0. BÖLÜM SOĞUTMA ÇEVRİMİ Ters Carnot Çevrimi Soğutma; çevre sıcaklığından daha düşük sıcaklıktaki ortamlar elde etmek ve bu düşük sıcaklığı muhafaza etmek amacıyla gerçekleştirilen işlemler topluluğundan meydana gelen bir çevrimdir. Bu çevrimin gerçekleşebilmesi için ısı enerjisinin sıcaklığı düşük bir ortamdan, sıcaklığı daha yüksek bir ortama doğru akması gerekir. Bilindiği üzere Clausius un Termodinamiğin II Kanunu ile ilgili ifadesine uygun olarak; işlemler topluluğundan meydana gelen herhangi bir çevrimde, çevrim dışarıdan bir güç almadan düşük sıcaklıktaki bir kaynaktan ısı alarak, daha yüksek sıcaklıktaki bir diğer kaynağa ısı veremez ve dolayısıyla soğutma olayının gerçekleşebilmesi için çevrim dışarıdan ek bir güce gereksinim duyar. İdeal şartlarda soğutma çevrimini en iyi özetleyen çevrim ters Carnot çevrimidir. T-s diyagramı Şekil de verilen bu çevrimde ; - arasında düşük T sıcaklığındaki kaynaktan Q ısısı alınmakta, - arasında adyabatik sıkıştırma yapılmakta, -4 arasında T den daha yüksek sıcaklıktaki T sıcaklığındaki kaynağa Q ısısı verilmekte ve 4- arasında adyabatik genişleme ile sıcaklık tekrar T e düşürülmektedir. T(K) Doymuş sıvı eğrisi Doymuş buhar eğrisi 4 Aşırı Soğutulmuç Bölgesi Q Q Sıvı-Buhar Karışım Bölgesi Kızgın Byhar Bölgesi s(kj/kgk) Şekil 0.. Ters Carnot çevriminin T-s diyagramı. Soğutma sistemlerinde devrede dolaşan akışkanlar soğutucu akışkan olarak adlandırılmakta olup, bu akışkanların pratik olarak çalışılabilir basınçlarda faz değişim sıcaklıklarının düşük olması şartı aranır. Bu gereklilik haricinde soğutucu akışkanlarda; yağlama yağıyla uyum içinde bulunması, özgül hacmi küçük olması, yanıcı, patlayıcı ve zehirli olmaması, malzemelere karşı korozif özelliği olmaması, devre dışı kaçakların kolayca tespitine olanak sağlaması, ucuz ve kolay temin edilebilir olması ve çalışma ömrünün uzun ve kararlı olması gibi temel şartları sağlaması istenir. Günümüzde bu şartların birçoğunu sağlamaları nedeniyle; NH (amonyak), SO (kükürtdioksit), Freon serileri, CO - 64 -
(karbondioksit), CH CI (metilalkol), C H 5 CI (etil klorür), C H 6 (etan) ve (CH ) CH (izo bütan) gibi soğutucu akışkanlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Soğutulacak ortam göz önünde bulundurularak geliştirilmiş bir çok soğutma devresi bulunmaktadır. Bunların en yaygın olanları; Ejektörlü soğutma sistemi, Hava akışkanlı soğutma sistemi, Absorbsiyonlu soğutma sistemi ve Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimleridir. Bu bölümde, mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerine yönelik (çalışma prensibi, termodinamik analiz, sistem temel ve ara elemanları) detaylı bilgi verilmiştir. Ters Rankine Çevrimi Uygulamada en çok rastlanan soğutma çevrimi mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. T-s diyagramı Şekil. de görülen ters Carnot çevriminin pratikte uygulanmasını olanaksız kılan önemli sorunlar ( noktasındaki yaş buhar fazındaki akışkanın sirkülasyonu ve 4- arasındaki s=sabit şartlarındaki basınç düşümü) nedeniyle mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde ideal buhar sıkıştırmalı soğutma veya ters Rankine çevrimi olarak bilinen bir termodinamik çevrim kullanılır. Bu çevrimin temel elemanlarını içeren şematik şekil ve çevrimin T-s diyagramı Şekil de verilmiştir. T(K) Kondenser Genleşme Valfi Komplesör 4 s(kj/kgk) Evaporatör Şekil 0.. İdeal Rankine soğutma çevrimi ve mekanik buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin temel elemanları. Şekilden görüleceği üzere, çevrim boyunca şu işlemler gerçekleşir: Kompresörde; (- durum değişimleri arasında) izentropik sıkıştırma Kondenserde; (- durum değişimleri arasında) sabit basınçta ısı transferi Genleşme valfında; ( -4 durum değişimleri arasında) sabit entalpide genişleme Evaporatörde; (4- durum değişimleri arasında) sabit basınçta ısı transferi Mekanik Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Çalışma Prensibi Şekil de görüleceği üzere mekanik sıkıştırmalı soğutma sistemi kompresör, kondenser, genişleme valfı ve evaporatör olmak üzere dört ana elemandan meydana gelmektedir. Kompresörün basmış olduğu yüksek basınçlı, kızgın buhar fazındaki soğutucu akışkan kondenserde yoğuşur. Diyagramlardan da görüleceği üzere - durum değişimleri arasında, yanı kondenser boyunca ilk önce kızgın buhar halindeki akışkanın kızgınlığı alınmakta daha sonra ise sabit sıcaklıkta yoğuşma meydana gelmektedir. Kondenserden çıkan - 65 -
yoğuşmuş, yüksek basındaki akışkan genişleme valfinde genişleme işlemine uğrayarak basıncı evaporatör basıncına indirgenir. P-h diyagramında görüldüğü gibi ideal şartlarda -4 durum değişimleri arasında, yanı genişleme valfınde entalpi sabit olup değişmemektedir. 4- durum değişimleri arasında ise evaporatöre sıvı fazda giren akışkan, soğutulacak ortamdan ısı alarak sabit basınç ve sıcaklıkta buharlaşır. - durum değişimleri arasında ise kompresör elektrik motorundan aldığı hareketle, evaporatör basıncında bulunan soğutucu akışkanı kondenser basıncına ulaşacak şekilde sıkıştırır ve soğutma çevrimi böylece tamamlanmış olur. Gerçek çalışma şartlarında ise durum Şekil den görüleceği üzere daha farklıdır. Örneğin, -4 arasındaki genişleme sabit entalpide ve - arasındaki sabit entropide gerçekleşemez. P(kPa) T(K) ' ' ' ' 4' 4 ' 4 4' ' h(kj/kg) s(kj/kgk) Şekil 0.. Gerçek çalışma koşullarının ideal çevrime ait P-h ve T-s diyagramları üzerinde oluştursuğu sapmalar. Mekanik Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Elemanlarının İrdelenmesi i) Temel elemanlar Kompresör: Sıkıştırmalı soğutma makinalarının en önemli elemanları olan kompresör, konstrüksiyon detayları kullanılan soğutucunun cinsine göre değişen ve temel gayesi, evaporatör basıncındaki soğutucu akışkanı emerek daha yüksek basınçtaki kondensere göndermek olan bir gaz pompasıdır. Kompresörün mekanik ve volumetrik veriminin tesisin ekonomisi üzerinde etkisinin büyük olması dolayısıyla soğutma tesisinin cinsine ve büyüklüğüne göre çeşitli kompresörler geliştirilmiş olup başlıca 5 ana grupta toplanabilirler. (a) Pistonlu Kompresörler (b) Rotatif Kompresörler (c) Hermetik kompresörler (e) Vidalı Kompresörler (d) Türbo Kompresörler Kondenser (Yoğuşturucu) : Kondenserin bir soğutma sistemindeki görevi, kompresörde sıkıştırılmak suretiyle yüksek basınca çıkarılmış olan sıcak gazın soğutularak yoğuşturulmasıdır. Bir soğutma sisteminde temelde evaporatörde çekilen ısı ile kompresör tarafından akışkana kazandırılan toplam ısı kondenserde dışarı atılır. Tüm kondenserlerin görevi aynı olmakla beraber bunların değişik tipleri vardır. Bunları başlıca üç grupta toplamak mümkündür. - 66 -
(a) Su ile soğutulan kondenserler (b) Evaporatif Kondenserler (c) Hava ile soğutulan kondenserler Genişleme Valfı : Genleşme valfı, kondenserden yüksek basınçda çıkan soğutucu akışkanı, arzu edilen evaporatör basıncına düşürmeye yarayan kısma elemandır. İdeal şartlarda bu elemanda gerçekleşen basınç düşürme işlemi boyunca entalpinin sabit olduğu kabul edilir. Genleşme valfı olarak küçük sitemlerde kılcal borular bu görevi yapmakla birlikte, daha büyük sistemlerde el ayar valfı, otomatik genişleme valfı ve termik genişleme valfı gibi elemanlar kullanılmaktadır. Evaporatör (Buharlaştırıcı) : Temelde bir ısı değiştirgeci olan evaporatörler, genişleme valfinde basıncı düşürülmüş olan soğutucu akışkanın buharlaştırılarak, çevre sıcaklığından daha düşük sıcaklıktaki mahallerin elde edildiği kısımlardır. Soğutucu akışkanın cinsine bağlı olarak çeşitli malzemelerden yapılmalarıyla birlikte genelde yapımlarında bakır ve çelik borular kullanılır. Soğutulan ortamın hava, su veya hava su karışımı olmasına bağlı olarak çeşitli tipleri geliştirilmiş olup konstrüksiyon açısından iki sınıfta değerlendirilebilir. (a) Hava Soğutulmasında kullanılan evaporatörler (b) Sıvıların soğutulmasında kullanılan evaporatörler ii) Yardımcı elemanlar Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimler birkaç yönüyle ideal buhar sıkıştırmalı çevrimden farklıdır. Örneğin soğutucu akışkanın doymuş buhar olarak kompresöre girişini temin etmek pek mümkün değildir veya kompresördeki sürtünme ve ısı hareketlerinden dolayı kompresördeki sıkıştırma sabit entropide gerçekleşemez. Gerçek ve ideal çevrimlerin üzerinde karşılaştırılabileceği Şekil deki diyagramdan da görülebilecek tersinmezlikleri minimize etmek ve sistemin oto kontrolünü temin etmek amacıyla soğutma makinalarında ara elemanlar kullanılır. Aşağıda tanımlanan elemanlar, fonksiyonları ve işlevlerinin önemi açısından soğutma sistemlerinde daha sık kullanılırlar. Ancak mevcut ara elemanların tümünü teşkil etmezler. Ara soğutucular: Kompresörde sıkıştırma sonu sıcaklığı sıkıştırma oranına bağlı olarak değişmektedir. Sıkıştırma sonu sıcaklığının yüksek olması volumetrik verimi düşürerek kompresörün yeteri kadar soğutucu gaz pompalamasını engeller. Bunu önlemek amacıyla kademeli sıkıştırma yapılarak, soğutucu gaz ara soğutucuda soğutularak sıcaklığı düşürülür. Ara soğutucu olarak kullanılan akışkan, devrede kullanılan akışkan olabileceği gibi, farklı bir akışkanın kullanılması da mümkündür. Evaporatör basınç regülatörü: Evaporatör çıkışında emme hattına bağlanan evaporatör basınç regülatörün işlevi, evaporatör basıncını sabit tutulmasını temin etmektir. Isı değiştirgeci: Isı değiştirgecinin görevi; evaporatörden çıkan soğutucu akışkanın kompresöre daha yüksek bir sıcaklıkta emilmesini sağlayarak, bir gaz pompası olan kompresöre soğutucu akışkanın bir miktarının sıvı fazda geçme ihtimalini ortadan kardırmak ve dolayısıyla kompresörün olası performans düşüşünü minimize etmektir. Yağ ayırıcılar: Soğutucu akışkana kompresör çıkısında muhtemel olarak karışacak olan yağ; sistemi kirleteceğinden, kontrol ve ayar cihazlarını bozacağından ve kondenser ile evaporatörde ısı geçişini güçleştireceğinden, soğutma sistemlerinde yağ ayırıcıları kullanılır. Yağ ayırıcılarının, soğutucu akışkanla sürüklenen yağın kompresör çıkışında hemen soğutucu akışkandan ayrılması ve ayrılan yağın tekrar kompresör karterine dönmesi olmak üzere iki işlevi vardır. - 67 -
Nem tutucular: Soğutma devreleri kapalı çalışan devreler olmalarına rağmen sisteme çeşitli yollarla giren havanın içindeki suyun buzlanmasını önlemek amacıyla kondenserden hemen sonra devreye genellikle seri olarak nem tutucular konulmaktadır. Bu elemanlarda nem tutucu olarak siliko-jel, kalsiyum sülfat, kalsiyum klorür, baryum oksit gibi kimyasal maddeler kullanılmaktadır. iii) Kontrol elemanları Termostat: Soğutulacak hacim, soğutulacak akışkan veya evaporatör gibi kısımların sıcaklıklarını belirli değerler arasında kalmasını temin etmek amacıyla kullanılan cihazlardır Mağnetik valflar: Otomatik genişleme valfı ile termik genişleme valfı gibi çeşitleri bulunan bu valflar, soğutucu akışkanın sistem içerisinde yol almasını kumanda ederler. Soğutucu akışkanın dolaştığı boruda bulunan valfın açılıp kapanması elektromanyetik yolla sağlanır. Presostat: Presostatlar, evaporatör basıncına göre soğutma devresini kumanda eden kontrol cihazlarıdır. Presostatları yüksek basınç presostatları ve normal basınç presostatları olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür. Normal basınç presostatı, kompresörün emme kısmına monte edilir ve devreyi basınç düşünce açar, basınç yükselince kapatır. Yüksek basınç presostatı ise, kompresör ile kondenser arasına konur. Kondenser basıncı yükselince elektrik devresi açılır ve kompresör çalışmaz. Çek valflar: Sistem içerisindeki bağlantı elemanları içerisindeki akışın tek yönlü akmasını temin eden valflardır. Mekanik Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Termodinamik Analizi Çevrim boyunca gerçekleşen bu işlemlerin termodinamik analizini yapabilmek amacıyla, kontrol hacmi için geçerli Termodinamiğin I. Kanununu veren, E gir E çık = E sist dq-dw=dh +dke+dpe denklemi kullanılarak aşağıda verilen denklemlere ulaşılabilir. (a) Kompresörde gerçekleşen işlem; dq=dke=dpe=0 kabulu yapıldığından W komp =h h (b) Kondenserde gerçekleşen işlem; dw= dke=dpe=0 kabulu yapıldığından Q konder =h h (c) Genleşme valfında gerçekleşen işlem: dw=dq= dke=dpe=0 kabulu yapıldığından h =h 4 yanı entalpi bu işlem boyunca sabit kalmaktadır. (d) Evaporatörde gerçekleşen işlem: dw= dke=dpe=0 kabulu yapıldığından Q evapo =h h 4 Soğutma sistemin etkinlik katsayısı ise: - 68 -
Q COP = W evapo komp = h h4 h h İdeal şartlarda soğutma makinalarının termodinamik analizlerinde Termodinamiğin I. Kanunu nun matematiksel ifadesi yeterli iken, gerçek çalışma şartlarında işlemler boyunca meydana gelen tersinmezlikler nedeniyle, analize termodinamiğin II. kanununda analize dahil edilmesi gerekir. Örneğin yukarıda bahsedildiği üzere, ideal şartlarda kompresör boyunca tersinir adyabatik yanı izentropik bir işlemin meydana geldiği varsayılır. Ancak, gerçekte işlem adyabatik olmadığından, yanı işlem boyunca bir ısı transfer söz konusu olduğundan, Q = T 0 (s -s ) ısı kaybını dikkate alınması gerekmektedir. Bu durumda kompresörde tüketilen gücün, -W =h h T 0 (s s ) denklemi ile hesaplanması gerekmektedir. - 69 -