Yüzme Havuzu Isı Pompalarında Kondenser Su Çıkış Sıcaklığı ve Soğutucu Akışkan Aşırı Soğutma Derecesinin COP’a Etkisi ile Optimum Şarj Miktarının Belirlenmesi

Yüzme havuzu ısı pompalarında aşırı soğutma derecesi 3-8 K aralığında tutulduğunda COP en yüksek değere ulaşır; optimum şarj, emiş kızgınlığı 7 K sabit iken aşırı soğutmayı 5 K yapan kütledir.

Giriş

Yüzme havuzu ısı pompaları, düşük dış ortam sıcaklıklarında bile yüksek ısıtma tesir katsayısı (COP) sağlayabilen buhar sıkıştırmalı sistemlerdir. Kullanıcı konforu açısından kondenser su çıkış sıcaklığı, havuz suyunun istenen sıcaklığa ulaştırılmasında doğrudan belirleyicidir. Ancak enerji verimliliği yalnızca bu sıcaklığa değil, soğutucu akışkan tarafındaki aşırı soğutma derecesine ve sistemin soğutucu akışkan şarj miktarına da bağlıdır. Bu makalede, kondenser su çıkış sıcaklığı ile soğutucu akışkan aşırı soğutma derecesinin COP üzerindeki etkisi termodinamik bağıntılarla incelenmekte ve optimum şarj miktarının belirlenmesi için pratik kriterler sunulmaktadır.

Teorik Çerçeve

Buhar sıkıştırmalı ısı pompası çevriminde ısıtma tesir katsayısı:

COP_h = \frac{Q_{cond}}{W_{comp}} = \frac{\dot{m}_r (h_2 - h_3)}{\dot{m}_r (h_2 - h_{1s})/\eta_{isentropic}}

Burada $h_2$ kompresör çıkışı entalpisi, $h_3$ kondenser çıkışı sıvı entalpisi, $h_{1s}$ izantropik emiş entalpisidir. Aşırı soğutma derecesi:

\Delta T_{sc} = T_{cond} - T_{liq,out}

Sıvı çıkış entalpisi yaklaşık olarak:

h_3 \approx h_f(T_{cond}) - c_{p,liq} \Delta T_{sc}

Kondenser ısı transferi:

Q_{cond} = U A \, LMTD

LMTD = \frac{\Delta T_{giriş} - \Delta T_{çıkış}}{\ln(\Delta T_{giriş}/\Delta T_{çıkış})}

Burada $\Delta T_{giriş} = T_{cond} - T_{su,giriş}$ , $\Delta T_{çıkış} = T_{cond} - T_{su,çıkış}$ ifadeleri kullanılabilir. Kondenser su çıkış sıcaklığı $T_{su,çıkış}$ yükseldikçe LMTD düşer, aynı ısı transferi için daha yüksek kondensasyon sıcaklığı gerekir. Bu da kompresör basma hattı basıncını artırır.

Aşırı Soğutmanın Çift Yönlü Etkisi

Aşırı soğutma, kondenser çıkışındaki sıvı soğutucu akışkanın doyma sıcaklığının altına indirilmesidir. Birim kütle başına entalpi farkını $(h_2 - h_3)$ artırarak $Q_{cond}$ değerini büyütür. Ayrıca genleşme vanası öncesi flaş gaz oranını azaltır; bu, evaporatörün efektif soğutma kapasitesini iyileştirir ve sistemin genel kararlılığını artırır.

Ancak aşırı soğutma, kondenserde sıvı birikimine yol açar. Sıvı soğutucu akışkan, kondenserin alt bölümünde etkin kondensasyon yüzeyini daraltır. Bu durum kondenser basıncının ve dolayısıyla kompresör basma hattı basıncının yükselmesine neden olur. Kompresör elektrik tüketimi $W_{comp}$ artar. Başlangıçta kapasite artışı baskın olduğundan COP yükselir; ancak belirli bir $\Delta T_{sc}$ değerinden sonra basınç artışı baskın hale gelir ve COP düşer. Bu davranış:

COP \approx COP_{max} - k (\Delta T_{sc} - \Delta T_{sc,opt})^2

şeklinde modellenebilir. Optimum aşırı soğutma derecesi, türevin sıfır olduğu noktadır.

Optimum Şarj Miktarının Belirlenmesi

Soğutucu akışkan şarj miktarı, aşırı soğutma ve evaporatör kızgınlığı ile doğrudan ilişkilidir. Plakalı eşanjörlü yüzme havuzu ısı pompalarında pratik kriter:

- Kondenser aşırı soğutma $\Delta T_{sc}$ : 3–8 K - Evaporatör kızgınlık $\Delta T_{superheat}$ : 5–10 K

Optimum şarj miktarı, görünür aşırı soğutma 0 K iken kondenser çıkışında tam sıvı hattı sağlayan minimum kütle artı sıvı hattı ve kondenser alt hacmini dolduracak ilave kütledir. Sahada hedef, kompresör emiş kızgınlığı 7 K sabit iken aşırı soğutmayı 5 K yapan şarj miktarıdır. Bu hedef, hem yüksek COP hem de kararlı genleşme vanası çalışması sağlar.

Uygulamada şarj tespiti için şu adımlar izlenmelidir:

1. Sistem kararlı çalışma koşuluna getirilir (havuz suyu sıcaklığı, dış ortam sıcaklığı kaydedilir). 2. Kompresör emiş hattında kızgınlık ölçülür; 7 K hedefine göre genleşme vanası ayarlanır. 3. Kondenser çıkışında sıvı hattı sıcaklığı ve kondensasyon doyma sıcaklığı ölçülerek $\Delta T_{sc}$ hesaplanır. 4. $\Delta T_{sc}$ 3–8 K aralığında değilse, şarj miktarı kademeli olarak eklenir veya geri alınır. 5. Her ayar sonrası sistem yeniden dengelenir, basınçlar ve sıcaklıklar kaydedilir; aşırı şarj belirtisi olan yüksek basınç kesintileri izlenir.

Saha Zorlukları ve Ölçüm Belirsizlikleri

Saha uygulamalarında teknisyenler genellikle yalnızca emiş ve basma basınçlarına bakarak şarj miktarını ayarlamaktadır. Ancak basınç değerleri tek başına yeterli değildir; aşırı soğutma ve kızgınlık ölçümleri şarj durumunu doğrudan gösterir. Aşırı şarj, kondenser basıncında ani yükselmelere, kompresör yüksek basınç kesintilerine ve COP düşüşüne yol açar. Eksik şarjda ise aşırı soğutma sıfıra yaklaşır, sıvı hattında flaş gaz oluşur; genleşme vanasında kararsız çalışma ve evaporatörde yıldızlama görülür.

Mevsimsel su sıcaklığı değişimleri optimum şarj miktarını etkiler. Kış aylarında düşük su giriş sıcaklığı kondenser basıncını düşürür; bu durum aşırı soğutma okumalarında değişkenlik yaratır. Kondenser yüzey kirliliği (fouling), ısı transfer katsayısını ve LMTD'yi bozarak aşırı soğutma okumalarını yanıltır. Ayrıca sistem içinde biriken yoğuşmayan gazlar (hava), kondenser basıncını yükseltir ve aşırı soğutma değerlerini olduğundan yüksek gösterir. Bu nedenle şarj tespiti öncesinde kondenser temizliği yapılmalı ve sistemdeki yoğuşmayan gazlar tahliye edilmelidir.

Standartlar ve Performans Doğrulama

Yüzme havuzu ısı pompalarının performans testleri ve güvenlik gereksinimleri için ilgili standartlar şunlardır:

- TS EN 14511: Isı pompalarının performans testleri; tam yük ve kısmi yük koşullarında ısıtma kapasitesi ve COP ölçümlerini tanımlar. - TS EN 14825: Kısmi yük koşullarında mevsimsel performans katsayısı (SCOP) hesabını düzenler. - TS EN 378-2: Soğutma sistemleri ve ısı pompaları için güvenlik ve çevre gereksinimlerini belirler. - IEC 60335-2-40: Elektrikli ısı pompaları, klimalar ve nem gidericilerin güvenliği ile ilgilidir. - AHRI 550/590: Soğutma ve ısı pompası performans derecelendirmesi için test ve değerlendirme kriterleri sağlar.

Bu standartlar çerçevesinde yapılan testlerde, şarj miktarının optimize edilmesi için aşırı soğutma ve kızgınlık değerlerinin kayıt altına alınması önerilir. Özellikle TS EN 14511 testlerinde, farklı su giriş sıcaklıklarında optimum şarjın doğrulanması, sistemin gerçek kurulum koşullarında verimli çalışmasını garanti eder.

Sonuç

Yüzme havuzu ısı pompalarında kondenser su çıkış sıcaklığı, kullanıcı konforunu doğrudan etkilerken; soğutucu akışkan aşırı soğutma derecesi, COP'u belirleyen kritik bir parametredir. Aşırı soğutma derecesi arttıkça ısıtma kapasitesi önce artar, ancak kondenser basıncındaki yükselme kompresör işini artırarak COP'u düşürür. Bu nedenle optimum bir $\Delta T_{sc}$ değeri vardır ve saha uygulamalarında 3–8 K aralığı hedeflenmelidir. Optimum şarj miktarı, emiş kızgınlığı 7 K sabit iken aşırı soğutmayı 5 K yapan kütle olarak tanımlanabilir. Doğru şarj tespiti için yalnızca basınç ölçümleri değil; kızgınlık, aşırı soğutma, kondenser temizliği ve yoğuşmayan gaz kontrolü birlikte değerlendirilmelidir. İlgili standartlara uygun test prosedürleri, bu optimizasyonun doğrulanmasında yol göstericidir.