ATIK ISI KAYNAKLI ENDÜSTRİYEL ISI POMPALARININ TERMODİNAMİK ANALİZİ

Abstract

Endüstriyel tesislerde açığa çıkan atık ısının geri kazanılması, enerji verimliliğinin artırılması ve çevresel etkilerin azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, endüstriyel bir tesiste oluşan düşük sıcaklıktaki atık ısının kaynak olarak kullanıldığı tek kademeli buhar sıkıştırmalı bir ısı pompası sisteminin teorik analizi gerçekleştirilmiştir. Sistem, bir fabrikanın idari birimlerinin 55–58 °C sıcak su ile ısıtılması amacıyla modellenmiş ve 30 °C atık ısı kaynağı için simüle edilmiştir. Sistem bileşenleri için kütle, enerji ve ekserji denklikleri yazılmış ve farklı evaporatör ve kondenser sıcaklıkları için sistem performansı enerji ve ekserji analizi yöntemleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Ayrıca R1234ze(Z), R245fa, R1233zd(E) ve R123 soğutucu akışkanlarının termodinamik ve ekserji performansları çevresel ve güvenlik özellikleri dikkate alınarak karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre en yüksek COP değeri 4.52 ile R1234ze(Z) akışkanı için elde edilmiş, bunu 4.48 COP değeri ile R1233zd(E) takip etmiştir. R123 ve R245fa akışkanları için COP değerleri sırasıyla 4.24 ve 4.14 olarak hesaplanmıştır.

Keywords

• Atık ısı geri kazanımı
• Enerji analizi
• Ekserji analizi
• Düşük GWP
• R1234ze(Z)
• R1233zd(E)

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF WASTE HEAT SOURCE INDUSTRIAL HEAT PUMPS

Abstract

Waste heat recovery in industrial facilities is of great importance for improving energy efficiency and reducing environmental impacts. In this study, a theoretical analysis of a single-stage vapor compression heat pump system using low-temperature industrial waste heat as the heat source was conducted. The system was modeled to provide hot water at 55–58 °C for heating the administrative units of a factory and was simulated for a 30 °C waste heat source. Mass, energy, and exergy balance equations were formulated for the system components, and the system performance was evaluated for different evaporator and condenser temperatures using energy and exergy analysis methods. Furthermore, the thermodynamic and exergy performances of R1234ze(Z), R245fa, R1233zd(E), and R123 refrigerants were compared by considering their environmental and safety characteristics. The results showed that the highest COP value of 4.52 was obtained for R1234ze(Z), followed by R1233zd(E) with a COP of 4.48. The COP values for R123 and R245fa were calculated as 4.24 and 4.14, respectively.

Keywords

• Waste heat recovery
• Energy analysis
• Exergy analysis
• Low GWP
• R1234ze(Z)
• R1233zd(E)

References

1. ENVER, Isı pompası kılavuzu, , (accessed 10 September 2025).
2. S. Erdoğan, M. Yılmaz, B. Şahin, Ö. Özyurt, Isı pompası sistemleri seçimi, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 92 (2006) 40-49.
3. Termodinamik Güneş-toprak kaynaklı ısı pompaları 1. Bölüm, https://www.termodinamik.info/arastirma/ , (accessed 10 September 2025).
4. Y. A. Çengel, A. J. Ghajar, Heat and Mass Transfer: Funda Mentals and Applications, McGraw-Hill Education, New York, 2015.
5. H. Arat, Jeotermal Kaynaklı Isı Pompasının Bölgesel Isıtma Sisteminde Kullanımının Araştırılması Ve Termodinamik Analizi, Master’s Thesis, Dumlupınar University, Kütahya, Türkiye,2016.
6. Ö. Saçkan, Deniz Suyu Kaynaklı Isı Pompası Sisteminin Termodinamik Analizi: Bir Otel Uygulaması, Master’s Thesis, Muğla Sıtkı Koçman University, Muğla, Türkiye, 2018.
7. S. Toksöz, S. Soyhan, Y. Topaçoğlu, İ. Taymaz, E. Büyükkaya, Toprak kaynaklı ısı pompasında ikinci yasa verimi, , (accessed 12 August 2025)
8. C. Aktemur, S. G. Hacıpaşaoğlu, M. Akbıyık, Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde R123’e alternatif olarak düşük küresel ısınma potansiyel soğutucu akışkanların termodinamik analizi, 23rd International Congress of Heat Science and Technology, 8–10 September 2021, Gaziantep, Türkiye, pp. 523–538.

9. F. Afshari, Ö. Çomaklı, Ş. Karagöz, H. G. Zavaragh, A thermodynamic comparis on between heat pump and refrigeration device using several refrigerants, Energy and Buildings, 168 (2018) 272–283, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.03.037.
10. Jouhara, H., Żabnieńska-Góra, A., Delpech, B., Olabi, V., El Samad, T., & Sayma, A. (2024). High- heat pumps: Fundamentals, modelling approaches and applications. Energy, 303, 131882. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131882
11. Arpagaus, C., Bless, F., Uhlmann, M., Schiffmann, J., & Bertsch, S. S. (2018). High temperature heat pumps: Market overview, state of the art, research status, refrigerants, and application potentials. Energy, 152, 985-1010. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.03.166
12. Mateu-Royo, C., Arpagaus, C., Mota-Babiloni, A., Navarro-Esbrí, J., & Bertsch, S. S. (2021). Advanced high temperature heat pump configurations using low GWP refrigerants for industrial waste heat recovery: A comprehensive study. Energy Conversion and Management, 229, 113752. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113752
13. Fukuda, S., Kondou, C., Takata, N., & Koyama, S. (2014). Low GWP refrigerants R1234ze(E) and R1234ze(Z) for high temperature heat pumps. International Journal of Refrigeration, 40, 161-173. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.10.014
14. Kondou, C., & Koyama, S. (2015). Thermodynamic assessment of high-temperature heat pumps using low-GWP HFO refrigerants for heat recovery. International Journal of Refrigeration, 53, 126-141. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.09.018
15. Hu, B., Li, Y., Cao, F., & Xing, Z. (2017). Exergy analysis of R1234ze(Z) as high temperature heat pump working fluid. Frontiers in Energy, 11, 493-502. https://doi.org/10.1007/s11708-017-0510-6
16. Arpagaus, C., & Bertsch, S. S. (2021). Experimental comparison of HCFO and HFO R1224yd(Z), R1233zd(E), R1336mzz(Z), and HFC R245fa in a high temperature heat pump up to 150 °C. Proceedings of the 13th IEA Heat Pump Conference, Jeju, Korea.