BÖLÜM-3 SOĞUTMA SİSTEM UYGULAMALARI 3.1 ALÇAK TARAFTAN ŞAMANDIRALI SİSTEMLER Alçak taraftan şamandıralı soğutucu akışkan kontrol sistemleri eski soğutma tesislerinde oldukça yaygındı. Bu sistemlere Sıvı Taşmalı Sistemler de denmektedir. Şekil-3.1 de bu sistemin şematik diyagramı verilmiştir. Sıvı soğutucu akışkan sıvı deposu içerisinden sıvı hattına akar, alçak basınç tarafına şamandıra iğnesini iterek geçer. Sistemde evaporatör, kanatlı bir tanktan oluşur. Bu tankın, düşük basınç altında akışkanın seviyesine sürekli kontrol eden bir şamandıra iğnesi vardır. Şekil-3.1 Alçak taraftan şamandıralı soğutma sistemi şeması Bu soğutucu akışkan, alçak basınç tarafında sıvı olduğu müddetçe, sıcaklığı da düşük olacaktır. durduğunda hem de devam ettiğinde çevreden fazla miktarda ısı absorbe edecektir. Soğuk sıvı akışkan, hem çevrim Buhar haline gelmiş soğutucu akışkan emme hattından kompresöre doğru hareket eder ve orada yüksek basınca sıkıştırılarak boşaltma hattından kondensere geçer. Akışkan, kondenserde soğutulmakta olup sıvı halinde sıvı deposuna döner. Bu çalışma istenen sıcaklığa ulaşılıncaya kadar devam eder. Bir taşmalı sistemin alçak tarafındaki basıncı, sıcaklık gibi değişmeli olacaktır. Daha yüksek sıcaklık, daha fazla alçak taraf basıncı demektir. Şekil-3.1 de gösterilen sistemde basınçlı bir motor kontrolü kullanılmıştır. Emiş hattında ve evaporatörde bir yay yüklemeli basınç hissedici cihaz, bir motor kontrol anahtarını çalıştırır. Motorun tahrik ettiği kompresör, evaporatördeki sıcaklık ve basıncı azaltacaktır. Belirlenmiş olan ayarlı bir basınçta kompresör motoru duracaktır. Çok geçmeden evaporatör basıncı yükselip soğutucu akışkan sıcaklığını karşıladığında kompresör motoru tekrar çalışıp çevrim tekrarlanmış olacaktır. Kabin sıcaklığı bir termostat ile de kontrol edilebilir. Bu durumda, sıcaklık hissedici eleman (bulb:kuyruk) evaporatör kanatlarına monte edilecektir. Bu soğutma çevrimi içme suyu soğutucuları gibi sabit sıcaklık istenen yerlerde ve benzeri tesislerde sıkça kullanılır. Çevrim durduğunda basınç dengelenmesi sağlanamaz ve motor tekrar yük altında çalışmaya başlamak zorundadır. Böyle bir sistem, hem sıvı deposunda hem de evaporatörde sıvı bulunacağı için oldukça fazla soğutucu akışkan şarjı gerektirir. Bütün sıvı taşmalı sistemler, soğuk sıvı akışkanın ıslattığı evaporatör yüzeylerinde mükemmel bir ısı transferi sağladıklarından oldukça verimlidirler. Bu sistemlerin servisi kolaydır. Şamandıra iğnesi ve setinin iyi durumda olması alçak taraftaki akışa yardımcı olur.
3.2 AÇIK DIŞTAN TAHRİKLİ SİSTEMLER Bu sistemde, kompresör kayış-kasnak ile bir elektrik motorundan hareket alır. Kompresörün hızı genellikle motor hızından oldukça azdır. Bu motor milinde küçük kasnak, kompresör milinde büyük kasnak kullanılmakla yapılır. Eski birçok soğutma sistemleri bu şekildedir. Şekil- 3.2 de bir açık akışkan tahrikli sistem gösterilmektedir. Sıvı soğutucu akışkan termostatik genleşme valfinden evaporatöre düşük basınç altında akar. Sıvı soğutucu kaynar, buharlaşır ve evaporatörden ısı absorbe eder. Kompresör çalıştığında buhar haline gelen akışkan, emiş hattından kompresöre çekilir. Akışkan boşaltma hattından kondensere gönderilmeden önce yüksek basınca sıkıştırılır. Kondenserde buharlaşma ile aldığı gizli ısıyı verir, soğur ve sıvı haline döner. Buradan sonra çevrim tekrarlanır. Şekil-3.2'de basınçlı bir motor kontrolü gösterilmiştir. Başlatma mekanizması, açık dıştan tahrikli sistemlerde genellikle motor gövdesine takılır. Bu sistemde kompresör krank mili için sızdırmazlık gereklidir. Kompresör ve motor atmosferik basınçta çalışırlar. Karterin içindeki basınç kullanılan soğutucu akışkana ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Bazen atmosferik basıncın oldukça üzerinde, bazen de bunun altında olabilmektedir. Soğutucu akışkan buharının karter içinden dışarıya çıkmasına veya dış havanın içeriye girmesine müsaade edilmemelidir. Her iki durum da çalışmayı kısa zamanda aksatır. Şekil-3.2 Açık dıştan tahrikli sistemler
3.3 YÜKSEK TARAFTAN ŞAMANDIRALI SİSTEMLER Yüksek taraftan şamandıralı sistem, bir sıvı taşmalı sistemdir. Evaporatör devamlı sıvı soğutucu akışkan ile doldurulur. Şekil-3.3'de bu sistemin şematik diyagramı gösterilmiştir. Kompresör çalıştığında, sıvı soğutucu akışkan yüksek taraf şamandırasından geçerek sıvı hattına akar. Kısa süre sonra yüksek şamandıra tarafına yeterli sıvı akışkan girerek şamandırayı yukarı kaldıracaktır. Soğutucu akışkan kontrollü olarak evaporatöre geçmeye başlayacaktır. Evaporatör alçak basınç altında olduğundan şamandıralı valf ile evaporatör arasındaki bağlantı borusu ve evaporatör izole edilmelidir. Sıvı hattında kılcal boru sıkça kullanılır. Sıvı hattındaki buharlaşmayı önleyen dozaj valfine olarak sıvı hattı boyutları değişebilir. Şekil-3.3 de sıvı hattında bir genleşme valfi görülmektedir: Soğutucu akışkan evaporatöre düşük basınç altında girer. Akışkan evaporatörde hızlıca kaynar ve evaporatörden ısı absorbe eder. Sonra buhar emme hattından kompresöre akar, orada yüksek basınç tarafına doğru sıkıştırılır. Kondenserde, evaporatörde absorbe edilen ısı alınır ve soğutucu akışkan sıvı hale geri döndürülür. Sıvı yüksek tarafa geçiş mekanizmasına akar ve çevrim tekrarlanır. Soğutma çevriminde motor kontrolü sıcaklık veya basınç kullanılarak yapılabilir. Şekil-3.3 te soğutulan alana yerleştirilen motor sıcaklık kontrolü görülmektedir. Bu sistem, en çok yüksek çalışma verimi istenen ticari işlemlerde kullanılır. Sistemin servisi kolaydır fakat sisteme verilecek soğutucu akışkan şarjı oldukça doğru ölçüde olmalıdır. Şekil-3.3 Yüksek taraftan şamandıralı soğutma sistemi şeması 3.4 OTOMATİK GENLEŞME VALFLİ SİSTEMLER Bir otomatik genleşme valfli (OGV) akışkan kontrol işlemi ile yapılan soğutma mekanizması Şekil-3.4 de gösterilmiştir. Sistem; kabin, kompresör, motor ve kondenser (yoğunlaşma ünitesi) üzerinde temelleşmiştir. Kompresör çalışır ve sıvı akışkan otomatik genleşme valfine akar, valften evaporatöre sıvı akışkan püskürtülür. O burada uygun düşük basınçta hızlıca kaynar ve ısı absorbe eder. Bu buharlaşan akışkan kompresöre emme hattından geçerek geri döner. Kompresörde, bu akışkan buharı yüksek basınca sıkıştırılır. Kondenserden geçerken soğutulur, evaporatörde absorbe ettiği ısıyı geri verir ve tekrar sıvı haline döner. Sonra sıvı tankına akar ve çevrimin tekrarlanması için hazır olur. Motor kontrol termal elemanı, evaporatörün sonuna emme hattının başlangıcına monte edilir. Evaporatör bir uygun sıcaklığa düştüğünde kontrol kuyruğu basıncı elektrik motoru anahtarını kapatır kompresör durur. Bu sistemin çalışma karakteristikleri oldukça tatminkardır. Soğutucu akışkan yağı bir problem olmaksızın dolaşım yapar. Bu tip soğutma çevrimi küçük ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Çünkü sistem durduğunda basınç dengelenemez. Kompresör motoru yük altında iken çalışır.
Şayet genleşme valfinin iğne veya seti arızalanırsa, sistem durma anında soğutucu akışkan sıvı halde emiş hattına akabilir. Eğer arıza ciddi ise, sonuçta sıvı akışkan kompresöre girecektir. Bu kompresörde şiddetli darbelere sebep olabilir. Şekil-3.4 Otomatik genleşme valfli soğutma sistemi şeması 3.5 TERMOSTATİK GENLEŞME VALFLİ SİSTEMLER Bir termostatik kontrollu genleşme valfli soğutma sisteminin şematik diyagramı Şekil-3.5 te gösterilmiştir. Sıvı soğutucu akışkan sıvı deposundan sıvı hattına, filtre-kurutucu ve termostatik genleşme valfine akar. Termostatik genleşme valfinin çalışması hem evaporatör basıncı hem de kuyruk gazının basınç-sıcaklığı ile kontrol edilir. Kuyruk gazının basıncı evaporatör basıncından fazla olduğunda valf açılır. Valfin açılma miktarı evaporatörün sıcaklığı ile idare edilir. Şayet evaporatör yeterli miktarda ısınırsa iğne açılarak evaporatör içine hızlıca sıvı akışı olur. Bu yolla soğutma hızlandırılmaktadır. Evaporatör sıcaklığı düştüğünde termostatik genleşme valfi (TGV) sıvı akışını kapatacaktır. Buhar haline gelen akışkan evaporatörden kompresöre doğru hareket eder, orada sıkıştırır ve basma hattına verilir. O, kondenserden akarken soğutulur ve absorbe ettiği ısıyı verip yoğunlaşır. Yoğunlaşmış akışkan kondenserden sıvı deposuna geçerek soğutma çevrimi tekrarlanır.
Evaporatörde istenen sıcaklık sağlandığında motor kontrolü termostat ile açılır ve kompresör motoru durdurulur. Bu olduğunda TGV nin iğnesi kapanacak, evaporatördeki basınç düşünceye kadar akışkan geçmesine müsaade etmeyecektir. Bu sistem büyük ticari soğutucularda ve iklimlendirme uygulamalarında iyi neticeler vermektedir. Şekil-3.5 Termostatik genleşme valfli soğutma sistemi şeması 3.6 KILCAL BORULU SİSTEMLER Kılcal borulu sistem en yaygın sıkıştırmalı sistem tiplerinden birisidir(şekil-3.6) Sıvı akışkan kondenserden yükselerek sıvı hattına ve filtreye (ki bu kurutucu da olabilir) akar. Soğutucu akışkan filtreden geçer. Kılcal boruda kontrol edilerek evaporatör içine verilir. Sıvı akışkanın basıncı filtre çıkışına ve kılcal boru girişine kadar yüksek basınçtadır. Bu kısım yüksek basınç tarafıdır. Evaporatörde ise basınç düşüktür. Kılcal boru kompresör çalışırken belirli bir basınç farkını muhafaza eder. Kompresör, evaporatördeki düşük basıncı korur ve soğutucu akışkan kaynar, hızla ısı absorbe eder. Buharlaşmış akışkan kompresöre emiş hattından geri döner. Burada sıkıştırılır ve yüksek basınçlı olarak boşaltma hattından kondensere verilir. Akışkan kondenserde soğutulur ve tekrar sıvı haline döner. Sıvı, tekrar sıvı hattına akar. Bu işlem termal elemanın ayarlanan sıcaklığa düşmesine kadar devam eder. Bu sıcaklığa ulaşıldığında termal eleman motor kontrol mekanizmasını işletir ve motoru durdurur. Soğutma çevrimi stop eder. Sistem durduğunda termal eleman tekrar ısınacak ve kuyruk basıncı motor kontrol kontağını açacak ve kompresör tekrar çalışmaya başlayacaktır. Durma sırasında, kılcal boru alçak ve yüksek taraf basınçlarının dengelenmesine müsaade eder. Motorda yüksek bir kalkış momentine gerek yoktur. Bu sistem ev soğutucularında, dondurucularda, iklimlendirme cihazlarında, nem alıcılarda ve bir çok küçük ticari uygulamalarda geniş olarak kullanılmaktadır. Bu tip çevrim soğutma uygulamaları için oldukça tatminkardır.
Şekil-3.6 Kılcal borulu soğutma sistemi şeması 3.7 ÇOKLU EVAPORATÖRLÜ SİSTEMLER Bazı ticari soğutma sistemlerinde bir yoğunlaştırma ünitesi iki veya daha fazla evaporatöre bağlanır. Sıvı soğutucu akışkan, termostatik genleşme valflerinden evaporatörlere akar. Evaporatörler, aynı sıcaklıkta veya farklı buharlaşma sıcaklıklarında olabilir. Şayet evaporatör sıcaklıkları aynı ise sistem yalnızca bir alçak taraf şamandıra valfi veya bir TGV ile akışkan kontrolü yapılır. Eğer iki veya fazla buharlaşma sıcaklıkları arzu edilirse bu düzenleme evaporatörlerden birini daha düşük basınçta tutacaktır. Şekil-3.7 de emme hattındaki evaporatör basınç regülatörü alçak taraf soğutucu akışkan basıncını, B evaporatöründe A dan daha yüksekte tutar. Evaporatör sıcaklığı buharlaşma basıncı ile idare edilir. Bir çek-valf A evaporatörünün çıkışında emme hattına bağlanmış olup, sistem durduğunda B evaporatöründen çıkan yüksek basınçlı buharın A evaporatörüne girmesine önler. Buhar halindeki soğutucu akışkan kompresör tarafından geri döndürülmektedir. Buhar, yüksek basınç ve sıcaklıkta sıkıştırılır. Bu buhar, kondenserde yüksek basınçlı sıvı olmakta sıvı deposunda gerekli oluncaya dek depolanmaktadır. Sıvı hattındaki filtre-kurutucu da önemlidir. Soğutucu akışkanı temiz ve kuru halde tutar. Bir sıvı gözetleme camına, sıvı hattında sık rastlanır. Servis teknisyenleri, sistemdeki soğutucu akışkanın yeterli olup olmadığını buraya bakarak kontrol ederler. Kabarcıklar bir akışkan eksikliğini gösterir. Bu sistemde, Şekil-3.7 de gösterildiği gibi bir basınçlı motor kontrolü kullanılır. Çalışma basıncı sistemin alçak tarafından alınır. Basınçlı motor kontrolü için bir hat, yüksek basınç tarafından dahi alınabilir. Bu işlem bir güvenlik cihazı olup kondenser basıncı çok yükseldiğinde motoru durdurur. Çoklu evaporatörlü soğutma sistemleri genellikle ticari soğutma uygulamalarında kullanılır.
Şekil-3.7 Çoklu evaporatörlü soğutma sistemi şeması 3.8 BİLEŞİK (KADEMELİ) SOĞUTMA SİSTEMLERİ Bileşik soğutma sistemlerinde iki veya daha fazla kompresör seri olarak bağlanmaktadır. Şekil-3.8 de gösterilen 1 no'lu kompresörün boşaltma hattı 2 no'lu kompresörün giriş tarafıdır. 2 no'lu kompresörden sonra akışkan kondensere girer. Burada buhar yoğunlaşır. Sonra sıvı, sıvı akışkan deposu içine akar. Sıvı akışkan sıvı deposundan TGV ve evaporatöre geçer. Evaporatörde sıvı akışkan kaynar ve ısı absorbe eder. buharlaşan akışkan 1 no'lu kompresöre geri döner. Buradan itibaren çevrim tekrarlanır. Evaporatörde Bileşik sistem daha büyük basınç düşmesi sağlandığından kapasiteyi arttırmakta olup tek kompresör bunu sağlayamaz. Soğutucu buharı kompresörler arasında yoğunlaştırılmaz. Bir ara soğutucu, buhar sıcaklığını düşürür. Bu tip tesisat genellikle her kompresör için bir yağ ayırıcı gerektirir. Bir tek sıcaklıklı motor kontrolü bütün motorları ve bir TGV sıvı akışkanın evaporatöre geçişini kontrol eder. Sistem durduğunda basınçlar dengelenemez, motorların yük altında kalkınabilmesi için güçlü olması gerekir. Bileşik tesisatlar ağır servis şartlarında tercih edilirler. Kondenser ve soğutucu akışkan temiz tutulmalıdır. Kompresör valfleri iyi durumda olmak zorundadır.
genleşme valfi Şekil-3.8 Bileşik (kademeli) soğutma sistemi şeması 3.9 KASKAD SOĞUTMA SİSTEMLERİ Bir kaskad soğutma tesisinde iki veya daha fazla soğutma sistemi Şekil-3.9 da gösterildiği gibi bağlanmıştır. Her iki sistemde aynı zamanda çalışır. A sistemi bir evaporatöre sahip olup bu evaporatör B nin kondenserinden ısı absorbe eder. B nin evaporatörü istenen soğutma etkisini sağlar. Her iki sistemde akışkan kontrolu için birer TGV ye sahiptir. Kaskad sistemleri daha çok sıcaklığın -46 0 C nin altında olması gerektiği endüstriyel proseslerde kullanılır. Bir motor kontrolu her iki motor için de kullanılır. Bu, bir ısı hissedici kuyruğun B evaporatörüne bağlanmasıyla sağlanır. Kaskad sistemlerinde kullanılan motorların yük altında kalkış yapabilmesi için güçlü olması gerekir. TGV nin kullanılması ile sistem durduğunda basınç dengelenmesi sağlanamaz. Kondenser-evaporatör olarak genellikle kovan borulu sıvı taşmalı evaporatör tipi kullanılır. Bu sistemler çok düşük sıcaklıklarda çalıştıklarından, soğutucu akışkanları oldukça kuru (nemsiz) olmak zorundadır. Aksi taktirde yoğunlaşmış olan nem TGV nin iğnesinde donarak sistemin çalışmasını durdurur. B sisteminin derin soğutma şartlarına sahip bir soğutucu yağa (çökelmeyen, nemsiz, çok düşük sıcaklıklarda akışkan) sahip olması gerekir. Yağ ayırıcıları kompresör-kondenser hattına tesis edilir ve her iki yoğunlaştırıcı ünitesinde yağın kompresörde tutulmasına yardımcı olur.
Şekil-3.9 Kaskad soğutma sistemi şeması
3.10 MODÜLASYON DEVRELİ (PARALEL KOMPRESÖRLÜ) SOĞUTMA SİSTEMLERİ Birçok soğutma tesislerinde soğutma kapasitesinin en ağır yükler altında istenen sıcaklığı muhafaza edebilmesi için yeterli olması gerekir. Bu sıcaklık motor kontrolü ile muhafaza edilir. Çalışmakta olan kompresörün istenen soğutma sıcaklığına ulaşıldığında durdurulması istenir. Bununla beraber, ısı yükü hafifleyince tekli sistem bu iş için yüksek kapasiteli olabilir. Makine kapasitesinin gerekli olan soğutma yüküne yakın değerden daha büyük olması pahalı bir işlemdir. Bu sistemde soğutma işlemi dahi hızlı şekilde ve çalışma-durma çabuk değişmeli olarak yapılır. Bir modülasyon (değişken kapasiteli) sistemi, makine kapasitesini gerekli ısı yüküne daha yakın uydurma esasına bağlı olarak geliştirilmiştir. Bu bazen iki ya da daha fazla kompresörün paralel bağlanmasıyla yapılmaktadır. Her kompresör bir motor kontrolü ile çalışır. Çalışma esnasında yük arttığı ve sıcaklık yükselmeye başladığı taktirde, bir kompresör çalışmayı sürdürecektir. Fakat sıcaklık hala yüksek durumda kalıyorsa bu defa ikinci kompresör devreye girecektir. İlave kompresörler yeterli kapasite sağlandığında devre dışı kalabilirler. Şekil-3.10 da tipik bir modülasyon sistemi devresi gösterilmiştir. Bu tesis üç kompresöre sahiptir. Bir basınç kontrolü çalışan kompresörlerin emme hattına bağlanır. Basınç kontrolü, çeşitli kompresörleri devreye sokmak için özel bir anahtar cihazı ihtiva eder. Böylece her kompresör yaklaşık aynı zaman miktarında kullanılmış olacaktır. Şekil-3.10 Modülasyon Devreli Soğutma Sistemi Modülasyon çevrimi, üniform(değişmesiz) sıcaklık ve ekonomik çalışmayı muhafaza eder. Akışkan kontrolü için bilinen yöntemler uygulanabilir. Bununla birlikte TGV çok yaygın olarak kullanılır. Bütün kompresörler aynı veya ayrı kondenser ve sıvı deposu kullanılır. Fakat bütün kompresörler aynı evaporatöre bağlanmıştır. Bir modülasyon sisteminde çok silindirli kompresörler de kullanılabilir. Her silindir bir yük boşaltma cihazı ile teçhiz edilir. Değişken hızlı motorlar dahi modülasyon soğutma kapasitesini arttırmada kullanılırlar.