İncir çekirdeğini doldurmayacak yazılar

           

Isı pompası (heat pump) nedir, nasıl çalışır?

Isı pompası son yıllarda adından sıkça söz ettiren bir cihaz. Özellikle enerji verimliliği denildiği zaman akla neredeyse gelen ilk üç-beş cihazdan birisi. İngilizcesi heat pump olan cihazın birebir çevirisi ısı pompası güzel bir kelime. Kanaatimce de bu Türkçe isim absürt durmuyor, gayet başarılı. Bu kadar edebiyat yaptıktan sonra ısı pompasının ne olduğuna gelsem iyi olacak.

Isı: Bir enerji çeşididir. Fotonların ve moleküllerin hareketleri ve etkileşimleri sonucu ortaya çıkmaktadır.

Pompa: Hava veya bir başka akışkanı bir yerden başka yere taşımaya yarayan araç. Yani bu işi yaparken zorla yapmakta. Gönül rızası ile değil. Gönül rızası ile olsa araç veya aracı kullanmaya gerek yok. Direkt giderdi zaten.

Bu iki tanım neticesinde şunu anlıyoruz ki ısı pompası makinesi, ısının bir noktadan diğer noktaya zorla, bir aracı kullanılarak götürülmesi işini yapan makinedir.

Termodinamiğin ikinci kanunu der ki;

Soğuk bir cisimden, sıcak bir cisme ısı akışı olmaz. Normal yollarla olmaz ama zorlama ile olabilir. Değişik yöntemler kullanarak olabilir.

Evet o zaman ısı pompası tanımı aklımızda şekillendi sayılır. Isı pompası ısıyı taşıyan, ona aracı olan bir makine.

thermal_turkce2_isi_pompasi

Yukarıdaki şekilden yardım alarak özetle bir ısı pompasını anlatmaya çalışacağım. 1 numara kompresör, 2 kondanser (yoğuşturucu), 3 genleşme vanası, 4 evaparatör (buharlaştırıcı). Arada görünen ince borular ise içinde güzel bir akışkanın dolaştığı bakır borulardır. Güzel akışkanımıza daha teknik bir isim verecek olursak soğutucu akışkan (SA) diyebiliriz. Kompresör adından da anlaşılacağı üzere akışkanı sıkıştırır (ingilizce compress: sıkıştırmak) Sıkışan akışkanın yönü 2 numaraya yani kondansere doğrudur. Burada sıkışmış, içi içine geçmiş akışkanın basıncı yükselir. Nitekim en basitinde PV=nRT lise kimya derslerinde görmüşüzdür. Buradan bile yola çıkarsak V hacim sabit, bakır borular ve metal alaşım kondanser tamamen kapalı ve hacim sabit. n mol sayısı, akışkanda herhangi bir azalma veya artırma olmadığından bu da sabit. R adı üstünde gaz sabiti, sabit oğlu sabit. O zaman eşitliğin (PV=nRT) basıncını (P) yükseltirsek yükselebilecek tek şey kalıyor formülde. O da sıcaklık, yani T. Kompresör görevini yaptı basıncı ve sıcaklığı yükseltti ve kondansere (yoğuşturucuya) gönderdi. Kondanser burada ısıtmak istediğimiz alanda olan bir makine parçasıdır. Evimizde kullandığımız klimanın duvarda yer alan iç ünitesini içi. Buraya borularla gelen akışkan (güzel akışkan, soğutucu akışkan) iç oda havası ile bir serpantinde karşılaştırılır. Nispeten soğuk olan oda havası akışkandan ısı alır. Yani termodinamiğin ikinci yasası güzel bir şekilde burada işler. Hatta buna bir fan da eklersek bu ısı transferi çok daha hızlı olur. İç ünite fanı oda havasını emerek bakır boru sarmalı ve serpantini üzerinden geçirir. Bu esnada boru içerisindeki aşırı sıcak akışkan ısısını havaya verir ve havanın ısınmasını sağlar. SA biraz da olsa soğumuştur ve buharlaşacak hali yok ya yoğuşmaya başlamıştır. Yoğuşma (ingilizce condense: yoğuşmak) yapmıştır. Hemen sonraki durak; genleşme vanasına sıra gelmiştir. Genleşme vanasının görevi ise akışkanın basıncını düşürmek ve dolaysıyla sıcaklığının da düşmesini sağlamak. Basıncı ve sıcaklığı düşen sıvı haldeki akışkanın son durağı buharlaşma ünitesi. Yani evaparatör (buharlaştırıcı) Burada soğutucu akışkan dış bir kaynaktan ısı alarak gaz fazına geçer. Bu dış kaynak hava olabileceği gibi, su veya toprak ta olabilir. Nitekim evlerimizde kullandığımız klimalarda bu dış kaynak havadır. Bazı bölgelerde ise bu buharlaştırıcı ünite toprağa gömülerek, toprak ısısından faydalanılır. Bu seferde toprak kaynaklı ısı pompası (geothermal source heat pump, GHP) olmuş olur. Havadan ısı alan hava kaynaklı ısı pompası (air source heat pump, ASHP), sudan ısı alan ise su kaynaklı ısı pompası (water source heat pump, WSHP) diye adlandırılır. Evet artık dış kaynaktan ısı alarak gaz fazına geçen akışkan, tekrar ilk çıktığı yere, kompresöre girebilir. Sonrasında ise çevrim aynı şekilde tekrarlanmakta.

Yukarıdaki paragrafta ısı pompası çevriminin aşama aşama, durak durak nerelere uğradığı ve ne gibi durumlar ile karşılaştığını anlattım. Dört ana durakta görevini tamamlayan soğutucu akışkan bir yerde (buharlaştırıcıda) ısı alarak buharlaşıyor, bir yerde (yoğuşturucu) ısısını vererek yoğuşuyor. İki kez ısı alma verme olayı yaşanıyor. Bir yerde (kompresör) sıkıştırma, diğer bir yerde (genleşme vanası) ise genişletilme olayına maruz kalıyor.

Şimdi +1 vites akademik atlayalım.

r410a-cevrimi-sicaklik-basinc

İlk görselde tüm ekipmanlar ayrıntılı bir şekilde yer almıştı ve görevlerini anlatmıştım. Aynı çevrimin esas oğlanı, güzel akışkan, soğutucu akışkandan bahsedeyim biraz. Üstteki görselde daha güzel resmedilmiş. Soğutucu akışkanımızın ismi R410A. Akışkanın en büyük özelliği ise yukarıdaki çizimden de açıkça anlaşılabileceği gibi, 12°C’de (882 kPA) gaz halinde olabilmesi. Oysa aynı basınçta yaşam kaynağımız su sıvı fazındadır. Su bu basınçta yaklaşık 98°C sıcaklığında gaz fazına geçer. O zaman düşük sıcaklıklarda gaz olabilen, kızgın buhar olabilen bu akışkana güzel akışkan demek yanlış olmaz. Teknik ismi ise soğutucu akışkan (coolant, refrigerant)  Kompresörün akışkanı 2516 kPA basınca ve  65°C sıcaklığa çıkardığını görüyoruz. Bu durumda akışkanımız kızgın buhar Bölgesindedir. Soğutucu akışkan R410A’nın termodinamik tablolarına ulaşmak için buraya tıklayabilir, bu basınçlarda ve sıcaklıklarda akışkanın hali vakti nasıldır görebilirsiniz. 65°C sıcaklığındaki akışkan serpantin içerisinden geçerken odadaki hava bir fan yardımı ile bu serpantine girip çıkması sağlanır. Genişletilmiş ısı transferi yüzeyleri sayesinde nispeten daha soğuk oda havası, aşırı kızgın haldeki akışkanın ısısını alır. Kendi ısınır (sıcaklığı artar) soğutucu akışkanı ise bir miktar soğutur. Görselden görüleceği üzere 65°C girip 37°C çıkıyor. Ardından genleşme vanası basıncını ve sıcaklığını düşürüyor. 882 kPA ve 7°C civarına. Oradan buharlaştırıcıya girerek hava kaynaklı ise dış havadan, su kaynaklı ise sudan ısı alarak akışkan buhar fazına geçiyor. Akışkanımızın sıcaklığı artık 12°C civarında oluyor. Akışkan artık buhar fazında ve kompresöre tekrar girmeye hazır. Orada superheat ve subcooling var. Ona şu an hiç girmiyorum yazı çok uzadı. Daha sonra girebilirim.

hpump

Yukarıdaki şekilde tüm anlattıklarımızın bir özeti var aslında. Olay özetlenmiş. Soğuk ortamdan ısı alınarak, sıcak ortama veriliyor. Ancak ilk başta ne demiştik, termodinamiğin II. yasası böyle bir şeyin olmasının imkansız olduğunu söylüyor. Isı hiç bir zaman soğuk ortamdan sıcak ortama akmaz, gitmez. Haklı da. Kışın sıcak evimizin penceresini açsak odamız ısınmaz, soğur. Bunu bilmek için termodinamikçi olmak gerekmez. Peki o zaman nasıl oluyor? Evet yukarıdaki şekilde “W” diye gösterilen bir iş girişi olmakta. Bu “W” işi kompresörün sisteme verdiği iş. Kompresör ise en basit tabirle elektrik ile çalışır. Elektrik ile çalışan kompresör “W” işini yaparak soğuk ortamdan sıcak ortama ısı transferini sağlıyor. Bunu zorla yapıyor, bir nevi pompa mantığı. Doğal haline bıraksak akmayacak ısıyı, zorla, aracı kullanarak yapıyor. Bunun için bu makinenin ismine ısı pompası deniliyor. Isıyı bir noktadan diğer bir noktaya taşıyor ve bunu zoraki yapıyor. O zaman ısı pompası ismi gayet yerinde ve başarılı bir tanımlama.

Isı pompasını anlatırken aslında klimayı da anlatmış olduk. Anca ona da daha sonra kısaca değineceğim.

Aşağıda yakıt karşılaştırması yaptığım bir tabloyu da ekledim. Görünen o ki kışın ısınmak için Türkiye’de günümüz şartlarında (15 Ocak 2015) en mantıklı çözümler: Doğalgazla ısınma, hava ve toprak kaynaklı ısı pompası olduğu bir gerçektir. Odun ile ısınmada (tüm evin ısıtılması söz konusudur, sadece 1 oda değil) yılda 2,899 TL harcanırken, hava kaynaklı ısı pompasında (yani sıradan bildiğimiz bir klima, A Class) 1.528 TL, doğalgazlı kombide ise 1.303 TL ödememiz gerekiyor. (Bu hesaplamalar yuvarlak hesaplardır ve sistem dizayn maliyetlerinden bahsetmedim bile)

yakit_karsilastirmasi-2

4 Comments

  • Cevapla Esra |

    ısı pompasıyla ilgili faydalı bir kaynak olmuş. Fiyat karşılaştırması yapmanız da özellikle iyi olmuş. teşekkürler

  • Cevapla yusuf akyıldız |

    sonsuz tesekurler ..ama bız butur ısınmaya nezaman ve nasıl gecerız.? saygılar..yusuf

Yorum yazın