Proje 001
ISI POMPASI
ÇEŞİTLERİ
VE
KULLANIM ALANLARI
Proje Sahibi
HAMİT KAYIŞ, Bitirme Projesi, 2004
Afyon Kocatepe Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü
Önemli Hatırlatma :
Bu dokuman, arşivlerimizde yer alan diğer dokümanlarımız gibi bilginin paylaşılması amacıyla size gönderilmektedir. Çalışmaların içeriği tamamen kontrol edilmemekte olup bilgisel yada işlemsel olası hataların sitemizi bağlamayacağını bilmenizi isteriz.
AMAÇ, ÇALIŞMALARINIZ İÇİN ÖRNEK PROJE OLMASIDIR.
ÖNEMLE DUYURULUR...
Saygılarımızla,
MakineMuhendisi.com
GİRİŞ
Enerji gereksinimimizi daha çok fosil yakıt ve tükenebilir kaynaklardan karşıladığımız günümüz şartlarında enerji kaynaklarının tükenmesi gibi bir problem ile karşı karşıyayız. Bu problemin farkında olan gelişmiş ülkeler şimdiden bu problemin çözümü için devlet desteği çerçevesinde doğal kaynaklara mümkün olduğunca az zarar veren ve tükenmeyen enerji alternatiflerinin geliştirilmesi ve uygulamasına yönelmişlerdir. Bir devlet politikası olarak benimsenen bu yapılanma gelişmiş ülkelerde özendirilmekte ve devlet tarafından desteklenmektedir. Günümüzde tükenebilir enerji kaynaklarının ( kömür, doğal gaz, petrol vb.. ) yüksek maliyetlerinden dolayı alternatif enerji kaynaklarına yönelmemiz gerektiği de bir diğer gerçektir.
Bu gerçeklerden yola çıkılarak toprak ısı gibi çevredeki olağan sınırsız enerjiyi kullanabileceğimiz sistemler kullanımı son derce cazip hale gelmiştir.
Yurt dışında yıllardır bilinçli bir şekilde uygulanan bu sistem ısı pompası kullanılarak yapılmaktadır. Düşük ısıdan yararlanıla bilinen bu sistemlerde toprağın ısısı toprak içine yerleştirilen ve içerisinde antifrizli su dolaştırılan borular ile faydalı ısı kullanılmaktadır.toprak ısısının yıl doyunca çok fazla değişmemesi ısı pompası için satabil bir çalışma ortamı sağlamaktadır.
Soğuk kış aylarında toprağın ısısını alarak ısıtmada kullanan bu sistem, sıcak yaz günlerinde de ortam ısısını toprağa vererek serinletme ihtiyacına da cevap verir. Toprak ısısının sabit bir şekilde seyretmesi ile ısı pompasına atabil bir çalışma imkanı sağlanmaktadır. hava ısısına göre toprağın yaz aylarında soğuk, kış aylarında ise sıcak olması ısı kaynağı olarak hava kullanılan ısı pompalarına nazaran çok daha düşük enerji kullanarak ısıtma ve soğutma yapmamızı sağlamaktadır.
İsteğe göre ısıtma veya soğutma yapabilen bu sistemlerin yüksek yatırım maliyetlerine rağmen az sağladığı lüks ve konfor ile birleştiğinde karşı konulmaz bir seçenek olarak karşımıza çıkıyor.
1. ISI POMPALARI NEDIR ?
Gerek sanayide ve gerekse günlük yaşamda ısıtma ve soğutmanın önemi ve bu amaç ile sarf edilen enerjinin toplam enerji tüketimi içindeki payının yüksekliği, araştırmaların enerji kullanımında verimliliğin artırılmasında ve güneş enerjisinden atık ısıya kadar geniş bir yelpaze içerisinde çeşitli kaynakların değerlendirilmesinde yoğunlaşmasına neden olmuştur.
Son yıllarda ülkemizde de adını özellikle konut ısıtma amaçlı olarak sıkça duymaya başladığımız ısı pompası sistemlerinde dış hava, toprak, nehir suyu, göl suyu,... gibi bir ortam kış şartlarında düşük sıcaklık kaynağı olarak kullanılarak alınan ısı , ısıtılması hedeflenen hacimde aktarılmakta; yaz şartlarında ise serinletilmesi hedeflenilen hacimden alınan ısı bu sefer yüksek sıcaklık kuyusu olarak görev yapan dış hava, toprak, nehir suyu, göl suyu, vb'ne transfer edilmektedir. Sıcaklık kaynağı veya kuyu olarak kullanılacak ortamın seçilmesi ise iklim şartları, coğrafik yerleşim, ilk yatırım maliyeti gibi pek çok faktöre bağlı olmaktadır.
Carnot, Buharlı Güç Çevriminin ters çalıştırılması ile ısının çevreden alınıp, yüksek sıcaklık bölgesine transfer edilebileceğini fark etmiş ; ancak, bu prensibe dayanan ısı pompalarının pratikte uygulanabilirliği fikri ilk defa William Thompson (daha sonra Lord Kelvin) tarafından ortaya atılmış (1852); belirgin bir şekilde uygulama alanına girmesi ise II. Dünya Savaşından sonra olmuştur [1].
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 yada bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası da adini, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama "pompalama" veya "taşıma" kabiliyetinden alır. Örnek olarak dalgıç pompalar verilebilir. dalgıç pompalar nasıl suyu üretmiyorlarsa, isi pompaları da ısıyı üretmeyip sadece taşırlar. dalgıç pompalarının su pompalaması için bir su kaynağına daldırılmalarına benzer olarak, ısı pompaları da yeryüzünde bir enerji kaynağına temas etmedikleri sürece ısıyı taşıyamazlar. Gerekli şartlar sağlandığında yüksek miktarlarda enerji düşük maliyetlerle kullanıma sunulabilir.
Isıtma sektöründe çoğu insan için ısı pompası terimi yenidir. Oysaki evlerimizdeki buzdolabı, klima, nem giderici ve dondurucular ayni mantığın ürünüdürler. Çalışma prensibi ısıyı taşıma mantığına uyduğundan "ısı pompası" baslığı altında toplanabilirler.
Soğutma marinaları Isıtma veya Isıtma ve Soğutma amaçlı kullanılırlarsa ısı pompası adini alırlar. Örnek olarak evlerimizde kullanılan buzdolaplarını alalım. Buzdolaplarında yiyeceklerin bulunduğu iç ortam soğuktur ve arkasındaki borular oluşan ısıyı ortama bıraktıklarından sıcaktır. Hemen hemen her kişi bu olayın farkındadır. Ve bu isinin nereden geldiğini merak etmektedir. Örnekte de görüldüğü gibi Soğutma marinaları ısıyı ve soğuğu ayni anda üretirler. Isı pompasının günümüze kadar soğutmada izlediği yükselen grafikle olduğu gibi, bugünden itibaren ısıtma amaçlı kullanımda da çok büyük bir rolü olacaktır.
Isıtma pompaları genel anlamda ısıyı üretmek yerine taşımayı amaçlar. Bunun içinde isinin alınacağı bir ısı çukuruna ihtiyaç vardır. Ülkemizde kullanılan ısı pompalarının hemen hemen hepsi ısı çukuru olarak havayı kullanmaktadırlar. Günümüzde havayı ısı çukuru olarak kullanan ısı pompaları Split klima ve çiller olarak adlandırılmaktadır. Hava kaynaklı cihazların verimleri , dış hava sıcaklıkların değişimlerinde, farklı değerler alırlar. Verim değerlerinin gün içinde dahi sabit kalmaması sebebiyle, isletme maliyetlerinde beklenmeyen artışlar meydana gelir. Bu verim değişimlerini önleyen sıcaklığı sabit kabul edebilecek ısı çukurları da mevcuttur. Bu amaçla kullanılan sıcaklığı sabit kabul edebilen ısı çukurları toprak ve sudur.
Toprak - Su kaynaklı ısı pompası teknolojisi yeryüzünün belirli bir derinliğinde sıcaklığın yıl içinde nispeten sabit kalması gerçeğine dayanır. Bahsedilen derinlikte toprak tabakası kışın yeryüzünün altında veya yer altı sularında depolanmış ısıyı binaya, yazın bina içindeki ısıyı yeraltına taşıyarak doğanın bize verdiği bu avantajı kullanırlar. Kısaca yer altı; kışın bir ısıyı kaynağı, yazın ise bir ısı çukuru olarak davranır.
Toprak - Su kaynaklı ısı pompaları günümüzde Isıtma - Soğutma ve sıcak kullanım suyu eldesin de kullanılmaktadırlar. Bu ihtiyaçların tümüne tek makine ile cevap verebildikleri için de tercih sebebi olmuşlardır.
Isı Pompaları enerjinin düşük sıcaklık kaynağından yüksek sıcaklık kuyusuna aktarıldığı düzenekler olup; Isıl enerjinin değişik şekillerinin kullanıldığı soğurmalı ısı pompalarında verim birincil enerjiden itibaren tüm enerji dönüşümlerinin dikkate alınması halinde klasik sistemlerden yüksek olmaktadır.
Ayrıca bu tip sistemlerde enerji depolama imkanı bunlara kesikli olarak kullanılabilirliği olan enerji kaynaklarının değerlendirilmesinde uygulama avantajı sağlamaktadır.Çeşitli adsorbentler ile yapılmış olan teorik ve deneysel çalışmalar adsorpsiyonlu ısı pompalarının özellikle güneş enerjisi, jeotermal enerji, atık ısının ve elektrik enerjisinin az kullanıldığı saatlerde depolanarak daha sonra kullanılmasına imkan sağlaması açısından önemini göstermiştir.
Şekil 1.1 "ısı pompasının çalışma şeması"
Isı Pompaları kullanılan enerji şekline göre elektrik enerjisi ile tahrik edilen ısı pompaları (mekanik ısı pompaları ) ve termal enerji ile tahrik edilen ısı pompaları olmak üzere iki ana gurupta toplanabilmektedir. Klasik buhar sıkıştırmalı ısı pompaları ilk grup içinde yer almakta olup, birincil enerjinin ( kömür, fuel oil …kaynaklı enerji) elektrik enerjisine dönüşüm verimindeki düşüklük elektrik enerjisine dayalı ısı pompalarının toplam veriminde düşüşe ve kısıtlı kullanımına neden olmaktadır. Elektrik enerjisinin ucuz olduğu ülkelerde şehirlerin ısıtma ve serinletmesine yönelik merkezi sistemlerin uygulamasına karşılık (İsviçre, İsveç, .gibi..) yakıt maliyetinin nispeten düşük olduğu ülkelerde (İngiltere gibi) binaların ısıtılmasında kullanım oldukça kısıtlıdır [2]. Birincil enerjiden itibaren tüm enerji dönüşümlerinin irdelenmesi halinde; mekanik enerjiye dönüşümde verimin düşük olması nedeni ile, doğrudan doğruya ısı enerjisinden yararlanılan ısı pompaları, özellikle son yıllarda üzerinde geniş çapta araştırma yapılan bir konu haline gelmiştir [4-12]. ( Verim elektrikli buhar sıkıştırmalı ısı pompalarında %90-100, içten yanmalı motorla çalışan buhar sıkıştırmalı ısı pompalarında %150-180; absorbsiyonlu ısı pompalarında %130-150). Termal ısı pompaları arasında yer alan absorpsiyon ve absorpsiyonlu ısı pompaları bu bağlamda daha avantajlı olmakla birlikte bu tipin çalışma maddesine dayalı farklı sorunları bulunmaktadır.
Günümüz koşullarında konvansiyonel buhar sıkıştırmalı sistemlerin kömür ve diğer yakıtlar ile yeterince rekabet edememesine bağlı kullanım kısıtlılığı ,performans katsayılarının arttırılması ve atık ısı enerjisinin değerlendirilmesi ile giderilerek, ısı pompaları çok cazip olabilecektir. Diğer taraftan sanayi kuruluşlarında atık ısının değerlendirilme imkanı paralelinde sanayideki işletme maliyetinin düşürülme imkanı ısı pompalarının cazibesini daha da arttırmaktadır.
|
