Search

iÖZETDünya ülkelerinin hızlı bir şekilde teknolojik alanda ilerleyerek sanayileşmesi venüfus artışı enerji ihtiyacımızı sürekli olarak arttırmaktadır. Aşırı fosil yakıtkullanımının en önemli sorunlarının başında çevre kirlenmesi, küresel ısınma, iklimdeğişikliği ve sera etkisi gelmektedir. Ayrıca fosil enerji kaynakları rezervlerininyetersiz oluşu ve gelecekte tükenecek olması insanlık için büyük tehlikedir. Bunun içintemel çözüm, fosil enerji kaynaklarına birer alternatif teşkil edecek ?Yenilenebiir EnerjiKaynakları?na yönelmek olacaktır. Yenilenebilir Enerji Kaynakları, güneş enerjisi,rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, gelgit enerjisi ve biokütle enerjisi olarak sayılabilir.?Isı Pompası? basit olarak, ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama taşıyan veelektrikle beslenen bir sistemdir. Isı pompaları, ısı enerjisini düşük sıcaklıktakiortamdan alıp, yardımcı bir enerji kaynağı aracılığıyla yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağınasevk eden sistemlerdir. Isı pompası sistemleri ısı kaynağı olarak toprak, su, hava, güneşve jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanırlar. simlendirilmeleriise kullandıkları bu enerji kaynaklarına göre yapılır.Bu çalışmada Toprak ve Hava Kaynaklı ısı pompalarına etki eden parametrelerdeneysel olarak incelenmiştir.Yaz ve kış şartları için Hava ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalarının STK ve ITKdeğerleri hesaplanmıştır. Yaz şartları için Hava Kaynaklı Isı Pompasının ortalama STKdeğeri 2.8, Toprak Kaynaklı Isı Pompasının ortalama STK değeri ise 2.2 olarakbulunmuştur. Kış şartlarında ise Hava Kaynaklı Isı Pompasının ortalama ITK değeri3.5, Toprak Kaynaklı Isı Pompasının ortalama ITK değeri ise 2.5 olarak bulunmuştur.ANAHTAR KEL MELER: Yenilenebilir Enerji, Isı Pompası, Hava Kaynaklı IsıPompası, Toprak Kaynaklı Isı Pompası iiABSTRACTEnergy demand has been increasing as a result of industrialization parallel totechnological development of world countries and population increase. The problemscaused by excess fossil fuel consumption are the environmental pollution, globalwarming, climate change and greenhouse effect. For this reason, turning to ?RenewableEnergy Sources? seems as a fundemental solution instead of fossil energy resources.Heat Pumps are the systems that transfer the thermal energy from lowtemperature medium by using an auxilary energy source, to high temperature reservoir.Heat pump systems use renewable energy sources such as earth(ground), water, air,solar and geothermal energy as thermal reservoir; nomenclature is according to usedenergy source.In our country, the studies on Ground Source Heat Pumps are restricted andthere is no any study especially for Bursa. In this study it is aimed to obtain data forBursa City and Marmara Region and for this purpose, a test room is cooled and heatedfor summer and winter conditions by using constructed experimental set-up. Both airsource and ground source heat pump systems can be studied on experimental set-up.The affected parameters for both system in summer and winter conditions areinvestigated experimentally.COP values of air and ground source heat pumps are determined for summer andwinter conditions. For summer conditions, average COP values of air and ground sourceheat pumps are determined as 2.8 and 2.2, respectively. For winter conditions, averageCOP values of air and ground source heat pumps are also determined as 3.5 and 2.5.KEY WORDS: Renewable Energy, Heat Pump, Air Sourced Heat Pump,Ground Sourced Heat Pump 208

Bu çalışmanın amacı, yatay tip ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompasının analizidir. Çalışma kapsamında, ısı pompalan ile ilgili temel kavramları vermek amacıyla, ısı pompasının tarihçesi, ısı pompası teorisi ve ısı pompalarının sınıflandırılması ile ilgili genel bilgiler sunulmuş, yatay tip ısı değiştiricili toprak kaynaklı ısı pompalan ile ilgili yapılan çalışma sonucu elde edilen bilgiler analiz edilmiştir. Söz konusu sistemin projelendirilmesi ve uygulaması ile ilgili işlemler anlatılmış ve alternatif sistemlere göre avantaj ve dezavantajları belirtilmiştir. Çalışmanın son bölümünde, konu ile ilgili varılan sonuçlar sunularak, tespit edilen olumsuzluklar ve çözümleri ile ilgili öneriler verilmiştir. Anahtar Sözcükler: Isı Pompası, Toprak Kaynaklı, Yatay Tip Isı Değiştiricisi The aim of this study is to analyse the ground source heat pump with horizontal type heat exchanger. In order to give the basic concepts about heat pumps, general knowledge about the history, the theory and the classification of heat pumps are presented and the information which is obtained from a study about the ground source heat pumps with horizontal type heat exchanger is analysed. The processes of the design and application of this system are described and in comparision with alternative systems its advantages and disadvantages are made clear. At the last chapter of the study, conclusions are presented and the suggestions are made about the solutions of the problems that are already obtained. Key Words: Heat Pump, Ground Source, Horizontal Type Heat Exchanger 115

ÖZET Bu tezde, ısı pompası destekli çapraz akımlı sürekli kurutucu matematiksel olarak modellenip, turbo pascal programlama dili yardımıyla bir simulasyon programı oluşturulmuştur. Öncelikle ısı pompası destekli çapraz akımlı sürekli kurutucu, ısı pompası ünitesi ve kurutucu ünitesi olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Bu iki ünite için ayn ayrı oluşturulan simulasyon programlan birleştirilerek sonuca gidilmiştir. Isı pompası destekli çapraz akımlı sürekli kurutucu iki şekilde tasarlanmış olup bunlar, basit nem alıcı ısı pompalı kurutucu (sistem I) ve açık hava çevrimli ısı pompalı kurutucu (sistem II) olarak adlandırılmıştır. Bu iki sistem detaylı olarak analiz edilerek, birbirleriyle mukayese edilmiştir. Birleştirilen bu iki program için kurutucu ünitesi çıkış şartlan, aynı zamanda ısı pompası ünitesi giriş şartlarını oluşturmaktadır. Simulasyona, girilen tahmini kurutucu çıkış şartlan, hesaplanan kurutucu çıkış şartlarına eşit oluncaya kadar devam edilmiş ve sonuca ulaşılmıştır. Yapılan analizler neticesinde görülmüştür ki, basit nem aha ısı pompalı kurutma sisteminde evaporatörden geçen havanın bir kısmının by-pass edilmesi (evaporatöre uğramadan geçirilmesi) sistem performansını arttırmaktadır. Sistem performansı, sistemde dolaşan hava miktarına bağlı olarak belirli bir by-pass miktarına kadar artmaktadır. Bu nokta sistemde maksimum verimin sağlandığı optimum noktadır. Açık hava çevrimli ısı pompalı kurutucunun (sistem II) analizinde ise, bu sistemin çevre havası şartlan için sistem I' den daha hassas olduğu görülmüştür. Çevre havası sıcaklığı düştüğünde, örneğin kışın sistem V in, sistem IF den daha verimli, ve sistem E nin hava sıcaklığı yüksek (örneğin yazın) fakat bağıl nemi düşük iklime sahip bölgelerde kullanılmasının daha verimli olduğu saptanmıştır. Bu sonuçlardan yola çıkarak ülkemiz şartlarında bir ısı pompalı sürekli kurutucunun, her iki sistem modunda çalışacak şekilde tasarlanması tavsiye edilmiştir. Anahtar Kelimeler : Isı pompası, sürekli kurutucu, çapraz akımlı kurutucu, simulasyon 11 ABSTRACT In this thesis, heat pump assisted cross flow continous dryer is modelled, matematically and turbo pascal simulation program is written. Heat pump assisted cross flow continous dryer consists of heat pump unit and dryer unit firstly. Simulation programs are written indivisually for these units and then the results are obtained by combining them. Heat pump assisted cross flow continous dryer is designed in two ways. One of them is named as simple dehumidifier heat pump dryer (system I) and the other is named as open air cycle heat pump dryer (system D) These two systems are analyzed in detail and they are compared each other. Dryer unit outlet conditions are the input conditions of the heat pump unit for combined computer program. Iteration is continued up to input values of the dryer's estimated output conditions are equal to dryer's calculated output conditions and then the results are obtained. In the results of analysis, by-passing of some amount of air passes through evaporator increases the system performance for system I. System performance increases to limit value of by-pass ratio depending on the air amount. This value is an optimum point that system runs with maximum efficiency. In the analysis of the open air cycle heat pump dryer (system D), system II is more sensitive to ambient conditions than system I. When the ambient air temperature is low, for example in winter, system I is more efficient than system II and system II must be operated in region which have high air temperatures (for example in summer) but low relative moisture content is more efficient. By considering these results, it is recommended that a heat pump assisted continous dryer may be designed to operate in these two system modes in conditions of our country. Key words : Heat pump, continous dryer, cross flow dryer, simulation 125

85 ÖZET n Tezin ilk bölümünde kurutmanın tarihçesi hakkında bilgi verilerek kurutmaya giriş yapılmakta ve ikinci bölümünde çalışmanın temelini teşkil etmesi açısından kurutmanın teorisine değinilmektedir. Üçüncü bölümde temel konveksiyonel kurutucu tipleri tanıtılarak, bu kurtucularda gerçekleşen kütle ve enerji dengeleri ile malzeme yüzeyinden varolan enerji akışı yanında kurutmada, psikrometriden nasıl yararlanılacağı da açıklanmaktadır. Dördüncü bölümde tekstil sanayiinde kurutma hakkında bilgi verilerek, kurutma teorisinin uygulama alanı olarak ele alınan bir tekstil mamulü üzerinde kuruma esnasında gözlenen aşamalar incelenmekte ve beşinci bölümde tezin ikinci kısmını oluşturan ısı pompasının kurutmadaki yerine değinilerek, ısı pompasının çalışma prensipleri hakkında bilgi verilmektedir. Altıncı bölümde ise ısı pompasının endüstriyel uygulamaları hakkında genel bilgiler verilerek, özellikle kurutma alanındaki uygulamalar ve ısı pompalı kurutucu sistemleri açıklanmaktadır. Tezin deneysel olarak üzerinde çalışılan yedinci bölümünde, fuel-oil ile çalışan konveksiyonel tip kurutucu ile geri beslemesiz tip ısı pompası arasında, enerji tasarrufu açısından mukayese yapılmaktadır. Kurulan prototip bir ısı pompası deney tesisatında girişe yerleştirilen fan vasıtasıyla çevre şartlarından alınan hava sistemin içine gönderilmektedir. Sistemin içine giren hava ısıtıcıda ısıtıldıktan sonra nemlendirici ile üzerine su püskürtülerek izafi nemi %80 durumuna getirilmektedir. Sistemde nem kazanan hava, havanın çiğ noktası sıcaklığının altında olan ısı pompası buharlaştırıcısının serpantinleri arasından geçirilerek nemini bırakarak soğumakta ve sonra bu soğuyan hava ısı pompasının yoğuşturucusunda ısıtılmaktadır. Yukarıda anlatılan deneysel çalışma geri beslemesiz tip ısı pompası için elde edilmiştir. Fakat en tesirli ısı pompası tezin içerisinde de değinildjği_gibi, geri beslemeli tip ısı pompasıdır. Bunu ispatlamak amacıyla son olarak, bir tekstil fabrikasında fuel-oil ile çalışan konveksiyonel tip kurutucu ile geri beslemeli tip ısı pompası karşılaştınlmıştır.86 Gerçekleştirilen geri beslemeli tip ısı pompalı kurutma sisteminin çalışma prensibi şu şekildedir : Mamul üzerinden geçerek mamul'ün nemini alarak doymuş hale gelen havanın bir kısmı buharlaştırıcının soğuk serpantinleri arasından geçirilmek suretiyle içindeki nem yoğuşturulmaktadır. Nemi alınan hava ile by-pass edilen diğer kısım yoğuşturucu girişinde karıştırılarak, yoğuşturucu üzerinden geçirilmek suretiyle ısıtılarak kurutma odasına geri gönderilmektedir. 91

Isıtma tesir katsayısı yüksek ve randımanlı çalışan bir ısı pompası yapabilmek için ısı pompasına etki eden parametrelerin iyi bilinmesi ve yerinde kullanılması gereklidir. Bu nedenle bu çalışmada ısı pompasına etki eden parametreler detaylı olarak incelenmiştir. In this study, the cycle calculations and the determination of the coefficient of performance for the vapour compression heat pump are explained. The variation of the coefficient of performance according to changes in the condenser and evaporator temperatures, calculat by a computer program are given. The effect of superheating and subcooling on the coefficient of performance is explained by curues. Concepts of heat pump efficiency and primary energy rate are given and the factors affecting them are examined.