Teknik Bülten No: 9 E K İ M 2 011 Sogutma Çevrimi B ir maddenin veya ortamın sıcaklığını onu çevreleyen hacim sıcaklığının altına indirmek ve orada muhafaza etmek üzere ısının alınması işlemine soğutma denilebilir. Bir soğutma çevrimi, soğutucu bir akışkanın ısıyı emmesi ve daha sonra yayması ile oluşan değişikliklerin tanımlandığı, bir soğutucu içinde gerçekleşen çevrimdir. İDEAL BUHAR SIKIŞTIRMALI SOĞUTMA ÇEVRİMİ En yaygın soğutma çevrimidir. Soğutucu akışkanın düşük basınçta çevreden ısı alarak buharlaşmasını sağlayan eleman evaporatördür. (buharlaştırıcı) Evaporatörden alınan buharı yüksek basınçlı kondensere basan eleman kompresördür. (sıkıştırıcı) Kompresörden gelen sıcak kızgın gazın ısısını alarak onun yoğunlaşmasını sağlayan eleman kondenserdir. (yoğunlaştırıcı) Sıvı hale gelen soğutucu akışkanın toplanabileceği eleman sıvı deposudur. (receiver) Sıvı deposundan gelen sıvı soğutucu akışkanın geçişini çeşitli metotlarla kısıtlayarak evaporatörde düşük basınç oluşmasını, dolayısıyla soğutucu akışka- nın buharlaşacak hale gelmesini sağlayan eleman genleşme valfidir. (expansion valve) 1: Kompresör girişi 2: Kompresör çıkışı - yoğuşturucu girişi 3: Yoğuşturucu çıkışı 4: Buharlaştırıcı girişi dersek, 1
Bu sistemdeki buharlaştırıcının çevreden çektiği ısı: Q buharlaştırıcı = m * (h 1 h 4 ) formülü ile hesaplanabilir. Burada m akışkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (kj/kg). Yoguşturucuda (Kondenser) dışa atılan ısı: Q yoğuşturucu = m * (h 2 h 3 ) formülü ile hesaplanabilir. Kompresörün çektiği elektrik enerjisi: W kompresör = m (h 2 h 1 ) / η formülü ile hesaplanır. Buradaki η kompresör mekanik ve elektrik verimini ifade eder. Yoguşturucu (kondenser) veya Buharlaştırıcı (evaporatör) deki ısı transferinin kompresöre verilen mekanik işe oranına etkinlik katsayısı (COP) adı verilir. COP buharlaştırıcı = Q buharlaştırıcı / W kompresör COP kondenser = Q yoğuşturucu / W kompresör Buharlaştırıcı etkinlik katsayısı soğutma sistemlerinde, yoğuşturucu etkinlik katsayısı ise ısıtma sistemlerinde (Isı pompalarında) kullanılır. arkadan gelen, henüz ısı yüklenmemiş akışkana yer temin ederek akışın sürekliliğini sağlamak ve buhar haldeki soğutucu akışkanın basıncını, kondenserdeki yoğuşma basıncına ulaştırmaktır. Kompresörler pozitif sıkıştırmalı kompresörler ve santrifüj kompresörler olmak üzere ikiye ayrılır. 1.1. Pozitif Sıkıştırmalı Kompresörler: Pozitif sıkıştırmalı kompresörler kendi arasında pistonlu, döner ve helisel tip olmak üzere üçe ayrılırlar. 1.1.1. 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 makineler olup, açık tip (kayış- kasnak veya kavramalı) veya hermetik tip (hava sızdırmaz) motor kompresör şeklinde dizayn ve imal edilmektedir. SOĞUTMA ÇEVRİMİ ELEMANLARI 1.1.2 Scroll (Döner) Tip Kompresörler: Scroll kompresörler geliştirilerek son yıllarda geniş ölçüde kullanılmaya başlanan, dönel, pozitif sıkıştırmalı makinelerdir. 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. 1.KOMPRESÖR Kompresör evaporatörden çıkan doymuş buharı, sıkıştırarak kızgın buhar haline dönüştürür. Kompresörün sistemdeki görevi, evaporatördeki ısı yüklü soğutucu akışkanı buradan uzaklaştırmak ve böylece 2
1.1.3. Helisel Tip Döner 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. 1.2. Santrifüj Kompresörler: Buhar sıkıştırma çevrimiyle soğutma işlemi yapan santrifüj kompresörlerin, diğer kompresörlerden farkı pozitif sıkıştırma işlemi yerine santrifüj kuvvetlerden faydalanarak sıkıştırma işlemi yapmasıdır. Santrifüj kompresörlerle özgül hacmi yüksek olan akışkanların kolayca hareket ettirilmesi mümkün olduğu için sık sık büyük kapasiteli soğutma işlemlerinde kullanılmaktadır. 2. EVAPORATÖR 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. Evaporatörler hava soğutucu, sıvı soğutucu ve katı soğutucu olmak üzere üçe ayrılır. 2.1. Hava Soğutucu Evaporatörler: Bu tip evaporatörlerde içerisinden ısı çekilen ortamdaki havadır. Hava soğutucu evaporatörlerde havanın ısı geçirme katsayısı düşük olduğundan, bunu telafi etmek ve hava geçiş yüzeylerini arttırmak amacı ile kanatçıklar kullanılır. Ayrıca hava geçiş hızlarını arttırmak için vantilatörlerden faydalanılır. 2.2. Sıvı Soğutucu Evaporatörler Bu evaporatörlerde hava yerine herhangi bir sıvı soğutulur. Soğutucu akışkanın ve sıvının dolaşımına ve tasarıma bağlı olarak birçok tipleri mevcuttur. Bu evaporatörlerin ısı geçirgenlik değerleri (k) oldukça yüksektir. Bundan dolayı cebri hava soğutmalı evaporatörlere göre aynı yüzeyden daha yüksek soğutma kapasitesi sağlarlar. Su, süt, kimyasal sıvılar ve salamuralar gibi maddeleri soğutmak amacıyla yaygın olarak kullanılır. 3
Bu tip kondenserler soğutucu akışkanın soğutulmasında sudan yararlanır. Kondenser üzerinde su giriş ve çıkışları bulunur. Soğutucu akışkan üzerindeki fazla ısı su yardımıyla alınır ve soğutucu akışkan kondenseri çıkışında sıvı halinde terk eder. Özellikle temiz suyun bol miktarda, ucuz ve düşük sıcaklıklarda bulunabildiği yerlerde gerek kuruluş gerekse işletme masrafları yönünden en ekonomik kondenser tiplerindendir. 2.3. Katı Soğutucu Evaporatörler Bu evaporatörlerde hava veya sıvı yerine herhangi bir katı soğutulur. Buz, buz paten sahası, metaller ve benzeri maddeleri soğutmak için kullanılırlar. 3. KONDENSER: Kondenser kompresörden çıkan kızgın buhar halindeki soğutucu akışkanın içerisindeki ısıyı atarak ideal çevrimde sabit basınç ve sıcaklık altında doymuş sıvı haline dönüşmesini sağlar. Kondenserler su soğutmalı, hava soğutmalı ve evaporatif kondenserler olmak üzere üçe ayrılır. 3.1. Hava Soğutmalı Kondenserler: Hava soğutmalı kondenserler kızgın buhar halindeki soğutucu akışkan üzerindeki fazla ısıyı almak için hava akımından yararlanır. Bu işlemin daha verimli bir şekilde yapılabilmesi için fanlardan yararlanılır. Özellikle 1 hp ye kadar kapasitedeki sistemlerde çok yaygın bir şekilde kullanılan bu sistemlerin tercih nedenleri; basit oluşu, kuruluş ve işletme masraflarının düşük oluşu, bakım ve tamirlerinin kolay olmasıdır. 3.3. Evaporatif Kondenserler: 3.2. Su Soğutmalı Kondenserler: Hava ve suyun soğutma etkisinden birlikte faydalanılması esasına dayanılarak yapılmışlardır. Evaporatif kondenserler üç ana kısımdan oluşur; soğutucu serpantin, su sirkülasyonu ve püskürtme sistemi, hava sirkülasyon sistemidir. Soğutma serpantinin içinden geçen soğutkan, hava soğutmalı kon- 4
derserde olduğu gibi yoğuşarak gaz deposuna geçer. Serpantinin dış yüzeyinden geçirilen hava, ters yönde gelen atomize haldeki suyun bir kısmını buharlaştırarak soğutma etkisi meydana getirir. Evaporatif kondenserler günümüzde bakım ve servis güçlükleri, çabuk kirlenmeleri, sık sık bozulmalarından dolayı çok fazla tercih edilmemektedirler. 4. GENLEŞME VALFİ (EKSPANSİYON VALFİ) Genleşme valfi soğutma sisteminin yük gereksinimine göre, soğutucu akışkanın akışını başlatan, durduran ve ayarlayan soğutma çevrimi kontrol ekipmanıdır. Genleşme valflerini genel olarak üç grupta toplayabiliriz; 4.1. Elektromanyetik genleşme valfleri: Günümüzde, bu tip genleşme valfleri yaygın olarak kullanılmaktadır. a) Isı-motor kontrollü b) Elektromanyetik modülasyonlu c) Darbe modülasyonlu d) Adım motor kontrollü 4.2. Sabit Basınçlı Genleşme Valfleri: Bu tip genleşme valfleri soğutma sistemlerinde ilk kullanılan genleşme valflerindendir. Sabit basınçlı genleşme valfleri evaporatöre girmesi gereken soğutucu akışkan miktarını, evaporatör veya valf çıkış göre belirler. 4.3. Termostatik Genleşme Valfleri: Bu tip valflerde, evaporatöre girmesi gereken soğutucu akışkan miktarı, evaporatörü terk eden soğutucu akışkanın kızgınlık derecesine göre belirlenir. 5. SOĞUTUCU AKIŞKANLAR: Bir soğutma çevriminde ısının bir ortamdan başka bir ortama gönderilmesinde ara madde olarak kullanılan soğutucu akışkanlar genelde ısı alışverişini sıvı halden buhar haline ve buhar halden sıvı haline dönüşerek sağlarlar. Bu durum özellikle buhar sıkıştırmalı çevrim için geçerlidir. Soğutucu akışkanların yukarıdaki görevleri yerine getirebilmesi, yani sistemin verimli ve emniyetli bir şekilde çalışabilmesi için bir takım fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olmaları gerekir. Genel olarak bu özellikler şunlardır: 1) Daha az enerji tüketimi ile daha çok soğutma elde edilebilmelidir. 2) Soğutucu akışkanın buharlaşma ısısı yüksek olmalıdır. 3) Evaporatörde basınç mümkün olduğu kadar yüksek olmalıdır 4) Yoğuşma basıncı düşük olmalıdır. 5) Viskozitesi düşük, yüzey gerilimi az olmalıdır. 6) Emniyetli ve güvenilir olmalı, nakli, depolanması, sisteme 7) Yağlama yağları ve soğutma devresindeki elemanlar ile zararlı sonuç verebilecek reaksiyonlara girmemelidir. 8) Soğutma devresinde bulunmaması gereken rutubet ile bulunması halinde bile çok zararlı reaksiyonlar meydana getirmemelidir. 9) Sistemden kaçması halinde yiyecek malzemelerine ve çevredeki insanlara zarar verecek bir etki yapmamalıdır. 10) Havaya karıştığında yanıcı ve patlayıcı bir ortam oluşturmamalıdır. 6. KILCAL BORU (KAPİLER) Yoğuşturucu ile buharlaştırıcı arasına yerleştirilmiş iç çapı ve uzunluğu soğutma sisteminin kapasitesine göre seçilmiş olup, çoğunlukla çapı 0.76 ile 2.16 mm arasında değişen çok küçük çaplı bir boru kısmıdır. İç çapı çok küçük olduğu için kılcal boru adı verilir. Esas itibariyle iki görevi vardır. 1) Kondenserden çıkan sıvı haldeki akışkanın basıncını düşürerek ve miktarını ölçerek (gerekli miktarda) evaporatöre ulaştırır. 2) Kompresör durduğu zaman alçak ve yüksek basınç devreleri arasında bir köprü vazifesi görerek yüksek basınç tarafındaki akışkanın alçak tarafına geçmesini sağlar. Bu suretle her iki devre basıncı birbirine eşit olur (Dengeleme olayı) ve kompresör tekrar kalkış yaparken büyük bir basınç yükü ile karşılaşmaz. Kapiler boru en iyi, yükün az çok sabit olduğu so- 5
ğutucular, dondurucular ve hatta konutlarda ilgili ve küçük, ticari iklimlendirme sistemlerinde kullanılır. Eğer, sistem geniş bir yük aralığında çalışması isteniyorsa; basınç düşürme ve soğutucu hacim kontrolünün daha uygun şekilde yapılması gerekir. Bu durumda önerilen cihaz, termostatik genleşme valfidir. 8. KURUTUCU VE SÜZGEÇ (DRAYER VE SÜZGEÇ) Soğutma sisteminin iç temizliğine bağlıdır. Sistemin içinde sadece kuru ve temiz soğutucu akışkan ile kuru ve temiz yağ dolaşmalıdır. Akışkanın içine gerek sisteme doldurmadan önce ve gerekse sistemin diğer elemanlarından bir miktar su karışabilir. Bu su kılcal borunun evaporatöre giriş yerinde donarak sistemi tıkar ve soğutmayı önler. İçindeki toz ve küçük parçacıklar da tıkama yapabilirler. Sistem içine su ve tozların girmesini önlemek hemen hemen mümkün değildir. Bunlardan başka soğutucu akışkan içinde bazı asitler de bulunabilir. 7. TERMOSTAT Soğutulacak hacim, soğutulacak akışkan veya evaporatör gibi kısımların sıcaklıkların belirli değerler arasında kalmasını temin gayesi ile kumanda kontrol cihazlarıdır. Termik genişleme valfinde olduğu gibi termostatın hasssa olan ucu (kuyruk) soğutma devresinin sıcaklığı kontrol edilecek kısmına tespit edilir. Ayar edilen sıcaklığa göre elektrik devresi açılıp kapanarak kompresörü tahrik eden elektrik motoruna veya magnetik valfe kumanda edilir. Termostat esas olarak hassas uç, kapiler boru ve esnek bükümlü borudan meydana gelmiştir. İstenen sıcaklık ayarına göre bir kutuplu değişken kontak üzerinden elektrik devreye kumanda yapılır. Hassas uçta sıcaklık yükselmesi ile kapiler boru ve esnek bükümlü boru üzerinden ona pim yay ile denge oluncaya kadar yukarıya hareket eder. Diferansiyel termostatları büyük ve küçük sıcaklıklar arasındaki farka göre elektrik devresini açar ve kapatır. Bu tip termostatlarda büyük sıcaklık ve küçük sıcaklıklar için iki ayrı hassas uç bulunur. Ayar diski ile istenilen sıcaklık farkı ayar edilir. Küçük ve büyük sıcaklık hassas uçlarının bulundukları ortam sıcaklıkları farkı azalınca ona pim geriye doğru hareket eder. Ayar edilen sıcaklık farkına erişilince kontak kolu üzerinden kontak sistemi devresi açılır. Sıcaklık, ayar edilen sıcaklık devresi açılır. Sıcaklık, ayar edilen sıcaklık devresi takriben 2 C yi geçince devre yine kapanır. Kondenser çıkışına konulan kurutucu ve süzgecin (drayer ve süzgeç) görevi su ve asitleri emerek tutmak küçük katı maddeleri de (toz vs.) süzmektir. Kurutucu ve süzgeç (drayer ve süzgeç) şu kısımlardan ibarettir. 1) Bakır borudan gövde, kondenser içindeki basıncı mukavim olarak yapılmıştır. Her iki ucunda boruların girebileceği delikler vardır. 2) Ufak katı maddeleri tutabilecek ince tülbent delikli tel boruya doğru gelecek şekilde takılır. 3) Nem emici madde özel surette yapılmış olan madde 4 5 mm emme özelliğinden başka soğutucu akışkan içinde bulunabilecek asitleri de emerek tutma özelliği de vardır. Kaynaklar: 1- Bir Soğutma Çevriminin Deneysel Olarak İncelenmesi - Emrah Karamanlı (Dokuz Eylül Üniversitesi Bitirme Tezi) 2- Thermodynamics: An Engineering Aproach Y.A Çengel, M.A Boles 3- MEGEP- Soğutma Sistemi Elamanları Ve Soğutucular 6
bunları biliyor musunuz? Termoelektrik (Peltier) Soğutma Sisteml Termoelektrik modül, elektriksel olarak seri bağlı, ısıl olarak paralel bağlı P ve N tipi yarı iletken malzemelerden oluşur. İçyapısı şekilde görülen modülün alt ve üst yüzeyi seramik kaplıdır. Seramik, ısıl olarak iletken, elektriksel olarak yalıtkan özellik sağlar. Seebeck devresiyle ısının dışarıya atılması (sistemin soğutulması) Termoelektrik modül, Peltier etkisi veya Seebeck etkisi ortaya çıkarabilecek şekilde çalıştırılabilir. Peltier etkisini gözlemek için termoelektrik modülün bağlantı uçlarına bir doğru gerilim uygulanır. Böylece yüzeylerden biri ısınırken diğeri soğur. Eğer ısınan taraftaki ısı devreden atılırsa, soğuyan taraftan sürekli olarak ısı çekilebilir. Seebeck etkisini gözlemek için harici bir ısı kaynağı yardımıyla modülün bir yüzeyi ısıtılır, diğer yüzeyi ise soğutulur. Yüzeyler arasındaki sıcaklık farkından dolayı modül elektrik üretmeye başlar. Günümüzde bilhassa küçük elektrik devrelerinin soğutulmasında pratik olarak kullanılan bu sistem, COP katsayısı standart soğutma makinasının verimine henüz ulaşmadığı için büyük sistemlerde pek kullanılmamaktadır. Bu sistemlerin tercih nedeni küçük boyutlarda kullanılabilmesi, sessiz çalışması ve güvenilirliğidir. Peltier sistemlerinin COP değerlerini arttırmak için yeni metal çiftleri üzerinde çalışmalar sürmektedir, bu çalışmalar sonucunda gelecekte standart soğutma çevriminin üzerinde COP değerlerinin yakalanması mümkün olabilecektir. Şekilde elektronik devreleri soğutmakta kullanılan bir Seebeck-peltier sistemi şematik olarak gösterilmiştir. Peltier soğutucuları bilhassa ufak alandaki soğutma ihtiyaçlarının giderilmesinde önem kazanmaktadır. Bilgisayar ve elektronik devrelerinin soğutulması, soğutmalı araç koltukları, küçük soğutucu üniteler (örneğin bira soğutucuları) gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Kaynaklar: 1. Soğutma Sistemlerinin Esasları - Dr. M. Turhan ÇO- BAN 2. Bilim ve Teknik Dergisi Mart 2007 7
bulmaca Kelimeler yukarıdan aşağıya, aşağıdan yukarıya, sağa-sola yatay şekilde bulunabilir. Aynı harf birden fazla kelimenin ortak harfi olabilir. KALAN HARFLERDEN OLUŞAN KELİMEYİ BULUNUZ 1. Soğutma çevrimindeki kurutucunun diğer adı 2. Kızgın, ısınmış olma durumu 3. Soğutma etkinlik katsayısı kıslatması 4. Isı değiştiricilerde, ısı transfer yüzeyini ve verimliliğini arttırmaya yarayan düz, delikli, tırtıllı, zikzak vs. şekillere sahip olan yardımcı eleman 5. Evaporatörde buharlaşan akışkanın kompresöre kolayca döndürülmesini sağlayan hat 6. Çeşitli akışkanların taşınmasında kullanılan, silindir biçimli, içi boş gereç. 7. Bulunduğu kabın biçimini alabilen ve üstü yatay bir düzlem durumuna gelebilen akışkan cisim 8. Kompresör vasıtası ile sıcak gaz halindeki akışkanı kondensere basan hat 9. Kompresörden gelen sıcak kızgın gazın ısısını alarak onun yoğunlaşmasını sağlayan eleman 10. Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketi yapan bir pistonla sıkıştırma işlemini yapan kompresör tipi 11. Bir akışkanı veya gazı, gereken basınca F Y Y Ü R E Y A R D L K O M P R E S Ö R A K Ğ S A M S A B K V E U B O R U N K I K I Ş K A N B T H L İ S T O N L U R E N U R U T U C U İ L I O P R I V I S F İ G S I U Ç E G Z Ü S Z I L C A L A S J E I N Ç U K A N A T L K göre sıkıştırmaya yarayan alet, sıkmaç. 12. Akışkan olan sıvı veya gazı süzmeye yarayan gözenekli madde, filtre. 13. Nemi, ısı veya hava akımıyla uzaklaştırıp içine konulan maddeleri kurutan alet. 14. Fiziksel bir olaya dayalı, belirli bir ölçü üzerine kurulmuş olan sıcaklık ve soğukluk derecesi. 15. Kendilerine özgü bir biçimleri olmayıp içinde bulundukları kabın biçimini alan (sıvı veya gaz) 16. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı arasına yerleştirilmiş iç çapı küçük olan boru. 17. Su, buhar, hava gıbı akışkanları kontrol etmeye yarayan araç. Önceki bulmacanın çözümü N E V A P O R A T İ F 1. EVAPORATİF 11. NEM O U N E N T A L P İ B 2. SİRKÜLASYON 12. SORPSİYON Y P L O S O R E A E U 3. ÇİĞ 13. ENTALPİ S E M T A N E M L M H 4. DESESİF 14. DRENAJ A D Ç D R E N A J A A 5. PEDLİ 15. AEROSOL L L İ P K A L T U M R 6. BUHAR 16. YOĞUŞMA Ü İ Ğ R D E S E S İ F 7. DOYMAMIŞ 17. SİLİKAJEL K Ş I M A M Y O D U O 8. SU R Y O Ğ U Ş M A N S E 9. ULTRASONİK Kelime: NEM ALMA İ S L E J A K İ L İ S 10. MUTLAK PROSESİ S O R P S İ Y O N İ K Hazırlayanlar Sefa BULUT HSK AR-GE Baş Mühendisi - Merve ÜNVEREN HSK AR-GE Mühendisi 8