Doç. Dr. Abdurrahman ASAN
Soğutmanın Tanımı ve Tarihçesi Soğutma, bir yerdeki ısının başka bir yere nakledilerek, o yerdeki sıcaklığın ortam sıcaklığının altında bir sıcaklıkta tutulmasıdır. İnsanoğlunun var oluş tarihinde soğutmayı ilk defa Çinliler kullanmıştır. Donmuş göllerin buzlarını kırarak geniş kuyulara atıp sıkıştırmışlar ve yazın sıkıştırılan buz kalıplarını çıkararak kullanmışlardır. Romalılar ve Yunanlılar büyük küplere su doldurarak toprağa gömmüşler gece soğuyan toprak yüzeyi küpleri soğutmuş, gündüz, soğuyan küplerden soğuk su ihtiyaçlarını karşılamışlardır.
Tarihçesi Buz ile soğutma çok zahmetli olduğundan bilim adamları mekanik bir soğutma sistemi üzerine çalışmaya başlamışlardır. 1910 yılında J.M. Larsen Şirketi tarafından ilk küçük buzdolabı yapılmıştır. Fakat termostat olmadığı için kullanımda büyük zorluklar yaşanmıştır. 1913 yılında KELVİNATÖR ilk termostatlı dolabı imal edip satışa sunmuştur. 1930'da R-12 gazı bulunarak CFC soğutucuların temeli atılmıştır. 1935'te R-22 soğutucu akışkanı bulunarak HCFC kökenli akışkanlar geliştirildi. 1989'da R-134 A ve R-123 soğutucu akışkanları bulunarak ozon tabakasına zarar vermeyen HFC kökenli akışkanlar geliştirilmiştir. 1990'lı yılların başında R-22 ve R-502 yerine kullanılmak üzere ikili ve üçlü alternatif soğutucu akışkan karışımları geliştirildi. 1913 yılından itibaren soğutma teknolojisi sürekli gelişerek bugünkü ortamda yaşamın değişmez bir parçası olmuştur.
Soğutma Teknolojisinin Önemi Konfor ihtiyacı Soğutma teknolojisi başlamadan önce insanlar konfor ve muhafaza ihtiyaçlarını bazı yöntemlerle karşılamaya çalışmışlardır
Muhafaza İhtiyacı Her gün yediğimiz bitkisel ve hayvansal gıdaları, her an bulmak mümkün olmaya bilir. Bu güçlükle karşılaşan insanlar hal çareleri aramaya başlayarak kimya, fizik ve biyoloji esasına dayanan çeşitli usuller geliştirmişlerdir. Kimya Esasına Dayanan Muhafazalar; a) Tuzla muhafaza (salamura) b) Baharatla muhafaza (sucuk-pastırma) c) Şekerle muhafaza (reçel) Fizik Esasına Dayanan Muhafazalar; a) Kurutmak (kuru yemişler, bazı meyveler vs) b) Hararette pişirmek (konserve) c) Maddeyi yağ ve parafinle örtmek. Kimyaya dayanan muhafaza usulleri, maddenin bünyesinde esaslı değişiklikler yapmaktadır.
SOĞUTMA TEKNİĞİNDE YARARLANILAN TEMEL FİZİK PRENSİPLERİ: a- Enerji yok olmaz, biçim değiştirerek bir başka enerjiye dönüşür b- Isı her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar c- Bir madde buharlaşırken ortamdan ısı alır d- Yüksek basınç altında gazlar, ortama ısı vererek yoğunlaşır e- Gazların basıncı sıcaklığıyla doğru orantılıdır f- Sıvıların kaynama sıcaklığı basınçlarıyla doğru orantılıdır
İklimlendirme Sistemleri Ortamı Nasıl Soğutur? İnsanoğlu, binlerce yıldır, aşırı sıcağın bunaltıcı etkisinden kurtulabilmek için sayısız yöntem kullanmıştır. Bu yöntemlerin hiç biri doğal esintinin verdiği ferahlıktan daha iyi olmamıştır. Doğal serinlemenin kendisini, soğutmanın ilk ilkesi olarak değerlendirebiliriz.
İklimlendirme Sistemleri Ortamı Nasıl Soğutur? Örneğin, aşı olmadan önce, kolumuzu sterilize etmek amacıyla sürülen alkolün veya kolonyanın verdiği serinliği hepimiz biliriz. Günlük yaşantımızda buna benzer bir çok örnekle karşılaşırız. Sıcak ülkelerde yaşayan insanlar, deneyimleri sonucunda, toprak testilerde saklanan suyun dış ortam sıcaklığından daha soğuk olduğunu öğrenmişlerdir. Bir örnekteki alkolün verdiği serinliğin sırrı ile ikinci, örnekteki suyun soğuk olmasının nedeni aynıdır. Alkol buharlaşırken kolumuzdan, su ise testinin dış yüzeyinde buharlaşırken testinin içindeki sudan ısı çeker. Herhangi bir maddenin ( yukarıdaki örneklerde alkol, kolonya ve su ), ısı çekme ilkesinin ustaca değerlendirilmesi sanatı, soğutma olarak adlandırılır.
Termodinamik (Therme+dynamics) Enerjinin etüdünü, şekil değişimlerini ve bu değişimlerin maddenin konumunu nasıl etkilediğini inceleyen bilim dalıdır. 1.Kanun: Nükleer ve kimyasal bazı reaksiyonlar hariç tutulursa: Sisteme ilave edilen net enerji=sistemde toplanan net enerji artışı + iş Enerji yok olmaz, sadece dönüşüme uğrar. 2.Kanun: Kendiliğinden oluşan termodinamik işlemlerin hiçbirisi geri dönüşümlü (tersinir) gerçekleşmez. Isı hiçbir zaman kendiliğinden sıcaklığı daha yüksek olan bir ortama geçemez Entalpi:Sıvı ve gazların sahip olduğu enerji miktarıdır.sıcaklık ve basınç değerleriyle belirlenir.
Enerji Enerji iş yapabilme yeteneğidir. İş Bir cisim bir kuvvetin etkisi altındayken yer değiştiriyorsa, alınan yol ile kuvvetin bu yol doğrultusundaki bileşeninin çarpımı. Güç Birim zamanda yapılan iş veya birim zamanda gerçekleşen ısı transferidir. Enerji Biçimleri Elektrik Enerjisi, Mekanik Enerji, Isı Enerjisi, Kimyasal Enerji, Işık Enerjisi ve Ses Enerjisi.
Enerji Dönüşümü Kimyasal Enerji Akü Pil Elektrik Enerjisi Bitki Dinamo TNT Mikrofon Fotosel Motor Mekanik Enerji Termopil Ampül Mum Isık Enerjisi Buhar makinası Kömür Isıtıcı Hoparlör Isı Enerjisi Ses Enerjisi
İş: x F W = F. x İş için kullanılan birim Joule dür. 1Jul 1N kuvvet uygulayarak bir cimin sürtünmeye karşı 1m ötelenmesi için gerekli olan enerji miktarıdır.
W= Newton x metre = 1 joule, ise Güç = joule/ san (watt) W= Kgf x metre = 1Kgfm, ise Güç = Kgfm / san (75 kgfm/s = 1 beygir gücü HP) 1000 Watt= 1 kw ve 1 HP = 0,736 Watt veya 1kW = 1,36 HP dir. 1 kw = 862 Kcal dir. Isı : Bir tür enerjidir, cisimlerin atomsal hareketlerini etkiler. Cismin sıcaklık artışı ile atomların hareketi hızlanır, sıcaklık düşmesi durumunda ise hareket azalır. Isı birimi Joule dür. 4,187 joule = 1 Kalori 1 joule = 0,2388 kalori (yaklaşık 0,24)
Kalori : Isı bir madde değil Kcal (kilokalori) Cinsinden miktardır.1 Kcal 14,5 ºC deki 1kg saf suyun sıcaklığını 1 ºC arttırmak için Gerekli olan ısı miktarıdır. Kullanılan diğer bir ısı birimide BTU dur. (ingiliz ısı birimi) Bu ise 66 ºF sıcaklıktaki 1 pound (453 gr) saf suyun sıcaklığını 1ºF Arttırmak için gerekli olan ısı miktarıdır. 1 BTU = 0,252 Kcal 1 Kcal = 3,97 BTU
Özgül ısı: ısı miktarını belirlerken dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta özgül ısıdır.özgül ısı herhangi bir maddenin sıcaklığını 1ºC arttırmak için gerekli ısı miktarıdır. Ve özgül ısı Kcal/ Kg. º C birimi ile gösterilir. Özgül ısısı düşük olan maddelerin sıcaklığını arttırmak için daha az enerji Yeterli gelir. Bunun için bu maddeler daha erken soğurlar. Örneğin bakırın Sıcaklığı 0.09 kcal ısı ile 1ºC arttırılabilir. Suyu tahmin ediniz! Bu nedenle bakır lehimleme işlerinde özellikle tercih edilir.
MADDE ÖZGÜL ISI (kcal/kg. C) Su 1 BUZ 0,49 DEMİR 0,11 BAKIR 0,09
Sıcaklık: Bir cismin ısıl seviyesini gösteren sayısal büyüklüktür.nekadar sıcak yada soğuk sorusunun cevabını içerir.isının akış yönünü gösteren bir değerdir. Sıcaklık iş yapma yeteneği değildir. - - - - - - -
Santigrat: 1 atm basınç altında suyun donma ve kaynama noktalarını 100 eşit parçaya bölen sıcaklık ölçüm sistemine santigrat denir. Fahrenayt:1 atm basınçtaki suyun donma ve kaynama noktalarını 212 eşit parçaya bölen sıcaklık ölçüm sistemine fahrenayt denir. ºC= 0,556 X(F-32), F= ºC X 1,8 + 32
Mutlak Sıfır: Mutlak sıfır moleküler hareketlerin tamamen durduğu sıcaklıktır. Bu mümkün olan en düşük sıcaklıktır ve -273 C a den gelmektedir. Kelvin (K): Genellikle bilimsel amaçlar için kullanılır. Mutlak sıcaklık ölçeği olarak ta bilinir. İrlanda doğumlu, İskoçyalı fizikçi ve matematikçi olan W.T. Kelvin tarafından geliştirilmiştir. Bu ölçeklendirme genellikle fizik bilimleri ve dinamik meteorolojide kullanılır. K= ºC + 273
Sıcaklık Ölçüm Araçları :
Isı transferi Isı transferi için sıcaklık farkı gereklidir.doğal ısı transferi sıcak ortamdan soğuk ortma doğru eçeklesir. Eneji alan ortamın sıcaklığı artarken enerji veren ortamın sıcaklığı azalır.
Isının akış yönü: Isı kazancı T=35 C T=27 C
Isının akış yönü: Isı kaybı T=5 C T=22 C
Isı transferi Isı transferi üç şekilde geçekleşir. İletim (Kondüksiyon) Katı cisimlerdeki ısı transferi mekanizmasıdır. Taşınım (Konveksiyon) Sıvı ve gazlardaki ısı transferi mekanizmasıdır. Işınım (Radyasyon) Isının, ışığa benzer şekilde, dalga formunda transfer olduğu mekanizmadır. Herhangi bir ortama gerek duyulmadan ısı bir cisimden diğerine aktarılır.
Basınç: Basınç birim alana uygulanan kuvvettir. 1 Pascal, 1Newton kuvvetin 1m² alanda yarattığı basınç miktarıdır. 1kg su A=100cm 2 =0.01m 2 F=1kg f F=10N P=10/100 = 0.1N/cm 2 P=10/0.01= 1000Pa
MKS birim sisteminde, bir santimetrekare alana etki eden kg kuvvetin yoğunluğunu verir ve kgf/cm² olarak gösterilir. LBS birim sisteminde ise, bir inçkarelik alana etki eden pound (lbs) kuvvetin yoğunluğunu verir ve Ib/in² olarak gösterilir.(psi)
Basınç ölçüm birimlerinin karşılaştırılması: BASINÇ Kilopaskal (kpa) kgf/cm² (at) Bar mmhg psi kilopaskal (kpa) Kgf/cm² (at) 1 0,0102 0,01 7,5 0,145 98,06 1 0,98 735,559 14,212 Bar 100 1,0197 1 750,06 14,68 mmhg 0,1333 0,00135 0,00133 1 0,0193 psi 6,895 0,07036 0,068 51,7 1
Mutlak Basınç ve Relatif (Gauge) Basınç: Mutlak basınç, basınçlı bir kabın toplam veya gerçek basınç değeridir. Mutlak vakumdan başlar. Relatif (etkin) basınç ise basınç göstergesinde okunan değerdir. Bu değer,basınçlı kabın toplam basıncı ve atmosfer basıncı arasındaki farktır.başlangıç noktası atmosfer basıncıdır. P atm =1bar P atm P gauge =26bar P su P toplam =27bar P toplam = P su + P atm
Vakum: Bazı basınç ölçme cihazlarında, 0 kgf/cm2 veya aşağısı kırmızı renkle işaretlenmiştir. Bu, gaz basıncın bulunduğu hacimde atmosferik basınçtan daha düşük değere sahip olduğunu gösterir. Uygulamada bu hacimdeki basınca VAKUM herhangi bir gaz basıncının olmadığı duruma da TAM VAKUM adı verilir. Mükemmel vakum, tamamen boşaltmak. Kısmi vakum, kısmen boşaltmak. P=1atm P < 1atm P=0atm
Atmosferik basınç: Bizler, 80 km. yükseklğinde bir hava tabakasının yarattığı basınç altında yaşıyoruz. Yüksek bir dağın zirvesine çıktığımızda basıncın azalması çok doğaldır. Öyleyse deniz seviyesindeki basınç ne kadardır? Yanıt 1 atmosfer basıncıdır. Bu durumda 1 atmosfer basıncını nasıl ölçebiliriz? İki yöntem vardır. Birinci yöntemde, Hg ile gösterilen civanın atmosferik basıncın etkisiyle vakumlu bir tüp içerisinde ulaştığı sütun yüksekliği mm veya cm cinsinden değeri ölçülür.
Bir atmosferik basınç 760 mm Hg ( cıva ) yüksekliğine eşittir. Diğer yöntem ise SS ile gösterilen suyun, tüp içerisindeki sütun yüksekliğinin mm veya cm cinsinden değeri ölçülür. Bu ölçümde bir atmosferik basınç 10,33 mss na eşittir. Bu da 1,033 kgf/cm² = 1 kg f/cm² ye karşılık gelir. Cıva sütunu yöntemi çoğunlukla vakum bölgesiyle ilgili olarak kullanılır. Su sütunu yöntemi, mmss, ise genelde fanların statik basıncını ifade etmekte kullanır. Atmosfer basıncı 1.03325kg f /cm 2 Vakum 1.03325kg f 1cm2
Kaynama sıcaklığı ve basınç: Yukarıda suyun kaynama sıcaklığının 100 C olduğu belirtilmişti, bu durum dış hava basıncının 1 atmosfer olduğu zaman geçerlidir. Kaynama sıcaklığı ile basınç arasında yakın bir ilişki vardır. Everest dağının tepesinde basınç 0,32 atmosferdir ve su 71 C de kaynar. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz. Sıvıların kaynama sıcaklığı basınç azaldıkça düşer. Basınç yükseldikçe kaynama sıcaklığı artar.
Maddenin halleri: Madde atomlardan meydana gelmiş bir kütledir.atomların hareketlilik durumuna göre katı sıvı gaz olarak bulunabilir. Sıvı Katı Gaz Sublimasyon
Suyun faz değişimi: Su + Buhar Buhar Su 100ºC- 50ºC- 0ºC- -50ºC- Buz Buz + Su
Duyulur ısı:bir maddenin sıcaklığının değiştirmek için gereken ısı miktarıdır. Buharlaşma Isısı:Sıvı halden gaz hale geçmek için için gereken ısı miktarıdır. (Yoğunlaşma Isısı):(gaz halden sıvı hale) geçmek için gereken ısı miktarıdır. Gizli Isı: Bir madenin fiziksel halini değiştirmek sıvı halden gaz haline geçmek için gereken ısıdır. Ergime Isısı: Katı halden sıvı hale Geçmek için gereken ısı miktarıdır Katılaşma Isısı:Sıvı halden katı hale geçmek için gerekli ısıdır Süblimleşme (Uçunum) Isısı: Katı halden doğrudan doğruya gaz hale geçmek için gereken ısı miktarıdır.
Ergimekte olan buzun konumuna bakıldığında, ne kadar ısı verilirse verilsin sıcaklığın artmadığı görülmektedir. 1 kg buzu eritmek için 79,6 kcal ısı gereklidir. Bu ısı ergime gizli ısısı olarak adlandırılır ve termometre ile ölçülemez. 79,6 kcal ısı verildiğinde buz tamamen 0 C de su haline gelir. Eğer bu su ısıtılmaya devam edilirse 100 C de kaynamaya başladığı görülür. Buraya kadar olan ısı değişikliği termometre ile ölçülebilir veya dokunarak algılanabilir. Sıcaklıkta değişiklik yapabilen bu tür ısıya duyulur ısı denir. Eğer ısıtma işlemine devam edilirse, su buharlaşmaya başlar ve miktarında azalma olur. Sonunda su tamamıyla buhar haline dönüşür. Sıvı haldeki bi maddenin buhar haline geçmesi için gerekli olan ısıya buharlaşma gizli ısısı denir. 1 kg suyu buharlaştırmak için gereken ısı miktarı 539 kcal dir. görülmektedir. Maddelerin fiziksel halleri katı-sıvı-gaz olarak değişirken ısı aldıkları veya verdikleri Soğutma sistemleri, sistem içindeki soğutucu akışkanı sürekli bir çevrimle sıvı halden gaz hale, gaz halden sıvı hale dönüştürürler. Soğutma sistemlerinde kullanılan ve hal değişikliğine uğrayan maddelere genel olarak soğutucu akışkan ( soğutkan ) denir.
Duyulur ısıtma: Enerji alan maddenin sıcaklığında bir artış gözlenir. Maddenin halinde bir değişiklik olmaz.
Gizli ısıtma: Enerji alan maddenin sıcaklığında bir değişiklik gözlenmez.maddenin halinde değişiklik olur.
Duyulur soğutma: Enerji veren maddenin sıcaklığında bir düşüş gözlenir. Maddenin halinde bir değişiklik olmaz.
Gizli soğutma: Enerji veren maddenin sıcaklığında bir değişiklik gözlenmez.maddenin halinde değişiklik olur.
Aşırı ısıtma : Aşırı soğuk su T < 100ºC (sıvı) İki fazlı akışkan T = 100ºC (sıvı+gaz) Aşırı kızgın buhar T > 100ºC (gaz) Isıtma P = 1 atm G Buharlaşma Noktası G Yoğuşma Noktası 08/2005
Aşırı soğutma: Aşırı soğuk su T < 100ºC (sıvı) Soğutma İki fazlı akışkan T = 100ºC (sıvı+gaz) Aşırı kızgın buhar T > 100ºC (gaz) P = 1 atm G Buharlaşma Noktası G Yoğuşma Noktası 08/2005
Sıcaklık Temel Kavramlar T b T SH T SC T SC : Aşırı soğutma T SH : Aşırı ısıtma Enerji G Buharlaşma Noktası G Yoğuşma Noktası 08/2005
Örnek: Akışkan : Su P = 1atm Tb = 100ºC P = 1atm T=110ºC Aşırı Isıtma = 110-100 = 10ºC P = 1atm T=80ºC Aşırı Soğutma = 100-80 = 20ºC
Soğutma çevrimi : Kritik nokta Sıvı+buhar
Soğutma çevrimi: Çevrim Niçin Gereklidir? Hepimiz serinlemek için yüzümüze kolonya sürüldüğünde bir serinlik hissederiz. Bunu şu şekilde açıklayabiliriz. Alkol buharlaşması için gerekli olan ısıyı vücudun ısını emerek sağlar. Herhangi bir mekan, benzeri şekilde soğutulabilir. Ama bu işlem için sonsuz miktarda alkol gereklidir. Böylesi bir soğutma işlemi kaçınılmaz olarak atmosferi kirleteceği gibi ekonomik değildir.
Bu sorunu çözmek için, içinde soğutucu bir akışkanın dolaştığı kapalı soğutma sistemi geliştirilmiştir. Bu sürekli çevrim, soğutma çevrimi olarak adlandırılır. Soğutma çevriminde kullanılacak soğutkan kimyasal olarak kararlı bir akışkan olmalıdır. Alkolün kararlılığı olmadığı için seçilmez. R-134a, R-22, R-404a sembolleri ile gösterilen maddeler soğutkandır. Bu maddelerin özellikleri ilerideki bölümlerde incelenecektir.
Buharlaşmış akışkanın yeniden sıvı hale getirilmesi: Bu sorunun yanıtı maddenin özelliklerinden yararlanmaktır. Madde sıvı halden gaz haline geçmişse, basıncı yükselterek buharlaşma ısısından daha yüksek bir sıcaklıkta dahi sıvı hale dönüştürebiliriz. Şekilde gösterilen sistemde, pistonun yukarı hareketiyle birlikte silindire alınan gaz halindeki soğutucu akışkan, sıkıştırılarak yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçta gaz haline gelir ve basma vanalarının açılmasıyla dışarı atılır. Bu gaz halindeki soğutucu akışkan bir serpantin kullanılarak soğutulacak olursa, ısı gider ve yoğunlaşarak sıvı hale geçer. Yaygın olarak kullanılan iklimlendirme sistemlerinde yukarıdaki işlem sürekli tekrarlanır.
Bir iklimlendirme sistemi çalıştığında, odaya soğuk hava yayılırken dışarıya sıcak hava atılır. Bu durum, iklimlendirme sisteminin iç mekandan ısı çektiğini ve çektiği ısıyı taşıyarak dışarı attığını gösterir. Diğer bir deyişle, düşük sıcaklıktaki iç mekanın ısısı çekilerek, yüksek sıcaklıktaki dış mekana aktarılır. Bu işlem, düşük seviyedeki suyun yüksek bir seviyeye çıkarılması için yapılan pompalama işlemine benzediğinden, soğutma sistemleri ısı pompası olarak da adlandırılır.
Soğutma çevrimi: P İç Ortam (27 C) Dış Ortam (35 C) Enerji
Soğutma çevrimi: İç Ortam (27 C) Dış Ortam (35 C) P Fan 16 C 27 C Enerji
Soğutma çevrimi: İç Ortam (27 C) Dış Ortam (35 C) P Fan Fan 16 C 27 C 35 C Enerji
Soğutma çevrimi: İç Ortam (27 C) Dış Ortam (35 C) P Fan Fan 16 C Kompresör 27 C 35 C 49ºC Enerji
Soğutma çevrimi: P İç Ortam (27 C) Dış Ortam (35 C) Fan Fan 16 C Kompresör 27 C 35 C Genleşme Elemanı Enerji
Aşırı Soğuk (45ºC) Yoğuşma Sıcaklığı (50ºC) Aşırı Kızgın (95ºC) Yüksek Basınç Kondenser (sıvı / sıvı + gaz / gaz) Gaz Yüksek Basınç Alçak Basınç Genleşme Vanası İki Fazlı (5ºC) Buharlaşma Sıcaklığı (5ºC) Evaporatör (sıvı + gaz / gaz) Kompresör Aşırı Kızgın (10ºC) Alçak Basınç
Soğuk hava Buharlaştırıcı Genleşme valfi Termostat Sıcak hava Fan Gözleme camı Salt bakım Amaçlı doldurma armatürü Basınç şalteri Yüksek basınç gazı Yüksek basınç sıvısı Alçak basınç sıvısı Alçak basınç gazı Kompresör Kurutucu Sıcak hava Toplayıcı Sıvılaştırıcı- Soğutma havası Sıvılaştırıcı
Soğutma kapasitesinin birimi: Soğutma veya iklimlendirme (klima) sisteminin ısı emme kapasitesinin ölçülendirilmesinde soğutucu akışkanın kcal/h, BTU veya ton (Rt) değeri kullanılır. MKS birim sisteminde 1 ton soğutma kapasitesi, 0 C deki 1000 kg suyun, yine aynı sıcaklıkta 24 saat içerisinde tamamen buz haline gelebilmesi için gerekli olan soğutma miktarıdır. Buzun ergime ısısı 79,6 kcal/kg olduğu için. 24 saat içerisinde 79,680 kcal lik veya bir saatte 3,320 kcal/h lik ısımiktarının uzaklaştırılması gereklidir. Bu Rt ile gösterilir.