Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevrimi

Isı pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibine göre çalışır. Basit bir ısı pompasının ana elemanları kompresör, genişleme vanası (expansion valve) ile buharlaştırıcı (evaporator) ve yoğuşturucu (condenser) olarak adlandırılan iki adet ısı değiştiricisidir.

T – s ve P – h diyagramlarından da görüleceği gibi çevrimi oluşturan hal değişimleri şöyledir:

• 1 – 2' : Kompresörde izentropik (tersinir – adyabatik) sıkıştırma
• 2' – 3 : Yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi
• 3 – 4 : Genişleme vanasında sabit entalpide genişleme
• 4 – 1 : Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi

Buharlaştırıcıdan çıkan doymuş buhar kompresörde izentropik olarak daha yüksek bir basınç ve sıcaklığa sıkıştırılarak kızgın buhar haline getirilir (1 – 2' durumu). Daha sonra yoğuşturucuya giren kızgın buhar, kullanılabilir ısısını dışarıya vererek sabit basınçta yoğuşur (2' – 3 durumu). Doymuş sıvı haldeki yüksek basınçlı akışkanın basıncı ve sıcaklığı genişleme vanasında buharlaştırıcı şartlarına getirilir (3 – 4 durumu). Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı ısı kaynağının sıcaklığından düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı geçişi olur ve akışkan buharlaşır (4 – 1 durumu). Buradan sonra çevrim yeniden başlar ve bu şekilde devam eder.

Yoğuşturucu ve buharlaştırıcıyı açık sistem (SASA) olarak göz önüne alıp kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilerek Temodinamiğin birinci kanunu uygulanırsa;

${\displaystyle q-w=h_{c}-h_{g}}$          (Dk.1)

ifadesi bulunur. Burada;

${\displaystyle q={\frac {\dot {Q}}{\dot {m}}}}$          (kJ/kg)          (Dk.2)

şeklindedir. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcıda iş etkileşimi yoktur. Bu durumda bu ifade;

${\displaystyle q=h_{c}-h_{g}}$          (Dk.3)

halini alır. Bu durumda yoğuşturucudan ortama verilen ısı miktarı:

${\displaystyle q_{y}=q_{sic}=h_{2}-h_{3}}$          (Dk.4)

olur. Aynı şekilde, buharlaştırıcıda ortamdan çekilen ısı miktarı:

${\displaystyle q_{b}=q_{sog}=h_{1}-h_{4}}$          (Dk.5)

olur. Genişleme (ya da kısılma) vanasındaki işlem için kinetik enerji değişim ihmal edilerek birinci kanun uygulanırsa;

${\displaystyle h_{3}=h_{4}}$          (Dk.6)

bulunur. Görüldüğü gibi, teorik çevrimdeki vanada gerçekleşen olay izentalpiktir. Kompresöre birinci kanun uygulanırsa;

${\displaystyle -w_{K}=h_{2}-h_{1}}$          (kJ/kg)          (Dk.7)

ifadesi bulunur. Burada;

${\displaystyle w_{K}={\frac {\dot {W_{K}}}{\dot {m}}}}$          (Dk.8)

şeklindedir. Dk.7'de de kompresör işinin önündeki eksi işareti sisteme iş verildiğinden işaret dengesini sağlamak için koyulmuştur. Bu değerler, hem ısıtma hem de soğutma da çevrimin tesir katsayılarının hesaplanmasına yararlar.

Isı pompasının iyilik derecesi olarak “ısıtma tesir katsayısı” (ITK) terimi kullanılır. Genel olarak, amaç ortama ısı vermek ve ödediğimiz bedel de kompresöre verilen enerji olduğundan ısı pompası için ısıtma tesir katsayısı (ITK);

${\displaystyle ITK={\frac {Gaye}{Bedel}}={\frac {\dot {Q_{y}}}{\dot {W_{K}}}}={\frac {h_{2}-h_{3}}{h_{2}-h_{1}}}}$          (Dk.9)

olarak bulunur. Bu denklemi Carnot Çevrimi'ne göre ısıtma tesir katsayısını yazalım:

${\displaystyle ITK_{c}={\frac {T_{sic}}{T_{sic}-T_{sog}}}}$          (Dk.10)

Carnot çevrimine göre bulunan ısıtma tesir katsayısı, tersinirlik göz önüne alınarak bulunur. Oysa tersinir bir çevrim henüz gerçekleştirilemediğinden buhar sıkıştırmalı çevrimden elde edilebilecek ısıtma tesir katsayısı (ITK) Carnot çevrimine göre bulunan değerden küçük olacaktır. Bunu;

${\displaystyle ITK=\eta .ITK_{c}}$          (Dk.11)

şeklinde ifade edebiliriz. Buradaki ${\displaystyle \eta }$ (verim) 0,5 – 0,7 arasındadır.

Teorik Buhar sıkıştırmalı çevrim gerçek anlamda sistemlere tam olarak uygulanamamaktadır. Bunun nedeni olarak basınç kayıpları, akışkan sürtünmesi, mekanik sürtünme ve dış ortam ile olan ısı alışverişleri gösterilebilir.

Buharlaştırıcıyı 1 noktasında terk eden soğutucu akışkanın 1 – 5 arasında emme hattındaki yük kaybından dolayı basınç düşer. Soğutucu akışkana civardan ısı geçişi neticesinde 5 – 6 arasında sıcaklık artar ve 6 – 7 arasında ise emme valfindeki basınç kaybı yüzünden de basınç azalır. Kompresöre 7 noktasında giren soğutucu akışkanın, 8 noktasında kompresörü terk ettikten sonra, 8 – 9 arasında çıkış valfinde basınç düşer, 9 – 10 arasında civara ısı geçişi yüzünden sıcaklığı azalır, 10 – 2 arasında borulardaki yük kayıplarından dolayı basıncı düşer. Soğutucu akışkan yoğuşturucuya 2 noktasında girer ve yoğuşturucudaki borularda sürtünmeler sebebiyle basınç çok az düşer. Soğutucu akışkan 3 noktasında yoğuşturucuyu terk eder ve kısılma vanasına girer ve 3 – 4 arasında kısılma işleminde soğutucu akışkan genişlerken basıncı ve sıcaklığı düşer. Kısılma işlemi gerçek çevrimde sabit entalpide olmaz. Soğutucu akışkan 4 noktasında buharlaştırıcıya girer, etrafındaki kaynaktan ısı çekerek buharlaştırıcıyı kızgın buhar olarak 1 noktasında terk eder. Yoğuşturucuda olduğu gibi borulardaki sürtünmeler sebebiyle buharlaştırıcıda da basınç düşüşü olur.

• Isı pompası
• Isı değiştiricisi
• Kompresör
• Yoğuşturucu
• Buharlaştırıcı
• Genişleme vanası