1- Soğutma ile İlgili Genel Tanımlar

1.1. Isı

İki sistem arasında (veya sistem ile çevresi arasında) sıcaklık farkından dolayı gerçekleşen enerji geçişi diye tanımlanmıştır. [4]

Başka bir anlatımla, enerji sadece sıcaklık farkından dolayı gerçekleşmişse ısı diye tanımlanır. Bu tanımdan açıkça görüldüğü gibi, aynı sistem arasında ısı geçişi olmaz . [4]

Hissedilebilen veya ölçülebilen ısıya “duyulur ısı” denir.

Bir hal değişimi sırasında çoğu maddenin, sıcaklığında bir artış olmadan katıdan sıvıya dönüşeceği bir erime noktası olacaktır. Bu noktada, eğer madde sıvı haldeyse, kendisinden ısı alınır, madde de sıcaklığı değişmeden katılaşır. Bu işlemlerden her birinde olaya katılan ve sıcaklıkta değişiklik oluşturmayan ısı, “ergime gizli ısısı” olarak bilinir. [3]

1. 2. Sıcaklık

İki cisim temas halinde bulundukları zaman birinden diğerine ısı enerjisi aktarılıyorsa, birinci cismin sıcaklığı, ikinciden daha yüksektir denir. Sıcaklığı duyumuzla da anlayabiliriz, vücut sıcaklığı 36,5 °C olduğuna göre, cisimleri ellediğimiz zaman, elimizden sıcak veya soğuk olduğunu anlarız. Termodinamikte mutlak sıcaklıklar kullanılır, santigrat sisteminde –273,16 °C Fahrenheit sisteminde ise –459,6 °F kullanılır.

Kelvin derecesi = TK = t°C + 273

Rankin derecesi = TK = t°F + 460 [6]

1. 3. Soğutma

Soğutma bir sıvının halini değiştirerek ısının bir yerden başka bir yere iletilmesidir. Sıcaklık farkı olduğu sürece ısı pek çok değişik şekilde iletilebilir. Dolayısıyla istenen sonuçlara bağlı olarak soğuk sıvı, ısıyı sıcak nesneden çekebilir (soğurabilir) veya sıcak sıvı nesnelere ısı verebilir. Fakat bir hal değişimi olmaksızın elde edilen sonuçlar bir soğutma sistemi veya soğutma etkisi sebebiyle değildir.

İstenilen sonucu elde etmek için iş enerjisinin “soğutma sistemi” şeklinde düzenlenmiş mekanik elemanlar kullanılmasına mekanik soğutma denir. [3]

Soğumalı Soğutma ; bir yerden bir yere iletimi için gerekli koşulları oluşturmak üzere ısı enerjisinin kullanılmasıdır. Isı enerjisi, iş enerjisine çevrilerek istenen sonuçlar, mekanik soğutma sistemindeki aynı prensiple elde edilir. [3]

1. 4. Soğutucu Akışkan

Isıyı, buharlaşmayla ya da sıvı halden buhar hale kaynayarak soğuran ve sıvı halden buhar hale yoğuşarak geri bırakan kimyasal bileşimlerdir. Pek çok değişik soğutucu akışkan kullanılmaktadır ve belli bir tanesinin seçimi de, hangi koşullar altında çalışacağına bağlıdır. Soğutucular bölüm 8’de detaylı olarak anlatılacak. [3]

1. 5. Doyma Sıcaklığı

Verilen bir basınçta saf maddenin kaynamaya başladığı sıcaklık (T_doyma) olarak bilinir. [3]

1. 6. Doyma Basıncı

Verilen bir sıcaklıkta, saf maddenin kaynamaya başladığı basınç (P_doyma) olarak tanımlanır. 100 °C ’de suyun doyma basıncıda 101,325 kPA olur. [4]

1. 7. Yoğuşma Sıcaklığı

Buhar halindeki bir sıvının buhar olarak kalabilmesi için duyulur sıcaklığın yoğuşma sıcaklığından yüksek olması gerekir. Eğer buhardan, duyulur sıcaklığın yoğuşma sıcaklığının altına düşmeye başlayacağı noktaya kadar ısı enerjisi çekilirse, buhar sıvılaşır ve yoğuşur.

Sıvılar için kaynama noktası ile yoğuşma sıcaklığı aynıdır. Basıncı düşürmek, kaynama noktasını veya yoğuşma sıcaklığını arttırır. [3]

2. SOĞUTMANIN TERMODİNAMİK İNCELENMESİ ve ISI TRANSFERİ YÖNTEMLERİ
3. 1. Termodinamiğin Uygulama Alanları

Tüm mühendislik uygulamaları madde ile enerji arasında bir etkileşim içerir, dolayısıyla termodinamiği ilgilendirmeyen bir çalışma alanı düşünmek zordur. Termodinamiğin uygulama alanlarını yaşamımızın içindedir. Termodinamiğin bazı uygulama alanları insan vücudu, iklimlendirme sistemleri, uçaklar, otomobil motorları, termik veya nükleer güç santrallerin tasarımında ve soğutma sistemlerinde kullanılır. [4]

2. 2. Termodinamiğin I. Kanunu

Termodinamiğin birinci kanuna göre, “enerji, ne yoktan var edilebilir, ne de vardan yok edilebilir, ne de vardan yok edilebilir, yalnızca şekil değiştirilebilir”.

Enerjinin kendisi, iş yapabilme kabiliyeti olarak tanımlanır ve ısı enerjisinin bir şeklidir. Aynı zamanda enerjinin son şeklidir, çünkü tüm enerji şekilleri eninde sonunda ısıya dönüşür. Başka çok bilinen enerji şekilleri de vardır; mekanik, elektrik, kimyasal. Bunlardan bir şekilden diğerine kolaylıkla dönüştürülebilir. [3]

2. 3. Termodinamiğin II Kanunu

Termodinamiğin ikinci kanununa göre, “ısı enerjisini iletmek için, bir sıcaklık farkı oluşturmalı ve korunmalıdır.” Isı enerjisi, yoğunluk ölçeğinde yukarıdan aşağı doğru iletilir. Yüksek sıcaklıklı bir maddeden çıkan ısı, düşük sıcaklıklı bir maddeye doğru hareket eder. Bu işlem sıcaklık farkı var olduğu sürece devam eder. Çoğunlukla, sıcaklık farkı ne kadar düşük olursa, ısı transfer oranı da o kadar düşük olur. [4]

2. 4. Soğutma Çevrimleri

Soğutma makinesinin amacı soğutulan ortamdan ısı çekmektir. (Q2); Isı pompasının amacı ılık ortama ısı vermektedir. (QH) COPSM = = [4]

 

Ilık Ortam

2. 4. 1. Soğutma Makinesi

SM

 

Soğutulan Ortam

 

Wnet,g = gerekli iş

 

Soğutma Etkisi

 

İş Girişi

Şekil 2.4.1 Soğutma makinesi

2. 4. 2. Ters Carnot Çevrimi

Carnot çevrimi, verilen bir sıcaklık aralığında en yüksek ısıl verime sahip çevrimdir. Tersinir bir çevrim olduğu için, Carnot çevrimini oluşturan hal değişimleri ters yönde de gerçekleşebilir. Hal değişimlerinin ters yönde gerçekleşmesi, ısı ve iş etkileşimlerinin yönlerinin değişmesi anlamına gelir. Sonuç, ters Carnot çevrimi adı verilen çevrimdir. Ters Carnot çevrimine göre çalışan bir soğutma makinesi veya ısı pompası, Carnot soğutma makinesi veya Carnot ısı pompası diye adlandırılır.

Bir soğutucu akışkanın doyma bölgesi içinde gerçekleşen ters carnot çevrimini ele alalım. (Şekil 2.4.2) 1-2 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkana, T_L sıcaklığındaki soğuk ortamdan, sabit sıcaklıkta Q_L miktarında ısı geçişi olur. Akışkan daha sonra izantropik bir hal değişimiyle 3 haline sıkıştırılır ve hal değişimi sonucunda sıcaklığı T_H olur. 3-4 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkandan T_H sıcaklığındaki ortama, sabit sıcaklıkta ısı geçişi olur ve daha sonra akışkan 1 halin e izantropik olarak genişleyerek çevrimi tamamlar. 4-1 hal değişimi sonunda akışkanın sıcaklığı T_L olur. 3-4 hal değişimi sırasında soğutucu akışkan, yoğuşturucuda doymuş buhardan doymuş sıvıya dönüşür.

Ters Carnot çevrimi, belirli sıcaklıklardaki iki ısıl enerji deposu arasında çalışan en etkin soğutma çevrimidir fakat aşağıda belirtilen nedenlerle Carnot çevriminin uygulamaya aktarılması olanaksızdır.

Isı geçişinin olduğu iki izotermal hal değişimi uygulamada gerçekleşebilir, çünkü doyma bölgesinde basıncın sabit kalması, sıcaklığında doyma sıcaklığında sabit kalmasını sağlar. Bu bakımdan 2-3 ve 4-1 hal değişimlerinin uygulamada gerçekleştirilmesi zordur. Çünkü 2-3 hal değişimi bir sıvı buhar karışımının sıkıştırılmasını, başka bir değişle iki fazlı akışkanla çalışan kompresörü gerektirir. 4-1 hal değişimi ise sıvı oranı yüksek bir karışımın genişlemesidir.

Bu sorunların, Carnot çevrimini doyma bölgesinin dışında gerçekleştirerek çözülebileceği düşünülebilir, fakat bu kez ısı geçişi işlemlerinde sabit sıcaklık koşulunun yerine getirilmesi zorluk çıkaracaktır. Bu nedenlerle ters Carnot çevriminin uygulamada gerçekleşemeyeceği ve soğutma çevrimleri için ideal bir model oluşturamayacağı sonucuna varılır. [4]

Şekil 2.4.2 Carnot soğutma makinesinin düzeni ve ters Carnot çevriminin T-s diyagramı

2. 4. 3. İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Kısılma işlemi, sıvıyı bir kısılma vanasından veya kılcal borulardan geçirerek yapılabilir. Bu şekilde elde edilen çevrim, ideal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi diye bilinir. Bu çevrimin genel çizimi ve T-S diyagramı aşağıdaki şekilde verilmiştir (Şekil 2.4.3.) Buhar sıkıştırmalı çevrim soğutma makinelerinde, iklimlendirme ve ısı pompalarında en çok kullanılan çevrimdir. Bu çevrimi oluşturan hal değişimleri şöyledir.

1-2 Kompresörde izantropik sıkıştırma

2-3 Yoğuşturucuda çevreye sabit basınçta ısı geçişi

3-4 Kısılma (genişleme ve basıncın düşmesi)

4-1 Buharlaştırıcıda akışkana sabit basınçta ısı geçişi

İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan kompresöre 1 halinde doymuş buhar olarak girer ve izantropik olarak yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi sırasında, soğutucu akışkanın sıcaklığı çevre ortam sıcaklığının üzerine çıkar. Soğutucu akışkan daha sonra 2 halinde kızgın buhar olarak yoğuşturucuya girer ve yoğuşturucudan 3 halinde doymuş sıvı olarak ayrılır. Yoğuşma sırasında akışkandan çevreye ısı geçişi olur. Soğutucu akışkanın sıcaklığı 3 halinde de çevre sıcaklığının üzerindedir.

Doymuş sıvı halindeki akışkan daha sonra bir genleşme vanası veya kılcal borulardan geçirilerek buharlaştırıcı basıncına kısılır. Bu hal değişimi sırasında soğutucu akışkanın sıcaklığı, soğutulan ortamın sıcaklığının altına düşer. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya 4 halinde kuruluk derecesi düşük bir doymuş sıvı buhar karışımı olarak girer ve soğutulan ortamdan ısı alarak tümüyle buharlaşır. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıdan doymuş buhar halinde çıkar ve kompresöre girerek çevrim tamamlanır [4]

Şekil 2.4.3. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin düzeni ve T-s diyagramı

2. 4. 4. Gerçek Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki tersinmezliklerden kaynaklanır. Tersinmezliğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine neden olan akış sürtünmesi ve çevreyle olan ısı alışverişidir. Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimin T-S diyagramı aşağıda gösterilmiştir (Şekil 2.4.4).

İdeal çevrimde buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar olarak girer. Bu koşul uygulamada gerçekleştirilemez, çünkü soğutucu akışkanın halini hassas bir biçimde kontrol etmek olanaksızdır. Bunun yerine sistem, soğutucu akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak şekilde tasarlanır. Burada amaç, akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak şekilde tasarlanır. Burada amaç, akışkanın kompresör girişinde tümüyle buhar olmasını güvenceye almaktır. Ayrıca, buharlaştırıcıyla kompresör arasındaki bağlantı genellikle uzundur, böylece akış sürtünmesinin yol açtığı basınç düşmesi ve çevreden soğutucu akışkana olan ısı geçişi önem kazanabilir. Yukarıda sıralanan etkilerin toplam sonucu, soğutucu akışkanın özgül hacminin ve buna bağlı olarak kompresör işinin artmasıdır, çünkü sürekli akış işi, özgül hacimle doğru orantılıdır.

İdeal çevrimde sıkıştırma işlemi içten tersinir ve adyabatiktir, başka bir deyişle izantropiktir. Gerçek sıkıştırma işleminde ise entropiyi etkileyen akış sürtünmesi ve geçişi vardır. Sürtünme entropiyi arttırır, ısı geçişi ise hangi yöne olduğuna bağlı olarak entropiyi arttırır veya azaltır. Bu iki etkiye bağlı olarak, soğutucu akışkanın entropisi sıkıştırma işlemi sırasında artabilir (1-2 hal değişimi) veya azabilir (1-2 hal değişimi). Sıkıştırmanın izantropik olmaktansa, 1-2 hal değişimine göre olması tercih edilir, çünkü kompresör işi bu durumda daha az olacaktır. Bu bakımdan soğutucu akışkanın sıkıştırma işlemi sırasında soğutulması, ekonomik ve uygulanabilir olduğu sürece yararlıdır.

İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör basıncında doymuş sıvıdır. Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışıyla kısılma vanası girişi arasında bir basınç düşmesi vardır. Akışkanın kısılma vanasına girmeden önce tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam bir hassaslıkla gerçekleştirmek zor olduğundan,, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir. Soğutucu akışkan doyma sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa soğutulur, başka bir deyişle aşırı soğutulur. Bunun başka bir sakıncası yoktur, çünkü bu durumda soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük bir entalpide girer ve buna bağlı olarak ortamdan daha çok ısı çekebilir. Kısılma vanasıyla buharlaştırıcı birbirine çok yakındır, bu nedenle aradaki basınç düşmesi küçüktür. [4]

Şekil 2.4.4. Gerçek buharlı sıkıştırmalı çevrimin düzeni ve T-s diyagramı

2 . 4 . 5 .Gelişmiş buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri

Basit buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri, ucuz ve güvenli olmalarının yanı sıra hemen hemen hiç bakım gerektirmez. Fakat endüstri uygulamalarında basitlikten çok etkinlik önem kazanır. Bazı uygulamalar için basit buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi yetersizdir ve iyileştirilmesi gerekir. Aşağıda, etkinliği artırmak için yapılan düzenlemelerden birkaçı incelenecektir. [4,7]

2 . 4 . 5 . 1 . İkili Soğutma Sistemleri

Bazı endüstri uygulamalarında düşük sıcaklıklarda soğutma gerekir ve uygulamanın sıcaklık aralığı, basit buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin etkin çalışabilmesi için çok büyük olabilir. Büyük bir sıcaklık aralığı aynı zamanda daha çok basınç kayıplarına yol açacak ve pistonlu kompresörün daha düşük bir verimle çalışmasına neden olacaktır. Bu gibi durumlarda başvurulan yöntemlerden biri soğutmayı iki kademede gerçekleştirmektedir. Başka bir değişle, birbiriyle bağlantılı çalışan iki soğutma çevrimi kullanılmaktadır. Bu çevrimlere ikili soğutma çevrimleri adı verilir. [4]

Şekil 2.4.5.1. İkili soğutma çevirimi ve T-s diyagramı

İkili soğutma çevrimi şekilde gösterilmiştir. İki çevrimin bağlantısı, üst çevrimin (çevrim A) buharlaştırıcısı, alt çevrimde (çevrim B) yoğuşturucusu işlevini gören, bir ısı değiştiricisi aracılığıyla olmaktadır.

Şekilde gösterilen iki çevrimde, çevrimlerdeki soğutucu akışkanların aynı olduğu kabul edilmiştir. Bunun böyle olması zorunlu değildir, çünkü akışkanlar ısı değiştiricisinde karışmamaktadır. [4]

2 . 4 . 5 . 2 . Çok Kademeli Sıkıştırma Yapılan Soğutma Sistemleri

İkili soğutma sisteminde, çevrimlerde aynı akışkan dolaşıyorsa, çevirmeleri birbirine bağlayan ısı değiştiricisi yerine ısı alışverişinin daha iyi sağlandığı bir karışma odası veya buharlaşma odası kullanılabilir. Bu tür sistemler çok kademeli sıkıştırma yapılan soğutma sistemleri diye adlandırılır. İki kademeli sıkıştırma yapılan bir soğutma sistemi şekil 2.4.5.2 de gösterilmiştir.

Bu sistemde sıvı soğutucu akışkan, birinci kısılma vanasında buharlaşma odası basıncına genişler. Bu basınç iki sıkıştırma kademesi arasındaki basınca eşittir. Ani genişlemeden dolayı, sıvının bir bölümü buharlaşır. Buharlaştırma odasından alınan doymuş buhar (3 hali) alçak basınç kompresöründen çıkan aynı basınçtaki kızgın buharla (2 hali) karıştırılarak, 9 halinde yüksek basınç kompresörüne girer. Buharlaşma odasının altında biriken doymuş sıvı (7 hali), ikinci kısılma vanasından geçerek buharlaştırıcıya girer ve burada soğutulan ortamdan ısı çeker.[4]

Şekil 2.4.5.2. Buharlaşma odalı, iki kademeli sıkıştırmalı bir soğutma sistemi

2 . 4 . 5 . 3 . Tek Kompresörlü, Çok Amaçlı Soğutma Sistemleri

Bir soğutucu-dondurucu birimi (buzdolabı) ele alınsın. Birimin basitleştirilmiş bir genel çizimi ve çevrimin T-s diyagramı Şekil 2.4.5.3. ‘te gösterilmiştir. Soğutucu bölümünde soğutulan ürünlerin çoğunun içerdikleri su miktarı fazladır ve ortamın donma sıcaklığının üzerinde, yaklaşık 5°C sıcaklıkta tutulması gerekir. Dondurucu bölmesinde ise sıcaklık yaklaşık –15°C’dir. İyi bir ısı geçişinin olması için soğutucu akışkanın dondurucuya yaklaşık –25°C sıcaklıkta girmesi gerekir. Eğer bir kısılma vanası ve bir buharlaştırıcı kullanırsa, soğutucu akışkan soğutucu akışkan bölümünde de –25°C sıcaklıkta dolaşarak, akışkanın geçtiği boruların çevresinde buz oluşarak gıda maddelerinin su yitirmesine yol açacaktır. İstenmeyen bu durum, soğutucu akışkanı iki aşamalı bir kısılma işleminden geçirerek önlenebilir. Soğutucu akışkan önce soğutucu bölme içindeki sıcaklığa karşı gelen daha yüksek bir basınca, daha sonra da dondurucu basıncına (buna bağlı olarak sıcaklığına) kısılabilir. Dondurucu bölümden çıkan soğutucu akışkan daha sonra tek bir kompresör tarafından yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. [4]

Şekil 2.4.5.3. Dondurucusu olan tek kompresörlü soğutma makinesinin düzeni ve T-s diyagramı

2 . 4 . 5 . 4 . Gazların Sıvılaştırılması

Gazların sıvılaştırılması, soğutma uygulamalarının her zaman önemli bir bölümünü oluşturmuştur, çünkü bilimsel araştırma ve mühendislikle ilgili bir çok işlem (proses), kriyojenik sıcaklıklarda (-100°C’nin altında) gerçekleşir ve sıvılaştırılmış gazların kullanılmasına dayanır. Örnek olarak, oksijen ve azotun havadan ayrılması, roketler için sıvı yakıtların hazırlanması, çok düşük sıcaklıklarda malzemelerin özelliklerinin araştırılması, süper iletkenlikle ilgili araştırmalar gösterilebilir.

Kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda, bir madde sadece gaz fazında bulunabilir. Sıvılaştırılarak kullanılan üç önemli gaz, helyum, hidrojen ve azotun kritik sıcaklıkları sırasıyla, -268°C, -240°C, -147°C’dir. Bu nedenle bu maddelerden hiçbiri çevre koşullarında sıvı değildir. Daha da önemlisi, yukarıda belirtilen çok düşük sıcaklıkların yaygın olarak kullandığımız soğutma yöntemleriyle elde edilmesi olanaksızdır. Bu durumda gazların sıvılaştırılmasıyla ilgili olarak yanıtlanması gereken soru şudur: Bir gazı kritik sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa nasıl soğutabiliriz?

Gazların sıvılaştırılması için başarıyla kullanılan bazıları basit, diğerleri daha karmaşık birkaç çevrim vardır. Aşağıda, genel çizimi ve T-s diyagramı Şekil 2.4.5.4 gösterilen, Linde-Hampson çevrimi incelenmiştir.

Çevrimde dolaşan gaz (9 hali) ile, çevrimden çekilen sıvılaştırılmış gazın yerine çevrime eklenen tamamlama gazı (1 hali) karıştırılarak, 2 halinde çok kademeli kompresöre gönderilir ve 3 haline sıkıştırılır. Ara-soğutma nedeniyle sıkıştırma yaklaşık olarak sabit sıcaklıkta gerçekleşir. Yüksek basınçlı gaz bir ısı değiştiricisi veya ayrı bir soğutma sisteminde 4 haline soğutulur ve ters akışlı bir ısı değiştiricisinde (rejeneratörde), çevrimde dolaşan soğuk gaza ısı vererek 5 haline gelir. Son olarak gaz, doymuş sıvı-buhar karışımı olan 6 haline kısılır. 7 halindeki sıvı kullanım için ayrılır, 8 halindeki buhar ise yeniden çevrime döner ve jeneratörden geçerek 9 haline gelir. Çevrim sürekli akışlı bir sistemde tekrarlanır.

Gazların sıvılaştırılması için kullanılan bu çevrim ve diğerleri gazların dondurulması veya katılaştırılması için kullanılır.

Şekil 2.4.5.4. Gazları sıvılaştırmak için Linde-Hampson yöntemi

2 . 5 . Gaz akışkanlı soğutma çevrimleri

Bu bölümün başında, güç çevrimlerini karşılaştırmak için bir standart oluşturan Carnot çevrimiyle soğutma çevrimleri için aynı işlevi gören ters Carnot çevriminin aynı hal değişimlerinden oluştuğu, fakat bu hal değişimlerinin ters yönde gerçekleştiği belirtilmişti. Buradan yola çıkarak, daha önceki bölümlerde incelenen güç çevrimlerinin, ters yönde gerçekleştirilerek, soğutma çevrimi olabilecekleri düşünülebilir. Gerçekten de, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ters yönde çalışan bir Rankine çevriminin benzeridir. Bir başka örnek, Stirling soğutma makinelerinin dayandığı ters Stirling çevrimidir. Bu bölümde gaz akışkanlı soğutma çevrimi diye bilinen ters Brayton çevrimi incelenecektir.

Gaz akışkanlı soğutma çevrimi Şekil 2.5.1 de gösterilmiştir. Çevre sıcaklığı T₀ olup, soğutulan ortam T_L sıcaklığındadır. Gaz 1-2 hal değişimi sırasında sıkıştırılır. Kompresörden çıktığında (2 hali), basıncı ve sıcaklığı yüksek olan gaz, daha sonra sabit basınçta çevreye ısı vererek T₀ sıcaklığına soğur. Bu işlemi, türbinde genişleme izler ve genişleme sonunda gazın sıcaklığı T₄’e düşer. (Bu soğutma etkisi. türbin yerine bir kısılma vanası kullanarak gerçekleştirilebilir mi?) Son olarak gaz, soğutulan ortamdan ısı çekerek T₁ sıcaklığına yükselir.

Yukarıda belirtilen hal değişimlerinin tümü içten tersinirdir, bu nedenle çevrim ideal gaz akışkanlığı soğutma çevrimi diye bilinir. Gerçek gaz akışkanlı soğutma çevrimlerinde, sıkıştırma ve genişleme izantropik değildir, ayrıca sonlu büyüklükte bir ısı değiştiricisi için, T₃ sıcaklığı, T₀ sıcaklığından daha yüksek olur.

Şekil 2.5.1. Basit Gaz Akışkanlı Soğutma Çevrimleri

T-s diyagramında 4-1 eğrisi altında kalan alan, soğutulan ortamdan çekilen ısıyı göstermektedir. 1-2-3-4-1 hallerinin çevrelediği alan ise çevrime giren net işi simgeler. Bu alanların birbirine oranı, çevrimin etkinlik katsayısıdır ve aşağıdaki gibi ifade edilir.

COP_SM =

Burada,

q_L = h₁ – h₄

w_t = h₃ – h₄

w_k,g = h₂ – h₁

olmaktadır.

Gaz akışkanlı soğutma çevrimi, ters Carnot çevriminden farklıdır, çünkü ısı geçişinin olduğu hal değişimleri sabit sıcaklıkta değildir. Hatta, gaz sıcaklığı ısı geçişi sırasında önemli ölçüde değişir. Bunun bir sonucu olarak, gaz akışkanlı soğutma çevriminin etkinlik katsayısı, gerek buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminden, gerekse ters Carnot çevriminden daha düşüktür. Bu durum Şekil 2.5.1.’de verilen T-s diyagramından da açıkça görülmektedir. Ters Carnot çevrimi daha az net iş gerektiren (1A3B1 alanı), daha çok soğutma yapmaktadır (B1 altındaki alan).

Şekil 2.5.2. Ters Carnot Çevrimi daha az işlem daha çok soğutma sağlar.

Gaz akışkanlı soğutma çevrimlerinin etkinlik katsayıları düşüktür, fakat bu çevrimlerin iki önemli özelliği vardır. İlk olarak, bu çevrime göre çalışan makineler daha basit ve hafif elemanlar gerektirirler, bu bakımdan uçaklarda soğutma için elverişlidirler.

2 . 6 . Isı transferi

Isı Transferinin Tanımlanması ve Türleri

Isı transferi konusu bugün mühendisliğin tüm dallarında uygulama sahası bulmakta ve fakat denilebilir ki Makine Mühendisliğinde bu daha da geniş olmaktadır. Makine Mühendisliği, ısı transferi ilmini ısıtma, soğutma, klima, havalandırma konularında başka içten yanmalı motorlarda, buhar üretiminde, ısı değiştirgeçlerinin dizaynında ve Makine Mühendisliğinin daha pek çok dallarında geniş ölçüde kullanmaktadır.

Isı transferi teorisi geniş ölçüde ileri fizik ve ileri matematik uygulamaları ile irdelenebilmekte, çoğu problemlere ancak basitleştirmek suretiyle ve bazı kabuller yapmak suretiyle matematiksel bir çözüm getirebilmektedir.

Soğutma işleminin gerçekleştirilebilmesinde soğutma sisteminin bir çok yerinde ısı alış-verişi olayı meydana gelir ve soğutma sahasında ısı transferi başlı başına en geniş yeri tutmaktadır. Soğuk odaların ısı tecritinden evaporatör ve kondenser dizaynına, soğuk odada muhafaza edilen çeşitli tür maddelerden kompresör gövdesindeki ısı akımlarına kadar soğutma sisteminin hemen her elemanında ısı transferi olayı meydana gelmektedir. Önce, soğutulan ortamın kendisi ısı transferi olayına maruz kalır ki, bunun nedeni, soğutulan ortamın normal olarak civar hacimlerden soğutulan ortama doğru bir akış meydana getirmesidir. Soğutulan hacme giren ısı, soğuk odanın kendi içinde bulunan veya meydana gelen ısı ile (soğutulan mal, aydınlatma, motor, insanlar, v.s) ve kapı açılmalarında meydana gelen dış hava sirkülasyonunun ısısıyla birleşir ve çoğalır. Evaporatör/soğutucu tarafından alınıp soğutucu akışkan/refrijeran maddeye geçirilen ve “Soğutma Yükü” diye adlandırılan ve toplam ısı, Buhar sıkıştırma çevriminde kompresör tarafından sıkıştırma işlemiyle kondensere sevk edilir. Kondenser, evaporatörden alınan ısı ile kompresörün sıkıştırma işlemi sırasında harcanan enerjinin ısıl karşılığı toplamını soğutma çevriminden uzaklaştırır. Görüldüğü gibi, ısı transferi sistemin bir çok elemanında defalarca meydana gelmektedir, ayrıca soğutucu akışkanın sistemin değişik yerlerinde sıvı ve gaz halde oluşu ve konum değişikliğine uğraması sırasında “Kütle Transferi” olayı ile de karşılaşılır.

Isı transferi olayı 3 değişik şekilde olmaktadır ve bunlar :

1. A) Kondüksüyon (İletim)
2. B) Konveksiyon (Taşıma)
3. C) Radyasyon (Işıma), diye adlandırılmaktadır.

Isı enerji türüdür ve ısının transferi de gene Termodinamiğin 1. Ve 2. Kanunları altında meydana gelmektedir. Her üç ısı transferinde de bir sıcaklık farkı gelmekte, ısı yüksek sıcaklık tarafından alçak sıcaklık tarafına doğru akmakta ve bir kaynağı terk eden ısı miktarı onu alan elemanların ısı artışına eşdeğer olmaktadır.

2.6.1. İletim

Isı iletimi bir ortam içerisinde bulunan bölgeler arasında veya doğrudan doğruya fiziki temas durumunda bulunan farklı ortamlar arasında, atom ve moleküllerin fark edilebilir bir yer değiştirmesi olmaksızın bunların doğrudan teması sonucu meydana gelen ısı geçişi işlemidir. Termodinamiğin II. Kanununa göre ısı yüksek sıcaklıkta bulunan bir bölgeden düşük sıcaklıktaki bir bölgeye akar. Kinetik teoriye göre bir maddenin sıcaklığı, bu maddeyi meydana getiren moleküllerin veya atomların ortalama kinetik enerji ile orantılıdır. Kinetik enerjinin fazla olması iç enerjinin fazla olması demektir. Kinetik enerjinin fazla olması demektir. Kinetik enerjinin fazla olması, iç enerjinin fazla olması demektir. Bir bölgede moleküllerin ortalama kinetik enerjisi, sıcaklık farkından dolayı bitişik bölgedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjilerden fazla ise, enerjileri fazla olan moleküller bu enerjiyi komşu olan moleküllere iletirler. [8]

Isının çeşitli malzemeler üzerinden iletilme oranı 1) Malzeme kalınlığı 2) Kesit alanı 3) Malzemenin iki tarafındaki sıcaklık farkı 4) Malzeme ısı iletkenliği 5) Isı akışının süresi gibi faktörlere bağlıdır.

Yüksek ısı iletkenliğine sahip metaller, bizzat soğutma sisteminin kendisi içinde kullanılır. Çünkü hızlı bir ısı transferinin hem evaporatör hem de kondenserde meydana gelmesi istenir. Evaporatörün içinde ürün veya hava, boruların içindeki soğutucudan daha yüksek sıcaklıktadır ve düşük sıcaklığa doğru bir ısı transferi olur. Oysa kondanserde, soğutucu buhar kondenserin geçer ve etrafında dolaşan soğutma ortamından daha yüksek sıcaklıkta yine burada da, düşük sıcaklığa doğru bir ısı transferi olmaktadır. Bu ısı transferi yöntemleri iletimdir.

2.6.2. Konveksiyon

Konveksiyon, akışkan hareketi ile enerji taşınımı işlemidir. Ortam bir sıvı veya gaz ise, akışkan haraketi ile ısı enerjisi bir bölgeden diğer bir bölgeye sıcaklık farkından dolayı transfer edilecektir. Isı transferinin en önemli konusu konveksiyondur. Isı değiştiricilerinde akışkanlar, katı cisimler (yüzeyler) ile birbirinden ayrılmış olduklarından, konveksiyon, bir yüzey ile akışkan arasındaki enerji taşımında en önemli ısı transferi mekanizmasıdır.

Soğutucunun içindeki hava konveksiyon akımının sonucuna ait başlıca örnektir. Buzdolabının soğutma serpantini ile, temastaki hava soğur ve bu yüzden de yoğunluğu artarak, buzdolabının dibine inmeye başlar. Bu şekilde, yiyeceklerden ve odanın ısısını çekmiş olan buzdolabının duvarlarından ısı çeker.

Tablo 6.1. (k) Değerleri Kcal/h. °C m

Malzemenin Cinsi	(k)	Malzemenin Cinsi	(k)
Silica Aerojel	0.018	Biriket-Dolu-Curufdan-Sert	0.75
Poliüretan	0.020	Biriket-Dolu-Kum	0.90
Camyünü, Styropor, Mantar	0.035	Kireç Harç	0.75
Ruberoit	0.12	Cam-Ortalama	0.80
Kereste-Yumuşak (Cam, Ladin, Köknar, Ihlamur, Sunta)	0.12	Döşeme – Karo Mozayik	0.90
Kereste-Sert (Gürgen, Kayın)	0.15	Döşeme-Grobeton	1.10
Bitüm veya Katranlı kanaviçe	0.15	Döşeme-Şap betonu	1.20
Hafif Betondan l = 800 Kg/m3	0.35	Döşeme Blokajı, Mozaik, vs.	1.50
Hafif Betondan l = 1200	0.45	Çimento Harç	1.20
Hafif Betondan l = 1600	0.68	Beton – 120	1.30
Hafif agrege l = 1000	0.60	Beton – 160	1.75
Hafif agrege l = 1400	0.60	Ağır tabii Taşlar (Mermer vs)	3.00
Hafif agrege Üç sıra boşluklu	0.48	Kurşun (saf)	31.50
Tuğla Delikli l = 1000 Kg/m	0.40	Çelik (Ortalama)	39.0
Tuğla Delikli l = 1200 Kg/m	0.45	Demir (Saç, profil, vs.)	40-45
Tuğla Delikli l = 1400 Kg/m	0.52	Demir (599.8 saflıkta)	60
Tuğla-Dolu-Hafif l = 1200 Kg/m	0.45	Pirinç (%70 Bakır, %30 Çinko)	90
Tuğla-Dolu-Hafif l = 1400 Kg/m	0.52	Çinko (%99.8 Saflıkta)	97.5
Tuğla-Dolu-Normal l=1800 Kg/m	0.68	Alüminyum (%99 Saflıkta)	1.70
Tuğla-Dolu-Ağır l = 1900 Kg/m	0.90	Alüminyum (%99.9 Saflıkta)	196
Kiremit l = 2000	0.90	Bakır (%99.9 Saflıkta)	326
Dış Cephe Kaplama Tuğlası	1.12	Gümüş (Saf)	360

Hava ısıyı soğuduktan sonra genleşir, yoğunluğu azalmaya başlar ve ısının çekildiği soğutma serpantinine ulaşana dek yükselir. Konveksiyon çevrimi, hava ile serpantin arasında sıcaklık farkı olduğu sürece devam eder. Piyasa tipi ünitelerde, dolabın içine plakalar yerleştirilebilir. Bunun amacı konveksiyon akımlarının, serpantinin etrafında arzu edilen hava akış şekillerini almaya yönlendirilmesidir. (MEB)

2.6.3. Radyasyon (Işınım):

Bir cismi meydana elemanter taneciklerin ısıl hareketi, elektromagnetik ışıma şeklindeki enerji neşretmelerine sebep olur. Sıcaklığın artması, taneciklerin hareketini ve dolayısıyla ışıma şiddetini arttırır.

Radyant ısı, koyu renkli veya donuk cisimler veya maddeler tarafından kolayca soğurulur. Oysa, açık renkli yüzeyler veya malzemeler, ışık ışınlarını olduğu gibi, radyant ısı dalgalarını da yansıtırlar. Bundan dolayıdır ki ısı dalgalarını da yansıtırlar. Bundan dolayıdır ki buzdolabının açık renkte imal edilir.

Cisimlerin bazıları bu yapılan ışıma enerjisini soğurur, bazıları yansıtır, bazıları da içlerinden daha serbestçe geçmelerine müsaade ederler. Yalnız mükemmel bir boşluktan serbestçe geçerler. Yapılan bu enerji dalgaları soğurgan başka bir ortama tesadüf ettiklerinde enerjilerini bu ortama transfer ederek bu ortamın ısıl hareketini arttırırlar. Böylece ısı enerjisi, neşredilen sitemden, ışımayı doğuran sisteme transfer edilmiş olur. Sistemlerden birinin sıcaklığı azalırken diğerinin sıcaklığı artar. Bütün cisimler sürekli olarak ısıl ışıma neşreder. [8]

3. SOĞUTMA ÇEVRİM ELEMANLARI

Bu bölümde, buhar sıkıştırma çeviriminde kullanılan cihaz ve ekipmanın tanıtılması ele alınacaktır. Bir buhar sıkıştırma çevrimi aşağıdaki kısımdan meydana gelmektedir.

1- Kompresör

2- Evaparatör

3- Kondenser

4- Soğutucu akışını kontrol elemanları

4.1- Kılcal boru

4.2- Termostat

4.3- Drayer

4.4- Monometre

4-5 Termometre

1. Soğutma Kompresörleri

Soğutma kompresörünün sistemdeki görevi (a) Buharlaştırıcı Soğutucudaki ısı ile yüklü soğutucu akışkanı buradan uzaklaştırmak ve böylece arkadan gelen ısı yüklenmemiş akışkana yer temin ederek akışın sürekliliğini sağlamak (b) Buhar haldeki soğutucu akışkanın basıncını kondenserdeki yoğuşma sıcaklığının karşıtı olan seviyeye çıkarmaktır.

İdeal bir kompresörde şu genel ve kontrol karakteristikleri aranır:

1. Sürekli bir kapasite kontrolü ve geniş bir yük değişimi-çalışma rejimine uyabilme.
2. İlk kalkışta dönme momentinin mümkün olduğunca az olması.
3. Verimlerin kısmi yüklerde de düşmemesi.
4. Değişik çalışma şartlarında emniyet ve güvenirliliği muhafaza etmesi.
5. Titreşim ve gürültü seviyelerinin kısmi ve tam yüklerde ve değişik şartlarda belirli seviyesinin üstüne çıkmaması.
6. Ömrünün uzun olması ve arızasız çalışması.
7. Daha az bir güç harcayacak birim soğutma değerini sağlayabilmesi.
8. Maliyetinin mümkün olduğu kadar düşük olması.

Fakat bu karakteristiklerin tümüne birden sahip olan bir kompresör yoktur denebilir. Uygulamalardaki şartlara göre yukarıdaki karakteristiklerden en fazlasını sağlayabilen kompresör, seçimde tercih edilecektir.

Genel yapıları itibariyle soğutma kompresörlerini aşağıdaki şekilde sınıflandırmak mümkündür:

1A ) Pozitif Sıkıştırmalı Kompresörler

1. a) Pistonlu Kompresörler
2. b) Paletli Dönel Kompresörler
3. c) Helisel-Vida Tipi Dönel Kompresörler

1B) Santrifüj Kompresörler

1A/a ) Pistonlu Kompresörler

Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketi yapan bir pistonla sıkıştırma işlemini yapan bu tip kompresörlerde tahrik motorunun dönme hareketi bir krank-biyel sistemi ile doğrusal harekete çevrilir. Eski çift etkili kompresörlerin, yatık tip pistonlu buhar makineleri ile hareketlendirilmesinde hiç dönel hareket olmadan da çalışma durumlarına rastlamak mümkündür. Bugünkü pistonlu soğutma kompresörleri genellikle tek etkili, yüksek devirli ve çok sayıda silindirli makineler olup açık tip (kayış kasnak veya kavramalı) veya Hermetik tip kompresör şeklinde (Amonyak hariç) dizayn ve imal edilmektedir.

Pistonlu kompresörlerin uygulanma şartları, birim soğutucu akışkan soğutma kapasitesine isabet eden silindir hacmi gereksinimi az olan ve fakat emiş/basma basınç farkı oldukça fazla olan refrijeranlar için uygun düşmektedir.

Açık tip pistonlu kompresörlerin bugünkü silindir tertip şekilleri genellikle düşey, I, Vasıfsız işgücünün, W tertibinde I’a 16 silindir ve tek etkili olup, yatık ve çift etkili kompresör dizaynı hemen tamamıyla terkedilmiştir. Tam kapalı hermetik tip motor-kompresörlerde düşey eksenli krank mili ve motor ile yatay eksenli silindir tertibi çok sık uygulanmaktadır.

1A/b ) Paletli Dönel Kompresörler

Dönel kompresörler, pistonlu kompresörlerin gidip gelme hareketi yerine sıkıştırma işlemini yaparken dönel hareketi kullanırlar. Bu dönel hareketten yararlanma şekli ise değişik türden olabilir (tek ve çift dişli, tek paletli, çok paletli) çift dişli prensibine göre çalışan ve çok sık rastlanan Heisel vida tipi dönel kompresörler bundan sonraki paragrafta gösterilmiştir. paletli tip dönel kompresörlerin en çok uygulanan iki tipine bu paragrafta değinilecektir.

1A/b1 ) Tek/Dönmeyen Paletli Tip Kompresörler

Daha ziyade küçük kapasiteli ve tam kapasiteli/hermetik tip motor-kompresör dizaynına uygulanan bu tip paletli dönel kompresörlerde palet dış gövdeye yerleştirilmiştir ve dönel hareket katılmaz, sadece dönel rotorun eksantrik hareketini takip ederek doğrusal hareket yapar. Bu ve diğer tip dönel hareketli kompresörlerde en önemli husus; birbirine temas ederek hareket eden parçaların yüzey düzgünsüzlükleri ile çalışma boşluklarının mümkün olduğu kadar az olması (sızıntıların azaltılması için) ve sürtünme/aşınmaların asgari seviyede tutulmasını sağlayacak şekilde iyi bir yağlama yapılmasıdır. Bu kompresörlerde sızdırmazlık Hidrodinamik etkiyle kontrol altında tutulur. Hidrodinamik etkiden kastedilen veya bunu meydana koyan faktörler, çalışma boşlukları, relatif hareket hızları, yağlama yağının viskozitesi ve parçaların yüzey işlemi düzgünlükleridir. Dönel kompresörlerde ölü hacim çok küçük olarak yapılabildiği için Volumetrik verim çok yüksektir. Ayrıca, iyi bir imalat tekniği ile ses ve titreşim seviyeleri pistonlu kompresörlere nazaran çok daha alçak seviyelerde olabilmektedir. Ancak, ses ve titreşim seviyesi kompresörün büyüklüğü arttıkça artmaktadır ve büyük tip dönel kompresörlerde basma tarafı ses yutucusu (susturucu) konulması uygun olmaktadır. Bu tip kompresörlerin ana parçaları ve bunların özellikle aşağıda kısaca izah edilmektedir.

Kompresör Kapasite Kontrol Mekanizması

Soğutma yüklerinin daha düşük seviyelerde olduğu çalışma şartlarında sistemin tam yükteki gibi dengeli ve yüksek bir verimle çalışmasını sağlamak ve daha az enerji sarf etmek maksadıyla değişik türden kapasite kontrol mekanizmaları geliştirilmiştir. Bunlardan uygulamada rastlananlar; (1) Kompresör emiş tarafını kısarak emiş basıncını kontrol altında tutmak, (2) Basma basıncını kontrol altında tutmak, (3) Basılan refrijanı kısmen veya tamamen emiş tarafına yönelmek, (4) Refrijeran devresine genişleme hacmi ilave etmek, (5) Piston kursunu azaltıp çoğaltmak, (6) Kompresör basma manifoldu çıkışını kapatıp emişe kısa devre etmek, (7) Kompresörün devrini azaltı çoğaltmak, (8) Silindire girişi tamamen kapatmak, diye sayılabilir.

a ) Dış gövde/Silindir

Haraket eden parçaları, yatakları refrijeran giriş ve çıkış yollarını, basma tarafı klepesini, hermetik tiplerde elektrik motorunu, tahrik şaftını ve diğer aksamı içinde toplayan dış gövde çoğunlukla iyi vasıflı, sızdırmaz pik dökümden yapılır. Hareket eden eksantrik rotorun temas ettiği iç yüzey ve karşılıklı iki yan yüzeyler çok dar toleranslarla işlenir, taşlanır ve honlanır. Hermetik tiplerde genellikle uygulanan dizayn şekli düşey motor/kompresör ekseni tertibi şeklidir.

1. b) Hareketli Rotor

Tahrik miline eksantrik şekilde tespit eden rotor dönme hareketi yaparken dış gövdenin iç yüzeylerini sıyırarak hareket eder. Rotor, vasıflı çelikten yapılarak dar toleranslarda taşlanır ve parlatılır.

1. c) Palet

Kompresör verimi büyük ölçüde paletin sızdırmazlık seviyesine bağlı olduğundan bunların çok ince (0.08m) toleranslarla işlenmesi ve şekillendirilmesi gereklidir. İmal edildikleri malzeme cinsleri, vasıflı gri pik döküm, çelik, alüminyum ve karbon (ASTM Type “A” Graphite) şeklinde sayılabilir. Palet kalınlığı, yük altında fazla eğilmeyecek tarzda seçilir (kanat boyunun maksimum %0.005’i). paleti rotora karşı bastıran yayın basma kuvveti, refrijeranın kondenser yoğuşma basıncına göre ve %25 arttırılarak tayin edilir.

1. d) Tahrik Mili

Bu tip kompresörlerin tahrik milinde aranan en önemli unsur rijitliği yani fazla esnememesi, çalışma aralıklarını ve yağlama yağı filmini koruyabilmesidir. Bu nedenle, mil malzemesinin sert çelikten olması (Min. 52 Rockwell) ve yeterli boyutlarda yapılması, yüzeyinin çok iyi işlenmesi gerekmektedir (0.125 mikrona taşlanıp honlanarak parlatılacak).

1. e) Yataklar

Yatakların, dönel elemanları çak iyi ve hassas şekilde taşıması gereklidir, aksi halde yağ filmi çok öncelir (sürtünme ve aşınma artar, ısınma olur ve daha fazla enerji sarfolur) veya tersine çok artarak sızmaların da artmasına sebep olabilir. Yatakların ayrıca; güvenilir, dış etkilerden fazla etkilenmeyen, uzun ömürlü ve bakıma gerek göstermeyen tip olması gerekir. Dökme demir üzerine geçirilmiş çelik zarf yataklar çok iyi sonuç vermiştir. Keza, sertliği 180-220 Brine arasında olan ferritsiz-vasıflı gri pik döküm (gözeneksiz-sıkı perlitik döküm) yataklardan da iyi sonuç alınmaktadır.

1. f) Valf

Dönel kompresörlerde akış sürekli olduğundan emiş valfine gerek yoktur. Basma tarafına, yüksek vasıflı çelikten yapılmış, genellikle yaprak tipi bir valf (klepe) konulur. Valf kalınlığı, kompresörün büyüklüğüne bağlı olarak 0.1 ile 0.3 mm arasında değişir (5 hp’den küçük kompresörler). Valf yaprağının düzgün ve kenarlarının pürüzsüz olması sızdırmazlık yönünden çok önemlidir.

1A/b2) Çok/Dönen Paletli Dönel Kompresörler

Daha ziyade büyük kapasiteli kompresörlere uygulanan bu dizayn şeklinde paletlerde rotorla birlikte dönel harekete katılırlar (İki paletli çalışan küçük kapasiteli hermetik tip kompresörlere de bazen rastlamak mümkündür). R-12, 22 ve Amonyak gibi refrijeranlarla, tek kademeli olarak, normal evaporasyon sıcaklık seviyelerinde kullanıldığı gibi Kaskat Sistemi derin soğutma uygulamalarının yüksek süpürme debisi gerektiren alçak kademesi için ideal bir çözüm gerektirmektedir. Keza kademeli derin soğutma uygulamaları için terfih (Booster) kompresörü olarak (-20 ila -90 °C arasında) başarıyla kullanılmaktadır. Bugünkü imalatların güç olarak sınırları 10 ila 600 HP arasında değişmektedir. Bu tip kompresörlerin özellikleri : aynı kapasitedeki diğer tip kompresörlerden daha küçük boyutlu ve daha hafif olmaları, endüstriyel uygulamaların gerektirdiği şekilde sağlam ve dayanıklı olmaları, çok düşük evaporasyon sıcaklıklarında başarıyla kullanabilmeleridir. Uygulama yerlerinin başında; soğuk depoculuk, gıda maddeleri dondurulması işlemleri, endüstriyle ve kimyasal proseslerin soğutma gerektiren işlemleri gelmektedir. Bu kompresörlerin palet sayısı genellikle 4 ila 16 arasında değişmekte olup palet sayısının kompresör büyüklüğü arttıkça fazlalaşması bir çok yönden fayda sağlamaktadır. Sıkıştırma oranının, birim soğutma kapasitesine harcanan gücün en düşük seviyede kalmasını sağlayacak şekilde tertibi gerekir. Bugünkü çok paletli dönel kompresörlerde sıkıştırma oranı 1/7 sınırının altında tutulmaktadır. Diğer yandan, emiş/basma dizayn basınç farkının da çok yüksek tutulmaması gerekir; aksi halde paletlerde aşırı gerilim (esneme) meydana geleceği gibi yatak yükleri de artacaktır ve rotorun esnemesi söz konusu olacaktır. Bu kompresörlerde yağlama; gerek palet-gövde/paletrotor sürtünmesini azaltmak, gerek soğutmayı iyi bir seviyede tutmak ve gerekse refrijeranın geri sızmasını asgari seviyede tutabilmek yönünden çok önemlidir.

Bu kompresörlerin normal olarak kapasite kontrol mekanizmasıyla teçhiz edilmesi beklenir. Kapasite kontrol sınırları %20 ila %100 arasında seçilir ve bu sürekli-kademesiz bir kontrol sağlanır. En uygun kapasite kontrol mekanizması silindirin yan yüzeylerine konulan valflerin ayarlanması ile sağlanan tip olanıdır. Bu valfler aynı zamanda aşırı basınç altında açılarak yüksek basınca karşı koruma sağlarlar ve kompresörün yağlama mekanizmasından gelen basınçlı yağın verdiği kontröllü kumanda ile kapasite kontrolü görevini yaparlar. Yağ basıncı yokken valfler tam açıktır ve dolayısıyla ilk kalkışta asgari yükle kalkış temin edilmektedir. Bu valfler, paletler arasındaki boşluktan, sıkıştırılmakta olan gazın emiş tarafına by-pass’ını sağlayarak çıkış basıncının düşürülmesini ve kapasitenin kontrolünü mümkün kılmaktadır.

1A/c) Helisel Tip Dönel Kompresörler

Pozitif sıkıştırmalı kompresörler genel grubuna giren bu kompresörlerin değişik konstrüksiyonu haiz bir çok türüne rastlamak mümkündür. Soğutma uygulamalarında halen en çok rastlanan helisel tip dönel kompresörleri, bariz farklara sahip iki ana grupta toplamak mümkündür; (1) Tek vidalı/helisli tip, (2) Çift vidalı/helisli, dönel kompresörler. Ancak, her iki tip kompresörün de çalışma prensibi ve konstrüktif yönden bir çok müşterek yanları vardır. Örneğin, basınçla yağın püskürtülmesi suretiyle hem yağlama işleminin yapılması, hem sıkıştırma işlemi sırasında sızdırmazlığın sağlanması hem de meydana gelen ısının gövdeden alınıp uzaklaştırılması, her iki tür kompresörde de yerleşmiş bir uygulama şeklidir. Keza, sıkıştırma oranları, kapasite kontrolü mekanizmaları ve ısı ekonomizeri tertipleri her iki tip kompresörde de benzer durumdadır.

1A/c1) Tek Vidalı/Helisli Tip Dönel Kompresörler

Bugünkü tek vidalı tip dönel kompresörlerin ana prensibi ilk defa 1960’lı yılların başlarında getirilmeye başlanmış ve ilk 10 sene bunlardan daha ziyade hava kompresörü olarak yararlanılmıştır. Daha sonraki yıllarda ise soğutma uygulamalarında kullanılmaya başlanmış ve gittikçe daha geniş bir soğutma kapasitesi kapsamına cevap vermek üzere yapılmaya devam etmiştir.

1A/c2) Helisel/Vida Tipi Dönel Kompresörler

Çalışma prensibi yönünden dişli yağ pompasına benzeyen bu kompresörler, birisi erkek diğeri dişli bir helisel vida çiftinden meydana gelmektedir. Bu helisel vida çifti bir dış gövde içerisine yerleştirilmiş ve her iki başlarından yataklanmıştır. Dış gövde refrijeran giriş/çıkış ağızlarını da içerir. Refrijeran gazın helisel boşluklarındaki hareketi hem radyal hem de aksiyal yönde oluşmaktadır. Helisel dişlilerden birisi (genellikle erkek helisel dişli) tahrik gücünü sıkıştırma işlemine iletir ve bu işlem sırasında diğer dişli serbest durumda tahrik edeni takip ederek döner. Ancak, her iki helisel dişlinin de ayrı ayrı tahrik gücü verilerek, senkronize edilmiş devir sayılarıyla tahrik edildiği dizayn şekillerine de rastlamak mümkündür.

Helisel/Vida tipi kompresörlerde emiş ile basma (çıkış) ağızları arasındaki işlemi 4 kademeye ayırmak mümkündür. Bunlar; (A) Emiş, (B) İlerleme, (C) Sıkıştırma, (D) Basma. Bu işlem her helisel dişli çiftinin beher diş çiftinde tekrarlanmaktadır. Helisel dişlinin diş profili ise ilk yapılan tiplerde dairesel iken son yıllarda daha verimli bir çalışma ve daha iyi bir sızdırmazlık sağlayan asimetrik özel bir profile dönüştürülmüştür.

Vida tipi kompresörler Kuru/Yağsız çalışacak tarzda dizayn edilebileceği gibi daha çok yağ püskürtmeli olarak yapılabilir. Kuru tip vidalı kompresörlerde sıkıştırma oranı ve giriş-çıkış basınç farkı sınırlıdır ve devir sayıları yüksektir (3600 d/d’nın üzerinde). Yağ püskürtmeli tiplerde (45 ila 50°C sıcaklıkta) bu sınırlamalar geniş ölçüde kalkmaktadır.

Püskürtülen yağ ayrıca silindir soğutulmasına, sesin ve aşınmaların azaltılmasına yardım etmektedir ve kompresör, gelen refrijeranda daha yüksek oranda sıvı refrijeran bulunmasına tahammül edebilmektedir ki bu, soğutma uygulamaları için önemli bir husustur. Yağ püskürtmeli vida kompresörler R-12, 22, 502 ve Amonyak gibi çok rastlanan refrijeranlara (yüksek yoğuşma basınçlı refrijeranlar) rahatça uygulanabilmektedir ve halen 20 ila 1500 HP arasındaki güçlerde imal edilmektedir.

Helisel/Vida tipi kompresörlerinin performans özellikleri şöyle özetlenebilir;

1. a) Düzgün (kesintisiz) bir refrijeran gaz akışı sağlar,
2. b) Düzgün bir tork değeri muhafaza edilir,
3. c) Pozitif sıkıştırma özelliği vardır,
4. d) Geniş bir yük değişimi sahasında titreşimlerin asgari seviyede tutulabilmesi sağlanabilir,
5. e) Yüksek bir Volumetrik verim ve Adyabatik verim elde edilir,
6. f) Emiş ve basma klapelerinin bulunmadığı (Arıza kaynağının ve basınç kayıplarının ortadan kalkması yönünden) bir yapıya sahiptir,
7. g) Diğer tip kompresörlerden daha hafif ve boyutları küçüktür.

Bu kompresörlerin yağ püskürtmeli tipinde yağın, yüksek basınca sıkıştırılan gazdan bir yağ ayırıcı ile ayrılması ve soğutulması gereklidir. Yağ ayırıcısının tipi, sistemin özelliklerine ve kullanılan refrijerana göre değişir.

Yağlama sisteminden beklenen işlemler şunlardır;

( 1 ) Helislerin bulunduğu silindirlerde yağlama; refrijeranın geri sızmasını azaltma, gaz soğutulmasına yardım etme gibi hususlar,

( 2 ) Şaftları taşıyan yatakların yağlanması,

( 3 ) Kompresör rotorunun eksenel kuvvetlerini hidrolik olarak dengeleme,

( 4 ) Kapasite kontrol mekanizmasını hareket ettirmek,.

Refrijerandan alınan ısı, yağ soğutucudan tekrar geri alınıp sistemden atılır.

1 B) Santrifuj Kompresörler

buhar sıkıştırma çevrimiyle soğutma işlemi yapan santrifuj kompresörlerin, pistonlu ve dönel paletli veya vida tipi kompresörlerden farkı pozitif sıkıştırma işlemi yerine santrifuj kuvvetlerinden faydalanarak sıkıştırma işlemini yapmasıdır. Santrifuj kompresörlerde özgül hacmi yüksek olan akışkanların ( daha geniş hacımlerin ) kolayca hareket ettirilmesi mümkün olduğu için sık sık büyük kapasiteli derin soğutma ( - 100°C kadar ) işlemlerinde uygulandığı görülür. Santrifuj kuvvetlerin büyüklüğü hızların karesi ile doğru orantılı olduğundan, giriş – çıkış basıncı farklarının büyütülmesi devirin arttırılması ile veya rotor çapının büyütülmesiyle veyahutta kademe sayısı arttırılarak sağlanabilir.

KOMPRESÖR PERFORMANSI

Bir makinenin performansı, makinenin daha önceden belirlenen görevini yerine getirilebilme yeteneğinin değerlendirilmesidir. Kompresör performansı, soğutucunun kompresörün ve motorun belli fiziksel sınırlamalarının biraraya gelerek oluşturduğu tasarımım bir sonucudur ve şunları sağlamasına çalışılır:

1. Arızasız en uzun ömür
2. Minimum güç girişine karşılık maksimum soğutma etkisi
3. Minimum maliyet
4. Geniş bir çalışma koşulları aralığı
5. Uygun bir titreşim ve ses düzeyi

Kompresör performansına ait iki yararlı ölçünün biri kompresör ver değiştirmesiyle ilgili olan kapasite, diğeri de performans faktörüdür.

Sistem kapasitesi, kompresörün ulaştığı soğutma etkisidir. Kompresörü terkeden buharın basıncına karşılık gelen sıcaklıktaki soğutucu sıvı ile kompresöre giden soğutucu buharın toplam entalpileri arasındaki farka eşittir. Birimi kJ / kg’ dır.

Bir hermetik kompresörün performans faktörü, motor ve kompresörün ortak çalışma verimini gösterir.

Performans faktörü ( hermetik ) =

Son yıllarda , enerji tasarrufu üzerine çekilen dikkat nedeni ile, performans faktörü endüstri için önemli bir hale gelmiştir. Bunun için artık EVO ( enerji verim oranı ) terimi kullanılmaktadır ve soğutma ve de klima ünitelerinin gerçek performansı ARI yönetmeliklerinde onaylanmakta ve listelenmektedir, böylece kullanıcılar, bilirkişiler, tesisatçılar ve güç şirketleri, çeşitli makinelerin izafi verimlerini değerlendirebilirler.

Kompresör performansına ait öncelikle kompresör tasarım mühendislerinin kullandığı ve soğutma teknisyenleri için pratik kullanımı olmayan üç diğer tanımlama ve ölçü vardır; yinede bunları kabaca bilmek iyidir.

Kompresör verimi sadece silindir içinde olan bitinle ilgilidir. Gerçek sıkıştırmanın, ideal sıkıştırmadan sapmasının bir ölçüsüdür ve silindirin içinde yapılan işe göre tanımlanır.

Hacimsel verim strok başına silindire giren taze buhar hacminin piston yer değiştirmesine oranı olarak tanımlanır.

Gerçek kapasite İdeal kapasitenin ve toplam hacimsel verimin bir fonksiyonudur.

Fren Beygir Gücü İdeal kompresöre ve kompresörün sıkıştırma, mekanik ve hacimsel verimlerine olan güç girişinin bir fonksiyonudur.

Bu ders bir soğutma teknisyeninin görevleri daha çok, tanımlı bir çalışma koşulları aralığına göre, kompresörün veya kondenser ünitesinin gerçek kapasitesi ve güç girişi ile ilgilidir.

Kompresör imalatçıları, ASHRAE ve / veya ARI şartlarına uygun uygun olması gereken değerler için, kompresörlerini ayrıntılı testlere ( Şekil S11 – 4 ) tabi tutarlar. İki tip kompresör testi vardır. Birincisi kapasite, verim, gürültü seviyesi, motor sıcaklığı vb. belirler. İkinci ve aynı oranda gerekli olan test ise, makinenin muhtemel ömrünü tespit eder. Ömür testi, kompresör yıllar boyu çalışması gereken koşullara benzer koşullar altında gerçekleştirilmelidir. Bu çalışmada emniyet ve kurallara sadık kalma en önemli faktörlerdir.

Bu bilgilerden yararlanarak imalatçı, ürünün uygun şekilde kullanılması için gereken performans ve uygulama verilerini sunabilir veya yayınlayabilir.

Kapasite değerleri, aşağıdaki bilgileri içeren tablolar ve eğriler halinde yayınlanır:

1. Kompresörün tanımlanması – Silindir sayısı, çap, strok vs.
2. Aşırı soğutma devreleri veya verinin sıfır derece aşırı soğutmaya göre düzeltildiğini belirten bir ifade
3. Kompresör devir sayısı
4. Soğutucu tipi
5. Emme gazı kızdırma ısısı
6. Kompresör ortamı
7. Dış soğutma şartları ( gerekirse )

Şekil 4.1. Hermetik Pistonlu bir kompresöre ait tipik kapasite ve güç eğirleri

Maksimum güç veya maksimum çalışma koşulları ve yüksüz çalışma altındaki minimum çalışma koşulları

Şekil 4.1’de, hermetik pistonlu bir kompresöre ait tipik bir kapasite ve güç girişi eğrisi görülüyor. Önce belirtilen gerçeklere dikkat ediniz: Soğutucu ( Refrijeranın 22 ) 6°C aşırı soğutulmuş sıvı, 11, 1°C kızgın buhar ve 1750 d / dk’ lık kompresör devir hızı. Kapasite sol düşey eksende ve kW cinsinden gösteriliyor. Kilowatt cinsinden güç girişi de sağ düşey eksende gösteriliyor. Alt yatay eksende ise bir buharlaşma sıcaklığı aralığı bulunuyor. Yoğuşma sıcaklıkları diagonal eğriler üzerindedir. ( Not: Bu, soğutucunun yoğuşma sıcaklığıdır, hava veya su soğutmalı kondenser terminolojisi ile karıştırılmamalıdır. Kompresör, ne çeşit bir kondenser kullanıldığını bilmez, yalnızca ne değerde yoğuşma sıcaklığı ve basınçları üretmesi gerektiğini bilir. ) soğutma kapasitesini belirlemek üzere, evoporatör sıcaklığının – 3, 9 °C ve yoğuşma sıcaklığının 46, 1 °C olduğunu farz edelim. Yatay eksende – 3,9°C’ ı bulup yukarı 46, 1 °C eğrisine A noktasına çıkın, sonra sola gidin; son okunacak değer 30, 76 kW’ dir. Güç girişini belirlemek için, - 3, 9°C’ den yukarı 46, 1 °C ve B noktasının kesişme noktasına çıkın, sonra sağa yatay olarak gidin. Okunacak güç girişi değeri yaklaşık 11, 5 kW’ tır.

Sabit bir yoğuşma sıcaklığında, tabii ki, sabit bir deplasman makinesinin pompaladığı gazın düşük yoğunluklu olmasının neden olduğu evoporatör sıcaklıklarındaki düşmeyle, kapasitenin nasıl hızla azaldığını gözleyiniz. Buna rağmen, düşük basınçlı buharları uygun yoğuşma basınçlarına yükseltmek için gereken yüksek çalışma seviyelerini gösteren güç girişi eğrilerinin o kadar hızlı düşmediğine dikkat ediniz. Bu yüzden, ticari soğutma ve klima sistemlerinin göreceli koşulları oldukça farklıdır.

Açıkça anlaşılacağı gibi, bu tip bir kompresörü çok çeşitli şartlarda kullanmak pratik değildir. Soğutma sistemindekine benzer bir eleman denge grafiğinden yararlanılabilir. Serpantin imalatçısından alınan evoporatör kapasite eğrileri, değişken buharlaşma sıcaklıklarına sahip, giren hava sıcaklıklarına dayandırılmıştır. Çeşitli çevre sıcaklıklarında kondanser-kompresör denge noktalarına ait denge koşulları için benzer kalın eğriler çizilebilir. 4,4 °C’ lik giriş havası için evoporatör yükünün 16,11 kW olduğunu farzedelim; bu, - 3,5°C’ lik bir buharlaşma sıcaklığı veya 8 °C sıcaklık farkı olmasını gerektirir ( A noktası ). Yine farzedin ki kompresör / kondanser 37,8 °C’lik dış hava sıcaklığında çalışıyor; - 3,3° C’lik aynı buharlaşma sıcaklığında kapasitesi yaklaşık 17,28 kW olacaktır(B Noktası), yani 1,17 kW’lık bir fark bulunuyor. Eğer dış hava sıcaklığı 37,8 °C’de sabit kalırsa ve evaporatör yükü de sabit kalırsa, sonuç buharlaşma sıcaklığında bir düşüş ve dolayısıyla evaporatör SF’ında ve kapasitesinde bir artış olacaktır. Bu arada, kompresör kapasitesi de, sistem 16,7 kW ve –4,4 °C evaporatör sıcaklığında kararlı koşullara erişene dek düşer (C Noktası).

4.3. EVAPORATÖR (Buharlaştırıcı-soğutucu)

Bir soğutma sisteminde evaporatör sıvı refrijeranın buharlaştığı ve bu sırada bulunduğu ortamdan ısıyı aldığı cihazdır. Diğer bir ifadeyle, evaporatör bir soğutucudur. Kondenserden direkt olarak veya refrijeran deposundan geçerek ve direkt ekspansiyonlu sistemde (kuru tip) ekspansiyon valfi, kılcal boru veya benzer bir basınç düşürücü elemanda adyabatik olarak genişletildikten sonra Evaporatöre sıvı-buhar karışımı şeklinde giren refrijeranın büyük bir kısmı sıvı haldedir. Evaporatörde ısı olarak buharlaşan refrijerana, emiş tarafına geçmeden önce bir miktar daha ısı verilmesi ve 3-8°C arasında kızgınlık verilerek kızgın buhar durumuna gelmesinin bir çok faydaları vardır. Bunların en başında, kompresöre büyük zarar verebilen sıvı refrijeranın kompresöre gelmesi gösterilebilir. Sıvı taşmalı tip evaporatörlerde ise refrijeran evaporatörde sıvı halde bulunur ve ısıyı alarak buharlaşan kısmı bir sıvı - buhar ayırıştırıcısından (surge tank) geçtikten ve sıvı kısmı ayıldıktan sonra buhar halinde kompresöre ulaşır. Sıvı refrijeranın evaporatöre beslenmesi seviye kumandalı (flatörlü, manyetik. vs.) bir vana ile yapılır. Sıvı ayıştırıcı tankta biriken sıvı refrijeran tekrar evaporatöre gönderilir ve soğutma işleminde yararlanır. Direkt veya sıvı taşmalı tertiplerde çalışan evaporatörlerin hepsinde de refrijeran basıncı, kondenser tarafındaki basıncı, kondenser tarafındaki basınca oranla çok daha düşüktür. Bu nedenle, evaporatör tarafına sistemin alçak basınç tarafı adı verilir.

Evaporatörün yapısı; refrijeranın iyi ve çabuk buharlaşmasını sağlayacak, soğutulan maddenin (Hava, su, salamura, v.s.) ısısının iyi bir ısı geçiş sağlayarak, yüksek bir verimle alacak ve refrijeranın giriş ve çıkıştaki basınç farkını (kayıpları) asgari seviyede tutacak tarzda dizayn edilmelidir. Ancak, bunlardan sonuncusu ilk ikisiyle genellikle ters düşmektedir. Şöyle ki; iyi bir ısı geçişi ve ii iyi bir buharlaşma için gerekli şartlar iç ve dış yüzeylerin daha girintili ve daha kolay ıslanır (kılcallığı fazla) olmasını gerektiren bu durum basınç kayıplarını arttırmaktadır. Bu nedene, evaporatör dizaynı geniş tecrübe ve dikkat isteyen, ayrıca deneylere sık sık başvurulan bir çalışma şeklini gerektirir. Bu çalışmaların yönlendirilmesinde en başta gelen etken soğutulacak maddenin cinsi ve konumudur (sıvı, katı, gaz). Ayrıca, refrijeran ısı alışverişi yaparken içinde bulunduğu ve haraket ettiği hacmin durumu de evaportör dizaynında önemli değişikler meydana getirir. Burada, refrijeranın bir boru serpantinin içerisinde hareket etmesi ve soğutulacak maddenin boruların dışından geçmesi veya bunun tersi söz konusu olmaktadır ki bunlardan ilki genellikle kuru tip-direkt ekspansiyonlu evaporatörlerde, ikincisi ise sıvı taşımalı tip evaporatörlerde uygulanmaktadır. Refrijeranın boru içinden geçmesi halinde, akış hızının arttırılmasının içteki film katsayısını ve dolayısıyla ısı geçişini arttırıcı yönde bir etkisi beklenir, fakat bu durum refrijeranın basınç kayıplarını arttıracağı için akış debisini azaltacak ve kapasiteyi düşürecektir. Burada, her iki etkenin durumu beraberce göz önünde bulundurup ısıl geçiş ve kapasitenin optimum olduğu değerler saptanmalıdır.

Evaporatör tipleri, uygulamanın özelliklerine göre 3 ana grupta toplanabilir; (A) Gaz haldeki maddeleri soğutmak için kullanılan evaporatörler (genellikle hava), (B) Sıvı haldeki maddeleri soğutucu evaporatörler (Su, salamura, antifriz, metilen glikol, kimyasal akışkanlar, vs.) (C) Katı maddeleri soğutucu evaporatörler (Buz, Buz paten sahası, metaller, vs.)

4.3.A) Hava soğutucu evaporatörler

Bu tip evaporatörlerde, havanın ısı geçirme katsayısı düşük olduğundan bunu telafi etmek ve hava geçiş yüzeylerini arttırmak maksadıyla genellikle kanatçıklar ilave edilir. Isıl film katsayısını daha da arttırmak üzere hava geçiş hızlarını arttırmak için vantilatörlerle cebri bir hava hareketi sağlanabilir. Ancak, kanat ilavesi, gerekse motorla tahrikli vantilatör konulması her uygulamada pratikman mümkün olmayabilir. Örneğin, ev tipi soğutucularda ve küçük kapasiteli ticari tip dolaplarda (kasap dolabı, vitrin tipi dolaplar gibi), hatta bazen küçük soğuk muhafaza odalarında gravite tipi veya tabii konveksiyonla hava sirkülasyonu diye anılan evaporatörler kullanılmaktadır.

Gravite tipi, kanallı boru evaporatörlerde ısı geçirme katsayıları, 2-10 kcal/h.°Cm² arasında değişmekte (Bakır boru – Alüminyum kanat imalat için) ve kanat sıklığı arttıkça veya düşey yöndeki boru sıra sayısı arttıkça ısı geçirme katsayısı düşük değere yaklaşmaktadır.

Cebir hava sirkülasyonu (Forced Convestion) evaporatörler daha az ısı geçiş alanı ile daha yüksek kapasiteler sağlayabilmektedir ve uygulamanın duruumu müsaade ettiğinde daima tercih edilir. Memleketimizde Erfos (Airforce) adıyla anılan bu tür soğutcular Ünit soğutucu diye de tanımlanmakta ve hava hareketi çoğunlukla aksiyal/pervane tipi bazen de radyal/santrifuj tip (kanalla hava iletimi ve aşırı basınç kaybı mevcutsa) vantilatörlerle sağlanmaktadır. Bu cihazlar soğutucu soğutucu serpantin (Evaporatör) hava vantilatörü ve damlama tavası ile saç dış muhafazadan meydana gelmektedir. Hava vantilatörü, üfleyici ve emici şekilde çalışacak tarzda yerleştirilebilir.

Ünit soğutucu adı, vantilatörü ile birlikte olan komple bir soğutucuyu tanımlar. Halbuki cebri hava sirkülasyonu daha genel kapsamlı bir tanımlamadır. Nitekim, vantilatörü bulunmayan, örneğin bir klima santralı tarafından integral şekilde sağlanan bir soğutma serpantini (evaporatörü) gene cebri hava sirkülasyonu olarak hesaplanır, dizayn edilir.

Cebri hava hareketi evaporatörleri 3 ana grupta toplamak mümkündür; (1) Alçak hızlı soğutucular (Hava hızı 1-1,5 m/san), (2) Orta hızlı soğutucular (2,5-4 m/sn), (3) Yüksek hızlı soğutucular (4-10 m/san). Fazla hava hareketi sakıncalı olan uygulamalarda (çiçek muhafazası, et kesim odası gibi hava hareketinin 1 m/san. altında olması gereken haller) alçak hızlı soğutucular kullanılmalıdır. Orta hızlı soğutucular genel soğutma uygulamalarında ve en sık kullanılan cihazlardır. Yüksek hızlı soğutucular ise hızlı soğutma istenen hallerde, örneğin şok tünellerinde ve özel hızlı soğutma işlemlerinde uygun bir soğutma şekli sağlar.

Ünit soğutucunun hava debisi ile evaporasyon sıcaklığının en doğru şekilde hesabı, “oda duyulur/toplam” ısı oranının bulunması ve buradan gidilerek oda Aparat Çiğ Noktasının (Room Apparatus Dew Point) psikometrik diyagram üzerinde saptanması ile sağlanır. Bu tarz hesap, klima uygulamalarında daima yapılır, fakat ünit soğutucu seçiminde pek tatbik edilmez, zira duyulur ısı oranının gerçek değerini tespit etmek çoğunlukla güçtür. Bunun yerine aşağıdaki tabloda verilen yaklaşık değerlerden yararlanmak mümkündür.

Tablo 4.3.A) Oda-Evap. Sıc. Farkında Muhafaza Edilebilecek Ortalama Oda Nem Seviyeleri

Oda-Evap. Sıc. Fark	Relatif Nem	Oda-Evap. Sıc. Fark	Relatif Nem
5.6°C	%85-90	13.8°C	55-60
8.3	75-80	16.6	45.50
11.2	65-70	19.4	40.45

Bir soğutulmuş hacimde, sıcaklığın en düşük olduğu yer şüphesiz evaporatörün yüzeyidir. Bu nedenle, oda nemi yeterli seviyede yüksek ise, oda havası evaporatör üzerinden geçerken çiğ nokta sıcaklığının altına düşerek içerisindeki nem yoğuşmaya başlayacaktır. Hatta, evaporatör yüzey sıcaklığı ile 0°C’nin altında ise, bu ne donacaktır da. Oda sıcaklığı ile evaporasyon sıcaklığı farkını belirli sınırların altında tutmak suretiyle, oda relatif rutubetini de belirli bir seviyede tutmak mümkündür. Yukarıdaki tablo, bu değeri vasat bir oda veya dolap için vermektedir.

4 . 4 . KONDENSER (YOĞUŞTURUCU)

Soğutma sisteminde refrijeranın evaporatörden aldığı ısı ile kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında ilave olunan ısının sitemden alınması kondenserde yapılır. Böylece, refrijeran sıvı hale gelerek basınçlandırılır ve tekrar genleştirilerek evaporatörden ısı alacak duruma getirilir.

Buhar ve gazların bir yüzeyde yoğuşması, yüzeyin vasıflarına (düzgünlüğü, parlaklığı, geometrik durumu, ıslanılırlığı vs.) bağlı olarak “damla veya film teşekkülü” tarzlarında oluşur. Damla teşekkülü ile yoğuşma (dropwise condensation) durumunda çok daha yüksek (film teşekkülünden 4 – 8 defa daha fazla) ısı geçirgenlik kat sayıları sağlana bilmekte ve bu tercih edilmekte ise de uygulamada, refrijeran özellikleri ve kondenser imalatının ekonomik faktörlerle sınırlanmaları nedeni ile ancak film tarzı yoğuşma ve az ölçüde de damla teşekkülü ile yoğuşma birlikte olmaktadır.

Kondenserdeki ısı alış – verişinin üç safhada oluştuğu düşünülebilir, bunlar; (1) Kızgınlığın alınması, (2) Refrijeranın yoğunlaşması, (3) Aşırı soğutma. Kondenser dizaynına bağlı olarak aşırı soğutma kondenser alanının % 0 – 10’ unu kullanacaktır. Kızgınlığın alınması içinse kondenser alanının % 5’ ini bu işleme tahsis etmek gerekir. Bu üç değişik ısı transferi şekline bağlı olarak kondenserdeki ısı geçirme kat sayıları ile sıcaklık aralıkları da farklı olacaktır. Ancak, kızgınlığın alınması safhasındaki ortalama sıcaklık aralığının fazlalığına karşı daha düşük bir ısı transfer kat sayısı mevcut olacak, fakat aşırı soğutma sırasında bunun aksine sıcaklık aralığı daha az ve ısı geçirme kat sayısı daha fazla olacaktır. Yoğuşma sırasında ise her iki değerde alt – üst seviyeleri arasında bulunacaktır. Yapılan deneylerde ısı transferi kat sayısının artması karşısında sıcaklık farkının azalması (veya tersi) yaklaşık olarak aynı çarım sonucunu vermektedir ve bu değerlerin ortalamasını kullanmak mümkün olmaktadır. Hesaplamada sağladığı basitlikte göz önünde bulundurularak, kondenserlerin hesabında tek bir ısı geçirme kat sayısı ile tek bir ortalama sıcaklık aralığı değerleri uygulanmaktadır.

Genel olarak 3 değişik tip kondenser mevcuttur; (A) Su soğutmalı kondenserler, (B) Hava ile soğutmalı kondenserler, (C) Evaporatif (hava – su) kondenserler

4 . 4 . 1 Su Soğutmalı Kondenserler :

Bilhassa temiz suyun bol miktarda, ucuz ver düşük sıcaklıklarda bulunabildiği yerlerde gerek kuruluş ve gerekse işletme masrafları yönünden en ekonomik kondenser tipi olarak kabul edilebilir. Büyük kapasitedeki soğutma sistemlerinde genellikle tek seçim olarak düşünülür. Fakat son yıllarda yüksek ısı geçirme kat sayıları sağlanan hava soğutmalı kondenserlerin yapılmasıyla 100 ton kapasitelerine kadar bunlarında kullanıldığı görülmektedir.

Su soğutmalı konderserlerin dizaynı ve uygulamasında; boru malzemesinin ısıl geçirgenliği, kullanılan suyun kirlenme kat sayısı, kanatlı boru kullanıldığında kanat verimi, su devresinin basınç kaybı, refrijeranın aşırı soğutulmasının seviyesi gibi hususlar göz önünde bulundurulur.

Kirlenme katsayısı, kullanılan suyun zamanla su tarafındaki ısı geçiş yüzeylerinde meydana getireceği kalıntıların ısı geçişini azaltıcı etkisini dikkate almak maksadını taşır. Kirlenme katsayısını etkileyen faktörler şunlardır: (1) Kullanılan suyun, içindeki yabancı maddeler bakımından evsafı, (2) Yoğuşum sıcaklığı, (3) Kondenser borularının temiz tutulması için uygulanan koruyucu bakımın derecesi.

Kanat verimi veya kanat yüzeyinin etkinliği değeri; düz boru baz kabul edilerek (% 100) buna oranlı aynı film katsayısı ile ve kanat yüzeyinin düz burudaki yüz sıcaklığında olması halinde birim yüzeyden geçecek ısı miktarına oranı şeklinde tarif edilir. Kanat verimi yüksek olan bir kanat profili, yüzey arttırılışının daha etkili bir ısı geçişi sağlayacak şekilde yapıldığı ifade eder.

Kondenser seçiminde suyun basınç düşümü (sürtünme ve diğer akış kayıpları sebebiyle) önemli olup 5 – 7 mSS seviyesine aşmamalıdır. Aksi halde aşırı halde sirkülasyon pompası manometrik basıncı gerekecek ve güç sarfı artacaktır. Diğer bir husus kondenserin çalışma şartlarında gereken “aşırı soğutmayı” (subcooling) sağlamasıdır. Bilhassa sıvı refrijeran gidiş borusu uzun olan veya basınç kaybı meydana getiren vana, dirsek, drayer gibi elemanların veya düşey yükselmesinin fazla olduğu uygulamalarda sıvı refrijeran köpürmesi olayı meydana gelerek kapasitenin önemli derecede düşmesine sebep olur ki bunu önlemek için sıvı “aşırı soğutması” gereklidir. Bu maksatla, kondenserin en alt seviyesine, sıvı refrijeranın içine daldırılmış soğutucu boruları konulur.

Su ile soğutmalı kondenserler değişik şekillerde ve konstrüksüyonda yapılmakta olup genel tipleri şunlardır:

4.4.1.A ) Dik tertipli Boru / Dış zarf tipi (Shell and Tube)

4.4.1.B ) Yatık tertipli Boru / Dış zarf tipi (Shell and Tube)

4.4.1.C ) Helisel serpantin / Dış zarf tipi (Shell and Tube)

4.4.1.D ) İç içe çift boru (Double Pipe) tipi

4.4.1.E ) Atmosferik tip

Bunlardan hangi tipin kullanılacağı uygulamasının ısıl yük, refrijeran, soğutma suyu sıcaklık, debi, basınç ve temizlik durumlarıyla yer durumuna, refrijeran ve su devrelerinin servis bakım şartlarına göre değişebilir. Aşağıdaki paragraflarda bunların her birisinin genel dizayn ve uygulama özellikleri belirtilmiş olup bir fikir vermek amacıyla bazı teknik donelerle tanıtıcı şekiller verilmektedir. İmalatçı firmalar bununla ilgili olarak değişik prototipler yapıp deneyler uygulayarak kendi tiplerini geliştirmekte ve ısı geçirme katsayıları ile su devresi basınç kayıpları için en uygun konuları saptamaktadırlar.

4 . 4 . 1 . A ) Dik tertipli Boru / Dış zarf tipi Kondenserler :

Bilhassa yer gereksiniminin az olması nedeniyle büyük kapasiteli amonyak kondenseri uygulamaları için tercih edilir. Ayrıca, su dağıtım şekli daha basit ve her türlü su kaynağı ile (kule, şebeke – havuz, vs.) kullanılabilir durumdadır, sıvılaşan refrijeranı daha az bir yükseklik seviyesinde toplamak mümkündür, su devresinin temizlenmesi daha basittir, su basınç kayıpları daha düşük tutulabilir. Uygulamada kullanılan ölçüler 40 ila 150 cm çap ve 3 ila 5 m yükseklik sınırları arasında olup su geçiş boruları genellikle dikişsiz, 2 inç çapta ve 20 ila 400 adet arasında değişmektedir.

Kondenser boruları kondenser aynalarına makineto ile sıkılarak sızdırmazlık sağlanır. Kondenser aynalarına, sızdırmazlığı pekiştirmek için imalat sırasında içten bir veya iki oluk açılır. Makineto çekilirken boru bu oluklara şişerek labiren etkisi ile daha iyi bir sızdırmazlık sağlar. Eski tip kondenserlerde bakır boruların aynalara gümüş kaynağı ile tespit edildiği görülür, fakat bu tarz imalat zamanla kaynak çatlaması veya korozyon yaparak sızdırmalar meydana getirmekte, büyük hasarlara (kompresöre su yürüyerek) sebep olmaktadır. Demir borulu amonyak kondenserlerinde ise kaynaklı imalat tekniği hala devam etmektedir.

Kondenserler, tek aynalı, U – firkete borular kullanılarak yapıldığı gibi, ki bu taktirde boruların su tarafı (içi) mekanik usullerle temizlenemez, çift aynalı, düz borular kullanılarak ve her iki baştan makineto çekilerek de yapılmaktadır.

Boru malzemesi olarak, halojen esaslı refrijeranlar için genellikle bakır ve bazen de dikişsiz çelik borular kullanılmaktadır. Dış yüzeyler düz veya kanatlı olarak yapılır. Kendinden (integral) kanatlı bakır boruların fiziki ölçüleri; 5/8 “(16 mm) veya ¾” (19 mm) dış çapta, kanat yüksekliği net 1.2 mm civarında, kanat aralığı 0.75 mm (1 inçte 19 kanat) veya 1.023 mm (inçte 25 kanat) olarak uygulanmaktadır. Demir borulu amonyak kondenserlerinde ise en çok uygulanan boru ölçüleri, 1 – ¼ dış çap ve 2 mm a,et kalınlığıdır.

Kondenserlerin su devresi çoğunlukla 1; 2 ve 4 geçişli olarak tertiplenir. Geçiş sayısının arttırılması aynı kondenserde daha fazla kapasite elde edilmesini sağlayacak ve fakat su basınç kaybını arttıracaktır. Geçiş sayısının adedine göre kondenser kapaklarının bölme durumunun tertiplenmesi ve buna göre imal edilmesi gerekmektedir. Kondenser kapakları, kaynaklı sacdan imal edildiği gibi pik döküm malzemeden de yapılmaktadır. Kondenser kapağı yerine konulurken normal bir klingirit veya lastik conta ile birlikte konulur ve su sızdırmazlığı sağlanır.

Kondenserin dış zarfı siyah sacdan kıvrılarak ve kaynak edilerek yapılabileceği gibi hazır çelik boru (düz veya spiral kaynakla) kullanılarak da yapılabilir. Kondenser aynaları siyah sacdan kesilip boru delikleri delindikten sonra dış zarfa kaynakla tespit edilir. Kondensere ayak ve kompresör tespit sehpası konuşacaksa bunlar, iç borular konulamadan tamamlanıp yerine kaynatılmalıdır. Keza, refrijeran giriş ve çıkışları ile diğer bağlantı yerleri önceden tamamlanmalıdır.

Su soğutmalı kondenserlerin ısıl geçirgenlik katsayıları; su hızına, boru boy ve sayısına, dış zarfın çapına, boru malzemesinin cinsine ve dış yüzeyinin düz veya kanatlı oluşuna göre çok geniş sınırlar arasında değişmektedir.

Kondenser seçiminin en uygun şekli imalatçı firma kataloglarından olmaktadır. Teorik hesaplamalar çok yanıltıcı olabilir ve gerçekte imalatçı firmalarda teorik hesapları sadece değişik tip ve ölçülerin kapasiteye etki derecesini mukayese etmek yönünden uygulamakta, bunun dışında ise bir prototip yapıp tecrübe ederek kapasiteleri tespit etmektedirler. Bu nedenle bir kondenser hesabından ziyade kondenser seçiminden söz etmek gerekir. Ancak, benzer kondenserlerden toplam ısı geçirme katsayısı (Ku) saptanabiliyorsa, kondenser kapasitesi; tüm kondenser tipleri için :

Q_k = A (m²) x Ku (Kcal / h.C.m²) x t_In olarak hesaplanabilir.

4.4.1.C ) Helisel serpantin / Dış zarf tipi kondenserler :

Bir dış zarfın içine yerleştirilmiş tek veya çok sayıda helisel serpantin devresi aynen yukarıdaki boru / dış zarf tipinde olduğu gibi refrijeranın dış zarf içinde yoğunlaştırılmasını sağlar. Su, helisel serpantinin içinden geçirilir. Dış zarf kaynaklı çelik imalat olup serpantin, bakır veya dikişsiz çelik borudan yapılır. Dik tipi helisel serpantin / dış zarf tipi kondenser yatık tarzda da tertiplenebilir. Bu tip kondenserler çoğunlukla küçük soğutma uygulamalı kapasiteler için (1 ila 10 ton / fr.) kullanılmakta ve imalat kolaylığı sayesinde maliyet seviyelerinde yapılabilmektedir (aynaların delinmesi, makineto çekilmesi gibi işçilikler bulunmaktadır).

4.4.1.D ) Çift cidarlı kondenserler :

Daha ziyade küçük kapasiteler için ve paket tipi cihazlarda kullanıldığı görülen bu tür sulu kondenserler, hem klima hem soğuk muhafaza uygulamalarında oldukça uzun zamandan beri kullanılmaktadır. Bu tür kondenserleri iki gruba ayırmak mümkündür (1) serpantin tipi, (2) ızgara tipi veya kollektörlü tip. Her iki türde de refrijeranın dış zarftan geçirilmesi, kondenserin hava ile temas eden dış yüzeyinden de tabii konveksiyon yoluyla ek bir soğutma için yararlanılması nedeniyle tercih edilmektedir. Ayrıca, soğutma suyunun akış yönüyle refrijeranın akış yönü birbirine zıt olacak tarzda tertiplenmek suretiyle çapraz / karşı akımlı ısı değiştirici durumu oluşturulup böylece ısı transferinin daha geniş bir sıcaklık farkı ile yapılması mümkün olur ki bu suretle daha küçük ve ekonomik bir kondenserin (ısı geçiş yüzeyinin) yeterli olması sağlanır. Bu tür kondenserler bazen, hava soğutmalı kondenserlerle birlikte ve aşırı soğutma (subcooling) sağlamak üzere kullanılmaktadır. Böylece kondenser ısıl yükünün geçici olarak aşırı olduğu dönemlerde, kondenserin su devresinde bir su regülatör valfı bulunmak kaydıyla, çok az su sarfı sureti ile, ikinci kademedeki böyle bir takviye kondenser ile soğutma çevriminden en iyi verimin alınması sağlanmaktadır.

4.4.1.D.1 ) Serpantin tipi çift cidarlı kondenserler :

İç içe iki borunun merkezlenmiş (konsantrik) şekilde birleştirilip serpantin halinde sarılması suretiyle elde edilmektedir. Uygulamanın gereğine göre serpantin, yuvarlak halka veya boyuna uzatılmış trombon şeklinde yapılmaktadır. Isı transferi katsayısının arttırılması amacıyla bazen iç borunun çeperine 1, 2 veya 3 yerden helisel oluklar açıldığı görülmektedir. Bu tip kondenserlerin mekaniki yoldan temizlenmesinin mümkün olmaması önemli bir mahzur teşkil etmektedir.

4.4.1.D.2 ) Izgara tipi çift cidarlı kondenserler :

Küçük kapasiteler için ekonomik ve az yer kaplayan bir çözüm getirmek üzere su tarafının mekaniki olarak temizlenebilmesi sağlanacak tarzda uzun süreden beri imal edilmekte olan bu kondenserler gittikçe daha seyrek kullanılmaya başlanmıştır. Bunun en başta gelen nedeni, imalat tekniği yönünden oldukça pahalı oluşları ve diğer birçok kondenser türünün daha düşük maliyetlerle yapılabilmesidir. Çelik boru kullanılarak elektrik kaynağı ile yapılan imalatlar nispeten daha düşük maliyet seviyelerini mümkün hale getirmekte ve fakat ısı geçirme katsayılarının bakır boruya oranla daha düşük olması nedeni ile kondenserin boyutları önemli ölçüde artmaktadır. Bakır boru ile yapılan imalatlarda (halokarbon türü refrijeranlar için) gümüş kaynağı / sert lehim veya pirinç kaynağı gerektiğinden maliyetleri oldukça yüksek olmaktadır.

4.4.1.E ) Atmosferik tip kondenserler :

Bu tip kondenserler soğutma tekniğinde oldukça uzun bir zamandan beri kullanılmaktadır (bilhassa amonyak soğutucu akışkanla çalışan buz imalathanelerinde). Suyun gravite ile aşağı doğru hareketinde, boru dış yüzeyleriyle temasından sonra bir kısmının buharlaşarak ek bir soğutma sağlaması (evaporatif kondenserde olduğu gibi) ortalama su sıcaklığının daha düşük ve dolayısıyla SU – Refrijeran sıcaklık farkının daha yüksek olmasını sağlar ki bu durum, kondenser soğutma alanını küçültecek şekilde değerlendirilebilir. Ancak, suyun ısı transfer yüzeylerine temas verimliliği diğer tip kondenserlerden oldukça daha düşük olmaktadır. Bu kondenserlerin daha geniş bir yer kapladığı ve servis bakımlarının daha sık yapılmasının gerekeceği hemen dikkati çekecektir. Bu ve daha birçok nedenlerle bu tip kondenserlerin kullanımı bugün artık çok azalmıştır.

4.4.2. Hava Soğutmalı Kondenserler :

Bilhassa 1 hp’ ye kadar kapasitedeki gruplarda istisnasız denecek şekilde kullanılan bu tip kondenserlerin tercih nedenleri; basit oluşları, kuruluş ve işletme masraflarının düşüklüğü, bakım – tamirlerinin kolaylığı şeklinde sayılabilir. Ayrıca, her türlü soğutma uygulamasına uyabilecek karakterdedir (ev tipi veya ticari soğutucular, soğuk odalar, pencere tipi klima cihazları gibi). Çoğu uygulamalarda, hava sirkülasyon fanı, açık tip kompresörün motor kasnağına integral şekilde bağlanır ve ayrık bir tahrik motoruna ihtiyaç kalmaz.

Hava soğutmalı kondenserlerde de ısı transferi 3 safhada oluşur, bunlar : a) Refrijerandan kızgınlığın alınması. (b) Yoğuşturma. (c) Aşırı soğutma. Kondenserin alanın takriben % 85’ i yoğuşturma olayına hizmet eder ki kondenserin asli görevi budur. % 5 civarında bir alan kızgınlığın alınması ve % 10 ise aşırı soğutmaya (subcooling) hizmet eder. Hava soğutmalı kondenserlerde yoğuşan refrijeranı kondenserden almak ve depolamak üzere genellikle bir refrijeran deposu (receiver) kullanılması usul haline gelmiştir. Bundan maksat, kondenserin faydalı alanını sıvı depolaması için harcamaktadır.

Havalı kondenserler, halokarbon refrijeranlar için genellikle Bakır boru–alüminyum kanat tertibinde, bazen de bakır boru / bakır kanat ve bakır veya çelik boru / çelik kanat tertibinde imal edilirler. Alüminyum alışımı boru / kanat imalatlara da rastlamak mümkündür. Kullanılan boru çapları ¼ “ile ¾” arasında değişmektedir. Kanat sayısı beher metrede 160 ila 1200 arasında değişir, fakat en çok kullanılan sıklık sınırları 315 ila 710 arasında kalmaktadır. Bu tip havalı kondenserlerin ısı geçiş alanı ihtiyacı, ortalama olarak 2,5 m/san. Hava geçiş hızında, beher ton – frigo (3024 Kcıl / h) için 9 ila 14 m³ arasında değişmektedir. Çok küçük, tabii hava akışlı evaporatör(ev tipi soğutucular vs.) kondenserler hariç tutulursa, hava ihtiyacı ortalama beher Kcal. / h için 0,34 ila 0,68 m³ / h. arasında değişmekte olup buna gereken fan motor gücü beher 1000 Kcal. / h. için 0,03 ila 0,06 hp civarında olmaktadır. Fan devirleri 900 ila 1400 d / d. Arasında olmalıdır. Kondenser fanları genellikle aksiyal tip olup sessizlik istenen yerlerde radyal tip kullanılabilir. Refrijeran yoğuşma sıcaklığı ise, hava giriş sıcaklığının 10 – 20 °C üzerinde bulunacak şekilde düşünülmelidir. Genelde boruların durumu, kanat aralıkları, derinlik (boru sırası), alın alanı gibi dizayn özellikleri hava debisi ihtiyacını, hava direncini ve dolayısıyla fan büyüklüğünü, fan motor gücünü ve hatta grubun ses seviyesi ile maliyetleri etkileyecektir. Bu günkü kondenser dizayn şekli, sıcak refrijeranın üsten bir kollektörle birkaç müstakil devreye verilmesi, yoğuştukça gravite ile aşağı doğru inmesi ve aşırı soğutma sağlanarak gene bir kollektörden alınması şeklindedir.

Hava soğutmalı kondenserler, grup tertip şekline göre (a) Kompresör ile birlikte gruplanmış (b) Kompresörden uzak bir mesafeye konulacak tarzda tertiplenmiş (split Condenser) olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir.

Kondenserden hava geçişi düşey ve yatay yönde olacak tarzda tertiplenebilir. Diğer yandan, hava fanı, havayı emici veya itici etkisi ile hareketlendirecek şekilde konulabilir.

Bir soğutma sistemini bekleneni verebilmesi, büyük ölçüde yoğuşma basınç ve sıcaklığının belirli sınırlar arasında tutulabilmesi ile mümkündür. Bu ise kondenserin çalışma rejimi ile yakından ilgilidir. Aşırı yoğuşum sıcaklık ve basıncının önlenmesi, kondenserin yeterli soğutma alanına sahip olmasıyla ilgili olduğu kadar, hava devresinde yeterli debi ve sıcaklıkta havanın bulunmasıyla da ilgilidir. Yoğuşma sıcaklık ve basıncının çok düşük olması halinde ise yeterli refrijeran akışı olmamasına bağlı olan sorunlar çıkmaktadır. Örneğin, termostatik ekspansiyon valfında yeterli basınç düşümü sağlanamamasından dolayı kapasitesinin düşmesi sık sık rastlanan bir durumdur. Bu nedenle, bilhassa soğu havalarda çalışma durumu olduğunda, çok düşük yoğuşma basıncını önleyici tedbirler alınır ki bunları iki ana grupta toplamak mümkündür, (a) Refrijeran tarafını kontrol etmek, (b) Hava tarafını kontrol etmek

4.4.3.Evaporatif Kondenserler :

Hava ve suyun soğutma etkisinden birlikte yararlanılması esasına dayanılarak yapılan evaporatif kondenserler bakım ve servis güçlükleri, çabuk kirlenmeleri, sık sık arızalanmaya müsait oluşları nedeniyle gittikçe daha az kullanılmaktadır.

Bir evaporatif kondenser 3 ana kısımdan oluşmaktadır (a) Soğutma Serpantini, (b) Su sirkülasyon ve püskürtme sistem, (c) Hava sirkülasyon sistemi. Soğutma serpantinin içinden geçen refrijeran, hava soğutmalı kondenserde olduğu gibi, yoğuşarak gaz deposuna geçer. Serpantinin dış yüzeyinden geçirilen hava, ters yönden gelen atomize haldeki suyun bir kısmını buharlaştırarak soğutma etkisi meydana getirir. Böylece kondenserdeki yoğuşma sıcaklığı ve dolayısıyla basıncı daha aşağı seviyelere düşürülmüş olur. Serpantinin dış yüzeyi, ısı transferi film kat sayısının düşük oluşunun etkisini karşılamak üzere, alanı arttırmak için kanatlarla teçhiz edilmektedir. Ancak, modern evaporatif kondenserlerde, boru dış yüzeylerinde iyi bir ıslaklık elde edilmesi neticesi yüksek ısı transfer kat sayılarına ulaşılmakta ve kanatsız düz borular kullanılmaktadır. Kondenserin alt seviyesinde bulunan su toplama haznesinde su devamlı şekilde bir pompa ile alınıp soğutma serpantinin üst tarafında bulunan bir meme grubuna basılır ve memelerden püskürtülür. Bu suyun takriben % 3 – 5’ i buharlaşarak (takriben 6 ila 7,5 litre – h beher ton – frigo için) havaya intikal ettiğinden, su haznesine, flatörlü valf aracılığıyla devamlı su verilir.

Evaporatif Kondenserler genellikle binanın dışına ve çatıya konulur, fakat bina içine konularak hava giriş – çıkışları galvenizli saçtan kanallarla da sağlanabilir. Bina dışındaki cihazların kışında çalışması söz konusu ise donmaya karşı tedbir alınmaktadır. Bina içindeki uygulamalarda ise, ıslak havanın atıldığı kanalın soğuk hacimlerden geçmesi halinde kanıl içinde yoğuşma olacağı hatırda tutulmalı ve bu suyun toplanıp atılması için önlem alınmalıdır. Bina içi uygulamaları, bir ekzost sistemi ile entegre olarak uygulandığında ekzost fanı ve elektrik enerjisinden tasarruf sağlayacaktır.

4.5. 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.[1]

Kapiler boru en iyi, yükün az çok sabit olduğu soğutucular, 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 valfıdır. [3]

4.5.1. Kapiler Boru Kullanımının Avantajları

1)Maliyettir. Bu kullanımın geliştirilmesindeki temel amaç malzemenin maliyetini düşürerek satış fiyatını düşürmek olmuştur.

2)Kapiler boru kullanmaktaki ikinci sebep başlatma torkunu düşürmektir. Bu avantaj dolaşım yokken ortaya çıkar. Kompresör dolaşımı başlatırken, kompresörün karşı hareket yapacağı bir basınç farkı oluşur ve ek başlatma torkuna ihtiyaç duyulur.

4.5.2. Kapiler Boru Kullanımının Dezavantajları

1) Daha önce de açıklandığı gibi kapiler borunun soğutucu akışını ayarlama kabiliyeti yoktur. Bu yüzden, ünitedeki yük azalınca veya çoğalınca sistemin verimi, termostatik genleşme valfı kullanan sistemlerdekinden daha yüksek oranda düşer.

2) Ünitede çevrim durunca, kapiler boru soğutucu akışını durdurmaz. Bu, kompresörün başlatma torku gereksinimi için bir avantajdır, fakat kompresörün mekanik ömrü için dezavantaj olabilir. Sistemdeki soğutucu miktarı ciddi biçimde kompresörün ömrünü kısaltabilir. [3]

4.5.3. Kapiler Borunun Değiştirilmesi

Kapiler boruyu, orijinali ile aynı uzunlukta ve boyda olan bir kılcal boru ile değiştiriniz. Değişik uzunluk veya boyda olanla değiştirmeye kalkışmalıyız. Doğru boyda kapiler borumuz yoksa, temin etmeliyiz. [3]

4.5.4. Kılcal Boru Seçimi

Aşağıdaki nedenlerle, kılcal borular küçük soğutma aplikasyonlarında ekspansiyon aracı olarak çokça kullanılırlar:

• Kolay anlaşılması
• Düşük maliyet
• Güvenilirlik: Oynak parça yok
• Normal Çalıştırma kompresörleri tekrar çalıştırmadan önce basınç eşitleyici olarak kullanılabilir.

Bununla birlikte, aplikasyonların bütün bölümleri bilinemeyeceğinden ve performansı etkileyebileceğinden seçim hassas bir işlem olarak kalır.

Eğer tesisatın ana elemanları kompresör, evaporatör, kondenser ile sınırlı ise ulaşılacak aplikasyonlar ve fiziksel çalıştırma koşulları ekspansiyon aracının birkaç parametreyi karşılamasını gerektirir.

Kılcal boru evaporatöre belirli gaz akışını izin vermelidir ve bunun belirlenmesi için ana parametreler:

• Evaporasyon ısısı
• Kondansasyon ısısı
• Kılcala giren likit alt soğutma ısısı

Bu parametreler çalıştırma koşullarına bağlı olarak değişir. Sürekli çalıştırma, on / off işlemi, startup düşük elektrik tüketimi durumlarında performansı optimize edecek bir kılcal boru seçimi çok zordur. Bu nedenle, seçim her zaman bu parametreler arasında bir uzlaşma şeklinde olacaktır. Kılcal boru seçimi kesin olarak bir matematik formülüne dayandırılamaz.

Yalnızca aşağıdaki çaplar kullanılmıştır:

-0.8 mm –1.0 mm –1.2 mm –1.5 mm –2.0 mm –2x1.2 mm –2x1.5 mm

Bazen, bir ara çapın daha iyi sonuç vereceği açıktır, örn. 1x1.2 mm arası. Bu durumlarda, uzunluk ara kılcal için yaklaşık ‘inch’ olarak hesaplanabilir.

Çok uzun veya çok kısa kılcal seçilmemesi tavsiye edilir. Gerçekte, ideal uzunluğun 1.5 m ile 2.5 m olduğu düşünülebilir.

Kısa bir kılcal sapma riskini arttırır. Uzun bir kılcal, bazı durumlar hariç, özellikle kısa devirli sistemler ile, aşırı basınca neden olarak, zamanı eşitleyerek çalıştırma koşullarını değiştirmez. Bu aynı zamanda dizayn edilen çalıştırma koşullarına daha uzun sürede erişilmesine neden olur. Her durumda, kılcal uzunluğu hiçbir zaman kılcalın iç çapının beş bin katını geçmemelidir.

Kılcal sistem gaz dolumunun önemi onun seçimine bağlı değildir:

• Az dolum düşük operasyon ısısına neden olur ve bu soğutma kapasitesini azaltır.
• Fazla dolum yüksek boşaltma basıncı, kompresör aşırı dolumu, kompresöre doğru likit taşıması, donma evaporatörde soğutma kapasitesi azalması gibi sonuçlara neden olur.[12]

4.6. TERMOSTAT

Soğutulacak hacim, soğutulacak akışkan veya evaporatör gibi kısımların sıcaklıkların belirli değerler arasında kalmasını temin gayesi ile kumanda kontrol cihazlarıdır.

Termik genişleme valfında olduğu gibi termostatın hassa olan ucu (kuyruk) soğutma devresinin sıcaklığı kontrol edilecek kısmına tesbit edilir. Ayar edilen sıcaklığa göre elektrik devresi açılıp kapanarak kompresörü tahrik eden elektrik motoruna veya magnetik valfa 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. [5]

4.7. 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.

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 mukaviim 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.[1,3]

4. 8.MANOMETRE

Soğutmacılıkta kullanılan manometreler çoğunlukla “yüksek basınç tarafı ” (0 atm ile 20 atm arası taksimatlı) ve “alçak basınç tarafı” (760 mmHg vakum ile 10 atm) adıyla anılırlar.[1]

4. 9.TERMOMETRE

Sıcaklıkların ölçüldüğü değişik bir çok ölçü aletleri vardır ki bunlara genellikle termometre denir. Civalı, alkollü termometreler en ucuz ve basit sıcaklık ölçü cihazlarıdır. Artık günümüzde dijital göstergeli termometreler kullanılmaktadır.[1]

5. SOĞUTUCU AKIŞKANLAR VE YAĞLAMA YAĞLARI

Buhar sıkıştırma çevrimi esasına göre çalışan soğutma sistemlerinde hareket eden parçaların, birbiriyle temas ettiği yüzeylerdeki sürtünmeyi minimum seviyeye indirmek üzere yağlama yapılması gerekir. İyi bir yağlama yapılmaması halinde, hem sürtünen yüzeylerde hızlı bir aşınma, eskime hem de mekanik kayıpların artması ile aşırı ısınma ve güç israfı meydana gelecektir yağlama yapılan yüzeyler genellikle soğutucu akışkan ile temas etme durumundadır ve refrijeran ile yağın karışması, birbirini kimyasal ve görmeleri gereken işlem yönlerinden etkilemeleri söz konusu olmaktadır. Örneğin; yağlama yağının evaporatör iç yüzeylerine sıvışarak ısı transferine azaltması; soğutucu akışkanın (refrijeranın) yağlama yağını yataklardan yıkayıp atması; basınç ve yüksek sıcaklık altında yağ ile refrijeranın kimyasal reaksiyonlara girerek asit ve diğer zararlı maddeler meydana getirmesi gibi olaylara çok sık rastlamak mümkündür. Soğutucu akışkanlar ve yağlama yağları ayrı ayrı incelendikten sonra bunların reaksiyonları ve birlikte meydana koydukları olaylara değinilecek, soğutma aksamının diğer kısımlarındaki etkileri belirtilecektir. [2]

5.1. Soğutucu Akışkanlar :

Bir soğutma çevriminde ısının bir ortamdan alınıp başka bir ortama nakledilmesinde ara madde olarak yararlanılan soğutucu akışkanlar ısı alış – verişini genellikle sıvı halden buhar haline (soğutucu – evaporatör devresinde) ve buhar halden sıvı hale (yoğuşturucu – kondenser devresi) dönüşerek sağlarlar. Bu durum bilhassa buhar sıkıştırma çevrimlerinde geçerlidir.

Soğutucu akışkanların, yukarıda tarif edilen görevleri ekonomik ve güvenilir bir şekilde yerine getirebilmesi için bazı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip olması gerekir. Bu özellikler, uygulama ve çalışma şartlarının durumuna göre değişeceği gibi her zaman bu özelliklerin hepsini yerine getirmek mümkün olmayabilir. Genel kayide olarak bir soğutucu akışkanlığı aranması gereken özelliklerin hepsini birden her şart altında yerine getire bilen üniversal bir refrijeran bir madde (soğutucu akışkan) mevcut değildir. Fakat, yukarıda da belirtildiği gibi, uygulamadaki şartlara göre bunlardan bir kısmı aranmaya bilir.

Bilhassa emniyet ve güvenilirlik yönünden iyi olan, ayrıca iyi bir ısıl özelliği de sahip olan refrijeran madde için 1920’ lerde yapılan araştırmalar Fluokarbon refrijeranların (florine edilmiş hidro karbonların) bulunmasına sağlamıştır. Halo karbon (halojene edilmiş hidro karbonlar) ailesinden olan fluo karbonlar, metan (CH₄) veya etan (C₂H₆) içerisindeki hidrojen atomlarından bir veya birkaçının yerine sentez yoluyla klor, flor veya brom (halojen) atomları yerleştirmek suretiyle elde edilmektedir. Fluo karbonlardan en sık rastlananlar; metandaki 4 hidrojen atomu yerine 2 klor ile 2 flor ikame edilen Dichloro – difluoro – methane / CCl₂F₂ (freon – 12 veya R12) ve gene metandaki 4 hidrojen yerine bir klor ile 2 flor atomu yerleştirilen Chlorodifluoromethane (freon – 22 veya R22) soğutucu akışkanlarıdır. En sık rastlanan diğer soğutucu akışkanların tipik özellikleri aşağıda özetlenmektedir.

Başlıca Saf Soğutucu Maddeler
Soğutucu Madde	Kimyasal Tanımı	Kimyasal Formülü
R11 (CFC11)	Triklorflormetan	CFCL3
R12 (CFC12)	Diklorflormetan	CF2CL2
R13 (CFC13)	Klortriflormetan	CCLF3
R13B1 (BFC13)	Bromtriflormetan	CBRF3
R22 (HCFC22)	Klordiflormetan	CHF2CL
R23 (HCF23)	Triflormetan	CHF3
R32 (HCF32)	Diflormetan	CH2F2
R113 (CFC113)	Triklortrifloretan	C2F3CL3
R114 (CFC114)	Diklortetrafloretan	C2F4CL2
R115 (CFC115)	Klortentafloretan	C2F5CL
R123 (HCFC123)	Diklortrifloretan	C2HF3CL2
R125 (HFC125)	Pentafloretan	CF3CHF2
R134a (HCF134a)	Tetrafloretan	C2H2F4
R141b (HCFC141b)	Flordikloretan	C2CL2FH3
R143a (HFC143a)	Trifloretan	CF3CH3
R152a (HCF152a)	Difloretan	C2H4F2
R290 (HC290)	Propan	C3H8
R600 (HC600)	Bütan	CH3CH2CH2CH3
R600a (HC600a)	<p class=MsoTitle style='text-align:justif