Mühendislik Termodinamiği · 9. Ünite: Güç ve Soğutma Çevrimleri - Termodinamik II
Soğutma Çevrimleri (Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi, Isı Pompaları ve Gaz Akışkanlı Soğutma)
Buzdolabından klima ve ısı pompasına, süpermarket dondurucularından LNG tesislerine kadar çok sayıda uygulama, ısıyı düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa pompalamak zorundadır; ikinci yasa bunun için iş girişi ister. Bu konuda buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini R-134a ile kurup performans katsayısını (COP) hesaplayacak, kızdırma, aşırı soğutma ve kompresör veriminin etkisini nicelleştirecek, ısı pompası ile soğutucunun ilişkisini kuracak ve gaz akışkanlı (ters Brayton) soğutma çevrimini çözümleyeceksin.
Öğrenme hedefleri
- Soğutma makinesi ve ısı pompasının performans katsayılarını (COP) tanımlar ve COP_ısı pompası = COP_soğutucu + 1 bağıntısını türetir.
- İdeal buhar sıkıştırmalı çevrimin dört sürecini P-h ve T-s diyagramlarında gösterir; R-134a tablolarıyla soğutma etkisi, kompresör işi ve COP'yi hesaplar.
- Buharlaşma ve yoğuşma sıcaklığının, aşırı soğutmanın, kızdırmanın ve kompresör veriminin COP'ye etkisini sayısal olarak yorumlar.
- Soğutma yükünden soğutkan debisini ve kompresör gücünü hesaplar; Carnot COP ve ikinci yasa verimiyle karşılaştırır.
- Isı pompasını (ısıtma modu) çözümler ve elektrikli dirençli ısıtmayla karşılaştırır.
- Gaz akışkanlı ters Brayton soğutma çevriminin COP'sini ve soğutma sıcaklığını bileşen verimleriyle birlikte hesaplar.
Konu anlatımı
Bağlam: Isıyı "yokuş yukarı" taşımak
Performans katsayısı ve Carnot sınırı
İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi
Gerçek çevrim ve COP'yi etkileyen parametreler
Isı pompaları
Gaz akışkanlı soğutma: ters Brayton çevrimi
Çözümlü Örnekler
Simülasyonda dene ve sık yapılan hatalar
Anahtar terimler
- Performans katsayısı (coefficient of performance, COP)
- İstenen ısı etkisinin (soğutmada Q_L, ısıtmada Q_H) harcanan işe oranı.
- Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi (vapor-compression refrigeration cycle)
- Kompresör, yoğuşturucu, kısılma elemanı ve evaporatörden oluşan, soğutkanın faz değiştirdiği soğutma çevrimi.
- Kısılma (throttling)
- Genleşme vanasında iş ve ısı alışverişi olmadan basıncın düşmesi; izentalpik süreç, h₄ = h₃.
- Aşırı soğutma (subcooling)
- Yoğuşturucu çıkışındaki sıvının doyma sıcaklığının altına soğutulması; soğutma etkisini artırır.
- Kızdırma (superheating)
- Evaporatör çıkışındaki buharın doyma sıcaklığının üzerine ısıtılması; sıvı damla kompresöre girmesin diye yapılır.
- Isı pompası (heat pump)
- Düşük sıcaklıktaki ortamdan ısı alıp yüksek sıcaklıktaki ortama veren, ısıtmayı amaçlayan çevrim.
- Ters Brayton çevrimi (reversed Brayton cycle)
- Gaz akışkanlı soğutma çevrimi; sıkıştırma, ısı atımı, türbinde genleşme ve ısı alımından oluşur.
- İkinci yasa verimi (second-law efficiency)
- Gerçek COP'nin aynı sıcaklıklardaki Carnot COP'ye oranı.
Örnek soru
İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde genleşme (kısılma) vanasındaki süreç için aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
- Entalpi sabit kalır, entropi artar ve soğutkan iki fazlı karışıma dönüşür
- Entropi sabit kalır, entalpi azalır ve vana türbin gibi iş verir
- Sıcaklık sabit kalır, yalnızca basınç düşer ve akışkan sıvı kalır
- Basınç sabit kalır ve soğutkan soğutulan ortamdan ısı alır
- Entalpi artar ve sıvı tamamen buharlaşır
Doğru cevap: A
Çözüm
1. Vana adyabatik ve iş etkileşimsizdir, $\Delta ke$ ve $\Delta pe$ ihmal edilirse enerji dengesi $h_4 = h_3$ olur: süreç izentalpik (throttling).
2. Süreç tersinmezdir: entropi artar (R-134a, $800 \to 140\,\text{kPa}$: $0{,}3541 \to 0{,}3798\,\text{kJ/kg·K}$).
3. Basınç düşünce sıvının bir kısmı buharlaşır; çıkış iki fazlıdır ($x_4 \approx 0{,}32$).
Doğru cevap: A. B ve C genleşme türbini ya da izotermal süreci tanımlar; D evaporatördeki süreçtir, E ise yanlış yönde bir entalpi değişimidir.