BUHAR SIKITIRMALI SOUTMA SSTEMLERNDE AIRI SOUTMA VE AIRI KIZDIRMA ETKSNN ISIL EKONOMK AIDAN NCELENMES

ZET 
Bu almada, teorik bir buhar sktrmal soutma sisteminin ar kzdrma ve ar soutma sdeitiricilerinin, farkl iki soutucu akkan iin sl ekonomik ynden analizi yaplm ve sistemin en iyi alma artlar belirlenmitir. Isl ekonomik en iyileme metodu olarak, yapsal ba katsaylar metodu kullanlmtr. Analizler, R22 soutucu akkan ve buna alternatif olarak R407c soutucu akkan iin yaplmtr. Sonu olarak, ar kzdrma ve ar soutma s deitiricilerinin ekonomik ve alma performansasndan en iyi alanlar tespit edilmitir. Bir soutma sistemi tasarmnda, s deitiricisi alannn azalmas, sistem maliyetini drr. Fakat s deitiricisi alannn drlmesi sistem verimini de drmektedir. Yaplan almada, s deitiricisi alannn, ve sistem veriminin en iyi olduu artlar belirlenmitir. 

1. GRolur. Bunun sonucu performans katsays deeri artar. 
Ayrca, soutucu akkann youturucudan ktktan Kompresrl soutma sistemleri, dk scaklktaki sonra buhar kabarcklar halinde genleme valfine bir ortamdan sy ekerek yksek scaklktaki ortama girmesi, genleme valfinin kapasitesini drr ve atan ve bylece bulunduu ortam soutan buharlatrcya giren soutucu akkan miktar azalr. sistemledir. Bu ilemler soutucu akkanlar Ar soutma ilemi bu sakncay ortadan kaldrr [2]. yardmyla ve dardan enerji harcanarak yaplr [1]. 
Buharlatrc knda yaplan ar kzdrma ilemi Kompresrl soutma sistemlerinde, soutucu ise soutulmak istenen ortamdan daha fazla sakkann youturucu knda ar soutulmas, ekilmesini ve bylece sistem performansnn buharlatrcya dk sl kalitede girmesine ve artmasn salar. Bunun yannda ar kzdrma bylece akkann daha fazla s ekmesine neden ilemiyle kompresre sv soutucu akkan girmesi de nlenmi olur. Ar kzdrma scaklnn istenen deerlerden yksek seilmesi ise kompresrn daha fazla buhar hacmini sktrmas yani daha fazla g harcamas anlamna gelir. Bu nedenle ar kzdrma scaklnn deneysel verilerle saptanm ve tavsiye edilen deerlerde alnmas gereklidir. Btn bunlardan dolay ar kzdrma ve ar soutma scaklk miktarlar sistem performansn direk olarak etkilemektedir [3]. 
Ar soutmal ve ar kzdrmal teorik bir soutma evriminin tesisat emasekil 1de, evrimin P-h ve T-s diyagramlar ise ekil 2de gsterilmitir. Bu almada, youturucu,  ayr blgeye blnerek, buharlatrc ise iki blgeye blnerek incelenmitir. 

Soutma Soutma
suyu giri

suyu k


5 2
Ar Soutma Youturucu I. Blge Is Deitiricisi (kzgnln alndblge) 
Genleme Kompresr WC
Valfi Ar Kzdrma Is Deitiricisi 1 
Istma suyu ksuyu giri
ekil 1. Ar soutmal ve arkzdrmalsoutma evrimi tesisat emas
2




soutma evrimi P-h ve T-s diyagram
Bu almada buhar sktrmal bir soutma evriminin sl ekonomik en iyilemesi yaplarak arkzdrma ve ar soutma s deitiricilerinin ekonomiklik ve alma performans asndan en iyi boyutlar tespit edilmitir. Analizler, ozon tabakasna zarar nispeten az olup ksa vadede kullanlmasna devam ngrlen R22 ve tamamen evre dostu olan R407c soutucu akkanlar iin yaplmtr. 
2. SSTEM ELEMANLARININ EKSERJANALZ
Ekserji genellikle termomekaniksel ve kimyasal ekserjilerin toplam olarak deerlendirilir. Termomekaniksel ekserji, herhangi bir durum (T, P) ile sadece evrenin scakl (T0) ve basnc (P0) ile dengede olan bir durum arasndaki ekserjidir. T0 ve P0 evre artlarndaki bir durumun, evreyle kimyasal olarak dengede olduu durum arasndaki ekserjiye kimyasal ekserji ad verilmektedir. Termomekaniksel ekserji, kimyasal ekserji terimleri ihmal edilerek aadaki ekilde belirlenir [5]: 
.=(h-T0 s)+1 V 2 +gZ-(h0 -T0 s0 ) (1) 
2 
(1) denklemindeki potansiyel ve kinetik enerji terimleri ihmal edilirse aadaki denklem elde edilir: 
.=(h-T0 s)-(h0 -T0 s0 ) (2) 
Kompresrl teorik soutma sisteminin tm elemanlarnn tersinmezliklerinin hesaplanabilmesi iin, her bir eleman iin giren ve kan ekserji miktarlarnn hesaplanmas gerekir. Bunun iin sistemin ekserji dengesi aadaki gibi yazlr: 
W=.EQ+.m.-.m.-I (3) 
girenkan
Isl ekonomik en iyilemenin ilk admn oluturan ekserji analizinde yukardaki denklem, soutma evriminin her bir elemanna uygulanmasyla tersinmezlik eitlikleri Tablo 1deki gibi elde edilmitir. 
Tablo 1. Sistem elemanlarnn tersinmezlik eitlikleri Sistemin toplam tersinmezlii, sistem elemanlarnn tersinmezliklerinin toplamna eittir: 

Sistem Eleman  Tersinmezlik Eitlii  
Kompresr  (1 )20 ssTmIRC-= 
Genleme valfi  (5 )60 ssTmIREV-= 
Youturucu I. Blge  ()()......---=32120 ssmssmTIRkkkKI 
Youturucu II. Blge  ()()......---=43230 ssmssmTIRkkkKII 
ArSoutma IsDeitiricisi  ()()......---=54340 ssmssmTIRkkkAS 
Buharlatrc ()()......---=76120 ssmssmTIReeeE 
ArKzdrma Isdeitiricisi  ()()......---=17230 ssmssmTIReekAK 

IT=IC+IEV+IKI+IKII+IAS+IE+IAK (4) 
Sistem elemanlarnn tersinmezlikleri Denklem (4)de yerine konursa ve gerekli dzenlemeler yaplrsa soutma evriminin toplam tersinmezlik forml aadaki gibi elde edilir: 
TIT 0 = KKI(TkA 2 KI -. TTkm 1 ) ,KIln TTkk12 + KKII(TAk3 KII -. TTk 2 m ) ,KIIln TTkk32 
.. 
 
+mk cp ln.1 + KASAAS.Tm,AS.+ KEAE.Tm,Eln Te2 
k ... m  k cpkTk3 ... (Te1 -Te2 )Te1 
.. 
+m  ecpeln..1 -K AK  AAK .Tm,AK..  (5) ..
.mecpeTe2 .

3. ISIL EKONOMK EN YLEME 
Isl ekonomi, ekserji metodu ile ekonomik analiz kavramlarn birletiren bir disiplindir. Isl ekonomik en iyilemenin amac, verilen bir sistem yaps iinde, sermaye maliyeti giderleri ile ekserji giderleri arasnda sistem rnnn maliyetini minimum yapan bir ba kurmaktr. 
Ekserji metodunu kullanan sl ekonomik en iyileme yntemleri temel olarak ikiye ayrlr. Yapsal yntem olarak bilinen ve Beyer tarafndan ortaya atlan ilk yntem, yapsal katsaylarn kullanmna ve yerel birim tersinmezlik maliyetlerinin hesaplanmasna dayanr [5]. Tribus vd.nin ortaya att dier yntem, zerinde allan sistem elemanlarna giren ve kan ekserji yerel birim maliyetini kullanarak, sistem elamanlarnn zerk olarak sl ekonomik en iyilemeye olanak salar. Bu metoda Autonomous yntem denir [6]. Isl ekonomik en iyileme konusu ile ilgili literatrde farkl yntemlerin kullanldgrlmtr [7-18]. Bu almada yapsal bakatsaylar (Coefficient of Structural Bonds) olarak da bilinen yapsal yntem kullanlmtr. 
Srekli rejimde alan bir sistem ve onu oluturan elemanlar gz nne alnacak olursa, sistemin herhangi bir k elemannn tersinmezlii Iknn ve toplam tersinmezlik ITnin sistem parametresi xiye bal olarak oransal deiimi: 


..I .
. k .  (6) 
.k,i=... .. IxTi ... ..xi.
olarak ifade edilir ve k elemannn xi deikeni asndan yapsal ba katsays olarak tanmlanr. 
Sistemin ekserji balans dikkate alndnda, sistemin tersinmezliinin deiiminin, giriteki ekserji deiimine eit olduu tespit edilir [5]: 
Ein=Eout+IT, Eout=sbt (7) 
En iyileme iin ama fonksiyonu, yllk toplam iletme maliyetini ieren denklemdir ve aadaki gibi yazlabilir [5]: 
x op in xi . nl ()b  (8) 
CT()i=tCinE()+aC CCxi +C l=1
(7) ve (8) denkleminin, xi sistem parametresine gre trevleri alnrsa; 
.Ein=.IT  (9) 
.xi.xi
n
.CT.EinC .ClC 
=topCin+a. (10) 
.xi.xil=1.xi
elde edilir. Denklem (9), Denklem (10)de yerine konursa; 
.CT =topCin.IT +aC . n .ClC  (11) .xi.xil=1.xi
Denklem (11)in sa tarafndaki ikinci terim tekrar dzenlenirse; 
n.CC n.CC '.CC aC . l =aC . l +aC k  (12) l=1 .xil ' =1 .xi.xi
denklemi elde edilir. Bu denklemde l  .kdr. Yani l  altsimgesi, en iyilemenin uyguland eleman hari, sistemin herhangi bir elemann temsil etmektedir. Bu denklemin sa tarafndaki ilk terim tekrar dzenlenirse; 
n.ClC .Ik n.ClC 
'' 
. =.  (13) 
l ' =1 .xi.xil ' =1 .Ik
denklemi meydana gelir. Denklemin en satarafndaki terim sermaye maliyet katsaysdr ve .k,i ile tanmlanr (Kotas, 1985); 
n.CC 
' 
.k,i=.l  (14) l ' =1 .Ik 
Denklemler (11), (12), (13) ve (14) tekrar dzenlenirse aadaki denklem elde edilir: 
Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 2, 2006 

.CT =topCin.IT + aC .Ik .k,i+aC .CkC  (15) .xi.xi.xi.xi
Denklem (6)dan; 
.. IxTi =.k,i.. Ixki	 (16) 
yazlabilir. Bu eitlik, Denklem (15)de yerine konursa; 
.CT.IkC .IkC.CkC 
=topCin.k,i+a.k,i+a (17) 
.xi.xi.xi.xi
denklemi elde edilir. Denklemin sa tarafndaki ilk terim, tersinmezliin toplam maliyetinin xi parametresi ile deiimini gstermektedir. kinci terim, optimize edilen elemann tersinmezliinin deiimiyle dier elemanlarn maliyetindeki deiimi gstermektedir. nc terim ise optimize edilen elemann maliyetinin xi parametresi ile deiimini temsil etmektedir. Denklem (17) tekrar dzenlenirse; 
.CT =topCkI ,i .Ik + aC .CkC  (18) .xi.xi.xi
yazlabilir. Burada, CIk,i terimi; 
C CkI ,i =Cin.k,i+a .k,i (19) top
eklinde tanmlanmtr ve lokal tersinmezlik birim maliyetidir [5]. Toplam maliyet CTyi optimize etmek iin Denklem (18) sfra eitlenirse; 
..Ik. aC .CkC 
. .=- I  (20) ..xi.opt topCk,i.xi
denklemi elde edilir. Bu denklem, sistemin kncelemannn xi parametresine gre sl ekonomik en iyileme denklemidir. 
4. SSTEM ELEMANLARININ ISIL EKONOMK EN YLEMES
Genel en iyileme eitliklerini elde etmek iin soutma sisteminin tm elemanlarna Denklem (20)deki en iyileme ifadesi uygulanmtr. Buna gre her bir sistem eleman iin elde edilen eitlikler aada verilmitir. Bu eitliklerde dikkat edilecei zere, denklemin sol taraf, en iyilemenin yapld blgenin tersinmezliinin trevinin alann trevine orandr. Sa tarafndaki eitlikte ise parantez ierisindeki deerler, en iyileme yaplan ksm dnda kalan blgeleri iermektedir. Bu da en iyileme ileminin, sadece ilgili ksm deil ayn zamanda sistemin dier 
elemanlarn da iermesi anlamna gelmektedir. Youturucu I. Blge: 
..I .
. KI .= ..AKI.OptC
1.CKI
-..CC .CASC .CC .CC ..AKI
. KII EAK .
topC . ..AKII.AAS.AE.AAK..

a in KI +.. .IT +.IT +.IT +.IT .. KI
C..AKII.AAS.AE.AAK.
.	. 
 (21) Youturucu II. Blge: 
..IKII .=.. .. ..AKII .Opt 
C1.CKII
- 
.CCCC..AKII
..CKI .CAS .CE .CAK .
top Cin.KII+.. .AKI +.AAS +.AE +.AAK ... KII

aC	..IT.IT.IT.IT.
..AKI.AAS.AE.AAK.
.	. 
 (22) Ar Soutma Is deitiricisi: 
..I AS .
..=..AAS.Opt
1.CCAS
- 
.CCCC..AAS
..CKI .CKII .CE .CAK .
top Cin. AS +. .AKI+.AKII+.AE+.AAK.. AS
aC .. .IT.IT.IT.IT..
..AKI.AKII.AE.AAK.
.	. 
 (23) Buharlatrc: 
..IE.
..=..AE.Opt
1.CC 
- E..CC .CC .CC .CC ..AE
.KIKIIASAK.top Cin.E+.. .AKI +.AKII +.AAS +.AAK ... E

aC	..IT.IT.IT.IT.
..AKI.AKII.AAS.AAK.
.	. 
(24) Ar Kzdrma Is deitiricisi: 

..I AK .
. .= ..AAK.Opt
1	.CC 
- AK
. CC CC ..A

..CKI .CKII .CAS .CE . AK 
top Cin.AK+.. .AKI +.AKII +.AAS +.AE ... AK 
a
C	..IT.IT.IT.IT.
..AKI.AKII.AAS.AE.
.	. 
 (25) 
Bu denklemler, denklem (20)nin her bir sistem eleman iin uygulanmas ile elde edilmitir. Ayrca, ara ilemlerin uzunluu sebebiyle burada yer verilmitir. 
5. BULGULAR ve TARTIMA 
Kompresrl soutma evriminin sl ekonomik en iyilemesi iin soutma kapasitesi 2 kW olarak alnmtr. Analizler farkl youturucu, buharlatrc, ar soutma ve arstma scaklklar iin yaplmtr. Sistemdeki tm s deitiricileri i ie borulu ve ters akls deitiricileridir.  boru ap
13.5 mm olarak alnmtr. Ayrca analizlerde sistemin alma sresi 1000 saat/yl, faiz oran % 3.5, ekserji birim maliyeti 0.0912 $/kWh ve sistemin mr 10 yl olarak alnmtr. Youturucu ve buharlatrcmaliyetleri Bayndrlk Bakanlnn 2005 yl birim fiyatlarndan elde edilerek dolar kuruna evrilmitir [16]. Is deitiricisi alanlar ve bunlara karlk gelen s deitirici maliyetleri, grafik haline getirilerek aadaki denklemler kartlmtr. 
CC C
CKI = CKII = CAS =516.621AK +268.45  (26) 
CC
CE = CAK =309.143AE +231.915  (27) 
Teorik soutma sistemi yukarda verilen parametrelere gre, deiik buharlatrc, youturucu, arsoutma ve ar kzdrma scaklklar iin sl ekonomik en iyilemeye tabi tutulmutur. En iyileme neticesinde, en iyi s deitirici alanlar ve bunlara karlk gelen en iyi scaklklar belirlenerek sistemin her bir blgesi iin Tablo 2, 3, 4 ve 5te verilmitir. Tespit edilen bu deerlerde sistem, en iyi yatrm ve iletme maliyetine sahiptir. rnein, R22 soutucu akkan iin youturucu scakl 35 C, buharlatrc scakl 11 C alnarak yaplan sl ekonomik en iyileme sonucunda ar soutma scakl.Ts = 5.6 C, ar kzdrma scakl.Tk = 5.594 C olarak bulunmutur. Verilen bu rnek iin sistem elemanlarnn ve tm sistemin en iyi alanlar hesaplanarak Tablo 6da ayrca verilmitir. Ayn zamanda en iyi COP deerinin 4.7503 ve en iyi tersinmezliin de 0.38796 kW olduu tespit edilmitir. 

Tablo 2. eitli youturucu scaklklar iin en iyileme sonular (R22) 
TE, C .Ts, C .Tk, C AK, m2 AAS, m2 AE, m2 AAK, m2  TK = 35 C 7 9 11 5.4 5.2 4.2 9.64 7.651 5.633 0.245 0.239 0.235 0.038 0.036 0.027 0.263 0.321 0.411 0.056 0.066 0.048  TK = 45 C 7 9 11 4.8 5 5.6 9.651 7.639 5.594 0.169 0.164 0.159 0.018 0.019 0.021 0.263 0.321 0.411 0.074 0.0578 0.041  TK = 55 C 7 9 6.65 5.4 9.648 7.628 0.142 0.14 0.021 0.017 0.263 0.321 0.073 0.057  11 5.8 5.561 0.136 0.018 0.411 0.041  

Tablo 3. eitli buharlatrc scaklklar iin en iyileme sonular (R22) 
TE, C .Ts, C .Tk, C AK, m2 AAS, m2 AE, m2 AAK, m2  TE = 8 C 35 45 55 4 6.5 4.4 8.653 8.647 8.641 0.244 0.164 0.143 0.026 0.025 0.013 0.289 0.289 0.289 0.075 0.065 0.066  TE = 10 C 35 45 55 5.7 5 5 6.647 6.624 6.605 0.235 0.162 0.139 0.040 0.019 0.015 0.360 0.360 0.360 0.057 0.049 0.049  TE = 12.5 C 35 45 55 5.3 4.5 5 4.084 3.98 3.91 0.228 0.157 0.134 0.036 0.017 0.015 0.523 0.523 0.523 0.034 0.029 0.028  

Tablo 4. eitli youturucu scaklklar iin en iyileme sonular (R407c)
TE, C .Ts, C .Tk, C AK, m2 AAS, m2 AE, m2 AAK, m2  TK= 35 C 8 10 12 5.2 5 5 8.654 6.653 4.647 0.211 0.206 0.200 0.051 0.048 0.047 0.289 0.360 0.479 0.080 0.060 0.040  TK= 45 C 8 10 12 5.5 5 3.5 8.654 6.651 4.630 0.142 0.139 0.136 0.025 0.022 0.015 0.289 0.360 0.479 0.074 0.055 0.037  TK= 55 C 8 10 5 4.9 8.653 6.649 0.121 0.118 0.012 0.012 0.289 0.360 0.079 0.059  12 5.5 4.619 0.113 0.013 0.479 0.039  

Gazi niv. Mh. Mim. Fak. Der. Cilt 21, No 2, 2006 

TE, C .Ts, C .Tk, C AK, m2 AAS, m2 AE, m2 AAK, m2  TE = 9 C 35 45 55 6.1 4 3.1 7.654 7.653 7.652 0.206 0.142 0.122 0.063 0.017 0.007 0.321 0.321 0.321 0.071 0.065 0.070  TE = 11 C 35 45 55 5 5.6 5 5.652 5.646 5.641 0.204 0.135 0.116 0.047 0.025 0.012 0.411 0.411 0.411 0.050 0.046 0.049  TE = 13 C 35 45 55 5.7 5.6 5.4 3.631 3.591 3.565 0.195 0.130 0.111 0.056 0.024 0.013 0.575 0.575 0.575 0.031 0.028 0.029  

Tablo 6. R22 soutucu akkan iin en iyi s deitirici alanlar ile en iyi COP ve tersinmelik deeri 
(TK =45 C, TE = 11C, .Ts= 5.6C, .Tk= 5.594 C) 
AK, m2  0.159483  
AAS, m2  0.021768  
AE, m2  0.41169  
AAK, m2  0.041785  
AT  0.634726  
COP  4.7503  
IT, kW  0.38796  

Youturucu scakl 45 C, buharlatrc scakl11 C alnarak R22 soutucu akkan iin yaplan sl ekonomik analiz sonucu en iyi toplam alann 0.634726 m2 olduu grlmektedir. En iyi alann tespiti iin yaplan iterasyon sonucu ekil 3te grlmektedir.  


6. SONULAR 
Kompresrl soutma sistemleri, soutma uygulamalarnda en ok kullanlan sistemlerdir. Soutma sistemlerinde ar soutma ve ar kzdrma ilemleri, sistem performansn arttrmaktadr. Ancak ar kzdrma ileminin istenen deerlerin zerinde yaplmas, sistemin olumsuz ynde etkilenmesine neden olmaktadr. Yaplan almada, kompresrl teorik bir soutma sisteminin termodinamik ve sl ekonomik analizleri yaplmtr. Teorik bir soutma sistemi iin ar kzdrma ve ar soutma s
.Ik- .Ak
aC .CkC 
topCkI ,i .Ak 
deitiricilerinin ekonomiklik ve sistem performansasndan en iyi ar kzdrma ve ar soutma scaklklar ile bunlara karlk gelen en iyi sdeitirici alanlar tespit edilmitir. Isl ekonomik en iyileme metodunda, Kotasn (1985) en iyileme prosedr kullanlmtr. Analizler, gnmzde halen kullanlmasna devam edilen fakat nmzdeki yllarda tamamen durdurulacak olan R22 soutkan ile ozon tabakasna zarar vermeyen ve evre dostu, yeni bir soutucu akkan olan R407c iin yaplmtr. Yaplan analiz sonular grafikler ve tablolar halinde verilmitir. 
Buhar sktrmal kompresrl bir soutma sistemi tasarmnda, sistemin performansn direkt olarak etkileyen alma scaklklar ve parametrelerinin en iyi deerlerinin tespit edilmesi byk nem tamaktadr. Artan enerji fiyatlar ve yatrm maliyetleriyle beraber bir sl sistemin verilen alma artlar dahilinde en iyi boyutlandrlmasnda sl ekonomik analizler byk kolaylklar salamaktadr. Bu almadaki analizler, kompresrl soutma sistemlerinin tasarm ve en iyi alma artlarnn belirlenmesi konusunda yeni soutucu akkanlar iin ileride yaplacak olan uygulamalara nemli lde katk salayacaktr. 
SEMBOLLER 
A Alan, m2 aC Sermaye iyiletirme faktr, birimsiz bC En iyilemeden etkilenmemi yllk maliyet, 
birimsiz 


ekil 3. Isl ekonomik en iyilemede en iyi alan (R22) AT 
C Maliyet, $ Cin Ekserji giri birim fiyat, $/yl CI Tersinmezlik birim maliyeti, $/kW CC Yatrm maliyeti, $/kW cp zgl s, kj/kgK E Ekserji, kW .zgl ekserji, kJ/kg g Yerekimi ivmesi, m/s2 h zgl entalpi, kJ/kg I Tersinmezlik, kW K Toplam s transfer katsays, W/m2K .Tm Ortalama logaritmik scaklk fark, C 
 
m Akkan debisi, kg/s Q Is aks, kW s zgl entropi, kJ/kgK T Scaklk, C top alma sresi, yl W , kW V Ak hz, m/s Z Referans seviyeden ykseklik, m .Ts Ar soutma scakl, C .Tk Ar kzdrma scakl, C .Yapsal ba katsays, birimsiz .Sermaye maliyet katsays, birimsiz 
Alt ndisler 
AK Ar kzdrma AS Ar soutma C Kompresr E BuharlatrcEV Genleme valfi e Buharlatrcstma suyu in GiriK Youturucu KI Youturucu I. blge KII Youturucu II. blge k Youturucu soutma suyu R Soutucu akkan T Toplam out k0 evre artlar

