1. BUHAR SIKIŞTIRMALI MEKANİK SOĞUTMA SİSTEMİ

Transkript

1 1. BUHAR SIKIŞTIRMALI MEKANİK SOĞUTMA SİSTEMİ Kapalı bir devre içerisinde dolaştırılan soğutucu akışkanın, fiziksel durumunun değiştirilmesi ile yani sıvı halden gaz haline, gaz halinden sıvı hale geçirilmesiyle soğutma yapılan sistemlerdir. 1.1 TEK KADEMELİ BUHAR SIKIŞTIRMALI İDEAL SOĞUTMA ÇEVRİMİ görülmektedir. Şekil 1.1 Tek kademeli buhar sıkıştırmalı basit bir soğutma çevrimi prensip şeması Şekil 1.1 de görülen tek kademeli buhar sıkıştırmalı bir soğutma sisteminin temel elemanları; kompresör, yoğunlaştırıcı (kondenser), genleşme valfı veya kılcal boru ve buharlaştırıcı (evaporatör) dır. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin Şekil 1 üzerindeki rakamlara göre P h ve (T- S) diyagramı Şekil 1. 2 de verilmiştir. İdeal bir soğutma çevriminde, buharlaştırıcıda ve yoğuşturucudaki ısı geçişlerinde basınç kayıplarının olmadığı, kompresörün tersinir adyabatik (izentropik) olduğu, genleşme valfindeki olayın adyabatik olduğu ve bu elemanlar arasındaki boru donanımlarında her hangi bir basınç kaybının olmadığı ve boru donanımı ile çevre arasında bir ısı geçişinin olmadığı kabul edilir. Buhar sıkıştırmalı ideal soğutma çevriminde soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar olarak girer. (1) Kompresörde tersinir ve adyabatik (izentropik) olarak yoğunlaştırıcı basıncına kadar sıkıştırılır. Sıkıştırma sonunda soğutucu akışkanın sıcaklığı çevre sıcaklığının

2 üzerine çıkar ve soğutucu akışkan yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçta ve kızgın buhar olarak yoğunlaştırıcıya girer.(2 ) Yoğunlaştırıcıda kızgın buhar halindeki soğutucu akışkan sabit basınç ve sabit sıcaklık altında çevreye ısı vererek hal değiştirir ve doymuş sıvı olarak 3 noktasından çıkar. Doymuş sıvı halindeki soğutucu akışkanın basıncı, genleşme vanası veya kılcal borudan geçirilerek buharlaşma basıncına kadar düşürülür. (3-4) Adyabatik (sabit entalpide) olarak gerçekleşen bu durumun sonunda soğutucu akışkanın sıcaklığı soğutulacak ortamın sıcaklığının altına düşer. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya sıvı ve buhar karışımı olarak girer ve soğutulacak ortamdan sabit basınç ve sabit sıcaklıkta gizli ısı çekerek buharlaşır. (4-1) Soğutucu akışkan buharlaştırıcıdan doymuş buhar olarak çıkar ve tekrar kompresöre girerek çevirim bu şekilde tamamlanmış olur. Şekil 1.2 Tek kademeli ideal soğutma çevriminin P-h ve T-S diyagramları üzerinde gösterilmesi GERÇEK BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİ Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki tersinmezliklerden kaynaklanır. Tersinmezliğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine neden olan akış sürtünmesi ve çevreyle olan ısı alışverişidir. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi teorik olarak mümkün kabul edilebilir fakat uygulamada, sistemi meydana getiren elemanlarda ortaya çıkan tersinmezlikler nedeniyle gerçek çevrimler söz konusu olmaktadır. Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, buharlaştırıcıda ve yoğuşturucuda basınç kayıplarının olduğu, kompresörün tersinir adyabatik (izentropik) olmadığı, ve elemanlar arasındaki boru donanımlarında basınç kayıplarının olduğu ve boru donanımı ile çevre arasında bir ısı geçişinin olduğu soğutma çevrimidir. Bu çevrimin basınç entalpi diyagramı Şekil 1.3 de gösterilmiştir

3 Şekil 1.3 Gerçek soğutma çevriminin gösterildiği P-h diyagramı Diyagramda ; 1 : Buharlaştırıcı çıkışı, 1-a : Emme hattındaki basınç kaybı, a-b : Emme hattında çevreden ısı geçişi nedeniyle sıcaklık artışı (Tb>Ta), b-c : Emme valfındaki basınç düşümü, c-d : Kompresörde sıkıştırma, d-e : Basma valfındaki basınç düşümü, e-f : Basma hattında çevreye ısı kaybı nedeniyle sıcaklık düşümü, f-2 : Basma hattındaki basınç düşümü, 2-3 : Yoğuşturucuda yoğuşma esnasında basınç düşümü, 3-4 :Kısılma vanasında sürtünmeler nedeniyle entalpi artışı, 4-1 : Buharlaşma esnasında sürtünmeler nedeniyle basınç düşümü İDEAL (TEORİK) BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİNİN GERÇEK SOĞUTMA ÇEVRİMİ İLE KARŞILAŞTIRILMASI 1- İdeal çevrimde akışkan kompresöre doymuş buhar olarak girmekte fakat uygulamada soğutucu akışkan doymuş buhar konumundan kızgın buhar konumuna geçirilerek hem soğutma gücü artırılır hem de kompresöre sıvı maddenin gelmesi önlenerek kompresörün hasar görmesi engellenir. 2- İdeal çevrimde sıkıştırma işlemi izantropiktir ( tersinir adyabatik). Gerçek sıkıştırma işleminde entropiyi etkileyen sürtünme ve ısı geçişi vardır. Sürtünme entropiyi artırırken ısı geçişi yöne bağlı olarak enropiyi artırır veya azaltır. Bu etkenlere bağlı olarak akışkanın özgül hacminin ve dolayısıyla kompresör işinin artması söz konusudur. (1-2 hal değişimi) 3- Gerçek çevrimde, evaporatör ve kondenserde soğutucu akışkanın ilerlemesi sırasında sürtünmeden dolayı basınç kayıpları olacaktır. (2-3 ve 4-1)

4 4- Gerçek çevrimde, genleşme valfından önce sıvılaştırılmış akışkan aşırı soğutularak (Subcooling) buharlaştırıcıya düşük entalpide girmesi sağlanarak soğutma gücü artırılır. 5- Buharlaştırıcıyla kompresör arasındaki bağlantılarda, çevreden ısı geçişi nedeniyle akışkanın sıcaklığı artacak, ayrıca sürtünmeden dolayı basınç düşmesi meydana gelecektir. 6- Kompresörün emiş ve basma valflerinde, silindir tarafı ile valfın dış tarafı arasında daima bir basınç farkı olacaktır. Aksi halde valfın açılması gazın geçişi mümkün olmaz.(b-c ve d-e) SOĞUTMA ÇEVRİM HESAPLARI Termodinamiğin birinci kanunu yardımı ile bir sisteme ait enerjinin korunumu yazılabilir ve bu sisteme ait bazı performans parametreleri çıkarılabilir. Buhar sıkıştırmalı bir soğutma çevriminin her bir elemanına, sürekli rejim halinde termodinamiğin birinci kanunu uygulanabilir. Şekil 1.4 Soğutma çevriminin P-h ve T-s diyagramları üzerinde gösterilmesi Mekanik sıkıştırmalı soğutma sisteminde soğutulan ortamdan buharlaştırıcıda (evaporatörde) birim zamanda çekilen ısı enerjinin korunumu denklemi uygulanarak; Q b = m ( h1- h4 ) (1.1) Şeklinde ifade edilir. Burada; Qb= Buharlaştırıcı (Evaporatör) tarafından çekilen ısı h1= Buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkanın entalpisi ( kj/kg) h4= Buharlaştırıcıya giren soğutucu akışkanın entalpisi ( kj/kg) m= Sistemde dolaştırılması gereken soğutucu akışkan debisi (kg/s)

5 Soğutucu akışkan debisi (m) (1.1)bağıntısından faydalanarak; Qbe(1.2) (h1- h4) İdeal soğutma çevriminde, tersinir adyabatik sıkıştırma işi ( WK12 ) WK12 = m. (h2 h1) (1.3) İdeal soğutma çevriminde, soğutma tesir katsayısı (STK): Qb (h1 - h4) STK= = (1.4) W12 (h2 -h1) Kompresör iç verimi η İK : Burada; h2 = Kompresörde sıkıştırılan soğutkanın ideal koşullardaki entalpisi (kj/kg) h2 = Kompresörde sıkıştırılan soğutkanın gerçek koşullardaki entalpisi (kj/kg) η İK belli olduğuna göre adyabatik kompresör çıkışındaki soğutucu akışkanın entalpisi h2 bulunabilir. şeklinde olmaktadır. Gerçek soğutma çevriminde, tersinir olmayan adyabatik kompresör işi WK12:

6 m.(h2 -h1) WK12 = WK = (1.5) ηik. ηmk.ηem.ηkk Burada; ηmk : Mekanik verim (0,75...0,90) ηem : Elektrik motor verimi ( 0,95...0,98) ηkk : Kayış kasnak verimi( 0,95) Mekanik sıkıştırmalı soğutma sisteminin ısıl değerlendirilmesi, soğutma tesir katsayısı ile yapılır. Gerçek soğutma çevriminde, Soğutma tesir katsayısı (STK): Qb STK = (1.6) WK12 Gerçek soğutma çevriminde, yoğuşturucudan atılan ısı (Qy): Qy= m. (h2 h3) (1.7) Isıtma tesir katsayısı (ITK) : Qy ITK = (1.8) WK12 ÖRNEK:1 Bir soğuk hava deposunun soğutma yükü 50 kw, Buharlaştırıcı sıcaklığı 0 C, yoğuşturucu sıcaklığı 50 C dir. Soğutucu akışkan olarak R-134a kullanılmaktadır. Kompresör iç verimi η İK = 0,80, ηmk=0,85, ηem= 0,97, ηkk =0,95 olduğuna göre; a- Çevrimin P-h diyagramını çiziniz. b- Devrede dolaşan akışkan miktarını bulunuz. c- İdeal çevrimin tersinir adyabatik işini bulunuz. d- İdeal çevrime ait soğutma tesir katsayısını bulunuz. e- Gerçek soğutma çevriminin adyabatik işini bulunuz. f- Gerçek soğutma çevriminin soğutma tesir katsayısını (STK) bulunuz. g- Yoğuşturucu kapasitesini bulunuz. h- Gerçek soğutma çevriminin ısıtma tesir katsayısını (ITK) bulunuz.

7 Karakteristik noktalara ait fiziksel özellikler Noktalar P(kpa) T ( C) h(kj/kg) S ( kj/kgk) 1 292, ,40 1, ,6 55,5 428,6 1, , ,5 1, , ,5 1,20 a) b) Devrede dolaşan akışkan miktarı (m) Şekil 1.5 P-h diyagramı Buharlaştırıcıdan çekilen ısı Qb Q b= m ( h1- h4 ) Soğutma yükü evaporatör kapasitesine eşit olacaktır. Qb= 50kW

8 c) Tersinir adyabatik işi (W12 ) WK12 = m. (h2 h1) W12 = 0,39 (428,6-397,4) = 12,168 kw d) İdeal soğutma çevriminin Soğutma tesir katsayısı (STK) e) Gerçek soğutma çevriminin adyabatik işi (W12) f) Gerçek soğutma çevriminin Soğutma tesir katsayısı (STK) g) Yoğuşturucu kapasitesi (Qy) Gerçek kompresör çıkış entalpisi: Qy= m. (h2 - h3) = 0,39.(436,4-270,5) = 64,7 kw h) Gerçek soğutma çevriminin ısıtma tesir katsayısı (ITK)

9 1.1.4 BUHAR SIKIŞTIRMALI SİSTEMLERİNDE AŞIRI KIZDIRMA VE AŞIRI SOĞUTMA ETKİSİ Aşırı Kızdırma: Buharlaştırıcı çıkışında yapılan aşırı kızdırma soğutulmak istenen ortamdan daha fazla ısı çekilmesini ve böylece sistem performansının artmasını sağlar. Bunun yanında aşırı kızdırma işlemiyle kompresöre sıvı soğutucu akışkan girmesi de önlenmiş olur. Kompresöre emilen soğutucu akışkan buharında sıvı bulunması halinde sıvı vuruntusu olur bu da emme ve basma klapeleri üzerinde yıpratıcı ve kötü tesirler bırakır. Vuruntunun fazla olması silindir bloğu ve kapağında çatlamalara yol açabilir. Bunu önlemek için kompresöre emilen soğutucu akışkan buharı bir ısı eşanjöründen geçirilir. (Şekil 1.7) Isı eşanjöründe kompresör tarafından emilen soğutucu akışkan buharı yoğuşturucuda yoğuşup genleşme vanasına gitmekte olan sıvı soğutucu akışkan tarafından ısıtılıp kızgın buhar haline getirilir. Böylece kompresöre emilen soğutucu akışkan buharında sıvı bulunması ihtimali ortadan kalkar. Aşırı kızdırma sıcaklığının istenen değerden büyük seçilmesi ise kompresörün daha fazla buhar hacmini sıkıştırması ve daha fazla güç harcaması anlamına gelir. Bu nedenle aşırı kızdırma sıcaklığı tavsiye edilen değerlerde alınması gerekir. Aşırı Soğutma: kondenserden çıkan ve sıvı halindeki soğutucu akışkanın sabit basınç altında daha da soğutularak, daha düşük sıcaklıkta genleşme valfına girmesini sağlayan işleme aşırı soğutma denir. Şekil 1.6 da görüldüğü gibi, kondenserde yoğuşma işlemi tamamladıktan sonra, soğutucu akışkanın sıcaklığı düşürülmekte ve 3 noktasına getirilmektedir. 3-3 noktaları arasında yapılan işlem aşırı soğutma olarak tanımlanmaktadır. Şekil 1.6 Aşırı soğutmanın basınç entalpi diyagramı üzerinde gösterimi Soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanın soğutulması iki nedenden dolayı yapılmaktadır: 1- Aşırı soğutma, kompresördeki enerji tüketiminde hiçbir değişim olmaksızın soğutma kapasitesinde artış sağlamaktadır. Böylece aşırı soğutmanın uygulanması ile performans katsayısı artmaktadır.

10 2- Kısmen buhar içeren soğutucu akışkanın genleşme valfına girmesi, valftan geçen akışkanın debisini azaltır. Genleşme valfından geçen soğutucu akışkanın debisinin azalması evaparatörün iyi beslenmemesine neden olur. Bu da evaporatörden çıkan soğutucu akışkanın sıcaklığının istenilen sıcaklığın üstünde olması, kompresörün yüksek sıcaklıkta çalışması, yarı hermetik ve hermetik kompresörlerde kompresörün iyi soğutulmaması ve kompresöre yağ dönüşünün azalması gibi problemlere yol açacaktır. Aşırı soğutma meydana gelecek bu tip problemlerin bir çözümü olarak önerilmektedir. Hava ile soğutulan kondenserlerde aşırı soğutma kondenserin alt kısmına eklenen devreler ile yapılmaktadır. Su ile soğutulan kondenserlerde ise kondenser içine soğutucu akışkan çıkmadan önce konulan ek borular vasıtasıyla sağlanır. Ayrıca sıvı hattı ile emme hattı arasına konulan ısı değiştirgeci yardımıyla kondenserden çıkan sıvının sıcaklığı emme hattından çıkan düşük sıcaklıktaki buhar vasıtasıyla düşürülmek suretiyle aşırı soğutma yapılabilir. (Şekil 1.7) Şekil 1.7 Sıvı hattı ile emme hattı arasına konulan ısı değiştirgeci