PATLAR

Teknik Öğretmen

(141101720040159)

YÜKSEK LİSANS TEZİ

MAKİNE EĞİTİMİ ANABİLİM DALI

DANIŞMAN

Prof.Dr. Ahmet Korhan BİNARK

İSTANBUL 2006

T.C. MARMARA ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

KABUL VE ONAY BELGESİ

TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ

Ömer PATLAR’ın TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ

isimli Lisansüstü tez çalışması, M.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun

12.09.2006 tarih ve 2006/22-41 sayılı kararı ile oluşturulan jüri tarafından Makine Eğitimi

Anabilim Dalı Makine Eğitimi Programında YÜKSEK LİSANS Tezi olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. A. Korhan BİNARK (Marmara Üniversitesi)

Üye : Prof Dr. İsmail EKMEKÇİ (Marmara Üniversitesi)

Üye : Yrd. Doc.Dr. A. Talat İNAN (Marmara Üniversitesi)

Tezin Savunulduğu Tarih: 26 Eylül 2006

ONAY

M:Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun …….. tarih ve ……… sayılı kararı ile

Ömer PATLAR’ın Makine Eğitimi Anabilim Dalı Makine Eğitimi Programında Y.Lisans

(MSc.) derecesi alması onanmıştır.

Marmara Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

Prof.Dr.Adnan AYDIN

i

ÖNSÖZ

Fosil kaynaklı yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması ve kullanımları sonucu

çevre kirliliğine yol açmaları neticesinde alternatif bir ısıtma sistemi olarak ortaya çıkan

toprak kaynaklı ısı pompaları; verimli, ekonomik, çevreye dost koşullarda konfor sağlayan

cihazlardır.

Bu çalışmada toprak kaynaklı ısı pompası sistemini oluşturan elemanlar üzerinde

ekserji analizi uygulanmıştır.

Tüm hayatım boyunca her türlü destekleriyle yanımda olan, maddi manevi hiçbir

fedakarlıktan kaçınmayan aileme; tez çalışmam boyunca bana rehberlik eden, yol gösteren

değerli hocalarım Sayın Prof.Dr. A. Korhan BİNARK ve Dr. Mustafa ATMACA’ya

teşekkürlerimi sunarım.

Eylül, 2006 Ömer PATLAR

ii

İÇİNDEKİLER

SAYFA

ÖNSÖZ ........................................................................................................................ i

ÖZET ........................................................................................................………....... v

ABSTRACT ............................................................................................................... vi

YENİLİK BEYANI ................................................................................................ vii

SEMBOL LİSTESİ ................................................................................................. viii

ŞEKİL LİSTESİ ....................................................................................……........... x

TABLO LİSTESİ ..................................................................………........................ xii

BÖLÜM I. GİRİŞ VE AMAÇ ............................................................................... 1

BÖLÜM II. GENEL BÖLÜM ..................................................................…….... 3

II.1 TERMODİNAMİK BİLGİLER....................................................................... 3 II.1.1 Carnot ve Ters Carnot Çevrimleri…………………............................ 7 II.1.2 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi………………………..… 5 II.1.3 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi……………….….…… 6 II.1.4 Soğutma Makineleri ve Isı Pompaları…………………………….…. 8

II.2 ISI KAYNAKLARININ İNCELENMESİ………………………….……… 12 II.2.1 Hava…………………………………………………………….……… 12 II.2.2 Su……………………………………………………………….………. 13 II.2.3 Yer Altı Suyu…………………………………………………….…..… 13 II.2.4 Yer Üstü Suyu…………………………………………………….…… 13 II.2.5 Toprak…………………………………………………………….…… 13 II.2.6 Güneş……………………………………………………………….….. 15

II.3 ISI POMPALARININ SINIFLANDIRILMASI…………………….…….. 15

iii

II.3.1 Isı Pompası Sistemleri…………………………………………….…. 16 II.3.2 Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması………….. 17 II.3.3 Isı Kaynakları ve Isı Dağıtım Sistemlerine Göre Sınıflandırma….. 17 II.3.4 Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre Sınıflandırılması…….…… 18 II.4 ISI POMPASI ELEMANLARI……………………………………………. 20 II.4.1 Kompresörler………………………………………………………… 20 II.4.1.1 Pistonlu Kompresörler………………………………………... 21 II.4.1.2 Rotatif (dönel) Kompresörler………………………………… 23 II.4.1.3 Dişli (vida tipi) Kompresörler………………………………… 23 II.4.1.4 Turbo (santrifüj) Kompresörler……………………………… 24 II.4.1.5 Hermetik Kompresörler………………………………………. 24 II.4.2 Buharlaştırıcılar……………………………………………………… 25 II.4.2.1 Gövde Borulu Buharlaştırıcılar………………………………. 26 II.4.2.2 Koaksiyal Buharlaştırıcılar…………………………………… 26 II.4.2.3 Kanatlı Buharlaştırıcılar……………………………………… 27 II.4.3 Yoğuşturucular………………………………………………………. 27 II.4.3.1 Gövde Borulu Yoğuşturucular……………………………….. 27 II.4.3.2 Helezon Borulu Yoğuşturucular……………………………... 28 II.4.3.3 İçiçe Borulu Yoğuşturucular…………………………………. 29

II.4.4 Basınç Ayarlayıcılar…………………………………………………. 29 II.4.4.1 El Ayar Valfi……………………………………….………….. 29 II.4.4.2 Otomatik Genleşme Valfi…………………………….………. 30 II.4.4.3 Termik Genişleme Valfi………………………………………. 31 II.4.4.4 Şamandıralı Ayar Valfi……………………………………….. 33 II.4.4.5 Kapiler Borular………………………………………………... 33

II.4.5 Kumanda Kontrol Cihazları ve Diğer Yardımcı Elemanlar……… 34 II.4.5.1 Kapama Valfleri………………………………………………. 34 II.4.5.2 Termostat……………………………………………………… 35 II.4.5.3 Prosestatlar……………………………………………………. 35 II.4.5.4 Manometre…………………………………………………….. 35 II.4.5.5 Çekvalf…………………………………………………………. 36 II.5 ISI POMPALARINDA KULLANILAN SOĞUTUCU AKIŞKANLAR… 36 II.5.1 CFC (Kloroflorokarbon)…………………………………………….. 36 II.5.2 HCFC (Hidrokloroflorokarbon)………………………………...….. 37 II.5.3 HFC (Hidroflorokarbon)……………………………………………. 37 II.5.4 Karışımlar……………………………………………………………. 37 II.5.5 Doğal Akışkanlar…………………………………………………….. 38 II.5.5.1 Amonyak………………………………………………………. 38 II.5.5.2 Hidrokarbonlar (HC)………………………………………… 38 II.5.5.3 Su………………………………………………………….......... 39 II.5.5.4 Karbondioksit (CO2)………………………………………….. 39 II.5.6 Salamuralar………………………………………………………….. 39 II.5.6.1 Glikol Katkılı Salamuralar…………………………………… 39

iv

II.5.6.2 Korozyon Önleyiciler………………………………………….. 40 II.5.7 Alternatif Soğutucu Akışkanlar…………………………………….. 42 II.5.7.1 R-134a Soğutucu Akışkanının Özellikleri…………………… 42 II.5.8 Bir Soğutucu Akışkandan Beklenen Özellikler……………………. 42 II.6 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI TİPLERİ………………………… 44 II.6.1 Toprak Isı Değiştirici Tipleri………………………………………... 44 II.6.1.1 Yatay Toprak Isı Değiştiricileri………………………………. 46 II.6.1.2 Dikey Toprak Isı Değiştiricileri………………………………. 47 II.7 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASININ AVANTAJLARI VE DEZAVANTAJLARI................................................. 48 II.7.1 Avantajları…………………………………………………………... 48 II.7.2 Dezavantajları………………………………………………………. 49

BÖLÜM III. TEZ ÇALIŞMALARI ......................................................... 51

III.1 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI SİSTEMİNDE EKSERJİ ANALİZİ…………………………………………….….……… 51 III.1.1 Tersinir İş ve Tersinmezlik……………………………………..…. 51 III.1.2 Faydalı İş ve Faydalı Tersinir İş………………………………….. 54 III.1.3 Maksimum Faydalı İş-Kullanılabilir Enerji……………………… 54 III.1.4 Kullanılabilir Enerji Denklemi……………………………………. 54 III.1.5 İkinci Kanun Verimi……………………………………………….. 58 III.2 TEORİK UYGULAMA VE ANALİZ……………………..……………… 59

BÖLÜM IV. SONUÇLAR.............................……….................................... ………96

BÖLÜM V. TARTIŞMA VE DEĞERLENDİRMELER ..………….........100

KAYNAKLAR ......................................................……….........................................102

EKLER ..................................................................………...........................................104

ÖZGEÇMİŞ ................................................................................................................123

v

ÖZET TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ

Dünya nüfusu ile paralel artış gösteren enerji tüketim miktarı, insanları yeni enerji

kaynakları aramaya ve varolan enerji kaynaklarını verimli kullanmaya zorlamaktadır. İhtiyaç

duyulan enerjinin büyük bir kısmının ithal olarak elde edildiği ülkemizde, enerjinin tasarruflu

kullanılması büyük önem taşımaktadır. Enerji sarfiyatının büyük bir kısmı ısıtma

sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu nedenle ısıtma sistemlerinde aranan başlıca özellikler

konfor ve düşük enerji sarfiyatıdır.

Isı pompası, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve elektrikle beslenen

bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez; sadece ya biçim

değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da adını, ısı enerjisini bir ortamdan

diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma” kabiliyetinden alır.

Bu çalışmada ısı pompasının çalışma prensibi, ısı pompası çeşitleri, ısı pompalarını

oluşturan elemanlar anlatılmış ve toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemine ekserji analizi

uygulanarak ekserji kayıpları belirlenmiştir.

Eylül, 2006 Ömer PATLAR

vi

ABSTRACT EXERGY ANALYSIS OF GROUND SOURCED HEAT PUMPS

Energy consumption of the world which is simulatenously growing with the world’s

population urge humans to find new energy sources and to efficently use existent ones. In our

country, in which majority of needed energy is imported, it has a big importance to

providently use energy. Most of energy is consumpted for heating. So that, the main

properties which are requried on heating system are comport and low energy consumption.

Heat pump is a device that transports energy from somewhere to another and it’s a

system that energized by electricity. As it is known, energy can’t be created from nothing or

can’t be annihilated, ıts form just could be changed or could be translated. Heatpump got its

name from its function – carring and pumping heat from place to place.

In this study, working principle of the heating pump, its kinds, the equipments which

consists heating pump will be explaned and an exergy analysis applied ground sourced heat

pump system’s energy wasting will be examined.

September, 2006 Ömer PATLAR

vii

YENİLİK BEYANI TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPALARINDA EKSERJİ ANALİZİ

Isı pompaları bir ortamdan diğer bir ortama ısı aktararak konfor şartlarını sağlamak

amacıyla gerektiğinde ısıtma, gerektiğinde soğutma yapan ısı taşıyıcı cihazlardır. Toprak

kaynaklı ısı pompaları da, toprağı ısı kaynağı veya ısı çukuru olarak kullanan; toprağın

derinlere inildikçe havaya göre nispeten sabit sıcaklıkta kalması avantajından faydalanan;

mekanların ısıtılması, soğutulması ve sıcak su temini için kullanılan elektrikle çalışan

sistemlerdir. Toprak kaynaklı ısı pompaları Avrupa ülkeleri göz önüne alındığında Türkiye

için henüz yeni bir teknolojidir.

Bu çalışmada teorik olarak bir toprak kaynaklı ısı pompası sistemi kurulmuş, sistemin

ana parçaları olan yoğuşturucu, buharlaştırıcı, kompresör ve kısılma vanası için enerji ve

ekserji denklemleri uygulanarak, her bir parçanın tesirliliği bulunmuştur.

Bu çalışmada ayrıca toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin termodinamik

analizinde ve sistem optimizasyonunda etkin olarak kullanılabilecek ekserji analizine ait

temel kavramlar verilmiştir.

Eylül 2006 Prof.Dr.A.Korhan BİNARK Ömer PATLAR

viii

SEMBOL LİSTESİ

β : Isı pompası etkinlik katsayısı

cp : Sabit basınçta özgül ısı (kj / kg oK)

cpo : Sabit basınçta mükemmel gaz özgül ısısı (kj / kg oK)

g : Yerçekimi ivmesi (m/s2)

G : Gibbs fonksiyonu

h : Entalpi (kj/kg)

I : Tersinmezlik (kj)

ka : Akış kullanılabilirliği (kj/kg)

L : Boy (m)

m : Kütle (kg)

n : Mol sayısı (kmol)

P : Basınç (bar,kPa)

R : Gaz sabiti (kj / kg oK)

s : Entropi (kj / kg oK)

T : Sıcaklık (oK)

t : Zaman (s)

Q : Isı alışverişi (kj)

u : iç enerji (kj/kg)

V : Hız (m/s)

v : Özgül hacim (m3/kg)

w : Birim kütle başına yapılan iş (kj/kg)

W : iş (kj)

.

W : Bir anda yapılan iş (kj/s)

Wky : Birim kütle başına kayıp iş (kj/kg)

ε : Tesirlilik

ix

ρ : Yoğunluk (kg/m3)

λ : Lineer yük kayıp katsayısı

∆T : Sıcaklık farkı (oK)

∆s : Entropi değişimi (kj / kg oK)

Alt İndisler

ç : Açık sistemden çıkış hali

ç : Çevre

f : Oluşum

g : Açık sisteme giriş hali

m : Kütlesel

tr : Tersinir

0 : Civar ölü hal özellikleri

Üst İndisler

'

: Bir andaki değişim

x

ŞEKİL LİSTESİ SAYFA NO

Şekil II.1 Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı ………………………………….… 4

Şekil II.2 Ters Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı ………………………….... 5

Şekil II.3 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi Düzeni ve T-s Diyagramı …….… 6

Şekil II.4 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ve T-s Diyagramı …………….. 7

Şekil II.5 Soğutma Çevrimi Elemanları …………………..……………………………. 9

Şekil II.6 Isı Pompası Elemanları…………………...…………………………….…….. 11

Şekil II.7 Isı Pompası Isıtma Tesisi ……………….……………………………………. 15

Şekil II.8 İkili Alternatif Çalışan Isıtma Sistemleri ………………………………..…… 19

Şekil II.9 İkili Paralel Çalışan Isıtma Sistemleri ………………..………………………. 20

Şekil II.10 Çeşitli Kompresör Tipleri …………………………………….…………...... 21

Şekil II.11 Pistonlu Kompresörlerin Çalışma Çevrimi ……………………………......... 22

Şekil II.12 Dişli (Vida Tipi) Kompresör ………………………………………………... 24

Şekil II.13 Gövde Borulu Buharlaştırıcı ..…………………………………….….……... 26

Şekil II.14 Kanatlı Buharlaştırıcı …………………………….…………………...…...... 27

Şekil II.15 Gövde Borulu Yoğuşturucu …………………………………………….…... 28

Şekil II.16 Helezon Borulu Yoğuşturucu ………………………………….………........ 28

Şekil II.17 İç İçe Borulu Yoğuşturucu ……………………………………………......... 29

Şekil II.18 El Kumandalı Ayar Valfi ………………………………………….………... 30

Şekil II.19 Otomatik Genleşme Valfi ……………………………………………..…..... 30

Şekil II.20 İç Dengelemeli Termik Genişleme Valfi ………………………………........ 32

Şekil II.21 Valf İğnesini Etkileyen Faktörler …………………………………….……... 32

Şekil II.22 Termostatın İç Yapısı.…………………..……………………….………....... 35

Şekil II.23 Çekvalf ………………………………………………………….................... 36

Şekil II.24 Yatay Toprak Isı Değiştiricisi……………………………………..……….... 45

Şekil II.25 Dikey Toprak Isı Değiştiricisi………………………………….…................. 45

xi

Şekil II.26 Seri ve Paralel Akışlı Yatay Yer Isı Değiştiricileri …………………………. 47

Şekil II.27 Kesit Geometrilerine Göre Dikey Yer Isı Değiştiricileri…………................. 47

Şekil III.1 Sistemin Gerçek Hal Değişimi ve Tersinir Hal Değişimi ………………….... 51

Şekil III.2 Kış Durumu……………………………………………. ………………….... 60

Şekil III.3 Yaz Durumu……………………………………………..………………….... 79

Şekil IV.1. Sıcaklık Değişiminin Tesirliliğe Etkisi………………………………………. 96

Şekil IV.2.Toprak Isı Değiştiricisi Gömme Derinliğinin Toprak Isı Değiştiricisi

Boru Uzunluğuna Etkisi….…………………………………………………... 97

Şekil IV.3 Kompresör Veriminin Kompresör Tesirliliğine Etkisi……………………….. 98

Şekil IV.4 Farklı Dış Sıcaklık Değerleriyle Kondanser Tesirliliğinin Değişimi……..….. 99

xii

TABLO LİSTESİ

SAYFA NO Tablo II.1 Isı Pompası ve Isı Pompası Tesisi Adlandırma Örnekleri................................ 18

Tablo III.1 F(z) integralleri (Ingersoll ve Plass, 1955)........................................................ 71

Tablo III.2 Değişik Toprak Tiplerinin fph Biriminde Fiziksel Özellikleri…......................72

Tablo IV.1 Kompresör Giriş Sıcaklığı Değişiminin Tesirliliğe Etkisi………………...…. 96

Tablo IV.2 Toprak Isı Değiştiricisi Gömme Derinliğinin Toprak Isı Değiştiricisi

Boru Uzunluğuna Etkisi…………………………………………… ………... 97

TabloIV.3 Kompresör Veriminin Kompresör Tesirliliğine Etkisi…….……………...…. 98

TabloIV.4 Farklı Dış Sıcaklık Değerleriyle Kondanser Tesirliliğinin Değişimi………... 98

1

BÖLÜM I

GİRİŞ VE AMAÇ

Gelişen teknoloji ve hızlı nüfus artışıyla beraber artan enerji ihtiyacı ve

birincil yakıt rezervlerinin tükenme noktasına gelmesi, insanları yeni enerji

kaynakları üretmeye ve enerjiyi verimli kullanmaya mecbur bırakmıştır. Isıtma

sistemlerinde bir alternatif olarak ortaya çıkan ısı pompası teknolojisi, uzun yıllardır

bilinmektedir. Yaygın olarak kullanılmaya başlanması yakıt fiyatlarının artışı ve

alternatif ısıtma sistemlerinin ön plana çıkmasıyla gündeme gelmiştir.

Günümüzde klasik ısıtma sistemlerinin tamamına yakını fosil yakıtlarla

çalışmaktadır. Fosil yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması, giderek

maliyetlerinin yükselmesi ve çevreye verdiği zararlar sonucu alternatif ısınma

sistemleri doğmuştur. Isıtma sistemlerinde en belirleyici faktörler konfor, maliyet ve

verimdir. Mevcut ısıtma sistemleriyle aynı şartları sağlayan birçok alternatif ısıtma

sistemi ortaya çıkmıştır. Isı pompaları da yüksek verimleri ile ön plana çıkan

alternatiflerden biridir.

Pek çok kişiye oldukça yabancı bir kavram gibi görünen ısı pompaları aslında

uzun zamandır hayatımızın içindedir. Evlerimizdeki buzdolabı, klima gibi cihazların

hepsi ısı pompasının birer örneğidir. Basit bir ifade ile ısı pompası, düşük

sıcaklıktaki ısı kaynağından, yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağına ısı aktaran

makinelerdir. Çalışma prensibi soğutma makinesi ile aynı, ancak kullanma amacı

farklıdır. Isıyı doğal akım yönünün tersine taşıdığı için ısı pompası adını almıştır.

Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri’nde ısı pompaları yıllardır yaygın bir şekilde

uygulanmakta ve bu devletler tarafından tüm uygulamalar teşvik edilmektedir.

Dünyadaki 26 ülkede yalnız toprak kaynaklı ısı pompalarının kurulu gücü 6875 MW

2

ve yıllık enerji kullanımı ise 23287 TJ’dur. Kurulu olan cihazların gerçek sayısı

512700 civarındadır. Ülkemizde ise son birkaç yıldır gündeme gelmiş olup, birçok

konutta ısıtma/soğutma amaçlı olarak uygulamaya sokulmuştur. Henüz ülkemizde

toprak kaynaklı ısı pompaları imal edilmemektedir. Ülkemizde bu konuda çalışan

firma sayısı çok azdır. Isı pompaları, gerekli iyileştirmeler yapıldığı takdirde yüksek

performansları ve düşük enerji tüketimleri ile, enerjiye yüksek bedeller ödeyen,

üstelik birbiri ardı sıra enerji krizleri yaşayan ülkemize ekonomik anlamda büyük

katkılar sağlayacaktır.[1]

Termodinamiğin 2. kanuna dayanan ekserji analizi; enerji kayıplarının yerini

ve büyüklüğünü, kullanılamaz enerjiyi ve doğal kaynakların verimsiz

kullanılmalarını başarıyla tespit eder. Ekserji kavramı esas alınarak enerji

dönüşümlerinin gerçek verimliliğini ve verimsizliği oluşturan süreç ve ekipmanları

saptayabiliriz.

Bu çalışmada, toprak kaynaklı ısı pompası sistemi üzerinde ekserji analizi

uygulanmıştır. Sistemdeki ana eleman ve ekipmanlar tek tek ele alınıp ekserji analizi

uygulanarak ekserji kayıplarının belirlenmesi amaçlanmıştır.

3

BÖLÜM II

GENEL BİLGİLER

II.1 TERMODİNAMİK BİLGİLER

II.1.1 Carnot ve Ters Carnot Çevrimleri

Isı makineleri bir çevrim gerçekleştirerek çalışırlar ve aracı akışkan her

çevrim sonunda ilk haline dönmektedir. Çevrimin bir bölümünde aracı akışkanın

üzerine iş yapılırken, diğer bir bölümünde ise aracı akışkan iş yapar. İkisi arasındaki

fark ısı makinesinin net işidir. Isı makinesi çevriminin verimi büyük ölçüde çevrimi

oluşturan hal değişimlerinin nasıl gerçekleştiğine bağlıdır. Net iş ve buna bağlı

olarak çevrimin ısıl verimi, en çok iş yapılan ve en az iş yapılmasını gerektiren hal

değişimlerini, başka bir deyişle tersinir hal değişimlerini kullanarak en yüksek

verimlere çıkarılabilir. Tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan tersinir

çevrimler, en yüksek verime sahiptir.

Tersinir çevrimlere gerçek uygulamalarda rastlanmaz, çünkü gerçek hal

değişimlerindeki tersinmezlikler yok edilemez. Fakat tersinir bir çevrimin verimi,

gerçek çevrimlerin ulaşacakları en yüksek verimi belirler. Aynı zamanda tersinir

çevrimler, gerçek çevrimlerin gerçekleştirilmesi aşamasında başlangıç noktalarını

oluşturur. [2]

1824 yılında Fransız mühendis ve bilim adamı olan Sadi Carnot tarafından

ortaya atılan Carnot çevrimi, en çok bilinen tersinir çevrimdir. Carnot çevrimi, ikisi

sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur.

1-2 Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme 2-3 Tersinir adyabatik genişleme

3-4 Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma 4-1 Tersinir adyabatik sıkıştırma

4

Şekil II.1 Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı

P-v diyagramında sanki-dengeli (içten tersinir) bir hal değişimi sırasında

yapılan sınır işi, hal değişimi eğrisi altında kalan alandır. Bu nedenle 1-2-3 eğrisi

altında kalan gazın genişleme sırasında yaptığı işi, 3-4-1 eğrisi altında kalan ise gazı

sıkıştırmak için yapılması gereken işi simgelemektedir. Çevrimin hal değişimi

eğrilerinin kapsadığı alan (1-2-3-4-1), bu ikisi arasındaki farktır ve çevrim sırasında

yapılan net işi göstermektedir.

Tersinir bir çevrim olan Carnot çevrimi , verilen iki sıcaklık sınırı arasında en

yüksek verime sahip olan çevrimdir. Carnot çevrimi uygulamada gerçekleştirilemez,

fakat gerçek çevrimlerin verimlerini Carnot çevriminin verimleriyle karşılaştırmak

ve gerçek çevrimlerde buna göre iyileştirmeler yapmak mümkündür.

Yukarıda açıklanan Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrim

olduğundan, çevrimi oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleşebilir. Bu

durumda elde edilen çevrime “Carnot Soğutma Çevrimi” veya “Ters Carnot

Çevrimi” adı verilir. Bu çevrimde ısı ve iş etkileşimlerinin yönü değişmektedir.

Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposundan, QL miktarında ısı alınmakta, yüksek

sıcaklıktaki ısıl enerji deposuna QH miktarında ısı verilmektedir. Bu çevrimi

gerçekleştirmek için ayrıca sistem üzerine iş yapılmaktadır. Şekil II.2’de çevrimin

P-v ve T-s diyagramları gösterilmiştir.

5

Şekil II.2 Ters Carnot Çevriminin P-v ve T-s Diyagramı

Ters Carnot çevrimi, belirli sıcaklıklardaki iki ısıl enerji deposu arasında

çalışan en etkin soğutma çevrimidir. Soğutma makineleri ve ısı pompaları için ideal

çevrim olarak önce Carnot çevriminin incelenmesi gerekir. Uygulanabilir olması

durumunda Carnot çevriminin ideal çevrim olarak seçilmesi gerekir. Fakat aşağıda

sıralanan nedenlerle bu çevrimin uygulamada gerçekleştirilmesi olanaksızdır.

Isı geçişinin olduğu iki izotermal hal değişimi uygulamada gerçekleşebilir,

çünkü doyma bölgesinde basıncın sabit kalması sıcaklığında sabit kalmasını sağlar.

Dolayısıyla 1-2 ve 3-4 buharlaştırıcı ve yoğuşturuculardaki gerçek duruma yakındır.

Fakat 2-3 ve 4-1 hal değişimlerinin uygulamada gerçekleştirilmesi zordur. Çünkü 2-3

hal değişimi bir sıvı buhar karışımının sıkıştırılmasını başka bir deyişle iki fazlı

akışkan çalışan bir kompresörü gerektirir. 4-1 hal değişimi ise sıvı oranı yüksek bir

karışımın genişlemesidir. Bu sorunların, Carnot çevrimini doyma bölgesinin dışında

gerçekleştirerek çözüleceği düşünülebilir, fakat bu kez de ısı geçişi işlemlerinde sabit

sıcaklık koşulunun yerine getirilmesi zorluk çıkaracaktır. Bu nedenlerden ötürü ters

Carnot çevrimi uygulamada gerçekleştirilemez. Bununla birlikte ters Carnot çevrimi,

gerçek soğutma çevrimlerinin karşılaştırılabileceği bir standart oluşturur.

II.1.2 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Ters Carnot çevriminin uygulanmasındaki güçlükler, buharı sıkıştırmadan

önce tümüyle buharlaştırarak ve 4-1 hal değişimindeki genişlemeyi bir kısılma işlemi

ile gerçekleştirerek aşılabilir. Bu şekilde elde edilen çevrim “ideal buhar sıkıştırmalı

çevrim” olarak bilinir. Bu çevrimin genel çizimi ve T-s diyagramı Şekil II.3’de

verilmiştir.

6

Şekil II.3 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminin Düzeni ve T-s Diyagramı

T-s diyagramında, içten tersinir bir hal değişiminin eğrisi altında kalan alan

ısı geçişini temsil eder. Bu nedenle 4-1 hal değişimi eğrisi altında kalan alan

buharlaştırıcıda soğutucu akışkanın çektiği ısıyı, 2-3 hal değişimi eğrisinin altında

kalan alan da yoğuşturucuda soğutucu akışkanın çevreye verdiği ısıyı gösterir.

Yaklaşık bir kural olarak buharlaştırıcı sıcaklığındaki her 1 oC’lik artma veya

yoğuşturucu sıcaklığındaki 1 oC’lik azalma için etkinlik katsayısının yüzde 2 ile 4

arasında arttığı söylenebilir.

II.1.3 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan

farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki

tersinmezliklerden kaynaklanır. Tersinmezliğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine

neden olan akış sürtünmesi ve çevreyle olan ısı alışverişidir. Gerçek bir buhar

sıkıştırmalı soğutma çevriminin T-s diyagramı Şekil II.4’de gösterilmektedir.

7

Şekil II.4 Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ve T-s Diyagramı

İdeal çevrimde, buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş

buhar halinde girer. Bu koşul uygulamada gerçekleştirilemez, çünkü soğutucu

akışkanın halini hassas bir şekilde kontrol etmek olanaksızdır. Bunun yerine sistem

soğutucu akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak

biçimde tasarlanır. Burada amaç, akışkanın kompresöre girişinde tamamen buhar

olmasını güvenceye almaktır. Ayrıca buharlaştırıcı ile kompresör arasındaki bağlantı

genellikle uzundur, böylece akış sürtünmesinin yol açtığı basınç düşmesi ve çevreden

soğutucu akışkana olan ısı geçişi önem kazanabilir. Yukarıda sıralanan etkilerin

toplam sonucu, soğutucu akışkanın özgül hacminin ve buna bağlı olarak kompresör

işinin artmasıdır. Çünkü sürekli akış işi özgül hacimle doğru orantılıdır.

İdeal çevrimde sıkıştırma işlemi içten tersinir ve adyabatiktir, başka bir

deyişle izantropiktir. Gerçek sıkıştırma işleminde ise, entropiyi etkileyen akış

sürtünmesi ve ısı geçişi vardır. Sürtünme entropiyi artırırken ısı geçişi ise hangi

yönde olduğuna bağlı olarak entropiyi artırır veya azaltır. Bu iki etkiye bağlı olarak

soğutucu akışkanın entropisi sıkıştırma işlemi sırasında artabilir (1-2 hal değişimi)

veya azalabilir (1-2’ hal değişimi). Sıkıştırmanın izantropik olmaktansa, 1-2’ hal

değişimine göre olması tercih edilir, çünkü kompresör işi bu durumda daha az

8

olacaktır. Bu bakımdan soğutucu akışkanın sıkıştırma işlemi sırasında soğutulması

ekonomik ve uygulanabilir olduğu sürece yararlıdır.

İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör

çıkış basıncında doymuş sıvıdır. Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışı ile kısılma

vanası girişi arasında belirli bir basınç düşüşü vardır. Akışkanın kısılma vanasına

girmeden önce tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam

bir hassasiyetle gerçekleştirmek zor olduğundan, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle

sıkıştırılmamış sıvı bölgesindedir. Soğutucu akışkan doyma sıcaklığından daha düşük

bir sıcaklığa soğutulur, başka bir deyişle aşırı soğutulur. Bunun bir sakıncası yoktur,

çünkü bu durumda soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük bir entalpide girer

ve buna bağlı olarak ortamdan daha çok ısı çekilebilir. Kısılma vanası ile

buharlaştırıcı birbirine çok yakındır, dolayısıyla aradaki basınç düşüşü küçüktür.

II.1.4 Soğutma Makineleri ve Isı Pompaları

Isı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen bir gerçektir;

yani ısı geçişi, yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal

bir olgudur ve kendiliğinden gerçekleşir. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek

sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi ancak soğutma makinelerinin kullanımı ile

olanaklıdır. Soğutma makineleri bir çevrim esasına göre çalışır ve soğutma

çevriminde kullanılan akışkana “soğutucu akışkan” adı verilir. En yaygın kullanılan

soğutma çevrimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir ve Şekil II.5’deki dört

elemanla çevrim gerçekleşir.

9

Şekil II.5 Soğutma Çevrimi Elemanları

Soğutucu akışkan kompresöre buhar olarak girer ve burada yoğuşturucu

basıncına sıkıştırılır. Kompresör çıkışında kızgın buhar halinde olan akışkan çevre

ortama ısı vererek soğur ve yoğuşur. Akışkan yoğuşturucudan sonra kılcal borulara

girer ve kısılma etkisiyle basıncı ve sıcaklığı büyük ölçüde azalır. Soğutucu aışkan

daha sonra buharlaştırıcıda soğutulan ortamdan ısı alarak buharlaşır. Çevrim,

buharlaştırıcıdan akışkanın kompresöre girmesiyle tamamlanır. Yukarıdaki şekilde

bir soğutma makinesinin genel çizimi gösterilmiştir. Burada QL, TL sıcaklığındaki

soğutulan ortamdan çekilen ısıyı göstermektedir. QH ise TH sıcaklığındaki ılık ortama

verilen ısıyı simgelemektedir. Wnet,giren soğutma makinesine girilen net iştir. [3]

Bir soğutma makinesinin verimi “etkinlik katsayısı” ile ifade edilir ve β ile

gösterilir. Soğutma makinesinin amacı soğutulan ortamdan ısı (QL) çekmektir. Bu

amacı gerçekleştirmek için iş (Wnet,giren) yapılması gerekir. Bu durumda soğutma

makinesinin etkinlik katsayısı aşağıdaki gibi ifade edilir.

)(

)(

enerjiharcanan

enerjiistenen edilmek elde

12

41

, hhm

hhm

W

Q

R

R

girennet

LSM

−

−===β

Bu çevrim için enerjinin korunumu ilkesi

Wnet,giren = QH - QL

10

olduğundan, soğutma makinesinin etkinlik katsayısı,

1/

1

−=

−=

LHLH

LSM

QQQQ

Qβ

şeklinde de yazılabilir. β değeri birden büyük olabilir. Başka bir deyişle soğutulan

ortamdan çekilen ısı bunu sağlamak için yapılması gereken işten büyük olabilir.

Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıkta bir ortama ısıl enerji

aktaran bir başka makine de Şekil II.6’da gösterilen ısı pompasıdır. Soğutma

makineleri ve ısı pompaları aynı çevrimi gerçekleştirirler, fakat kullanım amaçları

farklıdır. Bir soğutma makinesinin amacı düşük sıcaklıktaki ortamı, ortamdan ısı

çekerek çevre sıcaklığının altında tutmaktır. Daha sonra çevreye veya yüksek

sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi, çevrimi tamamlamak için yapılması zorunlu bir

işlemdir, fakat amaç değildir. Isı pompasının amacı ise bir ortamı sıcak tutmaktır. Bu

işlevi yerine getirmek için düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan alınan ısı,

ısıtılmak istenen ortama verilir. Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposu genellikle soğuk

çevre havası, kuyu suyu veya toprak olurken, ısıtılmak istenen ortam ise evin içidir.

Isı pompasının etkinliği de “etkinlik katsayısı” βIP ile ifade edilir.

)(

)(

enerjiharcanan

enerjiistenen edilmek elde

12

23

, hhm

hhm

W

Q

R

R

girennet

HIP

−

−===β

HLLH

HIP

QQQQ

Q

/1

1

−=

−=β

Yukarıdaki denklemler karşılaştırıldığı zaman, QH ve QL değerleri her iki çevrimde

de eşit olmak koşulu ile aşağıdaki sonuç elde edilir.

β IP = β SM + 1

Bu sonuç ısı pompasının etkinlik katsayısının her zaman 1’den büyük olduğunu

göstermektedir. Çünkü β SM her zaman artı değere sahiptir. Başka bir deyişle, en kötü

durumda bile ısı pompası bir elektrikli ısıtıcı gibi çalışıp tükettiği elektrik enerjisini

eve ısı olarak aktaracaktır. Bugün kullanılan ısı pompalarının mevsimlik ortalama β

değerleri 2 ile 3 arasındadır.[4]

11

Şekil II.6 Isı Pompası Elemanları

Isı pompası basit olarak ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan ve

elektrikle beslenen bir sistemdir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var

edilemez; sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da

adını, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma”

kabiliyetinden alır. Örnek olarak dalgıç pompaları verilebilir. Dalgıç pompaları nasıl

suyu üretmiyorsa, ısı pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar. Dalgıç

pompalarının su pompalamak için bir su kaynağına daldırılmasına benzer olarak, ısı

pompaları da yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı

taşıyamazlar. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük

maliyetlerle kullanıma sunulabilir.

Isı pompaları genel anlamda ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlar. Bunun

için de bir ısı çukuruna ihtiyaç vardır. Ülkemizde kullanılan ısı pompalarının hemen

hemen hepsi ısı çukuru olarak havayı kullanmaktadır.Günümüzde havayı ısı çukuru

olarak kullanan ısı pompaları Split Klima ve Chiller olarak adlandırılır. Hava

kaynaklı cihazların verimleri, dış hava sıcaklıklarının değişimlerinde, farklı değerler

alırlar. Verim değerlerinin gün içinde sabit kalmaması nedeniyle işletme

maliyetlerinde istenmeyen artışlar meydana gelir. Bu verim değişimlerini önleyen

12

sıcaklığı sabit kabul edilebilecek ısı çukurları da mevcuttur. Bu amaçla kullanılan ve

sıcaklığı sabit kabul edilebilen ısı çukurları toprak ve sudur. [1]

II.2 Isı Kaynaklarının İncelenmesi Kaynak sıcaklığının direk kullanılamadığı yerlerde devreye ısı pompası

girer.Isı pompasının maksimum verimde çalışabilmesi, ısının çekildiği ve atıldığı

kaynakların aynı sıcaklıkta olması ile mümkündür. Isı kaynağı seçilirken coğrafi

konum, iklim şartları, ilk maliyet ve uygunluk göz önünde bulundurulmalıdır. Ayrıca

ısı kaynağı sıcaklığının büyük değişimler göstermemesi de istenen önemli

özelliklerden biridir. Isı pompalarında başlıca dört kaynaktan yararlanılabilir. Bunlar;

a - Hava

b - Su

c - Toprak

d - Güneş enerjisi’dir.

Isı kaynağı olarak kullanılan suyu, yer altı ve yerüstü olarak iki başlık altında

toplamak mümkündür. Bunun yanında atık ısıların ve lağım sularının da ısı kaynağı

olarak kullanılabilmesi mümkündür. Yukarıda sıralanan ilk üç ısı kaynağı tek

başlarına kullanılabilir ancak güneş enerjisi genellikle yardımcı kaynak olarak

kullanılmaktadır.

II.2.1 Hava

Isı pompaları için hava; her yerde bulunabilen, bedava ve tükenmez bir

kaynaktır. En büyük yararları, sürekli bulunmasından başka, her ortamda

kullanılması; kullanılan ekipmanların makul boyutlarda olması, düşük işletme ve

tesis maliyeti gerektirmesidir. Ayrıca tasarımı için çok geniş ve ayrıntılı bilgi

kaynakları mevcuttur.

Hava kaynaklı ısı pompalarının iki büyük dezavantajı sıcaklık değişimi ve

buzlanma problemidir. Hava kaynaklı ısı pompalarının tasarımı hava sıcaklığı

değişimi ile çok ilgilidir. Birçok yerde hava sıcaklığının değişimi büyüktür.

Dolayısıyla ısıtma yükü, hava sıcaklıklarının düşük olduğu zamanlarda yüksek

olmaktadır. 0 oC ve daha düşük sıcaklıklarda ısı değiştirici yüzeylerinde don

meydana gelir. Periyodik olarak donun çözülmesi gerekir.

13

II.2.2 Su

Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, şehir şebekesinden ve üretim işlerinden

elde edilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir.

II.2.3 Yeraltı Suyu

Kuyu suyu 45-150 metre derinliklerde kuzey ülkelerinde 10 oC, güney

ülkelerinde ise 16 oC civarında elde edilebilir. 10 metre ve daha fazla derinliklerde

yer altı suyunun sıcaklığının yıl boyunca çok az değişmesi önemli bir avantajdır.

Kuyu suyundan yararlanıldığında, sıcaklığı düşmüş olarak buharlaştırıcıyı terk eden

suyun kaynak sıcaklığını düşürmemesi için genellikle bir daha kullanılmamak üzere

bir başka yere atılması gerekmektedir. Ayrıca sondaj ve bakım maliyetinin yüksek

olması kullanımı zorlaştırmaktadır.

Yer altı suları uygun derinlikte, yeterli miktar ve kalitede bulunduğu taktirde

sıcaklığının nispeten sabit kalması nedeniyle ısı pompaları için uygun gösterilebilir.

II.2.4 Yerüstü Suyu

Su kaynağı olarak göller, nehirler gibi yerüstü sularından yararlanıldığında

sıcaklık, kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber hava kadar

değişmemektedir. Ülkemizde yerüstü sularının genellikle 0 oC’nin altına düşmemesi

iyi bir avantajdır. Ayrıca denizlerde 25-50 metre derinlikte sıcaklık 8 oC civarında

uygun bir sıcaklığa sahiptir.

Yerüstü suyundan yararlanma çoğu durumda problemli olmaktadır. Zarar

verici maddelerle buharlaştırıcıda ısı geçiş katsayılarının kötüleşmesine neden

olunur. Bu yüzden boru demetli ısı değiştiricileri kullanılmaz. Ayrıca buharlaştırıcı

kısa zaman aralıklarında temizlenmelidir. [4]

II.2.5 Toprak

Isı kaynağı olarak toprağın kullanılması hava ve su kaynaklı sistemlere

nazaran daha pahalıdır. Toprak altına gömülen boru sistemine “toprak ısı

değiştiricisi” adı verilir. Bu borular vasıtasıyla toprağın ısısı, ısı taşıyıcı akışkana

veya çevrimin atık ısısı, ısı taşıyıcı akışkandan toprağa aktarılır. Toprak altına

gömülen borularda ısı taşıyıcı akışkan olarak; doğrudan soğutucu akışkan veya su-

antifriz karışımı kullanılır. Toprağa gömülü boruların içinde doğrudan soğutucu

14

akışkan kullanmak, soğutucu akışkan ihtiyacının artmasına neden olur. Bu nedenle

soğutucu akışkanın pahalı olmasından dolayı genellikle ısı taşıyıcı akışkan olarak

boru içerisinde su-antifriz karışımı kullanılmaktadır.

Toprak ısı değiştiricileri yatay ve dikey olmak üzere iki şekilde yerleştirilirler.

Toprağın bileşimi, yoğunluğu, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği toprak ısı

değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Toprak özelliklerinin zamana

bağlı değişimi ve ısı pompası sisteminin çalışması sırasında boruların etrafında belirli

bir bölgede ısı alışverişinden dolayı toprak özelliklerinin değişimi, tasarım

aşamasında ilgili hesaplamaların yapılmasını güçleştirir. Isı pompası ısıtma

sezonunda kullanıldığında, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprağın ısısı

suya aktarıldığından toprağın ısısı düşer. Dolayısıyla bu bölgede nem miktarı ve

toprak özellikleri değişir. Isı taşıyıcı akışkanın buharlaştırıcıya giriş sıcaklığı da aynı

sebepten ötürü düşer, dolayısıyla ısı pompası kapasitesi ve ısıtma tesir katsayısı

doğrudan etkilenir. Soğuk yörelerde, ısıtma yapıldığı süre içerisinde toprağa yeteri

kadar ısı geçişi olmazsa, kış aylarında topraktan sürekli çekilen ısı nedeniyle toprağın

donma tehlikesi mevcuttur.[5]

Ancak ısı kaynağı olarak toprağın, havaya göre genellikle daha uygun

sıcaklıklara sahip olması ve sıcaklık değişiminin daha stabil olması avantajdır.

Ayrıca, salamura-soğutucu akışkan ısı değiştiricilerinin, hava-soğutucu akışkan ısı

değiştiricilerine göre daha az bir sıcaklık farkında çalışabilmeleri, toprak kaynaklı ısı

pompalarının hava kaynaklı ısı pompalarına göre diğer bir avantajıdır.

Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısında topraktan çekilen ısıyı

kullanan ısı pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey

olarak gömülmüş toprak ısı değiştiricileri ile sağlanır. Isı taşıyıcı akışkanın toprak ısı

değiştiricisini oluşturan borulardan geçirilmesiyle elde edilen ısı enerjisi, ısı

pompasındaki buharlaştırıcıda soğutucu akışkana aktarılır. Toprak ısı değiştiricisinin

uygun derinliğe gömülmesi belirli bir miktarda hafriyat veya delme gideri

gerektirerek ilk yatırım maliyetinin artmasına neden olur. Ayrıca yatay toprak ısı

değiştiricisi kullanılması durumunda belirli bir bahçe alanı gerektirmesi, toprak

kaynaklı ısı pompası sisteminin kullanımını kısıtlayan bir diğer faktördür.

15

II.2.6 Güneş

Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yararlanmanın en önemli avantajı; ısı

pompası buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkan vermesidir.

Dolayısıyla ısıtma tesir katsayısı yükseltilmiş olur. Ancak havanın ısı kaynağı olarak

kullanılması durumunda olduğu gibi, ısı ihtiyacının yüksek olduğu günlerde güneş

enerjisi de kısıtlı olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanması

gerekliliğini ortaya çıkarır. Bu da zaten pahalı olan sistem maliyetinin daha da

artmasına neden olur.

Bunun yanı sıra ulaşım sorunu olmayan, kaliteli ve çevreye zararı olmayan

sağlıklı bir enerji kaynağı olarak güneş, mimari ve mühendislik bir takım

yaklaşımlarla oluşturulan pasif sistemler vasıtasıyla konutların ısı ihtiyacının

azaltılmasını sağlayarak bütün diğer ısı pompası sistemlerine destek olmaktadır.

Prensipte güneş enerjisinin büyük bir kısmının jeokütle tarafından tutulduğu

ve diğer kısmının havanın bünyesinde barındırıldığı düşünülürse, dolaylı olarak da

olsa güneş enerjisinin diğer tüm ısı kaynaklarına temel oluşturduğu kabul

edilebilir.[3]

II.3 Isı Pompalarının Sınıflandırılması

Isı pompalarının sınıflandırmasına geçmeden önce Şekil II.7’de görülen bir ısı

pompası ısıtma tesisi ile elemanlarını tanımak yararlı olacaktır.

Şekil II.7 Isı Pompası Isıtma Tesisi

16

Isı kaynağı tesisi, ısının bir ısı kaynağından çekilmesi ve tüm yedek düzenler

dahil ısı kaynağı ile ısı pompasının soğuk kısmı arasında ısı taşıyıcısının nakli için

bir tesistir. Isı pompası tesisi, ısı pompası ile buna ait yedek düzenler ve ısı

kaynakları tesisinden oluşmaktadır. Isıdan faydalanma tesisi, ısının ısı pompası

tesisinden alınması ve tüm yedek düzenler dahil, ısı pompasının sıcak kısmıdır.

II.3.1 Isı Pompası Sistemleri

Isı pompası sistemlerinde, ısı kaynağı olarak doğal kaynaklar (yer altı suyu,

yer üstü suyu, toprak ve dış hava) kullanılabildiği gibi teknik tesislerin atık ısıları da

kullanılabilmektedir. Buna göre ısı pompaları birincil, ikincil ve üçüncül ısı

pompaları olarak adlandırılabilir.

II.3.1.1 Birincil Isı Pompaları

Isıyı doğal kaynaktan çeken ısı pompalarına birincil ısı pompaları denir. Bu

sistemlerin ısı kaynakları; yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış havadır.

II.3.1.2 İkincil Isı Pompaları

İkincil ısı pompaları, esas olarak ısıyı geri kazanılan sistemlerden çekerler.

Elde edilen bu ısı, artık ısı birikiminden bağımsız olan tüketilecek yere ihtiyacı

oranda verilir. Kanalizasyon pis sularından ısı çeken ısı pompaları, ikincil ısı

pompalarına bir örnektir. Isı kaynağı sıcaklığı 10 oC’den büyüktür.

II.3.1.3 Üçüncül Isı Pompaları

Elde edilen artık ısı direkt olarak tekrar prosese geri verilirse, örneğin ısı

pompalı çamaşır makinelerinde, kurutma, klima sistemi ve diğerleri, bu ısı pompası

üçüncül ısı pompası olarak adlandırılır. Bu tür ısı pompaları için ısı kaynağı genelde

20 oC’den fazla bir sıcaklık gösterir.

17

II.3.2 Isı Pompalarının Proses Türüne Göre Sınıflandırılması II.3.2.1 Kompresörlü Isı Pompaları

Buharlaştırıcıdan buharın emilmesi ve yoğuşturucu basıncına kadar

sıkıştırılması mekanik bir kompresörle yapılıyor ise, bu tip ısı pompalarına

kompresörlü ısı pompaları denir.

II.3.2.2 Absorbsiyonlu Isı Pompaları

Soğutucu absorbsiyonlu ısı pompasında uygun bir emici eriyik sirkülasyonu

ile hareket eder. Kompresörlü ısı pompalarına göre daha sessiz çalışırlar.

II.3.2.3 Buhar-Jet Isı Pompaları

Soğutucunun hareketi bir enjeksiyon vasıtasıyla gerçekleştirilir.

II.3.3 Isı Kaynakları ve Isı Dağıtıcı Sistemlere Göre

Sınıflandırma

Kompresörlü ve absorbsiyonlu ısı pompaları, kullanılan ısı kaynaklarına göre,

örneğin toprak veya yer altı suyu; ısı dağıtıcı sistemlere göre, örneğin sıcak su

ısıtmaları veya hava ısıtmaları şeklinde sınıflandırılabilirler.

Bir ısı pompası tesisinin isimlendirilmesinde ilk olarak soğuk taraftaki ısı

taşıyıcısı veya ısı kaynağı, ikinci olarak sıcak taraftaki ısı taşıyıcısı yani ısı dağıtıcı

sistem söylenir. Örnek olarak, hava-su ve toprak-su ısı pompaları verilebilir.

II.3.3.1 Hava-su Isı Pompası:

Bu sistemde ısı kaynağı olarak havadan yararlanan ve ısı pompasının sıcak

kısmında suyu dolaştıran bir cihaz söz konusudur. Isıtılan bu su, örneğin döşemeden

ısıtmalı bir sistem için kullanılabilir.

18

II.3.3.2 Toprak-su Isı Pompası:

Salamura-su ikilisinin kullanıldığı ısı pompası sistemleri bu gruba örnektir.

Burada ısı kaynağı toprak, topraktan ısıyı çeken akışkan salamura ve ısı pompasının

sıcak kısmındaki ısı taşıyıcı ise sudur.

Tablo II.1 Isı Pompası ve Isı Pompası Tesisi Adlandırma Örnekleri [6]

ISI TAŞIYICISI ADLANDIRMA

Isı

Kaynağı

Soğuk

Kısım

Sıcak

Kısım

Isı Pompası

( IP )

Isı Pompası Tesisi

( I P T )

Toprak

Toprak

Güneş

Güneş

Su

Su

Hava

Hava

Salamura

Salamura

Salamura

Salamura

Su

Su

Hava

Hava

Hava

Su

Hava

Su

Su

Hava

Su

Hava

Salamura/Hava – I P

Salamura/Su – I P

Salamura/Hava – I P

Salamura/Su – I P

Su/Su – I P

Su/Hava – I P

Hava/Su – I P

Hava/Hava – I P

Toprak/Hava – I P T

Toprak/Su – I P T

Güneş/Hava – I P T

Güneş/Su – I P T

Su/Su – I P T

Su/Hava – I P T

Hava/Su – I P T

Hava/Hava – I P T

II.3.4 Isı Pompalarının İşletme Şekline Göre

Sınıflandırılması

Göz önüne alınan enerji taşıyıcısının sayısına bağlı olarak ısıtma tekniğinde üç çeşit

işletme şeklinden söz edilir.

1. Monovalent (Tekli) İşletme Şekli

2. Bivalent (İkili) İşletme Şekli

3. Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli

II.3.4.1 Monovalent (Tekli) İşletme Şekli

Isı üreticisinin gerekli tüm ısısı aynı enerji türü ile karşılanıyor ise bu tür

işletmeye monovalent işletme denilir. Burada ısı ihtiyacı, bir veya birden fazla ısı

üreticisiyle karşılanabilir.

19

Birçok ısı üreticisinden oluşan ısıtma sistemleri alternatif ve paralel işletme

şekline göre de ayrılabilir. Alternatif işletmeden kasıt, gerekli yıllık ısıtma gücü, aynı

enerji türünün iki ısı üreticisi tarafından belirli bir dış sıcaklığa göre

yedeklenmesidir. Paralel işletmede ise ısı ihtiyacı belirli bir dış sıcaklığın altına

kadar her iki ısı üreticisi tarafından müşterek olarak karşılanabilir.

II.3.4.2 Bivalent (İkili) İşletme Şekli

Bu işletme şeklinde tüm ısı ihtiyacı daima iki ısı üreticisi tarafından

karşılanır. Bivalent işletme şekli, alternatif ve paralel olarak sınıflandırılabilir.

Alternatif işletmede belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi, yalnız

yedek ısı üreticisiyle karşılanır. Belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklık Bivalent

sıcaklığı olarak adlandırılır. Paralel işletmede ise, Bivalent sıcaklığın altındaki

sıcaklıklarda ısı üretimi yedek ısı üreticisiyle tamamlanır. Pratikte en fazla ortaya

çıkan ikili işletme şeklinde, yıllık işletme gücünün tamamının karşılanmasında ısı

pompası yanında yedek ısı üreticisi olarak bir konvensiyonel ısıtma kazanı kullanılır.

Şekil II.8’de, ısı pompası ve konvensiyonel ısı üreticisinden (örneğin, fuel-oil kazanı)

oluşan ikili alternatif çalışa işletme şekli için tüm ısı ihtiyacının karşılanmasında her

iki ısı üreticisinin payları gösterilmiştir. Isı pompasının ana yükü düştüğü zaman

kalan yük yedek ısı üreticisi tarafından karşılanır ve %50 tüm tüm güçte

projelendirilen ısı pompasının ısıtma gücünde payının %67 olduğu görülmektedir.

Şekil II.8 İkili Alternatif Çalışan Isıtma Sistemleri

20

Şekil II.9’da ikili paralel çalışan bir ısıtma sistemi görülmektedir. Burada ısı

ihtiyacının %93’ü ısı pompası tarafından karşılanır ve kalan %7’lik kısım yedek ısı

üreticisiyle karşılanır.

Şekil II.9 İkili Paralel Çalışan Isıtma Sistemleri

II.3.4.3 Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli

Çoklu işletme şeklinde ısı ihtiyacının karşılanması çeşitli enerji taşıyıcılarıyla çalışan

ikiden fazla ısı üreticisiyle yapılır. Örneğin; güneş enerjisi ısı deposu, ısı pompası ve

ısıtma kazanının kombinasyonu Multivalent işletme şekli olarak tanımlanır. [7]

II.4 ISI POMPASI ELEMANLARI

II.4.1 Kompresörler

Kompresörler buharlaştırıcıda bulunan alçak basınç ve buhar halindeki soğutucu

akışkanı emerek daha yüksek basınçta olan yoğuşturucu kısmına gönderen iş

makineleridir.

Kompresörler başlıca dört ana gruba ayrılırlar:

1. Pistonlu kompresörler

2. Rotatif (dönel) kompresörler

3. Turbo (santrifüj) kompresörler

4. Hermetik kompresörler

21

Kompresörler genellikle elektrik motorlarıyla tahrik edilirler. Tahrik doğrudan

doğruya veya gücün büyüklüğüne göre bir yada daha fazla V kayışlı kayış-kasnak

mekanizması ile olmaktadır.

II.4.1.1 Pistonlu Kompresörler

Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketiyle bir pistonla sıkıştırma işlemini

yapan bu tip kompresörlerde, tahrik motorunun dönme hareketi, bir krank-biyel

sistemi ile doğrusal harekete çevrilir. Silindir durumuna göre yatay veya düşey

olurlar. Yatık tipler çok yer işgal etmeleri, montajının pahalı, yağlanmasının zor

oluşu gibi sebeplerle tercih edilmezler. Ayrıca bunların devir sayıları da düşüktür.

Düşey tip kompresörler yatık olanlara nazaran daha kullanışlıdırlar, daha az yer işgal

eder ve hafiftirler. Pistonlu silindirlerin uygulama şartları, birim soğutucu akışkan

soğutma kapasitesine isabet eden silindir hacmi gereksinimi az olan fakat emme ve

basma basınç farkı oldukça fazla olan soğutucu akışkanlar için uygun düşmektedir.

Basma ve emme kısımlarındaki basınç oranı 5’in üstünde olduğu zaman

kademeli pistonlu kompresörler yapılmaktadır. Bu kompresörler kademeli pistonlu

veya çok silindirli olabilirler. Silindirler sıralı olabileceği gibi V veya yıldız şeklinde

yerleştirilebilirler ve motorlardakine benzeyen biyel mekanizması kullanılır. Biyeller

küçük kompresörlerde dövme çelik, büyük kompresörlerde ise dökme demirden

yapılırlar.

Şekil II.10 Çeşitli Kompresör Tipleri

22

Dikkat edilirse A tipinde emme sübabından emilen buhar halindeki soğutucu

akışkan silindir içerisinde bir dönme yapmakta ve tekrar basma sübabından basınçla

çıkmaktadır. Halbuki B ve C tiplerinde ise silindir içinde bir yönde akmaktadır. Bu

sebeple pistonlu kompresörleri soğutucu akışkanın hareketine göre;

• Doğru akımlı

• Dönüşlü akımlı

olmak üzere sınıflandırmak mümkündür. Dönüşlü akım olan kompresörlerde, buhar

ile silindir yüzeyleri arasındaki ısı geçişi sebebiyle yüzey kayıpları aleyhte bir

faktördür. Şekil II.10’da A tipi dönüşlü, B ve C tipleri ise doğru akımlı kompresörleri

göstermektedir.

B tipinde yağ soğutucu akışkan ile birlikte kompresörden çıkar ve yağ ayırıcı

iyi değilse bütün devreyi dolaşır. A tipinde her iki sübap da silindirin üst kısmındaki

sübap blokuna konulmuştur, emiş kısmındaki K borusu yoluyla yağ alt kısma akar.

Bu tip genellikle yağ ile çabuk karışarak sürükleyen soğutucu akışkan kullanan

tesislerde tercih edilir.

Sübaplar genellikle krom nikelli çelikten ve yuvaları ise normal basınçlar için

dökme demir, yüksek basınçlar için su verilmiş çelikten yapılır. Sübaplardaki hızlar

soğutucu akışkanın cinsine göre belirli değerlerin üstüne çıkmamalıdır. Mesela

amonyak kullanılan tesislerde emme sübabındaki hız 20 m/s, basma sübabındaki hız

ise 25 m/s’ den yüksek olmamalıdır. Şekil II.11’de pistonlu kompresörlerin çalışma

çevrimi görülmektedir.

Şekil II.11 Pistonlu Kompresörlerin Çalışma Çevrimi

Şekil II.11’in A kısmında görüldüğü gibi piston silindir içinde aşağıya doğru inerken

silindirin içerisindeki basıncı emme hattındaki basıncın altına düşürür. Bu basınç

23

farkı emme sübabını açar ve soğutucu akışkan silindire girer. Bu arada basma

hattındaki basınç silindir içerisindeki basınçtan büyük olduğu için basma sübabını

kapalı tutar.

B kısmında görüleceği üzere piston yukarıya doğru çıkarken sıkıştırma

işlemini gerçekleştirir. Bu sırada silindir içindeki soğutucu akışkan buharının basıncı

büyük ölçüde artar. Silindir içindeki yüksek basınç bu kez emme sübabını kapalı

tutar. Silindir içerisindeki basınç basma hattındaki basıncı aştığı zaman basma sübabı

açılır ve yüksek basınçlı soğutucu akışkan buharı basma hattına girer. Basma hattı da

soğutucu akışkanı yoğuşturucuya iletir. Böylece kompresör çevrimdeki görevini

tamamlamış olur.

II.4.1.2 Rotatif (Dönel) Kompresörler

Rotatif kompresörler, pistonlu kompresörlerin gidip gelme hareketi yerine

sıkıştırma işlemini yaparken dönel hareketi kullanırlar. Bu dönel hareketten

yararlanma şekline göre dişli, tek veya çok paletli kompresörler söz konusudur.

Rotatif kompresörlerde krank mili bulunmaz ve yüksek devir sayılarında

kullanılabilirler. Sessiz çalışmalarına ve az yer işgal etmelerine rağmen imalattaki

hassas işçilik ve yağlama zorluğu ile yüksek basınçlardaki kaçaklar aleyhte

faktörlerdir.

Daha ziyade küçük kapasiteli ve tam kapalı tip motor-kompresör dizaynına

uygulanan tek paletli dönel kompresörlerde palet dış gövdeye yerleştirilmiştir ve

dönel harekete katılmaz, sadece dönel rotorun eksantrik hareketini takip ederek

doğrusal hareket yapar. Çok paletli dönel kompresörler büyük kapasiteli

kompresörlerdir. Bu dizayn şeklinde paletler de rotorla birlikte dönel harekete

katılırlar.

II.4.1.3 Dişli (Vida tipi) Kompresörler

Dişli kompresörler F-12, F-22, F-502 ve amonyak gibi çok kullanılan yüksek

yoğuşma basınçlı soğutucu akışkanlara uygulanabilirler. Düzgün (kesintisiz)

soğutucu akışkan gaz akışı sağlamaları, emme ve basma sübaplarının bulunmayışı

(arıza kaynağının ve basınç kayıplarının ortadan kalkması) ve diğer tip

kompresörlerden daha hafif ve küçük boyutta olmaları dişli kompresörlerin

avantajlarını oluşturur.

24

Şekil II.12 Dişli (Vida Tipi) Kompresör

II.4.1.4 Turbo (Santrifüj) Kompresörler

Turbo kompresörlerin, pistonlu, dönel paletli veya vida tipi kompresörlerden

farkı pozitif sıkıştırma işlemi yerine santrifüj kuvvetlerden faydalanarak sıkıştırma

işlemini yapmasıdır. Krank milleriyle sübapları bulunmayıp 3000 d/d’nın üzerindeki

yüksek hızlarda çalışırlar.

Turbo kompresörlerde emme tarafı ile basma tarafı arasındaki basınç farkını

sağlamak için önce emilen soğutucu akışkan buharına bir hız (kinetik enerji) verilir

ve sonra bu hız basınca (potansiyel enerji) dönüştürülür. Bu dönüştürme işlemi

sırasında kayıplar olur ve basma tarafı basıncı yükseldikçe bunlar daha da artar. Bu

nedenle, turbo kompresörlerde basma basıncının (yoğuşma basıncının) mümkün

olduğu kadar emişten az bir farkla oluşması istenir. Bu yüzden yoğuşma basıncı

düşük olan soğutucu akışkanlar (F11 ve F113 gibi) turbo kompresörler için uygun

olmaktadır.ayrıca büyük molekül ağırlığı olan F11, F21 ve F114 gibi soğutucu

akışkanlar da turbo kompresörler için uygundur.

II.4.1.5 Hermetik Kompresörler

Hermetik kompresörler soğutucu akışkan olarak freon serisi soğutucu

akışkanları kullanırlar. Devir sayıları 3000 d/d’ya kadar yükselmiş olup uzun

ömürlüdürler. Hermetik kompresörleri;

1. Tam hermetik kompresörler

2. Yarı hermetik kompresörler

olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür.

25

II.4.1.5.1 Tam Hermetik Kompresörler

Tam hermetik kompresörlerde silindir, biyel, tahrik için kullanılan elektrik

motoru ile yağ kısmı tamamen kapalıdır ve sızdırmazlığı tam olan çelik kap

içerisinde bulunurlar. Kayış-kasnak mekanizması yoktur ve elektrik motorunun

sargısı özel olarak yalıtılmıştır.

Sızdırmaz kabın dip tarafında bulunan yağ hem yağlama hem de motoru

soğutma vazifesi görür. Ayrıca buharlaştırıcıdan emilen soğuk durumdaki soğutucu

akışkan buharı motoru soğutur ve silindir içinde sıkıştırıldıktan sonra basma

borusuyla yoğuşturucuya iletilir.

Freon-12 kullanan tam hermetik kompresörlerde 0,52 ile 6,3 m3/h akışkan

devreder. Küçük güçlü olanlarda kapiler boru, büyük güçlü olanlarda da genişleme

valfi kullanılır.

Tam hermetik kompresörler kapalı kap şeklinde olduğundan dış zorlanmalara

karşı mukavimdir, soğutucu akışkan kayıpları az olur, gürültüsüz çalışır ve arıza

halinde değiştirilmeleri kolaydır.

II.4.1.5.2 Yarı Hermetik Kompresörler

Yarı hermetik kompresörler şimdiye kadar sanayi soğutma tesislerinde

soğutma makinesi olarak kullanılmışlardır. Motor ve kompresör aynı bir muhafaza

içinde bulunur, ancak tam hermetik kompresörlerde olduğu gibi sızdırmaz şekilde

kaynaklı değildir.

Bu tip kompresörler genellikle 4-40 kW işletme güçleri arasında piyasaya

sürülür ki bu bir evin ısıtılmasında gerekli güçlerdir. Tahrik motoru, boyutları küçük

tutmak için genellikle iki kutba sahiptir ve yaklaşık 1400 d/d’lık devir sayısı vardır.

Kompresör sıra formda, V şeklinde veya VV şeklinde çok sayıda silindirli veya bir

silindirli olarak yapılır.

II.4.2 Buharlaştırıcılar (Evaporatörler)

Buharlaştırıcılar, genişleme valfinde ya da kapiler boruda basıncı düşürülmüş olan

soğutucu akışkanın çevreden ısı çekerek buharlaştığı kısımdır. Soğutucu akışkanın

cinsine göre muhtelif malzemelerden yapılırlar. Genellikle bakır ve çelik borular

kullanılır. Korozyona karşı bakır boruların dış yüzeyleri kalaylanır.

26

II.4.2.1 Gövde Borulu Buharlaştırıcılar

Büyük tesislerde turbo kompresörlü gövde borulu buharlaştırıcılarda, Şekil II.13’de

görüldüğü gibi soğutucu akışkan buharı 4 nolu yerden alınır. Bir buhar deposu

üzerinden emilir, böylece buharın hızı düşeceğinden soğutucu akışkan damlacıkları

geri düşer.

Şekil II.13 Gövde Borulu Buharlaştırıcı

II.4.2.2 Koaksiyal Buharlaştırıcılar

Koaksiyal buharlaştırıcı, iç ve dış boru olmak üzere, iki borudan oluşur. Uygun

kanatlarla iç ve dış boru arasında eşit aralık sağlanır. İç ve dış boru arasındaki

hacimde, ısı taşıyıcısı örneğin yer altı suyu, iç boruda buharlaşan çevrim akışkanı

karşıt akışlı olarak ısı değiştiricisine akar.

27

II.4.2.3 Kanatlı Buharlaştırıcılar

Kanatlı buharlaştırıcı, gerekli ısının dış havadan çekildiği dış hava ısı pompalarında

kullanılır.

1- Buharlaştırıcı boru

2- Kanatlar

3- Genişleme vanası

4- Soğutucu akışkan buhar

çıkışı

L: Kanat demeti uzunluğu

b: Kanat genişliği

a: Kanat ara mesafesi

h: Kanat yüksekliği

Şekil II.14 Kanatlı Buharlaştırıcı

Kanatlı buharlaştırıcı, üzerinde alüminyum kanatlar takılı bakır borulardan

oluşur. Kanatlar sayesinde yüzey önemli ölçüde büyür. Soğuyan hava lameller

arasından çapraz gönderilir ve böylece ısı verir.

II.4.3 Yoğuşturucular

Yoğuşturucular, kompresörlerden kızgın buhar olarak basılan soğutucu

akışkanın kızgınlığının alındığı, yoğuştuğu ve aşırı soğutma halinde aşırı

soğutulduğu ısı değiştiricileridir. Yoğuşturucularda buharlaştırıcılardan alınan ısı ile

kompresör yoluyla sisteme verilen ısı alınmaktadır.

II.4.3.1 Gövde borulu Yoğuşturucular

Ev ısıtmasında kullanılan ısı pompalarında çoğu kez Şekil II.15’de gösterilen

tip yoğuşturucular kullanılır. Kazan içinde yoğuşan soğutucu akışkanın ısı geçişi,

borulardan akan suyunkinden önemli ölçüde düşüktür. Bu nedenle çoğunlukla dış

kaburgalar ile bakır borular kullanılır. Böylece boru dış yüzeyinin iç yüzeyine oranı

3:1 olur. Bu tür yoğuşturucuda toplam ısı geçiş katsayısı K su hızına göre (0,5-3 m/s)

580-1050 W/m2K civarındadır.

b

3

a

2 4

1

L

h

28

1-Soğutucu akışkan buharı

2-Sıvı soğutucu akışkan

3-Boşaltma ağzı

4-Isıtma suyu gidişi

5-Isıtma suyu dönüşü

Şekil II.15 Gövde Borulu Yoğuşturucu

II.4.3.2 Helezon Borulu Yoğuşturucular

Şekil II.16’da görülen helezon borulu yoğuşturucuda sıcak sulu ısıtma

sisteminin ara deposunda doğrudan doğruya içinde yoğuşan soğutucu akışkan akan

helezon şeklinde boru bulunur. Her iki kütle akışı zıt yönlüdür. Suyun düşük akış hızı

nedeniyle toplam ısı geçiş katsayısı ancak 230 W/m2K’dır.

Isı geçiş katsayısının düşük olması, helezon borulu yoğuşturucunun kullanım

alanını azaltmaktadır.

1-Kompresör

2-Yoğuşturucu devresi

3-Isıtma devresi gidişi

4-Isıtma devresi dönüşü

5-Helezon boru

6-İç hazne

7-Sac muhafaza

8-Sıcaklık kontrolü

Şekil II.16 Helezon Borulu Yoğuşturucu

29

II.4.3.3 İç İçe Borulu Yoğuşturucular

Bir yoğuşturucunun en az depo etkisi olan biçimi iç içe borulu

yoğuşturucudur. Bu iç boru ile dış boru arasında sıralanmış soğutma kanatları olan

aynı merkezli iç içe sokulmuş iki borudan oluşmaktadır. Suyun hızına bağlı olarak

toplam ısı geçiş katsayısı 520-820 W/m2K’dir.

Şekil II.17 İç İçe Borulu Yoğuşturucu

II.4.4 Basınç Ayarlayıcılar (Genleşme Valfleri - Kapiler

Boru)

Genleşme valfleri, soğutucu akışkanın basıncını arzu edilen buharlaştırıcı

basıncına düşürmeye yarayan elemanlardır. Basınç ayarlayıcı olarak kapiler

borulardan faydalanıldığı gibi buharlaştırıcı için lüzumlu soğutucu akışkan miktarını

da ayarlayan el ayar valfi, otomatik genleşme valfi, termik genleşme valfi ile alçak

ve yüksek basınç şamandıralı tipleri de mevcuttur.

II.4.4.1 El Ayar Valfi (Sabit Çıkış Basınçlı Valfler)

Takriben 10 devirde tamamen açılırlar ve en açık olduğu halde kesit alanı valf

giriş kesitinin %20-25’i kadardır. Valf ait olduğu buharlaştırıcıda lüzumlu soğutucu

akışkan geçecek şekilde ayarlanmalıdır. Elle yapılan çıkış basıncı ayarını devamlı

olarak muhafaza eder. Evaporasyon sıcaklığı, böylece basınç kontrolü suretiyle

muhafaza edilmeye çalışılır. Buharlaştırıcı yüklerinin değişimlerine bağlı olarak

değişen kızgınlık değerini belirli bir seviyede tutmak veya sıvının emişe yürümesini

önlemek bu tip valflerle mümkün değildir. Bu nedenle bu tür valfler genellikle yük

değişimi çok az olan buharlaştırıcılar için kullanılır. Ayrıca büyük kapasiteli emiş

basınç regülatörlerinin pilot kontrol valfi olarak da kullanılabilirler.

30

Şekil II.18 El Kumandalı Ayar Valfi

II.4.4.2 Otomatik Genleşme Valfi

1-Gövde

2-İğne

3-Yay

4-Ayar vidası

5-Bükümlü esnek boru

6-Akışkan girişi

7-Akışkan çıkışı

Şekil II.19 Otomatik Genleşme Valfi

Buharlaştırıcıdaki basınç değişimi 5 nolu bükümlü esnek boruya (veya bir

membran olabilir) tesiri ile valfin 2 nolu iğnesinin oynamasını temin eder. İğnenin

açılma miktarı ile esnek boruya temas eden 3 nolu yayın üstündeki 4 nolu ayar

vidasının sıkıştırılması ile ayar edilir. Valfin giriş tarafında ayrıca bir filtre bulunur.

Otomatik genleşme valfi sadece ayar edilen belirli bir basıncı sabit tuttuğu için

avantajlı değildir. Mesela buharlaştırıcıdan alınan ısının küçük olması halinde

31

buharlaşma sıcaklığı ile basıncı azaldığı için valf açık kalır ve kompresör tarafından

yaş buhar emilir. Aksi halde ise kompresör oldukça sıcak çalışır. Bu tip valfler daha

ziyade kükürt dioksitmetilklorit ve freon-12’li tesislerde kullanılır.

II.4.4.3 Termik Genişleme Valfi

Termik genişleme valfleri buharlaştırıcıya sıvı soğutucu akışkan akışını

kontrol ve ayar eden, buharlaştırıcıda buharlaşan miktar kadar sıvı soğutucu akışkanı

tekrar buharlaştırıcıya sevk eden bir cihazdır. Sıcaklığa karşı hassas olan uç (kuyruk)

buharlaştırıcının sonuna iyice temas edecek şekilde tespit edilir. Böylece

buharlaştırıcı ile uç arasında iyi bir ısı iletkenliği sağlanmış olur. Termik ucun

içindeki basınç, ucun, dolayısıyla buharlaştırıcının sıcaklığına bağlıdır. Böylece

buharlaştırıcıya gönderilecek sıvı soğutucu akışkan miktarı, buharlaştırıcıdan çıkan

soğutucu akışkanın sıcaklığının ölçülmesiyle saptanır. Buharlaştırıcı çıkışına tespit

edilen hassas uç bir kapiler boru yardımıyla diyaframın üst tarafına

irtibatlandırılmıştır. Kapiler boru içinde genellikle soğutucu akışkan özelliğinde bir

sıvı bulunur. Diyafram iğnenin hareketine tesir etmek suretiyle buharlaştırıcıya geçen

sıvı soğutucu akışkan miktarını kontrol eder. Bu suretle buharlaştırıcıya sıvı soğutucu

akışkanın ölçülü bir şekilde gönderilmesi ve dolayısıyla kompresöre sıvı soğutucu

akışkan gelerek hasar yapması önlenmiş olur. Termik genişleme valfi soğutucu

akışkanın buharlaştırıcıyı terk ederken belirli ve emniyetli bir kızgınlık değerini

muhafaza etmesini sağlar.

Bir termik genişleme valfinin ayar işlemini yapan mekanizmasını etkileyen

üç basınç mevcuttur.

1. Hassas uç ve kapiler boru vasıtasıyla diyaframın üst tarafına iletilen P1

basıncı

2. Buharlaştırıcıdaki basınç P2

3. Kızgınlık yayının eşdeğer basıncı P3

Termik genişleme valfleri genel olarak iç ve dış dengelemeli olmak üzere iki değişik

konstrüksiyona sahiptirler. Şekil II.20’de iç dengelemeli termik genişleme valfi

şematik olarak gösterilmiştir.

32

Şekil II.20 İç Dengelemeli Termik Genişleme Valfi

Bu tip valflerin çalışması sırasında üç çalışma rejimi ortaya çıkabilir;

1. Kuvvetlerin dengede olması

2. Kızgınlık değerinde artma olması

3. Kızgınlık değerinde azalma olması

P1 basıncı buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkanın doymuş buhar basıncı

olup bu basınç valf iğnesini açmaya çalışmaktadır. Bu açıcı kuvvete karşı koyacak

olan ve diyaframın alt tarafında bulunan , yani valf iğnesini kapatmaya çalışan iki

ayrı kuvvet mevcuttur. Bunlar buharlaştırıcı basıncı P2 ile kızgınlık ayar yayının

meydana getirdiği P3 basıncıdır. Şekil II.21’de bu kuvvetler açık bir şekilde

gösterilmiştir.

Şekil II.21 Valf İğnesini Etkileyen Faktörler

33

Görüldüğü gibi P1 = P2 + P3 olduğunda denge sağlanmıştır. Kızgınlık değerinde

artma olması halinde, buharlaştırıcı çıkışındaki sıcaklığın yükselmesine bağlı olarak

kuyruk sıcaklığı da yükselir ve bunun sonucu olarak diyaframa gelen basınç artar. Bu

durumda P1>P2+P3 olur ve P1 kuvveti valf iğnesini açar. Kızgınlık değerinde azalma

olması durumunda buharlaştırıcı sıcaklığının azalmasıyla kuyruk sıcaklığı da düşer

ve diyaframın üst tarafına gelen basınç azalır. Bu suretle P1<P2+P3 olur ve sonuçta

valf iğnesi kapanmaya başlar.

Eğer buharlaştırıcı giriş ve çıkış arasındaki basınç farkı çok fazla ise

(buharlaştırıcı büyük boyutlu ise), dış dengelemeli termik genişleme valfi kullanılır.

Bu durumda diyaframın alt kısmı buharlaştırıcının çıkış kısmıyla irtibatlandırılır.

Böylece diyaframın, hassas ucun bulunduğu kısımdaki doymuş buhar basıncını

alması sağlanır. Bu şekilde buharlaştırıcı giriş basıncına göre verilen aşırı miktardaki

kızdırma önlenmiş, valfin çok kısık çalışmasının ve buharlaştırıcı kapasitesinin

düşmesinin önüne geçilmiş olur.

II.4.4.4 Şamandıralı Ayar Valfi

Alçak basınçlı ve yüksek basınçlı olmak üzere iki tipi mevcuttur. Şayet

şamandıra yoğuşturucudan gelen kısımda ise yüksek basınçlıdır, buharlaştırıcıda yani

alçak basınç kısmında ise alçak basınçlıdır ve buharlaştırıcıda sıvı seviye şişesini

sabit tutar.

II.4.4.5 Kapiler Borular

Soğutucu akışkanın basıncını buharlaştırıcı basıncına düşürmede kapiler

(kılcal) borudan yararlanılabilir. Bunlar küçük kapasiteli sistemlerde sıvı haldeki

soğutucu akışkanın yüksek basınç tarafından alçak basınç tarafına ölçülü şekilde

geçişini kontrol etmede pratik ve ekonomik çözüm sağlar. Kılcal borunun çalışma

prensibi, belirli bir basınç farkında kılcal borudan geçen sıvı debisinin buhar

debisinden fazla olmasıdır. Normal çalışma durumunda, soğutucu akışkan kılcal

borunun ilk bölümlerinde tamamen sıvıdır ve sonraki kısımlarda kısmen buhar fazına

geçer. Eğer sistemin debisi herhangi bir nedenle artarsa yoğuşturucu buharın

tamamını yoğuşturmaz ve bir miktar buhar kılcal boruya girer. Bu durumda kılcal

borunun yukarıda belirtilen özelliğinden dolayı direnç artar, geçiş zorlaşır. Böylece

debi azalır ve normal çalışma durumuna gelinir. Sistemin debisi azalırsa ve sıvı

34

haldeki soğutucu akışkan kılcalın girişine birikir ve aşırı soğutma miktarı artar. Bu

durumda soğutucu akışkan kılcal borunun daha uzun bir kısmında sıvı fazda bulunur.

Yine kılcal borunun özelliğinden debi artar ve normal çalışma durumuna geçilir.

Kılcal borunun, emiş ve basma tarafı basınçlarını sistem durduktan kısa bir süre

sonra dengelemesi özelliği, kompresör kalkışının yüksüz olmasını ve dolayısıyla

alçak terk karakteristikli elektrik motoru kullanılabilmesini mümkün kılar ve bu

ekonomik yönden önemlidir. Kapiler boruların mekanik hareketli kısımlarının

bulunmaması arıza yapmamaları bakımından avantajdır. Ancak soğutucu akışkan

içinde bulunabilecek artıkların kılcal borunun dar kesitini tıkamaması için, kılcal

borudan evvel yoğuşturucu çıkışına filtre kurutucusu konulur. Kılcal borunun diğer

bir avantajı soğutucu akışkanın her iki tarafından geçebilmesidir. Kılcal borular basit

ve ucuzluklarına rağmen termik genişleme valfleri kadar geniş bir çalışma aralığına

sahip değildir. Kapiler boru seçimi oldukça tecrübe, bilgi ve dikkat gerektiren bir

konudur.

II.4.5 Kumanda Kontrol Cihazları ve Diğer Yardımcı

Elemanlar

Sistemde sıcaklık, basınç geçen akışkan miktarı gibi yönlerden istenilen

sınırlar arasında işletmeye sokan veya işletmeden çıkaran kumanda kontrol cihazları

ile devrenin özellik ve işletme şartlarına göre aşağıdaki eleman ve cihazlar

kullanılmaktadır.

II.4.5.1 Kapama Valfleri

Sistemde gerekli olduğu zaman bir kısmın diğer kısımdan ayırmak maksadıyla

kullanılırlar. Kapama valflerinin sayısı mümkün olduğunca az tutulmalıdır, çünkü bu

valfler hem basınç kayıplarını artırırlar hem de akışkan kaçakları için kaynak

oluştururlar. Salmastralı ve salmastrasız valfler diye sınıflandırıldıkları gibi düz veya

dirsek tipi; iki veya üç yollu; glop, topa veya iğne tipi ve daha pek çok değişik

adlarla anılırlar. Kapama valfleri herhangi bir sıkıntıya meydan vermeyecek tarzda

imal edilirler.

35

II.4.5.2 Termostat

Isıtılan veya soğutulan hacmin sıcaklıklarının belirli değerler arasında

kalmasını temin gayesiyle kullanılan kumanda kontrol cihazlarıdır. Termik

genişleme valfinde olduğu gibi, termostatın hassas olan ucu (kuyruk) sıcaklığı

kontrol edilecek yere tesbit edilir. Ayar edilen sıcaklığa elektrik devresi (kontakt)

açılıp kapanarak kompresörü tahrik eden elektrik motorunu kumanda eder.

Şekil II.22 Termostatın İç Yapısı

II.4.5.3 Presostatlar

Presostatlar, buharlaştırıcı basıncına göre devreyi kumanda eden kontrol

cihazlarıdır. Presostatlarda termostatlarda olduğu gibi bir elektrik devresi söz

konusudur. Presostatları yüksek basınç presostatı ve normal basınç presostatı olarak

ikiye ayırmak mümkündür. Normal basınç presostatı kompresörün emme kısmına

monte edilir ve devreyi basınç düşünce açar, basınç yükselince kapatır. Yüksek

basınç presostatı ise kompresör ile yoğuşturucu arasına konulur. Yoğuşturucu basıncı

yükselince elektrik devresi açılır ve kompresör çalışmaz. Uygulamada daha çok

alçak basınç presostatı kullanılmaktadır.

II.4.5.4 Manometre

Basınç ölçen bir cihazdır. Yüksek basınç ve alçak basınç manometreleri

olmak üzere iki tip manometre vardır. Alçak basınç manometresi atmosfer altı ve

üstündeki basınçları; yüksek basınç manometresi ise yalnız atmosfer üstü basınçları

gösterir.

36

II.4.5.5 Çekvalf

Şekil II.23’de görüldüğü gibi boru içinde akan akışkanların tek yönde

akmalarını temin ederler. Akışkanın herhangi bir sebeple ters yönde akması halinde 3

nolu yayın ucundaki 1 nolu ventil kesiti kapatarak akışı durdurur.[8]

1- Ventil Kesiti

2- Ventil

3- Yay

Şekil II.23 Çekvalf

II.5 Isı Pompalarında Kullanılan Soğutucu

Akışkanlar

Birçok soğutma tekniği uygulamasında ısı, ikinci bir soğutucu akışkanla

taşınabilir. Herhangi bir sıvı olabilen bu ikinci akışkan esas soğutucu akışkan ile

soğutulur ve hal değişimi olmadan ısı geçişini gerçekleştirebilir. Bu tip sıvılar, ısı

transferi akışkanları, salamuralar veya ikincil soğutucu akışkanlar olarak

adlandırılırlar.

CFC-12 Düşük ve orta sıcaklık (max. 80 oC)

CFC-114 Yüksek sıcaklık (max. 120 oC)

R-500 Orta sıcaklık (max 80 oC)

R-502 Düşük-orta sıcaklık (max. 55 oC)

HCFC-22 Düşük sıcaklık ısı pompaları (max. 55 oC)

II.5.1 CFC (Kloroflorokarbon)

Kimyasal stabilitesini ve içerdiği klorin miktarına bağlı olarak CFC’ler

(koloroflorokarbon) global çevreye zararlıdır. CFC’ler yasaklı akışkan grubuna

dahildir. Yüksek ozon tüketimine sahip olduklarından üretimi ve kullanımı yasaktır.

Yalnızca eskiyen sistemlerdeki gazların temizlenmesiyle elde edilebilmektedirler. Bu

grubun kapsadığı akışkanlar R-11, R-12, R-113, R-114, R-115, R-500, R-11502, R-

13 B1’dir.

37

II.5.2 HCFC (Hidrokloroflorokarbon)

Hidrokloroflorokarbonlar da klorin içermesine rağmen kloroflorokarbonlara

göre ozon tüketme potansiyeli çok daha azdır. HCFC’nin ozon tüketme potansiyeli,

düşük atmosferik kimyasal stabiliteye bağlı olarak CFC-12’ ye göre %12 daha azdır.

Ayrıca global ısıtma potansiyeli CFC-12’ nin % 20’si kadardır. HCFC’ler

geçiş akışkanları olarak adlandırılır. HCFC’ler R-22, R-401, R-402, R-403, R-408 ve

R-409 akışkanlarını içerir.

II.5.3 HFC (Hidroflorokarbon)

Hidroflorokarbonlar uzun dönemde alternatif akışkanlar olarak

değerlendirilebilir. Bu onların R-134A, R-152A, R-32, R-125 ve R-507 gibi klorin

içermedikleri anlamına gelir. Ozon tüketimine etkileri olmadığı için, R-12, R-22, R-

502’ye alternatif olabilirler. Fakat onların da hala global ısınmaya etkileri vardır.

HFC-134A termofiziksel özellikler olarak CFC-12’ye çok benzemektedir.

HFC-134a kullanılan bir ısı pompasının performans katsayısı (COP) pratik olarak

CFC-12 kullanılan ısı pompasınınkiyle aynı olacaktır. Düşük evaporatör sıcaklığında

(-1 oC’nin altında) ve büyük sıcaklık artışlarında performans katsayısı biraz daha

düşük olacaktır.

HFC-152A esas olarak R-500’ ün bir parçası olarak

kullanılmıştır.Karışımlarda eleman olarak kullanılır ve yanıcıdır.

HFC-32 orta yanıcı olarak kabul edilebilir ve sıfıra yakın global ısıtma

potansiyeli vardır. Uzun dönemde ısı pompası ve endüstriyel soğutma

uygulamalarında HCFC-22’nin yerine uygun bir akışkan olarak düşünülmektedir.

HFC-32, yanıcı olmayan karışımlarda R-502 ve HCFC-22 yerine ana bileşen olarak

kullanılmaktadır.

HFC-125 ve HFC-143A hemen hemen R-502 ve HCFC-22 ile benzer

özelliklere sahiptir. Global ısıtma potansiyeli HFC-134A’ya göre üç kat fazladır.

II.5.4 Karışımlar

Bir karışım iki veya daha fazla akışkanı içerebilir. İzeotropik karışımlar sabit

sıcaklıkta buharlaşır ve yoğunlaşır. İlk karışımlar CFC-12 ve R-502’ nin yerini

38

alması için HCFC-22 veya HCFC akışkanları içeriyorlardı ve bu yüzden geçiş

akışkanları olarak kabul ediliyorlardı.

R-502’nin ve HCFC-22’nin yerini alması için oluşturulan yeni nesil

karışımlar ise klorin içermiyorlar ve temel olarak HFC’lerden (HFC-32, HFC-134A,

HFC-125, HFC-143A) ve hidrokarbonlardan oluşuyorlar. Gelecek için umut veren

iki akışkan R-410A ve R-407C’dir. R-410A R-32 ve R-125’in karışımıdır, R-407C

ise R-32, R-125 ve R-134A’dan oluşmaktadır.

R-410A kullanarak R-22’ye kıyasla çok daha iyi COP değerleri elde

edilmektedir. R-410A kullanarak toplam maliyette azalma sağlanabilir, çünkü sistem

bileşenlerinin özellikle kompresörün ölçülerinde, akışkanın volümetrik kapasitesinin

yüksek olması nedeniyle önemli miktarda azalma olacaktır.

II.5.5 Doğal Akışkanlar

Doğal akışkanlar, biosferde doğal olarak mevcut olan maddelerdir. Global

çevreye zararları sıfır veya sıfıra yakındır. Doğal akışkanların örnekleri amonyak,

hidrokarbonlar, karbondioksit, hava ve sudur.

II.5.5.1 Amonyak

Amonyak çoğu ülkede orta ve büyük soğutma ünitelerinde başlıca kullanılan

soğutucu akışkandır. Toksik ve yanıcı karakteri nedeniyle kullanımı için ayarlar ve

kurallar geliştirilmiştir. Termodinamik ve ekonomik olarak yeni ısı pompaları

ekipmanlarında CFC’ lere ve HCFC-22’ ye en iyi alternatiftir. Bugün için sadece

büyük ısı pompası sistemlerinde kullanılmıştır ve yüksek basınç kompresörleri

kondenzasyon sıcaklığını 58 oC’ den 78 oC’ ye çıkarmıştır. Verimli yüksek basınç

kompresörleri geliştirilirse, amonyak mükemmel bir yüksek sıcaklık soğutucu

akışkanı olacaktır.

II.5.5.2 Hidrokarbonlar (HC)

Günümüzde propan, propilen ve propan karışımları, bütan ve etan ısı pompası

sistemlerinde kullanılabilecek en umut verici soğutucu akışkan olarak

değerlendirilmektedir.

39

II.5.5.3 Su

Toksik ve yanıcı olmayan uygun termodinamik özelliklere sahip olan su,

endüstri ısı pompalarında kullanılabilecek mükemmel bir akışkandır. Tipik olarak

çalışma sıcaklıkları 80 oC ila 150 oC arasında değişir. Dezavantajı ise sahip olduğu

volümetrik ısı kapasitesidir. Bu özellik özellikle düşük sıcaklıklarda büyük ve pahalı

kompresörler gerektirir.

II.5.5.4 Karbondioksit (CO2)

CO2 ne toksik ne de yanıcıdır ayrıca normal yağlama yağlarıyla ve genel

konstrüksiyon malzemeleri ile uyumludur. Volümetrik soğutma kapasitesi yüksektir.

COP değeri çok düşüktür.

II.5.6 Salamuralar

Kalsiyum ve sodyum kloridin su içindeki çözeltileri, pratikte en çok

kullanılan soğutucu salamuralardır. Salamuralı soğutma tekniğine esas olarak,

endüstriyel soğutma sistemlerinde ve buz paten sahalarında kullanılmaktadır.

Kalsiyum klorid salamurası için korozyon temel bir problem olup, özellikle

galvanizli demir kaplarının kullanıldığı buz üretim tanklarında önemli hasarlar

yapmaktadır.

Salamuralı sis yöntemi ile balıkların ve diğer besin maddelerinin

dondurulduğu işlemlerde, kalsiyum klorid çözeltisinin besin maddesine temasının

istenmediği durumlarda, adi sofra tuzu (sodyumklorid) kullanılır. Tuz aynı zamanda

soğutma serpantinleri üzerine püskürtülerek, buzlanmanın önlenmesinde de

kullanılır. Kalsiyumklorid eriyiğinin donma noktası düşük olduğu için soğutma

uygulamalarının çoğunda daha uygundur.

Ticari kalsiyumklorid, küçük pullar, katı veya eriyik halinde, tip 1 ve tip 2

olarak satışa sunulur. Ticari sodyumklorid ise, hem ham kaya tuzu, hem de rafine

edilmiş sofra tuzu olarak bulunabilir. Magnezyum tuzlarının çamur haline gelme

eğilimleri olduğundan, bu tuzların sodyumklorid ve kalsiyumklorid içinde bulunması

istenmez.

II.5.6.1 Glikol Katkılı Salamuralar

Etilen ve propilen glikol renksiz, pratik olarak kokusuz sıvılar olup, su ve

birçok organik bileşen ile kolayca karışabilirler. Etilen glikol derişikliğinin kütlesel

40

olarak % 60 değerinden fazla olması durumunda, eriyiğin donma noktası sıcaklığı

artmaktadır. Propilen glikol derişikliğinin %60 değerinden fazla olması durumunda

eriyiğin belirli bir donma noktası yoktur. Burada donma yerine, propilen glikol

eriyiği cam özelliklerine sahiptir. Cam, aşırı viskoziteli sıvının soğutulması halinde

katı görünüşlü amorf bir cisimdir. Ötektik noktasının seyreltik tarafında donma

esnasında buz oluşurken; ötektik noktasının diğer tarafında, donma esnasında katı

glikol parçaları eriyikten ayrılır. Bu tip eriyiklerin donma hızı çoğunlukla yavaştır,

fakat zamanla bunlar sertleşir ve katı kütle oluşturur.

II.5.6.2 Korozyon Önleyiciler

Genel olarak, ticari etilen veya propilen glikol saf olduğunda, tesisatta

kullanılan birçok metal için sudan daha az korozif etki yapar. Bununla beraber, bu

tesisatlara uygun korozyon önleyicilerin katılmaması durumunda, bu glikollerin su

ile oluşturduğu eriyikler, korozyonu artırır.

Korozyon önleyicilerin işlevi, ya korozyon önleyici ya da ortamı kararlı ve

ayarlayıcı hale getirenler olmak üzere iki şekilde sınıflandırılır. Korozyon önleyici,

metal yüzeyde engel oluşturarak, metale olan etkiyi önler. Bu engelleme çoğunlukla,

metal tarafından korozyon önleyicinin adsorbsiyonu ile veya korozyon önleyicinin

metal ile reaksiyona girmesiyle ya da başlangıç reaksiyon ürünleriyle gerçekleşir. Bir

çok durumda metal yüzeyler, korozyon önleyicilerin güçlendirdiği bu metallerin

oksitlerinin filmleri ile kaplanır.

Ortamı kararlı ve ayarlayıcı hale getirenler tam anlamıyla bir korozyon

önleyici olmamasına rağmen, ortamı kararlı hale getirerek veya değiştirerek

korozyonu azaltır. Boraks gibi alkali tampon, ortamı kararlı hale getirmeye örnek

verilebilir, çünkü bu elemanın esas gayesi ortamı alkali koşullarda (PH değerini 7

üzerinde) tutmaktır. Bazı jelatin elemanlar, eriyik içinde korozyon işlemini ve

mekanizmasını hızlandıran çeşitli iyonları kaldırarak, ortamda kararlı gibi fonksiyon

yaparlar. Bununla beraber bu elemanların kullanılmasında, ortamın uygun olmayan

pH değerlerine ve ilave bir korozyona neden olabilecek bir derişikliğe ulaşmaması

hususuna dikkat etmek gerekir.

Glikol katkılı salamuralar, en fazla 175 oC sıcaklığa kadar kullanılabilir.

Bununla beraber en yüksek kullanım sıcaklığı, akışkandan akışkana değişir. Yüksek

hava ile temasta olan sistemlerde akışkanın ortalama yığın sıcaklığı 82 oC değerinden

41

fazla olmamalıdır. Buna karşılık sisteme havanın girişinin önlendiği basınçlı kapalı

sistemlerde, akışkan sıcaklığı 175 oC değerine kadar çıkabilir. Max. film sıcaklığı

akışkanın ortalama yığın sıcaklığından 28 oC değerinden daha fazla olmamalıdır.

Sistemin yüksek sıcaklıklarda aşırı periyotlarda çalışması durumunda, azot gazı ile

dengelenerek en az oksitlenme olması sağlanabilir.

Tipik olarak min. çalışma sıcaklıkları, etilen glikol eriyikleri için -23 oC;

propilen glikol eriyikleri için ise -18 oC değerindedir. Akışkan viskozitesi çok fazla

artması, pompalama gücünün yükselmesi ve ısı taşınım katsayısının azalması

nedenlerinden dolayı bu sıcaklıkların altındaki çalışma şartları genel olarak pratik

değildir.

Birçok glikol katkılı eriyikler, galvanizli çelik dışındaki standart malzemeler

ile rahatlıkla kullanılabilir. Çinkonun glikol ile reaksiyona girmesi nedeniyle

galvanize malzemeler ile kullanılması önerilmez. Eriyikte oluşan çamur ve tortuların

uzaklaştırılması önemli bir problemdir, bu nedenle sistemde filtre kullanılmalıdır.

Glikol katkılı eriyikler, kararlı ve yüksek parlama noktaları ile izafi olarak

korozif olmayan maddelerdir. Bu akışkanlar, yumuşak, çelik veya alüminyum

kaplarda depolanabilir. Bununla beraber, alüminyum kaplar akışkanın 66 oC

sıcaklığının altındaki değerlerde kullanılmamalıdır. Kapların buharlaşma hacmindeki

korozyon, bir problem olabilir. Çünkü korozyon önleyiciler, bu hacimlerdeki

yüzeylere ulaşamayabilir ve bu yüzeyleri korozyona karşı korumayabilir. Bu

problemi çözmek için bu yüzeyler uygun bir malzeme ile kaplanabilir. Uygun

kaplama malzemeleri olarak; novolak esaslı vinylester reçineler, yüksek sıcaklıkta

pişirilmiş fonelik reçineler, polipropilen ve polivinilflorid sayılabilir.

Glikol katkılı eriyik sisteme yüklenmeden önce, devredeki çamur, tortu,

salamura ve yağ gibi birikintilerden temizlenmelidir. Bu temizlemede kuvvetli asit

temizleyicilerden sakınılmalıdır, eğer gerekiyorsa asitli katkılar göz önüne

alınmalıdır. Glikollü eriyik sisteme yüklenmeden önce , temizleme sıvıları tamamen

boşaltılmalıdır. Çeşitli kaynaklardan sağlanan suyun içinde bulunabilen bazı

elemanların glikol katkılı salamuraların etkinliğini azaltması nedeniyle, bu

devrelerde arıtılmış suyun veya yoğuşma suyunun kullanılması uygundur.

42

II.5.7 Alternatif Soğutucu Akışkanlar

19. yüzyılın ikinci yarısından itibaren soğutma sanayisinde başlangıçta

karbondioksit, hava, su ve amonyak gibi doğal maddeler soğutucu akışkan olarak

kullanılmıştır. Zamanla yapay olarak elde edilen kloroflorokarbon ve

hidrokloroflorokarbonlar bu maddelerin yerini almış ve yoğun şekilde kullanılmıştır.

Ozonu olumsuz yönde etkilediği belirlenen ve düşük buharlaştırıcı

sıcaklılarında yaygın olarak kullanılan soğutuculardan birisi de R-502’dir. 1980’li

yıllardan itibaren ozon tahribatı özelliği olmayan alternatif soğutucu akışkan

arayışına girilmiş ve R-507, R-502’ye alternatif olarak önerilmiştir. Ozon

tabakasında meydana gelen incelme veya parçalanmaları önlemek için, soğutma

sistemlerinde kullanılacak zararsız alternatif soğutucu akışkanlar biliniyor olmakla

birlikte yeni maddelerin araştırılmasına devam edilmektedir. Alternatif maddelerin

başında R-134A, R-404A, R-407A, R-410A ile doğal maddelerden hidrokarbonlar

(propan, bütan) ve amonyak gelmektedir. Yeni imal edilecek ticari soğutucuların bu

alternatif soğutucu akışkanlar için tasarlanmalıdır.

II.5.7.1 R-134A Soğutucu Akışkanının Özellikleri

R-134A (CF2CH2F) soğutucu akışkanı; saf bir soğurucudur, dolayısıyla tek

bir bileşimden oluşmuştur ve bir fazdan diğerine (örneğin sıvıdan buhara) geçişlerde

sıcaklık değişimleri oluşmaz. R-134A’nın fiziksel özellikleri R-12’nin fiziksel

özelliklerine çok yakındır. Halen ozon tüketme katsayısı 0 olan ve diğer özellikleri

açısından en uygun soğutucu madde olarak önerilmektedir. Araç soğutucuları ve ev

tipi soğutucular için en uygun alternatif olarak bilinmektedir.

R-134A soğutucu akışkanı daha önce R-12 soğutucu akışkanını kullanmış

olan büyük soğutma sistemlerinde kullanılabilir. R-134A, yatırım masrafları makul

olan ve soğurucu cihazlarda fazla değişiklik gerektirmeden kullanılması mümkün

olan bir alternatif soğutucu akışkandır. Düşük sıcaklık için çift kademeli sıkıştırma

gerektirebilmektedir.[1]

II.5.8 Bir Soğutucu Akışkandan Beklenen Özellikler

• Soğutucu akışkanlarda yüksek gizli ısı istenir. Buna bağlı olarak kompresör

ve buharlaştırıcı küçülecek, dolayısıyla otomatik kontrol teçhizatları

ucuzlayacaktır. Bu özellik aynı zamanda sistemin etkinliğini de artırır.

43

• Uygun buharlaşma basıncı ve hacmi istenir. Yüksek basınçta buhar hacmi

düşük, düşük basınçta ise büyüktür. Her ikisinin de uygun değerlerde olması

istenir. Akışkanın normal atmosfer basıncında kaynama sıcaklığı çok yüksek

ise normal soğutma sıcaklıklarında buharlaştırmak için çok düşük basınç

gerektirir. Bu olay vakum oluşturur ve eğer kırık veya çatlak oluşursa sisteme

hava girer ve içindeki su buharı donarak borularda tıkanma olmasına neden

olur.

• Düşük yoğuşma basıncı istenir. Kompresörde sıkışıp basıncı artan buharı

soğutarak sıvı hale dönüştürmek için uygun soğutma ortamı gerekir. Pratik

olarak su ve hava kullanılır. Basınç ne kadar düşük olursa tesisat o kadar ucuz

olur, basıncın artmasıyla malzeme et kalınlığı da artar.

• Yüksek kritik basınç ve sıcaklığı istenir. Buharı sıkıştırmak için gerekli

basınç ne kadar düşük ise kompresör gücü de o kadar düşük olur.

• Düşük donma sıcaklığı istenir. Akışkan donma sıcaklığının düşük olmasıyla

olağan dışı durumlarda dizayn yapılması gerektiğinde geniş basınç

aralıklarında ısı pompasının çalışması sağlanabilir.

• Yağlama yağı üzerinde fazla etkili olmamalıdır. Kimyasal etki yapmamalıdır.

Yağın incelmesi sistemdeki parçalar için zararlıdır. Akışkan yağda erirse yağ

incelir. Bazen de yağın tümü eriyerek akışkanla sürüklenir ve kompresör

tamamen yağsız kalır. Genel olarak bir miktar yağ akışkanla sistem içine

yayılır, bu yağın tekrar kompresör emme tarafına gitmesi gerekir. Elimizde

kullanacağımız uygun akışkan yoksa, yağla eriyen akışkanı kullanmak

zorunda isek yüksek akışkan hızı seçmek gerekir.

• Yüksek ısı geçirgenliğine sahip olması istenir. Böylece sistemin mahal ve

çevrede oluşan değişik sıcaklık koşullarına karşı tepkisi daha seri olacaktır.

Ayrıca soğutucu akışkanın bu özelliğe sahip olması ısı transfer yüzeylerinin

küçülmesini sağlar.

• Küçük viskozite istenir. Akışkanın hem sıvı hem de su buharı halindeki

viskozitesi düşük olmalıdır. Viskozitesi büyük olan akışkanların

basınçlandırılması için gerekli olan enerji miktarı daha azdır.

• Elektrik iletkenliğinin olmaması istenir. Ayrıca yanıcı, zehirli ve tahriş edici

olmamalıdır. Tamir sırasında borularda mutlaka bir miktar akışkan bulunur.

44

• Ucuz ve saf olmalıdır. Su ile karıştığında asit etkisi yapmamalıdır. Ozon

tabakasına zararlı olmamalıdır. Sera etkisine sebep olmamalıdır. [4]

II.6 Toprak Kaynaklı Isı Pompası Tipleri

Toprak kaynaklı ısı pompaları, toprağın kullanıldığı sistemlerin yer sularının

ve bir ısı kaynağı olarak yüzey sularının çeşitleri için tümü dahil bir terim olarak

kullanılmaktadır. Pazar veya kuruluş ihtiyaçlarının çeşitliliğini karşılaştırmak için

kullanılan bir çok paralel terimler; örneğin Jeotermal ısı pompaları (JIP), yer enerji

sistemleri ve toprak kaynaklı sistemler bulunmaktadır. Bununla birlikte ASHRAE

(1995), standart bir adlandırma şekli olması bakımından üç grupta toplamıştır.

1. Kapalı serpantin toprak kaynaklı ısı pompaları

2. Yer altı suyu ısı pompaları

3. Yüzey suları ısı pompaları

II.6.1 Toprak Isı Değiştirici Tipleri

Toprak ısı değiştiricileri, yatay ve dikey olarak yerleştirilebilir. Dikey ısı

değiştiricileri yerlerine, delme makineleri ile yapılan kazı işlemi sonucu yerleştirilir.

Yatay sistem kurmak için de, bir veya birkaç hendek açılmalıdır.

Kapalı devre toprak ısı değiştiricileri, salamuranın akış yollarına göre paralel

veya seri tipte olabilir. Seri tipte tek bir akış yolu mevcuttur. Paralel tipte ise birkaç

akış yolu vardır.

45

Şekil II.24 Yatay Toprak Isı Değiştiricisi [15]

Şekil II.25 Dikey Toprak Isı Değiştiricisi [15]

46

Dikey ısı değiştiricisinin genellikle yatay ısı değiştiricisine göre bazı

avantajları vardır, çünkü dikey tiplerde boruların büyük bölümü toprağın düşük ısıl

direnç gösteren bölümündedir. Yer altı sularının hareketleri ısı değiştiricisinin iyilik

derecesini yükseltir. Ancak dönüş ve besleme borularını aynı deliğe yerleştirme

zorunluluğu da, ısı geçişi bakımından kısa devreye sebebiyet vereceğinden, dikey

tiplerin yerleştirilmesinde bu noktaya dikkat edilmelidir. Borular arasındaki ısı

geçişi, ısı değiştiricisi iyilik derecesinin düşmesine sebep olur ve bu etki delik boyu

ile birlikte artar.

Diğer yandan yatay ısı değiştiricisinin iyilik derecesi, ısıtma ve soğutma

mevsimleri boyunca yağmur, kar gibi yüzey olayları nedeniyle ve ısı değiştiricisinin

yüzeye yakınlığıyla doğru orantılıdır.

II.6.1.1 Yatay Toprak Isı Değiştiricileri

Yatay sistemler tek bir hendek veya birbirlerine yakın hendekler içine, bir

veya birden fazla borunun yerleştirilmesiyle oluşturulur. Isı değiştiricisinin iyilik

derecesi borular arasındaki mesafeye bağlıdır.

Yatay ısı değiştiricileri, salamuranın akış yönüne göre seri ve paralel olarak

sınıflandırılır. Bununla beraber toplam hendek uzunluğunu kısaltmak amacıyla tek

bir hendek içerisine birkaç boru yerleştirilebilir. Hendeklerin genişliği 0,6-0,9 m

civarındadır. Borular, yüzey şartlarında en az düzeyde etkilenmeleri amacıyla,

genellikle 0,5 - 2,5 m derinlikte döşenirler. Bu mesafe arttıkça, ısı değiştiricisinin

iyilik derecesi gerek toprak sıcaklıklarının daha uygun olması, gerekse boruların

yüzey şartlarından daha az etkilenmesi sebebiyle artar. Ancak hafriyat masrafları da

artacağından gömme derinliğine ekonomik analiz sonucu karar verilmelidir. Şayet

tek bir hendek içerisine birkaç kat boru döşenecekse borular arası kot farkı genellikle

0,3 - 0,5 m olmalıdır. [9]

Borular döşendikten sonra, dikkat edilecek bir başka husus da, toprak ve boru

arasındaki ısı geçişini iyileştirmek amacıyla hendekten çıkarılan toprağın yerine

yerleştirilirken yoğunluğunu artırmak için sıkıştırılması gerekir. Yatay toprak ısı

değiştiricilerinde, 700 m boru boyu 2 inch boru çapı ve 1 l/s akışkan debisi

kullanılabilir üst sınır değer olarak kabul edilir.

47

Şekil II.26 Seri ve Paralel Akışlı Yatay Yer Isı Değiştiricileri

II.6.1.2 Dikey Toprak Isı Değiştiricileri

Dikey toprak ısı değiştiricileri yerleştirme şekilleri, kesit geometrilerine göre

U-tüp, bölünmüş tüp ve eş eksenli tüp olarak sınıflandırılabilir. U-tüp boru çapları, ¾

inch ile 2 inch arasındadır. Isı değiştiricisi derinliği, basınç düşmesi ve ısı geçişi göz

önüne alınarak boru çaplarına göre 15-185 m arasında değişir.

Şekil II.27 Kesit Geometrilerine Göre Dikey Yer Isı Değiştiricileri

Yer ısı değiştiricili ısı pompası sistemlerinin tasarımında, ısı değiştiricisinin

döşenmesi gereken alanın azaltılmasının bir amaç olduğu düşünülürse, dikey yer ısı

değiştiricili ısı pompası sistemlerinin diğer sistemlerden en büyük avantajı ortaya

çıkar. En az boruya ihtiyaç duyma, pompalama enerji ihtiyacının diğer sistemlere

nazaran daha az olması, tüm sistemler içinde en az yüzey alanına ihtiyaç duyan

48

sistem olması, toprak sıcaklığının mevsimlik değişimlerinden etkilenmemesi dikey

toprak ısı değiştiricilerinin diğer avantajlarıdır. Delme makineleri ve ekipmanları

gerektirmesi, delme işleminin hendek açma işleminden pahalı olması dikey ısı

değiştiricilerin dezavantajlarındandır.[7]

II.7 Toprak Kaynaklı Isı Pompasının Avantajları ve

Dezavantajları

II.7.1 Avantajları

Yüksek Etkinlik ve Kararlı Kapasite

Toprak kaynaklı ısı pompaları uygun bir şekilde tasarlandığı zaman,

alışagelmiş hava kaynaklı ısı pompası ve fosil yakıtlı düzeneklerden daha fazla

yüksek bir etki katsayısıyla ve ekonomik olarak işletil. Çevrim sıcaklıkları dış hava

sıcaklıklarıyla çok az değişir. Bu yüzden kapasitesi kararlıdır.

Konfor ve Hava Kalitesi

Toprak kaynaklı ısı pompaları, gizli soğutma kapasitesini içermeden, yüksek

etki katsayısı sağlarlar. Yüksek etki katsayısı, kompresörün basma basıncının emme

basıncına oranının azaltılmasıyla elde edilmektedir. Dış hava sıcaklığı, basma

basıncının daha düşük limitini gösterdiği için bazı imalatçılar etkinliği yükseltmek

için emme basıncını artırırlar. Bu, konfor ve iç hava kalitesi sorunlarını bir bütün

haline getiren zayıf nem almaya yol açar.

Basit Kontroller ve Ekipman

Karmaşık kontroller, konforu ve kısmi yükteki etkinliği sağlamak için gerekli

değildir. Toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin giderini düşürmek için pahalı ve

özel cihazların kullanılmaması önerilir. Hava debisi, sabit hacimde olup; merkezi

kontrol sadece su pompasındaki isteğe bağlı değişken hızlı sürücüdedir.

Düşük Bakım Gideri

Toprak kaynaklı ısı pompaları, dış ünite olmadan kurulabilirler. Tüm ısı

pompası ekipmanı iç ünite şeklindedir. Ekipmanda, alışılagelmiş ekipmanlarda

ortaya çıkan yüksek ve düşük soğutucu akışkan basınçlarıyla karşılaşılmaz.

49

Düşük Giderli Su Isıtması

Çoğu ticari yapıda soğutma sistemiyle alınan, iç yüklerden ortaya çıkan atık

ısı söz konusudur. Bu atık ısı, su ısıtma ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılabilir.

Bu, seçilen ısı pompalarındaki ısı geri kazanım serpantinleriyle veya bu amaçla

kullanılan su-su ısı pompalarıyla gerçekleştirilebilir.

Dış Ünite Ekipmanı Gerektirmemesi

Çoğu toprak kaynaklı ısı pompalarında göze hoş görünmeyen dış ünite

gerekli değildir. Böylece, diğer kullanımlar için boş alan sağlanır ve dış üniteyle

oluşabilecek emniyet sorunları ile olası zararlar ortadan kaldırılır.

Çevre Dostu

EPA raporuna göre, toprak kaynaklı ısı pompaları , “analiz edilen tüm

teknolojilerin en düşük CO2 emisyonları ve en düşük toplam çevre giderleri” olarak

tanıtılmaktadır. İyi tasarlanan ve kurulan toprak kaynaklı ısı pompalarının

etkinliğinin artması, gerekli olan enerji miktarını azaltır. Böylece bundan

kaynaklanan kirleticiler ve diğer emisyonlar azaltılır.

Tasarım Esnekliği

Toprak kaynaklı ısı pompaları önemli ölçüde esneklik sağlar. Çünkü değişik

boyut ve yerleşim şekillerinde tasarlanabilir. Isı pompaları, çatı arası boşluğa veya

küçük mekanik odalara konulabilir.

Mükemmel Ömür Gideri

Toprak kaynaklı ısı pompalarının ilk yatırım maliyeti yüksek olmasına

rağmen, yapım-kullanım ömrü gider hesabı yapıldığı zaman toprak kaynaklı ısı

pompalarını belirgin olarak öncü kılan üç karakteristik ortaya çıkar: enerji

giderlerinin düşük olması, bakım giderlerinin düşüklüğü ve ekipman ömrünün

uzatılması.

II.7.2 Dezavantajları

İlk Yatırım Maliyetinin Yüksek Olması

Yatırım gideri daima standart merkezi ekipmanın giderinin iki katıdır.

50

Nitelikli Tasarımcı Sayısının Sınırlı Olması

HVAC tasarımcıları daralan konstrüksiyon bütçeleri, artan standart istemleri

ve giderek çoğalan yasal sorumluluklar arasında sıkışmış durumdadır. Genellikle

yapmak istedikleri son şey yeni bir şey denemektir.[10]

51

BÖLÜM III

TEZ ÇALIŞMASI

III.1 TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI

SİSTEMLERİNDE EKSERJİ ANALİZİ

Bu kısımda toprak kaynaklı bir ısı pompası sisteminin ekserji

(kullanılabilirlik) analizi yapılmıştır. Ayrıca, maddenin bir özelliği olan

kullanılabilirlik ele alınmadan önce tersinir iş, faydalı iş, maksimum faydalı iş

konuları açıklanmıştır.

III.1.1 Tersinir İş ve Tersinmezlik

Her gerçek işlemde tersinmezliğe sebep olan faktörler bulunur ve bundan dolayı da

entropi artışı görülür. Tersinir işi elde edebilmek için, gerçek hal değişimine

benzeyen, fakat bütün işlemlerin tersinir olduğu ideal bir hal değişimi göz önüne

alınır.

Şekil III.1 Sistemin Gerçek Hal Değişimi ve Tersinir Hal Değişimi

52

)QQ(),WW( sis,trsis,tr δ≠δδ≠δ

Termodinamiğin I. Kanunu sisteme, tersinir ısı makinesi ve tersinir ısı pompasına

ayrı ayrı uygulandığında,

dEQW sis,trsis,tr −δ=δ III.1

−δ=δ

K

0c

T

T1QW III.2

−δ−=δ−

T

T1QW 0

sis,trp III.3

Bunlar taraf tarafa toplandığında,

sis,tr0

K

0tr Q

T

TdE

T

T1QW δ+−

−δ=δ III.4

bulunur. dST

Q sis,tr=

δ ise

Denklemlerdeki To çevre sıcaklığını, TK ısı kaynağı sıcaklığını ifade etmektedir.

dSTdET

T1QW 0

K

0tr +−

−δ=δ III.5

Bir hal değişimi için,

)STE()STE(T

T1QW 202101

K

012tr12 −−−+

−= olur. III.6

Tersinmezlik (irreversibility), tersinir iş ile gerçek işlemdeki işin farkıdır.

net0

K

0tr dSTT

QdSTWWdI =

δ−=δ−δ= III.7

Tersinmezlik, bütün işlemlerdeki net entropi değişiminin çevre sıcaklığı ile

çarpımına eşit olmaktadır. Net entropi değişimi daima pozitif (veya tersinir işlemler

için sıfır) olduğuna göre tersinmezlik de daima pozitiftir.

Açık sistem için, benzer şekilde hareket edilerek tersinir işin,

53

( ) ( )( )∫ ∫ −ρ+ρ−−ρ−

−=

V A

010

K

0A

.

tr

.

dAn.VsTvedVsTedt

d

T

T1QW III.8

olduğu görülmektedir. S.A.S.A. için;

∑∑

++−−

++−+

−= ç

2ç

ç0çç

.

g

2g

g0gg

.

K

0A

.

tr

.

zg2

VsThmzg

2

VsThm

T

T1QW III.9

ve bir girişli bir çıkışlı SASA için;

( ) ( ) ( )çg

2ç

2g

ç0çg0g

K

0Atr zzg

2

VVsThsTh

T

T1qw −+

−+−−−+

−= III.10

kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek, DADA için;

( ) ( ) ( ) ( )∑ ∑ −−−+−−−+

−= ç0ççg0gg20221011

K

0Atr sThmsThmsTumsTum

T

T1QW

III.11 Açık sistem için tersinmezlik;

( )net

0

V A K

.

A0A

.

tr

.

dt

dST

T

QdAn.VsdVs

dt

dTWWI

=

−ρ+ρ=−= ∫ ∫ III.12

SASA için;

−−= ∑ ∑

K

.

Agg

.

çç

.

0

.

T

QsmsmTI III.13

DADA için;

( )

−−+−= ∑ ∑

K

.

Agg

.

çç

.

A11220T

QsmsmsmsmTI III.14

elde edilir. Burada 0K TT ≠ ’dır.

54

Eğer 0K TT = ise tersinir iş denklemlerindeki ısı geçişi terimleri sıfır olur. Sistem

veya açık sistem birden fazla ısı kaynağı ile ısı alışverişinde bulunursa, bu takdirde

ısı geçişi ile ilgili terimler toplam şeklinde gelir.

III.1.2 Faydalı İş ve Faydalı Tersinir İş

Bir sistemin veya açık sistemin hareketli sınır işinin bir kısmı civara karşı

yapıldığından, yapılan işten çıkarılarak faydalı iş bulunur. Çevre basıncına karşı

yapılan iş tersinir işten çıkarılırsa faydalı tersinir iş elde edilir.

a)Sistem için;

( )12012fay12 VVPWW −−= III.15

( ) ( )2020210101

K

012faytr12 STVPESTVPE

T

T1QW −+−−++

−= III.16

b)Açık sistem için;

.

0Afay,A

.

dt

dVPWW

−= III.17

( ) ( ) ( )∫ ∫ −+ρ−−+ρ−

−=

V A

000

.

K

0Afay,Atr

.

dAn.VsTPvedVsTvPedt

d

T

T1QW III.18

III.1.3 Maksimum Faydalı (Tersinir) İş – Kullanılabilir

Enerji (Ekserji)

Sistemin çevresi ile dengeli bulunduğu (basıncın P0 çevre basıncı, sıcaklığın T0 çevre

sıcaklığı, kinetik enerjisinin sıfır ve potansiyel enerjisinin minimum olduğu ve

sistemin çevrenin konsantrasyonunda veya bir referans konsantrasyonunda

bulunduğu) ve hiç iş elde edilemeyecek hale ölü hal denir.

Sistem, verilen bir halden ölü hale gelinceye kadar bütün işlemlerin tersinir bir

şekilde gerçekleştirildiği ve ısı alışverişinin yalnız çevre ile (bir tersinir ısı makinesi

vasıtasıyla) olduğu bir hal değişiminde sistemden alınan maksimum faydalı (tersinir)

işe sistemin kullanılabilir enerjisi denir. [11]

55

( ) ( ) ( )çg

2ç

2g

ç0çg0g

K

0Atr zzg

2

VVsThsTh

T

T1qw −+

−+−−−+

−= denkleminde

0K TT = ,

ilk hal indissiz olarak ve son hal de ‘0’ indisi ile (ölü halde) alınarak sistemin

kullanılabilir enerjisi (ekserjisi);

( )

−++−−+= 0

2

000 zzg2

VmGSTVPUx III.19

şeklinde olur. G0 = U0 + P0V0 - T0S0 III.20 sistemin ölü haldeki Gibbs fonksiyonudur. Burada kinetik ve potansiyel enerjiler

(mekanik enerji) hariç tutularak elde edilen,

000 G -ST - VP UK +=

000 g- sT- vP u k += III.21

000 gsTvPuk −−+=

çevre şartlarına bağlı olarak maddenin özelliği elde edilir. Buna kullanılabilirlik

denilir.

( ) ( ) ( )çg

2ç

2g

ç0çg0g

K

0Atr zzg

2

VVsThsTh

T

T1qw −+

−+−−−+

−= denkleminden,

( )

−+

−+−+

−= 21

22

21

21

K

012fay,tr12 zzg

2

VVmKK

T

T1QW III.22

bulunur.

( )net

0

V A K

.

A0A

.

tr

.

dt

dST

T

QdAn.VsdVs

dt

dTWWI

=

−ρ+ρ=−= ∫ ∫ denkleminden,

süreklilik denklemi ( )

=ρ+ρ∫ ∫

V A

0dAn.VdVdt

d, 0000 sThg −= ile çarpılıp

eklenerek,

( )∫ ∫ρ−ρ−

−=

V A

a

K

0A

.

fay,Atr

.

dAn.VxdVxdt

d

T

T1QW III.23

denklemi elde edilir.

56

( ) ( )0

2

000a zzg2

VgsThvPPXX −++−−=−+= III.24

akış hali için kullanılabilir enerji ve

( ) 000a gsThvPPkk −−=−+= III.25

akış hali için kullanılabilirlik adını alır. Kabul edilen bir referans hal için (T0 = 25 oC, P0 =100 kPa) kullanılabilirlik ve akış

hali için kullanılabilirlik değerleri verilir.

III.1.4 Kullanılabilir Enerji Denklemi

Sistemin herhangi bir sonsuz küçük hal değişimini yukarıdaki şeklin a kısmı göz

önüne alındığında, sistem tarafından yapılan faydalı iş

∑∑

++−−

++−+

−= ç

2ç

ç0çç

.

g

2g

g0gg

.

K

0A

.

tr

.

zg2

VsThmzg

2

VsThm

T

T1QW

denkleminden;

dVPWW 0fay −δ=δ III.26

şeklinde yazılır ve birinci kanunda yerine konulduğunda;

( )VPEdQW 0fay +−δ=δ III.27

elde edilir.Bu son denkleme T0dS ve QT

T

K

0 δ

eklenip ve çıkarıldığında, sistem

için;

( )

δ−−−+−

−δ=δ

K

000

K

0fay

T

QdSTSTVPEd

T

T1QW III.28

kullanılabilir enerji denklemi bulunur. Sistemin veya açık sistemin yaptığı faydalı

hareketli sınır işi, dönen mil işi ve elektrik işi kullanılabilir iş (enerji)’dir (Civara

karşı yapılan hareketli sınır işi hariç).

Verilen TK sıcaklığındaki bir ısı kaynağından alınan ısıdan elde edilebilecek

maksimum iş, T0 sıcaklığındaki civar ile ısı kaynağı arasında Carnot çevrimine göre

çalışan ısı makinesinden elde edilebilecek işi;

QT

T1QdX c

K

0Q δη=

−δ= III.29

57

ısının kullanılabilir enerjisidir. Ayrıca sistemin kullanılabilir enerjisinden III.13 ve

sistemin net entropi değişiminden faydalanarak III-22 kullanılabilir enerji denklemi;

net0QWfay dSTdXdXdXW −−==δ III.30

şeklini alır.Bu son denklemdeki;

kynet0 dXdIdST == III.31

kayıp kullanılabilir enerji olduğu, III-16 denkleminden yararlanılarak yazılan;

dXQWW cfay,trfay −δη=δ≤δ III.32

eşitliği ile mukayesesinden görülmektedir. Buna göre III-24 denklemi sistemin bir

hal değişimi için yazılırsa;

ky12WQ XXXXX1212

+−=− III.33

denklemi bulunur.Burada;

12cQ QX12

η= : Isının kullanılabilir enerjisi,

fay,12W WX12

= : Faydalı iş III-9,

21 X,X : Sistemin ilk ve son hallerdeki kullanılabilir enerjisi,

kyX : Kayıp kullanılabilir enerji.

Açık sistem için benzer şekilde;

fay,Atr

.

fay,A

.

WW ≤ III.34 eşitsizliğini, III-17 denkleminden de yararlanarak;

( )dt

dXdAn.VXXdV

dt

dQW

ky

A

A

V

A

.

cfay,A

.

−ρ−ρ−η= ∫∫ III.35

eşitliği şeklinde, kullanılabilir enerjinin bir andaki kaybını göz önüne alarak yazmak

mümkündür. Bu denklem açık sistem için kullanılabilir enerji denkleminin integral

şeklidir. Bu denklemdeki bir andaki kayıp kullanılabilir enerjinin=tersinmezlik;

( ).

net

0

V K

.

A

A

0

kyI

dt

dST

T

QdAn.VsdVs

dt

dT

dt

dX=

=

−ρ+ρ= ∫ ∫ III.36

olduğu gösterilir.

58

Kullanılabilir enerji denklemi SASA için;

ky

.

açç

.

agg

.

A

.

cfay

.

XXmXmQW −−+η= ∑∑ III.37

ve DADA için kinetik ve potansiyel enerjileri ihmal edilerek;

( ) ∑ ∑ −−+−+η= kyaççagg2211Acfay XkmkmkmkmQW III.38

şeklinde yazılır.[12]

III.1.5 İkinci Kanun Verimi İkinci kanun analizi ile, kullanılabilir enerji kavramından yararlanarak işlemin ne

derece iyi ve mükemmele yakın olduğu incelenebilir. Kayıp kullanılabilir enerji

tersinmezliğin bir ölçüsüdür ve işlemlerdeki tersinmezlikler arttıkça artar. İkinci yasa

verimini tanımlamaktaki amaç, tersinir hal değişimlerine hangi ölçüde yaklaşıldığını

belirtmektir. Bu bakımdan ikinci yasa veriminin değeri en kötü durumda sıfır, en iyi

durumda bir olacaktır. Buna göre ikinci kanun verimi (tesirlilik):

III.39 veya

III.40 şekillerinde tarif edilir.[13] Bir hal değişimi sırasında bir sistemden elde edilebilecek en çok yararlı iş, tersinir iş

olarak adlandırılır. Eğer son hal çevre koşulları ise, tersinir iş en büyük değere ulaşır

ve kullanılabilirlik adını alır. Bir hal değişiminde tersinir işle yararlı iş arasındaki

fark, tersinmezlik olarak tanımlanır.

59

III.2. Teorik Uygulama Ve Analiz

Bu çalışmada, İstanbul’da toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemi tasarlanmış ve

sistemi oluşturan ana elemanlar olan kompresör, evaporatör, kısılma vanası ve

kondensere ayrı ayrı ekserji analizi uygulanmıştır. Isı pompasının kullanıldığı

mahaldeki ısı kaybı, daha önce yapılmış bir projeden alınarak 5,355 kW olarak kabul

edilmiştir. İstanbul için kış mevsiminde dış ortam sıcaklığı 3 oC olarak kabul edilip,

sistemde kullanılacak kompresör verimi % 90 ve pompa verimi % 85 olarak

alınmıştır. Kış mevsimi için İstanbuldaki toprak sıcaklığı 10 oC olarak kabul

edilmiştir. Yaz mevsimi için toprak sıcaklığı 20 oC ve dış hava sıcaklığı 33 oC kabul

edilerek hesaplamalar yapılmıştır. Isı pompasında soğutucu akışkan olarak R-134a

kullanılmıştır. Toprak altı tesisatta ısı taşıyıcı akışkan sudur.

60

Şekil III.2 Kış Durumu

61

KIŞ DURUMU - Isı Pompası Hesabı

Isıtılacak mahalin ısı ihtiyacı daha önce yapılmış bir ısıtma projesinden alınarak,

.

Q = 5,355 kW olarak kabul edilmiştir.

'2 noktası 2 noktasının Cp’si yani 1016,4 kPa ve 46 oC için Cp = 1,08956 kJ/kg.K olarak . tablodan interpolasyonla hesaplanmıştır. Kompresör verimi % 90 ve Pompa verimi % 85 kabul edilmiştir. -wk = Cp.(T2 –T1) /ηks = Cp .( T '2 – T1 ) formülünde veriler yerine konulduğunda = 1,08956. ( 46 - 0 ) / 0,90 = 1,08956. ( T '2 – 0 ) -wk = 55,6886 kJ / kg T '2 = 51,109 oC bulunur.

'2 noktası T '2 = 51,109 oC P '2 =1016,4 kPa olduğu bilinmektedir. Tablolardan; h '2 =281,307 kJ/kg s '2 =0,9462 kJ/kg.K olarak elde edilir.

Isıtılacak mekan kondenserden verilen ısıyla ısıtılacağına ve .

Q = -5,355 kW kabul edildiğine göre

Buradan .

Q = Rm.

-134a . (h3 – h '2 )

-5,355 = Rm.

-134a . ( 106,19 – 281,307 )

Rm.

-134a = 0,03057955 kg/s bulunur.

62

KOMPRESÖR: Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P1 = 292,82 kPa P '2 = 1016,4 kPa To = 25 oC T1 = 0 oC T '2 = 51,109 oC ho = 274,38 kJ/kg h1 = 247,23 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ / kg So = 1,097 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3/kg v1 = 0,0689 m3/kg v '2 = 0,02184 m3/kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

)( 12

.

12

.

12

.

''' hhmWQ R −=−

)hh(mw.mQ 12a134R

.

ka134R

.

12

.

'' −=− −−

'12

.

Q - 0,03057955 . ( -55,6886 ) = 0,03057955. ( 281,307 – 247,23 )

'12

.

Q = -0,660873 kW ( Dışarıya Isı Kaçmaktadır )

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

ç

12

.

12a134R

.

net

.

T

Q)ss(.mS

'

' −−=∆ − Tç = Tk = 3 0C = 276,15 K

netS.

∆ = 0,03057955 . ( 0,9462 – 0,9190 ) – (-0,660873) / ( 276,15)

netS.

∆ = 0,0032249305 kW / K Tersinmezlik I = T0 x ∆Snet= 298,15 x (0,0032249305) = 0,961513033 kW Akış hali için Kullanılabilirlik ka = h – T0.s – ρ0 = h – T0.s – [ u0 + P0.v0 – T0.s0 ] ↓ h0

ka = (h-h0) – T0 . (s-s0)

63

k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg k '2 = (h '2 - h0)–T0 . (s '2 - s0)=(281,307 – 274,38 )– 298.15.(0,9462 - 1,097) = 51,88802 kJ / kg Kullanılabilir enerji denklemi ( S.A.S.A ) için

kyaççaggACfay mmQW.....

... χχχη −Σ−Σ+=

Rçg mmm...

== ; ka134R

.

12

..

fay

.

w.mWWW ' −===

'12

..

QQ A = ; 1kag =χ ; '2kaç=χ

K

cT

T01−=η

ky

.

'21a134R

.

12

.

K

0Ka134R

.

)kk(.mQ.)T

T1(w.m ' χ−−+−= −−

Ka134R

.

21a134R

.

12

.

K

0ky

.

w.m)kk(.mQ.)T

T1( '' −− −−+−=χ

)6886,55(.03057955,0

)88802,519207,25(.03057955,0)660873,0(.)15,276

15,2981(

.

−−

−+−−=kyχ

.

ky

.

IkW961513035,0 ==χ

II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji

ε =

Ka134R

.

1a134R

.

ky

.

w.mk.m1

−− +

χ−

ε = 1 – 0,961513035 / ( 0,03057955 . 25,9207 ) + ( 0,03057955 . 55,6886) ε = 0,614712931

64

EVAPORATÖR Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P4 = 292,82 kPa P1 = 292,82 kPa To = 25 oC T4 = 0 oC T1 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg h1 =247,23 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 /kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

.

Q evaporatör = Rm.

-134a . (h1 – h4) = 0,03057955 . ( 247,23 – 106,19) = 4,312939732 kW Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a . (s1-s4) – ( eQ.

/Tk)

= 0,03057955 .(0,9190 –0,399 )–( 4,312939732 / 276,15) = 2,832608687 .10-4 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (2,832608687 .10-4 ) = 0,084454228 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38 ) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

eQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.

-134a .(k1 – k4) + ky

.

χ

4,312939732. [ 1 – (298,15/276,15)] = 0,03057955 . (25,9207 – 39,9187) + Xky

ky

.

χ = 0,084454228 kW =

.

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε = [ ]K0e

.

4a134R

.

ky

.

T/T1.Qk.m1

−+

χ−

−

65

ε =

−+

−

15,276

15,2981.312939732,4)9187,39.03057955,0(

084454228,01

ε = 0,946011288

66

KISILMA VANASI Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P3 = 1016,4 kPa P4 = 292,82 kPa To = 25 oC T3 = 40 oC T4 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

.

Q kısılma = Rm.

-134a . (h4 – h3) = 0 kW Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a. (s4-s3) – ( kQ.

/Tk)

= 0,03057955. (0,399 – 0,3866 ) – 0 = 3,7918642 x 10-4 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (3,7918642 x 10-4) = 0,1130544 kW / K Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,3866 - 1,097) = 43,61576 kJ /kg k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

kQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.

-134a.(k4 – k3) + ky

.

χ

0 = 0,03057955. (39,9187 – 43,61576) + ky

.

χ

ky

.

χ = 0,1130544 kW / K = .

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε =

3a134R

.

ky

.

k.m1

−

χ− =

67

915235708,061576,43.03057955,0

1130544,01 =−

68

KONDANSER Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P '2 = 1016,4 kPa P3 = 1016,4 kPa To = 25 oC T '2 = 51,109 oC T3 = 40 oC ho = 274,38 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

.

Q kondanser = Rm.

-134a . (h3 – h '2 ) = 0,03057955. ( 106,19 – 281,307 ) = - 5,355 kW

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a . (s3-s '2 ) – ( kQ.

/Tk)

= 0,03057955. (0,3866 – 0,9462 ) – ( -5,355/ 276,15 ) = 0,0022793188 kW/ K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (0,0022793188) = 0,6795789 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k '2 = (h '2 -h0) – T0 . (s '2 -s0) = (281,307–274,38) – 298.15 . (0,9462 -1,097) = 51,88802 kJ/kg k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,3866 - 1,097) = 43,615 kJ/kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

kQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.

-134a.(k3 – k '2 ) + ky

.

χ

(- 5,355 ) . [ 1 – (298,15/276,15)] = 0,03057955. ( 43,615 – 51,88802 ) + ky

.

χ

ky

.

χ = 0,679601197 kW = .

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε = '2

a134R

.

ky

.

k.m1

−

χ−

69

ε = 571692236,088802,51.03057955,0

679601197,01 =−

70

Toprak Isı Değiştiricisi Hesabı

Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği 1,5 m olarak seçilmiştir. Bu derinlikteki

minimum ve maksimum toprak sıcaklıkları Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri

Enstitüsü’nde Timur Diz tarafından hazırlanmış “Minimum Enerjili Bina Tasarımı”

adlı yüksek lisans tezinden Tmax= 21,71 oC ve Tmin=9,99 oC olarak alınmıştır. Kış

durumunda toprak sıcaklığı 10 oC olarak kabul edilmiştir. Isı taşıyıcı akışkanın

toprak ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 2 oC olarak kabul edilmiştir. Çıkış sıcaklığı da

5 oC olarak hesaplanmıştır.

Sabit Yüzey Sıcaklığı Kabulüyle Toprak Isı Değiştiricisi Uzunluğu Hesabı

Sabit yüzey sıcaklığı kabulüne ait teorik alt yapı Jaeger ve Carslaw’un

çalışmalarından elde edilmiştir. Toprağın başlangıç sıcaklığından T∆ kadar düşük

veya yüksek sıcaklıkta tutulan uzun bir boruda birim boyda transfer olan ısı miktarı

'Q ve ısı akısı w, zamana bağlı olarak aşağıdaki ifadelerle bulunur (Ingersoll ve

Plass,1955).

)z(F.T.kQ t' ∆=

r..2

)z(F.T.kw t

π

∆=

)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q sutoprakttz −=∆=

r..2

)z(F.T.k.15459,3q t

π

∆=

∫∞ β−

β

β

β+βπ=→=

020

20

z2

t

d.

)(Y)(j

e8)z(Fr/taz

2

Burada;

at : Toprağın ısıl difüzivite katsayısı (fph)

t : Zaman (h)

kt : Toprağın ısıl iletkenlik değeri (fph)

71

T∆ : Başlangıçtaki toprak sıcaklığı ile yüzey sıcaklığı arasındaki fark (F)

'Q : Birim boru boyu için transfer olan ısı miktarı [btu /(ft.h)]

zQ : Birim boru boyu için transfer olan ısı miktarı (W/m)

w : Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı [btu /(ft2.h)]

q : Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı (W/m2)

r : Borunun yarıçapı (ft)

olmaktadır.

Sabit yüzey sıcaklığı teorisinde aşağıdaki kabuller yapılmıştır.

1.Toprak özellikleri üniform ve sabittir.

2.Hesap yapılan zaman aralığında birim boydaki ısı geçişi sabit değildir.

3.Borunun yüzey sıcaklığı sabit bir değerde tutulmaktadır.

Hesapların kolaylaştırılması amacıyla uzun integral işlemleri uğraşmak yerine z’ye

bağlı olarak elde edilen F(z) değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo 3.1 F(z) integralleri (Ingersoll ve Plass, 1955)

72

Tablo 3.2 Değişik toprak tiplerinin fph biriminde fiziksel özellikleri (Plass,

1955)

fph Malzeme

k c ρ a

% 43 sulu kalkerli

toprak 0,41 0,53 104 0,007

Kuartzlı, orta derece iyi,

kuru kum 0,15 0,19 103 0,008

Kuartzlı kum(%8,3

nemli) 0,34 0,24 109 0,013

%15 nemli kumlu kil 0,53 0,33 111 0,014

Kuru toprak 0,1-0,2 - - 0,008-0,012

Nemli toprak 0,8-2,0 - - 0,02-0,04

Çamur 0,5 0,6 94 0,009

Tablodan yararlanarak İstanbul için toprağın ısıl difüzivite katsayısı ve ısı iletim

katsayıları sırasıyla at=0,0261 fph ve kt=1,2 fph olarak bulunur. Tezdeki hesaplar

nemli toprak özelliklerine göre yapılmıştır.

Toprak ısı değiştiricisinde 1 inch’lik boru tercih edilmiştir.

Borunun yarıçapı; r =(d/2).(1/12) = (1/2).(1/12)=0,0417 ft’dir. İntegrasyon sabiti

hesaplanırken t = 24 saat alınmıştır. Verilen değerler yerine konularak

integrasyon sabiti

z = at t / r2 = (0,0261 . 24) / 0,04172 =366,38 olarak bulunur.

İntegrasyon sabiti z =366,38 için F(z) integralinin değeri Çizelge 3.1’den

yararlanarak F(z)=1,7988 bulunur. Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı

)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q sutoprakttz −=∆= denkleminden

yararlanarak

m/W604,167988,1.)8(.2,1.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q tz ==∆= olarak

bulunur.

73

Birim yüzey alanından transfer olan ısı miktarı ise r..2

)z(F.T.k.15459,3q t

π

∆=

denklemine verilerin girilmesi ile;

2t m/W0124,2080417,0..2

268,17.15459,3

r..2

)z(F.T.k.15459,3q =

π=

π

∆=

Düşük sıcaklıklarda suyun yoğunluğu ρ =1000 kg/m3’tür. Boru içerisindeki suyun

akış hızı 0,5 m/s olsun. 1 inch’lik borunun iç çapı ise 1,075 inch olduğuna göre boru

sistemindeki suyun kütlesel debisi,

.bulunurolaraks/kg293,05,0.4

)0254,0.075,1.(.1000u.

4

d..u.A.m

22

=π

=π

ρ=ρ=

Suyun özgül ısınma ısısı, suyun termofiziksel özellikleri tablosundan cp = 4,198

kJ/kg olarak okunur. Suyun boru sisteminden çıkması gereken su sıcaklığı;

50,5198,4.293,0

312939732,42

c.m

QTT

p

gç =+=+= oC olarak hesaplanır.

Boru başlangıç ve sonunda, birim boy boruya transfer olan ısı miktarı şu şekilde

bulunur.

7988,1).210.(2,1.961519,0

)(.)(..961519,0)(...961519,01

−=

−=∆= zFTTkzFTkQ sutoprakttz

m/W60397,16Q 1z =

7988,1).50,510.(2,1.961519,0

)(.)(..961519,0)(...961519,02

−=

−=∆= zFTTkzFTkQ sutoprakttz

m/W33973,9Q 2z =

Gerekli olan boru boyu L;

m48,3322/)33973,960397,16(

939732,4312

2/)QQ(

QL

2z1z

=+

=+

=

74

Basınç Kaybı Hesabı

Lineer yük kaybı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.

g.2

u.

d

L.)m(KaybıYük

2

λ=

Burada λ lineer yük kayıp katsayısıdır ve akışın türüne göre belirlenir. Bir ortamdaki

akışın türü boyutsuz Reynold sayısı ile belirlenir.

1239,894610x52,1

)0254,0.075,1(.50,0.016,996d.V.Re

3s

==µ

ρ=

−

Suyun fiziksel özellikleri tablosundan;

Suyun viskozitesi : 1,52 x 10-3 N.s/m2

Suyun özgül ağırlığı : 9,81 kN/m3 olarak okunur.

2320<Re<100000 olduğundan akış türbülanslıdır. Akışın türbülanslı olduğu durumda

λ şu şekilde bulunur.

032492,01239,8946

316,0

Re

316,044

===λ

Toprak ısı değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğu daha önce 332,48 m olarak

bulunmuştur. Boru içerisindeki suyun akış hızı 0,5 m/s olarak kabul edilmiştir. λ

değeri de yerine konulduğunda;

m041279,581,9.2

5,0.

)0254,0.075,1(

48,332.032492,0)m(KaybıYük

2

== olarak bulunur.

Bulunan değer suyun özgül ağırlığı ile çarpıldığıında basınç kaybı kPa cinsinden elde

edilir. Basınç kaybı hesabında lokal kayıplar ihmal edilip, toprak altı boru sistemi

düz kabul edilerek hesaplamalar yapılmıştır.

5,041279 x 9,81 = 49,45 kPa

Isı taşıyıcı akışkanın evaporatörden çıkış basıncı 292,82 kPa idi. Toprak ısı

değiştiricisinde 49,45 kPa basınç kaybıyla 6 Noktasına gelerek, 6 Noktasındaki

basınç 243,37 kPa olarak elde edilir.

75

Pompa – Kış Durumu – Toprak Isı Değiştiricisi

Pompa verimi %85 kabul edilmiştir. ηp = 0,85 izantropik verim )0Q( p

.

≅

5 –Evaporatör çıkışı– su P5 = 292,82 kPa T5 = 2 0C Sıkıştırılmış sıvı 2 0C için v5 = vs = 0,001 m3 / kg h5 = hs = 8,37278 kJ / kg s5 = ss = 0,03034849 kJ / kg.oK 6 – Pompa girişi –su P6 = 243,37 kPa T6 = 5,50 oC Sıkıştırılmış sıvı 5,50 0C için h6 = hs =23,08 kJ/kg s6 = ss = 0,0836 kJ/kg oK v6 = vs = 0,001 m3/kg 7 – Evaporatör Girişi (pompa çıkışı)– Su P5 = P7 = 292,82 kPa olarak seçilmiştir (kaçak olmaması için). T7 = 5,50 0C h7 = 23,1381 kJ/kg v7 = 0,001 m3/kg s7 = 0,08485 kJ/kg K Pompa için Termodinamiğin I. Kanunu -wp ≅ v6.(P7-P6) / pµ =h7-h6

-wp ≅ 0,001.(292,82-243,37)/0,85=h7-23,08

-wp ≅ 0,058176 kJ/kg , h7=23,1381 kJ/kg Ölü Hal Po = 100 kPa To = 25 oC ho = 104,77 kJ/kg v0 = 0,0010029 m3 / kg so = 0,367 kJ/kg.K

76

Evaporatör için enerji dengesi yazıldığında

7su

.

1a134R

.

5su

.

4a134R

.

h.mh.mh.mh.m +=+ −−

)hh(.m)hh(.m 57su

.

14a134R

.

−=−−

sum.

= a134R

.

m − . ( h4 – h1) / ( h7 – h5 )

sum.

= 0,03057955 . ( 106,19 – 247,23 ) / ( 23,1381 – 8,37278 )

sum.

= 0,293 kg / s (toprak ısı değiştiricisinde dolaştırılması gereken su debisi)

pW.

= sum.

. wp = ( 0,293 ) . (-0,058176 ) = -0,017045 kW (pompada harcanan güç) Pompa için Ter. II Kanunu Uygulandığında Pompa çıkışı P7 = 292,82 kPa T7 = 5,50 0C Sıkıştırılmış sıvı S7 = 0,08485 kJ/kg.K

netS.

∆ = sum.

. (s7-s6) – ( pQ.

/Tç) ( pQ.

/Tç) = 0

netS.

∆ = 0,293 . ( 0,08485 – 0,0836 ) – 0

netS.

∆ = 0,00036625 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (0,00036625) = 0,109197437 kW Akış Hali İçin Kullanılabilirlik ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k6 = (h6-h0) – T0 . (s6-s0) = ( 23,08 – 104,77 ) – 298.15 . (0,0836 – 0,367 )=2,80571 kJ /kg k7 = (h7-h0)–T0.(s7-s0)=(23,1381–104,77)–298.15.(0,08485–0,367) =2,4911225 kJ /kg

77

Kullanılabilir Enerji Denklemi

kyaççaggACfay mmQW.....

... χχχη −Σ−Σ+=

pfay WW..

=

p

.

67su

..

ky W)kk(.m −−=χ

ky

.

χ = 0,293 . (2,80571 - 2,4911225) + 0,017045

ky

.

χ = 0,109219137 kW ≅.

Ι

Kayıp Kullanılabilir Enerji ≅ Tersinmezlik II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji

ε = p

.

6su

.

ky

.

Wk.m

1

+

χ−

ε = 86984,0017045,080571,2.293,0

109219137,01 =

+−

Kış Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin Isıtma Tesir Katsayısı

pk WW

Q

..

.

'

+

=β = 017045,07027,1

355,5

+

'β = 3,113833

78

Kış Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin İkinci Yasa Verimi-Tersinirlik

tr'

'

β

βε =

trpompatrkomp

trkondanser

tr

WW

Q

,

.

,

.

,

.

'

+

=β

pompakypompakompkykomp

kondanserkykondanser

tr

XWXW

XQ

....

..

'

+++

−

=β

109219137,0017045,0961513033,0702932328,1

679601197,0355,5'

+−+−

−−=trβ

294795545,9649245158,0

034601197,6' ==trβ

335,0294795845,9

113833,3==ε

79

Şekil III.3 Yaz Durumu

80

YAZ DURUMU – Isı Pompası Hesabı

'2 noktası 2 noktasının Cp si yani 1016,4 kPa ve 46 oC için Cp = 1,08956 kJ/kg.K bulunmuştur. tablodan interpolasyonla hesaplanmıştır. Kompresör verimi % 90 ve Pompa verimi % 85 kabul edilmiştir.. -wk = Cp.(T2 –T1) /ηks = Cp .( T '2 – T1 ) formülünde yerine konulduğunda = 1,08956. ( 46 - 0 ) / 0,90 = 1,08956. ( T '2 – 0 ) -wk = 55,6886 kJ / kg T '2 = 51,109 oC bulunur.

'2 noktası T '2 = 51,109 oC P '2 =1016,4 kPa olduğu bilinmektedir. Tablolardan; h '2 =281,307 kJ/kg s '2 =0,9462 kJ/kg.K olarak okunur.

.

Q = Rm.

-134a . (h3 – h '2 )

-5,355 = Rm.

-134a . ( 106,19 – 281,307 )

Rm.

-134a = 0,03057955 kg/s bulunur.

81

YAZ DURUMU – Isı Pompası Hesabı KOMPRESÖR: Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P1 = 292,82 kPa P '2 = 1016,4 kPa To = 25 oC T1 = 0 oC T '2 = 51,109 oC ho = 274,38 kJ/kg h1 = 247,23 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ / kg So = 1,097 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3/kg v1 = 0,0689 m3/kg v '2 = 0,02184 m3/kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

)hh(mWQ 12a134R

.

12

.

12

.

''' −=− −

)hh(mw.mQ 12a134R

.

ka134R

.

12

.

'' −=− −−

'12

.

Q - 0,03057955 . ( -55,6886 ) = 0,03057955. ( 281,307 – 247,23 )

'12

.

Q = -0,660873 kW ( Dışarıya Isı Kaçıyor )

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

ç

12

.

12a134R

.

net

.

T

Q)ss(.mS

'

' −−=∆ − Tç = Tk = 33 0C = 306,15 K

netS.

∆ = 0,03057955 . ( 0,9462 – 0,9190 ) – (-0,660873) / ( 306,15)

netS.

∆ = 0,0029904212 kW / K Tersinmezlik I = T0 x ∆Snet= 298,15 x (0,0029904212) = 0,891594104 kW Akış hali için Kullanılabilirlik ka = h – T0.s – ρ0 = h – T0.s – [ u0 + P0.v0 – T0.s0 ] ↓ h0

82

ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg k '2 = (h '2 - h0)–T0 . (s '2 - s0)=(281,307 – 274,38 )– 298.15.(0,9462 - 1,097) = 51,88802 kJ / kg Kullanılabilir enerji denklemi ( S.A.S.A ) için

kyaççaggACfay mmQW.....

... χχχη −Σ−Σ+=

a134R

.

ç

.

g

.

mmm −== ; ka134R

.

12

..

fay

.

w.mWWW ' −===

'12

..

QQ A = ; 1kag =χ ; '2kaç=χ

K

cT

T01−=η

ky

.

'21a134R

.

12

.

K

0Ka134R

.

)kk(.mQ.)T

T1(w.m ' χ−−+−= −−

Ka134R

.

21a134R

.

12

.

K

0ky

.

w.m)kk(.mQ.)T

T1( '' −− −−+−=χ

)6886,55(.03057955,0)88802,519207,25(.03057955,0)660873,0(.)15,306

15,2981(

.

−−−+−−=kyχ

..

891594108,0 IkWky ==χ

II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji

ε =

Ka134R

.

1a134R

.

ky

.

w.mk.m

1

−− +

χ−

ε = 1 – 0,891594108 / ( 0,03057955 . 25,9207 ) + ( 0,03057955 . 55,6886) ε = 0,642730

83

EVAPORATÖR Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P4 = 292,82 kPa P1 = 292,82 kPa To = 25 oC T4 = 0 oC T1 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg h1 =247,23 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K s1 = 0,9190 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 /kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

.

Q evaporatör = Rm.

-134a . (h1 – h4) = 0,03057955 . ( 247,23 – 106,19) = 4,312939732 kW

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a . (s1-s4) – ( eQ.

/Tk)

= 0,03057955 .(0,9190 –0,399 )–( 4,312939732 / 306,15) = 1,813697432 .10-3 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (1,813697432 .10-3 ) = 0,540753989 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg k1 = (h1-h0) – T0 . (s1-s0) = (247,23 – 274,38 ) – 298.15 . (0,9190 - 1,097) = 25,9207 kJ/ kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

eQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.

-134a .(k1 – k4) + ky

.

χ

4,312939732. [ 1 – (298,15/306,15)] = 0,03057955 . (25,9207 – 39,9187) + Xky

ky

.

χ = 0,540753889 kW =

.

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε = [ ]KeaR

ky

TTQkm /1..1

0

.

4134

.

.

−+

−

−

χ

84

ε =

−+

−

15,306

15,2981.312939732,4)9187,39.03057955,0(

540753889,01

ε = 0,936662364

85

KISILMA VANASI Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P3 = 1016,4 kPa P4 = 292,82 kPa To = 25 oC T3 = 40 oC T4 = 0 oC ho = 274,38 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg h4 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K s4 = 0,399 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında

.

Q kısılma = Rm.

-134a . (h4 – h3) = 0 kW

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a. (s4-s3) – ( kQ.

/Tk)

= 0,03057955. (0,399 – 0,3866 ) – 0 = 3,7918642 x 10-4 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (3,7918642 x 10-4) = 0,1130544 kW / K Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38) – 298.15 . (0,3866 - 1,097) = 43,61576 kJ /kg k4 = (h4-h0) – T0 . (s4-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,399 - 1,097) = 39,9187 kJ /kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

kQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = Rm.

-134a.(k4 – k3) + ky

.

χ

0 = 0,03057955. (39,9187 – 43,61576) + ky

.

χ

ky

.

χ = 0,1130544 kW / K = .

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε =

3a134R

.

ky

.

k.m1

−

χ− =

86

915235708,061576,43.03057955,0

1130544,01 =−

87

KONDANSER Ölü Hal Giriş Değerleri Çıkış Değerleri Po = 100 kPa P '2 = 1016,4 kPa P3 = 1016,4 kPa To = 25 oC T '2 = 51,109 oC T3 = 40 oC ho = 274,38 kJ/kg h '2 = 281,307 kJ/kg h3 = 106,19 kJ/kg so = 1,097 kJ/kg.K s '2 = 0,9462 kJ/kg.K s3 = 0,3866 kJ/kg.K v0 = 0,237825 m3 / kg Termodinamiğin I. Kanunu uygulandığında,

.

Q kondanser = Rm.

-134a . (h3 – h '2 ) = 0,03057955. ( 106,19 – 281,307 ) = - 5,355 kW

Termodinamiğin II. Kanunu uygulandığında,

netS.

∆ = Rm.

-134a . (s3-s '2 ) – ( kQ.

/Tk)

= 0,03057955. (0,3866 – 0,9462 ) – ( -5,355/ 306,15 ) = 0,0003791095917 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (0,0003791095917) = 0,113031524 kW Akış Kullanılabilirliği ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k '2 = (h '2 -h0) – T0 . (s '2 -s0) = (281,307–274,38) – 298.15 . (0,9462 -1,097) = 51,88802 kJ/kg k3 = (h3-h0) – T0 . (s3-s0) = ( 106,19 – 274,38 ) – 298.15 . ( 0,3866 - 1,097) = 43,615 kJ/kg Kayıp Kullanılabilir Enerji

kQ.

. [ 1 – (T0/Tk) ] = a134R

.

m − .(k3 – k '2 ) + ky

.

χ

(- 5,355 ) . [ 1 – (298,15 / 306,15)] = 0,03057955. ( 43,615 – 51,88802 ) + ky

.

χ

ky

.

χ = 0,113053822 kW = .

Ι

II. Yasa Verimi – Tersinirlik

ε = '2

a134R

.

ky

.

k.m1

−

χ−

88

= 928749641,088802,51.03057955,0

113053822,01 =−

89

Yaz Durumu - Toprak Isı Değiştiricisi Hesabı

Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği yaz durumunda da 1,5 m olarak kabul

edilmiştir. Bu derinlikteki minimum ve maksimum toprak sıcaklıkları Yıldız Teknik

Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde Timur Diz tarafından hazırlanmış

“Minimum Enerjili Bina Tasarımı” adlı yüksek lisans tezinden Tmax= 21,71 oC ve

Tmin=9,99 oC olarak alınmıştır. Yaz durumunda toprak sıcaklığı 20 oC olarak kabul

edilmiştir. Isı taşıyıcı akışkanın toprak ısı değiştiricisine giriş sıcaklığı 30 oC olarak

kabul edilmiştir. Çıkış sıcaklığı da 25,646 oC olarak hesaplanmıştır.

Sabit Yüzey Sıcaklığı Kabulüyle Toprak Isı Değiştiricisi Uzunluğu Hesabı

Toprağın başlangıç sıcaklığından T∆ kadar düşük veya yüksek sıcaklıkta tutulan

uzun bir boruda birim boyda transfer olan ısı miktarı 'Q ve ısı akısı w, zamana bağlı

olarak aşağıdaki ifadelerle bulunur (Ingersoll ve Plass,1955).

Yaz durumunda da kış durumunda kullanılan formüller ve çizelgelerden

yararlanılmıştır. Çizelge 3.2’den yararlanarak İstanbul için toprağın ısıl difüzivite

katsayısı ve ısı iletim katsayıları sırasıyla at=0,0261 fph ve kt=1,2 fph olarak bulunur.

Tezimizdeki hesaplar nemli toprak özelliklerine göre yapılmıştır.

Toprak ısı değiştiricisinde 1 inch’lik boru tercih edilmiştir.

Borunun yarıçapı; r =(d/2).(1/12) = (1/2).(1/12)=0,0417 ft’dir. İntegrasyon sabiti

hesaplanırken t = 24 saat alınmıştır. Verilen değerler yerine konularak

integrasyon sabiti

z = at t / r2 = (0,0261 . 24) / 0,04172 =366,38 olarak bulunur.

İntegrasyon sabiti z =366,38 için F(z) integralinin değeri Çizelge 3.1’den

yararlanarak F(z)=1,7988 bulunur. Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı

)z(F.)TT(.k.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q topraksuttz −=∆= denkleminden

yararlanarak

m/W7549,207988,1.)10(.2,1.961519,0)z(F.T.k.961519,0Q tz ==∆= olarak

bulunur.

90

Birim yüzey alanından transfer olan ısı miktarı ise r..2

)z(F.T.k.15459,3q t

π

∆=

denklemine verilerin girilmesi ile;

2t m/W89,2590417,0..2

5856,21.15459,3

r..2

)z(F.T.k.15459,3q =

π=

π

∆=

Düşük sıcaklıklarda suyun yoğunluğu ρ =1000 kg/m3’tür. Boru içerisindeki suyun

akış hızı 0,5 m/s olsun. 1 inch’lik borunun iç çapı ise 1,075 inch olduğuna göre boru

sistemindeki suyun kütlesel debisi,

.bulunurolaraks/kg293,05,0.4

)0254,0.075,1.(.1000u.

4

d..u.A.m

22

=π

=π

ρ=ρ=

Suyun özgül ısınma ısısı, suyun termofiziksel özellikleri tablosundan cp = 4,198

kj/kg olarak okunur. Suyun boru sisteminden çıkması gereken su sıcaklığı;

646,25198,4.293,0

355,530

c.m

QTT

p

gç =−=−= oC olarak hesaplanır.

Boru başlangıç ve sonunda, birim boy boruya transfer olan ısı miktarı şu şekilde

bulunur.

7988,1).2030.(2,1.961519,0

)(.)(..961519,0)(...961519,01

−=

−=∆= zFTTkzFTkQ topraksuttz

m/W7549,20Q 1z =

7988,1).20646,25.(2,1.961519,0

)(.)(..961519,0)(...961519,02

−=

−=∆= zFTTkzFTkQ topraksuttz

m/W718,11Q 2z =

91

Basınç Kaybı Hesabı

Lineer yük kaybı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.

g.2

u.

d

L.)m(KaybıYük

2

λ=

Burada λ lineer yük kayıp katsayısıdır ve akışın türüne göre belirlenir. Bir ortamdaki

akışın türü boyutsuz Reynold sayısı ile belirlenir.

1239,894610x52,1

)0254,0.075,1(.50,0.016,996d.V.Re

3s

==µ

ρ=

−

Suyun fiziksel özellikleri tablosundan;

Suyun viskozitesi : 1,52 x 10-3 N.s/m2

Suyun özgül ağırlığı : 9,81 kN/m3 olarak okunur.

2320<Re<100000 olduğundan akış türbülanslıdır. Akışın türbülanslı olduğu durumda

λ şu şekilde bulunur.

032492,01239,8946

316,0

Re

316,044

===λ

Toprak ısı değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğu daha önce 332,48 m olarak

bulunmuştur. Boru içerisindeki suyun akış hızı 0,5 m/s olarak kabul edilmiştir. λ

değeri de yerine konulduğunda;

mmKaybıYük 04128,581,9.2

5,0.

)0254,0.075,1(

48,332.032492,0)(

2

== olarak bulunur.

Bulunan değer suyun özgül ağırlığı ile çarpıldığında basınç kaybı kPa cinsinden elde

edilir. Hesaplamalarda toprak altı boru tesisatı düz olarak kabul edilip, lokal kayıplar

ihmal edilmiştir.

5,04128 x 9,81 = 49,45495 kPa

Isı taşıyıcı akışkanın evaporatörden çıkış basıncı 1016,4 kPa idi. Toprak ısı

değiştiricisinde 49,45495 kPa basınç kaybıyla 6 Noktasına gelerek, 6 Noktasındaki

basınç 966,94 kPa olarak bulunur.

92

Pompa – Yaz Durumu – Toprak Isı Değiştiricisi

Pompa verimi %85 kabul edilmiştir. ηp = 0,85 izantropik verim )0Q( p

.

≅

5 –Kondenser çıkışı– su P5 = 1016,4 kPa T5 = 30 0C Sıkıştırılmış sıvı 30 0C için v5 = vs = 0,001004 m3 / kg h5 = hs = 125,79 kJ / kg s5 = ss = 0,4369 kJ / kg.oK 6 – Pompa girişi –su P6 = 966,94 kPa T6 = 25,646 oC Sıkıştırılmış sıvı 25,646 0C için h6 = hs =107,59 kJ/kg s6 = ss = 0,3763 kJ/kg oK v6 = vs = 0,001003 m3/kg 7 – Kondenser Girişi (pompa çıkışı)– Su P5 = P7 = 1016,4 kPa olarak seçilmiştir (kaçak olmaması için). T7 = 25,646 0C h7 = 107,647 kJ/kg v7 = 0,001003 m3/kg s7 = 0,376492668 kJ/kg K Pompa için Termodinamiğin I. Kanunu -wp ≅ v6.(P7-P6) / pµ =h7-h6

-wp ≅ 0,001003.(1016,4-966,94)/0,85=h7-107,59

-wp ≅ 0,05836 kJ/kg , h7=107,647 kJ/kg Ölü Hal Po = 100 kPa To = 25 oC ho = 104,77 kJ/kg v0 = 0,0010029 m3 / kg so = 0,367 kJ/kg.K

93

Kondenser için enerji dengesi yazıldığında

7su

.

3a134R

.

5su

.

2a134R

.

h.mh.mh.mh.m ' +=+ −−

)hh(.m)hh(.m 57su

.

32a134R

.

' −=−−

sum.

= a134R

.

m − . ( h2’ – h3) / ( h7 – h5 )

sum.

= 0,03057955 . ( 281,307 – 106,19 ) / ( 107,647 – 125,79 )

sum.

= 0,295 kg / s (toprak ısı değiştiricisinde dolaştırılması gereken su debisi)

pW.

= sum.

. wp = ( 0,295 ) . ( -0,05836 ) = -0,017216 kW (pompada harcanan güç) Pompa için Termodinamiğin II Kanunu Uygulandığında Pompa çıkışı P7 = 1016,4 kPa T7 = 25,646 0C Sıkıştırılmış sıvı S7 = 0,376492668 kJ/kg.K

netS.

∆ = sum.

. (s7-s6) – ( pQ.

/Tç) ( pQ.

/Tç) = 0

netS.

∆ = 0,295 . ( 0,376492668 – 0,3763 ) – 0

netS.

∆ = 0,00005683706 kW / K Tersinmezlik .

Ι = T0 x netS.

∆ = 298,15 x (0,00005683706) = 0,016945 kW Akış Hali İçin Kullanılabilirlik ka = (h-h0) – T0 . (s-s0) k6 = (h6-h0) – T0 . (s6-s0) = ( 107,59 – 104,77 ) – 298.15 . (0,3763 – 0,367 ) = 0,047205 kJ /kg k7 = (h7-h0) – T0 . (s7-s0) = (107,647–104,77) – 298.15.( 0,376492668–0,367) = 0,046761036 kJ /kg

94

Kullanılabilir Enerji Denklemi

kyaççaggACfay mmQW.....

... χχχη −Σ−Σ+=

pfay WW..

=

p

.

67su

..

ky W)kk(.m −−=χ

ky

.

χ = 0,295 . (0,046761036 - 0,047205) + 0,017077

ky

.

χ = 0,016946 kW ≅.

Ι

Kayıp Kullanılabilir Enerji ≅ Tersinmezlik II. Yasa Verimi – Tersinirlik ε = 1 – Kayıp kullanılabilir enerji / Başlangıçta mevcut kullanılabilir enerji

ε = p

.

6su

.

ky

.

Wk.m1

+

χ−

ε = 453398478,0017077,0047205,0.295,0

016946,01 =

+−

Yaz Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin Soğutma Tesir Katsayısı

pk WW

Q

..

.

+

=β = 017216,07029,1

312939732,4

+

β = 2,507353

95

Yaz Durumu İçin Komple ( R- 134a + Su ) Sistemin II. Yasa Verimi-Tersinirlik

trβ

βε =

trpompatrkomp

trevaporatör

tr

WW

Q

,

.

,

.

,

.

+

=β

pompakypompakompkykomp

evaporatörkyevaporatör

tr

XWXW

XQ

,

..

,

..

,

..

+++

−

=β

016946,0017216,0891594108,070293228,1

540753889,0312939732,4

+−+−

−=trβ

647791845,4811608172,0

772185843,3==trβ

539,0647791845,4

507353,2==ε

96

BÖLÜM IV

SONUÇLAR Toprak kaynaklı ısı pompasını oluşturan elemanlara ayrı ayrı ekserji analizi

uygulandı ve şu sonuçlara varıldı.

Tablo IV.1 Kompresör giriş sıcaklığı değişiminin tesirliliğe etkisi

SICAKLIK (C) -4 -2 0 2 4

TESİRLİLİK 0,593 0,633 0,658 0,667 0,715

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

-4 -2 0 2 4

SICAKLIK

TE

SİR

LİLİK

Şekil IV.1. Kompresör giriş sıcaklığı değişiminin tesirliliğe etkisi

97

Kompresör tesirliliğini etkileyen etmenlerin başında soğutucu akışkanın kompresöre

giriş sıcaklığı gelmektedir. Şekil IV.1.’de kompresöre gelen soğutucu akışkanın

sıcaklığının, tesirlilik üzerindeki etkisi görülmektedir.

Tablo IV.2 Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliğinin toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğuna

etkisi

DERİNLİK (m) 1 1,3 1,5 1,8 2

TOPRAK SICAKLIĞI (C) 8,76 9,53 9,99 10,63 11,01

BORU UZUNLUĞU (m) 414 359 332 302 286

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 1,3 1,5 1,8 2

TOPRAK ISI DEĞİŞTİRİCİSİ GÖMME DERİNLİĞİ (m)

TO

PR

AK

IS

I D

EĞİŞ

TİRİCİSİ

BO

RU

UZ

UN

LUĞ

U (

m)

Şekil IV.2. Toprak ısı değiştiricisi gömme derinliğinin toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğuna

etkisi

Toprak ısı değiştiricisinin toprağa gömülme derinliği, toprak ısı

değiştiricisinde kullanılacak boru uzunluğunda belirleyici rol oynamaktadır. Tablo

IV.2’de derinliğe bağlı olarak toprak sıcaklıkları ve buna bağlı olarak da toprak ısı

değiştiricisinde kullanılacak boru boyları verilmiştir. Şekil IV.2.’den de anlaşılacağı

üzere boruların gömüldüğü derinlik arttıkça toprak sıcaklığı artmakta, buna bağlı

olarak da kullanılacak boru miktarında azalma olmaktadır. Şu da unutulmamalıdırki,

toprak ısı değiştiricisinin gömme derinliği arttıkça hafriyat masrafları ve dolayısıyla

ilk yatırım maliyeti yükselecektir. Literatürde optimum toprak ısı değiştiricisi

98

gömme derinliği 1,3-1,5 m olarak geçmektedir. Tez çalışmasında da toprak ısı

değiştiricisi gömme derinliği 1,5 m olarak alınmıştır.

TabloIV.3 Kompresör veriminin kompresör tesirliliğine etkisi

KOMPRESÖR VERİMİ 70% 75% 80% 85% 90%

TESİRLİLİK 0,531 0,553 0,574 0,595 0,614

0,48

0,5

0,52

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64

70% 75% 80% 85% 90%

KOMPRESÖR VERİMİ

TE

SİR

LİLİK

Şekil IV.3 Kompresör veriminin kompresör tesirliliğine etkisi

Şekil IV.3’te kompresör verimi ile kompresör tesirliliği arasındaki bağıntı

görülmektedir. Kompresör verimi, kompresör tesirliliğini doğru orantılı olarak

etkilemektedir.

TabloIV.4 Farklı dış sıcaklık değerleriyle kondanser tesirliliğinin değişimi

DIŞ SICAKLIK (C) 1 3 5 7 9

TESİRLİLİK 0,545 0,571 0,597 0,623 0,649

99

0,48

0,5

0,52

0,54

0,56

0,58

0,6

0,62

0,64

0,66

1 3 5 7 9

DIŞ SICAKLIK

TE

SİR

LİLİK

Şekil IV.4 Farklı dış sıcaklık değerleriyle kondanser tesirliliğinin değişimi

Şekil IV.4’te farklı dış ortam sıcaklıkları ile kondanser tesirliliğinin arasındaki ilişki

görülmektedir. Dış ortam sıcaklığı yükseldikçe kondanser tesirliliği artmaktadır.

100

BÖLÜM V

TARTIŞMA VE DEĞERLENDİRMELER

Bu çalışmada, toprak kaynaklı ısı pompasının çalışma prensibi, toprak

kaynaklı ısı pompasının elemanları, ekserji analizi konuları incelenerek; teorik olarak

toprak kaynaklı bir ısı pompası sistemi kurulup, sistemi oluşturan elemanlara ayrı

ayrı ekserji analizi uygulanmıştır.

Enerji sarfiyatının büyük bir kısmının ısıtma sistemlerinde kullanıldığı göz

önüne alındığında verimli, çevreye dost, düşük enerji sarfiyatıyla konfor sağlayan

cihazlar ön plana çıkmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompaları da bu alternatiflerden

biridir. Toprak kaynaklı ısı pompaları, toprağın derinlere inildikçe havaya göre

nispeten sabit sıcaklıkta kalması avantajını kullanarak, yaz aylarında soğutma kış

aylarında ısıtma yapan, elektrikle çalışan cihazlardır. Avrupa ülkelerinde oldukça

yaygınlaşan toprak kaynaklı ısı pompaları, ülkemiz için halen yeni bir teknolojidir.

İlk yatırım maliyetinin yüksek olması sistemin yaygınlaşmasının önündeki

engellerden biridir.

Ülkemizdeki enerji sıkıntısı yurt dışından ithal edilen enerji ile karşılanmaya

çalışılmaktadır. Türkiye ve enerji sıkıntısı çeken diğer ülkelerde, enerji maliyetlerinin

yüksek olması sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarının değerlendirilmesi

gerekmektedir. Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinin çevre kirliliğini

azaltmadaki rolü de göz önünde bulundurulmalıdır.

Toprak kaynaklı ısı pompası tasarımı yaparken verim açısından toprağın ısıl

iletkenliği, toprağın cinsi ve özellikleri iyi incelenmeli; kompresör, yoğuşturucu,

buharlaştırıcı ve diğer elemanlar kapasiteye uygun seçilmelidir. Optimum olmayan

101

her malzeme, hem maliyeti artırıcı etki yaratacak, hem de sistemin verimini olumsuz

yönde etkileyecektir.

Toprak kaynaklı ısı pompası sistemlerinde, toprak ısı değiştiricisi, maliyet

üzerinde önemli etkiye sahiptir. Toprak kaynaklı ısı pompalarının güneş enerjisi

destekli hale getirilmesi ile toprak ısı değiştiricisi uzunluğu azaltılabilir ve

dolayısıyla hafriyat maliyetleri azaltılmış olur.

Toprağın havaya oranla daha kararlı bir yapıda olması, ani sıcaklık

değişimlerinden etkilenmemesi, toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin performans

katsayısının kararlı bir yapıda olmasını sağlamaktadır. Hava kaynaklı ısı

pompalarında, havanın kararlı bir yapıda olmaması nedeniyle dış sıcaklığın değişimi

ile ısı pompası performans katsayısı da sürekli değişim göstermektedir.

Toprak kaynaklı ısı pompalarının ekserji analizi konulu bu çalışmada sistemi

oluşturan her bir parçanın tesirliliği hesaplandıktan sonra, parçaların tesirliliği

üzerine etki eden parametreler üzerinde (dış sıcaklık, soğutucu akışkan sıcaklığı,

toprak ısı değiştiricisi gömme derinliği vb.) değişiklikler yapılarak, farklı değerlerle

hesaplamalar yapılmış ve sonuçlar bölümünde tablo ve şekillerle ifade edilmiştir.

Bu çalışmanın bundan sonra yapılacak çalışmalar, araştırma ve geliştirmeler

için bir temel teşkil etmesi düşünülmektedir. Bu çalışmada ısı pompası soğutucu

akışkanı olarak R-134a kullanılarak hesaplamalar yapılmıştır. Farklı soğutucu

akışkanlar kullanılarak, sistemde ekserji analizi uygulanan parçaların tesirlilik

değerleri üzerindeki etkiler üzerine çalışmalar yapılabilir.

Sonuç olarak; toprak kaynaklı ısı pompalarının Avrupa ülkelerinde olduğu

gibi ülkemizde de yaygınlaşması için gerekli önem verilmeli, performans katsayısı

yükseltilip, maliyetler düşürülerek daha cazip hale getirilmesi sağlanmalıdır.

102

KAYNAKLAR

[1] Süzer, B.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Hava Kaynaklı Isı Pompasının

Tekno-ekonomik Açıdan Karşılaştırılması”, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2001).

[2] Çengel,Yunus.; Boles, Michael.: “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik”,

McGraw Hill-Literatür, Türkiye, (2000). [3] Erbil T.: “Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Hibrit Isı Pompası

Tesisinin Enerji ve Ekserji Analizinin Teorik ve Deneysel Olarak İncelenmesi” ,Yüksek Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2002).

[4] Diz, Timur.: “Minimum Enerjili Bina Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi , Yıldız

Teknik Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2001). [5] Esen, H.; İnallı, M.: “Yatay Isı Değiştiricili Toprak Kaynaklı Isı Pompasının

Performansının Deneysel Olarak İncelenmesi”, 1. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi, Denizli,Türkiye, Mayıs, (2003).

[6] Hancıoğlu E.: “Güneş Enerjisi Destekli Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Bir

Hacmin Isıtılması” Yüksek Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2000).

[7] Güven Ş.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının Diğer Sistemlerle

Karşılaştırılması” , Yüksek Lisans Tezi , Pamukkale Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli, Türkiye, (2002).

[8] Savaş A. F.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Konut Isıtılması” , Yüksek

Lisans Tezi , Dumlupınar Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, (1996). [9] Esen, H.: “ Toprak Kaynaklı Isı Pompası Performansına Etki Eden

Parametrelerin Araştırılması”, Yüksek Lisans Tezi , Fırat Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Türkiye, (2002).

[10] Ersöz, İ.: “Toprak Kaynaklı Isı Pompası İle Bir Hacmin Soğutulması”, Yüksek

Lisans Tezi , Ege Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Türkiye, (2000). [11] Yanma Ders Notları, Prof.Dr. A. Korhan Binark, (2004).

103

[12] Kılıçarslan, Y.: “Seramik Fabrikalarında Ekserji Analizi”, Yüksek Lisans Tezi ,

Marmara Üniv. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, (2004). [13] Öztürk, Aksel; Kılıç, Abdurrahman.: “Çözümlü Problemlerle Termodinamik”,

Çağlayan Basımevi, 3.Yayım (1993). [14] Binark A.K.: “Termodinamik-Isı Geçişi Tablolar Şekiller”, Genişletilmiş 4.

Baskı (2002). [15] Kruse, H.; Heidelck, R.: Heizen mit Wärmepumpen, Köln: TÜV-Verlag, Reihe

„BINE-Informationspakete“, 3. erweiterte Auflage Februar 2002

[16] http://www.yesilcizgi.com.tr/ip.htm (Erişim tarihi: Şubat 2006) [17] http://www.alperen.com.tr/kutuphane/toprak_su.htm (Erişim tarihi: Nisan

2005)

104

EKLER

105

Program MATLAB 6.5 versionunda yazılmıştır.

KIŞ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI DEĞİŞKEN TANIMLAMALARI

PROGRAM DEĞİŞKENİ

AÇIKLAMASI

To R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal sıcaklığı ho R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entalpisi so R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entropisi h1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entalpisi s1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entropisi h2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entalpisi s2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entropisi mr R-134a soğutucu akışkanı kütlesel debisi Tc Dış ortam sıcaklığı wk Kompresör işi

Snet Kompresördeki net entropi değişimi Qa Kompresörden kaçan ısı I Kompresör tersinmezliği

k1 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik k2 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik

Xky Kompresördeki kayıp kullanılabilir enerji E Kompresör tesirliliği h4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entalpisi s4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entropisi Qe Evaporatördeki ısı transferi

Snete Evaporatördeki net entropi değişimi Ie Evaporatör tersinmezliği k4 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik k1 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik

Xkye Evaporatördeki kayıp kullanılabilir enerji Ee Evaporatör Tesirliliği h3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entalpisi s3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entropisi

Qkis Kısılma vanasındaki ısı transferi Snetk Kısılma vanasındaki net entropi değişimi

Ik Kısılma vanası tersinmezliği k3 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik k4 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik

Xkyk Kısılma vanasındaki kayıp kullanılabilir enerji Ek Kısılma vanası tesirliliği h5 Su için evaporatör çıkış entalpisi s5 Su için evaporatör çıkış entropisi

Qkon Kondanserdeki ısı transferi Snetko Kondanserdeki net entropi değişimi

Iko Kondanser tersinmezliği k3 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik k2 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik

Xkyko Kondanserdeki kayıp kullanılabilir enerji Eko Kondanser tesirliliği

106

PROGRAM DEĞİŞKENİ

AÇIKLAMASI

Too Su için ölü hal sıcaklığı hoo Su için ölü hal entalpisi soo Su için ölü hal entropisi at Toprağın ısıl difüzivite katsayısı kt Toprağın ısıl iletkenlik değeri r Borunun yarıçapı t zaman

wp Pompa işi v6 Pompa girişinde suyun özgül hacmi p7 Pompa çıkışında suyun basıncı

itap Pompa verimi z İntegrasyon sabiti

Fz İntegral değeri Qz Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı q Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı g Yoğunluk U Suyun toprak ısı değiştiricisindeki hızı A Borunun alanı Cp Sabit basınçta suyun özgül ısısı Tg Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı Td Toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığı

Qza Toprak ısı değiştiricisi başlangıç noktasında birim boy boruya transfer olan ısı miktarı

Qzb Toprak ısı değiştiricisi sonunda birim boy boruya transfer olan ısı miktarı Q Topraktan çekilmesi gereken ısı miktarı L Toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu

Tsu2 Toprak ısı değiştiricisindeki suyun sıcaklığı Ttop Toprak sıcaklığı msu Suyun kütlesel debisi Wg Pompada harcanan güç B Kış durumu için sistemin ısıtma tesir katsayısı

Wk Kompresörde harcanan güç Snetc Pompada net entropi değişimi

Ic Pompa tersinmezliği k6 Pompaakış hali için kullanılabilirlik k7 Pompa akış hali için kullanılabilirlik

Xkyc Pompadaki kayıp kullanılabilir enerji Ec Pompa tesirliliği

107

KIŞ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI AKIŞ DİYAGRAMI

108

KIŞ DURUMU PROGRAMI

%-------------------------------------------------------------------------- % PROGRAM : TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI HESABI % % DEĞİŞKENLERİ TANIMLAMA : % To -- To % ho -- ho % so -- So % h1 -- h1 % s1 -- S1 % h2 -- h2 % s2 -- S2 % mr -- mr % Tc -- Tc % wk -- Wk % snet -- Snet % Qa -- Qa % I -- I % k1 -- k1 % k2 -- k2 % xky -- Xky % E -- e % h4 -- h4 % s4 -- S4 % Qe -- Qeve % snete -- snete % Ie -- Ie % k4 -- k4 % k1 -- k1 % xkye -- Xkye % Ee -- Ee % h3 -- h3 % s3 -- S3 % Qkis -- Qkis % snetk -- snetk % Ik -- Ik % k3 -- k3 % k4 -- k4 % xkyk -- Xkyk % Ek -- Ek % h2 -- h2 % s2 -- S2 % h5 -- h5 % s5 -- S5 % Qkon -- Qkon % snetko -- snetko % Iko -- Iko % k3 -- k3 % k2 -- k2 % xkyko -- Xkyko % Eko -- Eko % Too -- Too % hoo -- hoo % soo -- Soo % at -- at % kt -- kt % m -- m % r -- r

109

% d -- d % t -- t % wp -- wp % v6 -- v6 % p7 -- p6 % itap -- itap % z -- z % Fz -- Fz % Qz -- Qz % q -- q % g -- g % U -- V % r2 -- r2 % A -- A % del -- del % cp -- cp % Tg -- Tg % Td -- Td % Qza -- Qza % Qzb -- QZb % Q -- Q % L -- L % Tsu2 -- Tsu2 % Ttop -- Ttop % wp -- wp % msu -- msu % Wg -- Wg % B -- B % Wk -- Wk % Snetc -- Snetc % Ic -- Ic % k6 -- k6 % k7 -- k7 % xkyc -- xkyc % Ec -- Ec %-------------------------------------------------------------------------- To=input('R-134a için To degerini girin= '); ho=input('R-134a için ho degerini girin= '); so=input('R-134a için so degerini girin= '); h1=input('1 noktasındaki h1 degerini girin= '); s1=input('1 noktasındaki s1 degerini girin= '); h2=input('2 noktasındaki h2 degerini girin= '); s2=input('2 noktasındaki s2 degerini girin= '); h3=input('3 noktasındaki h3 degerini girin= '); s3=input('3 noktasındaki s3 degerini girin= '); h4=input('4 noktasındaki h4 degerini girin= '); s4=input('4 noktasındaki s4 degerini girin= '); Tc=input('Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= '); mr=input('m r-134a degerini girin= '); wk=input('wk degerini girin= '); hoo=input('su için ho degerini girin= '); soo=input('su için so degerini girin= '); h5=input('h5 degerini girin= '); s5=input('s5 degerini girin= '); p6=input('p6 degerini girin= '); h6=input('h6 degerini girin= '); s6=input('s6 degerini girin= '); v6=input('v6 degerini girin= '); p7=input('p7 degerini girin= ');

110

h7=input('h7 degerini girin= '); s7=input('s7 degerini girin= '); itap=input('pompanın verim degerini girin= '); g=input('Suyun yoğunluk degerini girin= '); U=input('toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= '); Ttop=input('toprak sıcaklığını girin= '); Tsu2=input('toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığını girin= '); Tg=input('Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= '); r=input('inch cinsinden r degerini girin= '); r2=input('ft cinsinden r degerini girin= '); at=input('at degerini girin= '); kt=input('kt degerini girin= '); t=input('t degerini girin= '); cp=input('cp degerini girin= '); Fz=input('Fz degerini girin= '); Wm=input('Wk degerini girin= '); Qa=mr*(h2-h1)+(mr*wk); snet=mr*(s2-s1)-Qa/Tc; I=To*snet; k1=(h1-ho)-To*(s1-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xky=(1-To/Tc)*Qa+mr*(k1-k2)-mr*wk; E=1-xky/(mr*k1+abs(mr*wk)); Qe=mr*(h1-h4); snete=mr*(s1-s4)-(Qe/Tc); Ie=To*snete; k4=(h4-ho)-To*(s4-so); k1=(h1-ho)-To*(s1-so); xkye=Qe*(1-(To/Tc))+mr*(k4-k1); Ee=1-xkye/(mr*k4+abs(Qe*(1-To/Tc))); Qkis=mr*(h4-h3); snetk=mr*(s4-s3)-(Qkis/Tc); Ik=To*snetk; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k4=(h4-ho)-To*(s4-so); xkyk=-mr*(k4-k3)+Qkis*(1-(To/Tc)); Ek=1-xkyk/(mr*k3); Qkon=mr*(h3-h2); snetko=mr*(s3-s2)-(Qkon/Tc); Iko=To*snetko; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xkyko=Qkon*(1-(To/Tc))-mr*(k3-k2); Eko=1-xkyko/(mr*k2); z=at*t/r2^2; Qz=0.9611519*kt*(Ttop-Tg)*Fz; q=3.154*17.268/(2*pi*r2); d=r*0.0254; A=pi*(d^2)/4; m=g*A*U; msu=mr*abs(h4-h1)/(h7-h5); Td=Tg+Qe/(msu*cp); Qza=0.961519*kt*(Ttop-Tg)*Fz; Qzb=0.961519*kt*(Ttop-Tsu2)*Fz; L=Qe*1000/((Qza+Qzb)/2); wp=-v6*(p7-p6)/itap Wg=msu*wp; B=abs(Qkon)/abs(Wm+Wg); Snetc=msu*(s7-s6); Ic=To*Snetc;

111

k6=(h6-hoo)-To*(s6-soo); k7=(h7-hoo)-To*(s7-soo); xkyc=msu*(k6-k7)-Wg; Ec=1-xkyc/(msu*k6+abs(Wg)); fprintf(' Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: %f\n', Qa); fprintf(' snet degeri: %f\n', snet); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', I); fprintf(' k1 degeri: %f\n', k1); fprintf(' k2 degeri: %f\n', k2); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xky); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', E); fprintf('Evaporatörün Q degeri: %f\n', Qe); fprintf('snet degeri: %f\n', snete); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Ie); fprintf('k4 degeri: %f\n', k4); fprintf('k1 degeri: %f\n', k1); fprintf('Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkye); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Ee); fprintf(' Kısılma vanası Q degeri: %f\n', Qkis); fprintf(' snet degeri: %f\n', snetk); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', Ik); fprintf(' k3 degeri: %f\n', k3); fprintf(' k4 degeri: %f\n', k4); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyk); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ek); fprintf('Qkondenser degeri: %f\n', Qkon); fprintf('kondenserdeki snet degeri: %f\n', snetko); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Iko); fprintf('k3 degeri: %f\n', k3); fprintf('k2 degeri: %f\n', k2); fprintf('kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyko); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Eko); fprintf(' toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: %f\n', L); fprintf(' ısıtma tesir katsayısı: %f\n', B); fprintf(' pompa Snetc degeri: %f\n', Snetc); fprintf(' pompa tersinmezlik degeri: %f\n', Ic); fprintf(' k6 degeri: %f\n', k6); fprintf(' k7 degeri: %f\n', k7); fprintf(' kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyc); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ec);

112

PROGRAM GİRİŞ DEĞERLERİ R-134a için To degerini girin= 298.15 R-134a için ho degerini girin= 274.38 R-134a için so degerini girin= 1.097 1 noktasındaki h1 degerini girin= 247.23 1 noktasındaki s1 degerini girin= 0.919 2 noktasındaki h2 degerini girin= 281.307 2 noktasındaki s2 degerini girin= 0.9462 3 noktasındaki h3 degerini girin= 106.19 3 noktasındaki s3 degerini girin= 0.3866 4 noktasındaki h4 degerini girin= 106.19 4 noktasındaki s4 degerini girin= 0.399 Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= 276.15 m r-134a degerini girin= 0.03057955 wk degerini girin= -55.6886 su için ho degerini girin= 104.77 su için so degerini girin= 0.367 h5 degerini girin= 8.37278 s5 degerini girin= 0.03034849 p6 degerini girin= 243.37 h6 degerini girin= 23.08 s6 degerini girin= 0.0836 v6 degerini girin= 0.001 p7 degerini girin= 292.82 h7 degerini girin= 23.1381 s7 degerini girin= 0.08485 pompanın verim degerini girin= 0.85 Suyun yoğunluk degerini girin= 1000 toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= 0.5 toprak sıcaklığını girin= 10 toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığını girin= 5.50 Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= 2 inch cinsinden r degerini girin= 1.075 ft cinsinden r degerini girin= 0.0417 at degerini girin= 0.0261 kt degerini girin= 1.2 t degerini girin= 24 cp degerini girin= 4.198 Fz degerini girin= 1.7988 Wk degerini girin= 1.7027

113

PROGRAM ÇIKIŞI Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: -0.660873 snet degeri: 0.003225 Tersinmezlik degeri: 0.961513 k1 degeri: 25.920700 k2 degeri: 51.888020 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.961513 Ekserjik verim degeri: 0.614713 Evaporatörün Q degeri: 4.312940 snet degeri: 0.000283 Tersinmezlik degeri: 0.084454 k4 degeri: 39.918700 k1 degeri: 25.920700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.084454 Ekserjik verim degeri: 0.946011 Kısılma vanası Q degeri: 0.000000 snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113054 k3 degeri: 43.615760 k4 degeri: 39.918700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113054 Ekserjik verim degeri: 0.915236 Qkondenser degeri: -5.354999 kondenserdeki snet degeri: 0.002279 Tersinmezlik degeri: 0.679578 k3 degeri: 43.615760 k2 degeri: 51.888020 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.679578 Ekserjik verim degeri: 0.571707 toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: 332.484479 ısıtma tesir katsayısı: 3.176709 pompa Snetc degeri: 0.000365 pompa tersinmezlik degeri: 0.108862 k6 degeri: 2.805710 k7 degeri: 2.491122 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.108884 Ekserjik verim degeri: 0.869840

114

YAZ DURUMU DEĞİŞKEN TANIMLAMALARI

PROGRAM DEĞİŞKENİ

AÇIKLAMASI

To R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal sıcaklığı ho R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entalpisi so R-134a soğutucu akışkanı için ölü hal entropisi h1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entalpisi s1 R-134a soğutucu akışkanı kompresör giriş entropisi h2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entalpisi s2 R-134a soğutucu akışkanı kompresör çıkış entropisi mr R-134a soğutucu akışkanı kütlesel debisi Tc Dış ortam sıcaklığı wk Kompresör işi

Snet Kompresördeki net entropi değişimi Qa Kompresörden kaçan ısı I Kompresör tersinmezliği

k1 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik k2 Kompresörde akış hali için kullanılabilirlik

Xky Kompresördeki kayıp kullanılabilir enerji E Kompresör tesirliliği h4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entalpisi s4 R-134a soğutucu akışkanı evaporatör giriş entropisi Qe Evaporatördeki ısı transferi

Snete Evaporatördeki net entropi değişimi Ie Evaporatör tersinmezliği k4 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik k1 Evaporatörde akış hali için kullanılabilirlik

Xkye Evaporatördeki kayıp kullanılabilir enerji Ee Evaporatör Tesirliliği h3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entalpisi s3 R-134a soğutucu akışkanı kısılma vanası giriş entropisi

Qkis Kısılma vanasındaki ısı transferi Snetk Kısılma vanasındaki net entropi değişimi

Ik Kısılma vanası tersinmezliği k3 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik k4 Kısılma vanası akış hali için kullanılabilirlik

Xkyk Kısılma vanasındaki kayıp kullanılabilir enerji Ek Kısılma vanası tesirliliği h5 Su için evaporatör çıkış entalpisi s5 Su için evaporatör çıkış entropisi

Qkon Kondanserdeki ısı transferi Snetko Kondanserdeki net entropi değişimi

Iko Kondanser tersinmezliği k3 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik k2 Kondanser akış hali için kullanılabilirlik

Xkyko Kondanserdeki kayıp kullanılabilir enerji Eko Kondanser tesirliliği

115

PROGRAM DEĞİŞKENİ

AÇIKLAMASI

Too Su için ölü hal sıcaklığı hoo Su için ölü hal entalpisi soo Su için ölü hal entropisi at Toprağın ısıl difüzivite katsayısı kt Toprağın ısıl iletkenlik değeri r Borunun yarıçapı t zaman

wp Pompa işi v6 Pompa girişinde suyun özgül hacmi p7 Pompa çıkışında suyun basıncı

itap Pompa verimi z İntegrasyon sabiti

Fz İntegral değeri Qz Birim boy boruya transfer olan ısı miktarı q Birim yüzey alanı için transfer olan ısı miktarı g Yoğunluk U Suyun toprak ısı değiştiricisindeki hızı A Borunun alanı Cp Sabit basınçta suyun özgül ısısı Tg Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı Td Toprak ısı değiştiricisinden suyun çıkış sıcaklığı

Qza Toprak ısı değiştiricisi başlangıç noktasında birim boy boruya transfer olan ısı miktarı

Qzb Toprak ısı değiştiricisi sonunda birim boy boruya transfer olan ısı miktarı Q Topraktan çekilmesi gereken ısı miktarı L Toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu

Tsu2 Toprak ısı değiştiricisindeki suyun sıcaklığı Ttop Toprak sıcaklığı msu Suyun kütlesel debisi Wg Pompada harcanan güç B Kış durumu için sistemin ısıtma tesir katsayısı

Wk Kompresörde harcanan güç Snetc Pompada net entropi değişimi

Ic Pompa tersinmezliği k6 Pompaakış hali için kullanılabilirlik k7 Pompa akış hali için kullanılabilirlik

Xkyc Pompadaki kayıp kullanılabilir enerji Ec Pompa tesirliliği

116

YAZ DURUMU BİLGİSAYAR PROGRAMI AKIŞ DİYAGRAMI

117

YAZ DURUMU PROGRAMI %-------------------------------------------------------------------------- % PROGRAM : TOPRAK KAYNAKLI ISI POMPASI HESABI % % DEĞİŞKENLERİ TANIMLAMA : % To -- To % ho -- ho % so -- So % h1 -- h1 % s1 -- S1 % h2 -- h2 % s2 -- S2 % mr -- mr % Tc -- Tc % wk -- Wk % snet -- Snet % Qa -- Qa % I -- I % k1 -- k1 % k2 -- k2 % xky -- Xky % E -- e % h4 -- h4 % s4 -- S4 % Qe -- Qeve % snete -- snete % Ie -- Ie % k4 -- k4 % k1 -- k1 % xkye -- Xkye % Ee -- Ee % h3 -- h3 % s3 -- S3 % Qkis -- Qkis % snetk -- snetk % Ik -- Ik % k3 -- k3 % k4 -- k4 % xkyk -- Xkyk % Ek -- Ek % h2 -- h2 % s2 -- S2 % h5 -- h5 % s5 -- S5 % Qkon -- Qkon % snetko -- snetko % Iko -- Iko % k3 -- k3 % k2 -- k2 % xkyko -- Xkyko % Eko -- Eko % Too -- Too % hoo -- hoo % soo -- Soo % at -- at % kt -- kt % m -- m % r -- r % d -- d

118

% t -- t % wp -- wp % v6 -- v6 % p7 -- p6 % itap -- itap % z -- z % Fz -- Fz % Qz -- Qz % q -- q % g -- g % U -- V % r2 -- r2 % A -- A % del -- del % cp -- cp % Tg -- Tg % Td -- Td % Qza -- Qza % Qzb -- QZb % Q -- Q % L -- L % Tsu2 -- Tsu2 % Ttop -- Ttop % wp -- wp % msu -- msu % Wg -- Wg % B -- B % Wk -- Wk % Snetc -- Snetc % Ic -- Ic % k6 -- k6 % k7 -- k7 % xkyc -- xkyc % Ec -- Ec %-------------------------------------------------------------------------- To=input('R-134a için To degerini girin= '); ho=input('R-134a için ho degerini girin= '); so=input('R-134a için so degerini girin= '); h1=input('1 noktasındaki h1 degerini girin= '); s1=input('1 noktasındaki s1 degerini girin= '); h2=input('2 noktasındaki h2 degerini girin= '); s2=input('2 noktasındaki s2 degerini girin= '); h3=input('3 noktasındaki h3 degerini girin= '); s3=input('3 noktasındaki s3 degerini girin= '); h4=input('4 noktasındaki h4 degerini girin= '); s4=input('4 noktasındaki s4 degerini girin= '); Tc=input('Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= '); mr=input('m r-134a degerini girin= '); wk=input('wk degerini girin= '); hoo=input('su için ho degerini girin= '); soo=input('su için so degerini girin= '); h5=input('h5 degerini girin= '); s5=input('s5 degerini girin= '); p6=input('p6 degerini girin= '); h6=input('h6 degerini girin= '); s6=input('s6 degerini girin= '); v6=input('v6 degerini girin= '); p7=input('p7 degerini girin= '); h7=input('h7 degerini girin= ');

119

s7=input('s7 degerini girin= '); itap=input('pompanın verim degerini girin= '); g=input('Suyun yoğunluk degerini girin= '); U=input('toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= '); Ttop=input('toprak sıcaklığını girin= '); Tg=input('Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= '); r=input('inch cinsinden r degerini girin= '); r2=input('ft cinsinden r degerini girin= '); at=input('at degerini girin= '); kt=input('kt degerini girin= '); t=input('t degerini girin= '); cp=input('cp degerini girin= '); Fz=input('Fz degerini girin= '); Wm=input('Wk degerini girin= '); Qa=mr*(h2-h1)+(mr*wk); snet=mr*(s2-s1)-Qa/Tc; I=To*snet; k1=(h1-ho)-To*(s1-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xky=(1-To/Tc)*Qa+mr*(k1-k2)-mr*wk; E=1-xky/(mr*k1+abs(mr*wk)); Qe=mr*(h1-h4); snete=mr*(s1-s4)-(Qe/Tc); Ie=To*snete; k4=(h4-ho)-To*(s4-so); k1=(h1-ho)-To*(s1-so); xkye=Qe*(1-(To/Tc))+mr*(k4-k1); Ee=1-xkye/(mr*k4+abs(Qe*(1-To/Tc))); Qkis=mr*(h4-h3); snetk=mr*(s4-s3)-(Qkis/Tc); Ik=To*snetk; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k4=(h4-ho)-To*(s4-so); xkyk=-mr*(k4-k3)+Qkis*(1-(To/Tc)); Ek=1-xkyk/(mr*k3); Qkon=mr*(h3-h2); snetko=mr*(s3-s2)-(Qkon/Tc); Iko=To*snetko; k3=(h3-ho)-To*(s3-so); k2=(h2-ho)-To*(s2-so); xkyko=Qkon*(1-(To/Tc))-mr*(k3-k2); Eko=1-xkyko/(mr*k2); z=at*t/r2^2; Qz=0.9611519*kt*abs(Ttop-Tg)*Fz; q=3.154*21.5856/(2*pi*r2); d=r*0.0254; A=pi*(d^2)/4; m=g*A*U; msu=mr*abs(h4-h1)/(h7-h5); Td=Tg+Qe/(msu*cp); Qza=0.961519*kt*abs(Ttop-Tg)*Fz; Qzb=0.961519*kt*abs(Ttop-Td)*Fz; L=Qe*1000/((Qza+Qzb)/2); wp=-v6*(p7-p6)/itap Wg=0.295*wp; B=abs(Qkon)/abs(Wm+Wg); Snetc=0.295*(s7-s6); Ic=To*Snetc; k6=(h6-hoo)-To*(s6-soo); k7=(h7-hoo)-To*(s7-soo);

120

xkyc=0.295*(k6-k7)-Wg; Ec=1-xkyc/(0.295*k6+abs(Wg)); fprintf(' Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: %f\n', Qa); fprintf(' snet degeri: %f\n', snet); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', I); fprintf(' k1 degeri: %f\n', k1); fprintf(' k2 degeri: %f\n', k2); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xky); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', E); fprintf('Evaporatörün Q degeri: %f\n', Qe); fprintf('snet degeri: %f\n', snete); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Ie); fprintf('k4 degeri: %f\n', k4); fprintf('k1 degeri: %f\n', k1); fprintf('Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkye); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Ee); fprintf(' Kısılma vanası Q degeri: %f\n', Qkis); fprintf(' snet degeri: %f\n', snetk); fprintf(' Tersinmezlik degeri: %f\n', Ik); fprintf(' k3 degeri: %f\n', k3); fprintf(' k4 degeri: %f\n', k4); fprintf(' Kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyk); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ek); fprintf('Qkondenser degeri: %f\n', Qkon); fprintf('kondenserdeki snet degeri: %f\n', snetko); fprintf('Tersinmezlik degeri: %f\n', Iko); fprintf('k3 degeri: %f\n', k3); fprintf('k2 degeri: %f\n', k2); fprintf('kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyko); fprintf('Ekserjik verim degeri: %f\n', Eko); fprintf(' toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: %f\n', L); fprintf(' ısıtma tesir katsayısı: %f\n', B); fprintf(' pompa Snetc degeri: %1.12f\n', Snetc); fprintf(' pompa tersinmezlik degeri: %f\n', Ic); fprintf(' k6 degeri: %1.12f\n', k6); fprintf(' k7 degeri: %1.12f\n', k7); fprintf(' kayıp kullanılabilir enerji degeri: %f\n', xkyc); fprintf(' Ekserjik verim degeri: %f\n', Ec);

121

PROGRAM GİRİŞ DEĞERLERİ R-134a için To degerini girin= 298.15 R-134a için ho degerini girin= 274.38 R-134a için so degerini girin= 1.097 1 noktasındaki h1 degerini girin= 247.23 1 noktasındaki s1 degerini girin= 0.919 2 noktasındaki h2 degerini girin= 281.307 2 noktasındaki s2 degerini girin= 0.9462 3 noktasındaki h3 degerini girin= 106.19 3 noktasındaki s3 degerini girin= 0.3866 4 noktasındaki h4 degerini girin= 106.19 4 noktasındaki s4 degerini girin= 0.399 Kalvin cinsinden çevre sıcaklığı Tç degerini girin= 306.15 m r-134a degerini girin= 0.03057955 wk degerini girin= -55.6886 su için ho degerini girin= 104.77 su için so degerini girin= 0.367 h5 degerini girin= 125.79 s5 degerini girin= 0.4369 p6 degerini girin= 966.94 h6 degerini girin= 107.59 s6 degerini girin= 0.3763 v6 degerini girin= 0.001003 p7 degerini girin= 1016.4 h7 degerini girin= 107.647 s7 degerini girin= 0.376492668 pompanın verim degerini girin= 0.85 Suyun yoğunluk degerini girin= 1000 toprak ısı değiştiricisindeki suyun hızını girin= 0.5 toprak sıcaklığını girin= 20 Toprak ısı değiştiricisine suyun giriş sıcaklığı degerini girin= 30 inch cinsinden r degerini girin= 1.075 ft cinsinden r degerini girin= 0.0417 at degerini girin= 0.0261 kt degerini girin= 1.2 t degerini girin= 24 cp degerini girin= 4.198 Fz degerini girin= 1.7988 Wk degerini girin= 1.7029

122

PROGRAM ÇIKIŞI Kompresördeki Q12 dışarı kaçan ısı degeri: -0.660873 snet degeri: 0.002990 Tersinmezlik degeri: 0.891594 k1 degeri: 25.920700 k2 degeri: 51.888020 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.891594 Ekserjik verim degeri: 0.642730 Evaporatörün Q degeri: 4.312940 snet degeri: 0.001814 Tersinmezlik degeri: 0.540754 k4 degeri: 39.918700 k1 degeri: 25.920700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.540754 Ekserjik verim degeri: 0.594454 Kısılma vanası Q degeri: 0.000000 snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113054 k3 degeri: 43.615760 k4 degeri: 39.918700 Kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113054 Ekserjik verim degeri: 0.915236 Qkondenser degeri: -5.354999 kondenserdeki snet degeri: 0.000379 Tersinmezlik degeri: 0.113031 k3 degeri: 43.615760 k2 degeri: 51.888020 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.113031 Ekserjik verim degeri: 0.928764 toprak ısı değiştiricisi boru uzunluğu: 265.085359 ısıtma tesir katsayısı: 3.176753 pompa Snetc degeri: 0.000056837060 pompa tersinmezlik degeri: 0.016946 k6 degeri: 0.047205000000 k7 degeri: 0.046761035800 kayıp kullanılabilir enerji degeri: 0.017348 Ekserjik verim degeri: 0.442948

123

ÖZGEÇMİŞ

1982 yılında İzmit’te doğdu. İlkokulu Kocaeli’nin Gölcük ilçesinde okudu. 1993 yılında orta

ve lise öğrenimi için İstanbul’a geldi. Kartal Anadolu İmam Hatip Lisesi’nden 2000 yılında

mezun oldu. Aynı yıl Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Enerji Öğretmenliği

bölümünü kazandı. 2004 yılında lisans öğrenimini tamamladı. Aynı yıl Fen Bilimleri

Enstitüsü Makine Eğitimi bölümünde yüksek lisansa başladı, halen öğrenimine devam

etmektedir.