Isı Pompası Nedir?
Isı pompası, gerçekte bir soğutma çevrimi olan bir cihazdır ve temel prensibi Nicolas Léonard Sadi Carnot tarafından 1824 yılında ortaya atılmıştır. 1850 yılında Lord Kelvin’in, soğutma cihazlarının ısıtma amaçları için kullanılabileceğini ileri sürmesiyle, ısı pompası uygulamaya konulmaya başlanmıştır. II. Dünya Savaşı öncesinde, birçok mühendis ve bilim insanı, ısı pompasının geliştirilmesi ve kullanılabilir hale getirilmesi için araştırmalar ve çalışmalar yapmışlardır. Ancak, savaş yıllarında endüstri, öncelikleri daha acil sorunlara yönlendirdiği için bu çalışmalar ara vermiştir. Savaş sonrasında ise ısı pompası teknolojisi üzerindeki çalışmalara yeniden başlanmıştır.
1950’lerde ısı pompası endüstrisinin sahip olduğu potansiyel, yüksek kurulum maliyeti, ucuz doğalgaz ve petrol enerjisi nedeniyle 1960’larda ısı pompalarına olan ilgiyi azaltmıştır. Ancak, 1973 enerji krizi sonrasında, enerji tasarrufu ve çevre dostu enerji kaynaklarına olan talep arttıkça, ısı pompaları tekrar önem kazanmış ve bu tarihten sonra birçok çalışma bu alanda yapılmıştır.
Isı Pompası Çalışma İlkeleri
Isı pompası, dışarıdan enerji verildiğinde düşük sıcaklıktaki bir ortamdan aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir ortama aktaran bir makinedir. Kış aylarında ısınma amacıyla kullanılan ısı pompası, yaz aylarında ise soğutma için kullanılabilir.
Bir ısı pompasının en önemli özelliği performans katsayısıdır (COP). Verimli bir sistem genellikle COP değeri 4’e eşittir, yani her bir birim enerji girdisi için 4 birim enerji üretir. Örneğin, Japonya’daki ısı pompalarının COP değeri genellikle 5’in üzerindedir ve en iyi ısı pompaları 6.8’e kadar COP değerlerine ulaşabilirler.
Soğutma makineleri ve ısı pompaları aynı işlemi gerçekleştirirler ancak amaçları farklıdır. Bir soğutma makinesinin amacı düşük sıcaklıktaki bir ortamı soğutarak çevre sıcaklığını altında tutmaktır. Diğer bir deyişle, sıcaklığı azaltmak amacıyla çalışırlar. Bunun aksine, ısı pompasının amacı bir ortamı ısıtmaktır. Isıtılmak istenen ortama enerji aktarmak için düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji kaynağından ısı alır. Bu ısıl enerji kaynağı, genellikle çevre havası, yeraltı suyu veya toprak gibi kaynaklardan gelirken, ısıtılmak istenen ortam bir bina içi gibi yerler olabilir.
Isı pompası sistemlerinde, buharlaştırıcıların ısı aldığı kaynaklara “ısı kaynakları” denir. Isı pompasının verimli çalışması için bu kaynakların belirli özelliklere sahip olması önemlidir:
- Kaynak sıcaklığının istikrarlı olması,
- Kaynak sıcaklığının mümkün olduğunca yüksek olması,
- Kaynağın bol miktarda bulunabilir olması ve coğrafi koşullardan az etkilenmesi,
- Kaynağın kirli olmaması,
- Korozyona yol açmaması.
Bir ısı pompasının teknik ve ekonomik performansı, kullanılan ısı kaynağının özelliklerine bağlıdır. Isı pompaları için ideal bir ısı kaynağı, yüksek ve istikrarlı sıcaklığa sahip olmalı, kirletici maddeler içermemeli ve ekonomik yatırım ve işletme maliyetlerine sahip olmalıdır. Isı kaynağının bulunabilirliği genellikle kritik bir faktördür.
Isı pompaları için kullanılan ısı kaynakları şunlar olabilir:
- Çevre havası
- Toprak
- Deniz, nehir veya göl suyu
- Yeraltı suları
- Artık sıvılar
- Artık gazlar
- Artık ısılar
- Güneş
- Kaya
Her bir kaynak farklı avantajlara ve dezavantajlara sahiptir. Örneğin, çevre havası bolca bulunurken, toprak kaynakları korozyon sorunlarına neden olabilir. Bu nedenle, ısı pompası sistemi tasarlarken, uygun kaynağı seçmek önemlidir.
Isı pompaları tek başına veya ek bir sistemle birlikte kullanılabilir. Isı ihtiyacını tek başına karşılayabilen ısı pompalarına “monovalent ısı pompaları” denirken, ek kaynaklarla birlikte kullanılanlara “bivalent ısı pompaları” adı verilir. Bivalent sistemlerde ısı pompası, ısıtma yükünün bir kısmını karşılar. Örneğin, güneş toplayıcıları veya kazanlar gibi ek kaynaklarla kullanılabilirler.
Isı pompası ve ek kaynakların birlikte çalışma şekli, sıralı veya eşzamanlı olabilir. Sıralı çalışma, bir sistem devre dışı olduğunda diğerinin devreye girdiği bir sistemdir. Örneğin, ısı pompası çalıştırılmasının ekonomik olmadığı durumlarda, ısı pompası devre dışı bırakılır ve bir kazan devreye alınır. Eşzamanlı çalışma ise hem ısı pompasının hem de ek kaynağın aynı anda kullanıldığı bir sistemdir. Örneğin, ısı pompası ve güneş toplayıcıları birlikte kullanılabilir ve enerji gereksinimlerini karşılayabilirler.
Isı Pompası Termodinamiği
Isı pompasını, basitçe bir ısı makinesinin tersi olarak düşünebiliriz. Isı makinesi, yüksek sıcaklıktaki bir ortamdan ısı alır, bu ısıyı düşük sıcaklıktaki bir ortama aktarır ve bu işlem sırasında dışarıya iş yapar. Isı pompası ise, dışarıdan enerji verildiğinde düşük sıcaklıktaki bir ısı kaynağından ısı alır ve bu ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir ortama aktarır.
Kışın ısınma amacıyla kullanılan ısı pompası, yaz aylarında da soğutma için kullanılabilir. Isının düşük sıcaklıktaki bir ısı kaynağından yüksek sıcaklıktaki bir ortama taşınması, çeşitli yöntemlerle gerçekleştirilebilir. Bu nedenle ısı pompası çeşitleri şunlardır:
Genellikle kullanılan ısı pompası çeşitleri “Buhar Sıkıştırmalı Çevrimli” ve “Absorbsiyonlu” ısı pompalarıdır.
Isı pompalarının büyük çoğunluğu buhar sıkıştırmalı çevrim prensibi üzerine çalışır. Basit bir ısı pompasının temel bileşenleri kompresör, genleşme valfi (expansion valve), buharlaştırıcı (evaporator) ve yoğuşturucu (condenser) olarak adlandırılan iki ısı değiştiricisini içerir.
Buhar sıkıştırmalı ideal ısı pompası çevriminin T – s (sıcaklık – entropi) diyagramı ve P – h (basınç – entalpi) diyagramı şu şekildedir:
1 – 2: Kompresörde izentropik (tersinir – adyabatik) sıkıştırma 2 – 3: Yoğuşturucuda sabit basınçta ısı transferi çevresine 3 – 4: Genleşme valfında sabit entalpide genleşme 4 – 1: Buharlaştırıcıda akışkanın sabit basınçta ısı transferi çevresinden
Buharlaştırıcıdan çıkan doygun buhar, kompresörde izentropik olarak daha yüksek bir basınç ve sıcaklığa sıkıştırılarak kızgın buhar haline getirilir (1 – 2). Ardından, bu kızgın buhar yoğuşturucuya girer ve çevreye sabit basınçta ısı aktararak yoğuşur (2 – 3). Yoğuşan akışkan, genleşme valfında basınç ve entalpi sabit tutularak genleşir (3 – 4). Genleşme sonucu akışkan buharlaştırıcıya girer (4 – 1). Buharlaştırıcıya giren akışkanın sıcaklığı, ısı kaynağından gelen sıcaklıktan düşük olduğundan, ısı kaynağından akışkana sabit basınçta ısı transferi gerçekleşir ve akışkan buharlaşır. Bu noktadan sonra çevrim tekrar başlar ve bu şekilde devam eder.
Bu süreç, ısı pompasının düşük sıcaklıktaki bir kaynaktan yüksek sıcaklıktaki bir alana ısı transferi yapmasını sağlar. Böylece ısı pompası, ısınma veya soğutma amaçları için kullanılabilir ve enerji verildiğinde bu transferi gerçekleştirir.
