MM 424 Makina Mühendisliği Uygulamaları II

Transkript

1 SOĞUK HAVA DEPOSUNUN TASARIMI MM 424 Makina Mühendisliği Uygulamaları II Ahmet Yağız TUNCEL Makina Mühendisliği Bölümü Mühendislik Fakültesi Gazi Üniversitesi Maltepe, Ankara Ocak 2014

2 i ÖZET Soğutma sistemleri günümüzde endüstriyel kullanım olarak vazgeçilmez bir unsur haline gelmeye başlamıştır. İstenilen şartların sağlanabilmesi ve uzun yıllar muhafaza edilebilmesi, bu sistemlerin projelendirme aşamasında doğru bir biçimde tasarlanmasına bağlıdır. Doğru bir tasarım ise kuvvetli bir analiz ve hesaplama gerektirmektedir. Bu projede ele alınan çalışmada, seçilen bir yapıdaki soğutma sistemi tasarlanacaktır. Tasarımın ilk aşamasında yapı ve çevresel faktörler analiz edilecek, daha sonra bu veriler kullanılarak standartlar çerçevesinde hesaplamalar gerçekleştirilecektir. Böylece uygun ekipmanların seçimi mümkün olacaktır. Uygun projelendirme ve uygun ekipman seçimi hem istenilen değerleri yakalamamızı sağlarken hem de ekonomiye büyük bir katkıda bulunacaktır.

3 ii ABSTRACT The application of air refrigeration systems in industrial utilization is becoming indispensable factor in our life. To obtain the desired conditions and to maintain this desired conditions for a long years depend on a correct designing of the Project. For this reason, we need to analyse carefully and we need to perform calculations correctly to have a correct project. The air refrigeration system of the selected building will be designed in this project. At the beginning stage of the design, building and the factors of its surroundings will be analysed. Then, calculations will be performed under standards by using datas analysed. Thus, selection of appropriate equipment will be possible. Correct Project and selection of appropriate equipment provide to maintain the desired conditions and provide a positive contribution to economy.

4 iii TEŞEKKÜR Bu çalışmamı hazırlarken, kıymetli vakitlerini bana ayırarak, derin bilgileri ve yol göstericiliği ile bana yardımcı olan saygıdeğer hocam Yrd. Doç. Dr. Cevdet AYGÜN e, çalışmam boyunca manevi desteklerini esirgemeyen aileme ve sevgili arkadaşım Özge ÜNAL a teşekkürlerimi sunarım.

5 iv İçindekiler ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii Şekiller Listesi... vi Semboller... vii 1.GİRİŞ SOĞUTMANIN TARİHÇESİ STANDARTLAR Isıtma ve Soğutma Sistemlerinin Enerji Verimliliklerini Doğru Olarak Değerlendirip Sergilemek İçin Avrupa Standartları Uluslararası Bir Referans Olarak İhracatı Destekleyecek Avrupa Standartları Avrupa Standartları ve Ulusal Bina Yönetmelikleri Gerekli Olan Yazılım Araçları Sonuçlar TEORİK BİLGİLER Isı İletimi Isı Taşınımı Toplam Isı Geçiş Katsayısı, Isı Geçiş Direnci Soğutma Yükü Hesabı Transmisyon ısısı İnfiltrasyon Hava Değişimi Isısının Hesabı Mal ısısının hesabı Soğutulan hacmin içinde meydana gelen ısılar SOĞUTUCU ÇEVRİMİ VE SOĞUTUCU ELEMANLAR İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminde Hal Değişimleri İdeal Çevrim İle Gerçek Çevrim Arasındaki Farklar Soğutma Çevriminde Yer Alan Elemanlar... 42

6 v Ana Elemanlar Yardımcı Elemanlar TASARIM HESAPLAMALARI Ürün Cinsi ve Miktarının Belirlenmesi Tesisin Kurulacağı Yer Ürünlerin Muhafaza Şekilleri Ürün Miktarına Göre oda Sayılarının Belirlenmesi Odaların Boyutlandırılması Mimari Proje Soğutma Yükü Tespiti Isı Transfer Katsayılarının Hesaplanması İç Duvarlar Dış Duvarlar Soğutma Ekipmanlarının Seçimi Soğuk Muhafaza Odası Donmuş Muhafaza Odası Şoklama Odası Ön Soğutma Odası Boru Çapı Hesaplamaları Soğuk Muhafaza Odası Donmuş Muhafaza Odası Şoklama Odası Ön Soğutma Odası Boru Çapı Tabloları Maliyet Hesabı SONUÇ KAYNAKÇA EKLER

7 vi Şekiller Listesi Şekil 1 İki tarafı farklı sıcaklıkta akışkan ile süpürülen düzlem levha Şekil 2 Bazı İllerimizin, Mevsimlere Göre Sahip Oldukları Ortalama Sıcaklıkları Şekil 3 Düşey Duvarlar Şekil 4 Tavan Şekil 5 Hava Değişimi Isısını Tablosu Şekil 6 Çeşitli Gıdaların uzun Süreli Soğuk Muhafaza Değerleri Şekil 7 Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi Şekil 8 Sıcaklık Entropi Diyagramı ( C : sabit) Şekil 9 Basınç Entalpi Diyagramı ( C: sabit) Şekil 10 Soğutma Çevrimi Elemanları Şekil 11 Kompresör Şekil 12 Rotary Kompresör...45 Şekil 13 Hermetik Kompresör Şekil 14 Vidalı Kompresör.45 Şekil 15 Vidalı Yarı Hermetik Şekil 16 Ticari Kompresör Şekil 17 Schrool Kompresör Şekil 18 Pistonlu Kompresör Şekil 19 Helisel Tip Döner Kompresör Şekil 20 Santrifüj Kompresör Şekil 21 Scroll Tip Kompresör Şekil 22 Kondanserler Şekil 23 Duvar ve Coil Tipi Kondenser Şekil 24 Tek Katlı Alt Kondenser.. 59 Şekil 25 Çift Katlı Alt Kondenser Şekil 26 Hava Soğutmalı Kondenser Şekil 27 Su Soğutmalı Kondenser Şekil 28 Evoparatif Kondenser Şekil 29 Kılcal Boru Şekil 30 Termostatın Yapısı Şekil 31 Drayer Kesiti Şekil 32 Soğutma Çevrimi Şekil 33 İdeal Soğutma Çevrimi T-s Diyagramı Şekil 34 İç Duvar Şekil 35 Dış Duvar Şekil 36 Tavan... 85

8 vii Semboller η : Verim ρ : Yoğunluk (kg/m 3 ) A : Toplam Hava Tarafı Yüzey Alanı (m 2 ) Ai : Boru İç Alanı (m 2 ) Ay : Yalıtım Yüzeyi (m 2 ) g : Yer Çekim İvmesi(m/s 2 ) hi : Boru İçerisindeki Isı Taşınım Kat Sayısı (W/m 2 K) h0 : Boru Dışındaki Isı Taşınım Kat Sayısı (W/m 2 K) h1 h2 h3 : Kompresör Girişi Özgül Entalpisi (kj/kg) : Kompresör Çıkışı Özgül Entalpisi (kj/kg) : Evoparatör Girişi Özgül Entalpisi (kj/kg) k : Isı İletim Katsayısı (W/m o C) l ṁ : Yalıtım Kalınlığı (m) : Soğutucu Akışkan Debisi (kg/s) Q : Isı Kazancı (kwh/m 2 ) W : Kompresör İşi (W) T : Sıcaklık ( o C)

9 1 1.GİRİŞ Soğutma, termodinamiğin önemli uygulama alanlarından birisidir. Soğutma çevrimi termodinamiğin sahasına girse de, soğutma sisteminin tasarlanmasında mühendislik bilimlerinin birçoğuna gereksinim vardır. Bilindiği gibi ısı, yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki bir başka ortama doğal yollarla yani hiçbir dış zorlama uygulanmaksızın kendiliğinden akar. Soğutma işleminde ise bunun tam tersi yapılmaktadır. Düşük sıcaklıktaki bir ortamın sahip olduğu ısı enerjisi, daha yüksek bir sıcaklıktaki ortama atılmaktadır. Sisteme, doğal yolla olan işlemin tersini yaptırmaya çalışmak, bazı mühendislik teknolojileri gerektirmektedir. Soğutma işlemi, soğutma makinaları veya ısı pompaları yardımıyla gerçekleştirilir. Bu cihazların çalışma prensiplerinin dayandığı çevrimlere de soğutma çevrimleri denir. En yaygın olarak, buhar sıkıştırmalı çevrimler kullanılmaktadır. Bu çevrimi takip eden iş akışkanı, bir çevrim dahilinde, dönüşümlü olarak yoğuşur, buharlaşır ve buhar fazında iken sıkıştırılır. Başka bir soğutma çevrimi de, gaz akışkanlı soğutma çevrimidir. Bu çevrimde ise akışkan çevrim boyunca sürekli gaz fazında bulunmaktadır. Bir soğutma sisteminin, yıllar boyunca fonksiyonlarını kusursuz olarak yerine getirebilmesi için bu yükleri oluşturan ısı kazancı ve ısı kaybı hesaplarının doğru yapılması gerekmektedir.

10 2 2.SOĞUTMANIN TARİHÇESİ En basit ve eski soğutma şekli, soğuk yörelerde tabiatın meydana getirdiği buzları muhafaza edip bunları sıcak veya ısısı alınmak istenen yerlere koyarak soğumanın sağlanmasıdır. Kışın meydana gelen kar ve buzu muhafaza ederek sıcak mevsimlerde bunu soğutma için kullanma usulünün M.Ö yıllarında uygulanmakta olduğu bilinmektedir. Bu uygulamanın, bugün bile yurdumuzun bazı yörelerinde geçerli bir soğutma şekli olduğu görülmektedir. Diğer yandan, eski mısırlılardan beri geceleri açık gökyüzünü görecek tarzda yerleştirilen suyun soğutulabileceği bilinmektedir. Bu soğutma şekli, gece karanlıktaki sıcaklığın mutlak sıfır (-273) derece seviyesinde olmasından ve ışıma (radyasyon) yolu ile ısının gökyüzüne iletilmesinden ortaya çıkmaktadır. Soğutmanın gıdaların muhafazası için de yararlanılabileceği ilk kez, 1772 yılında bir grup kaşifin Kuzey Sibirya nın Lena nehri kıyılarında kamp yaptığı sırada keşfedilmiştir. Dondurucu soğuktan korunmak için çadırlarına sığınmış olan gezginlerin yemek yemeğe hazırlandıkları sırada köpeklerin havladıklarını duyarlar. Hemen telaşla dışarı çıkan kaşifler, köpeklerin hızla karları eşelediklerini görürler. Köpeklerin yanına gittiklerinde kar altında gömülü kocaman bir mamutun bozulmamış başını görürler. Buzları temizleyip bir parça et kesip yiyen kaşiflşer,etin hiç bozulmamış olduğunu tespit ederler. Mamut binlerce yıl buzulların altında bozulmadan kalabilmiştir. Bu öyküyü duyan bilim adamları 1772 senesinden sonra çalışmalarına hız vermeye başlarlar yılında Jacop Perkins adında Amerikalı bir mühendis, ilk pratik buz makinesinin patentini almıştır.bu arada elektrik olmayan yerlerde çalışan bir makine üzerinde de çalışılmış ve 1858 senesinde Fransız Ferdinand Carre absorpsiyon sistemini keşfetmiştir.1886 senesinde de Mühendis Windhausen CO2 ile çalışan soğutma sistemi ile düşük sıcaklıklara (-80 C) inebilmiştir. Ticari amaç ile ilk büyük buz satışı, 1806 yılında Frederic Tudor tarafından yapılmıştır. Tudor, 130 tonluk bir buz kütlesini Favorite adlı teknesiyle Antil Adaları'na götürmüştür. Daha sonraları Buz Kralı adı ile tanınan Tudor, ilk

11 3 macerasından 3500 dolar para kaybetmesine rağmen bu zararın depolama olanaklarının bulunmayışından meydana geldiğini, gerçekte ise buz işinde büyük kazançlar bulunduğunu görebilmiş ve buz ticaretine devam ederek 1850 yıllarında senede tona ulaşan bir buz ticareti hacmi geliştirmiştir de ise buz sattığı ülkeler arasında Antiller, İran, Hindistan, Güney Amerika ülkeleri bulunuyor ve gemilerinin uğradığı limanlarının sayısı 53 'ü buluyordu. Tabiatın bahşettiği buz ile soğutma şeklinden 1800 lü yılların sonuna kadar geniş ölçüde yararlanılmıştır. Buz ile elde edilen soğutma şeklinin, gerek zaman ve gerekse bulunduğu yer bakımından çoğu kez pratik ve ucuz bir soğutma sağlayamayacağı bellidir. Bunun yerine mekanik araç ve cihazlarla soğutma sağlanması tercih edilir ki soğutma yöntemleri bilimi de bu ikincisi ile ilgilenir. Mekanik soğutma ile ilgili bilinen ilk patent 1790 yılında İngiliz Thomas Harris ile John Long' a aittir yılında da Amerikalı Jacop Perkins, eter ile çalışan pistonlu bir cihazın patentini almıştır. Bu makine, bir emme basma tulumbaya benzer. Bir tıp doktoru olan John Gorrie ( ) ilk defa, ticari gaye ile çalışan bir soğutma makinası yapmış (1844- Apalachicola, Florida, ABD) ve Klima Sistemleri Soğutma - Ticari buz imali konularının babası olarak tarihe geçmiştir. Uygulama alanında ilk defa 1860 yılında Dr. James Harrison (Avusturalya) üretim işlemi sırasında birayı soğutmak maksadıyla mekanik soğutmayı başarıyla kullanmıştır. Sistemde soğutucu akışkan olarak Sülfirik Eter kullanılmıştır yılında Dr. Alexander Kirk, kömür ısısı ile çalışan ilk Absorbsiyonlu soğutma cihazını geliştirmiştir. Mekanik soğutma vasıtasıyla buz imalinin ticari sahaya girmesi ise 1800' lü yılların sonunda olmuştur. Klima olarak büyük çapta ilk uygulama, 1904 yılında New York Ticaret Borsasına 450 ton/frigo'luk bir makine konularak gerçekleştirilmiştir. Otomatik olarak çalışan buzdolapları 1918 yılında Kelvinatör Company tarafından imal edilmeye başlandı ve ilk sene 67 dolap satıldı yılları arasında toplam 200 dolap yapılarak satıldı. Absorpsiyon prensibiyle çalışan otomatik bir buz dolabı da (Electrolux) 1927 yılında amerika'da satışa çıktı.

12 4 19. yüzyılın ikinci yarısında geliştirilmeye başlanan ilk soğutma sistemlerinde karbondioksit, hava, su, amonyak gibi doğal maddeler soğutucu akışkan olarak kullanılmıştır. İzleyen yüzyılda, yapay olarak elde edilen kloroflorokarbon ve hidrokloroflorokarbonlar bu maddelerin bir kısmının yerini almış ve yoğun şekilde kullanılmıştır. Ancak bu maddelerin zaman içerisinde atmosfere karışması sonucunda, sera etkisinin artması ve ozon tabakasının tahribatı gibi çeşitli çevre sorunları ortaya çıkmıştır. Özellikle canlıları zararlı güneş ışınlarından koruyan ozon tabakası soğutucu maddelerin yapısında bulunan klor atomlarının serbest kalıp zayıf ozon moleküllerini parçalamasıyla tahrip olmaktadır. Ozon tabakasının tahrip olması sorunu, tüm dünyada önem kazanmış ve ülkeler bu tahribatı önlemek için birlikte harekete geçmişlerdir. Bu hareketin prensiplerini çizen ve 1987 yılında 43 ülke tarafından imzalanan Montreal Protokolü ile CFC grubu soğutucu akışkanların üretim ve kullanımı aşamalı olarak kısıtlanmıştır. Günümüzde R12 ye alternatif olarak gösterilen soğutucu akışkanlardan bazıları R134A, R22, R404A, R407C, R717, R410A dır. Çeşitli sanayi sektörlerinde kullanılan birçok yapay veya doğal maddenin tekrar kullanılamaması ve çevreye atılması yüzünden yıllardır çevre kirletilmektedir. Kirliliğin sebep olduğu çevre sorunlarının artması ile birlikte son yıllarda tüm dünyada çevreyi tahrip eden maddeler üzerinde yoğun araştırmalar başlatılmıştır. Bu araştırmalar neticesinde soğutma ve klima sektöründe kullanılan soğutucu maddeler ile çeşitli sanayi kollarında kullanılan CFC (kloroflorokarbon) içeren maddelerin ozonu tüketmesi ve çevreye olan etkileri ağırlıklı olarak gündeme gelmiştir. Günümüzde ilerleyen teknoloji ve rekabetin artışı ile sistemler hızlı bir şekilde kurulmalıdır. Bu sistem kurulumunun ilk aşaması olan termodinamik hesaplamaların basit ve hızlı olabilmesi amacıyla birçok bilgisayar programları ve veriler hazırlanmıştır.

13 5 3. STANDARTLAR 3.1 Isıtma ve Soğutma Sistemlerinin Enerji Verimliliklerini Doğru Olarak Değerlendirip Sergilemek İçin Avrupa Standartları Binaların Enerji Performansı Direktifinde (BEPD), AB üye ülkelerinin mevcut ve yeni binalarda enerji tasarrufunun kontrolü için bina yönetmelikleri olmasını şart getirmektedir. Bu şart yönetmelerle (minimum şartlar, kontrol, belgelendirme) ve bütünleyici bir yaklaşıma dayanan enerji verimliliği değerlendirme metotlarıyla teknik bina sistemleri pazarını etkilemektedir. BEPD de ürün tek olarak değil bir sistemin bir parçası olarak değerlendirilmektedir. Tesisatın özel çalışma şartları dikkate alınmaktadır (sistem yaklaşımı). BEPD, direktifin iç hukuk mevzuatına aktarılmasını üye ülkelere bırakmıştır. Bu durum ısıtma ve soğutma sistemleri için AB pazarını seviyesi belli olmayan bir pozisyonda bırakmıştır. Ulusal uygulamaların seviyesi oldukça değişkendir. Mikro kojenerasyon ve hidrolik balans gibi temel hususlar, bazen ulusal metotlarda dikkate alınmamaktadır. Yenilik getiren tekniklerin yine enerji kullanımına olan katkıları her zaman aynı şekilde değerlendirilememektedir. Fransız bina stokunda tek bir ailenin genel enerji tüketimi yılda yaklaşık 200kWh/m² dir (aileye verilen enerji). Teknik bina sistemlerinin kayıpları tüketimin yaklaşık yarısını temsil etmektedir. Bu örnek, kötü tasarımdan ve bina teknik sistemlerinin işletilmesinden kaynaklanan enerji kayıpların azaltılmasının binanın genel enerji verimliliğini iyileştirme üzerine önemli etkisi olduğunu göstermiştir. Mevcut binalar için bunun anlamı tesisatın ileri bir teknolojiyle yenilenmesidir. Olumlu katkı, standart ürün ve sistem özelliklerine dayanan bina teknik sistemlerinin tek tip, şeffaf bir değerlendirmesiyle ulusal bina yönetmeliğinden sorumlu olan koordinatör birim ve aynı zamanda müşteri tarafından "görünür" hale getirilmelidir.

14 6 3.2 Uluslararası Bir Referans Olarak İhracatı Destekleyecek Avrupa Standartları Avrupa, ısıtma ve soğutma endüstrisi bu konuda öncü bir çalışma yaptı ve enerji verimliliği alanındaki liderler arasındadır. Avrupa ürünleri (kazan, ısı pompaları, dağıtım sistemleri, radyatörler, regülatörler, havalandırma sistemleri vb.) ve hizmet sektörü (planlama, icraat, kontrol ve bakım hizmetleri) tüm dünyada en kaliteli uçta yer alan ürünler arasındadır. Bu, Avrupa da özellikle küçük ve orta ölçekli kuruluşlara iş imkânı oluşturmaktadır. İhracat odaklı bir ekonomide şeffaf kuralları olan küresel bir pazar oluşturmak esas konudur. BEPD buna tek tip kavramlar ve yöntemlerle katkı sağlamaktadır. Dünya genelinde kabul edilen standartlar ticarette engellerin ve çok sayıda test yapılmasından kaynaklanan ilave masrafların azaltılmasına ve ortadan kalkmasına yardımcı olmaktadır. AB için, 27 değişik ülkenin kullandığı yöntemlerin güçlü bir ihracat pozisyonu oluşturmayacağı aşikârdır. Avrupa seviyesinde, hatta üçüncü ülkelerin de atıf yapabileceği, tek tip değerlendirme yöntemlerinin oluşturulması Avrupa Komisyonu nun Avrupa Standardizasyon Komitesi ne verdiği ikinci direktifin amaçlarından biridir. 3.3 Avrupa Standartları ve Ulusal Bina Yönetmelikleri Ulusal yönetmeliklerin Avrupa standartlarına atıf yapma çalışması bazı Avrupa ülkelerinde başarıyla yürütülmektedir. Standardizasyon ulusal yönetmelikleri aşağıdaki görev paylaşımı ile tamamlamaktadır: Standardizasyon teknik kısmın yerini alır (tek tip bir değerlendirme metodu oluşturarak); Ulusal yönetmelikler uyulması gereken şartların seviyelerini belirler.

15 7 Standartlara, doğrudan ulusal standartlarca atıf yapılmalıdır. Standartlar üzerinde herhangi bir ilave veya değişiklik yapılmamalıdır. Ancak bu şekilde tek tip değerlendirme metot ve araçları (yazılım) oluşturulabilir. Yeniden düzenlenen BEPD (2010) madde 8 de üye ülkelerin teknik bina sistemlerinin genel enerji performansı bakımından gerekli olan şartları belirlemelerini istenmektedir. Sistemlerin uymaları gereken şartlar değişim ve modernizasyon için ayrı ayrı belirleneceğinden bu şartlar ısıtma ve soğutma sistemleri pazarı üzerine önemli etki yapacaktır. Rekabette herhangi bir bozulma olmaması için sistem şartlarının tanımı ve hesaplanmasının Avrupa da tek tip olması çok önemlidir. Bu ürünlerin uluslararası düzeyde standardizasyonu esas olmalıdır. Bu standartlara dayanarak ulusal yönetmelikler daha sonra sistemlerin uymaları gereken şartların seviyelerini belirleyeceklerdir. Genel Olarak Enerji Kullanımının Değerlendirilmesine Isıtma ve Soğutma Sistemleri Nasıl Dâhil Edilirler? Genel yapı EN "Binaların Enerji Performansı- Genel enerji kullanımı ve enerji derecelendirmelerinin tarifleri" standardında belirtilmiştir. Hesaplama yönü ihtiyaçlardan kaynağa, yani binanın enerji ihtiyacından asıl kullanılan enerjiye doğrudur. Isıtma ve soğutma sistemlerinin enerji verimliliği, sistemin ısıl kayıplarının ve yardımcı sistemlerin enerji kullanımıyla hesaplanır. Isıtma standartları modüler yapıda oluşturulmuşlardır: Isı üretimi, Depolama, Dağıtım, Emisyon Bu yapı teknik bina sisteminin asıl yapısını takip etmektedir.

16 8 Her bir modül için sadeleştirilmiş (örneğin: tablo haline getirilmiş değerler) veya ayrıntılı yöntemler gereken hassaslığa göre uygulanabilir. Ancak, uygularken sonuçların bir sonra gelecek modülün hesaplamaları için uygun bağlantıları sağlayan o modülün belirlenen çıktısına karşılık gelmesi esastır. Metottan araca doğru ısıtma ve soğutma sistemleri yüksek kaliteli ve kolay Kullanılır yazılım araçlarına ihtiyaç duyar Teknik bina sistemlerinin veri toplama ve performanslarının gelişme süreçlerinde karmaşık olma gibi bir şöhretleri vardır. Toplam enerji kullanımında teknik bina sistemlerinin etkisinin, özellikle düşük enerji kullanan konutlardaki gelişmelerle karşılaştırıldığında ikinci derecede yer aldığını kabul eden varsayım hatalıdır. Genel anlamda enerji kullanımıyla ilgili olarak ısıtma ve soğutma sistemlerinin katkısını daha ayrıntılı olarak değerlendiren yeni standartlar bunu gösterecektir! Bu standartlara dayalı olarak, teknik bina sistemlerinin daha kolay hesaplaması ve veri toplaması için yazılım araçları geliştirilmelidir. 3.4 Gerekli Olan Yazılım Araçları Binaların enerji performansı için yazılım üzerine Haziran 2009 da Brüksel Avrupa Standartları Organizasyonu nun (CEN) Toplantı Merkezin de uygulamalı bir çalışma organize edilmiştir. Çalışmanın esas amacı bina enerji performansı için tek tip bir Avrupa sistemi oluşturmanın getireceği yararları göstermektir. Uygulamalı çalışmanın konusu yüksek öncelikli olarak değerlendirilmiş ve 17 ülkeden katılımcı iştirak etmiştir. Katılımcıların çoğunluğu bu konuda Avrupa da önde gelen yazılım firmalarının temsilcilerinden oluşmuştu. Standart oluşturanlarla binaların enerji performansı ile ilgi olarak standardı kullananlar (tasarımcılar, yükleniciler, belgelendirme birimleri) arasında bir bağlantı olarak yazılım geliştiricilerin önemi anlaşıldı. Yazılım geliştiriciler standartları okuması ve inşaat profesyonelleri için bunları yazılım araçlarına uygulamaları esas olarak kabul edildi. İkinci nesil BEPD standartlarının içeriği yazılım geliştiricilerin ihtiyaçlarına adapte edilmesi gerekti.

17 9 İkinci direktifin gereklerini yerine getirme çalışmaları sürecinde ısıtma ve soğutma sistemlerine ait standartları gözden geçirirken aşağıdaki hususlar önemli olarak ele alınmalıdır: "Standartlar ne kadar "ayrıntılı" olmalı, Veri toplama ve veri esasları. "Standartların çok ayrıntılı" olduklarına ilişkin yorum geçmişte kalan bir tartışma konusudur. Düşük enerji kullanan evler (yüksek kaliteli binalar) aynı şekilde yüksek kaliteli hesaplama modelleri ve yazılım gerektirir. Özellikle enerji tasarrufunun önemle çalışma şartlarına bağlı olduğu ısıtma ve soğutma sistemleri için, örneğin ısı pompaları için ayrıntılı bir hesaplama (saatlik hesaplama) gerekmektedir. Hesaplama cihazlarının kapasitelerinin mukayesesinde de saatlik veya aylık metot sorusu yanlış bir tartışmaya götürmektedir. Gelecekteki standartlar ortak bir taban olarak çok ayrıntılı bir hesaplama metodu geliştirmelidir. Sadeleştirme hesaplama metodunda değil, içerik kadar önemli olan kullanıcı ara yüzlerinde (araçlarında) yapılacaktır. Kullanıcı ara yüzleri gereken girdi bilgilerine bağlıdır. Modeldeki en büyük belirsizlik ve aynı zamanda en çok zaman alıcı parametre, girdi bilgileridir. Çok ayrıntılı metotlar genellikle kullanıcıyı doğru bilgiyi bulma problemiyle karşı karşıya getirir. Bu hususun, hesaplamanın güvenirliği konusunda çok büyük etkisi vardır. Baktığımızda, küçük kayıplar için çok ayrıntılı hesap yapılması, zaman kaybı ve hata tehlikesi doğurmaktadır. Örneğin, oda yükseklikleri sınırlı olan iyi izole edilmiş binalarda ısı katmanları nedeniyle olan emisyon kayıpları sonuca tesir edecek önemde değildir. Buna rağmen, katmanlaşmanın kayıplar üzerinde çok önemli etkisi olduğu yüksek tavanlar incelendiğinde ayrıntılı bir hesaplama yapılmaması konuyu açıkta bırakacaktır. BEPD ye bağlı olan standartlar güncelleştirilirken girdi bilgileri tipoloji yaklaşımına dayanan bir yaklaşımla yapılandırılmalıdır. Konu üzerinde çalışan uzman, çalıştığı

18 10 olaya göre daha fazla ayrıntıya girip girmemeye karar verecektir. Genel duruma göre doğru bir sadeleştirmeyi bilmek bir uzman için en değerli bilgidir. Veri tabanlarına kolay erişim, ürünün doğru performansının bulunması enerji belgelendirmesi ve binanın en iyi duruma getirilmesi için diğer bir önemli etmendir. Veri tabanları genellikle ulusal hesaplama metotlarıyla yakın bağlantı içindedir (örneğin İngiltere, Fransa). Bunun sonucu da ulusal metotların bir karışımına karşılık gelen bir veri tabanları karmaşasıdır. Farklı veri tabanlarının hızla çoğalması konusu da (örneğin, ürün özellikleri, hava durumu bilgileri) birleştirilmiş bir Avrupa çerçevesi lehine önemli bir savunma olgusu olmuştur. Eğer ulusal pazar çok önemli değilse, imalatçılar genellikle veri sağlamada pek istekli davranmayacaklardır. Ulusal veri tabanları bazen ilave testlere veya önceden hesaplamalara ihtiyaç duyar ve bunlar da Avrupa içerisindeki ticarette yeni engeller oluşturur. Belgelendirme birimleri ve tasarım mühendislerinin günlük çalışmalarını kolaylaştırmak için yeni ve mevcut binalara uygun bütünleştirici yazılım araçları oluşturulmalıdır. Tüm Avrupa Birliği üye ülkelerindeki uzmanlar bu yazılım araçlarına erişebilmeli ve uzmanların bu araçları ulusal yönetmeliklerle olan uyumu göstermeleri için kullanmalarına müsaade edilmelidir. Özellikle küçük ölçekli Avrupa Birliği üye ülkelerindeki uzmanlar için bu entegre yazılım araçlarına erişim ve kullanmak, bu araçların genellikle küçük pazarlarda olamamaları nedeniyle oldukça önemlidir. Eğer uzmanlar bu yüksek kaliteli ayazım araçlarına erişemezse, önemli miktarda enerji tasarruf potansiyeli kullanılamayacaktır. 3.5 Sonuçlar BEPD ye bağlı Avrupa Standartlar Organizasyonu Standartları ikinci direktif ısıtma ve soğutma sistemlerinin aşağıdaki hususları sağlaması için çok önemlidir: Ürün enerji verimlilikleri için birbiriyle uyumlu özellik tanımları geliştirmesi,

19 11 Onaylanmış performans verilerine dayanan tek tip bir enerji verimliliği değerlendirme metodu sağlamak, bunu yaparken yaratıcı ısıtma ve soğutma sistem teknolojileri doğru olarak dikkate alınmalı. Isıtma ve soğutma sistemlerinin enerji verimliliklerini ve onların genel enerji kullanımına, enerji tasarrufuna olumlu katkılarını ve çevreye olan etkilerini göstermesi, Avrupa nın uluslararası bir standardizasyon seviyesi üzerine olan deneyiminin kullanılmasını tanıtmak. Eğer Avrupa, Avrupa Standartlar Organizasyonu Standartları na dayanan, örnek oluşturan aynı zamanda üçüncü ülkelerine referans alabileceği bir referans dokümanı oluşturmak istiyorsa, bu referans ilk olarak Avrupa da oluşturulmalı ve uygulanmalıdır. Ortak bir Avrupa metodolojisinin hemen ulusal metotların yerini alması mümkün görülmemektedir. Bu nedenle Avrupa metodolojisinin kullanılması ulusal bina yönetmelikleri şartlarının yerine getirilmesi için bir seçenek olarak kabul edilmelidir.

20 12 4. TEORİK BİLGİLER Genel bir tanım olarak ısı, sıcaklık farkının neden olduğu geçiş halindeki enerji şeklidir. Bir bölgeden diğer bir bölgeye ısı enerjisinin geçişi, iletim (kondüksiyon), taşınım (konveksiyon) ve ışınım (radyasyon) olmak üzere üç şekilde görülebilir. Gündelik hayatta ısı transferi, bazen, olmasını istediğimiz, bazen ise olmasını engellemeye çalıştığımız bir işlemdir. Bir soğuk hava deposunda ise, nispeten sıcak olan ortam, dış ortam olduğundan ve biz soğutulan ortama, dış ortamdan girebilecek bir ısı enerjisini istemediğimizden dolayı, bu ısı transferini engellemeye yönelik bazı adımlar atmalıyız. Ortamların ara yüzüne, kondüksiyon ile ısı iletimini güçleştirmek amacıyla bazı yalıtım malzemeleri döşenir. Tasarımda bu hesaplamalar önemli yer tutar. 4.1 Isı İletimi Sürekli bir rejim halinde L [m] kalınlığında, A [m 2 ] alanındaki büyük bir düzlemsel levhanın iki tarafındaki sıcaklıklar T1 ve T2 ise bu levhadaki q [W] ısı geçişi, Fourier Kanunundan: Q = λ. A. T 1 T 2 L (4.1) Veya Q = T 1 T 2 R λ = T R λ (4.2) Şeklinde yazılabilir. Burada: R λ = L λ.a (4.3) [K/W] veya [ C/W] biçiminde ısı iletim direncini göstermektedir.

21 13 Bir ısıl devredeki ısıl akım (ısı geçişi), ısıl potansiyel (sıcaklık farkı) ile doğru, ısıl direnç ile ters orantılıdır. 4.2 Isı Taşınımı İletimle ısı geçişi katı cisimler içinde mikroskopik titreşimler ile oluşurken, taşınımla ısı geçişi gaz veya sıvı akışkanlar içindeki moleküllerin makroskopik hareketleri ile oluşur. T0 sıcaklığındaki bir katı cidar ile T sıcaklığındaki bir akışkan arasındaki ısı taşınımı, Newton un Soğuma Denkleminden: Q = K. A. (T 0 T ) (4.4) Veya Q = T 1 K.A = T R a (4.5) Şeklinde yazılabilir. Burada: R = 1 K.A (4.6) [K/W] veya [ C/W] biçiminde ısı taşınım direncini göstermektedir Toplam Isı Geçiş Katsayısı, Isı Geçiş Direnci Daimi rejimdeki birçok ısı geçişi problemi, birden fazla ısı geçişi tipini içerebilir. Çeşitli ısı geçişi katsayıları kullanılarak bulunabilen toplam ısı geçiş katsayısı ve

22 14 sisteme ait sınır sıcaklık değerleri kullanılarak, bu sistemdeki toplam ısı geçişi hesaplanabilir. Bu tip problemlerde, ısıl devre veya ısıl direnç kavramının kullanılması halinde, çözüme daha kolay ulaşılabilir. Şekilde gösterildiği gibi, sürekli rejimde, ısı iletim katsayısı λ1 ve λ2 olan L1 ve L2 kalınlıklarındaki sonsuz büyüklükte düzlemsel iki katmanlı levhanın iki yüzü T1 ve T5 sıcaklıklarındaki iki akışkan ile temasta olsun. Akışkanlar ile yüzeyler arasındaki ısı taşınım katsayıları α1 ve α2 olduğuna göre, bu levhanın A yüzey alanından geçen ısıyı, λ1, λ2, L1, L2, T1, T5, α1 ve α2 cinsinden ifade etmek istenilsin. Şekil 1 İki tarafı farklı sıcaklıkta akışkan ile süpürülen düzlem levha Verilen Şekil 4.1 göz önüne alınarak Newton un soğuma kanunundan:

23 15 Q = K. A. (T 1 T 2 ) = T 1 T 2 1 K 1. A = T 1 T 2 R 1 Q = λ 1. A. T 2 T 3 L 1 = T 2 T 3 L 1 λ 1. A = T 2 T 3 R 2 Q = λ 2. A T 3 T 4 L 2 λ 2. A = T 3 T 4 R 3 Q = α 2. A. (T 4 T 5 ) = T 4 T 5 1 α 2. A = T 4 T 5 R 4 Şekillerinde ifade edilebilir. Burada R1, R2, R3 ve R4 ısı taşınımından ve ısı iletiminden olan ısıl dirençleri göstermektedir. Sıcaklık farkları cinsinden: T 1 T 2 = Q. R 1 T 2 T 3 = Q. R 2 T 3 T 4 = Q. R 3 T 4 T 5 = Q. R 4

24 16 Yazılıp, bunların taraf tarafa toplamı alınır ise: T 1 T 5 = Q. (R 1 + R 2 + R 3 + R 4 ) Veya Q = T 1 T 5 A. (T 1 T 5 ) = R 1 + R 2 + R 3 + R 4 1 α + L 1 + L λ 1 λ 2 α 2 Elde edilir. Bu eşitlikte: U = [ 1 α 1 + L 1 λ 1 + L 2 λ α 2 ] 1 (4.7) Şeklinde tanımlanan U [W/m 2 K] toplam ısı geçiş katsayısı kullanılarak, ısı geçişi Q = U. A. (T i T o ) (4.8) Olarak da ifade edilebilir. Burada yapılan benzer işlemler n katmanlı düzlemsel levha için tekrar edilirse:

25 17 Q = A.(T 1 T n ) 1 α1 + n L i+ 1 i=1λ i α2 (4.9) n L i U = [ 1 + α i=1 + 1 ] 1 (4.10) 1 α 2 λ i Yazılabilir. Genellikle ısı kaybı ve ısı yalıtım hesaplarında, ısı geçiş dirençlerinin kullanılması bazı kolaylıklar sağlar. Toplam ısı geçiş direnci, toplam ısı katsayısının tersi olup, 1/U olarak Eş dan, R toplam = 1 U = 1 α 1 + n L i i=1 (4.11) λ i + 1 α 2 Şeklinde ifade edilir. 4.4 Soğutma Yükü Hesabı Soğutma yükü genel olarak Transmisyon ısısı, Hava değişiminden gelen ısı, Mallardan gelen ısı ve oda içerisinde meydana gelen muhtelif ısılardan kaynaklanmaktadır.

26 Transmisyon ısısı Transmisyon ısısı hesabı için öncelikle iç ve dış duvarlar ile döşeme ve tavan toplam ısı transfer katsayılarının tespit edilmesi gereklidir. Ardından aşağıdaki formül ve tablolar yardımıyla transmisyon ısısı hesaplanır. Q = K.A.(Td - Ti) (4.12) Burada; Q= Transfer olan ısı (W) Td= Dış ortam veya komşu hacim sıcaklığı (oc) Ti= İç oda sıcaklığı K= Toplam ısı transfer katsayısı Aşağıda, bazı illerimizin, mevsimlere göre sahip oldukları ortalama sıcaklıkları verilmiştir. Bu veriler tasarımdaki bazı parametreleri elde etmek için kullanacağımız bilgileri içerir.

27 19

28 20

29 21

30 22

31 23

32 24 Şekil 2 Bazı İllerimizin, Mevsimlere Göre Sahip Oldukları Ortalama Sıcaklıkları Isı transfer katsayılarının hesabı Toplam ısı transfer katsayısı aşağıdaki formülden bulunabilir. Isı taşınım katsayısı değerleri için aşağıda örnek olarak verilen tablodan yararlanılabilir. (4.13) İç ve dış yüzeylerdeki ısı taşınım katsayıları (h) Yüzey h (W/m 2 K) Dış düşey duvar 23 İç düşey duvar 9 İyi havalandırılmış iç yüzey 18 Çatı dış yüzey 23 Yatay yüzey (aşağı doğru ısı geçişi) 6 Yatay yüzey (yukarı doğru ısı geçişi) 8 Bu tablodaki değerler, tasarımda seçilecek yere göre belirlenecektir ve ısı kaybı hesaplamalarında ilgili yerlerde kullanılacaktır. Duvarların yapısı da örnek olarak şekildeki gibi incelenecektir.

33 25 Şekil 3 Düşey Duvarlar Duvar tabakalarına ait kalınlık ve kullanılan malzemeye ait ısı iletim katsayıları, ilgili tablolardan tespit edilerek, uygun olan malzeme ve kalınlık seçimi yapılacaktır. Yukarıdaki şekle göre örnek oluşturulmuş tablo aşağıdaki gibidir. Malzeme Kalınlık (cm) Isı iletim katsayısı İç sıva 3 0,60 Styropor 23 0,60 İç tuğla 10/20 0,034 Örnek bir işlem yapmak için hiç = hdış= 7 alırsak; 4.13 numaralı denkleme, tablo değerlerimizi yerleştirerek, toplam ısı transfer katsayısı

34 26 Ön soğutma ve soğuk muhafaza odaları için; Tavan için yapı şu şekildeyse; 1 K = K=0.27 kcal/m 2 o C Şekil 4 Tavan Malzeme Kalınlık (cm) Isı iletim katsayısı Betonarme betonu 10 1,30 Styropor 15/20 0,034 İç sıva 3 0,60

35 27 Örnek bir işlem yapmak için hiç = hdış= 5 alırsak; 4.13 numaralı denkleme, tablo değerlerimizi yerleştirerek, toplam ısı transfer katsayısı ; 1 K = K=0.202 kcal/m2h o C Tasarım esnasında, soğuk hava deposu inşasında bulunan bu ve benzeri her bölüm için bu ısı transfer katsayıları hesapları ayrı ayrı yapılacaktır İnfiltrasyon Hava Değişimi Isısının Hesabı Soğuk odanın kapısı her defa açılıp kapandığında, bir miktar dış sıcak hava soğuk odaya girerek ek bir soğutma yükü oluşturur. Dış havada daha fazla olan su buharı da bu soğutma yükünün bir parçasını oluşturur. Soğuk oda yükünün küçümsenmeyecek bir bölümünü teşkil eden infiltrasyon ısısı, dış havanın soğuk odaya girmesini yavaşlatmak sureti ile azaltılabilir. Bu amaçla, oda girişine hava perdesi, ön giriş holü, otomatik açılıp kapanan kapı konulması gibi önlemler alınmaktadır. İnfiltrasyon ısısı = Hava Değişimi x Odanın Net Hacmi x (hd hi) x gh Burada; hd: Dış havanın entalpisi (kj/kg) hi: İç havanın entalpisi (kj/kg) gh: Havanın yoğunluğu Soğuk oda kapılarının açılmasından dolayı meydana gelen hava değişimi hesaplamalarında kullanılan tabloya bir örnek aşağıdaki tablo gibidir.

36 Şekil 5 Hava Değişimi Isısını Tablosu 28

37 29

38 30

39 Mal ısısının hesabı Soğuk odaya muhafaza edilmek üzere konan değişik türden malların meydana getirdiği ısı, bazı durumlarda soğutma yükünün en önemli ve en büyük bölümünü teşkil edebilmektedir. Ayrıca soğuk odaya konulan mal cinsi önceden belli olabildiği halde birim zamandaki hareket miktarı kullananın ihtiyaç ve isteğine göre değişebilmektedir, Bu sebeple, soğuk oda yükünün hesabı ile buna bağlı olarak soğuk oda cihazının seçiminin mal hareketinin uygulamadaki durumuna mümkün olduğunca yakın bir uyum içerisinde yapılması çok büyük önem taşımaktadır. Mal hareketinin aşırı şekilde ve uygulamadaki durumundan çok daha fazla olarak alınması, gereksiz yere büyük kapasiteli soğuk oda cihazı seçilip kullanılmasına sebep olacak, gerçek durumdakinden daha düşük alınması ise soğuk oda cihazının yetersiz kalmasına sebep olacaktır. Mal ısısının hesabında dikkat edilecek husus odaya konulan tüm malın hesabının değil, aynı anda konulabilecek maksimum malın hesaplanmasıdır. Eğer ki belirlenen miktardan ( kg) daha fazla mal girmesi gerektiğinde diğer odalara konulabilecektir. Fazla oda tasarlamanın asıl amaçlarından birisi de budur.

40 Şekil 6 Çeşitli Gıdaların uzun Süreli Soğuk Muhafaza Değerleri 32

41 33 Soğuk Odaya konan malların meydana getirdikleri soğutma yükünü dört safhaya ayırmak gerekir. 1- Donma noktasının üstündeki sıcaklıklarda soğutma 2- Donma sırasında alınacak ısı 3- Donduktan sonra derin soğutma 4- Muhafaza sırasında üreyen ısı, olgunlaşma ısısı Gıda Maddesi Muhafaza Sıcaklığı ( o C) Oda Nemi (%) Donma Noktası ( o C) Isınma Isısı (kcal/kg) Donma Isısı ( o C) Donmadan Önce Donmadan Sonra Çilek ,8 0,92 0,47 72,1 Portakal ,9 0,46 69, Donma noktasının üstündeki sıcaklıklarda soğutma Depoya alınan malların donma noktasının üzerindeki bir sıcaklığa kadar soğutulurken verdikleri ısı miktarıdır. Q 1 = G C 1 (T 2 T 1 ) Soğutma Zamanı Yükleme Katsayısı Burada; Q1= Donma noktası üstündeki sıcaklıklarda soğutma yükü (kcal/h) G = Soğuk odaya konulan mal miktarı (kg) C1 = Donmadan önce ısınma ısısı (kcal/kg o C) T1 = Malın son sıcaklığı ( o C) T2 = Malın soğuk odaya konmadan önceki sıcaklığı ( o C )

42 Donma sırasında alınacak ısı Donma noktasına kadar soğutulan malın donması sırasında çekilmesi gereken ısı miktarıdır. Q 2 = G Donma Isısı Donma Zamanı Burada; Q2= Donma sırasında alınacak ısı yükü (kcal/h) G = Soğuk odaya konulan mal miktarı (kg) Donduktan sonra derin soğutma Donmuş malların donma sıcaklığının altındaki sıcaklara kadar soğutulmaları sırasında verdikleri ısı miktarıdır. Burada; Q 3 = G C 3 (T d T m ) Soğutma Zamanı Q3= Donduktan sonra derin soğutma yükü (kcal/h) G = Soğuk odaya konulan mal miktarı (kg) C3 = Donduktan sonraki ısınma ısısı (kcal/kg o C) Td = Donma sıcaklığı ( o C ) Tm = Muhafaza sıcaklığı ( o C )

43 Muhafaza sırasında üreyen ısı, olgunlaşma ısısı Gıda Maddesi 1000kg Gıdanın Günde Ürettiği Isı 0 o C 5 o C 10 o C 15 o C Çilek Portakal Burada; Q 4 = G C resp Q4= Muhafaza sırasında üreyen ısı yükü (kcal/h) G = Soğuk odaya konulan mal miktarı (kg) Cresp = Olgunlaşma ısısı (kcal/ton) Soğutulan hacmin içinde meydana gelen ısılar İnsanlardan meydana gelen ısılar Soğutulan hacimde bulunan insanların neşretmiş olduğu ısı miktarı bu hacmin sıcaklığına, çalışan insanların bedensel gayretine ve giyimine, sayısına, hacmin içinde kaldıkları süreye, hacmin büyüklüğüne, dışarıdan soğuk hacme giriş çıkış sıcaklıklarına ve daha bir çok etkene bağlı olarak değişmektedir. Aşağıdaki örnek tablolarda depoda çalışacak gerekli insan sayısı ve bu insanların yaymış oldukları ısı miktarları yaklaşık olarak verilmiştir.

44 36 Gerekli işçi sayısı Depolama Alanı (m 2 ) İşçi sayısı İnsan etkinliği ısıl eşdeğeri Oda Sıcaklığı ( C) Kişi başına ısıl eşdeğer

45 Aydınlatma armatürleri Aydınlatma armatürünün inkandensant veya fluoresant tipi oluşuna göre hesaplanır ve günde açık tutulduğu saat ile çarpılarak bulunur Elektrik Motorları Genel olarak evaporatör fanı ve motorundan gelen ısıya dönüştürülerek hesaplanması ile bulunur Defrost sırasında verilen ısı Soğutulan hacimde bulunan evaporatör soğutucuların içerisinde bulunan elektrikli defrost ısıtıcılarının Watt olarak güçleri ve günde kaç saat çalıştıkları bulunabilir. Soğutma yükü genel olarak transmisyon ısısı, hava değişiminden gelen ısı, mallardan gelen ısı ve oda içerisinde meydana gelen muhtelif ısılar hesaplamaları aşağıdaki tablolar yardımıyla yapılmıştır. Tasarımında 5 adet bulunan soğuk muhafaza odası için 1 adet, 4 adet bulunan donmuş muhafaza odası içinde 1 adet, 1 adet şok ve ön soğutma odası için birer adet oluşturulmuştur. Örnek olarak incelenebilecek tablo aşağıdaki şekildedir.

46 38 SOĞUTMA YÜKÜ HESABI İŞİN ADI, YERİ,M. SAHİBİ: Hesabı Yapan: Büro: Tarih: Oda No veya Adı, Kullanım amacı: Dış Sıcaklık ve nem: o C Komşu Hacim Sıcaklıkları: a) o C; b) o C; c) o C; Döşeme: o C; Tavan: o C Oda Ölçüleri (m)-tecritsiz: En: m x Boy: m x Yükseklik: m = m 3 I. TRANSMİSYON ISISI (DUVAR, TAVAN, DÖŞEME) İşaret Eni [m] Boyu [m] Yüzeyi [m 2 ] Adet Tenzil edilen Hesaba Giren K u ΔT [ o C] Saatteki [kcal/h] DD - DD - İD - Ta - Dö - TOPLAM TRANSMİSYON ISI KAZANCI: x 24 II. HAVA DEĞİŞİMİNDEN GELEN ISI i d: Dış hava ısı tutumu i ç: İç hava ısı tutumu Günlük Isı Kazancı Oda hacmi: x Hv. Değ. saatte defa x ( - ) x 1,2 kg/ III. MALLARDAN GELEN ISI Isı Cinsi Mal Cinsi Ağırlık [kg] (G) ΔT [ o C] Soğutma Süresi [Saat] Don. Nok. Soğ. Donma Donmuş Soğ. Olgunlaşma Mallarla ilgili Yan ısı Kasa, kutu, vs Diğerleri TOPLAM MAL ISISI (Kcal/Gün): x 24 Isınma ısısı Donma ısısı Olgunlaşma ısısı (C) IV. a)insan= kişi x kcal/h x saat/gün b)aydınlatma= W x adet x 0,86 x saat/gün c)motor= W x adet x 0,86 x saat/gün d)elk. Defrost: W x 0,86 x Saat/Gün x 0,5 e)sıcak Gaz Defrost: adet x kcal/h x saat/gün x0,4 Saatteki Isı Kazancı (kcal/h) ODA İÇİNDE MEYDANA GELEN MUHTELİF ISILAR f)diğerleri:forklift adet x kcal/h x saat/gün Bilinmeyen ve Beklenmeyen Muhtelif Isı Kazançları için %10 GÜNLÜK TOPLAM ISI KAZANCI (Kcal/gün) Soğutma Ekipmanının Seçiminde Esas Alınacak Saatteki Yük: Günlük Isı Kazancı [kcal] Günlük Toplam Isı Kazançları Günlük Çalışma Saati = = kcal/h

47 39 5. SOĞUTUCU ÇEVRİMİ VE SOĞUTUCU ELEMANLAR Şekil 7 Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi Buhar sıkıştırmalı soğutma makinalarında, iklimlendirme sistemlerinde ve ısı pompalarında en çok kullanılan çevrimdir. 5.1 İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminde Hal Değişimleri Bu çevrimi oluşturan hal değişimleri şu şekildedir. 1-2 Kompresörde izantropik sıkıştırma 2-3 Yoğuşturucudan çevreye sabit basınçta ısı geçişi 3-4 Kısılma (genleşme ve basıncın düşmesi) 4-1 Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi

48 40 Şekil 8 Sıcaklık Entropi Diyagramı ( C : sabit) Şekil 9 Basınç Entalpi Diyagramı ( C: sabit)

49 41 İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan kompresöre 1 halinde doymuş buhar olarak girer ve izantropik olarak kondenser basıncına sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi sırasında soğutucu akışkanın sıcaklığı çevre sıcaklığı üzerine çıkar. Soğutucu akışkan daha sonra 2 halinde kızgın buhar olarak kondensere girer ve kondenserden 3 halinde doymuş sıvı olarak ayrılır. Yoğuşma sırasında akışkandan çevreye ısı geçişi olur. Soğutucu akışkanın sıcaklığı bu durumda da çevre sıcaklığının üzerindedir. Doymuş sıvı halindeki akışkan daha sonra bir genleşme valfi aracılığı ile evaporatör basıncına kısılır. Bu hal değişimi sırasında soğutucu akışkanın sıcaklığı soğutulan ortamın sıcaklığının altına düşer. Soğutucu akışkan evaporatöre kuruluk derecesi düşük doymuş sıvı buhar karışımı olarak girer ve soğutulan ortamdan ısı alarak tümüyle buharlaşır. Soğutucu akışkan evaporatörden doymuş buhar olarak çıkar ve kompresöre girerek çevrimi tamamlar. 5.2 İdeal Çevrim İle Gerçek Çevrim Arasındaki Farklar Ekspansiyon valf girişinden önce sıvılaştırılmış akışkan aşırı soğutularak, soğutma gücü arttırılır. Böylece soğutulacak ortamdan daha fazla ısı çekilebilir. Evaporatör çıkışında soğutucu akışkan doymuş buhar noktasından, kızgın buhar noktasına geçirilerek yine soğutma gücünün artması sağlanabilir. Ayrıca soğutucu akışkanın tam olarak buharlaşması sağlanarak, kompresöre sıvı girmesi engellenmiş olur ve soğutma kapasitesinden tam olarak faydalanılmış olur. Soğutucu akışkan gazın sıkıştırılması gerçek çevrimde sabit entropide gerçekleşmemektedir. Bunun olabilmesi için kompresör silindir cidarı ile soğutucu akışkan arasında sürtünmeden dolayı bir ısı alışverişi olmaması gerekir, bu ise pratikte mümkün değildir. Kompresörün emiş ve basma valflerinde, silindir tarafı ile valfin dış tarafı arasında daima bir basınç farkı olacaktır. Aksi halde valfin açılması ve gazın geçmesi mümkün değildir. Evaporatör ve Kondenserde soğutucu akışkanın ilerlemesi sırasında mutlaka basınç düşümleri meydana gelecektir.

50 Soğutma Çevriminde Yer Alan Elemanlar Şekil 10 Soğutma Çevrimi Elemanları Ana Elemanlar Kompresörler Kompresör evaporatörden çıkan doymuş buharı, sıkıştırarak kızgın buhar haline dönüştürür. Kompresörün sistemdeki görevi, evaporatördeki ısı yüklü soğutucu akışkanı buradan uzaklaştırmak ve böylece arkadan gelen, henüz ısı yüklenmemiş akışkana yer temin ederek akışın sürekliliğini sağlamak ve buhar haldeki soğutucu akışkanın basıncını, kondenserdeki yoğuşma basıncına ulaştırmaktır. Kompresörün iki görevi vardır. Gazı sıkıştırır ve soğutucu akışkanı döngü içinde hareketlendirir. Böylece proses istenildiği sürece tekrarlanır. Gazı sıkıştırmamızın sebebi tekrar sıvı fazına geçişi sağlayabilmektir. Bu sıkıştırma gaza biraz daha fazla

51 43 ısı yükler. Yukarı ve aşağı hareketli pistonu ya da pistonları vardır. Pistonun aşağı yönlü hareketinde akışkan buharı (gazı) silindir içine alınır. Yukarı yönlü harekette bu gaz sıkıştırılır. Bu arada çekvalf gibi çalışan çok ince valfler vardır ki bunlar gazın sıkıştırılması esnasında geldiği yere dönmesini engeller. Bu pistonlar açılıp kapanarak akışkan basıncını istenen düzeye getirirler. Sıkıştırılmış sıcak gaz tahmin edebileceğimiz gibi boşaltma kanalına gelir. Akışkan son temel komponente doğru yolculuğuna devam eder. Soğutma kompresörlerinin ilk modelleri tipik amonyak makinalarıdır. O dönemlerde amonyak en çok tutulan soğutucu akışkan olduğu için kompresörler çok yüksek basınçları karşılayabilmek için çok ağır yapılırdı, modern kompresörlere oranlar çok yavaş çalışırlardı. Valf tasarımı, kompresör mil contaları, yataklar ve yağlama sistemindeki ilerlemeler tasarım hızının kademeli olarak artmasını sağlamıştır. Bu da belli bir beygir gücü için kompresörlerin daha küçük olmasına olanak sağlamıştır. Ayrıca yeni soğutucu akışkanların kullanılması kompresörlerin tasarımlarını ve gelişmelerini önemli ölçüde etkilemiştir. Amonyak kullanımı sırasında kompresörün soğutucu akışkan ile temas eden kısımlarının çelikten yapılması gerekirken, yeni soğutucu akışlarda, yüzeyler demir dışı metallerle de üretilmeye başlanmıştır.

52 Şekil 11 Kompresör 44

53 45 Şekil 12 Rotary Kompresör Şekil 13 Hermetik Kompresör Şekil 13 Vidalı Kompresör Şekil 14 Vidalı Yarı Hermetik Şekil 15 Ticari Kompresör Şekil 16 Schrool Kompresör

54 46 İdeal bir kompresörde şu genel ve kontrol karakteristikleri aranır. Sürekli bir kapasite kontrolü ve geniş bir yük değişimi-çalışma rejimine uyabilme İlk kalkışta dönme momentinin mümkün olduğunca az olması Verimlerin kısmi yüklerde de düşmemesi Değişik çalışma şartlarında emniyet ve güvenilirliği muhafaza etmesi Titreşim ve gürültü seviyelerinin kısmi ve tam yüklerde ve değişik şartlarda belirli seviyenin üstüne çıkmaması Ömrünün uzun olması ve arızasız çalışması Daha az bir güç harcayarak birim soğutma değerini sağlayabilmesi Maliyetinin mümkün olduğu kadar düşük olması Pistonlu Kompresörler Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketi yapan bir pistonla sıkıştırma işlemini yapan bu tip kompresörlerde tahrik motorunun dönme hareketi bir krank-biyel sistemiyle doğrusal harekete çevrilir. Bu günkü pistonlu soğutma kompresörleri genellikle tek etkili, yüksek devirli ve çok silindirli makinalar olup, açık tip (kayışkasnak veya kavramalı) veya hermetik tip (hava sızdırmaz) motorkompresör şeklinde dizayn ve imal edilmektedir. Şekil 17 Pistonlu Kompresör

55 Açık Tip Pistonlu Kompresörler Açık tip kompresör denilerek, ya kayış tahrikli ya da bir kavramayla doğrudan bağlantılı bir dış motor tarafından tahrik edilen kompresör kastedilmektedir. Bu tip Kompresörlerde motorun sağladığı güç 5kW ile 250kW arasında değişebilmektedir Hermetik Tip Pistonlu Kompresörler Açık tipin aksi olan tip kompresörler ise, motorla kompresörün aynı muhafazada korunduğu hermetik(sızdırmaz) kompresördür. Bu tip kompresörlerde genellikle Freon asıllı soğutucu akışkanları kullanılır. Bu tipte kullanılan motorun gücü 7,5kW a kadar erişebilir. Uygulama alanları pencere ve split tip klimalar, ev tipi buzdolapları vb. En fazla üretilen kompresör çeşididir. Hermetik Kompresörler kendi aralarında tam hermetik ve yarı hermetik olmak üzere ikiye ayrılırlar Rotatif Kompresörler Küçük soğutma tesislerinde kullanılan bu kompresör bir silindir içerisinde kaçık eksenli olarak dönen bir pistondan ibarettir. Rotatif kompresörler, kayar palet tipi ve sabit palet tipi olmak üzere iki çeşittir. Son dönemlerde geliştirilen ev tipi buzdolaplarında ve küçük klimalarda sabit palet tipi sıklıkla kullanılmaktadır. Freon asıllı soğutucu akışkanlar sıklıkla kullanılmaktadır. Motorun gücü 0,6 ile 200kW arasındadır Helisel(Vidalı) Tip Kompresörler Vidalı kompresörler piston yerine birbirine geçmiş rotor çiftinin kullanıldığı pozitif yer değiştirmeli makinalardır. Rotorlar bir mil üzerindeki helisel loblardan oluşur. Rotorlardan biri erkek rotor olarak adlandırılır ve onun helisleri dolgun yuvarlak çıkıntılardan (loblardan) oluşur. Diğer rotor dişi rotor olarak adlandırılır ve erkek rotorun loblarına karşılık gelen yivleri vardır. Helisel tip dönel kompresörler: Pozitif sıkıştırmalı kompresörler genel grubuna giren bu kompresörlerin değişik konstrüksiyonu haiz birçok türüne rastlamak mümkündür.

56 48 Soğutma uygulamalarında halen en çok rastlanan helisel tip dönel kompresörleri, bariz farklara sahip iki ana gurupta toplamak mümkündür; (1) tek vidalı/helisli tip, (2) çift vidalı / helisli, dönel kompresörler. Ancak her iki tip kompresörün de çalışma prensibi ve konstrüktif yönden birçok müşterek yanları vardır. Örneğin, basınçla yağın püskürtülmesi suretiyle hem yağlama işleminin yapılması, hem sıkıştırma işlemi sırasında sızdırmazlığın sağlanması hem de meydana gelen ısının gövdeden alınıp uzaklaştırılması, her iki tür kompresörde de yerleşmiş bir uygulama şeklidir. Keza oranları, kapasite kontrolü mekanizmaları ve ısı ekonomizeri tertipleri her iki tip kompresörde de benzer durumdadır. Şekil 18 Helisel Tip Döner Kompresör Santrifüj Kompresörler Buhar sıkıştırma çevrimiyle soğutma işlemi yapan santrifüj kompresörlerin, pistonlu ve dönel paletli veya vida tipi kompresörlerden farkı pozitif sıkıştırma işlemi yerine santrifüj kuvvetlerden faydalanarak sıkıştırma işlemini yapmasıdır. Santrifüj kompresörlerde özgül hacmi yüksek olan akışkanların (daha geniş hacimlerin) kolayca hareket ettirmesi mümkün olduğu için sık sık büyük kapasiteli derin soğutma (-100C kadar) işlemlerinde uygulandığı görülür. Santrifüj kuvvetlerin büyüklüğü hızların karesi ile doğru orantılı olduğundan giriş-çıkış basıncı farklarının büyütülmesi devirin arttırılması ile veya rotor çapının büyütülmesi ile veya kademe sayısı arttırılarak sağlanabilir. Bu nedenle santrifüj makinalarda nadiren de olsa d/d gibi çok yüksek rotor devirlerine rastlamak mümkündür. Bu yüksek devirlerin sağlanması için tahrik motoru ile kompresör mili arasına devri yükseltici

57 49 bir dişli kutusu konulur. Yüksek devirli buhar veya gaz türbinleri ile direkt akuple şekilde tahrik edilen santrifüj kompresörlere uygulamada rastlamak mümkündür. Genel olarak tahrik gücü elektrik motorlarıyla sağlanır. İçten yanmalı motorlarla tahrik edilen santrifüj kompresörlere seyrek de olsa rastlanabilir. Uygulamadaki kapasite sınırları bugün 85 ila Ton/Frigo arasında değişmektedir. Santrifüj kompresörlerde emiş ile basma tarafı arasındaki basınç farkının santrifüj kuvvetlerden yararlanılarak sağladığı yukarıda belirtilmişti. Bu basınç sağlanırken akışkana önce bir hız (kinetik enerji) verilir ve sonra bu hız basınca (potansiyel enerji) dönüştürülür. Bu dönüştürme işlemleri sırasında mutlaka birçok kayıplar olacaktır ve basma tarafı basıncı daha da yükseldikçe bunlar daha da artacaktır. Bu nedenle, santrifuj kompresörlerde basma basıncının mümkün olduğu kadar emişten az bir farkla olması istenir. Buna rağmen uygulamada emiş-basma basınç farkı değerleri 2 ila 30 arasında değişmekte ve her tür akışkan ile santrifüj kompresör kullanılabilmektedir. Fakat yukarıda izah edilen sebepten dolayı daha ziyade yoğuşma basıncı düşük olan akışkanlar santrifüj kompresörler için uygun olmaktadır (R-11 ve R-113 gibi) ve bu şartlar ancak klima uygulamalarına cevap verebilmektedir. Bu nedenle santrifüj kompresörlere en çok klima sistemi uygulamalarında rastlanmasına şaşmamak gerekir. Derin soğutma uygulamalarında genellikle çok kademeli kompresör kullanılır ve 10 kademeye kadar yapılan santrifuj kompresörlere rastlamak mümkündür. Ayrıca santrifüj kompresörlerin paralel ve seri bağlantı tertibinde hatta ara kademelerden değişik sıcaklık uygulamaları için akışkan bağlantısı yapılarak kullanıldığı zaman zaman görülmektedir. Santrifüj kompresörlerin kapasite kontrolü genellikle akışkanı emişte kısmak suretiyle sağlanır. Bu maksatla emiş ağzına ayarlanabilir kanatlar konur. Kanatların ayarlanması pnömatik, elektrik veya hidrolik vasıtalarla yapılabilmektedir. Kapasite kontrolü maksadı için santrifüj kompresörlerde de rotor devrini değiştirme tarzı kullanılmaktadır. Az da olsa uygulanan diğer kapasite kontrol sistemleri; Difüzör (çıkış) kanatlarının açılarının ayarlanması, difüzör kanalının daraltılıp genişletilmesi, Rotorun (çark) geçiş kanallarının daraltılması ve bunların birkaçının beraberce uygulanmasıdır.

58 50 Santrifüj kompresörlerin dizaynında çalışma kapasite sınırlarının ve devirlerinin gerek kritik devir sayısı yönünden ve gerekse şok dalgalanmasının başlaması yönünden çok iyi etüt edilmesi gerekir. Kritik devir sayısının 0.8 ila 1.1 katı değerleri arasındaki devirlerde kati surette sürekli çalışmaya müsaade edilmez. Şok dalgalanmasının durumu ise, değişik devirlerdeki Debi/Basınç koordinatları üzerine inşa edilecek politropik verim ve Mach katsayısı eğrilerinin etüdü ile görülebilir. Buradan bulunacak şok dalgalanması zarfının altındaki değerlerde çalışma şok dalgalanması yapacaktır. Şok dalgalanması (surging) olayı varken akışkan kompresör çıkışında sık sık bir ileriye bir geriye yönelir. (takriben 2 saniyede yön değiştirir). Bu olayın neticesinde aşırı gürültü, aşırı titreşim ve kompresörde aşırı ısınma meydana gelir ki devam etmesi halinde gerek sistem tarafı gerekse kompresör tarafı bundan zarar görebilir. Keza tahrik motoru da alternatif şekilde yüklenir ve yükü azalır ki bunun sonucu dönme hızı bir azalır bir artar. Surging olayının tespitinde bu durumun mevcudiyeti bir ipucu olabilir. Motorun çektiği akımın ölçülmesi de bu olayı teyit edecektir. Kompresördeki aşırı titreşimler ve gürültüler daima bir anormal çalışmaya ve arızanın yaklaştığına işaret olarak kabul edilmelidir. Santrifüj kompresörlerin rotorları(çark) açık tip veya örtülü tip şeklinde dizayn edilir ve dökme alüminyum, kaynaklı alüminyum, dökme çelik, kaynaklı çelik, perçinli çelik gibi malzemeden yapılır. Alüminyum, çeliğe nazaran daha yüksek bir dayanıklılık/ağırlık oranına sahiptir ve daha hafif rotor ile daha yüksek devirlerde çalışılmasını mümkün kılar. Çelik rotorlar ise 150C üzerindeki çalışma şartlarında üstünlük kazanır. Korosif refrijeran uygulamalarında paslanmaz çelik uygun bir çözüm getirmektedir. Santrifüj kompresörlerde de vida tiplerinde olduğu gibi eksenel ve radyal yükleri taşıyacak şekilde ayrı ayrı iyi bir yataklama gereklidir. Eksenel yükler burada daha da fazladır.

59 51 Şekil 19 Santrifüj Kompresör Scrool Kompresörler Dönel kompresörler, pistonlu kompresörlerin gidip gelme hareketi yerine sıkıştırma işlemini yaparken dönel hareketi kullanırlar. Bu dönel hareketten yararlanma şekli ise değişik türden olabilir (tek ve çift dişli, tek paletli, çok paletli). Çift dişli prensibine göre çalışan ve çok sık rastlanan Helisel Vida tipi dönel kompresörler de vardır. Scroll kompresörler geliştirilerek son yıllarda geniş ölçüde kullanılmaya başlanan, dönel, pozitif sıkıştırmalı makinalardır. Birisi sabit diğeri uydu şeklinde dönen ve dar tolerans aralıklarıyla çalışan iki spiral elemandan oluşmaktadır. Aşırı sıvı oranlarına daha dayanıklı olmaları, daha yüksek verime sahip olmaları ve ses-titreşim seviyelerinin düşük olması gibi üstünlüklere sahiptirler.

60 52 Şekil 20 Scroll Tip Kompresör Evoparatörler Bir soğutma sisteminde evaporatör sıvı soğutkanın buharlaştığı ve bu sırada soğutulan ortamdan ısıyı aldığı cihazdır. Diğer bir değişle evaporatör bir soğutucudur. Evaporatörün yapısı soğutkanın iyi ve çabuk buharlaşmasını sağlayacak, soğutulan maddenin ısısını iyi bir ısı geçiş sağlayarak, yüksek bir verimle alacak ve soğutkanın giriş ve çıkıştaki basınç farkını en az seviyede tutacak şekilde dizayn tasarlanmalıdır. Ancak bu sonuncu koşul ile ilk koşul birbirine ters düşmektedir. Çünkü evaporatörde iyi bir ısı geçişinin sağlanabilmesi için girintili yüzeylerin ve kılcallığın daha fazla olması istenmektedir. Bu durum ise basınç düşümlerinin artmasına ve verimin düşmesine neden olmaktadır. Bu nedenle evaporatör yapımı incelik isteyen bir konudur. Deneyler sonucunda en uygun koşullar saptanır ve istenilen evaporatör üretimine geçilir. Evaporatörde ısı olarak buharlaşan refrijerana, emiş tarafına geçmeden önce bir miktar daha ısı verilmesi ve 3-8 C arasında kızgınlık verilerek kızgın buhar durumuna gelmesinin birçok faydaları vardır. Bunların en başında, kompresöre büyük zarar verebilen sıvı refrijeranın kompresöre gelmesi gösterilebilir. Sıvı taşmalı tip evaporatörlerde ise refrijeran evaporatörde sıvı halde bulunur ve ısıyı alarak

61 53 buharlaşan kısmı bir sıvı -buhar ayrıştırıcısından (surge tank) geçtikten ve sıvı kısmı ayıldıktan sonra buhar halinde kompresöre ulaşır. Sıvı refrijeranın evaporatöre beslenmesi seviye kumandalı (flatörlü, manyetik. vs.) bir vana ile yapılır. Sıvı ayrıştırıcı tankta biriken sıvı refrijeran tekrar evaporatöre gönderilir ve soğutma işleminde yararlanır. Direkt veya sıvı taşmalı tertiplerde çalışan evaporatörlerin hepsinde de refrijeran basıncı, kondenser tarafındaki basıncı, kondenser tarafındaki basınca oranla çok daha düşüktür. Bu nedenle, evaporatör tarafına sistemin alçak basınç tarafı adı verilir. Evaporatörün yapısı; refrijeranın iyi ve çabuk buharlaşmasını sağlayacak, soğutulan maddenin (Hava, su, salamura, vb.) ısısının iyi bir ısı geçişi sağlayarak, yüksek bir verimle alacak ve refrijeranın giriş ve çıkıştaki basınç farkını (kayıpları) asgari seviyede tutacak tarzda dizayn edilmelidir. Ancak, bunlardan sonuncusu ilk ikisiyle genellikle ters düşmektedir. Şöyle ki; iyi bir ısı geçişi ve ii iyi bir buharlaşma için gerekli şartlar iç ve dış yüzeylerin daha girintili ve daha kolay ıslanır (kılcallığı fazla) olmasını gerektiren bu durum basınç kayıplarını arttırmaktadır. Bu nedene, evaporatör dizaynı geniş tecrübe ve dikkat isteyen, ayrıca deneylere sık sık başvurulan bir çalışma şeklini gerektirir. Bu çalışmaların yönlendirilmesinde en başta gelen etken soğutulacak maddenin cinsi ve konumudur (sıvı, katı, gaz). Ayrıca, refrijeran ısı alışverişi yaparken içinde bulunduğu ve hareket ettiği hacmin durumu de evaportör dizaynında önemli değişikler meydana getirir. Burada, refrijeranın bir boru serpantinin içerisinde hareket etmesi ve soğutulacak maddenin boruların dışından geçmesi veya bunun tersi söz konusu olmaktadır ki bunlardan ilki genellikle kuru tip-direkt ekspansiyonlu evaporatörlerde, ikincisi ise sıvı taşımalı tip evaporatörlerde uygulanmaktadır. Refrijeranın boru içinden geçmesi halinde, akış hızının arttırılmasının içteki film katsayısını ve dolayısıyla ısı geçişini arttırıcı yönde bir etkisi beklenir, fakat bu durum refrijeranın basınç kayıplarını arttıracağıiçin akış debisini azaltacak ve kapasiteyi düşürecektir. Burada,her iki etkenin durumu beraberce göz önünde bulundurup ısıl geçiş ve kapasitenin optimum olduğu değerler saptanmalıdır. Evaporatör tipleri, uygulamanın özelliklerine göre 3 ana grupta toplanabilir;

62 54 Gaz haldeki maddeleri soğutmak için kullanılan evaporatörler (genellikle hava), Sıvı haldeki maddeleri soğutucu evaporatörler (Su, salamura, antifriz, metilen glikol, kimyasal akışkanlar, vs.) Katımaddeleri soğutucu evaporatörler (Buz, Buz paten sahası, metaller, vs.) Soğutucu Akışkan Besleme Yöntemine Göre Buharlaştırıcıların Sınıflandırılması Soğutma tesislerinde genellikle doğrudan genleşmeli(kuru tip) buharlaştırıcılar kullanılır. Bu sistemlerde, soğutucu akışkan serpatin boruları içine buharlaşmak üzere gönderilir. Soğutucu akışkan beslemesi buharlaştırıcılarda kuru ve yaş olarak iki şekilde yapılır Kuru Tip Buharlaştırıcılar Kuru tip buharlaştırıcılar genellikle termostatik kısılma vanasıyla, küçük kapasitelerde ise sabit çıkış basınçlı otomatik kısılma vanası veya kılcal boru ile beslenir Yaş Tip Buharlaştırıcılar Sıvı soğutucu akışkan ile hemen hemen tamamı dolu olduğundan sıvı taşımalı buharlaştırıcı olarak da adlandırılır. Buharlaştırıcının borularının etrafı kap içerisinde sıvı ile doludur. Boruların sıvı ile dolu olması ısı transferini iyileştirir fakat sistemde daha fazla soğutucu akışkan kullanılmasına neden olur Hava veya Sıvının Soğutulmasına Göre Buharlaştırıcıların Sınıflandırılması Hava Soğutucu Evoparatörler Bu tip evaporatörlerde, havanın ısı geçirme katsayısı düşük olduğundan bunu telafi etmek ve hava geçiş yüzeylerini arttırmak maksadıyla genellikle kanatçıklar ilave edilir. Isıl film katsayısını daha da arttırmak üzere hava geçiş hızlarını arttırmak için vantilatörlerle cebri bir hava hareketi sağlanabilir. Ancak, kanat ilavesi, gerekse motorla tahrikli vantilatör konulması her uygulamada pratik olarak mümkün olmayabilir. Örneğin, ev tipi soğutucularda ve küçük kapasiteli ticari tip dolaplarda

63 55 (kasap dolabı, vitrin tipi dolaplar gibi), hatta bazen küçük soğuk muhafaza odalarında gravite tipi veya tabii konveksiyonla hava sirkülasyonu diye anılan evaporatörler kullanılmaktadır. Gravite tipi, kanallı boru evaporatörlerde ısı geçirme katsayıları, 2-10 kcal/h. Cm2 arasında değişmekte (Bakır boru Alüminyum kanat imalat için) ve kanat sıklığı arttıkça veya düşey yöndeki boru sıra sayısı arttıkça ısı geçirme katsayısı düşük değere yaklaşmaktadır. Cebir hava sirkülasyonu (Forced Convestion) evaporatörler daha az ısı geçiş alanı ile daha yüksek kapasiteler sağlayabilmektedir ve uygulamanın durumu müsaade ettiğinde daima tercih edilir. Ülkemizde Erfos (Airforce) adıyla anılan bu tür soğutucular ünite soğutucu diye de tanımlanmakta ve hava hareketi çoğunlukla aksiyal/pervane tipi bazen de radyal/santrifuj tip (kanalla hava iletimi ve aşırı basınç kaybı mevcutsa) vantilatörlerle sağlanmaktadır. Bu cihazlar soğutucu soğutucu serpantin (Evaporatör) hava vantilatörü ve damlama tavası ile saç dış muhafazadan meydana gelmektedir. Hava vantilatörü, üfleyici ve emici şekilde çalışacak tarzda yerleştirilebilir. Unit soğutucu adı, vantilatörü ile birlikte olan komple bir soğutucuyu tanımlar. Halbuki cebri hava sirkülasyonu daha genel kapsamlı bir tanımlamadır. Nitekim vantilatörü bulunmayan, örneğin bir klima santralı tarafından integral şekilde sağlanan bir soğutma serpantini (evaporatörü) gene cebri hava sirkülasyonu olarak hesaplanır, dizayn edilir. Cebri hava hareketi evaporatörleri 3 ana grupta toplamak mümkündür; Alçak hızlı soğutucular (Hava hızı1-1,5 m/san), Orta hızlı soğutucular (2,5-4 m/sn), Yüksek hızlı soğutucular (4-10 m/san). Fazla hava hareketi sakıncalı olan uygulamalarda (çiçek muhafazası, et kesim odası gibi hava hareketinin 1 m/s altında olması gereken haller) alçak hızlı soğutucular

64 56 kullanılmalıdır. Orta hızlı soğutucular genel soğutma uygulamalarında ve en sık kullanılan cihazlardır. Yüksek hızlı soğutucular ise hızlı soğutma istenen hallerde, örneğin şok tünellerinde ve özel hızlı soğutma işlemlerinde uygun bir soğutma şekli sağlar. Unit soğutucunun hava debisi ile evaporasyon sıcaklığının en doğru şekilde hesabı, oda duyulur/toplam ısı oranının bulunması ve buradan gidilerek oda Aparat Çiğ Noktasının (Room Apparatus Dew Point) psikometrik diyagram üzerinde saptanması ile sağlanır. Bu tarz hesap, klima uygulamalarında daima yapılır, fakat unit soğutucu seçiminde pek tatbik edilmez, zira duyulur ısı oranının gerçek değerini tespit etmek çoğunlukla güçtür. Bunun yerine aşağıdaki tabloda verilen yaklaşık değerlerden yararlanmak mümkündür. Ortalama Oda Nem Seviyeleri Bir soğutulmuş hacimde, sıcaklığın en düşük olduğu yer şüphesiz evaporatörün yüzeyidir. Bu nedenle, oda nemi yeterli seviyede yüksek ise, oda havası evaporatör üzerinden geçerken çiğ nokta sıcaklığının altına düşerek içerisindeki nem yoğuşmaya başlayacaktır, hatta evaporatör yüzey sıcaklığı ile 0 C nin altında ise, bu ne donacaktır da. Oda sıcaklığı ile evaporasyon sıcaklığı farkını belirli sınırların altında tutmak suretiyle, oda relatif rutubetini de belirli bir seviyede tutmak mümkündür. Yukarıdaki tablo, bu değeri vasat bir oda veya dolap için vermektedir.

65 Su Soğutmalı Evoparatörler Genellikle su veya salamura soğutmak için kullanılan buharlaştırıcılardır Kondenserler Soğutma sisteminde refrijeranın evaporatörden aldığı ısı ile kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında ilave olunan ısının sistemden alınması kondenserde yapılır. Böylece refrijeran sıvı hale gelerek basınçlandırılır ve tekrar genleştirilerek evaporatörden ısı alacak duruma getirilir. Buhar ve gazların bir yüzeyde yoğuşması, yüzeyin vasıflarına bağlı olarak Damla veya film teşekkülü tarzlarında oluşur. Damla teşekkülü ile yoğuşma (Dropwise condensation) durumunda çok daha yüksek (Film teşekkülünden 4-8 defa daha fazla) ısı geçirgenlik katsayıları sağlanabilmekte ve bu tercih edilmekte ise de uygulamada refrijeran özellikleri ve kondenser imalatının ekonomik faktörlerle sınırlanmaları nedeniyle ancak film tarzı yoğuşma ve az ölçüde de damla teşekkülü ile yoğuşma birlikte olmaktadır. Kondenserdeki ısı alışverişinin 3 safhada oluştuğu düşünülebilir, bunlar; Kızgınlığın alınması Refrijeranın yoğuşması Aşırı soğutma. Kondenser dizaynına bağlı olarak aşırı soğutma kondenser alanının %0-10 unu kullanacaktır. Kızgınlığın alınmasıiçin ise kondenser alanının %5 ini bu işleme tahsis etmek gerekir. Bu üç değişik ısı transferi şekline bağlı olarak kondenserdeki ısı geçirme katsayıları ile sıcaklık araları da farklı olacaktır. Ancak kızgınlığın alınması safhasındaki ortalama sıcaklık aralığının fazlalığına karşı daha düşük bir ısı transferi katsayısı mevcut olacak, fakat aşırı soğutma sırasında bunun aksine sıcaklık aralığı daha az ve ısı geçirme katsayısı daha fazla olacaktır. Yoğuşma sırasında ise her iki değer de alt-üst seviyelerinin arasında bulunacaktır. Yapılan deneylerde ısı transferi katsayısının artmasının karşısında sıcaklık farkının azalması (veya tersi) yaklaşık

66 58 olarak aynı çarpım sonucunu vermektedir ve bu değerlerin ortalamasını kullanmak mümkün olmaktadır. Hesaplamada sağladığı basitlik de göz önüne bulundurularak kondenserlerin hesabında tek bir ısı geçirme katsayısı ile tek bir ortalama sıcaklık aralığı değerleri uygulanmaktadır. Şekil 21 Kondanserler Şekil 22 Duvar ve Coil Tipi Kondenser

67 59 Şekil 23 Tek Katlı Alt Kondenser Şekil 24 Çift Katlı Alt Kondenser Genel olarak üç değişik tip kondenser mevcuttur; Su soğutmalı kondenserler Hava ile soğutmalı kondenserler Evaporatif (Hava-Su) kondenserler Uygulamada, bunlardan hangisinin kullanılacağı daha ziyade ekonomik yönden yapılacak bir analiz ile tespit edilecektir. Bu analizde kuruluş ve işletme masrafları beraberce etüt edilmelidir. Diğer yandan, su soğutmalı ve evaporatif kondenserlerde yoğuşum sıcaklığının daha düşük seviyelerde olacağı ve dolayısıyla soğutma çevrimi termodinamik veriminin daha yüksek olacağı muhakkaktır, bu nedenle yapılacak analizde bu hususun dikkate alınması gerekir Hava Soğutmalı Kondenserler Bilhassa 1 HP ye kadar kapasitedeki gruplarda istisnasız denecek şekilde kullanılan bu tip kondenserlerin tercih nedenleri; basit oluşları, kuruluş ve işletme masraflarının düşüklüğü, bakım-tamirlerinin kolaylığı şeklinde sayılabilir. Ayrıca her türlü soğutma uygulamasına uyabilecek karakterdedir (Ev tipi veya ticari soğutucular, soğuk odalar, pencere tipi klima cihazları gibi). Çoğu uygulamalarda hava sirkülasyon fanı açık tip kompresörün motor kasnağına integral şekilde bağlanır ve ayrı bir tahrik motoruna ihtiyaç kalmaz.

68 60 Hava soğutmalı kondenserlerde de ısı transferi üç safhada oluşur, Refrijerandan kızgınlığın alınması Yoğuşturma Aşırı soğutma Kondenserin alanının takriben %85 yoğuşturma olayına hizmet eder ki kondenserin asli görevi budur. %5 civarında bir alan kızgınlığın alınmasına ve %10 ise aşırı soğutma (subcooling) hizmet eder. Hava soğutmalı kondenserlerde yoğuşan refrijeranı kondenserden almak ve depolamak üzere genellikle bir refrijeran deposu kullanılması artık usul haline gelmiştir. Bundan maksat kondenserin faydalı alanını sıvı depolaması için harcamamaktır. Havalı kondenserler, halokarbon refrijeranlar için genellikle bakır boru / alüminyum kanat tertibinde, bazen de Bakır boru / Bakır kanat ve bakır veya Çelik boru / çelik kanat tertibinde imal edilirler. Alüminyum alaşımı boru / kanat imalatlara da rastlamak mümkündür. Kullanılan boru çapları¼ ila ¾ arasında değişmektedir. Kanat sayısı beşer metrede 160 ile 1200 arasında değişir, fakat en çok kullanılan sıklık sınırları 315 ila 710 arasında kalmaktadır. Bu tip havalı kondenserlerin ısı geçiş alanı ihtiyacı ortalama olarak 2,5 m/sn hava geçiş hızında, beher ton/frigo (3024 kcal/h) için 9 ila 14 m kare arasında değişmektedir. Çok küçük, tabii hava akışlı kondenserler hariç tutulursa, hava ihtiyacı ortalama beher kcal/h için 0.34 ila 0.68m3 /h arasında değişmekte olup buna gereken fan motor gücü beher 1000 kcal/h için HP civarında olmaktadır. Fan devirleri 900 ila 1400 d/d arasında olmalıdır. Kondenser fanları genellikle aksiyal tip olup sessiz istenen yerlerde radyal tip kullanılabilir. Refrijeran yoğuşma sıcaklığı ise, hava giriş sıcaklığının 1020C üzerinde bulunacak şekilde düşünülmelidir. Genelde boruların durumu, kanat aralıkları, derinlik (boru sırası) alın alanı gibi dizayn özellikleri hava debisi ihtiyacını, hava direncini ve dolayısıyla fan büyüklüğü, fan motor gücünü ve hatta grubun ses seviyesiyle maliyetleri etkileyecektir. Bugünkü kondenser dizayn şekli sıcak refrijeranın üstten bir kollektörle birkaç müstakil devreye verilmesi,

69 61 yoğuştukça gravite ile aşağı doğru inmesi ve aşırı soğutma sağlanarak gene bir kollektörden alınması şeklindedir. Hava soğutmalı kondenserler, grup tertip şekline göre; Kompresör ile birlikte gruplanmış Kompresörden uzak bir mesafeye konulacak tarzda tertiplenmiş (split kondenser) olmak üzere iki sınıfa ayrılmaktadır. Kondenserden hava geçişi düşey ve yatay yönde olacak tarzda tertiplenebilir. Diğer yandan, hava fanı, havayı emici veya itici etkiyle hareketlendirecek şekilde konulabilir. Bir soğutma sisteminin bekleneni verebilmesi, büyük ölçüde yoğuşma basınç ve sıcaklığının belirli sınırlar arasında tutulabilmesiyle mümkündür. Bu ise kondenserin çalışma rejimi ile yakından ilgilidir. Aşırı yoğuşum sıcaklık ve basıncının önlenmesi kondenserin yeterli soğutma alanına sahip olmasıyla ilgili olduğu kadar hava sık rastlanan bir durumdur. Bu nedenle, bilhassa soğuk havalarda çalışma durumu devresinde yeterli debi ve sıcaklıkta havanın bulunmasıyla da ilgilidir. Yoğuşma sıcaklık ve basıncının çok düşük olması halinde ise yeterli refrijeran akışı olamamasına bağlı olan sorunlar çıkmaktadır. Örneğin, termostatik akspansiyon Vaf inde yeterli basınç düşümü sağlanamamasından dolayı kapasitenin düşmesi sık olduğunda, çok düşük yoğuşma basıncını önleyici tedbirler alınır ki bunları iki grupta toplamak mümkündür; Refrijeran tarafını kontrol etmek, hava tarafını kontrol etmek. Şekil 25 Hava Soğutmalı Kondenser

70 Su Soğutmalı Kondenserler Bilhassa temiz suyun bol miktarda, ucuz ve düşük sıcaklıklarda bulunabildiği yerlerde gerek kuruluş ve gerekse işletme masrafları yönünden en ekonomik kondenser tipi olarak kabul edilebilir. Büyük kapasitedeki soğutma sistemlerinde genellikle tek seçim olarak düşünülür. Fakat son yıllarda yüksek ısı geçirme katsayıları sağlanan hava soğutmalı kondenserlerin yapılmasıyla 100 Ton/fr. kapasitelerine kadar bunların da kullanıldığı görülmektedir. Su soğutmalı kondenserlerin dizaynı ve uygulamasında boru malzemesinin ısıl geçirgenliği, kullanılan suyun kirlenme katsayısı, kanatlıboru kullanıldığında kanat verimi su devresinin basınç kaybı, refrijeranın aşırı soğutulmasının seviyesi gibi hususlar göz önünde bulundurulur. Bakır boru kullanılan kondenserlerde (halojen refrijeranlar) genellikle borunun et kalınlığı azdır. Bakırın ısı geçirgenliği de yüksek olduğu için kondenserin tüm ısı geçirme katsayısına kondüksiyonun etkisi azdır ve bu katsayı daha ziyade dış (refrijeran tarafı) ve iç (su tarafı) film katsayılarının değerine bağlı olur. Halbuki, et kalınlığı fazla ve ısıl geçirgenliği az (demir boru gibi) olan borular kullanıldığında, örneğin amonyak kondenserlerinde, borudaki kondüktif ısı geçişi de tüm ısı geçirme katsayısına oldukça etken olur. Kirlenme katsayısı, kullanılan suyun zamanla su tarafındaki ısı geçiş yüzeylerinde meydana getireceği kalıntıların ısı geçişini azaltıcı etkisini dikkate almak maksadını taşır. Kirlenme katsayısını etkileyen faktörler şunlardır: Kullanılan suyun, içindeki yabancı maddeler bakımından evsafı Yoğuşum sıcaklığı Kondenser borularının temiz tutulması için uygulanan koruyucu bakımın derecesi. Bilhassa 50 o C nin üzerindeki yoğuşum sıcaklıkları için kirlenme katsayısı, uygulamanın gerektirdiğinden biraz daha yüksek alınmalıdır.38c nin altındaki

71 63 yoğuşum sıcaklıklarında ise bu değer normalin biraz altında alınabilir. Su geçiş hızının düşük olması da kirlenmeyi hızlandırır ve 1m/s den daha düşük hızlara meydan verilmemelidir. Yüzey kalıntıları periyodik olarak temizlenmediği taktirde kirlenme olayı gittikçe hızlanacaktır, zira ısı geçirme katsayısı git gide azalacak ve gerekli kondenser kapasitesi ancak daha yüksek yoğuşum sıcaklığında sağlanabilecektir. Bu ise kirlenme olayına sebebiyet verecektir. Artan kirlenme ile su tarafı direncinin artacağı ve bunun sonucu su debisinin azalarak yoğuşum sıcaklığını daha da arttıracağı muhakkaktır. Şekil 26 Su Soğutmalı Kondenser Evoparatif Kondenserler Hava ve suyun soğutma etkisinden birlikte yararlanılması esasına dayanılarak yapılan evaporatif kondenserler bakım ve servis güçlükleri, çabuk kirlenmeleri, sık sık arızalanmaya müsait oluşları nedenleriyle gittikçe daha az kullanılmaktadır. Evaporatif kondenser üç kısımdan oluşmaktadır. Soğutma serpantini, Su sirkülasyon ve püskürtme sistemi, Hava sirkülasyon sistemi Soğutma serpantininin içinden geçen refrijeran, hava soğutmalı kondenserde olduğu gibi, yoğuşarak gaz deposuna geçer. Serpantinin dış yüzeyinden geçirilen hava, ters

72 64 yönden gelen atomize haldeki suyun bir kısmını buharlaştırarak soğutma etkisi meydana getirir.(aynen soğutma kulesinde olduğu gibi). Böylece kondenserdeki yoğuşma sıcaklığı ve dolayısıyla basıncı daha aşağı seviyelere düşürülmüş olur. Serpantinin dış yüzeyi, ısı transferi film katsayısının düşük oluşunun etkisini karşılamak üzere, alanı arttırmak için kanatlarla techiz edilmektedir. Ancak, modern evaporatif kondenserlerde, boru dış yüzeylerinde iyi bir ıslaklık elde edilmesi neticesi yüksek ısı transfer katsayılarına ulaşmakta ve kanatsız düz borular kullanılmaktadır. Kondenserin alt seviyesinde bulunan su toplanma haznesinden su devamlı şekilde bir pompa ile alınıp soğutma serpantinin üst tarafında bulunan bir meme grubuna basılır ve memelerden püskürtülür. Bu suyun takriben %3-5 buharlaşarak (takriben 6-7,5 litre/h beher ton /frigo için) havaya intikal ettiğinden, su haznesine, flatörlü valf aracılığıyla devamlı su verilir. Ancak bu kondenserdeki su ilavesi normal olarak sürekli artar ve çıkışta en yüksek seviyeye ulaşır. Suyun sıcaklığı ise refrijerandan alınan ısı ile yükselme eğilimi gösterirken suyun buharlaşma ısısı almasıyla sıcaklığı düşmeye başlar. Bunun sonucu, su sıcaklığı soğutma serpantinin girişinde yükselir (hava yaş termometre sıcaklığı bu kısımda oldukça yükseldiğinden) ve sonradan, havanın giriş yerine yaklaşınca sıcaklığı düşmeye başlar. Toplanma havuzunda su sıcaklığı, stabil bir çalışmaya erişilince fazla değişmez. Evaporatif kondenserler genellikle binanın dışına ve çatıya konulur, fakat bina içine konularak hava giriş-çıkışları galvanizli saçtan kanallarla da sağlanabilir. Bina dışındaki cihazların kışın da çalışması söz konusu ise donmaya karşı tedbir alınmalıdır. Bina içindeki uygulamalarda ise, ıslak havanın atıldığı kanalın soğuk hacimlerden geçmesi halinde kanalın içinde yoğuşma olacağı hatırda tutulmalı ve bu suyun toplanıp atılması için önlem alınmalıdır. Bina içi uygulamaları, bir egzost sistemi ile entegre olarak uygulandığında egzost fanı ve elektrik enerjisinden tasarruf sağlayacaktır. Hava soğutmalı kondenserlerde olduğu gibi evaporatif kondenserlerde de soğuk havalarda çalışma sırasında çok düşük yoğuşma basınçları oluşumunun önlenmesi gerekir.

73 65 Bu maksatla uygulanan tertipler; Vantilatör motorunun durdurulup çalıştırılması Hava debisini azaltıp çoğaltmak üzere hava akımına bir damper ve ayar servomotoru kullanılması Vantilatör motorunun devrinin azaltılıp çoğaltılmasıolarak sayılabilir. Bir evaporatif kondenserin ısıl performansı, sadece havanın kuru veya yaş termometre sıcaklıkları veya havanın giriş-çıkış entalpi farkları baz alınarak gösterilemez. Zira püskürtülen suyun ve üflenen havanın sıcaklıkları girişten çıkışlarına kadar çok değişik değerler gösterirler. Havanın yaş termometre sıcaklığı Şekil 27 Evoparatif Kondenser Kısılma Vanaları(Genleşme Valfleri) Genleşme valfi soğutma sisteminin yük gereksinimine göre, soğutucu akışkanın akışını başlatan, durduran ve ayarlayan soğutma çevrimi kontrol ekipmanıdır. Genleşme valflerini genel olarak dört grupta toplayabiliriz; El Ayar Vanası Termostatik Kısılma Vanası(TGV veya TXV) Elektrikli Kısılma Vanası Kılcal Boru