Isı pompalı kurutma sistemlerinde soğutkanların performansa etkisinin sayısal incelemesi

Abstract

Küresel ısınma, ozon tabakasının incelmesi ve enerjinin yüksek maliyeti uzun zamandır dikkatleri çevre dostu ve yüksek enerji verimli sistemler üzerine çekmiştir. Çevresel etkileri sebebiyle kullanılabilecek soğutkanlar da çeşitli protokollerle sınırlandırılmıştır. Çeşitli ısıtma?soğutma sistemlerinde kullanılan soğutkanlar yerlerini yenilerine bırakmaktadır. Bu aşamada, CO2 doğal olmasından ötürü çevreye zararının olmaması, maliyetinin düşük olması ve kolay temin edilebilmesi sebebiyle ön plana çıkmaktadır. Isı pompalı çamaşır kurutucularında genel olarak R134a soğutkanı kullanılmaktadır ve Kyoto Protokolü ile kullanımı ciddi anlamda sınırlandırılmıştır. CO2 termofiziksel etkileri sebebiyle kurutucu işletme şartlarında çalışabilmek için çok uygun gözükmektedir. CO2?in kurutucularda kullanımı ile hem çevreye verilen zarar asgari seviyeye indirilmekte, hem de sistemin performansı arttırılmaktadır. Bu çalışmada CO2 kullanan ve transkritik çevrime göre çalışan ısı pompalı çamaşır kurutma makinesi sistemleri teorik olarak incelenmiştir. Ardından, CO2 ile çalışan ısı pompalı çamaşır kurutucu modeli geliştirilmiştir. Bir arayüz oluşturularak model, MATLAB altında çalışan bir yazılım haline getirilmiştir. Tez çalışması altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde öncelikle konu ile ilgili literatürde yapılmış çalışmaların bir özeti verilmiştir. Ardından tezin yapılış amacı ve ortaya konulmak istenenler belirtilmiştir. İkinci bölümde, sistemdeki ana bileşenlerin (gaz soğutucu, evaporatör, kompresör, tambur ve fan) her biri için temel kavramlar açıklanarak teorik analiz yapılmış ve hesap metodolojisi ortaya konulmuştur. Üçüncü bölümde, MATLAB R2011b programı kullanılarak, hesaplamalar bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Bu noktada akışkan özellikleri REFPROP v7 programı kullanılarak belirlenmiştir. Evaporatörün CO2 tarafında iki fazlı akış ve ardından aşırı kızdırma bölgesinde tek fazlı akış gerçekleştiği, hava tarafında ise ısı transferi ile eş zamanlı olarak havadaki su buharının yoğuşması sebebiyle kütle transferi gerçekleştiği için, hassas bir modelin oluşturulması gerekmiştir. Bu sebeple evaporatör çeşitli sayıda segmentlere ayrılarak hesaplamalar yapılmış ve bir segmentin çıkış şartları sonraki segmentin giriş şartları olarak bilgisayara girilmiştir. Geliştirilen çözüm algoritması ile teorik analizi yapılmış olan bileşenler bir araya getirilerek ısı pompalı kurutma makinesi sisteminin genel modeli oluşturulmuştur. Son olarak da oluşturulan kullanıcı arayüzü ile model, MATLAB altında çalışan bir yazılım haline getirilmiştir. Dördüncü bölümde, literatürden derlenen deneysel verilerle sistem bileşenlerinin doğrulaması yapılmıştır. Bu kısımda gaz soğutucularda boru içerisindeki CO2 akışı için ısı taşınım katsayısı ve basınç kaybı karşılaştırmaları grafikler halinde verilmiştir. Gaz soğutucunun hava tarafında gerçekleşen ısı transferi ve basınç kaybı doğrulamaları için sırasıyla Colburn (j) ve sürtünme (f) faktörleri literatür ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Ardından evaporatörde boru içerisinde gerçekleşen CO2 akışında, kuruluk derecesine bağlı olarak ısı taşınım katsayısının değişimi ve kütle akısına bağlı olarak basınç kaybının değişimi verilmiştir. Bu kısımda boru içerisinde gerçekleşen iki fazlı CO2 akışı kuruluk derecesinin değişimine bağlı olarak dokuz farklı tipte değerlendirilmiştir. Isı taşınım katsayısının değişimleri akış tiplerinin değişimleri ile beraber gösterilmiştir. Evaporatörün hava tarafında gerçekleşen ısı transferi ve basınç kaybı doğrulamaları için yine sırasıyla Colburn (j) ve sürtünme (f) faktörleri literatür ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Evaporatörün hava tarafında gerçekleşen yoğuşma sebebiyle kütle transferi analizleri de literatürdeki veriler ile karşılaştırılarak kütle transferi Colburn faktörü (jm) Reynolds sayısının değişimine bağlı olarak verilmiştir. Beşinci bölümde gaz soğutucuya CO2?in giriş basıncının, evaporasyon sıcaklığının, hava debisinin, tambur veriminin, kaçak oranının, ortam havasının sıcaklığının ve bağıl neminin kurutma sistemini performansına etkileri modelden alınan sonuçlara bağlı olarak irdelenmiştir. Sistemin performansı değerlendirilirken COP, MER ve SMER değerlerinin değişimi gösterilmiştir. Buradan elde edilen sonuçlarla, kurutucunun enerji tüketimi ve kurutma süresi parametrik olarak ortaya konulmuştur. Altıncı bölümde sonuçlar ve önerilere yer verilmiştir.