Eğitim Elkitabı Soğutucu Klima 12/2000
Eğitim Elkitabı Đçindekiler Đçindekiler 1 Termodinamiğin Temelleri... 1-1 1.1 Giriş... 1-1 1.2 Sıcaklık... 1-1 1.3 Basınç... 1-1 1.3.1 Hava Basıncı... 1-2 1.3.2 Pozitif Basınç ve Mutlak Basınç... 1-2 1.4 Entalpi... 1-3 1.5 Yoğunluk ve Özgül Hacim... 1-3 1.6 Maddenin Hal Değişiklikleri... 1-3 1.6.1 Faz Grafiği... 1-3 1.6.2 Buhar Basınç Eğrisi... 1-3 2 Soğutma Maddesi Devridaimi - Đlkeler... 2-3 2.1 Soğuk elde etmek için bir maddenin termodinamik özelliklerinden yararlanma... 2-3 2.2 Basit Soğutma Maddesi Devresi... 2-3 2.3 Kızdırma... 2-3 2.3.1 Kızdırma nasıl elde edilir?... 2-3 2.3.2 Normal kızdırma değerleri... 2-3 2.3.3 Kızdırmanın ölçülmesi... 2-3 2.4 Aşırı soğutma... 2-3 2.4.1 Aşırı soğutma nasıl elde edilir?... 2-3 2.4.2 Normal aşırı soğutma değerleri... 2-3 2.4.3 Aşırı soğutmanın ölçülmesi... 2-3 2.5 Soğutma maddesi devresi... 2-3 3 Soğutma Maddesi Devresindeki Ana Elemanların Đşlevleri... 2-3 3.1 Evaporatör... 3-3 3.1.1 Evaporatör içindeki olaylar... 3-3 3.1.2 Evaporatör verimi... 3-3 3.1.3 Buharlaşma basıncı... 3-3 3.2 Kompresör... 3-3 3.2.1 Kompresörün sevk davranışı... 3-3 3.2.2 Soğutma verimi... 3-3 3.2.3 Kompresör motor verimi... 3-3 3.2.4 Kompresör kullanma sınırları... 3-3 3.3 Kondansatör... 3-3 3.3.1 Kondansatör içindeki olaylar... 3-3 3.3.2 Kondansatör verimi... 3-3 3.3.3 Yoğunlaşma basıncı... 3-3 3.4 Genleşme elemanı... 3-3 4 Soğutma Maddesi Devresinin Bileşenleri... 4-3 4.1 Kompresör... 4-3 4.1.1 Genel... 4-3 4.1.2 Gitgel pistonlu kompresör... 4-3 4.1.2.1 Dalma pistonlu kompresör... 4-3 4.1.2.2 Aksiyel pistonlu kompresör... 4-3 4.1.3 Kanatlı kompresör... 4-3 4.1.4 Spiral kompresör... 4-3 4.1.5 Vidalı kompresör... 4-3 4.1.6 Kompresör tahriki... 4-3 4.2 Kondansatör... 4-3 überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a I
Eğitim Elkitabı Đçindekiler 4.2.1 Aşırı soğutucusu olmayan kondansatör... 4-3 4.2.2 Aşırı soğutuculu kondansatör... 4-3 4.2.3 Fan... 4-3 4.3 Kolektör... 4-3 4.4 Filtre kurutucu... 4-3 4.4.1 Filtre kurutucunun görevleri... 4-3 4.4.2 Filtre kurutucunun montajı... 4-3 4.4.3 Filtre kurutucunun yapısı... 4-3 4.5 Gözetleme penceresi... 4-3 4.6 Genleşme elemanları... 4-3 4.6.1 Sıcaklık kumandalı genleşme elemanları... 4-3 4.6.1.1 Đç basınç dengelemeli termostatik genleşme ventilleri... 4-3 4.6.1.2 Dış basınç dengelemeli termostatik genleşme ventilleri... 4-3 4.6.1.3 Blok ventil... 4-3 4.6.1.4 MOP ventili... 4-3 4.6.2 Genleşme borusu (orifis tüpü)... 4-3 4.7 Evaporatör... 4-3 4.7.1 Hava uygulanan evaporatörler... 4-3 4.7.2 Su uygulanan evaporatörler... 4-3 4.7.3 Soğutma maddesi dağıtımı... 4-3 4.8 Sıvı ayırıcı... 4-3 4.9 Hortum hatları... 4-3 4.10 Boru hatları... 4-3 5 Soğutma maddeleri, yağlama maddeleri ve ısı taşıyıcılar... 5-3 5.1 Giriş... 5-3 5.2 Đdeal soğutma maddesinden beklenenler... 5-3 5.2.1 Fiziksel özellikler... 5-3 5.2.1.1 Buharlaşma basıncı... 5-3 5.2.1.2 Yoğunlaşma basıncı... 5-3 5.2.1.3 Basınç farkı... 5-3 5.2.1.4 Basınç oranı... 5-3 5.2.1.5 Kompresyon son sıcaklığı... 5-3 5.2.1.6 Suda çözünebilirlik... 5-3 5.2.1.7 Buharlaşma entalpisi ve emiş yoğunluğu... 5-3 5.2.1.8 Yağlama maddelerinin karışma kabiliyeti/çözünebilirliği... 5-3 5.2.2 Kimyasal özellikler... 5-3 5.2.3 Fizyolojik özellikler... 5-3 5.2.4 Çevre için sakıncasızlık... 5-3 5.2.4.1 Ozon yıkım potansiyeli (ODP)... 5-3 5.2.4.2 Sera etkisi potansiyeli (GWP)... 5-3 5.2.4.3 TEWI... 5-3 5.3 CFC-Halon yasak kararnamesi... 5-3 5.4 R 134a soğutma maddesinin R 12 ile karşılaştırılması... 5-3 5.5 Soğutma maddesi dönüşümü... 5-3 5.5.1 Retrofit... 5-3 5.5.2 Drop In... 5-3 5.6 Soğutma makinesi yağları... 5-3 5.6.1 Soğutma makinesi yağlarının görevi... 5-3 5.6.2 Yağın yarattığı sorunlar... 5-3 5.6.3 Kullanılmakta olan soğutma makinesi yağları... 5-3 5.6.3.1 Madeni yağlar... 5-3 5.6.3.2 Alkil benzoller... 5-3 5.6.3.3 Poliglikoller (PAG)... 5-3 5.6.3.4 Ester yağları... 5-3 5.7 Isı taşıyıcıları... 5-3 6 Sistem Tekniği... 6-3 6.1 Güvenlik elemanları... 6-3 II überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a
Eğitim Elkitabı Đçindekiler 6.1.1 Genel... 6-3 6.1.2 Güvenlik düzeneklerinin türleri... 6-3 6.2 Güç regülasyonu... 6-3 6.2.1 Regülasyonsuz kompresörler... 6-3 6.2.1.1 Manyetik kavramalı regülasyon... 6-3 6.2.1.2 Karşı ısıtmayla güç ayarlaması... 6-3 6.2.1.3 Sıcak gaz baypası... 6-3 6.2.1.4 Emişin kısılması... 6-3 6.2.1.5 Devir sayısı ayarı... 6-3 6.2.2 Đçten regüleli kompresörler... 6-3 6.2.2.1 Silindir kapama... 6-3 6.2.2.2 Yalpa diski ayarı (içten ayarlama)... 6-3 6.2.2.3 Yalpa diski ayarı (dıştan ayarlama)... 6-3 6.2.2.4 Kanatlı kompresör... 6-3 6.2.2.5 Spiral kompresör... 6-3 6.3 Soğutma maddesi deplasmanı... 6-3 7 Đşletime alma... 7-3 7.1 Soğutma maddesi devresindeki nem... 7-3 7.1.1 Genel... 7-3 7.1.2 Korozyon/asit oluşumu... 7-3 7.1.3 Bakır kaplama... 7-3 7.1.4 Buz kristali oluşması... 7-3 7.1.5 Nemin azaltılması... 7-3 7.2 Soğutma maddesi devresindeki katı ve çözünebilir maddeler... 7-3 7.3 Soğutma maddesi devresindeki yabancı gazlar... 7-3 7.4 Soğutma maddesi devresinin tahliye edilmesi... 7-3 7.4.1 Genel... 7-3 7.4.2 Vakum pompası... 7-3 7.4.3 Doğru şekilde tahliye yapma... 7-3 7.5 Soğutma maddesi devrelerinde kaçak kontrolü... 7-3 7.5.1 Genel... 7-3 7.5.2 Basınç tutma yöntemiyle kaçak kontrolü... 7-3 7.5.3 Kabarcık testi ile kaçak arama... 7-3 7.5.4 Sabun köpüğü testi ile kaçak arama... 7-3 7.5.5 Elektronik kaçak arama cihazı ile kaçak arama... 7-3 7.5.6 Test gazları yardımıyla kaçak arama... 7-3 7.6 Servis cihazları... 7-3 7.7 Manometre bloğu... 7-3 7.8 Emiş istasyonu... 7-3 7.9 Servis ventili... 7-3 7.10 Đşletime almanın adımları... 7-3 7.10.1 Gözle kontrol... 7-3 7.10.2 Basınç testi... 7-3 7.10.3 Sızdırmazlık testi... 7-3 7.10.4 Kurutma, tahliye etme... 7-3 7.10.5 Dolum, gerekli dolum miktarının belirlenmesi... 7-3 7.10.6 Güvenlik elemanlarının kontrolü ve ayarlanması... 7-3 8 Hata Arama... 8-3 8.1 Koşullar... 8-3 8.2 Hata aramada takip edilecek yol... 8-3 8.2.1 Soğutma maddesi... 8-3 8.2.2 Sistem şeması... 8-3 8.2.3 Gözle kontrol... 8-3 8.2.4 Ölçümler... 8-3 8.3 Tipik hatalar ve olası nedenleri... 8-3 8.3.1 Emiş basıncı çok düşük, yüksek basınç düşük ila normal... 8-3 8.3.2 Emiş basıncı normal, yüksek basınç çok yüksek... 8-3 überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a III
Eğitim Elkitabı Đçindekiler 8.3.3 Emiş basıncı çok yüksek, yüksek basınç düşük ila normal... 8-3 8.3.4 Emiş basıncı çok yüksek, yüksek basınç çok yüksek... 8-3 8.3.5 Diğer hatalar... 8-3 9 Güvenlik Talimatları... 9-3 9.1 Soğutma maddesinin kullanımı... 9-3 9.2 Basınçlı kapların kullanımı... 9-3 9.3 Basınçlı gazlar teknik kuralları (TRG)... 9-3 9.4 Atık kanunu, tespit yönetmeliği, artık madde denetleme yönetmeliği... 9-3 9.5 Diğer standartlar ve yönergeler... 9-3 10 Ek... 10-3 10.1 Kullanılan semboller ve parametreler... 10-3 10.2 Ölçüm yerleri tanımları... 10-3 10.3 Semboller (EN 1861, Nisan 1998)... 10-3 10.4 R 134a nın buhar tablosu... 10-3 IV überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a
Eğitim Elkitabı Đçindekiler Şekiller Şekil 1-1 Kelvin ve Celsius sıcaklık ıskalası... 1-1 Şekil 1-2 Barometre ile hava basıncının ölçülmesi... 1-2 Şekil 1-3 Manometre göstergesi, mutlak basınç ve pozitif basınç... 1-2 Şekil 1-4 Su için p = 1,013 bar iken sıcaklık-entalpi grafiği... 1-3 Şekil 1-5 Bir soğutucu maddenin faz grafiği... 1-3 Şekil 1-6 Sabit basınçta (p = 1,013 bar) suyun buharlaşması... 1-3 Şekil 1-7 R 134a'nın buhar basınç eğrisi... 1-3 Şekil 1-8 Doyma sıcaklığı ıskalalı bir manometre.... 1-3 Şekil 2-1 Buzun erime entalpisi yardımıyla ısının uzaklaştırılması: Buz dolabı... 2-3 Şekil 2-2 Soğutma maddesi devresinin basitleştirilmiş gösterimi: Buzdolabı... 2-3 Şekil 2-3 Kompresörlü soğutma sistemi ile dört ana elemanının prensip şeması... 2-3 Şekil 2-4 t, h grafiği... 2-3 Şekil 2-5 Bir soğutma maddesi devresinin t, h grafiği... 2-3 Şekil 2-6 Soğutma maddesinin evaporatörde kızdırılması... 2-3 Şekil 2-7 Soğutma maddesinin aşırı soğutulması... 2-3 Şekil 2-8 Soğutma devresi şeması... 2-3 Şekil 2-9 t, h grafiğinde soğutma maddesi devri...hata! Yer işareti tanımlanmamış. Şekil 3-1 Evaporatör içindeki olaylar... 3-3 Şekil 3-2 Pistonlu kompresörün hasar odacığı... 3-3 Şekil 3-3 Hasar odacığının etkisi... 3-3 Şekil 3-4 Basınç oranına bağlı hacimsel verim... 3-3 Şekil 3-5 Çeşitli yoğunlaşma msıcaklıklarında buharlaşma sıcaklığı üzerinden soğutma verimi... 3-3 Şekil 3-6 Buharlaşma ve yoğunlaşma sıcaklığına bağlı olarak kompresör güç ihtiyacı... 3-3 Şekil 3-7 Açık strok pistonlu kompresörün kullanım sınırları... 3-3 Şekil 3-8 Kondansatörün bölgeleri... 3-3 Şekil 3-9 Soğutma maddesi sıvısının genleşme olayı... 3-3 Şekil 4-1 Açık dalma pistonlu kompresör, şematik, Bock marka... 4-3 Şekil 4-2 Bock firmasının FK 40 tipi dalma pistonlu kompresörü... 4-3 Şekil 4-3 Bitzer marka açık tip kompresörün mil geçişindeki mekanik mil contası... 4-3 Şekil 4-4 Aksiyel pistonlu kompresör... 4-3 Şekil 4-5 Bir aksiyel pistonlu kompresör kesiti... 4-3 Şekil 4-6 5 kanatlı bir kanatlı kompresör... 4-3 Şekil 4-7 Spiral kompresör... 4-3 Şekil 4-8 Bir spiral kompresörün sıkıştırma işlemi... 4-3 Şekil 4-9 Vidalı kompresör, şematik... 4-3 Şekil 4-10 Kayış kasnağı tipleri... 4-3 Şekil 4-11 Kayış ön gerilimi (Bock firması)... 4-3 Şekil 4-12 Manyetik kavrama... 4-3 Şekil 4-13 Borulu lamelli ısı eşanjörü... 4-3 Şekil 4-14 Borulu lamelli kondansatörün yapısı... 4-3 Şekil 4-15 Bir otobüs kondansatörüne örnek... 4-3 Şekil 4-16 Paralel akışlı kondansatör... 4-3 Şekil 4-17 Paralel akışlı kondansatörün yapısı... 4-3 Şekil 4-18 Aksiyel vantilatör... 4-3 Şekil 4-19 2 fanlı radyal vantilatör... 4-3 Şekil 4-20 Bir otomobil soğutma sisteminin kolektörü... 4-3 Şekil 4-21 Bir otobüs soğutma sisteminde kolektörün montaj örneği... 4-3 Şekil 4-22 Soğutma maddesinin az olmasından dolayı gözetleme penceresinde görülen kabarcıklar... 4-3 Şekil 4-23 Katı madde elemanlı filtre kurutucu kesiti... 4-3 Şekil 4-24 Nem göstergeli gözetleme penceresi... 4-3 Şekil 4-25 Đç basınç dengelemeli TEV... 4-3 Şekil 4-26 Termostatik genleşme ventili (iç basınç dengelemeli) ile evaporatör... 4-3 Şekil 4-27 Đç basınç dengelemeli termostatik genleşme ventilinin şeması... 4-3 Şekil 4-28 Termostatik genleşme ventilinin kapasite eğrisi... 4-3 Şekil 4-29 Dış basınç dengelemeli TEV... 4-3 Şekil 4-30 Dış basınç dengelemeli TEV (dirsek ventil)... 4-3 Şekil 4-31 Dış basınç dengelemeli TEV (blok ventil)... 4-3 Şekil 4-32 Sensör sıcaklığına bağlı sensör basıncı... 4-3 überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a V
Eğitim Elkitabı Đçindekiler Şekil 4-33 Orifis tüpü... 4-3 Şekil 4-34 Lamelli evaporatör... 4-3 Şekil 4-35 Otomobil plaka evaporatörü... 4-3 Şekil 4-36 Dolaylı soğutma... 4-3 Şekil 4-37 Plaka evaporatörün yapısı... 4-3 Şekil 4-38 Plaka evaporatör... 4-3 Şekil 4-39 Soğutma maddesi distribütörü... 4-3 Şekil 4-40 Soğutma maddesi distribütörü... 4-3 Şekil 4-41 Plaka evaporatörde soğutma maddesi dağılımı... 4-3 Şekil 4-42 Atomizer... 4-3 Şekil 4-43 Sıvı ayırıcı... 4-3 Şekil 4-44 Hortum yapısı... 4-3 Şekil 4-45 Dokumalı basınç taşıyıcı katmanlı hortum (2 katlı)... 4-3 Şekil 4-46 Kompresöre giden emiş hattının döşenmesi... 4-3 Şekil 4-47 Kondansatör yüksekte olduğunda basınç hattı döşenmesi... 4-3 Şekil 4-48 Basınç hattı döşenmesi, kondansatör aynı yükseklikte veya daha aşağıda olduğunda... 4-3 Şekil 5-1 R 134a yağ çözünebilirlik karakteristiği... 5-3 Şekil 5-2 CO 2 konsantrasyonunun artışı... 5-3 Şekil 5-3 Yağlama maddesinin görevleri... 5-3 Şekil 6-1 Bazı güvenlik elemanlarından oluşan güvenlik zinciri... 6-3 Şekil 6-2 Regülasyonsuz ve kademesiz regülasyonlu kompresörlerde hava çıkış sıcaklığının ve kompresör güç ihtiyacının seyri... 6-3 Şekil 6-3 Sıcak gaz baypas devresi... 6-3 Şekil 6-4 Vario şanzıman ile devir sayısı ayarlaması... 6-3 Şekil 6-5 Silindir çifti kapaması... 6-3 Şekil 6-6 Silindir kapama, tam yük... 6-3 Şekil 6-7 Silindir kapama, regüle durumu... 6-3 Şekil 6-8 Đçten regülasyonlu yalpa diskli kompresörün güç regülasyonu... 6-3 Şekil 6-9 Đçten regülasyonlu yalpa diskli kompresörün regüle ventili... 6-3 Şekil 6-10 Pump down devresi... 6-3 Şekil 7-1 Çeşitli soğutma maddelerinin maksimum su oranı... 7-3 Şekil 7-2 Çeşitli yağ türlerinin su tutma kapasiteleri... 7-3 Şekil 7-3 Đki kademeli döner sürgülü vakum pompasının şematik gösterimi... 7-3 Şekil 7-4 Gaz safrası ile ve gaz safrası olmadan yapılan tahliye işleminin şeması... 7-3 Şekil 7-5 Đki taraflı tahliyenin şematik gösterimi... 7-3 Şekil 7-6 Vakum pompasındaki ve sistem içindeki basıncın seyri... 7-3 Şekil 7-7 Sabun köpüğü testi ile kaçak arama... 7-3 Şekil 7-8 Elektronik kaçak arama cihazı... 7-3 Şekil 7-9 Servis cihazı... 7-3 Şekil 7-10 Manometre bloğu... 7-3 Şekil 7-11 Manometre bloğunun yapısı... 7-3 Şekil 7-12 Kompresör vanası... 7-3 Şekil 7-13 Kompresör vanası, üstten görünüş... 7-3 Şekil 7-14 Üç konumdaki servis ventili (şematik)... 7-3 Şekil 7-15 Đğneli ventil (otomatik ventil)... 7-3 Şekil 7-16 Servis ventilleri için hızlı bağlantı... 7-3 Şekil 7-17 Optimal dolum miktarı... 7-3 Şekil 7-18 Dolum miktarına bağlı kızdırma... 7-3 Şekil 7-19 Dolum miktarına bağlı yoğunlaşma basıncı... 7-3 Şekil 8-1 Hata aramada değerlendirme için ölçüm noktaları... 8-3 Şekil 8-2 Dolum armatürü olarak manometre bloğu kullanılan soğutma maddesi devresinin şeması... 8-3 Şekil 8-3 Devre dışı kalmış yaklaşık 40.000 kompresördeki hata nedenleri... 8-3 Şekil 8-4 Bock firmasının sürgülü hata arama cetveli... 8-3 Şekil 8-5 Emiş basıncı çok düşük, yüksek basınç düşük ila normal... 8-3 Şekil 8-6 Emiş basıncı normal, yüksek basınç çok yüksek... 8-3 Şekil 8-7 Emiş basıncı çok yüksek, yüksek basınç düşük ila normal... 8-3 Şekil 8-8 Emiş basıncı çok yüksek, yüksek basınç çok yüksek... 8-3 Şekil 10-1 Basınç ve sıcaklık ölçme yerleri... 10-3 VI überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a
Eğitim Elkitabı Đçindekiler Tablolar Tablo 1-1 R 134a'nın nemli buhar tablosu... 1-3 Tablo 3-1 Çeşitli parametrelerin buharlaşma basıncına etkisi... 3-3 Tablo 3-2 Çeşitli parametrelerin yoğunlaşma basıncına etkisi... 3-3 Tablo 4-1 Basınç düşüşünden dolayı soğutma kapasitesi kaybı... 4-3 Tablo 4-2 Tavsiye edilen akış hızları... 4-3 Tablo 7-1 Sıcaklığa bağlı olarak suyun buhar basıncı... 7-3 Tablo 8-1 Beklenen emiş basıncı... 8-3 Tablo 8-2 Beklenen yüksek basınç... 8-3 Tablo 8-3 Đşletim basınçlarına etki eden büyüklükler... 8-3 Tablo 8-4 Emiş basıncı çok düşük ve yüksek basınç düşük veya normal iken hata seçimi... 8-3 Tablo 8-5 Emiş basıncı normal ve yüksek basınç çok yüksek iken hata seçimi... 8-3 Tablo 8-6 Emiş basıncı çok yüksek ve yüksek basınç düşük ila normal iken hata seçimi... 8-3 Tablo 8-7 Emiş basıncı çok yüksek ve yüksek basınç çok yüksek iken hata seçimi... 8-3 Tablo 8-8 Diğer hatalar... 8-3 Tablo 10-1. Kullanılan semboller... 10-3 Tablo 10-2. Kullanılan işaretler... 10-3 Tablo 10-3 R 134a nın madde özellikleri [hesaplama programı Solkane Refrigerants Version 2.0]... 10-3 überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a VII
Eğitim Elkitabı Đçindekiler Giriş Đçerik ve Amaç Bu Eğitim Elkitabı, kamyon, otomobil ve otobüslerdeki klima sistemleri üzerinde çalışacak olan personelin eğitilmesi için hazırlanmıştır. En önemli termodinamik temellersen yola çıkarak, öncelikle soğutucu sistemin dört ana bileşeninin (kompresör, kondansatör, genleşme elemanları, evaporatör) görevleri ve çalışma şekilleri tanımlanacaktır. Bileşenler bölümünde, verilen bilgiler temelinde bir klima sistemindeki ana elemanların ve diğer tüm bileşenlerin yapı ve işlevleri açıklanacaktır. Sistem tekniği bölümünde güvenlik zincirine ve çeşitli güç ayarlama olanaklarına değinilecektir. Đşletime alma bölümü, işletime alma için gerekli yardımcı maddeleri ve bir klima sisteminin nasıl doğru bir şekilde işletime alınacağı gibi önemli bilgiler içermektedir. Hata arama bölümünde ise hata teşhisi için temel hareket şekli tanımlanmakta ve olası hata nedenleri sıralanmaktadır. Đyileştirme ve Değişiklik Önerileri Bu Eğitim Elkitabına ilişkin şikayetleri, iyileştirmeleri veya düzeltici önerileri lütfen Webasto Thermosysteme GmbH Abt. Technische Dokumentation D-82131 Stockdorf Telefon: 0 89 / 8 57 94-5 42 Faks: 0 89 / 8 57 94-7 57 adresine yöneltiniz. Bu doküman Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik TWK GmbH Floridastraße 1 D-76149 Karlsruhe Telefon: 07 21 / 9 73 17-0 Faks: 07 21 / 9 73 17-11 tarafından hazırlanmıştır. VIII überprüfen_klima_egitim_el_kitabi_9003161a
1 Termodinamiğin Temelleri 1 Termodinamiğin Temelleri 1.1 Giriş Soğutma tekniği, ısı biliminin, dolayısıyla da katı, sıvı ve gaz haldeki maddelerin davranışlarını inceleyen termodinamiğin bir dalıdır. Termo Dinamik Isı Hareket bilimi Yani termodinamik ısı davranışlarıyla (ısının alınması ve verilmesi) uğraşmaktadır. Termodinamikte tam anlamıyla soğuk yoktur, çünkü soğuk yalnız ısının bir yerden, sıcaklığı daha yüksek olan bir yere taşınmasından ortaya çıkmaktadır. Bu sırada soğuyan mekan, madde veya cisim, sıcaklık - 273,15 C üzerinde olduğu sürece, hala ısı içermektedir. 1.2 Sıcaklık Bir maddenin sıcaklığı, yapı taşlarının (atomlar, moleküller ve molekül grupları) hareketlerinin yoğunluğunun ölçüsü olarak düşünülebilir. Katı cisimlerde kafes yapı taşları yalnız bir salınım merkezi etrafında titreşirler. Eğer bu hareket, ısı alımı sonucunda kafes kuvvetleri aşılacak kadar büyük olursa, katı kafes çöker. Cisim erimeye başlar ve sıvı halde bulunur. Bu sırada kafes yapı taşları arasında hala bağ kuvvetleri etki eder. Isı enerjisi alımı devam ettikçe bu kuvvetler de aşılır, moleküller buhar ya da gaz halde ortamda hareket edebilirler. Isının ortamdan çıkarılmasıyla bu hal değişiklikleri tekrar geri alınabilir. Cisimlerin sıcaklığa bağlı tüm fiziksel özellikleri (hacim genleşmesi, elektrik direnci vs.) sıcaklık ölçümünde kullanılabilir. Çoğu termometre cıva ve alkol gibi sıvıların ısıl genleşmesi prensibine dayanmaktadır. Bunun için bir sıcaklık ıskalasının belirlenmesi gerekir. Doğadaki belli fiziksel olayların aynı şartlar altında daima aynı sıcaklıkta gerçekleşmesi sayesinde sabit sıcaklık noktaları elde edilebilir, ki bunların en çok bilineni buzun erime noktası ve suyun kaynama noktasıdır. Sıcaklık ıskalası, sıvının genleşmesi iki sabit nokta arasında belirli bir şekilde bölünerek elde edilir. Đsveçli astronom A. Celsius (1701 - -1744) 1742 yılında Celsius ıskalası denen sıcaklık ıskalasını belirlemiştir. Bunun için sıvı olarak cıva kullanmış ve ıskalayı 100 eşit birime bölmüştür. Bu şekilde bir Celsius derecesinin büyüklüğü belirlenmiştir. Celsius ıskalası kaynama noktasından yukarıya ve donma noktasından aşağıya doğru eşit şekilde uzatılarak tüm sıcaklık sahaları için geçerli bir sıcaklık ıskalası elde edilir. Görüldüğü gibi böyle bir sıcaklık ıskalası keyfi olarak ortaya çıkmıştır. Ulaşılabilen en düşük sıcaklık -273,15 C tur. Bu değer mutlak sıfır noktası olarak tanımlanır. Termodinamik sıcaklık ıskalası mutlak sıfır noktasından 0 K (Kelvin, Đngiliz fizikçi W. Thomson ve daha sonra Lord Kelvin, 1824-1904, adıyla anılmaktadır) başlar. Bu durum karşısında sıcaklık için yeni bir baz büyüklük olan termodinamik sıcaklık kullanılmaya başlanmıştır. Mutlak sıfır noktasına geleneksel ısı transferi ile asla ulaşılamaz, çünkü bir cismin sahip olduğu ısı daima sıcaklığı daha düşük olan bir cisme verilebilir. Şekil 1-1 Kelvin ve Celsius sıcaklık ıskalası 1.3 Basınç Basınç kavramı altında birim yüzeye etki eden kuvvet anlaşılır. Uluslararası Yasal Ölçüler Komitesi basınç birimi olarak Pascal (Pa) birimini belirlemiştir. Bu birim m² başına Newton (N/m²) olarak da tanımlanmaktadır. Basınç p = Kuvvet F Yüzey A p = 1 bar Suyun kaynama noktası 373,15 K 100 C Buzun erime noktası 273,15 K 0 C Mutlak sıfır noktası 0 K -273 C Pa, N/m² cinsinden (Pascal, Fransız filozof ve matematikçi B. Pascal, 1623-1662) (Newton, Đngiliz fizikçi I. Newton, 1643-1727) 1-1
1 Termodinamiğin Temelleri Pascal tarafından türetilen yasal Bar (bar) birimi de basınç birimi olarak kullanılabilir. Burada: 1 bar = 100 000 Pa = 10 5 Pa 1 bar = 1 000 mbar 1.3.1 Hava Basıncı Hava basıncı p amb barometre ile ölçülür. Vakum p abs = p amb + p e p abs p amb p e bar cinsinden Mutlak basınç Atmosferik hava basıncı (ortam basıncı) Pozitif basınç (manometre göstergesi) Bir soğutma sistemi boşaltıldığında, pozitif basınç manometresi bir negatif değer gösterir. Ortama kaşı ölçüldüğünde 0 bar göstermesi gerekir. Pozitif basınç p e, bar cinsinden Hava sütunu Hava sütunu Hava katmanı Mutlak basınç p abs, bar cinsinden Cıva p amb = 1 bar Şekil 1-2 Barometre ile hava basıncının ölçülmesi Yerküre yaklaşık 200 km kalınlığında bir hava katmanı ile çevrilidir ve yükseklik arttıkça havanın yoğunluğu (dolayısıyla hava basıncı) azalır. Havanın ağırlığından kaynaklanan yeryüzü üzerindeki basınç deniz seviyesinde ortalama p amb = 1,013 bar değerindedir ve 760 mm cıva sütununa karşılık gelir. Hava basıncı atmosferdeki iklim etkilerinden dolayı da değişir: Hava ısındığında genleşir, yükselir ve yükseklerde yanal bir akıntıya uğrar, hava basıncı düşer. Yüksekte soğuyan hava belli bir süre sonra yeryüzüne alçalır. Bu sırada yoğunlaşır, hava basıncı artar. 1.3.2 Pozitif Basınç ve Mutlak Basınç Pratikte kullanılan manometrelerin çoğu (maliyet sebebiyle) pozitif basınç manometresidir. Bunlar ortam basıncına (hava basıncı) karşı pozitif basınç p e değerini ölçerler. Mutlak ( gerçek ) basınç p abs değerini elde etmek için manometre göstergesine (p e ) ortam basıncı p amb eklenmelidir. Mutlak basınç değerine hesaplamalar ve madde verilerinin belirlenmesi için gerek duyulur. Şekil 1-3 Manometre göstergesi, mutlak basınç ve pozitif basınç Örnek Ne boşaltılmış, ne de soğutucu doldurulmuş olan yeni kurulmuş bir soğutma sisteminde yaklaşık p amb = 1 bar olan atmosfer basıncı hakimdir. Sisteme soğutucu doldurulmasıyla sistemde pozitif basınç p e oluşur. Sistem, pozitif basınç p e = 3 bar olacak kadar doldurulduğunda, sistemdeki mutlak basınç ne olur? p abs = p amb + p e = 1 bar + 3 bar = 4 bar Sistem boşaltıldığında, vakum (negatif basınç) oluşur. Sistem, atmosfer basıncı altında olan p e = -0,6 bar basınca kadar boşaltıldığında, sistemdeki mutlak basınç ne olur? p abs = p amb + p e = 1 bar - 0,6 bar = 0,4 bar 1-2
1 Termodinamiğin Temelleri 1.4 Entalpi Entalpi H önceleri ısı içeriği kavramı ile tanımlanmaktaydı. entalpi, bir maddenin içinde (belli bir sıcaklığa göre) ne kadar ısı bulunduğunu belirtir. Pratik olması açısından entalpinin sıfır değeri çoğunlukla Celsius sıcaklık ıskalasına uygun olarak alınır. Su buharında normal olarak 0 C (273,15 K) sıcaklığı esas alınır. Özgül entalpi h belli bir maddenin 1 kg nı esas alır. Yani 0 C deki suyun özgül entalpisi h = 0 J/kg. Entalpi değeri 0 C üzerinde pozitif ve 0 C altındaysa negatiftir. Çeşitli hallerdeki veya sıcaklıklardaki soğutucu maddelere ait özgül entalpi tablo veya grafiklerden öğrenilebilir. 1.5 Yoğunluk ve Özgül Hacim Yoğunluk ρ, bir maddenin 1 m³ hacmine karşılık gelen kütlesidir. Yoğunluk ρ = Kütle m Hacim V kg/m³ cinsinden Özgül hacim v bir maddenin hacminin 1 kg ağırlığındaki kütlesine oranıdır. Özgül hacim v = Hacim V Kütle m 1.6 Maddenin Hal Değişiklikleri m³/kg cinsinden Bir madde sürekli ısınma veya soğuma esnasında pek çok hal değişikliğine uğrar. Bir maddenin hangi halde bulunduğu, onun sıcaklığına ve ona etki eden basınca bağlıdır. Madde hal değiştirirken, sıcaklık maddenin tümü diğer hale dönüşene kadar sabit kalır. Beyin jimnastiği Katı bir maddeye sürekli ısı verilir. Önce maddenin sıcaklığı artar. Erime noktasına ulaşıldığında, sıcaklık sabit kalır ve madde erimeye başlar. Bir maddenin erimesi için gerekli olan ısı enerjisine erime ısısı q denir. Ancak maddenin tüm parçacıkları kristal kafesin katı bağından çözüldükten ve eriyik içinde hareket etmeye başladıktan sonra, ısı verilmeye devam edilmesi halinde sıcaklık artmaya devam edecektir. Sıcaklık diğer bir hal değişikliğine (sıvı halden gaz hale geçiş) ulaşıncaya kadar devam eder. Bu olaya buharlaşma ve bunun için gerekli olan enerjiye buharlaşma enerjisi r denir. Bu hal değişikliğinde de maddenin entalpisi artar, ancak sıcaklık sabit kalır. Buharlaşma ısısı, sıvı içinde ortaya çıkan daha büyük bağ kuvvetlerinden dolayı erime ısısına göre çok daha büyüktür. Sıcaklık t, C cinsinden Şekil 1-4 Su için p = 1,013 bar iken sıcaklık-entalpi grafiği q Erime ısısı r Buharlaşma ısısı 1 Buz 2 Buz ve su 3 Su 4 Su ve su buharı (nemli buhar) 5 Kızgın su buharı Her madde üç halde (katı, sıvı ve gaz) bulunabilir. Kızdırılan buhara gaz denir (ör. hava ortam şartlarında aşırı kızdırılmış bir halde bulunmaktadır). Hangi kızdırma durumundan itibaren buhar yerine gaz dendiği bugüne kadar herhangi bir teknik kaynakta tespit edilmemiştir. 1.6.1 Faz Grafiği Özgül entalpi h, kj/kg Su, deniz seviyesinde 100 C de buharlaşır. Burada yaklaşık olarak ortam basıncı p amb = 1,013 bar değeri hakimdir. Eğer suya bir dağda ısı enerjisi verilirse, daha düşük bir sıcaklıkta buharlaşır. 2.000 m yüksekliğindeki bir dağda yaklaşık 0,8 bar ortam basıncı p amb hakimdir. Suyun bu yükseklikteki buharlaşma sıcaklığı yaklaşık 93,5 C dir. Madde üzerine etki eden basınç ne kadar düşük olursa, moleküllerin bağdan kurtulmaları o kadar kolay olur ve buharlaşma sıcaklığı da o kadar düşük olur. 1-3
1 Termodinamiğin Temelleri Bir maddenin çeşitli hal değişikliklerinin sıcaklık ve basınç ilişkisi faz grafiği ile gösterilir. yana bulunur. Eğriler üzerindeki noktalarda ise iki faz yan yana bulunur. Eğrinin üçlü nokta T ve kritik nokta K arasındaki kısmına sıvının buhar basıncı eğrisi veya kaynama eğrisi denir. Basınç katı Üçlü nokta T gaz Sıvı Kritik nokta K Bir maddenin faz değişiklikleri soğutma tekniğinde büyük bir öneme sahip olduğundan, bu konu su örneğinde daha ayrıntılı açıklanacaktı. Buhar basıncı eğrisi boyunca su ve su buharı yan yana bulunur. Suyun su buharına dönüşümünde, tüm sıvı parçacıklarının bağ kuvvetlerinden kurtulabilmeleri için büyük miktarda ısı verilmelidir. Bu sırada bir parçanın buhar halinde ve bir başka parçanın da hala sıvı halde olduğu görülür. Sıcaklık Şekil 1-5 Bir soğutucu maddenin faz grafiği Grafikteki üç eğri, yalnız katı veya yalnız sıvı veya yalnız gaz fazlarının olabileceği bölgeleri sınırlandırmaktadır. Üç bölgenin de birbirine sınır olduğu noktada, yani üçlü noktada, üç faz da yan Buhar oluşumunun başlangıcında mevcut olan buhara (ortamda hala sıvı bulunmasından dolayı) nemli buhar denir. Artık sıvı parçacık içermeyen ve sıcaklığı, kayna sıcaklığına eşit olan buhara doymuş buhar denir. Daha fazla ısı verilerek buharın sıcaklığı artırılırsa, buna kızgın buhar denir. Burada tanımlanan faz dönüşümü kızgın buharın soğumasıyla tersi yönde gerçekleşir. Buharlaşma için gerekli olan enerji miktarı, yani buharlaşma entalpisi, yoğunlaşma sırasında açığa çıkan enerji miktarına eşittir. Kaynama noktasının altında t < 100 C Kaynama hali t = 100 C Nemli buhar t = 100 C Doyma hali t = 100 C Kızdırılmış hal t > 100 C Sıvı Kaynayan sıvı Doymuş buhar Kızgın buhar Şekil 1-6 Sabit basınçta (p = 1,013 bar) suyun buharlaşması 1-4
1 Termodinamiğin Temelleri 1.6.2 Buhar Basınç Eğrisi Basınç ve kaynama sıcaklığı ilişkisi soğutma tekniği açısından en önemli maddeler için buhar tabloları ya da buhar basınç eğrileri şeklinde gösterilmiştir. Şekil 1-7 de R 134a soğutucusu için bir buhar basınç eğrisi gösterilmiştir. 20 4,72 5,72 Bu tablolar basınç ölçümleri yoluyla buharlaşma ve yoğunlaşma sıcaklıklarının belirlenmesi için kullanılmaktadır. Bu bağlamda basınç verilerinin daima mutlak basınç olduğu mutlaka hatırlanmalıdır! Ekte R 134a ya ait ayrıntılı bir buhar tablosu bulunmaktadır. Şekil 1-8 Doyma sıcaklığı ıskalalı bir manometre. Çoğu manometrede basınç ıskalasının yanında bir de doyma sıcaklığı ıskalası bulunmaktadır. Buradan başka bir hesaplamaya gerek olmaksızın doyma sıcaklığı okunabilir. sıcaklık ıskalası yalnız bir bar ortam sıcaklığında ve yalnız belirtilen soğutma maddesi için geçerlidir! Şekilde gösterilen manometrede bu R 134a dır. Düşük basınç manometrelerinin çerçevesi mavi, yüksek basınç manometrelerinin çerçevesi ise kırmızı renktedir. Şekil 1-7 R 134a'nın buhar basınç eğrisi Tablo 1-1 de R 134a nın nemli buhar tablosundan bir kesit gösterilmiştir. Tablo 1-1 R 134a'nın nemli buhar tablosu Doyma sıcaklığı t, C cinsinden Pozitif basınç (manometre göstergesi) p e bar cinsinden Mutlak basınç (p amb = 1 bar) p bar cinsinden -20 0,33 1,33-10 1,01 2,01 0 1,93 2,93 10 3,15 4,15 Örnek Manometre (pozitif basınç) evaporatör çıkışında p e = 1,93 bar değerini gösteriyorsa, buharlaşma sıcaklığının belirlenmesi için ortam basıncı (deniz seviyesinde p amb = 1 bar) eklenmelidir. Bu durumda mutlak basınç değeri olarak p = 2,93 bar elde edilir ve bu da 0 C ye karşılık gelir Örnek R 134a ile doldurulmuş bir soğutma maddesi tüpü (içinde nemli buhar bulunur) bir manometreye bağlanmıştır. 20 C ortam sıcaklığında ve 1 bar ortam basıncında tüp içindeki pozitif basınç ve mutlak basınç nedir? Mutlak basınç p: 20 C de 5,72 bar dır Pozitif basınç p e (manometre göstergesi): 5,72 bar - 1 bar = 4,72 bar 1-5
1 Termodinamiğin Temelleri Aynı tüm şimdi de 2.000 m rakımlı bir dağa götürülür (ortam basıncı 0,8 bar). 20 C ortam sıcaklığında tüp içindeki pozitif basınç ve mutlak basınç şimdi ne olur? Mutlak basınç p: 20 C de 5,72 bar dır Pozitif basınç p e (manometre göstergesi): 5,72 bar -0,8 bar = 4,92 bar 1-6
1 Termodinamiğin Temelleri Notlar için boş sayfa 1-7
2 Soğutma Maddesi Devresi - Đlkeler 2 Soğutma Maddesi Devridaimi - Đlkeler 2.1 Soğuk elde etmek için bir maddenin termodinamik özelliklerinden yararlanma Daha önce de söylendiği gibi, soğuk üretmek mümkün değildir. Bir yer soğutulacaksa, bunun için ısı soğutulacak yerden başka bir yere taşınmalıdır. Bu olay bir soğutma sisteminde nasıl gerçekleştirilir? 2.2 Basit Soğutma Maddesi Devresi Kompresörlü soğutma sistemi ile dört temel elemanı (kompresör, kondansatör, evaporatör ve genleşme elemanı) öncelikle bir buzdolabı örneğiyle açıklanacaktır. Evaporatör Genleşme elemanı Soğutma sisteminde bir maddenin erime ve buharlaşma sürecinde ısı içeriğinin çok arttığı ve sıcaklığın sabit kaldığı gerçeğinden yararlanılır. Bir ortamdan ısıyı uzaklaştırmanın en basit yolu bir buz blok kullanılması olurdu, krş. Şekil 2-1. Buz erirken ortamdaki ve gıda maddelerindeki ısı akımını alır ve buz dolabından dışarı akan erime suyu ile ortama verir. Gıda maddesi Buz bloğu Ortamdan gelen ısı Eriyen su Şekil 2-1 Buzun erime entalpisi yardımıyla ısının uzaklaştırılması: Buz dolabı Buharlaşma entalpisinin erime entalpisinden birkaç kat daha büyük olmasından dolayı, buharlaşma sırasında sabit sıcaklıkta daha yüksek bir ısı akımı alınabilir. Bundan dolayı ısı transferinin bir maddenin kaynama noktasında gerçekleştirilmesi tavsiye edilir. Bu avantajdan kompresörlü soğutma sistemi yararlanır. Kompresör Kondansatör Şekil 2-2 Soğutma maddesi devresinin basitleştirilmiş gösterimi: Buzdolabı Buzdolabında, içine nemli buhar püskürtülen bir ısı eşanjörü (evaporatör) bulunmaktadır. Buzdolabı içindeki sıcaklık +5 C iken, soğutma maddesinin evaporatördeki kaynama ve buharlaşma sıcaklığı yaklaşık -15 C dir ve R 134a da bu 1,7 bar mutlak basınca karşılık gelmektedir. Buzdolabının içindeki ısı, çok daha soğuk olan evaporatör tarafından alınır ve soğutma maddesinin sıvı kısmı bu sayede buharlaştırılır. Buzdolabını içi soğur. Kompresör soğutma maddesi buharını evaporatörden emer ve buzdolabının dış kısmında bulunan, ikinci bir ısı eşanjörü olan kondansatöre iletir. Kondansatör içinde faz dönüşümü gerçekleşerek soğutma maddesi buhar halinden sıvı hale geçer. Kondansatörü çevreleyen sıcaklık (oda sıcaklığı) çoğunlukla 20 ila 25 C arasındadır. Burada da kondansatörden ortama doğru yeterli bir ısı akımı olabilmesi için yoğunlaştırma sıcaklığının (buzdolapları için olan deneyim değerlerine göre) 2-1