GİRİŞ Bu çalışma kapsamında, ülkemizde de yoğun kullanım alanına sahip klima sistemleri çeşitli özellikleri bakımından incelenmiştir. Klima sistemleri ülkemizde endüstriyel uygulamalarda ve konfor amaçlı uygulamalarda kullanım alanı bulmaktadırlar. Bu kadar yoğun kullanım alanına sahip sistemlerin doğru olarak seçilmeleri ve işletilmeleri hem hizmet edecekleri amacı gerçekleştirebilmeleri açısından hem de tüm dünyada ve ülkemizde giderek önem kazanan enerji harcamaları açısından son derece önem taşımaktadır. Hatalı olarak seçilen sistemler kendilerinden beklenen fonksiyonu yerine getirememekte yada çalışma ömürleri boyunca gereğinden fazla enerji tüketmektedirler. Klima sistemlerinin doğru olarak seçilebilmeleri klima sistemlerinin kendi içlerindeki farklarının tam olarak bilinmesiyle mümkün olacaktır. Bu amaçla bu çalışma kapsamında klima sistemleri çalışma şekilleri bakımından incelenmiş ve karşılaştırma kriterleri ortaya konarak bu kriterlerden bir kısmı seçilerek sistemlerin birbirine göre olan farkları ortaya konmuştur. Ayrıca bu çalışma kapsamında klima sistemlerinin çalışma prensipleri, klima sistemlerini oluşturan cihazlar ve bu cihazların bileşenleri, kullanılan soğutucu akışkanlar, bu akışkanların çevreye etkileri ve kullanımlarının azaltılabilmesi için dünyada uygulanan çalışmalar incelenmiştir. Seçilen örnek mahal için ısıtma ve soğutma yükleri hesaplanmış ve incelenen kriterler göz önünde bulundurularak bu mahal için en uygun klima sistemi seçilmiştir. Klima sistem seçim kriterlerinin en önemlilerinden biri olan maliyet kriteri, farklı klima sistemleri için yıllık eşdeğer maliyet metodu yardımıyla ilk yatırım, işletme maliyeti ve ekonomik ömür gibi kriterler bir araya getirilerek irdelenmiştir. Klima sistemlerinin ülkemiz şartlarında ekonomik olarak hangi konumda bulundukları seçilen bir mahal üzerinde ısıtma özelliklerinin diğer konvansiyonel sistemler ile kıyaslanması yoluyla yapılmıştır. Bu ekonomik analiz gerçekleştirilmeden önce ülkemizin enerji durumu özetlenmeye çalışılmıştır.
BÖLÜM1. SOĞUTMA TEKNİĞİ 1.1 Soğutma Makinaları ve Isı Pompaları Isı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen bir gerçektir, başka bir deyişle, ısı geçişi yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal bir olgudur, kendiliğinden gerçekleşir. Bu olgunun tersi kendiliğinden gerçekleşemez. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi dışarıdan enerji verilmesi yoluyla gerçekleşir. Dışarından enerji verilmesi suretiyle düşük sıcaklıklı bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı aktaran makineler soğutma makineleri ve ısı pompalarıdır. Soğutma makineleri de ısı makineleri gibi bir çevrimi esas alarak çalışır. Bir soğutma çevriminde kullanılan aracı akışkana soğutucu akışkan adı verilir. En yaygın olarak kullanılan soğutma çevrimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Böyle bir çevrim aşağıdaki şekilde gösterilen dört ana elemandan oluşur; kompresör, yoğuşturucu, kısılma vanası ve buharlaştırıcı. Şekil 1.1 : Soğutma Çevrimi Soğutucu akışkan kompresöre buhar olarak girer ve burada yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Kompresör çıkışında kızgın buhar halinde olan akışkan, yoğuşturucuda çevre ortama ısı vererek soğur ve yoğuşur. Akışkan yoğuşturucudan sonra kılcal borulara girer ve kısılma etkisiyle basıncı ve sıcaklığı büyük ölçüde azalır. Soğutucu akışkan daha sonra buharlaştırıcıda soğutulan ortamdan ısı alarak buharlaşır. Çevrim, buharlaştırıcıdan çıkan akışkanın kompresöre girmesiyle tamamlanır.
Şekil 1.1 de bir soğutma makinesinin genel çizimi görülmektedir. Burada Q L, T L sıcaklığındaki soğutulan ortamdan çekilen ısıyı göstermektedir. Q H ise T H sıcaklığındaki ılık ortama verilen ısıyı göstermektedir. W net,giren soğutma makinesine giren net iştir. Bir soğutma makinesinin verimi etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COP SM ile gösterilir. Soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan ısı çekmektir (Q L ). Bu amacı gerçekleştirmek için bir iş yapılması gerekir (W net,giren ). Bu durumda soğutma makinesinin etkinlik katsayısı aşağıdaki gibi ifade edilebilir. COP SM = (Elde edilmek istenen ısı yükü / harcanması gereken iş) = Q L / W net,giren 1.1 Bir çevrim için enerjinin korunumu ilkesi; W net,giren = Q H Q L 1.2 Olduğundan soğutma makinesinin etkinlik katsayısı; COP SM = Q L / (Q H QL) = 1 / (Q H / Q L 1) 1.3 Şeklinde yazılabilir. COP SM değeri birden büyük olabilir. Başka bir deyişle; soğutulan ortamdan çekilen ısı, bunun sağlaması için yapılması gereken işten daha büyük olabilir. Oysa ısıl verimin birden büyük olması söz konusu olamaz. Soğutma makinesinin etkinliğini ısıl verim yerine etkinlik katsayısıyla belirtmenin gerekçesi, ısıl verimin birden küçük olma zorunluluğundan kaynaklanmaktadır. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı enerjisi aktaran bir başka makinede ısı pompasıdır. Soğutma makineleri ve ısı pompaları aynı çevrimi gerçekleştirirler, fakat kullanım amaçları farklıdır. Bir soğutma makinesinin amacı düşük sıcaklıktaki ortamı, ortamdan ısı çekerek çevre sıcaklığının altında tutmaktır. Daha sonra çevreye veya yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi çevrimi tamamlamak için yapılması gereken bir işlemdir fakat amaç değildir. Isı pompasının amacı ise bir ortamı sıcak tutmaktır. Bu işlevi yerine getirmek için düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan alınan ısı, ısıtılmak istenen ortama verilir. Düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposu genellikle soğuk çevre havası, kuyu suyu veya toprak, ısıtılmak istenen ortam ise bir evin içidir.
Isı pompasının etkinliği de etkinlik katsayısı, COP IM ile ifade edilir. COP IM = elde edilmek istenen ısı yükü / harcanması gereken iş = Q H / W net,,giren 1.4 COP IM = Q H / (Q H Q L ) = 1 / (1- Q L / Q H ) 1.5 1.4 ve 1.6 numaralı denklemler karşılaştırıldığı zaman; QH ve QL değerleri her iki çevrimde de eşit olmak koşuluyla aşağıdaki sonuç elde edilir. COP IM = COP SM + 1 1.6 Bu sonuç ısı pompasının etkinlik katsayısının her zaman birden büyük olduğunu göstermektedir, çünkü COP SM her zaman artı değere sahiptir. Başka bir deyişle, en kötü durumda bile ısı pompası bir elektrikli ısıtıcı gibi çalışacak, tükettiği kadar elektrik enerjisini ortama ısı olarak aktaracaktır. Gerçek uygulamalarda Q H ın bir bölümü borulardan dış havaya geçer ve COP IP, dış hava sıcaklığı çok düşük olduğu zaman 1 in altına da inebilir. Bu durum gerçekleştiğinde sistem, elektrikli ısıtıcı olarak çalışır. Bugün kullanılan ısı pompalarının mevsimlik ortalama COP değerleri 2 ile3 arasındadır.
1.2 Klima Cihazları Klima cihazları tükettikleri enerjinin 3 ila 4 katı oranında ısıtma yada soğutma yükü karşılayabilmektedirler. Bu cihazlarda kullanılan enerji genellikle elektrik enerjisidir. Etkinlik katsayısı cihazın çalıştığı koşullara bağlı olarak değişebilmektedir. Klima cihazlarına kullanılan enerji elektrik enerjisi olduğu için fosil yakıtların kullanımı söz konusu değildir. Bu cihazlar çalışmaları sırasında bulundukları ortama gaz emisyonu vermezler. Dolayısıyla klima cihazları atmosfere, sera etkisi yaratan karbondioksit gazı vermezler. Klima cihazlarında kullanılan akışkanlar atmosfere salındıklarında ozon tabakası üzerinde etkilidirler, kullanılan akışkanların cinsi ozon abakası üzerindeki etkileri ve elimine etme yöntemleri ileri bölümlerde detaylı olarak incelenecektir. Klima cihazlarının çeşitlerine göre farklı fiziksel avantajları söz konusu olabilir. Bu cihazlar; sessiz çalışırlar, kaza sonucu zarar yaratma riskleri düşüktür, bir çok alana kolayca adapte edilebilirler, montaj işlemleri kolaydır, çalıştırılmaları kolaydır. İşletme maliyetleri alternatif bir çok ısıtma sistemlerine göre bulundukları bölgenin ekonomik şartlarına bağlı olmakla birlikte daha düşüktür. İlk yatırım maliyetleri diğer alternatif ısıtma sistemlerine kıyasla daha yüksek olabilmekte fakat çalışma ömrü dikkate alındığında klima cihazları ile ısıtma yapmak fosil yakıt kullanan yada elektrik enerjisini direkt olarak ısı enerjisine dönüştüren cihazlarla kıyaslandığında daha düşük olabilmektedir. Klima cihazları soğutma ve ısıtma özelliğini tek cihaz üzerinde barındırabilmektedir. Günümüzde klima cihazları yazın soğutma amaçlı, kışın da ısı pompası olarak çalışmaya imkan sağlayacak donanımlara sahiptirler. Yurt dışında klima cihazlarının ne şekilde değerlendirildiklerine önek olarak Amerika Birleşik Devletlerinde kullanılan Enerji Etkinlik Oranı (EER) verilebilir. ERR tüketilen her Wh elektrik enerjisi için soğutulan ortamdan Btu olarak çekilen ısıl enerjidir. EER = 3,412COP dir.
Klima cihazlarının EER değerleri çoğunlukla 8 ile 12 arasındadır. Bu değer COP olarak 2.3 ile 3.5 arasındadır. Son yıllarda geliştirilen, pistonlu ve değişken devirli kompresör kullanan bir ısı pompasının etkinlik katsayısı, ısıtma düzeninde 3.3 soğutma düzeninde ise 5 olabilmektedir. Değişken devirli kompresörler ve fanlar değişen ısıtma/soğutma yüklerine ve dış hava koşullarına göre, en etkin çalışacak biçimde bir mikro işlemci tarafından yönetilir. Örneğin, soğutma düzenindeyken sıcak günlerde hızlı, daha serin günlerde düşük devirde çalışarak hem konfor hem de verimlilik açısından istenen düzeyi sağlarlar. 1.3 Klima Cihazlarının Kullanım Alanları Konfor amaçlı uygulamalar; A) Konutlar (ev apartman villa) B) İş yerleri (mağaza dükkanlar pastahaneler lokantalar eğlence yerleri) C) Halka hizmet veren bürolar (PTT bankalar havaalanı yolcu salonları devlet daireleri) D) Gösteri merkezleri (Sinema tiyatro) E) Okullar F) Sağlık hizmetleri veren kurum ve kuruluşlar G) Toplu taşıma araçları (otobüs tren uçak gemi) H) Otel ve moteller Hassas cihaz ve makinaların kullanıldığı alanlar; A) Labaratuarlar B) Makine ve cihaz test odaları C) Ameliyathaneler D) Hassas alet imalat ve kalibrasyon test odaları Endüstriyel uygulamaların yapıldığı yerler; A) Zirai maddelerin kurutulması ve depolanması
B) Matbaa ve basım işlerinin yapıldığı yerler C) Canlı hayvanların yetiştirildiği yerler D) Seralar E) Mantar çiftlikleri Klima Cihazlarında Kullanılan Ekipmanlar; 1) KOMPRESÖR; sistemde soğutucu akışkanın sirkülasyonunu sağlayan ana elemandır. 2) YOĞUŞTURUCU (KONDENSER); gaz halindeki soğutucu akışkanın sıvı hale geldiği ünitedir. 3) KURUTUCU (DRIER); sisteme zarar verebilecek partikülleri, nemi üzerinde tutan elemandır. 4) GENİŞLEME VANASI (EXPANSION VALVE); sistemde iş yapan akışkanın basıncını ve sıcaklığını buharlaştırıcı (evaparatör) giriş şartlarına getiren devre elemanıdır. 5) BUHARLAŞTIRICI (EVAPARATOR); soğutulacak ortam içerisindeki ısıyı toplayarak soğutmayı sağlayan elemandır. 6) SOĞUTUCU AKIŞKAN; ısının bir ortamdan diğerine taşınabilmesi için bir ısı taşıyıcısına ihtiyaç vardır. Sistemin emniyeti bakımından yanıcı olmayan, patlamayan, zehirsiz, renksiz ve kokusuz bir akışkan tercih edilir. Aynı zamanda sistemdeki madeni parçaların zarar görmemesi için akışkanın aşındırıcı ve paslandırıcı olmaması gerekir. 7) FAN; evaparatör ve kondenser üzerindeki hava akışını sağlamak için kullanılır. 8) FAN MOTORU; fan hareketini sağlayan elektrik motorudur. 9) FİLTRE; oda içerisinde toz ve partikülleri tutarak, klima cihazının iç ünitesinin kirlenmesini önler. Bu filtrelerin kolay sökülür takılabilir olması istenir. 10) DİFÜZÖR; iklimlendirilmiş havayı odanın her tarafına eşit miktarda dağılımını sağlayan elemandır. 1.4 Klima Cihazlarının Kendi İçlerinde Sınıflandırılması Bu bölümde istenilen mekanların klimatize edilebilmesi amacıyla yararlanılan cihazlar kendi içinde sınıflandırılmıştır. Sınıflandırma sadece cihaz tipleri dikkate alınarak yapılmıştır. Klima cihazlarının bir kısmı (pencere tipi klima cihazları yada duvar tipi klima cihazlarında
olduğu gibi) ısıtma yada soğutma işlemini tek başlarına yerine getirebilmekte iken bir kısmı ise bir sistemin parçası olarak söz konusu işlevleri gerçekleştirmektedirler (tam havalı yada tam sulu sistemlerde olduğu gibi). Klima cihazlarını da içine alan bu sistemler Bölüm 3 te incelenecektir. Pencere tipi klima cihazları Görünüş itibariyle mono blok olan bu tip klima cihazları tesis edileceği yerin durumuna göre pencereyi veya duvarı delmek suretiyle duvara monte edilir. Çalışma halinde cihaz mono blok olduğu için sesi split tip klima cihazlarına göre daha fazladır. Tüketici tarafından tercih sebebi de diğer klima cihazlarına göre fiyatlarının daha düşük olması, montaj kolaylığı ve fazla yer işgal etmemesidir. Pencere tipi klima cihazları sadece soğutma amaçlı ve ısıtma ve soğutma amaçlı olmak üzere iki grupta toplanabilir. Sadece soğutma amaçlı klima cihazları kullanıldıkları ortamı sadece soğutmak ve havalandırmak amacıyla kullanılır. Isıtma ve soğutma amaçlı klima cihazlarında ısıtma işlemi iki şekilde yapılabilir. İlk yöntemde; klima cihazının elektrik donanımında bir elektrikli ısıtıcı vardır. Bu elektrikli ısıtıcıdaki sıcaklık klima cihazının radyal fanı vasıtası ile kullanıldığı ortama dağıtılır. İkinci yöntemde ise; ısı pompası ile ısıtma işlemi yapılır. Cihazın gaz devresinde dört yollu vana vardır. Bu vana ile sistemde dolaştırılan soğutucu akışkanın yönü değiştirilir ve sistem ters çalışır. Bu durumda yoğuşturucu (kondenser) buharlaştırıcı (evaparatör), buharlaştırıcıda yoğuşturucu olarak çalışır. Dış ortamdan alınan sıcaklık cihazın çalıştığı ortama verilir. Split tip klima cihazları Split tip klima cihazları konforun daha üst düzeyde istendiği ortamlarda kullanılmak üzere geliştirilen cihazlardır. Bu cihazlarda cihazın çalıştığı ortamda ses şiddetini minimum düzeyde tutmak için kompresörün bulunduğu kısım ve yoğuşturucu ayrı bir ünite olarak tasarlanıp geliştirilmiştir. Kompresör ve yoğuşturucu fanı cihazın çalıştığı ana ortam dışında olduğu için bu ses cihazın kullanıldığı iç ortama yansımaz. Split tip klima cihazları montajının yapılacağı yerin durumuna göre 6 sınıfta üretilirler.
Duvar tipi split klima cihazları Bu tip klima cihazlarında iç ünite odanın duvarına monte edilir. Yer tipi split klima cihazları Cihazın iç ünitesinin duvara monte edilemediği durumlarda veya cihazın duvarda gözükmesi istenmediği koşullar için geliştirilmiş bir cihazdır. Tavan tipi split klima cihazları Cihazın montaj yeri olarak duvar ve yer uygun değilse bu gibi durumlarda tercih edilen split klima cihazlarıdır. Salon tipi split klima cihazları Cihazın iç ünitesinin her koşulda duvara, yere ve tavana monte edilemediği koşullarda tercih edilen cihaz tipidir. Daha çok show-room gibi gösterimin önemli olduğu iş ve istirahat yerlerinde kullanılır. Kaset tipi (asma tavan) split klima cihazları Bu tip klima cihazlarında cihazın iç ünitesi asma tavan içerisine gizlidir. Tavanda görünen sadece cihazın dekoratif panelidir. Tercih sebebi, iç ortamdaki yüksekliğin fazla olduğu yerlerde dört yönden homojen bir şekilde havayı sirküle edebilen şık görünümlü bir cihaz olmasıdır. Kanallı tip split klima cihazları Cihazın iç ünitesi eğer çalışacağı ortama monte edilemiyorsa bu ünite bina içine veya hava akımına karşı muhafazalı başka bir yere monte edilir ve iklimlendirilen hava kanallar vasıtasıyla ortamda sirküle edilir. İklimlendirilen ortamda cihazlar fiilen gözükmez, ortamda sadece hava menfezleri gözükür.
Paket tipi klima cihazları Bu tip klima cihazları merkezi sistem ısıtma ve soğutma amaçlıdır. Bu cihazlar çalışma prensibi olarak iç ortamdan bir kanal vasıtasıyla aldıkları havayı taze hava ile karıştırdıktan sonra iklimlendirerek tekrar bir kanal vasıtasıyla iç ortama verirler. Görüntü olarak pencere tipi klima cihazları gibi mono blok bir fiziki görüntüden oluştururlar. Portatif tip klima cihazları Bu tip cihazlar bağımsız olarak ortam içerisinde her yerde kullanılabilirler. Portatif oldukları için montaj gerektirmeden bir yerden başka bir yere taşınıp kolayca kullanılabilirler. 1.5 Klima Cihazlarında Kullanılan Soğutucu Akışkanlar Klima cihazlarında kullanılan soğutucu akışkanların ticari ve kimyasal isimleri aşağıda bir araya getirilmiştir. TİCARİ İSİM KİMYASAL İSİM CFC-12 yada R-12 Dichlorodifluoromethane CFC-11 yada R-11 Trichlorofluoromethane HCFC-22 yada r-22 Chlorodifluoromethane CFC-113 yada R-113 Trichlorotrilluoroethane Halocarbon 14 Tetrafluoromethane CFC-115 yada R-115 Monochloropentafluoroethane CFC-13 yada R-13 Chlorotriflıoromethane CFC-500 yada R-500 Dichlorodifluoromethane / Difluoroethane CF-502 yada R-502 Chlorodifluoromethane /Chloropentafluoroethane CFC-503 yada R-503 Chlorotrifluoromethane / Triluoromethane R-134a Tetrafluoroethane R-123 Dichlorotrifluoroethane Kloroflorokarbon soğutucu gazlar 1930 lu yılların başında soğutma sistemlerinde kullanılan sülfürdioksit ve amonyak gibi zararlı gazların yerine alternatif yaratmak isteyen
General Motors mühendisleri tarafından bulunmuştur. Kloroflorokarbon ların bulunuşundan sonra kullanımları çok hızlı bir biçimde artmıştır. Bu gazların kullanım alanları sadece klima cihazları ve soğutucu ekipmanlarda değil aynı zamanda aşağıda sıralanan endüstriyel uygulamalarda da artmıştır. Sprey tüplerin basınçlandırılmasında Yalıtım köpüklerinin yapımında Mobilyaların köpük ile doldurulmasında Yangın söndürücüler Otomotiv endüstrisinde klima amaçlı olarak Yüksek oranda buharlaşan temizleyici kimyasallarda Soğutucu Akışkanlardan Beklenen Özellikler Çevreyi kirletmemesi gereklidir. Buharlaşma gizli ısısı yüksek olmalıdır. Kritik sıcaklığı ve basıncı yüksek olmalıdır. Atmosferik basınçta kaynama sıcaklığı düşük olmalıdır. Doygunluk basıncı regülatör ventilin basıncının altında bulunmalıdır. Hava sızmasını, dolayısıyla havanın getirdiği su buharının soğuk kısımlarda katılaşarak işletme aksaklıklarına meydan vermesini önlemek için buharlaşma basıcının çevre basıncının bir miktar üzerinde olması. Karter yağına ve tesisatı oluşturan elemanların yapımında kullanılan gereçlere olumsuz yönde etkimemelidir, korozyon tesiri olmamalıdır. Sistemin hiçbir yerinde kimyasal değişikliğe uğramaması. Yanıcı, patlayıcı, zehirleyici olmamalıdır. Ucuz olmalı ve kolay temin edilebilmelidir. Küçük kapasiteli bir kompresörün kullanımına elverişli olmalıdır. Kapalı devredeki kaçakların kolayca saptanmasını sağlayabilmelidir. Yüksek soğutma yüklerinde kompresör boyutlarının çok büyük olmaması için buharlaşma gizli ısısının büyük olması. Soğutucu akışkanın suda veya yağda erime durumunun da gözden uzak tutulmaması gerekir. Suda erime kolay olursa; makine içersinde donma tehlikesi azalır, zira suda erime
sonunda karışımın donma noktası da daha alçak olur. Aksi halde çevre basıncının altında olan kısımlara dışarıdan giren hava içerisindeki su buharı kolaylıkla yoğuşur, genişleme valfindeki kısılma sonunda sıcaklık düşmesiyle katılaşır ve tıkanmalara işletme sırasında aksaklıklara yol açar. Yağda erimeye gelince, yağlama yağı segman aralıklarından sızarak soğutucu akışkana karışabilir. Eğer akışkan buharı yağda ermiyorsa akışkanla sürüklenen yağ yoğuşturucu ve hatta buharlaştırıcı yüzeylerinde birikir ve burada bir yağ filmi teşekkül eder. Bu durum ısı transferini kötüleştirir ve ayrıca kompresörde yağın eksilmesine sebep olur. Bu tür akışkanlar için kompresör çıkışında bir yağ ayırıcı kullanılır.
Soğutucu Akışkanların Kullanım Alanlarına Göre Sınıflandırılması KULLANIM YERİ AKIŞKAN TİPİ KULLANIM AÇIKLAMA ORANI Ev tipi soğutucular F12 F500 %100 ---- Ticari soğutucular F12 %79-15 +15 C aralığında F502 F22 %19 %13 Soğuk muhafaza ve F12 %10-37 C ye kadar olan gıda işletmesi F502 %5 sıcaklıklarda F22 Amonyak %10 %60 Endüstriyel soğutma F12 %18 Nadiren -70 C, - F13 ---- 45 C ye kadar ki F22 %40 aralıkta kullanılır Amonyak %35 Su veya Salamura F11 %80 350-10000 kw soğutucu ünite F12 %25 kapasiteleri arasındaki (Chiller) F13 %30 santrifuj soğutucu F22 ünitelerde Soğuk taşıma ve F12 %50 >-45 C klima F502 F22 %50 %47 Otomobil kliması F12 %100 Maksimum 82 C ye kadar olan uygulamalarda Isı pompası F12 %46 Maksimum 56 C ye F113 %1 den daha az kadar olan F502 uygulamalarda Tablo 1.1: Soğutucu Akışkanların Sınıflandırılması
Kısa ismi Freon11 Feon12 Freon13 Fren21 Freon22 Freon113 Freon114 Kritik sıcaklığı 198 111.5 28.8 178.5 96 214 145 C Kritik basıncı 44,1 41,1 38,7 52,7 49,9 3,44 32,5 (bar) Kaynama 23,8-29,8 81,4 8,92-40,8 47,57 3,55 sıcaklığı C Donma sıcaklığı -111-158 -181-135 -160-35 -94 C Tablo 1.2 : Soğutucu Akışkanların Fiziksel ve Termodinamik Özellikleri Bir fluorlaştırılmış hidrokarbon olan bu akışkanlar kimyasal olarak C m H n F p Cl q şeklinde ifade edilebilir. Ticari olarak da F harfi ve bu harften sonra rakamlar kullanılarak gösterilirler. F harfinden sonraki rakamlar sırasıyla x,y,z olursa bunlar şu şekilde hesaplanır. X = m-1, y = n+1, z = p, n+p+q = 2(m+1) Örnek olarak; CHF 2 CL akışkanında m=1, n=1, p=2 olunca x=0, y=2, z = 2 bulunur ve sıfırlı terimler yazılmadığından bu akışkanın ticari adı F22 ile gösterilir. Başlıca soğutucu akışkanlar Freon 11 Yüksek soğutma gücüne sahiptir. Lastiğe zarar verdiğinden kompresörlerde kullanılmaz. Daha çok turbo kompresörlerde kullanılır. Freon-11 in kimyasal formülü CCl 3 F dir. Freon 12 Freon 12 klima sistemlerinde ve soğuk depo tesislerinde geniş bir kullanıma sahiptir. Az miktarda iken tamamen kokusuzdur. Freon 12 nin kimyasal formülü (CF 2 Cl 2 ) dir. Bileşiminde karbon, klor ve flor vardır. Atmosferik basınçta kaynama noktası (-29.8 C) ve donma noktası da (-157.78 C) dir. 5-6 kg/cm 2 basınç altında 20 C de sıvılaşır.
Normal basınç ve sıcaklıkta gaz halinde bulunan freon 12 nin özgül ağırlığı havanın özgül ağırlığından daha büyüktür. Güç eridiğinden, buharlaştırıcıda ki düşük basınç nedeniyle sisteme sızacak havanın getirdiği su buharı katılaşarak çalışma düzensizliklerine yol açabilir. Suyun soğutucu akışkandan ayrılması için kurutucu kullanılmalıdır. Sistemin hava sızdırmaması gerekir. Renksiz olan freon 12 göz, burun, boğaz ve ciğerleri tahriş etmez, yanıcı ve patlayıcı değildir. Yağ ile freon 12 kolayca karışabildiğinden sistemde yağ ayırıcısı kullanmak zorunluluğu yoktur. Freon 12 nispeten ağır bir akışkan olduğundan büyük yük kayıplarına sebebiyet vermemek için kompresör emişinde ve çıkışında hızlar 7-12 m/s ve 12-15 m/s arasında tutulur. Kurşun, magnezyum ve alaşımları, magnezyum ihtiva eden alüminyum alaşımları ile lastik ve yağ haricindeki malzemeye tesiri yoktur. Şayet su ihtiva ederse sıcaklıkla korozyon etkisi artar. Sıvı F12 her oran ve sıcaklıkta yağ ile kolayca karışabilse de buhar haldeki F12 çok az karışır. F12 buharı ile temas eden yiyecek maddeleri zarar görmez ve yenilebilir. F12 patlamaz ve yanmaz suda güç erir. Freon 13 Genellikle çok kademeli sistemlerin alçak basınç kademesinde kullanılır. Çok düşük basınçlı bir gaz olduğu için santrifüj kompresörler için elverişlidir. Çok büyük kapasitedeki klima tesislerinde çok düşük sıcaklıklara inilmesi istenen yerlerde, daha çok kimya sanayinde ve araştırma laboratuarlarında kullanılır. Freon 13 ün kimyasal formülü (CF 3 Cl) dir. Atmosfer basıncında buharlaşma -82 C civarındadır. Bu değer düşük sıcaklılar için elverişlidir. Sıcaklığın artması ile basıç çok yükselir. 20 C çevre sıcaklığında basıncı 32.4 kp/cm 2 kadardır. Soğutma makinasının durması halinde basınç yükselmesini önlemek için tesiste genişleyen akışkan buharını alacak dengeleyici kaplar bulunur. Freon 13 yağda erimez ve sistemde yağ ayırıcısı kullanmak zorunlu olur. Freon 114 Hermetik rotatif kompresörlerde kullanılmaktadırlar.
Freon 21 Kimyasal formülü (CHCl 2 F) dir. Klima tesislerinde tercih edilir. Korozyon sebebiyle su ihtiva etmemelidir. Yağ ile karışımı freon 12 gibidir. Turbo kompresörlerde uygundur. Korozyon sebebiyle su ihtiva etmemelidir. Freon 22 Freon 22 ise prensip olarak düşük sıcaklıklarda soğutma elde etmek için geliştirilmiş bir soğutucu akışkandır. Freon 22, genellikle, derin dondurucu tesisatında çok düşük buharlaşma sıcaklığı elde etmek için kullanılır. Bileşiminde karbon, hidrojen, klor ve flor bulunan freon 22 nin kimyasal formülü (CHF 2 Cl) dir. Daha yüksek sıcaklıklarda soğutma elde etmek için de kullanılabilmesine rağmen esas olarak kullanılma alanı sıcaklığı 30 C nin altında olan soğutma sistemleridir. Atmosfer basıncında -40 C de kaynar. Freon 22 nin özellikleri Freon 12 nin özelliklerine çok yakındır. Freon 22 ile birlikte sürüklenen yağlama yağı buharlaştırıcıda, kendiliğinden ayrılmadığı için kompresörle kondenser arasına bir yağ ayırma cihazı yerleştirmek gereklidir. Sıkıştırma sonunda freon 22 nin sıcaklığının 130 C ye kadar yükselmesi yağlama yağının niteliklerinin bozulmasına neden olabilir. Gaz hızları kompresör emişinde 10-12 m/s ve çıkışında 12-16 m/s arasında olur. Freon 502 Freon 502 özellikle, düşük sıcaklıklarda soğutma etkisi büyüktür. Freon 22 türünden bir soğutucudur. Kaynama sıcaklığı atmosferik basıncta -45 C dir. -40 C ve -20 C sıcaklıkları arasındaki soğutma sıcaklıklarının eldesinde kullanıldığı zaman sıkıştırma sonu sıcaklığı freon 22 ninkinden daha düşük olur.
Amonyak 1878 yılında Linde tarafından bulunmuştur. Hacimsel özgül soğutma yükünün büyük olması nedeniyle soğutma sanayinde, özellikle buz elde etmek ve üretmek amacıyla kurulan büyük endüstri tesislerinde kullanılır. Amonyak buz üretiminde ve +10 C - 40 C arasında soğutma yapılması istenen soğuk depolama tesislerinde soğutucu akışkan olarak kullanılabilir. Keskin ve yakıcı kokusu boğucu ve zehirleyici etkisinden ötürü okul, otel, sinema, kışla, tiyatro ve konferans salonu gibi insanların toplu halde bulundukları yerlerde soğutucu akışkan olarak amonyağın kullanıldığı soğutma cihazlarından kesinlikle yararlanılmaz. Atmosfer basıncında buharlaşma sıcaklığı -33 C civarındadır. Kritik sıcaklığı 132.4 C, donma sıcaklığı 77.6 C, kritik basıncı 113.3 atm dir. Suda eridiğinde donma noktası alçalır. Amonyak, atmosferik basınçta, -33.3 C sıcaklıkta kaynar. Suda kolay çözünür. 15.5 C sıcaklıktaki su diğer sıcaklıklardaki sudan yaklaşık olarak 900 kat daha fazla amonyağı çözer. Bu çözelti çok tehlikeli ve çok zararlıdır. Isıtıldığında sudan kolayca ayrılması nedeniyle amonyak, absorbsiyonlu soğutma makinalarında çok kullanılır. Küçük soğutma yükleri için pek elverişli bir akışkan değildir. Sistemde akışkan miktarı az olunca ayar ve kontrol güçleşir. Kolay yanmaz fakat; belirli şartlar meydana gelince yanar ve hava ile karışarak şiddetli bir patlayıcı madde haline gelir. Bu tehlikelerden dolayı hiçbir zaman klima sistemlerinde kullanılmamalıdır. Kompresörlerden basınçlı kızgın buhar olarak çıkışta meydana gelebilecek yüksek sıcaklık altında oldukça yavaş şekilde hidrojen ve azot gazlarına ayrılma ihtimali vardır. Yoğunlaşma basıncı ve yoğunlaşma sıcaklığı düşüktür. Buharlaşma ısısı yüksektir, üretimi kolay ve maliyeti yüksek değildir, kokulu olduğu için soğutma tesisinde kaçak olup olmadığı kolayca anlaşılabilir. Amonyak yiyecek maddesi muhafazasında kullanıldığında sistemin sızdırmaz olmasına özellikle özen gösterilmelidir, zira amonyağa bulaşmış besin maddeleri yenmez. Sıvı yada gaz halindeki amonyak bakır, pirinç, teneke galvaniz kaplamalı malzeme üzerine korozif yönde etkimesine karşın çeliğe kesinlikle etkimez. Bu nedenle soğutucu akışkan olarak amonyağın kullanıldığı soğutma tesislerinde yapı malzemesi olarak ve çelikten faydalanılır. Bronza da fazla tesir etmez. Bunun yanında bakır, bakır-çinko alaşımları da tesisatta kullanılır.
Metil Klorit Bu soğutucu akışkanın ancak büyük klima tesislerinde çok az kullanılma yeri vardır. Kritik sıcaklığı 235.4 C, kritik basıncı 60.9 atm, kaynama sıcaklığı 39,3 C, donma sıcaklığı 96.7 C dir. Atmosfer basıncı altında kaynama sıcaklığının 39,3 C gibi yüksek bir değerde olması dolayısıyla bu soğutucu akışkan basınçlı gaz tüpleri yerine kapalı tenekelerde muhafaza edilir. Metilenklorür kullanılan sistemlerde gerek yüksek basınç tarafı ve gerekse alçak basınç tarafı bir vakum altında çalışır. Yalın haldeki metil klorür metallere (çelik, dökme demir, bakır, pirinç, kurşun, kalay) karşı aşındırıcı etki göstermez. Yalnız alüminyuma tesir ettiğinden, evaparatörü alüminyum olan soğutucularda kullanılmaz. Fakat nem bulundurduğundan metil alkol ve hidrolikasitin bir karışımı haline gelir buda metalleri aşındırır. Çeşitli ihtimaller göz önünde bulundurularak alüminyum, çinko ve magnezyum alaşımları hiçbir zaman soğutucu akışkan olarak metil klorür kullanılan soğutma tesislerinde kullanılmamalıdır. Çünkü metil klorür bu metallerin alaşımları üzerinde daha fazla aşındırıcı etki gösterir. Aynı zamanda metil klorür soğutma kompresörlerinde kullanılan bazı maddeler için çözücü özelliği vardır. Bu sebeple lastik contalar hiçbir zaman kullanılmamalıdır. Conta malzemesi olarak çözünme özelliği olmayan lastik, asbest ve fiber emniyet sınırları içinde kullanılabilir. Madeni yağlar az da olsa metil klorür içinde çözünürler. Bu yüzden metil klorür kullanıldığında daha yüksek viskoziteli yağlar kullanılmalıdır. Etilen Bu soğutucu çok düşük sıcaklıklar için çift kademeli sistemlerde kullanılır. Kritik sıcaklığı 9.5 C, kritik basıncı 51.6 atm, kaynama sıcaklığı 103.7 C, donma sıcaklığı 169.1 C dir. Donma sıcaklığının 169.11 C gibi düşük bir değerde olması çok düşük sıcaklıklardaki uygulamalara imkan verir. Etilen in en önemli avantajlarından birisi 103.7 C ın üzerindeki bütün sıcaklıklarda buharlaşma basıncının 1 atm den daha büyük olması ve yoğunlaşma basıncının fazla yüksek olmamasıdır. Etilen gazının hava ile fazla karışımı zararlıdır. Fakat genel halde sağlığa zararı önemsizdir. Hava ile karışımı kolay yanıcı olup, şiddetli bir patlayıcıdır. Sistemde kullanıldığında çok dikkat edilmelidir.
Karbondioksit 1878 yılında Linde tarafından bulunmuştur. Günümüzde hacimsel özgül soğutma yükü en büyük olan soğutucudur ve büyük soğutma yüklerinde, özellikle gemilerde ve tiyatro, hastaneler gibi klima tesislerinde kullanılır. Karbondioksit karbonun yanmasından elde edilir. Karbondioksit renksiz, kokusuz bir gazdır. Derişik bir halde solunursa hafif ekşimsi bir tat algılanır. Karbondioksit soğutucu akışkan olarak bira, gazoz gibi içecekler için yapılmış soğutma tesislerinde kullanılır. Diğer gazlarla karıştığı zaman karbonmonooksit haline gelme ihtimali vardır bununla beraber zehirsiz olarak kabul edilir fakat fazla miktarda tenefüs edilirse insanı uyutarak öldürür. Karbondioksitin kullanılma sahasını kısıtlayan başlıca özellikleri, yoğunlaşma basıncının ve kritik basıncının düşük olmasıdır. Çalışma basınçları en yüksek olan soğutucu akışkandır. Kritik sıcaklığı 31.1 C, kritik basıncı 75.38, üçlü nokta sıcaklığı 56.6 C dir. Bu sebeple soğutucu akışkan olarak karbondioksitin kullanıldığı soğutma tesislerinde kompresör ve diğer tesis elemanlarının çok sağlam olması gerekir. Karbondioksit bütün çalışma şartları altında tamamen kararlı olup, soğutma makine ve techizat metallerine karşı herhangi bir aşındırma etkisi göstermez. Yağlama yağı yoğuşan soğutucu içinde hiç çözünmez. Bu özellik kondenser ve soğutucularda yağın ayrıştırılarak alınmasına imkan verir. Hava ile karışımları boğucu özellik göstermesine rağmen %4 ün altında olan karışımlarda hayat için tehlikeli değildir. Katı karbondioksitin donmuş gıda maddelerinin nakliyesinde oldukça büyük bir yeri vardır. Bir atmosfer basınç altında kendi gazı ile çevrelendiğinde 75.5 C, yine bir atmosfer basınç altında hava ile çevrelendiğinde ise 140 C dir. Bu değerler donmuş nakliye için istenen soğukluk değerinin çok altındadır. Katı karbondioksit elde etmek için karbondioksit gazı önce sıvı hale getirilir. Bunun içinde gaz kademe halinde yaklaşık 60 ila 70 atmosfer basınca kadar bir sıkıştırmaya tutulur. Kademeler arasındaki soğutma ve sıkıştırmadan sonraki karbondioksit gazının yoğuşması su ile yapılır. Yanarak elde edildiği için yanıcı değildir. Yangın söndürmede de kullanılır. Aktif olmayan bir maddedir, malzemeye herhangi bir etkisi yoktur. Kükürtdioksit (R 717) Renksiz, zehirli ve kokusu yakıcı ve boğucu bir gaz olduğundan günümüzde soğutma sistemlerinde çok fazla tercih edilmemektedir. Kullanılma alanı soğutma sanayinde özellikle küçük ev tipi buzdolaplarında soğutucu akışkan olarak olmuştur. Üretimi kolay ve maliyeti