Халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференциясының ЕҢбектері

252 
 
THE SAMPLE OF HEAT PUMP APPLICATION IN ANTALYA 
 
 Ahmet ÇOŞGUN
1
,  Cemal OKUYAN
2 
1
 Akdeniz Üniversity, Antalya-Turkey. acoskun@akdeniz.edu.tr 
2 
Balıkesir Üniversity, Balikesir- Turkey. cokuyan@balikesir.edu.tr 
  
ABSTRACT 
In this study,  an application of heat pump originating from aqua-air in Isısan showroom existing in Antalya 
and  some  experiments  with  R514  type  heat  pump  devices  existing  in  air  conditioning-cooling  lab  in  Akdeniz 
University Technical Sciences Vocational High School have been carried out. In both devices in variable conditions 
water discharge entering into condenser on R514 type testing machine has been considered as 10-50 gr/h variable 
and accordingly it is observed that the real heating factor of action differ 2,25-7,4 values. On the other hand, the 
heating  factor  of  action  in  theoretical  state  have  been  calculated  and  the  correlation  between  them  have  been 
examined. Besides this, in LHK-10 type heat pump originating from aqua-air in Antalya Isısan Showroom and the 
application is completed, temperature rating entering into condenser has been changed between 16 and 32 °C and 
the heating and cooling factor of action(for both theoretical and real occasions) affecting the heat pump have been 
calculated.  The  experimental  and  the  practical  results  getting  from  two  different  places  have  been  analyzed 
respectively. 
 
РЕЗЮМЕ 
В данном исследовании рассмотрено применение тепловых насосов типа аква-воздух, установленных 
в салоне Isisan, в Анталии и некоторые эксперименты, проведенные с устройством теплового насоса типа 
R514 в кондиционерах для  охлаждения лабораторий в профессионально-технической школе университета 
технических  наук  Акдениз  В  обоих  устройствах  с  различными  условиями  сброса  воды,  находящейся  в 
конденсаторе  испытательные  машины  типа  R514  переменная  составляла  10-50  гр  /  ч  и,  следовательно, 
реальный  фактор  действия  отопления  различался  на  2,25-7,4  значения.  С  другой  стороны,  были 
рассчитаны  факторы,  влияющие  на  систему  отопления  в  теоретическом  состоянии  и  рассмотрена 
корреляция между ними. Кроме того, были рассчитаны факторы процессов нагревания и охлаждения (как 
для  теории,  так  и  в  практических  случаях),  влияющие  на  действие  тепловых  насосовы  типа  ЛХК-10, 
работающих  по  принципу  аква-воздух  в  Isisan  Showroom  Анталии  при  изменении  температуры 
компонентов  конденсатора  с  16  до  32  °С.    Были  проанализированы  экспериментальные  и  практические 
результаты, полученные в двух случаях соответственно. 
 
1. INTRODUCTION 
For  the  purpose  of  partially  reduce  the  disadvantages  brought  by  the  energy  crisis  that  gained 
importance  world  wide  as  well  as  in  Turkey  in  this  century;  it  is  necessary  to  develop  and  practically  use 
thermal systems that will reduce the thermal energy to minimum level. Heat pumps can be shown as a sample 
to this systems [1]. 
In  the  very  simple  expression,  Heat  Pumps  are  thermodynamic  systems  that  are  transferring  low 
temperature  from  a  resource  to  a  resource  with  higher  temperature.  Heat  pumps  are  working  on  a  base  by 
water, air or other fluids heating and ejaculating the high temperature from the condenser.  The main purpose 
of this is to obtain hot water or air for heating, drying and similar actions. Aqua-Air heat pumps means a heat 
pump  that  is  obtaining  hot  water  by  absorbing  the  heat  from  the  air.  It  is  also  possible  to  avail  the  energy 
discharged  by  the  heat  pumps.    However,  it  is  not  always  possible  to  use  the  heat  pumps  everywhere. 
Especially  regarded  to  the  discharged  heat  energy,  taking  in  consideration  the  size  in  W,  the  temperature, 
regaining  ways,  the  cold  environment  where  the  heat  is  absorbed  from,  constructive  specifications,  the 
physical  and  chemical  characteristics  of  the  discharged  fluid,  etc  that  will  be  used,  it  is  necessary  to  do  a 
versatile  analyze.  Sometimes,  heating  pumps  are  the  best  solution  when  both,  heating  and  cooling  required 
places  is  requested.  As  an  example  to  this,  drying  plants,  sporting  complexes  and  places  like  food  and 
industrial plants where bi-directional applications are used can be mentioned [2]. 
The interest in heat pumps increased after the Energy crisis in year 1973, and in 1976,  300.000 unites 
of  heat  pumps  have  been  manufactured.  Till  the  end  of  1978  the  manufactured  heat  pump  total  amount  in 
America was more than 2.000.000 pieces. 25 % of the buildings established after the year of 1978 have been 
planed  and  applied  as  to  be  heated  with  the  heating  pumps.  Nowadays  in  worlds  developed  countries,  like  
America,  Canada,  Germany,  Switzerland,  etc.,    heat  pumps  are  being  used  widely    in  housing  as  well  as 
industrial fields[3].  
In  this  study,  experiments  were  based  on  R514  Type  aqua-air  heat  pump  devices  current  in  Air 
Conditioning Cooling Laboratory of Vocational Technical Sciences High school of Akdeniz University and in 
Isısan  Showroom  building  in  Antalya.  For  both  devices  used  in  the  experiments  various  conditions  were 
applied; for R514 experimental device the water flow between 10-50 gr/sec trough the condenser was taken as 

253 
 
the variable.  In this study the variation of heat efficiency coefficient depending on the water flow was tried to 
be determined.  
On  the  other  hand,  in  the  experimental  study  done  with  the  LHK-10  type  aqua-air  soured  heat  pump 
current in Isısan Showroom Building; the variation of water temperature entering the condenser between 16-
32°C was taken as parameter, and according to that the operatic and theoretical cooling and heating effective 
coefficient  were  computed.  The  aim  of  this  study  was  to  analyze  the  both  experimental  results  with 
engineering methods and to provide benefits in their practical use to applicants and engineers.     
2. MATERIAL – METHOD  
The efficiency of the heat pumps is showing big differences according to the temperature of the external 
environments  where  the  energy  is  pumped.  On  the  other  hand  the  confort  conditions  requested  from  people 
during  the  winter  and  summer  moths  are  remaining  the  same.  It  is  around  +/-  24°C.  The  warm  water 
temperature  used  for  shower/bath  and  similar  application  remain,  s  for  both  summer  and  winter  months, 
around  45°C.  In  case  that  the  heating  necessity  reaches  the  maximum,  this  indicated  that  the  exterior 
temperature has reached the minimum[4]. 
 As known I the II.Law of Thermodynamics,  the heat  transmission a colder heating source to a  hotter 
environment  can  only  occur  when  the  second  energy  source  energy  is  thermal  or    mechanic  and  the 
transmission from the cold heat device to the hot environment can occur in various ways. Accordingly the heat 
pump types can be ranged as follows: vapor pressed circular heat pump, absorption heat pump, absorption heat 
pump,  gas  circular  heat  pump,  jet  steam  circular  heat  pump,  Stirling  circulated  heat  pump,  resorption  heat 
pump, Rankine/ vapor pressed circular heat pump and Thermo electrical heat pump.   
 2.1. Thermodynamically Heat pumps: Although Carnot cycle is nonexisted it is  a totally reversible 
cycle. Therefore it is used in the comparison of power cycles. Carnot cycle is, in given temperature range the 
highest heating exothermic cycle. It is also possible that change of states in Car not cycle, the heat and working 
transaction  reverse.  This  I  called  the  reversed  Carnot  cycle.  Heat  pump  and  cooling  machines  are  working 
according to the reverse Carnot cyle[5]. 
In heat pumps, the cooler heat is taken and this mentioned heat is by the refrigerant fluid transmitted to 
heat source, transformed to elevated temperature. As refrigerant in vapor pressed circular liquid steam is used. 
A  heat  pump  is  consisted  of  four  main  parts:  1-  Evaporator,  2-  Condenser,  3  –  Expansion  valve,  4  – 
Compressor[6].  
2.2.  Different  sourced  Heat  Pumps:  The  low  energy  in  heat  pumps  is  obtained  free  of  charge  from 
different natural resources. During obtaining this energy neither the source temperature changed nor negative 
effects are added to the environmental conditions.  The application can be grouped as follows [7]: 
In  heat  pump  systems  the  environment  that  the  evaporator  is  absorbing  the  energy  is  called  the  heat 
source.  For  using  this  energy  source,  which  is  very  important  for  the  heat  pump,    efficient  in  the  system 
depends on the below mentioned conditions. 
1 – to posses high resolute hat during the heating season, 2 – to be easy to find, 3 – not to have corrosive 
and pollutant effects,  4 – to have appropriate thermo physical characteristics, 5 – to have low investment cost 
for reaching the source. 
2.3.The Thermodynamically Comparison of Power Machines and Heating Pumps  
 
Picture 1. The Carnot cycles of a powe machine and heat pump.[2]. 
As it can be seen n the Picture 1, the Carnot cycle in te power machines are:  
Q
C
 : is given heat (evaporation), W
 
: is received energy (Exergy), Q
OC
: is anenergia.  
Q
C 
= W + Q
OC 
As  is  known  the  usable  part  of  energy  is  the  Exergy.    The  non  usable  energy  is  named  as  anenergia. 
Regarding to this, the relation between Exergy and anenergia can be shown as: 
Energy = Exergy + anenergia 
 
 
 
 
 
 
 
 
(1) 
Along the cycle:  
η
c
=
T
T
T
0
= 1-
T
T
0
with this expression the Carnot efficiency is determined. 
 
(2)  
Also W = Q
C 
* η
c
 
In case of heat pumps it is like:   
Exhaust heat = Given energy + received energy    
 
 
 
              (3)  

254 
 
  
Heat Effect Coefficient HEC (IEK) is like [2]: 
IEK
  
= 
W
Q
C
=
0
T
T
T
 
The experimental pump used in this study is a direct expansion pump, therefore it s possible to draw 
an InP-h diagram as shown below on picture 2. 
 
Picture 2. The ln P-h diagram (presenting a single-stage systems with and without heat exchanger). 
 
Reversible Carnot cooling cycle consist from two constant temperature and their operational procedure, 
total  four  thermodynamic  operation  (picture  2).  In  the  diagram  the  1-2-3-4  operations  are  reversible.    The 
Carnot cycle, is not reversible to  1
‘
-2
‘
-3
‘
-4
‘
 thermodynamic operations and shows the Carnot cycle. It is:   
1-2: The adiabatic isentropic compression in the Compressor, 
2-3: The constant pressure and temperature compression in the Condenser, 
3-4: The isentropic extension of the Extension Valve, 4-1: the extension f the evaporator under constant 
pressure and teperture. The 1-2 and 3-4 thermodynamic activities are based on transaction basis. 
1-2: it is presenting the operation done over the working fluid with W
el
 operation out of system borders  
3-4:  it  is  presenting  the  over  border  systems  transferable  operation  in  reversible  and  non  reversible 
systems.  
To prevent the fluid from the intake line to run into the compressor during the application the system is 
changed  into  heat  exchanger.  The  heat  exchanger  transforms  the  coolant  liquid  at  the  entrance  of  the 
compressor by  overheating  first  into the steam faze, than  the fluid at the exit condenser by overcooling  into 
overcooled and liquid faze[7]. 
 
In  the  reversible  Carnot  cycle,  the  entrance  of  the  saturated  vapor  phase  liquid  into  the  compressor 
under  constant  pressure  is  considered  as  the  1  point,  after  compression  with  adiabatic  constant  entropy  the 
transfer from the compressor to the condenser as the 2 point, the transformation under constant pressure in the 
condenser  from  superheated  steam  into  saturated  steam  phase  still  as  the  2  point  and  entering  the  extension 
valve in the phase of saturated liquid as the 3 point,  after extending in the adiabatic entropy, the transfer from 
the  extension  valve  to  the  evaporator  as  the  4  point,  by  absorbing  heat  under  constant  pressure  in  the 
evaporator the transformation to the saturated vapor and entrance to the compressor as the 1 point. If the mass 
flow  of  the  coolant  fluid  in  the  system  is  chosen  as  m
r
  (kg/h)  and  the  enthalpy  as  (kJ/h)  than  the  capacity 
evaluation can be calculated with the below mentioned equation, 
W =m
r
(h
2
 –h
1
) 
   (Compressor‘s compression activity )  (kJ/h) 
 
 
 
(4)  
Q
C
 = m
r
(h
2
 –h
3,4
)  (Condenser condensation capacity)   ( kJ/h) 
 
 
 
(5) 
Q
0
 = m
r
(h
4
 –h
1
) 
   (Cooling load)  (kJ/h)   
 
 
 
 
 
(6) 
3. EXPERIMENT PERFORMING AND INTERPRETING THE FINDINGS  
3.1. Experimental Study carried out in the Akdeniz University Laboratory (Group I: GI) 
Photographs  from  a  R514  aqua/air  mechanical  heat  pump  current  in  Air-conditioning  –  Cooling 
Laboratory, Technical Sciences 
Vocational High
 School, Mediterranean University are shown on picture 3‘ a 
and b. Exploded view of the Mechanical heat pup device used in experiment of GI picture 4‘(c) 
  
    
 
 
(a)  
 
 
(b)  
 
 
 
 
(c) 
Picture 3. Heat pump belonging to a Laboratory device (a):  general view,  (b): Coactionel,      
condenser with pipes and water, 
Picture 4. Exploded view of the Mechanical heat pup device used in experiment of GI (c)  [8,10]. 

255 
 
 
3.1.2. GI Experimental Device’s Specifications: 
GI experimental heat pump device consists from: 1 piece of, 1/3 HP hermetic type compressor, 1 piece 
of, 1/3 type air cooler evaporator, 1 piece of, water condenser with interpenetrated (coaxsionel) pipes, 1 piece 
of, R134 gas measuring flow meter, 1 piece of rout meter type flow meter which is measuring the water flow 
(kg/sec) circulated in the condenser, 1 piece of, annular balanced thermostatic extension valve, 1 piece of filter 
(dryer), 1 piece of pressure manometers showing low and high pressures, 1 piece of, pressure automatic and 1 
piece  of,  condenser  fan  from  power  of,  40W.  Also  one  Wattmeter  (it  is  measuring  the  system‘s  total 
consumption of electrical energy as (Watt/sec), 8 pieces of temperature measuring sensors (trough this sensors 
the  results  of  measurements  are  transferred  to  the  Regulator  switch  indicator),  one  of  each,  water  input  and 
water output (drainage) lines are existing. In order not to be effected by the ambient conditions the temperature 
measuring  sensors  were  isolated  with  polyurethane  material  during  the  8  digital  temperature  measurements 
[8,9]. 
The  temperature  points  taken  from  the  GI  device  were  respectively  as  follows;  the  coolant  fluid‘s 
compressor  input  (incoming)  temperature  (t
1
),  the  coolant  fluid‘s  compressor  output  (outgoing)  temperature 
(t
2
), the condenser condensation temperature (t
ky
),
 
the coolant fluid‘s condenser output (outgoing) temperature 
(t
3
),  the  coolant  fluid‘s  evaporator  input  (incoming)  temperature  (t
4
),  the  coolant  fluid‘s  evaporation 
temperature in  the evaporator  (t
eb
), the water input  (incoming)  temperature into the  condenser  (t
5
), the water 
output (outgoing) temperature from the condenser (t
6
), and the ambient temperature (t
7
). 
During the estimation, the air/aqua heat pump was activated and operated idle without load for one hour 
time. Later on for evaluation the elapsed periods for the determined load taken from the Wattmeter (each 0,5 
kW  from  the  total  consumed  electrical  energy)  were  estimated  with  a  chronometer.  R134a  was  used  as  the 
coolant fluid.  The estimation results are shown in the sheet 1 mentioned below. 
Sheet 1. GI Experiments and evaluation results of the heat pump 
 
Evaluation Parameters 
1. 
Evaluation 
2. 
Evaluation 
3. 
Evaluation 
4. 
Evaluation 
5. 
Evaluation 
6. 
Evaluation 
m
su
 (gr/sec) 
50 
40 
30 
20 
10 
4 
m
r
 (134 a gas, gr/sec) 
6 
6 
6 
6 
6 
7 
P
k 
(High-pressure side, bar ) 
6 
6,45 
7 
7,9 
10,8 
13,9 
P
e 
(Low-pressure side, bar)
 
 
2,75 
2,92 
3 
3,18 
3,22 
3,40 
t
ky 
(Condenser  condensation  Temp. 
°C)
 
 
28 
30 
32 
34 
43 
55 
t
eb  
 (Evaporator evaporation temp., 
°C)
 
6 
7 
8 
9 
9 
11 
t
1 
(Compressor income temp., °C)
 
16,6 
13 
10 
7,5 
8,5 
9,6 
Overheating (°C)  
-10,6 
- 6 
- 2 
1,5 
0,5 
1,4 
t
2 
(Compressor outcome temp., °C)  
51,6 
54,1 
52,9 
53,4 
57,3 
61,8 
t
3  
(Condenser outcome temp., °C) 
23,3 
24,6 
22,7 
32,3 
42,2 
54 
t
4  
(Evaporator income temp., °C) 
8,9 
9,6 
10,8 
11,4 
12,0 
13,1 
t
5 
(Mains water income temp., °C) 
18,6 
18,7 
19,1 
19,3 
20,3 
22,6 
t
6 
(Condenser/evap.  water  outcome 
temp., °C) 
24,3 
26 
29,2 
34,3 
45,3 
55,1 
t
7  
(Ambient Temperature, °C)
 
20 
20 
20 
20 
20 
20 
Device‘s operating time (min) 
(for 0,5 kW/h) 
10,10 
9,56 
9,28 
9,02 
8,06 
6,42 
Q
k
=m
su
x Cp
su 
x (t
5-
t
6
)  
(Kondenserden suya verilen ısı W) 
1191,3 
1220,5 
1266,5 
1254 
1045 
543,4 
W
el
=m
r 
x (h
2
-h
1
)
   
(The action shared on Working fluid, 
W) 
150 
192 
240 
242 
240 
241 
IEK
g
=Q
k
/Wel  
(real heat  effect coefficient ) 
7,4 
6,3 
5,2 
5,18 
4,35 
2,25 
IEK
t 
=T
ky
/(T
ky
 - T
b
)  
(theoretical heat effect coefficient ) 
13,68 
13,17 
12,7 
12,28 
9,29 
7.45 
 

256 
 
 
 
Picture 5 
 
 
 
 
Picture 6 
Picture 5. The temperature differences appeared by using variable water flows for GI.  
Picture 6. The effect of the variable water flow to IEK in GI (IEK
g
= real heating effect coefficient, 
IEK
t
=Theoretical heating effect coefficient) 
 
3.2. The experimental Activities in Antalya Isısan Showroom Building (Group II: GII) 
3.2.1.The Characteristics of the Isısan Showroom Building in Antalya: 
 
The Isısan Company showroom building in Antalya consists of  a basement, ground floor an one normal floor. 
The ground floor has a clerestory. This buildings heating – cooling activities are fulfilled with an Aqua / air 
heat pump with additional Water VRV system (picture 7). For this one external unite from 10 BG power and 
in  accordance  to  the gaining  heat  and  losses  calculation 8  system  connected  internal  unites  with  appropriate 
volumes  were  placed.  Three  internal  unites  of  36000  BTU,  48000  BTU  and  60000  BTU  were placed  in  the 
same location where de current heat pump is placed.      
Sheet 2. GII aqua / water pump evaluation results 
Evaluation Parameters 
The values taken when the device 
is operating (heating)   
The  values  taken  when  the 
device is operating (cooling)   
Numbers of Evaluation  
1.E 
2.E 
3.E 
4.E 
1.E 
2.E 
3.E 
4.E 
Pe (evaporator pressure, bar) 
9,6 
10,8 
11,5 
11,7 
8,1 
7,8 
7,9 
9 
Pk (Condenser pressure, bar) 
20,4 
21,5 
24,2 
27,8 
24 
25,1 
26 
27,2 
t
eb
  (Pe  equal  evaporation  temperature, 
°C) 
6 
8 
12 
13 
1 
0 
0 
4 
t
ky
  (Pk  equal  condensation  temperture, 
°C)   
33 
36 
40 
46 
40 
41 
43 
45 
m
r  
(410A gas, gr/sec) 
400 
400 
400 
400 
400 
400 
400 
400 
 t
1 
(compressor income temperature, °C) 
16 
16,7 
17,2 
19,1 
8,5 
9,2 
9,7 
9,9 
 t
2 
(compressor outgoing temperature, °C)  41,8 
41,7 
42 
41,6 
62,7 
62,8 
62,9 
62 
 t
3 
(condenser outgoing temperature, °C) 
32,9 
33 
32,8 
33,2 
11,2 
10,7 
11,1 
12 
 t
5 
(mains water income temperature, °C) 
16 
21 
27 
32 
16 
21 
27 
32 
 t
6 
(condenser/evap.  Water  output  temp., 
°C) 
32,8 
31,1 
30,6 
30,9 
12 
16,2 
23,1 
25,1 
 t
7 
(ambient temperture, °C) 
20 
20,7 
20,4 
21,1 
20 
20,3 
20,4 
20,6 
m
su 
(the circulated water flow in 
cond./evap., m
3
/h ) 
2,5 
2,5 
2,5 
2,5 
2,5 
2,5 
2,5 
2,5 
Absorbed air (°C) 
29,9 
30 
30,1 
30,5 
24,7 
26,7 
27,9 
28,9 
Blower air (°C) 
41 
40,8 
41,4 
41,6 
9,8 
10,1 
12,5 
11,9 

257 
 
Q
k
=m
su
Cp
su
(t
5-
t
6
) (the heat given to water 
by the condenser, W) 
37182  29317 
9005 
3195 
---- 
---- 
---- 
----- 
Q
e
=m
su
Cp
su
(t
5-
t
6)
  (the  heat  given  to  the 
water by evaporator, W ) 
------ 
------ 
------ 
------ 
11619 
1394
3 
11328  20043 
W
el
=m
r
(h
2
-h
1
) 
 
(The action shared on Working fluid, W ) 
8800 
6800 
7200 
8000 
12000 
1400
0 
12000  12800 
IEK
g
=Q
k
/Wel (Heating effect coefficient) 
4,2 
4,3 
1,25 
0,39 
--- 
--- 
--- 
--- 
IEK
t
= T
ky
/(T
ky
 - T
b
) 
11,33 
11,03 
11,17 
9,66 
--- 
--- 
--- 
--- 
SEK
g
=Q
e
/W
el
 (Cooling effect coefficient)  
--- 
--- 
--- 
--- 
0,96 
0.99 
1,05 
1,56 
SEK
t
= T
b/
 (T
ky
 - T
b
) 
--- 
--- 
--- 
--- 
7,02 
6,65 
6,34 
6,75 
y
 = -0.24x
2
 - 0.248x + 4.955
R
2
 = 0.8826
y = -0.3025x
2
 + 1.0255x + 10.502
R
2
 = 0.8766
0
2
4
6
8
10
12
16
21
27
32

жүктеу/скачать 3,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: