Buzdolabı Uygulamasında Kullanılan Absorbsiyonlu Soğutma

Tesisat Mühendisliği Dergisi
Sayı: 83, s. 53-63 2004
Buzdolabı Uygulamasında Kullanılan Absorbsiyonlu
Soğutma Sisteminin Termodinamik Analizi
M.ErhanARSLAN
A. Nilüfer EĞRİCAN*
Özet
Bu çalışmada, buzdolabı uygulamasında kullanılan absorbsiyonlu soğutma sisteminin termodinamik analizi yapılmış­
tır. Bu sistemin en önemli özelliği tamamen ısıl güç ile çalışmasıdır. Fakat genel olarak bu sistemlerin performansının
düşük olduğu bilinmektedir. Termodinamik analizin yapılmasındaki amaç, sistem üzerindeki ısı kayıplarını belirlemek
ve bu kayıpları mümkün olduğunca azaltarak sistem performansını arttırmaktır. Termodinamik analizde, bu çalışmay­
la birlikte gerçekleştirilen deneysel çalışma için kurulan sistem üzerindeki belirli noktalardan alınan sıcaklık ölçüm­
leri kullanılmıştır. Analizde elde edilen denklemler geliştirilen bir bilgisayar programı yardımıyla çözdürülmüş ve bu
programın çıktısında sistem üzerindeki ısı kayıpları sayısal olarak elde edilmiştir. Belirlenen bu ısı kayıplarının bir kıs­
mı, sistemde çevrimin tamamlanabilmesi için, mutlaka dışarı atılmak zorundadır. Fakat bazı bölgelerde gereksiz ısı ka­
yıpları mevcuttur. Bu bölgelerdeki ısı kayıplarının mümkün olduğunca azaltılması sonucunda ise sistemin soğutma et­
kenlik katsayısında belirgin bir iyileşmenin meydana geleceği yapılan analiz sonucunda ortaya çıkmıştır.
1. GİRİŞ
Absorbsiyonlu soğutma sisteminin buzdolaplarında
kullanılmasının geçmişi çok eskilere dayanmakta­
dır. Elektrik enerjisinin yaygın olarak kullanılama­
dığı dönemlerde, buzdolaplarında soğutma sistemi
olarak ısıl güç ile çalışan absorbsiyonlu sistem kul­
lanılmıştır. Hatta bu sistem için buzdolabı uygula­
masında kullanılan ilk soğutma sistemi de denilebi­
lir. Fakat elektrik enerjisinin yaygınlaşması ile bir­
likte yerini klasik kompresörlü sisteme bırakmıştır.
Kompresörlü sistemlerin buzdolaplarındaki kullanı­
mının yaygınlaşması, absorbsiyonlu soğutma siste­
mi üzerinde yapılan çalışmaları da uzun bir süre yavaşlatmıştır. Fakat kompresörlü sistemlerdeki gürül­
tü sorununun çözülememiş olması, sessiz çalışma
özelliğine sahip olan absorbsiyonlu sistemi kısmen
tercih edilir bir hale getirmiştir. Böylelikle absorbsi­
yonlu sistem üzerinde yapılan çalışmalar son yıllar­
da tekrar hız kazanmıştır. Absorbsiyonlu soğutma
çevrimi ilk olarak von Platen ve Munters tarafından
ortaya atılmış ve günümüze kadar buzdolaplarında
yaygın olarak kullanılmıştır. Bu çevrimde sistem
içerisinde üç akışkan dolaşmaktadır. Soğutucu akış­
kan olarak amonyak, soğurucu akışkan olarak su,
basınç dengeleyici gaz olarak da hidrojen gazı kul­
lanılmıştır. Ayrıca sistemin ısıl güç ile çalışması ve
çevrimdeki sirkülasyonun hiçbir mekanik parça
içermeyen habbecik pompası (bubble pump) ile sağ­
lanması sisteme sessiz çalışma imkanı vermektedir
[1]. Sirkülasyonun habbecik pompası ile yapılması
* Yeditepe Üniversitesi
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
53
aynı zamanda sistemin sabit basınç altında çalışma­
sını sağlamaktadır. Sistemin bazı bölgelerinde ba­
sınç küçük değişiklikler gösterse de toplam basmç
göz önüne alındığında bu değişikliklerin ihmal edi­
lebilecek seviyelerde olduğu söylenebilir. Buharlaş­
manın sağlanabilmesi için gerekli olan basınç fark­
lılığı ise sistemde basınç dengeleyici gaz olarak gö­
rev yapan hidrojenin, soğutucu akışkanın kısmi ba­
sıncını düşürmesi suretiyle sağlanmaktadır. Aynı za­
manda basınç dengeleyici gaz olarak kullanılan hid­
rojenin sistem içindeki bir diğer görevi ise sistemin
basıncını belirlemektir [2]. Absorbsiyonlu sistem­
lerde basınç dengeleyici gaz olarak uzun yıllar bo­
yunca hidrojen gazı kullanılmıştır. Buharlaşmanın
sağlanabilmesi için, soğutucu akışkanın kısmi ba­
sıncının düşürülmesi ve basınç dengeleyici gaz içe­
risine yayılarak buharlaşabilmesi gerekmektedir. Bu
gereklilik düşünüldüğünde sistem için en uygun
olan basınç dengeleyici gaz hidrojen gazıdır. Fakat
hidrojen gazının yanıcı bir gaz olması alternatif ba­
smç dengeleyici gaz arayışlarını gündeme getirmiş­
tir. Bu bağlamda hidrojene alternatif olarak helyum
gazı kullanılmaya başlanmıştır. Helyum gazının
hidrojene alternatif olmasında, helyumun diğer al­
ternatif gazlara göre viskozite değerinin düşük, ya­
ydım (difüzyon) katsayısmm yüksek olmasının bü­
yük bir etkisi vardır [3]. Bu çalışmada genellikle mi­
ni bar buzdolaplannda kullanılan ve amonyak-suhelyum üçlüsünün akışkan olarak kullanıldığı ab­
sorbsiyonlu soğutma sistemi ele alınmıştır. Bu sis­
tem üzerinde yapılan termodinamik analiz için ön­
celikle bu akışkanların oluşturduğu karışımların ge­
rekli olan termodinamik özelikleri bulunmuş ve ter­
modinamiğin 1. kanunu kullanılarak sistem üzerin­
deki ısı kayıp ve kazançları belirlenmiştir. Yapılan
termodinamik analizde kullanılan eşitlikler, gelişti­
rilen bir bilgisayar programında çözdürülerek analiz
sonuçları elde edilmiştir. Analizden elde edilen so­
nuçlar ışığında sistemin soğutma etkenlik katsayısı
ve soğutma kapasitesi göz önünde bulundurularak
sistem performansı iyileştirilmiştir.
54
1.1. Sistemin Çalışma Prensibi
Amonyak-su çifti ve helyum gazının akışkanlarını
oluşturduğu absorbsiyonlu soğutma sistemi içerisin­
de her bir akışkan için üç ayrı çevrim meydana gel­
mektedir. Bu çevrimler; soğurucu akışkan çevrimi,
soğutucu akışkan çevrimi ve basınç dengeleyici gaz
çevrimi olarak nitelendirilebilir. Kaynatıcıda amon­
yağın karışım içinden buharlaşarak ayrışması sonu­
cunda sıvı fazda kalan ve amonyak bakımından fa­
kirleşen karışım, sistemde soğurucu akışkan olarak
görev yapmaktadır. Ayrışma sonrasında soğurucu
akışkan ve amonyak buharı habbecik pompası içeri­
sinde birlikte yükselirler ve pompa çıkışında amon­
yak buharı saflaştırıcıya doğru ilerler, soğurucu
akışkan ise geri dönerek soğurucu içerisine girer.
Soğurucu içerisine giren fakir karışım (soğurucu
akışkan) buharlaştırıcıdan gelen amonyak buharmı
soğurarak tekrar kaynataya döner ve çevrimini ta­
mamlamış olur. Böylelikle soğurucu akışkan çevri­
mi kaynatıcı ve soğurucu bölgeleri arasında meyda­
na gelmektedir. Habbecik pompasından çıkan
amonyak buharı ise saflaştırıcıda içinde barındırdığı
bir miktar su buharından kurtulduktan sonra yoğuşturucuya girer ve burada yoğuştuktan sonra sıvı hal­
de buharlaştırıcıya girer. Buharlaştırıcıda helyum
gazıyla karşılaşan amonyağın kısmi basıncında be­
lirgin bir düşme meydana gelir ve amonyak buhar­
laşarak helyum gazı içerisine yayılır. Amonyak bu­
harı ve helyum gazından oluşan karışım soğurucu
içerisine düşmesiyle birlikte, amonyak buharı fakir
karışım tarafından soğurulur ve zengin karışım ha­
linde tekrar kaynatıcı bölgesine gider. Böylece so­
ğutucu akışkan olarak görev yapan amonyak çevri­
mini tamamlamış olur. Soğurucuda içindeki amon­
yak buharından kurtulan helyum gazı, yoğunluğu­
nun azalması ile birlikte yükselerek buharlaştırıcı
girişine kadar tekrar geri gelir. Basmç dengeleyici
gaz çevrimi ise bu sayede tamamlanmış olur (Şekil
D-
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
2. AMONYAK-SU KARIŞIMININ
TERMODİNAMİK ÖZELİKLERİ
Sistemin termodinamik analizinin yapılabilmesi için
öncelikle amonyak-su çiftinin oluşturduğu karışı­
mın bazı termodinamik özeliklerine ihtiyaç duyul­
maktadır. Karışımın termodinamik özelikleri ise,
karışım bileşenlerinin saf haldeki termodinamik
özelikleri kullanılarak bulunabilir. Bu amaçla ilk
olarak amonyak-su karışımına ait kaynama-yoğuş­
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
ma sıcaklıklarına ihtiyaç vardır. Kaynama-yoğuşma
sıcaklıkları elde edildikten sonra karışımın doyma
noktasındaki özgül entalpi değerleri elde edilebile­
cektir. Aynı zamanda karışımın sıkıştırılmış sıvı ha­
lindeki entalpi değerlerine de ulaşmak mümkün ola­
caktır.
Amonyak-su karışımının kaynama-yoğuşma sıcak­
lıklarına, karışımın sıvı ve buhar fazda dengede ol55
duğu kabulü yapılarak ve bileşenlerin kısmi fugasiteleri eşitlenerek ulaşılabilir. Fakat bu yöntem he­
saplama zamanı bakımından uzun bir yoldur. Buna
karşılık literatürden elde edilen amonyak-su çiftine
ait kaynama-yoğuşma sıcaklıklarını veren analitik
bağıntılar kullanılarak zamandan tasarruf edilebilir
[4]. Kaynama-yoğuşma sıcaklıklarına ait literatür­
den elde edilen analitik bağıntılar sırasıyla aşağıda
gösterilmektedir.
(1)
Bu eşitliklerde kullanılan basınç ve sıcaklığa ait kri­
tik değerler ise aşağıda verilmiştir:
termemesidir. Sıvı fazdaki entalpi değerinin bulun­
ması için karışımın mükemmel çözelti halinden sap­
masının bulunması gerekmektedir. Bir başka deyiş­
le sıvı fazın entalpi değerine, amonyağın ve suyun
saf haldeki entalpi değerleriyle birlikte karışımın
fazla entalpisi olarak nitelendirilen değerin bulun­
ması ile ulaşılabilir [5]. Fazla entalpi değerinin bu­
lunması için Gibbs Fazla Enerji Fonksiyonunun kul­
lanılması yeterli olacaktır. Gibbs Fazla Enerji Fonk­
siyonunu veren eşitlik aşağıda gösterilmiştir.
Gy = (Fi + F 2 (2x -1) + F 3 (2x - 1)2) (1 - x)
(5)
Bu eşitlikte kullanılan sabit katsayıların açılmış ha­
li aşağıda verilmiş ve aşağıdaki eşitliklere ait katsa­
yılar ise Ek l'de verilmiştir. Aşağıdaki eşitliklerde
kullanılan basınç değerleri bar cinsinden sıcaklık
değerleri ise K cinsinden alınmalıdır.
(5a)
(3)
(5b)
(4)
Yukarıdaki eşitliklerde kullanılan katsayılar ise Ek
l'de verilmiştir. Bu eşitliklerde kullanılan basınç
değerleri bar cinsinden, sıcaklık değerleri ise °C cin­
sinden alınmalıdır.
Kaynama-yoğuşma sıcaklıkları kullanılarak amon­
yak-su karışımının sabit basınç altındaki sıvı ve bu­
har fazına ait entalpi değerlerine ulaşmak mümkün­
dür. Karışımın buhar fazına ait entalpi değerlerine
ulaşmak için amonyağın ve suyun saf haldeki ental­
pi değerlerinin bilinmesi yeterli olacaktır. Karışımın
sıvı fazına ait entalpi değerleri için ise bileşenlerin
saf haldeki entalpi değerlerinin bilinmesi gereklidir
fakat yeterli değildir. Bunun sebebi amonyak-su ka­
rışımının buhar fazında mükemmel çözelti gibi dav­
ranmasına rağmen sıvı fazmda aynı davranışı gös56
(5c)
Basınç ve sıcaklık değerlerinin boyutsuzlaştırılmasmda Tr=:100 K , Pr=10 bar referans değerleri kulla­
nılmıştır. Gibbs Fazla Enerji Fonksiyonu kullanıla­
rak ve Maxwell bağıntılarından yararlanılarak karı­
şımın sıvı fazına ait fazla entalpi değerinin bulundu­
ğu eşitlik ise aşağıda verilmiştir [5].
(6)
Fazla entalpi değerini kullanarak karışımın sıvı fazı­
na ait entalpi değerinin bulunduğu ve buhar fazdaki
karışımın entalpi değerinin bulunduğu bağıntılar sı­
rasıyla aşağıda gösterilmektedir.
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
(7)
(8)
3. AMONYAK BUHARI-HELYUM GAZI
KARIŞIMININ TERMODİNAMİK
ÖZELİKLERİ
Amonyak buharı-helyum gazı karışımı, su buharıkuru hava gaz karışımı (nemli hava) gibi düşünüle­
bilir. Bu karışım, su buharı ve havadan oluşan gaz
karışımıyla karşılaştırıldığında su buharının yerini
amonyak buharı, havanın yerini ise helyum gazı al­
maktadır. Su buharı-kuru hava gaz karışımının çiğ
noktası sıcaklığı göz önüne alındığında, havanın ta­
şıyabildiği su buharı belirli bir miktardır. Bu mikta­
rın üzerindeki su buharı ise yoguşarak sıvı hale ge­
çecektir. Bu durum amonyak buharı-helyum gazı
karışımında da aynıdır. Helyum gazı doyma noktası
sıcaklığında (çiğ noktası sıcaklığında) belirli bir
miktar amonyak buharı taşıyabilmektedir. Bu mik­
tarın üzerindeki amonyak buharı ise yoğuşmaktadır.
Karışımın doyma noktası sıcaklığında amonyağın
karışım içerisindeki kütlesel derişikliğini ve entalpi
değerini veren ifadeler sırasıyla aşağıda gösteril­
mektedir [3].
4. TERMODİNAMİK ANALİZ YÖNTEMİ
Yapılan termodinamik analizde, imal edilmiş bir sis­
tem üzerinden alınan sıcaklık ve basınç ölçümleri
kullanılmıştır (Tablo 1). Sistem basıncının sabit ol­
ması nedeniyle sistem üzerindeki bir noktadan alı­
nan basınç değeri basıncın ölçülmesi açısından ye­
terli olmuştur. Ayrıca sistem içindeki amonyak-su
karışımının amonyak bakımından kütlesel derişikli­
ği, karışım sisteme şarj edilmeden önce tespit edil­
miştir. Sıcaklık ölçümleri sistem üzerindeki belirli
noktalardan üç değişik ısıtıcı gücü için alınmıştır.
Termodinamik analizde öncelikle sistem elemanla­
rının her biri için ayrı ayrı kontrol hacimleri seçil­
miştir (Şekil 2). Analizde aynı zamanda sistemin sü­
rekli rejimde olduğu kabulü yapılmıştır. Seçilen
kontrol hacimlerindeki ısı geçişi ise, gerekli olan ba­
ğıntılar yazılarak ve sistem üzerinden alınan sıcak­
lık ölçümleri kullanılarak belirlenmiştir.
(9)
(10)
4.1. Kaynatıcı ve Saflaştırıcı Analizi
Sistemin kaynatıcı bölümünde amonyak, suyla oluş­
turduğu karışımdan ısıtıcıdan sağlanan ısı sayesinde
buharlaşarak ayrışmaktadır. Kaynatıcıya verilen ısı­
nın tamamen amonyak buharının aynştınlmasında
kullanılması için ise, kaynatıcı çevresine ısı kaybmı
engellemek amacıyla yalıtım yapılmıştır. Yapılan
termodinamik analizde ise kaynatıcıdan çevreye ısı
geçişinin olmadığı kabul edilmiştir. Sistemin saflaş­
tırıcı bölümünde ise amonyak buharı içinde barın­
dırdığı bir miktar su buharından ayrışmaktadır. Bu
Tablo 1. Termodinamik analizde kullanılmak üzere deneylerden alınan sıcaklık ve basınç ölçümleri
Sistem basıncı (P s j s t e m ) [bar]
Isıtıcı gücü (%) [W]
Şarj miktarının amonyak bakımından kütlesel derişikliği [%]
Ortalama kaynatıcı sıcaklığı [°C]
Kaynatıcı giriş sıcaklığı [°C]
Ortalama saflaştırıcı sıcaklığı [°C]
Buharlaştıncı giriş sıcaklığı [°C]
Buharlaştmcı çıkış sıcaklığı [°C]
Ortalama soğurucu sıcaklığı [°C]
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
60
27
150
105
85
-30
-5
48
17
70
27
156
110
90
-30
-5
52
80
27
164
113
96
-30
-5
54
57
(16)
Kaynatıcı ve saflaştırıcı bölgesinde meydana gelen
ayrıştırma işlemi amonyak-su karışımına ait kaynama-yoğuşma eğrileri (Şekil 3) üzerinde de gösterile­
bilir [6].
Şekil 3. Amonyak-su karışımının bileşenlerine ayrıştırıl­
masının kaynama-yoğuşma eğrileri üzerinde gösterimi
Şekil 2. Sistem üzerinde seçilen kontrol hacimleri
kısımdaki aynşma ise saflaştmcıdan çevreye olan
ısı geçişiyle birlikte sıcaklığın düşerek su buharının
yoğuşması şeklinde olur. Sistemin kaynatıcı ve saflaştırıcı bölgeleri için yapılan termodinamik analize
ait kütle ve enerji korunum denklemleri sırasıyla
aşağıda verilmektedir.
Kaynatıcı bölgesi:
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
4.2. Sıvı Isı Değiştiricisi Analizi
Kaynatıcı ve saflaştırıcı bölgesinde, amonyağın bu­
harlaşarak karışımdan ayrışmasından sonra sıvı faz­
da kalan fakir karışım (soğurucu akışkan) bir ısı de­
ğiştiricisinden geçerek soğurucu bölgesine girer. Fa­
kir karışımın bu ısı değiştiricisinden geçirilmesinin
amacı kaynatıcıda aldığı ısının bir miktarım aynşma
işlemi için kaynatıcıya giren zengin kanşıma ver­
mesidir. Bu kısım için yapılan analizde öncelikle
kaynatıcıdan ve saflaştmcıdan ayrı ayn gelen fakir
karışınım bir noktada adiyabatik olarak birleştiği
düşünülmüştür. Daha sonra sıvı ısı değiştiricisinden
çevreye atılan ısı miktarı bulunmuştur.
Adiyabatik birleşme için kullanılan bağıntılar:
(17)
(18)
Saflaştırıcı bölgesi:
58
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
(19)
Sıvı ısı değiştiricisinden çevreye atılan ısı miktarı­
nın bulunduğu bağıntılar:
(20)
(21)
4.3. Yoğuşturucu ve Buharlaştırıcı Analizi
Saflaştıncıdan çıkan ve yoğuşturucuya saflık dere­
cesine yakın bir şekilde giren amonyak buharı bura­
da yoğuşarak sıvı hale geçmektedir. Yapılan analiz­
de öncelikle amonyağın yoğuşturucuya tamamen
saf halde girdiği kabul edilmiştir. Diğer bir kabul ise
amonyağın yoğuşturucuda doymuş buhar halinden
doymuş sıvı haline geçmesidir. Bu durumda amon­
yak sabit basmç altında yani sistem basıncına karşı­
lık gelen basınç değerinde yoğuşacaktır. Yoğuşturu­
cu bölgesi için kütle korunum ve enerji korunum
denklemleri yazıldığında yoğuşma esnasında dışarı
atılan ısı miktarı bulunabilir.
(22)
lenebilir. Yapılan analizde buharlaştırıcı üzerindeki
bir çok noktadan alman sıcaklık değerlerinden ya­
rarlanılmıştır. Buharlaştırıcı üzerinde herhangi bir
noktadaki sıcaklık değeri, o noktada amonyak buhan-helyum gazı karışımının sahip olduğu doyma sı­
caklığını göstermektedir. Buharlaştırıcı üzerindeki
sıcaklık değerlerinden yola çıkılarak amonyağın her
bir sıcaklık değeri için sahip olduğu kısmi basıncını
bulmak ve kısmi basmçtan yararlanarak diğer öze­
liklerine ulaşmak mümkündür. Yapılan analizde bu­
harlaştırıcı üzerindeki sıcaklık değerlerinin lineer
bir artış gösterdiği göz önüne alınarak buharlaştırıcı
bölgesi öncelikle "n" adet noktaya bölünmüştür. Da­
ha sonra, her bir noktaya ait sıcaklık değeri kullanı­
larak amonyağın kısmi basmcı, doymuş sıvı halin­
deki entalpi değeri ve amonyak buharı-helyum gazı
karışımının doyma noktasındaki entalpi değeri be­
lirlenmiştir. Buharlaşma için çevreden çekilen top­
lam ısı miktarı ise, her bir noktada bulunan ısı mik­
tarlarının ortalaması olarak alınmıştır. Bu kısmın
analizinde kullanılan kütle ve enerji korunum bağın­
tıları ise aşağıda verilmektedir.
(24)
(23)
Amonyak, yoğuşturucuda sıvı hale geçtikten sonra
buharlaştıncıya girmekte ve burada helyum gazıyla
karşılaşmaktadır. Bu karşılaşma sonrasında kısmi
basıncı düşen amonyak, helyum gazı içine yayılarak
buharlaşır. Fakat helyum gazıyla karşılaşan amon­
yağın tamamı ilk anda helyum gazı içine yayılarak
buharlaşamamaktadır. Çünkü helyum gazı daha ön­
ce de belirtildiği gibi o noktada sahip olduğu sıcak­
lık değeri için belirli bir miktar amonyak buharını
içinde taşıyabilmektedir. Bu bağlamda, amonyağın
kısmi basıncı buharlaştırıcı içinde ilerlerken daima
artacak ve amonyak ancak buharlaştırıcı çıkışında
tamamen buhar hale geçebilecektir [7]. Buna paralel
olarak buharlaştırıcı üzerindeki sıcaklık dağılımının
da giderek artan bir sıcaklık dağılımı olduğunu söyTESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
(25)
4.4. Soğurucu Analizi
Buharlaştırıcıdan çıkan amonyak buharı-helyum ga­
zı karışımı, kaynatıcıdan gelen fakir karışımla soğu­
rucuda birleşmekte ve burada helyum gazı içindeki
amonyak buharı fakir karışım tarafından soğurul­
maktadır. Soğurucu çıkışında ise helyum gazı saf
halde fakir karışım ise amonyak bakımından zen­
ginleştiğinden zengin karışım olarak çıkmaktadır.
Yapılan analizde helyum gazının soğurma işlemi es­
nasında bir etkisi olmadığı düşünülerek soğurucu çı­
kışında sadece zengin karışım göz önüne alınmıştır.
Bu kısım için yazılan kütle ve enerji korunum denk­
lemleri ise aşağıda verilmektedir.
59
(26)
(27)
5. SONUÇLAR ve DEĞERLENDİRME
Deneylerden alman sıcaklık ölçümleri yardımıyla
sistem elemanlarının her birisi için yazılan eşitlikler
geliştirilen bir bilgisayar programında çözdürülerek
termodinamik analize ait sonuçlar elde edilmiştir
(Tablo 2). Geliştirilen programın girdisinde, deney­
lerden elde edilen sıcaklık ölçümleri, ısıtıcı aracılı­
ğıyla kaynatıcıya verilen güç, sistem basmcı ve sis­
teme verilen amonyak-su karışımının amonyak ba­
kımından kütlesel derişikliği bulunmaktadır. Prog­
ram çıktısında ise sistem üzerindeki ısı kayıp ve ka­
zançları, sistemin değişik bölgelerinde amonyak bu­
harının sahip olduğu kütlesel debiler ve amonyak
buharının saflaştırıcı çıkışındaki kütlesel derişikliği
elde edilmiştir.
Analizden elde edilen sonuçların verildiği tablodan
da anlaşılacağı üzere buzdolaplannda kullanılan absorbsiyonlu sistemin soğutma etkenlik katsayısı,
klasik absorbsiyonlu sistemlere göre düşük sayılabi­
lecek bir seviyededir. Bu durumun sebebi, sistem
içinde amonyağın (soğutucu akışkan) kütlesel debi­
sinin düşük olmasıdır (Tablo 2).
Yapılan analizde, ele alman sistem (mini bar buzdo­
laplannda kullanılan absorbsiyonlu sistem) için ge­
rekli olan kaynatıcı gücünün optimum değerinin 70
W olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır (Şekil 4 ve Şe­
kil 5). 60 W ve 70 W olarak kaynatıcıya verilen ısı
miktarları için sistemin soğutma kapasitesi düşünül­
düğünde meydana gelen artış 2.5 W seviyelerindedir. Buna karşılık soğutma etkenlik katsayısmda ise
çok küçük bir artış meydana gelmektedir. Bu iki kıs­
tas göz önüne alındığında 60 W'lik bir kaynatıcı gü­
cünün sistemde kullanılmasının gereksiz enerji sar­
fiyatı açısından daha uygun olacağı söylenebilir.
Isıtıcı gücü (W)
Şekil 4. Soğutma kapasitesinin ısıtıcı güç ile değişimi
Sistem elemanlarmdan çevreye atılan ısı miktarları
irdelendiğinde ise sistemde çevrimin sağlanabilme­
si için bu ısıların mutlaka dışarı atılması gerektiği
Tablo 2. 60, 70 ve 80 W kaynatıcı güçleri için elde edilen sonuçlar
Amonyağın karışım içindeki kütlesel derişikliği (% 27) Sistem basıncı (P=17 bar)
Kaynatıcıya verilen ısı miktarı (W)
60
Saflaştırıcıdan atılan ısı miktarı (W)
Yoğuşturucudan atılan ısı miktarı (W)
80
-18.006
-26.09
-38.17
-15.024
-17.488
-19.27
Buharlaştırıcıdan çekilen ısı miktarı (W)
14.028
16.55
18.031
Soğurucudan atılan ısı miktarı (W)
-20.09
-23.501
-25.567
Sıvı ısı değiştiricisinden atılan ısı miktarı (W)
-21.01
-19.596
-15.038
Soğutma etkenlik katsayısı
0.2338
0.2364
0.2254
Kaynatıcı çıkışındaki kütlesel debi (kg/s)
2.06094 x 10-5
2.6884 x 10-5
3.4661 x 10-5
Saflaştırıcı çıkışındaki kütlesel debi (kg/s)
1.1352 x 10-5
1.3365 x 10-5
1.4560 x 10-5
0.983
0.977
0.972
Saflaştırıcı çıkışındaki kütlesel derişiklik
60
70
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
bir yalıtım yeterli olacaktır. Fakat yapılacak yalıtı­
mın, ısı değiştiricisinin kaynataya yakın tarafına,
soğurucunun da mümkün olduğunca uzak tarafına
yapılması gerekmektedir.
bilinmektedir. Fakat sistemde sıvı ısı değiştiricisi
olarak tanımlanan kısımdan çevreye atılan ısının ta­
mamen gereksiz olduğu söylenebilir. Sıvı ısı değiş­
tiricisinde, kaynatıcı bölümünden gelen fakir karışı­
mın sahip olduğu ısının tamamını ters yönde kaynatıcıya giden zengin karışıma vermesi durumunda bu
kısımdan atılan ısı, sisteme kazandırılmış olacaktır.
Kaynatıcı kısmına giren zengin karışımın sıcaklı­
ğındaki en küçük bir artış ise sistem soğutma etken­
lik katsayısında önemli bir artışa neden olmaktadır
(Tablo 3).
Kaynatıcı giriş sıcaklığının soğutma etkenlik katsa­
yısına yaptığı etki aşağıdaki şekilde de açıkça görül­
mektedir. Sistemde sıvı ısı değiştiricisinden çevreye
atılan ısının engellenmesi için bu kısma yapılacak
Kaynatıcı giriş sıcaklığı (°C)
Şekil 6. Soğutma etkenlik katsayısının kaynatıcı giriş
sıcaklığı ile değişimi
Bu çalışmada sistemdeki ısı kayıpları belirlenmiş ve
sistemin sıvı ısı değiştiricisinden kaynaklanan kayıp
ısının sisteme kazandırılması üzerinde durulmuştur.
Yapılacak bir sonraki çalışmada ise saflaştırıcı böl­
gesinden kaybedilen ısının sisteme geri kazandırıl­
ması üzerinde durulabilir. Çünkü saflaştırıcıdan atı­
lan ısı miktarı da sistemde gereksiz ısı kaybı olarak
bilinmektedir.
Tablo 3.60 W kaynatıcı gücü ve değişik kaynatıcı giriş sıcaklıkları için elde edilen sonuçlar
Amonyağın karışım içindeki kütlesel derişikliği (% 27) Sistem basıncı (P=17 bar)
Kaynatıcıya verilen ısı miktarı (W)
Kaynatıcı giriş sıcaklığı (°C)
Saflaştırıcıdan atılan ısı miktarı (W)
Yoğuşturucudan atılan ısı miktarı (W)
Buharlaştırıeıdan çekilen ısı miktarı (W)
Soğurucudan atılan ısı miktarı (W)
Sıvı ısı değiştiricisinden atılan ısı miktarı (W)
Soğutma etkenlik katsayısı
Kaynatıcı çıkışındaki kütlesel debi (kg/s)
Saflaştırıcı çıkışındaki kütlesel debi (kg/s)
Saflaştırıcı çıkışındaki kütlesel derişiklik
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
60
105
-18.006
-15.024
14.028
60
108
-18.6996
-15.603
60
110
-19.189
-16.012
14.982
-20.09
-21.01
0.2338
2.06094 x 10-5
1.1352x10-5
14.5997
-21.074
-19.586
0.24333
2.14037 x 10-5
1.17894x10-5
-21.626
-18.529
0.24969
2.1964x10-5
0.983
0.983
0.983
1.2098x10-5
61
SEMBOL LİSTESİ
C p : Özgül ısı (kj/kg.K)
Gf: Molar Gibbs fazla enerfi fonksiyonu (kj/kg)
h: Özgül entalpi (kj/kg)
m: Kütlesel akış debisi (kg/s)
P: Basınç (bar)
qb: Buharlaşma ısısı (W)
4s,d: Isı değiştiricisinden çevreye atılan ısı miktarı (W)
%: Kaynatıcı bölgesine verilen ısı miktarı (W)
qsaf: Saflaştırıcıdan atılan ısı miktarı (W)
q sog : Soğurma ısısı (W)
qy: Yoğuşma ısısı (W)
R: Evrensel gaz sabiti (kj/knıol.K)
x: Kütlesel derişiklik
Alt İndisler
a: Amonyak
b: Buhar faza ait değer
d: Doyma noktasındaki değer
f: Fazla enerjiye ait değer
i: İndirgenmiş değer
k: Kaynama
kar: Karışıma ait değer
kr: Kritik değer
r: Referans değer
s: Sıvı faza ait değer
su: Su
y: Yoğuşma
62
KAYNAKLAR
[1] von Platen, B. C. and Munters, C. G., "Refrige­
rator", U.S. Patent 1,685,764, 1928.
[2] Srikhirin, P. and Aphornratana, S., "Investigati­
on of a diffusion absorption refrigerator", App­
lied Thermal Engineering, 22,1181-1193, 2002.
[3] Kouremenos, D. A. and Stegou-Sagia, A., "Use
of helium instead of hydrogen in inert gas ab­
sorption refrigeration", International Journal of
Refrigeration, 11, 336-341, 1988.
[4] El-Sayed, Y. M. and Tribus M., "Thermodyna­
mic properties of water-ammonia mixtures the­
oretical implementation for use power cycles
analysis", ASME Special Publication, AES 1,
New York (NY), 89-95, 1985.
[5] Ziegler, B. and Trepp, C., "Equation of state for
ammonia-water mixtures", International Journal
of Refrigeration, 7, 101-106, 1984.
[6] Kuehn, T. H., Ramsey, J. L. and Threlkeld, J. L.,
"Thermal Environmental Engineering", Prenti­
ce-Hall Inc., Eaglewood Cliffs, NJ, 1998.
[7] Kouremenos, D. A., Stegou-Sagia, A. and
Antonopoulos, K. A., "Three-dimensional eva­
poration process in aqua-ammonia absorption
refrigerators using helium as inert gas", Interna­
tional Journal of Refrigeration, 17, 58-67, 1994.
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
EKİ
Eşitlik (1), (3) ve (4)'te kullanılan sabit katsayılar
205.8889
280.930556
-317.0138889
263.194444
0.36810552389
732.99536936
-3.6679548875
-1076.0613489
46.6000470809
797.948078048
-262.921061996
-235.903904222
153.634521459
-0.0753450148
-13.0305543892
0.004811166627
-1.14845282991
-0.000120433757
0.55035809445
-462.460321366
-523748.057636
5.92208187 x 10«
53051.4495633
-2.230797 x 107
248.783804168
2.82708344 x 10«
7.596403597 x 106
1993.17101166
3.69919966 x 106
33.5343446156
51780.666659
238153.698326
541.19105807
-14844.7928004
0.170806170177
-258.750496922
154.375042114
23739.9986309
-2.3282714755 x 10^
-1.4324055213 x 10«
382763.793582
2.289665685 x 10?
4807.07241098
-8.469715158xl0 6
-1.6840026448 x l O 6
100706.510396
3.688365225 x 106
601.878586689
-209714.899856
-54497.0973336
-1696.60270972
19481.0094551
3.48182859299
311.002585218
-48.5083828701
-194504.35292
6
7.562418535 x 10
421.443122208
-3.583589869 x 10«
-1.24833248091 x 107
13565.1003309
1.445958889 x 107
126.965580728
-687388.808612
-1.975122393 x 10«
-3064.82070658
405011.985355
3.97454953787
1713.45942707
-12107.0794501
-27.7957587743
-123.917993454
639383.528867
-9.66829589 x 106
-14560.354925
1.224326538x10'
2.8133117163x10«
-466407.780832
-1.428108753 x 107
-2090.45270574
2.1324124696 x 10«
440201.446068
71.7954752052
-428310.461566
-77.026846469
4019.01019872
2966.92804386
113.762064546
-123.480627492
bi
Cj
Cü
Eşitlik (2)'de kullanılan sabit katsayılar
ai
153.17055346
0.071995075189
-11.7705687461
0.00285423950786
-1.78126355957
0.647385455059
194.7939133493
74.3508283362
13.0175447367
-0.90857587517
-0.000718635742
0.0019544170298
74.236124188
-33.2941879809
6.1586564117
-0.356752691147
-0.0251026383533
0.00280533349937
9.84103819552
-4.78866918581
0.789740337141
0.0238067275502
-0.0191664613304
0.0013899436563
0.436843852745
-0.225416733476
0.0321510834958
0.0049559393395
-0.001701425387
0.0001164226116
A,
Eşitlik (5a), (5b) ve (5c)'de kullanılan sabit katsayılar
Ej: -41.733398
E 2 : 0.02414
E 3 : 6.702285
E 4 : -0.011475
E 5 : 63.608967
E 6 : -62.490768
E 7 : 1.761064 '
ER: 0.008626
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 83, 2004
E9 : 0.387983
E 1 0 : -0.004772
E n : -4.648107
E 1 2 : 0.836376
E 1 3 : -3.553627
E, 4 : 0.000904
E 1 5 : 24.361723
E 1 6 : -20.736547
63