Absorpsiyonlu ısı pompası: ısıyla çalışan çevrim ve kullanım alanları

Absorpsiyonlu ısı pompası, kompresör yerine ısıyla çalışan bir ısı pompasıdır. Soğutucu akışkanı mekanik olarak sıkıştırmak yerine bir sıvıya emdirir (absorbe eder), oluşan çözeltiyi bir pompayla yüksek basınca taşır ve ardından ısıtarak akışkanı çözeltiden yeniden ayırır. Çalışması için asıl gereken elektrik değil; atık ısı, buhar, sıcak su ya da bir gaz alevidir. Bu yüzden ucuz ya da başka türlü değerlendirilemeyen bir ısının bulunduğu sanayi tesislerinde, kojenerasyon santrallerinde ve bölgesel ısıtma şebekelerinde anlamlıdır. Konutlarda ve çoğu ticari binada ise elektrikli, kompresörlü ısı pompası çok daha verimli ve pratiktir.

Kompresörün yerini ne alır?

Kompresörlü bir ısı pompasında düşük basınçta buharlaşan akışkan, kompresörde sıkıştırılarak yüksek basınca çıkarılır. Bu çevrimin dört adımını ısı pompası nedir, nasıl çalışır yazımızda anlattık. Absorpsiyonlu sistemde aynı iş, üç parçadan oluşan bir "termal kompresöre" bırakılır: absorber, çözelti pompası ve jeneratör.

Fikrin özü şudur: bir sıvıyı pompalamak, aynı kütledeki buharı sıkıştırmaktan çok daha az iş gerektirir. Buhar önce bir sıvının içinde çözülür, sıvı hâlde pompalanır, yüksek basınç tarafında ısıyla yeniden buhara dönüştürülür. Çözelti pompası bu nedenle küçük bir elektrik motoruyla çalışır; sistemin asıl enerjisi jeneratöre verilen ısıdır.

Çevrim adım adım

1. Evaporatör: düşük basınçtaki akışkan, düşük sıcaklıklı bir kaynaktan ısı alarak buharlaşır. Sistem soğutma için kullanılıyorsa soğuk su burada üretilir.
2. Absorber: buhar, derişik çözelti tarafından emilir. Emilme sırasında ısı açığa çıkar; bu ısı soğutma suyuyla ya da ısıtma devresiyle dışarı alınır.
3. Çözelti pompası ve eşanjör: akışkanca zenginleşen çözelti yüksek basınca pompalanır. Yolda, jeneratörden dönen sıcak çözeltiyle ısı alışverişi yaparak ön ısıtılır; bu eşanjör çevrimin verimini belirgin biçimde artırır.
4. Jeneratör: dışarıdan verilen ısı çözeltiyi kaynatır, akışkan buhar olarak ayrılır. Akışkanını kaybedip yeniden derişikleşen çözelti absorbere döner.
5. Kondanser: yüksek basınçlı buhar yoğuşur ve ısısını verir. Isıtma yapılıyorsa bu ısı tesisata gider.
6. Genleşme: yoğuşan sıvı akışkan bir kısılma elemanından geçerek evaporatörün düşük basıncına döner ve çevrim yeniden başlar.

Isıtma modunda tesisat suyu, absorberden ve kondanserden çıkan ısının toplamını alır. Bu toplam, jeneratöre verilen ısıdan fazladır; aradaki fark, evaporatörde düşük sıcaklıklı kaynaktan toplanan ısıdır. Bir absorpsiyonlu makineyi ısı pompası yapan da budur.

İki akışkan çifti

Lityum bromür ve su

Bu çiftte akışkan su, emici ise lityum bromür çözeltisidir. Su, derin vakum altında birkaç santigrat derecede buharlaşır. Su donacağı için 0 °C'nin altına inilemez; LiBr–su makineleri bu yüzden klima ve proses için 5–7 °C civarında soğuk su ya da ısıtma için orta sıcaklıkta sıcak su üretir. Çözelti fazla derişikleştiğinde kristalleşebilir; kontrol sistemi soğutma suyu ve jeneratör sıcaklıklarını bu sınırın içinde tutar. Büyük binalarda ve bölgesel enerji sistemlerinde kullanılan absorpsiyonlu chiller'ların çoğu bu tiptedir.

Amonyak ve su

Burada akışkan amonyak, emici sudur. Amonyak sıfırın altında da buharlaşabildiği için bu çift, soğuk depolama ve endüstriyel soğutma gibi düşük sıcaklık uygulamalarına ve dış havadan ısı alan gazlı absorpsiyonlu ısı pompalarına uygundur. Jeneratörde amonyakla birlikte bir miktar su da buharlaştığından, buharı arındıran bir rektifikasyon kademesi gerekir. Çalışma basınçları LiBr–su sistemlerinden yüksektir ve amonyak zehirli olduğundan tasarım ile yerleşim buna göre yapılır. Karavanlarda ve otel odalarında kullanılan, kompresörsüz ve sessiz küçük buzdolapları da bu çiftin bir türevidir.

Amonyak ve suyla çalışan ilk absorpsiyonlu makineyi 1850'lerin sonunda Fransız mühendis Ferdinand Carré geliştirdi. Teknolojinin genel tarihçesini ısı pompasının tarihi yazımızda bulabilirsiniz.

Isı pompası ve ısı dönüştürücü

Absorpsiyon çevrimi iki farklı amaçla kurulabilir:

• Absorpsiyonlu ısı pompası (tip I): yüksek sıcaklıklı bir ısı (buhar, kızgın su ya da gaz alevi) jeneratöre verilir, düşük sıcaklıklı bir kaynaktan da ısı toplanır ve ikisinin toplamı orta sıcaklıkta kullanılır. Isıtma COP değeri genellikle 1,6–1,8 aralığındadır: 1 kWh sürücü ısıya karşılık 1,6–1,8 kWh kullanılabilir ısı.
• Isı dönüştürücü (tip II): orta sıcaklıktaki bir atık ısının bir kısmı daha yüksek bir sıcaklığa çıkarılır, kalanı düşük sıcaklıkta atılır. COP genellikle 0,5 civarındadır, ama girdi zaten atılacak bir ısı olduğu için atık ısının sıcaklığını birkaç on derece yükseltmek değerlidir.

Soğutma için kurulan absorpsiyonlu chiller'larda tek etkili makinelerin COP değeri genellikle 0,7 civarında, çift etkili makinelerinki 1,2–1,4 aralığındadır. Çift etkili makineler daha yüksek bir sürücü sıcaklığı ister; bu genellikle buhar ya da doğrudan gaz alevidir.

Nerede anlamlı?

Absorpsiyon çevriminin verimi, kompresörlü bir ısı pompasından düşüktür; kazancı, kullandığı enerjinin türündedir. Elektrik yerine, çoğu zaman başka türlü değerlendirilemeyecek bir ısıyı kullanır. Tipik uygulamalar şunlardır:

• Sanayide atık ısı: fırınlar, kurutma hatları, proses buharının kondensi ve sıcak egzoz gazları.
• Kojenerasyon ve trijenerasyon: gaz motorunun egzoz ve ceket suyu ısısı, yazın absorpsiyonlu bir chiller'la soğutmaya çevrilir.
• Bölgesel ısıtma şebekeleri: yazın ısı talebi düştüğünde şebekenin sıcak suyu, binalarda soğutma için kullanılabilir.
• Güneş enerjisi: yüksek sıcaklık verebilen vakum tüplü kolektörlerle; düzlemsel kolektörlerin sıcaklığı çoğu zaman yetmez.
• Elektrik gücünün kısıtlı olduğu tesisler: şebeke bağlantısı büyütülemeyen yerlerde soğutma yükünü elektrikten ısıya kaydırır.

Absorpsiyonlu makineler genellikle büyük kapasitelerde kurulur; ağırdırlar ve sürücü ısıyı da dışarı attıkları için aynı soğutma kapasitesinde, elektrikli bir chiller'a göre kuleye yaklaşık iki kat ısı verirler. Kule boyutu bu yüzden büyür; kulenin nasıl seçildiğini soğutma kulesi seçimi yazımızda anlattık.

Atık ısısı olan bir tesiste ilk soru, bu ısının hangi sıcaklıkta, ne kadar ve hangi saatlerde çıktığıdır. Çetin Civata projesinde, civata üretim fırınlarından çıkan atık ısıyı geri kazanıp fabrikanın sosyal alanlarını ısıtan sistemi kurduk ve teslim ettik.

Elektrikli ısı pompasıyla karşılaştırma

AD olarak elektrikli, kompresörlü ısı pompaları üretiyoruz. İki teknolojiyi aynı terazide tartmak için birim enerjiye bakmak gerekir:

• Elektrikli ısı pompası: 1 kWh elektrikle genellikle 3–5 kWh ısı. Teknik tablolarımızda örneğin V20 dış ünite için COP 4,38, W28 için 4,39, Mega merkezi sistem için çalışma koşuluna göre 4,20–5,60 değerleri yer alır.
• Absorpsiyonlu ısı pompası: 1 kWh ısıyla genellikle 1,6–1,8 kWh ısı; çözelti pompası için de az miktarda elektrik.

Sürücü ısı bedava değilse, örneğin doğalgaz yakılarak elde ediliyorsa, hesap elektrikli ısı pompasından yanadır. Elektrik bir doğalgaz santralinde yaklaşık %50 verimle üretilse bile, COP değeri 4 olan bir ısı pompası 1 kWh gazdan yaklaşık 2 kWh ısı çıkarır. Doğrudan gazla çalışan absorpsiyonlu ısı pompaları ise, yanma kayıpları da hesaba girdiği için, genellikle 1,4–1,6 civarında kalır.

Isı bedava olduğunda hesap tersine döner: zaten atılacak bir ısıyla çalışan absorpsiyonlu makine, neredeyse hiç elektrik harcamadan ısı ya da soğuk üretir. Kısacası seçim, verimden çok kaynakla ilgilidir. Ortada değerlendirilmeyen yüksek sıcaklıklı bir ısı varsa absorpsiyon; yoksa elektrikli ısı pompası.

Ölçek de belirleyicidir. Konutlarda ve küçük ticari binalarda absorpsiyonlu sistemler pratik değildir. AD ısı pompaları ise iklim serilerinde 12–16 kW'tan başlayıp ticari dış ünitelerle 56 kW'a, Mega merkezi sistemle 1.200 kW'a uzanır. Soğutma tarafında da aynı mantık geçerlidir: elektrikli chiller gruplarımız 5 kW'tan 2.000 kW'a kadar seçilebilir. Hava, su ve toprak kaynaklı sistemlerin karşılaştırması için ısı pompası türleri yazımıza bakabilirsiniz.

Projeniz için

Tesisinizde atık ısı varsa sıcaklığını, debisini ve hangi saatlerde çıktığını; yoksa binanın ısıtma ve soğutma yükünü yazın. İhtiyacı hangi elektrikli ısı pompası ya da chiller ile karşılayabileceğimizi birlikte değerlendirelim. Modellerin tamamı ısı pompası sayfamızda; teklif için iletişim formunu kullanabilirsiniz.