Bir Soğutma Eğitim Setinde Gerçek Zamanlı LOG P-H Diyagramı Oluşturmak Üzere Veri Toplama Sistemi Geliştirilmesi

Yazanlar:

Doç. Dr. Hüseyin Bulgurcu

M. Turhan Çoban, Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bornova İzmir

Volkan Eryüksel, Vebs Elektronik Yeni Sanayi Sitesi 12 Ekim Cad. 36. Sok. No:4 E Balıkesir

Özet

Bu projedeki bir soğutma eğitim seti üzerinde basınç, nem, sıcaklık, debi, akım gibi parametreler dijital algılayıcılar ile ölçülerek veri toplama sistemine (veri toplayıcı) aktarılır. Deney seti buharlaştırıcı, yoğuşturucu, kompresör, genleşme vanası, soğutma kulesi gibi ekipmanlardan oluşmaktadır. Bu deney setinin ısıl analizinin yapılabilmesi için metal direnç elemanlı (RTD) sıcaklık algılayıcıları, ısıl çiftli sıcaklık algılayıcıları, basınç algılayıcıları, elektrik güç girdisi okuma sistemleri, su ve soğutkan debisi algılayıcıları, nem algılayıcıları veri toplama sistemine entegre olarak çalışabilecek şekilde dizayn edildi. Veri toplama sisteminde dijital olarak algılanan ölçüm verileri RS485 iletişim sistemi ile bilgisayara iletilir, veriler Java programlama dilinde yazılan programlar üzerinden SQLite veri tabanında depolanır. Bu veriler gerçek zamanda SQLite veri tabanından okunarak grubumuz tarafından geliştirilen Java dilinde yazılmış bilgisayar benzeşim programlarına girdi parametreleri olarak aktarılır ve termodinamik çevrim analizleri ve ısı transferi benzeşimleri gerçek zamanda hesaplanarak sonuçlar tablolar ve grafik ortam çıktıları (logP-h, T-s diyagramları gibi) olarak deney seti kullanıcılarına aktarılır.

1.   Giriş

Eğitim setleri öğrencilerin temel mühendislik sistemleri konusundaki eğitimlerini deneysel anlamda geliştirmek amacıyla oluşturulan sistemlerdir. Bu tür sistemlerin bugüne kadarki üretiminde basınç, sıcaklık, nem, debi gibi sistem ısıl özelliklerini hesaplamada kullanacağımız parametreler standart tip çıktı ekranlarından okunuyordu. Bu çalışmada temel soğutma eğitim seti ele alınmıştır. Bu setteki tüm girdi parametrelerinin kendi geliştirdiğimiz veri toplama sistemi ve ölçme sistemleri kullanılarak verilerin algılanması, bilgisayar ortamında veri tabanına aktarılması ve bu veri tabanından gerçek zamanda alınan veriler kullanılarak tüm sistem elemanlarının bilgisayar benzeşim programlarının oluşturulması ve toplam sistem performans değerlerinin gerçek zaman çıktılarının alınabilmesi sağlanmıştır. Şekil 1’de üzerinde çalışılacak sistemin resmi ve Şekil 2’de şematik diyagramı görülür. Başlıca sistem bileşenleri soğutma çevrimini oluşturan buharlaştırıcı (evaporatör), yoğuşturucu (kondenser), kompresör, genleşme vanalarıdır.

Şekil 1. S-801 Temel soğutma eğitim seti

Projede veri elde etme sistemleri de grubumuz tarafından geliştirilmektedir. Bunun en önemli sebebi ülkemizde bu tür sistemleri hassas olarak yapan şirketlerin bulunmaması yurt dışından getirilen sistemlerin de üzerlerindeki araştırma-geliştirme maliyetlerinden dolayı pahalı olmasıdır. Sayısal algılayıcıların düşük ölçüm belirsizlikleri içerecek şekilde geliştirilmesi sadece bu proje açısından değil genel olarak bu tür sistemlerin ülkemizde kullanımı ve üretilebilirliği açısından da bir dönüm noktası oluşturabilir. Elde edilen veriler RS485 veri iletim standardı kullanılarak bilgisayar ortamına aktarılacaktır. Bu işlemde gerçek zaman Java programları kullanılır. Aktarılan veriler SQLite veri tabanına kaydedilir ve bu sayede herhangi bir şekilde veri kaybının önüne geçilir. Veri tabanına kaydedilen veri Java dilinde oluşturulmuş benzetim programları veriyi gerçek zamanda veritabanından okuyarak benzeşimleri oluşturacak ve benzeşim sonuçlarını grafik ve tablo formatlarında gerçek zamanlı olarak yansıtacaklardır.

Şekil 2. S-801 Temel soğutma eğitim seti şematik diyagramı

2.   Veri Algılama Sistemi Dizaynı

Veri toplama sistemi (veri toplayıcı), 8 kanallı olup her kanala nem, sıcaklık, PTC, NTC, PT100, PT1000 devir algılayıcı,  4-20 mA okuyucu, gibi sıcaklık algılayıcıları bağlanabilir. Şekil 3’te veri algılama sistemi ve algılayıcılar görülür. Veri toplama sistemi beslemesi 24 DC Volt olup PLC sistemleri beslemesi ile uyumludur.

Sistem haberleşmesi RS 485 iletişim ile modbus iletişim standardı ile haberleşir. Baud hızı parite akış kontrol ve veri toplayıcı adres bilgisi istenildiği takdirde üzerindeki ayar anahtarları (dip switch) yardımıyla değiştirilebilir. Bu sayede farklı sistemler ile uyumluluğu sağlanır. Veri toplayıcı sistemine bağlanan algılayıcılar iki uçlu kablo ile bağlanıp algılayıcıların beslemesi ve haberleşmesi gene aynı iki uçlu kablo ile sağlanır. İki uçlu kablo üzerinden hem veriler hem de güç aktarım sağlanmış algılayıcı ve kart içine yazdığımız program ve algoritmalar sayesinde verinin kusursuz ve uzun mesafe ile okunabilmesi sağlanmıştır. İki kablo ile bağlanabilen algılayıcı maksimum 500 m mesafe ile veri aktarabilir.

Şekil 3. Veri algılama sistemi ve SHD algılayıcılar

Veri toplama sistemi 8 kanal iletişim soketine sahip olmasına rağmen her giriş kapısında (port) iki adres vardır. Örneğin 1 kanala takılan nem ve sıcaklığı okuyan algılayıcı için cihazın 0. adresinde sıcaklık 1 adresinde nem bilgisi olarak gelir. Veri toplama cihazının 0-15. adresleri algılayıcılardan gelen bilgileri okumak için kullanılır. Diğer adreslerde algılayıcının fişini taktığımızda algılayıcının içindeki mikro işlemci yardımıyla algılayıcı kendini veri toplayıcıya tanıtır. Veri toplayıcının 20-27’nci adreslerinde bu algılayıcının tanımlama kodu yer alır bu sayede algılayıcı tanımı hemen öğrenilebilir. 30 numaralı adreste ise bitlere bakılarak algılayıcıların hatasız çalışıp çalışmadığı iki uçlu kabloda bir kısa devre olup olmadığı bilgileri okunur.

Veri toplama sistemine bağlanabilen algılayıcılar şunlardır:

2.1 Sıcaklık ölçüm sistemi

Sıcaklık ölçümleri yapan çeşitli algılayıcılar bulunur. Bu algılayıcılar:

• HS_T: SHD11 ve SHD75 algılayıcılarından yapılan nem ölçüm sistemleri
• PT100: Direnç tipi sıcaklık algılayıcı
• PT1000: Direnç tipi sıcaklık algılayıcı
• NTC: Direnç tipi sıcaklık algılayıcı
• PTC: Direnç tipi sıcaklık algılayıcı:
• TC_K: K Tipi ısıl çift
• TC_T: T Tipi ısıl çift
• TC_R: R Tipi ısıl çift

Sıcaklık algılayıcılardan alınan analog verileri dönüştürmek için gerekli tüm diğer devreler oluşturulmuş olup veri toplayıcı ve ona bağlı veri tabanı sistemine aktarılır.

2.2. Basınç ölçüm sistemi

• PS: Basınç ölçüm dönüştürücüleri 0-10 bar ve 0-20 bar.
• PDS: Basınç farkı ölçüm dönüştürücüleri 0-1 kPa

Tüm basınç dönüştürücülerden alınan analog sinyallerin sayısala dönüştürülmesi ve veri toplayıcı sistemimize girişler, kendi tasarladığımız elektronik sistemler üzerinden yapılır.

Debi ölçüm sistemleri

Türbin metre sistemleri: Sıvı hacimsel debi ölçümleri için temel algılayıcı olarak Saginomiya ELK tipi algılayıcılardan yararlanılmıştır [1]. Bu algılayıcılar dijital dalga sayısı sinyali verir. Bu sinyal akışkan türüne göre kendi geliştirdiğimiz elektronik devreler tarafından hacimsel ve kütlesel debi değerlerine dönüştürülerek veri toplayıcı sistemimize ve oradan da veri tabanına gönderilir.

Hava hızı okuma sistemleri (sıcak tel anemometre): Bu sistemlerin de sıcak tel algılayıcısı hazır alınmış olup, dönüşüm devreleri eklenmiştir.

Pitot tüpü: Bu sistem hız profillerinin taranması ve diğer hava hız ölçüm sistemlerinin kalibrasyonu için kullanılır.

Nem Ölçüm Sistemleri:

HS_RH: (SHD11 ve SHD75 algılayıcılarından yapılan nem ölçüm sistemleri) Bu mikro algılayıcı sıcaklık ve nem ölçer [2]. Bu algılayıcılar özel bir muhafaza içine yerleştirilmiş ve deney setlerinin ölçüm noktalarına yerleştirilmiştir.

2.3. Elektriksel parametre ölçüm sistemleri: Sistemimizde fan, kompresör gibi elemanların güç harcamalarının saptanması amacıyla güç ölçümü yapılması gerekir. Güç girişleri alternatif akımdır. Bu yüzden hazır olarak alınacak AC voltaj, akım ve cosØ algılayıcıları, güç okuma sistemleri olarak standart güç analizörleri kullanılmış olup analizörden alınan veriler veri toplayıcımızın direkt okuyacağı formda çıktı alacak şekilde tasarlanmıştır.

3.   Sistem Benzeşimi ve Algılama Sistemi Dizaynı

Sistem benzeşim ve algılama programlanması Java programlama dilinde gerçekleştirilmiştir. Temel olarak geliştirilen programlar ve işlevleri şunlardır:

• Veri tabanı programlama altyapısının (SQLite) java programı olarak geliştirilmesi
• Veri tabanı programından veriyi gerçek zamanlı olarak okuyacak sistemin geliştirilmesi
• Veri tabanı programından çıkan verileri çeşitli tablo, analog çıktı şekilleri, grafik çıktı pencereleri şeklinde oluşturacak alt programların Java programlama dilinde geliştirilmesi
• Soğutucu akışkanların, su ve havanın (kuru ve yaş hava) termodinamik özelliklerini hesaplayacak program gurubunun geliştirilmesi
• Soğutma kulesi, buharlaştırıcı (evaporatör), yoğuşturucu (kondenser), kompresör, genleşme vanası gibi sistem elemanlarının termodinamik, ısı ve kütle transferi modellerinin geliştirilerek sistem performanslarının saptanması ve bu programların gerçek zaman verisinden girdi alabilecek şekilde yapılması.
• Sistem eleman programlarının birleştirilerek tüm sistemin benzeşimini oluşturacak bir sistem olarak tasarlanması
• Yapılan ölçüm sistemlerinin kalibrasyon ölçümlerinin yapılması

Şekil 4’te benzeşim sistemleri tarafından oluşturulmuş çeşitli çıktı pencereleri görülür. Bunlardan ilk üçü veri tabanı tarafından alınan ham veridir. Dördüncü pencerede veri tabanında listelenmiş tüm ham veri görülür. Herhangi bir zaman diliminde alınan verinin daha sonra tekrar incelenmesi mümkündür.

Ayrı ayrı paketler halinde geliştirilen sistem programları tüm sistemin birlikte çalışmasını oluşturacak tek bir paket olarak entegre edilecektir. Bu pakette tüm sistem parametrelerinin gelecek zamandaki değişimlerini görmemiz mümkün olacaktır. Şekil 5, 6 ve 7’de soğutma çevrimi termodinamik özelliklerini hesaplayan soğutma çevrimi. Java programının çıktılarından logP-h diyagramı, T-s diyagramı ve tablo formundaki çıktılar görülür.

Şekil 4. Benzeşim programları çeşitli veri gösterim pencereleri

Şekil 5. Benzeşim programı çıktısı: Soğutma çevrimi logP-h diyagramı

Şekil 6. Benzeşim programı çıktısı: Soğutma çevrimi T-s diyagramı

Şekil 7. Temel soğutma eğitim seti program çıktısı: Tablo formu çıktı değerleri

4.   Sistem Entegrasyonu

Sistem programlaması ve algılayıcı tasarımı oluşturulduktan sonra tüm sistem bir araya getirilip test edilerek, sistem performanslarının ve çalışma kriterlerinin ne şekilde oluştuğu ve çalıştığı gözden geçirilmiştir. Sistem parametrelerindeki uyumsuzluklar giderilerek sistemin bir bütün olarak harmoni içinde çalışması sağlanmıştır. Sistemin bir bütün olarak çalışması ve performansı sağlandıktan sonra aynı prensip tüm deney sistemlerine entegre edilerek geniş bir çalışma platformuna uygulanması mümkün olmuştur.

5.   Sonuç ve Değerlendirme

Günümüzde ısıl analizler ve hesaplamalar bilgisayar ortamında yapılabilir. Bu analizlerin temel ısı makinelerine gerçek zaman istemleri olarak uyarlanabilmesi için veri algılama sistemlerinin de sistemin entegre parçası olarak çalışması gerekir. Bu çalışmada örnek bir ısıl sistem olarak soğutma sistemi, veri algılama sistemleri ve bilgisayar benzeşim sistemleri dizayn edilerek entegrasyonları sağlanmış ve entegre bir sistem oluşturulmuştur. Algılama sistemlerinin grubumuz tarafından oluşturulması, çok daha ucuz ama düşük belirsizlik değerleriyle verinin bilgisayara aktarılmasını ve böylece daha doğru bilgisayar benzeşimleriyle sistem parametrelerinin gerçek zamanda elde edilmesine göreceli olarak düşük maliyetlerle olanak sağlamıştır. Bu gerçek zamanlı veri toplama ve analiz sistemini öncelikle deney setleri için geliştirdik. Ancak bunu tüm termal sistemlere uygulamak mümkün olabilir. Log p-h diyagramı yanında örnek olarak iklimlendirme ve kurutma sistemlerinde psikrometrik değişimleri, buhar-güç santrallerinde ters Rankine Çevrimini, gaz türbinlerinde Joul Çevrimi izlemek ve analiz etmek mümkündür.

Teşekkür

Çalışma, “Endüstriyel soğutma eğitim seti mekanik ve ısıl sistem, ölçüm ve kontrol sistemleri ve gerçek zaman enerji analizleri programları geliştirilmesi dizaynı ve testleri” adlı 3120008 no’lu TEYDEP projesi kapsamında yürütülmektedir. Bu çalışma için destek veren TÜBİTAK’a teşekkürlerimizi sunarız.

7. Kaynaklar

[1] http://www.saginomiya.co.jp/eng/auto/searchresult11.php?FilterID1=3&FilterID2=3 (Erişim tarihi:20.04.2012)

[2] http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT1x.pdf  (Erişim tarihi:20.04.2012)

[3] International Standard ISO 17584 Refrigerant Properties, Reference Number: ISO 17584:2005(E)

[4] STEWART Richard B., JACOBSEN, Richard T., PENONCELLO, Steven G. ASHRAE Thermodynamic Properties of Refrigerants

[5] ÇOBAN, M. Turhan, ”Kübik şerit ve B şerit interpolasyon yöntemi kullanarak soğutucu akışkanların doyma termofiziksel özelliklerinin hassas olarak oluşturulması”, I. Soğutma Teknolojileri Sempozyumu bildiri kitabı, 6-12 Ekim 2008, ISBN: 978-605-5771-00-3

[6] M. Turhan Çoban, “Gerçek gazların termodinamik ve termofiziksel özelliklerinin Lee-Kesler hal denklemi kullanılarak modellenmesi”, 17. Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, 24-27 Haziran 2009, Cumhuriyet Üniversitesi, Sivas

[7] KAMEI, A., BEYERLEIN, S.W. and JACOBSEN, R.T., Application of nonlinear regression in the development of a wide range formulation for HCFC-22. Int. J. Thermophysics, 16(1995), pp. 1155-1164

[8] LEMMON, E.W. and JACOBSEN, R.T., Equations of state for mixtures of R-32, R-125, R-134a, R-143a,and R-152a, J. Phys. Chem. Ref. Data (in press)

[9] LEMMON, E.W. and JACOBSEN, R.T., A new functional form and new fitting techniques for equations of state with application to penta fluoroethane (HFC-125), J. Phys. Chem. Ref. Data

Bu makale, Balıkesir Üniversitesinde düzenlenen (İKSES 12) 1. Ulusal İklimlendirme Soğutma Eğitimi Sempozyumu’nda bildiri olarak sunulmuştur.