Güneş Enerjisi ile Çalışan Adsorblanmalı Bir Soğutma Sisteminde

Güneş Enerjisi ile Çalışan Adsorblanmalı Bir Soğutma Sisteminde

Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi
TÜRKİYE 10. ENERJİ KONGRESİ
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE ÇALIŞAN ADSORBLANMALI BİR SOĞUTMA
SİSTEMİNDE ZEOLİT VE SİLİKA JEL KULLANILIMINDA
TERMODİNAMİK VE EKONOMİK BAŞARIMIN KARŞILAŞTIRILMASI
Derek K.BAKER ve Bilgin KAFTANOĞLU
ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü, Ankara 06531
[email protected] ve [email protected]
ÖZET
Güneş enerjili adsorplanma soğutma ( GEAS) sistemine ısıl geri kazanım
eklemek toplaçdaki termik yükü azaltır.Toplaçın işletme sıcaklığını düşürmek
toplaçın verimini artırır. Bu iki etken de sistem maliyetinin çoğunluğunu oluşturan
toplaç maliyetini azaltır. Isıl geri kazanımın en fazla yükseltilebileceği sonsuz
sayıda adsorban yatağının kullanıldığı ısıl geri kazanımlı bir ideal adsorplanmalı
soğutma döngüsü tanıtılmıştır. Burada, ısıl geri kazanımlı bir ideal adsorplanmalı
soğutma döngüsü, tek adsorban yatağı kullanan basit ideal adsorplanma soğutma
döngüsü ve termik olarak sürülen tersinir bir soğutma döngüsü için termik
performansı tahmin edebilecek matematik modeller sunulmuştur. Toplaç işletme
sıcaklığı adsorban-soğutucu çiftinin bir foksiyonudur.Bu üç döngünün performans
0
katsayıları (COP), zeolit-su ve silika jel-su soğutucu-adsorban çiftleri, 60 - 200 C
toplaç sıcaklığı aralığı için karşılaştırılmıştır. Basit döngüye ısıl geri kazanım
eklemek, döngünün COP’sını 2-8 kat ve silika jel kullanımı da 1.2-1.7 kat artırır.
Zeolit yerine silika jel kullanan döngünün COP’sı basit döngü için 0.6 dan 1’e
kadar, ısıl geri kazanımlı döngü için ise 1- 4.6 arası değişir.
Anahtar Kelimeler: Güneşli sistem, soğutma, adsorplanma, ısıl geri kazanım,
zeolit, silica gel
GİRİŞ
Türkiye’deki soğutma taleplerinin çoğu, yoğun elektrik enerjisi kullanan
kompresörlü sistemlerle karşılanmaktadır. Adsorplanmalı sistemler, kullandıkları
birincil enerji düşük kaliteli termal( güneş) enerji olduğundan, cazip bir seçenek
sunmaktadırlar. Adsorplanmalı soğutma sistemlerinde, su-zeolit gibi birkaç
adsorban çifti kullanılabilir. Türkiye’nin geniş doğal zeolit ve güneş enerjisi
kaynakları vardır ve bu ikisi güneş enerjili adsorplanmalı soğutma ( GEAS)
döngüsünde kullanılabilir. Bu sistem, kompresörlü soğutma sistemlerine göre
423
Türkiye’nin yenilenebilir ve yerli enerji kaynaklarından daha iyi yararlanabilir.
Adsorplanmalı soğutma sistemleri ile ilgili bilgiler literatürde görülebilir [1,2,3].
Önceki modellemelere [4] dayanarak, zeolit-su çiftinin kullanıldığı sistemlerde
toplaç maliyetleri, yatırım maliyetinin çoğunluğunu oluşturur. Toplaç maliyetini
düşürmenin bir yolu da , toplaçdan sağlanan ısıl enerjiyi azaltmak için,
adsorplanma döngüsü içinde ısıl enerjiyi geri kazanmaktır. İkinci bir yöntem de,
toplaç tarafından sağlanan güneş kaynaklı ısıl enerjinin sıcaklığının
düşürülmesidir. Adsorplanmalı soğutma döngülerinde silika jel-su çifti de
kullanılabilir. Zeolit-su çiftine göre, silika jel-su çifti toplaçdan daha düşük
sıcaklıktaki bir ısıl enerjiye gereksinim duyar ve böylece bu çiftin kullanımı toplaç
maliyetlerini düşürür.
Bu bildiride, termik olarak sürülen bir tersinir soğutma döngüsünü, basit ideal
adsorplanma döngüsünü ve ısıl geri kazanımı olan bir ideal adsorplanma
döngüsünü içeren modeller sunulmuştur. Bu modeller, zeolit-su ve silika jel-su
çiftinin performansının tahmininde kullanılmıştır. Bu iki çift için göreceli maliyet
tahminleri yapılmış ve gerekli sonuçlar çıkarılmıştır.
2. SOĞUTMA DÖNGÜLERİNİN MODELLERİ
Termik olarak sürülen tersinir bir döngü ve basit ve tek yatak kullanan bir
adsorplanmalı yatak ile ısıl geri kazanım ile ideal adsorplanmalı soğutma döngüsü
modelleri dikkate alınmıştır. Bu sistemler, Tc sıcaklığındaki bir toplaçdan Qc ısısını
ve soğutulması istenen Tclg sıcaklığındaki kaynaktan da Qclg ısısını alır ve To
sıcaklığındaki ortama Qo ısısını verir. Soğutma döngüsünün termik performansı,
performans katsayısı (COP) ile ölçülür
COPdöngü =
Qclg
Qc
(1)
Sistem performans katsayısı (COP) toplaç üzerine düşen güneş enerjisine (Qs)
dayalı olarak tanımlanabilir
COPsistem =
Qclg
Qs
(2)
Burada COPsistem = ηcCOPdöngü ve ηc toplaç alanı (Ac) dikkate alınarak
hesaplanan toplaç verimi aşağıdaki gibi bulunur:
ηc = FR (τα ) −
FR UL (Tc − To )
(3)
Qs Ac
FR(τα) ve FRU değişkenleri, her toplaçın optik ve ısıl özellikleri belirler. Önemli bir
nokta da, bütün toplaçlar için toplaç verimi artan toplaç sıcaklığı ile azalır. Ayrıca,
yüksek sıcaklık sağlamak için tasarlanan toplaçlar ( küçük FRUL değeri ile
belirlenmiştir ), düşük ve orta sıcaklık sağlamak için tasarlanan toplaçlardan daha
pahalıdır. Güneş enerjisi destekli soğutma sistemindeki toplaç işletme
sıcaklıklarını azaltan tasarım değişikliği, dolayısı ile toplaç maliyetlerini de azaltır.
424
Tersinir Döngü
Sabit sıcaklıklar Tclg, To ve Tc de çalişan bir termik destekli bir soğutma döngüsü
için, tersinir döngü teorik olarak en yüksek performans katsayısına (COP) ulaşır.
Bu COP, tüm döngüye enerji ve entropi dengesi uygulanarak bulunabilir:
 T
COPter =  1 − o
 Tc

  To
− 1
 

  Tclg

−1
(4)
Özellikle, bu yöntem döngüyü oluşturan ögelere dayanmadığı için tüm termik
güçle çalışan sistemler için geçerlidir.
Basit İdeal Adsorplanma Döngüsü
En basit adsorplanma döngüsü, soğutucu buharını alternatifli olarak kondensere
yollayan ve evaporatörden soğutucu buharı alan tek bir adsorban yatak kullanır.
Soğutucu, kondenserden evaporatöre bir kesme vanasından ( throttling device)
geçerek akar. Adsorbanın doyum kapasitesi Cµ,s denge konumunda Cµ,s ≡
mads/mα olarak tanımlanır, burada m kütleyi ve alt semboller ads ve α
adsorplanmış soğutucu ve adsorbanı gösterir. Doyum kapasitesi, adsorban
sıcaklığı Tα ve soğutucu buhar basıncı Pv nin bir fonksiyonudur; yani Cµ,s =
Cµ,s(Tα, Pv). Doyum kapasitesi, azalan Tα ve artan Pv ile artar. Her gün, adsorban
yatağının dört ayrı durumunu tanımlayan T1, T2, T3 ve T4 sıcaklıklardan geçerek
bir termodinamik döngüsünü tamamlamaktadır. Kondenser ve evaporatörün
içindeki sıcaklıklar ve basınçlar sabit olup To ve Pkond, Tclg Pevap değerlerine
eşittir. İncelenen durumda, adsorban yatağında termodinamik denge kabul
edilmiştir, böylece Tclg < To = T3 < T4 < T2 < T1 = Tc, Pkond = Psat(To), ve Pevap =
Psat(Tclg), burada Psat sıcaklığın bir fonksiyonu olan soğutucunun doyum
basıncıdır. 1 Nolu konumda, adsorban yatağı en yüksek sıcaklığa ısıtılmıştır ve
Pkond basıncında ve Cµ,s,1 = Cµ,s,min en düşük doyum kapasitesindedir.
Kondenser sıvı soğutucu ile doluyken, evaporatör sadece soğutucu buharını
içerir. Bu döngü aşağıdaki aşamalardan oluşur:
1
2: Sistemin ögeleri arasında bir soğutucu alışverişi olmadan, adsorban yatağı
çevreye ısı transferi ile T2 ara sıcaklığına soğutulur. Kapalı adsorban yatağında ,
bir miktar soğutucu adsorplanır. Yataktaki basınç, doyum kapasitesini çok az
etkileyerek (dCµ,s = 0 ) Pkond ‘den Pevap ‘ e iner. 2 Nolu konumdaki sıcaklık Cµ,s(T2,
Pevap) = Cµ,s(T1, Pkond) ilişkisi ile sabitlenmiştir.
2
3: Adsorban yatağı T3 en düşük sıcaklığına inene kadar çevreye olan ısı
transferi ile soğutulur. Doymuş sıvı soğutucu kondenserden çıktıktan sonra
kesme vanasından akar ve doymuş bir buhar olarak kaynadığı evaporatöre gider,
takiben adsorplandığı yatağa ulaşır.Adsorplanma yatağı Pkond sabit basıncında
soğur ve doyum kapasitesini en yüksek değere olan Cµ,s,3 = Cµ,s,max’a çıkarır.
Evaporatördeki kaynama ısısı, bu döngü içindeki soğuma ile sağlanır.
425
3
4: Adsorban yatak ara T4 sıcaklığında güneş enerjisi ile ısıtılır ve bu sırada
sistem ögeleri arasında bir soğutucu alışverişi olmaz. Kapalı adsorban yatağında
bir kısım soğutucu, desorplanma sonucu doyum kapasitesini fazla değiştirmeden
(dCµ,s = 0) yataktaki basıncı Pevap den Pkond ‘e artırır. 4 Nolu konumdaki sıcaklık,
Cµ,s(T4, Pkond) = Cµ,s(T3, Pevap) bağıntısı ile belirlenmiştir.
4
1: Adsorban yatağı güneş enerjisi ile ısıtılmaya devam eder. Soğutucu,
adsorban yatağında desorplanır ve yoğuştuğu ve toplandığı kondensere gider.
Adsorban yatağının ısıtılması Pkond sabit basıncında devam eder.
Güneş toplaçından adsorban yatağına ulaşan ısı transfer farkı, genel enerji
dengesi kullanılarak:
dQc − hv δ mkond = d U β + dUα + d Uads (5)
Burada, hv and δmkond adsorban yatağından ayrılan desorplanmış soğutucu
buharının entalpi ve kütlesini gösterir. U toplam iç enerjiyi, alt sembol β ise
adsorban yatağının kabuğunu işaret eder. dUβ adsorban yatağının kabuğunun
tasarımı ile belirlenir. dUα ve dUads terimleri ise adsorban ve soğutucu seçimlerine
bağlıdır. Ideal olarak dUβ, dUα ve dUads ‘ye göre ihmal edilebilir. Bu basit döngü
için adsorban ve soğutucunun mümkün olan maksimum COP üzerindeki etkilerini
incelemek için sınır varsayımları yapılmıştır(dUα and dUads) >> dUβ ≈ 0.
δmkond = -mαdCµ,s, mads = mαCµ,s dikkate alarak, adsorblanma ısısını hads = hv –
uads olarak tanımlayarak ve özgül ısıyı c ile gösterirsek, (5) Nolu denklem
aşağıdaki gibi yazılabilir:
(
)
dQc = mα cα + cads Cµ ,s dT − hads mα dCµ,s (6)
Her döngü için sabit bir soğutma yükünü karşılamak için gereken adsorban
kütlesini hesaplamak için evaporatör üzerinde bir enerji dengesi uygulanmıştır.
Burada kesme işleminin aynı entalpide yer aldığı kabul edilmiştir.
mα =
Qclg
(
hv ,T
clg
− hl ,T
o
)(
Cµ ,s,max − Cµ ,s,min
)
(7)
Burada alt sembol l doymuş sıvıyı göstermektedir. Denklem (6)’nın, Qc ‘yi bulmak
için 31 üzerinde integrali alınmalıdır.
Isı Geri Kazanımlı İdeal Adsorplanma Döngüsü
Yukarıda tanıtılan basit ideal adsorplanma döngüsü için, aynı sıcaklık aralığı için
13 arasında adsorban yatağından ve 31 arasında adsorban yatağına ısı
transferi meydana gelir.
Bu da ısı geri kazanımı için bir fırsat olduğunu akla getirir. Isıl geri kazanımı en
fazla sağlayacak yöntem, Şekil 1 de görüldüğü gibi döngü içinde adsorbanı
sonsuz adsorban yatağı arasında bölmektir. Isıl geri kazanımlı bir ideal döngünün
ana fikri sunulduktan sonra ayrıntılı bir matematiksel modele geçilecektir.
Herhangibir zamanda, birisi soğutmada diğeri de ısıtmada olmak üzere iki
adsorplanma yatağı aynı sıcaklıktadır. Bunlara adsorplanma yatak çifti denir. Her
adsorplanma yatağı, döngü içinde Şekil 1 de görüldüğü gibi saat yönünün aksine
426
olarak bir yatak çiftinden diğerine ilerlediği düşünülebilir. Bu adsorban çifti için,
tersinir ısı transferi, soğutulan adsorban yatağından ısıtılan adsorban yatağına
geçer. Adsorban yatağı içinde ısıtılan ve desorbe olan soğutucu, kondenser
akımında toplanır. Kondensere girmeden, kondenser akımı kondenser sıcaklığına
indirilir. Bu işlem, ısıtılan adsorban yataklarının azalan sıcaklığı arasından
geçirilerek yapılır. Kondenser akımından adsorban yataklarına tersinir ısı transferi
oluşur. Benzer bir şekilde, bir evaporatör akımı da kondenserden çıkar. Bu
akımdan çıkan sızıntı adsorplanma işlemi devam eden adsorplanma yataklarını
besler. Evaporatör akımı, soğutulan adsorban yataklarına artan sıcaklık sırasına
göre beslenerek ısıtılır. Soğutulan adsorban yataklarından evaporatör akımına
tersinir bir ısı transferi meydana gelir.
Şekil 1: (a) Çift oluşturan iki adsorban yatağın ayrıntıları;(b) Isıl Geri
Beslemeli bir Adsorplanma Sisteminin Şeması
T sıcaklığındaki adsorban yatak çiftinin fazla termik enerjisi, adsorban yatak
çiftine geri dönüşü olmadan transfer edilir. Bu fazla termal enerji, adsorban yatak
çiftlerine, enerji tükenene kadar giderek azalan sıcaklıklarda geri dönüşü olmadan
kaskatlanır. Bu fazla termik enerji, en düşük sıcaklıktaki yatak çiftinden çevreye
atılır. Güneş toplaçından bir adsorban yatak çiftine ısı transferi ancak bir termik
enerji açığı olursa meydana gelir. Sıvı-buhar ısı değiştirgeçi (ID), kondenserden
çıkan sıvı soğutucuyu soğutmada ve evaporatörden çıkan soğutucu buharını
ısıtmakta kullanılır. Sıvı-buhar ID’deki sıvı ve buhar kütle akım hızları aynı
olmasına rağmen, sıvı akımı sadece To dan T > Tclg‘e soğutulur. Bu arada, özgül
ısılardaki fark nedeniyle buhar akımı Tclg den To’a ısıtılır.
Geliştirilen matematiksel model sadece bir döngü içindir. Her adsorban yatağı
bütün konumlardan geçer ve böylece herhangibir konumdan geçen toplam
adsorban kütlesi, sistemde bulunan toplam adsorban kütlesine (mα) eşittir. T
sıcaklığındaki bir adsorban çiftinin mümkün olabilecek ısıl etkileşimleri, güneş
toplaçından dQh, T + dT sıcaklığındaki çiftten Qp,gir , ve T – dT sıcaklığındaki
çiftten Qp,çik dir. Kondenser buhar akımı dT < 0 kadar soğutulur ve mkond kadar
toplam kütle akım hızı vardır. Benzer şekilde, evaporatör buhar akımı dT > 0
kadar ısıtılır ve mevap kadar toplam kütle akım hızı vardır. Soğutucu kütlesinin
δmkond kadar fark kütlesi ısıtılmakta olan adsorban yatağından desorplanır ve
adsorban yatak çiftinin kondenser akımı çıkışına eklenir. Benzer şekilde,
soğutucunun δmevap fark kütlesi adsorban yatak çiftinin evaporatör akımının
girişinden sızabilir ve soğutulan adsorban yatağının içinde adsorplanabilir. Isıtılan
ve soğutulan adsorban yataklarının özellikleri altsemboller htg ve clg kullanılarak
427
gösterilmiştir. Isıtılan ve soğutulan adsorban yatakları dThtg > 0 ve dTclg < 0
sıcaklık değişimlerini içerir. Jenerik bir adsorban yatağındaki temel enerji dengesi
aşağıdaki denklemi verir:
dQc + Qp,gir − Qp,çik + mkond − mevap hv T + dT − hv T − dT 
2
2 

(8)
(
)
(
)
(
)

+hv δmevap − δmkond = d  Uβ + Uα + Uads
+ Uβ + Uα + Uads

htg
clg

(
)
(
)
(
)
Denklem (8) To ≤ T ≤ Tc, dQc(T) ≥ 0 ve dQc(T) koşullarına bağlıdır ve Qp,çik(T) ≥ 0
‘daki minimum değerini alır. Denklem (8), bazı basitleştirmeler ve varsayımlar
yapılarak daha uygun bir hale getirilebilir. Yataklar dThtg = -dTclg olacak şekilde
dağıtılabilir. Bütün adsorban yatakları kabuk ve adsorban malzemeleri
bakımından aynı olduklarından, dUβ,htg + dUβ,clg = 0 ve dUα,htg + dUα,clg = 0. İki
adsorban yatağının aynı sıcaklıkta olması durumunda, basınç farklılıklarından
kaynaklanan doyum kapasitesi farklılıkları sonucu: dUads,htg + dUads,clg ≠ 0.
Doyum kapasitesini kullanarak ve dT = dThtg = -dTclg > 0 tanımlayarak ve (dCµ,s)htg
< 0, (dCµ,s)clg > 0, mads = mαCµ,s, δmkond = -mα(dCµ,s)htg, ve δmevap = mα(dCµ,s)clg
bilgisi ile, Denklem (8) aşağıdaki hali alır:
 dT
− Cµ,s
dQc + Qp,gir − Qp,çik = mα cads  Cµ,s

htg
clg

(9)


−mα hads  dCµ,s
+ dCµ,s
− c p,v mkond − mevap dT
htg
clg 

(
(
)
(
)
)
(
(
)
)
Burada, cdT = du = dh sıkıştırılamaz maddeler ( katı ve sıvı) ve cpdT = dh
sıkıştırılabilir maddeler ( buhar) için kullanılmıştır. mkond ve mevap terimleri ise:
Tc ,Pkond
mkond = −
∫
mα dCµ ,s (10)
T ,Phtg
Tc ,Pkond
mevap = −
∫
mα dCµ ,s (11)
T ,Pclg
Burada, Phtg
ve Pclg ,T
sıcaklığında bulunan adsorban yataklarının iç
basınçlarıdır. Her adsorban yatağı, basit ideal adsorplanma döngüsünde olduğu
gibi dört kararsız işlevden geçtiği şekilde modellenmiştir. T1, T2, T3 ve T4
sıcaklıkları bu dört işlevin son konumlarını tanımlamakla beraber, adsorban yatak
çiftlerinin üç termik rejimini de sonuçlandırır. Aşağıdaki açıklama, To = T3 < T4 < T2
< T1 = Tc (karşılık olarak T3 < T2 ≤ T4 < T1) özelliklere sahip olanlar için geçerlidir.
Bunlar en yüksek COP’ları üretir. Bu termik rejimlerin açıklamaları:
Sadece Desorplanma (T2 < T ≤ T1): Adsorban yatağı, ısıtma 41 işlevinden
geçerken, 12 soğutma işlevinden geçer. T = T1, Qp,gir için, mkond ve mevap sıfıra
eşittir
428
Desorplanma ve Adsorplanma (T4 < T ≤ T2): Adsorban yatağı, ısıtma 41’i
takip ederken, 23 işlevlerini takiben soğur.
Sadece Adsorplanma (T3 ≤ T ≤ T4): Soğuyan adsorban yatağı, ısıtma 34
işlevlerini takip ederken, 23 işlevlerin takip eder . T = T3 için, Qp,çik ısı transferi
çevreye gider; yani Qp,o = Qp,çik(To).
Bir döngü için toplaçtan adsorplanma yatak çifti’ne geçen ısı transferi, Denklem
(9)’u 3’den 1’e integrali alınarak bulunur. Ayrıca, adsorban yatakları çevresinde
alınan bir sınır için, bir döngü için enerji dengesi Qc = Qp,o verir.
Kondenser, evaporatör, kesme vanası ve sıvı-buhar ID’i, basit adsorplanma
döngüsünde olmadığı gibi, kararlı bir akım olarak çalışır. Sıvı-buhar ID etrafında
bir sınır çizildiğinde, kesme vanası ve evaporatör, ve evaporatörden çıkan kızgın
soğutucu buhar ideal gaz olarak davranırsa ve böylece entalpisi sıcaklığın
fonksiyonu olursa, denge denklemi:
(
)
Qclg = mα hlv ,To Cµ,s,max − Cµ ,s,min (12)
Burada hlv buharleşma entalpisini gösterir.
3. ANALİZ VE SONUÇLAR
2. kısımda sunulan modeller soğutucu-adsorban çifti olarak su-zeolit için Tclg =
100C, To = 300C, ve 60 ≤ Tc ≤ 2000C olarak uygulanmıştır. Sentetik zeolit 3A için
adsorplanma bilgileri kullanılmıştır. Adsorplanma ısısının sabit olup 4000 kJ/kgα ‘a
eşit ve orta ve yüksek zeolit fiyatlarının $0.50/kg ve $4.50/kg [4] olduğu kabul
edilmiştir. [5] ‘ de sunulan silika jel 3A için adsorplanma ve adsorplanma ısısı
bilgileri kullanılmış ve orta ve yüksek silika jel fiyatlarının $3.37/kg [6] ve
$20.16/kg [7] olduğu kabul edilmiştir.
Şekil 2(a)’da, döngü COP’sı zeolit ve silika jel için toplaç sıcaklığının bir
fonksiyonu olarak,tersinir döngü ( adsorban maddesinden bağımsız olarak), ısı
geri kazanımlı ideal adsorplanma döngüsü, ve basit ideal adsorplanma döngüsü
için verilmiştir. Özellikle, silika jel kullanımı sonucu döngü COP’sı, zeolit kullanılan
basit döngüdeki tüm toplaç sıcaklıklarındakine eşit veya daha fazladır. Zeolit,
bütün toplaç sıcaklıklarında ısıl geri kazanımlı ideal adsorplanma döngüsü için
daha yüksek döngü COP’sına sahiptir. Bu nedenle, ısıl geri kazanımlı sistem
zeolit için silika jele göre daha yararlıdır, ve bu yararlılık toplaç sıcaklığı ile artar.
1500C toplaç sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda silika jelin basit döngü için daha
yüksek döngü COP’sı olmasının sebebi, silika jelin birim kütle başına daha
yüksek bir doyum kapasitesi değişikliğine ve daha küçük adsorplanma ısısına
sahip olmasıdır. Isı geri kazanımlı ideal adsorplanma döngüsü için silika jelin
daha düşük döngü COP’sının olmasının sebebi, adsorplanmanın daha geniş
sıcaklık alanında meydana gelmesi ve bu ısıl rejimde çıkan adsorplanma ısısının,
429
sıcaklık artışı
için
kullanılamamasıdır.
geri
kazanılabilmesi
buharlaşma
ısısı
için
10.00
Zeolit/Silica Gel Oranları
(Hacimi ve Maliyeti)
10.0
COPdöngü
ancak
1.0
COPter
COPısg,z
COPbasit,z
COPbasit,sg
COPısg,sg
80
100
120
140
160
0.10
0.01
60
0.1
60
1.00
180
80
100
120
200
o
160
180
200
Mz,orta/Msg,orta
Mz,yük/Msg,orta
o
Toplaç Sıcaklığı ( C)
(a)
140
Toplaç Sıcaklığı ( C)
Vz/Vsg
Mz,orta/Msg,yük
(b)
Şekil 2: (a) Döngü COP ve (b) karşı Toplaç Sıcaklığı (V = Hacim; M = Maliyet; ter
= tersinir; ısg = ısı geri kazanımı; z = zeolite; sg = silica gel; yük = yüksek)
Isıl geri kazanımlı ideal adsorplanma döngüsünde, silika jel yerine zeolit için, her
adsorplanma yatak çifti açısından daha iyi bir ısıl uyum vardır.
Yüksek ve orta maliyetleri dikkate alarak, Şekil 2(b)’de zeolit/silika jel oranları
hacım ve maliyet cinsinden, toplaç sıcaklığının fonksiyonu olarak sunulmuştur. Bu
0
oranların döngü tipinden bağımsız oldukları görülmektedir. 150 C altındaki bütün
sıcaklıklarda, zeolitin silica jele gore daha fazla hacım kapladığı, fakat yüksek
zeolit/orta silica jel maliyet oranı hariç, zeolitin maliyeti bütün sıcaklıklar için
0
düşüktür. 150 C altındaki bütün toplaç sıcaklıklarında, hacımdaki farkın nedeni
silica jelin doyum kapasitesindeki değişikliğin fazlalığıdır. Buradaki maliyetlerdeki
farkın nedeni silica jelin birim kütlesinin maliyetinin fazla olmasıdır.
TARTIŞMA VE SONUÇLAR
Tersinir termik soğutma döngüsü,basit ideal adsorplanma soğutma döngüsü ve
ısı geri kazanımlı ideal adsorplanma soğutma döngüsü için matematik modeller
sunulmuştur. Modeller, zeolit-su ve silica jel-su adsorban-soğutucu çiftlerinin ısıl
performansının (döngü COP) ve adsorban maliyeti tahmininde kullanılmıştır.
0
60-200 C toplaç sıcaklığı aralığında ve basit döngü için, ısı geri kazanımlı sistem
döngü COP’sını zeolit için 2 - 8 arası artırır. Silika jel için bu artış 1.2-1.7 olur ve
toplaç sıcaklığı ile sürekli artar.
O
Toplaç sıcaklıkları 150 C’den az olursa , basit döngülü sistemde COP silika jel
için zeolitten daha fazladır, ancak bütün toplaç sıcaklıkları için ısıl geri kazanımlı
döngüde zeolit için COP silika jele gore daha fazladır. Böylece, silica jel için basit
döngü COP’sı, zeolitinkinden daha fazladır. Zeolit için ısıl geri kazanımlı döngü
COP’sı, silica jele gore daha fazladır. Isıl geri kazanımlı döngü COP’sı silica jele
0
gore zeolitte çok daha fazladır.80 C’de zeolit tarafından kaplanan hacım silica jele
O
gore 6 kat fazladır ve bu oran 150 C’den fazla toplaç sıcaklıkları için 1’e kadar
düşer. Yüksek zeolit maliyetı ve orta silika jel maliyeti dışında, zeolit maliyetinin
430
silika jel maliyetinden düşük olduğu tahmin edilmiştir. Bütün durumlarda, silika
jelin göreceli maliyeti toplaç sıcaklıklarının artması ile artar.
0
Elde edilen sonuçlar, 100 C’nin altındaki toplaç sıcaklıklarında basit döngülü silika
0
jelin tasarım basitliği açısından daha uygun olabildiğini gösteriyor. Ancak, 100 C
altında daha yüksek döngü COP’sı elde etmek için, daha yüksek toplaç
sıcaklıklarında çalışan ısıl geri kazanımlı ve daha gelişmiş bir tasarımı gerektiren
zeolit sistemi gereklidir.
KAYNAKÇA
1.
K. Sumathy, K.H. Yeung, and Li Yong, Technology Development in the
Solar Adsorption Refrigeration Systems, Progress in Energy and Combustion
Science, vol. 29, pp. 301-327, 2003.
2.
A.O. Dieng, R.Z. Wang, Literature Review on Solar Adsorption
Technologies for Ice-making and Air-conditioning Purposes and Recent
Developments in Solar Technology, Renewable & Sustainable Energy Reviews,
vol. 5, pp. 313-342, 2001.
3.
Z. Kivrak, S. Ülkü, S. Beba and B. Seyrek. Enerji Depolama ve Hava
Kurutmada Doğal Zeolitlerden Yararlanma, Işı Bilimi ve Tekniği Dergisi, vol. 8, pp.
23-28, 1986.
4.
Baker, D.K. and B. Kaftanoğlu, "Predicted Impact of Collector and Zeolite
Choice on Thermodynamic and Economic Performance of a Solar Powered
Adsorption Cooling System ", Submitted to the journal Experimental Heat
Transfer, 2005.
5.
Ng, K.C., H.T. Chua, C.Y. Chung, C.H. Loke, T. Kashiwagi, A. Akisawa,
and B.B. Saha, Experimental Investigation of the silica gel-water adsorption
isotherm characteristics, Applied Thermal Engineering, vol. 21, pp. 1631-1642,
2001.
6.
www.jakesmp.net, Accessed February 2006.
7.
www.cwaller.de, Accessed February 2006.
431