Amonyak ve Amonyağın Soğutucu Olarak İtibarı

Giriş
Amonyak, soğutma ve ısı pompası uygulamaları için tasarımcılar ile amonyak kullanıcıları arasında tüm güvenlik kanunları, standartları ve yasal yönetmelikleri açısından güvenli ve verimli bir soğutucu olarak kabul edilmektedir. Amonyak, ağır ve keskin kokusundan dolayı çok tehlikeli ve korkutucu gibi algılansa da, diğer risklerle karşılaştırıldığında, kaza ve ölümcül kaza oranı oldukça düşüktür. Bu makalede amonyağın mevcut itibarının gerçekte çok daha iyi olduğu açıklanacaktır.
Amonyak, soğutucu olarak eşsizdir ve çevre avantajları da sağlayan mükemmel termodinamik özelliklere sahiptir. Yaşam, doğal maddelerin amonyak olarak kırılmasının da önemli bir parçasını oluşturduğu nitrojenin yeniden sirkülasyonuna bağlıdır. Amonyak sahip olduğu özellikler nedeniyle gelecekte de soğutucu olarak kullanılmaya devam edecektir. Burada tartışılan amonyak, yalnızca soğutucu olarak kullanılan susuz amonyaktır (NH3). Gübre, tarım veya kimya endüstrisi gibi diğer uygulamalarda kullanılan amonyak ele alınmayacaktır.
Amonyağın hem zehirli, hem de patlayıcı olduğunu dair bir inanç mevcuttur. Oysa ?zehirli? ve ?patlayıcı? tanımları incelendiğinde, bunun doğru olmadığı görülecektir. Bu inanç, çoğu kez soğutma endüstrisinde verimliliğe engel olmuştur. Birçok insan, az ya da çok, amonyak kokusunu tecrübe ederken, yalnızca çok az sayıda insan amonyaktan gerçekten zarar görmüştür. Ayrıca yanıcı olmasına rağmen, amonyak patlamaz, aksine bir bina yangınında hapsolmuş duman gibi ?parlayarak? yanar.

Amonyak
Son 20-30 yılda basınçlı kaplar mevzuatına uygun olarak tasarlanan amonyak sistemleri, yüksek kalitededir ve mükemmel güvenlik standartlarına sahiptir. Daha eski sistemler güvensiz olabilir (kısmen de korozyonla bağlantılı olarak) ve riskler açısından uzmanlar tarafından analiz edilmelidir. Hizmet personeli ve işletim sorumluluğuna sahip personele eğitim ve bilgi verilmesi değerli ve düşük maliyetli önleyici tedbirlerdir.

Amonyak Üretimi
Doğal olarak dünya üzerinde dolaşan amonyağın hacmi, en az 3 milyar tondur. Her insan 24 saat içinde yaklaşık 17 gram, bir inek ise yılda 1 ton amonyak üretir. Endüstriyel bazda yaklaşık 150 milyon ton üretilmektedir ve bunun yaklaşık yarım milyon tonu soğutucu olarak kullanılmaktadır. Soğutma sistemlerinde amonyak sistemde kalırken, diğer endüstriler amonyağı genelde ?tüketmektedir?. Bu yüzden üretilen tüm amonyağın % 0.5 kadarı soğutma sistemlerinde kullanılmasına rağmen ABD?de tüm amonyağın % 5 kadarının soğutma sistemlerinde varolduğu tahmin edilmektedir. Amonyak kullanan büyük geleneksel soğutma sistemlerinin yıllık şarjlarının % 5-10?u doğal bir kayba sahipken, modern, prefabrike sistemlerin daha küçük kayıpları vardır; kimisi % 1?in altındadır.

Soğutucu Amonyak
Amonyak ilk kez 1872 yılında ABD?de David Boyle tarafından sıkıştırma işleminde kullanılmıştır. Laboratuvarında patlayan eteri denedikten sonra, amonyak ile işletmeyi seçen Carl von Linde, ilk kompresörünü 1876 [1] yılında Trieste?de bir bira fabrikası için başlatmıştır. İkinci seçimi yani amonyak daha güvenli çıkmıştır. O tarihten itibaren amonyak endüstriyel uygulamalarda kullanılan öncelikli soğutucu madde olmuştur. Bunun sebebi, amonyağın eşsiz termodinamik özellikleri ve amonyak kullanan soğutma sistemlerinin etkin olduğu kadar verimli de olmasıdır.

Amonyak Kokusu; Önemli Bir Avantaj
Amonyak, güçlü karakteristik bir kokuya sahip olan tek soğutucu maddedir. Amonyak denildiğinde, genelde tehlikeli, zehirli ve patlayıcı olduğuna ve korkunç bir kokuya sahip olduğuna dair olumsuz bir tepki verilmektedir. Oysa amonyak kokusu gerçekten de bir avantajdır, zira en küçük kaçaklar bile hemen fark edilmekte ve düzeltilmektedir.
Diğer Modern Soğutucu Maddeler ile Karşılaştırma
Amonyağın buharlaşma ısısı yüksek, sıvı akış oranı düşüktür. Bu yüzden kullanılan teknoloji, başka soğutucu maddeler ile kullanılan teknolojilerden farklılık göstermektedir (bkz. Tablo 1). İlerleyen teknoloji sayesinde gelecekte küçük sistemleri için bir alternatif haline gelebilecek olmasına rağmen, bu düşük sıvı akışı, amonyağın daha küçük soğutma kapasiteleri için kullanımını sınırlamıştır.

Amonyak nedeniyle kimler yaralandı veya öldü?
Amonyakla kazalar meydana gelmiştir ve bu kazalar incelendiğinde, sistemin yakınında bulunan kişiler haricinde kimsenin yaralanmadığı bariz bir şekilde görülebilmektedir. Yaralanan veya ölen kişiler mutlaka kaçak noktasında bulunmaktaydılar (Resim 2) ve genelde sistem üzerinde çalışmaktaydılar. Birkaç metrelik tehlike alanında bulunanlar operatörler ve bakım personelidir. Yaralanmalar, tulum (yazın kollar ve ayaklar çıplak olmayacaktır), eldivenler ve yüzü tam kapatan koruyucu filtre maskeleri gibi şahsi koruma ekipmanları kullanılarak önlenebilir.
Ölümcül kazaların ve tıbbi tedavi gerektiren kazaların amonyağı serbest bırakıldığı yerden birkaç metre içerisinde meydana geldiğini göstermektedir. 200 metre mesafede karakteristik kokusu duyulabilir. Yüksek miktarda sanayi kaçakları, depolama tankları, tren vagonları gibi yani tonlarla ifade edilecek büyüklükler için 1500 mt güvenlik mesafesidir. Amonyağın serbest kalmasına sıcaklık, rüzgar hızı ve iklim değişiklikleri gibi hava koşulları önemli ölçüde etkendir.

Tepki Kategorileri ve İnsanların Yaralanması
Bird ve Germain (1996) tarafından yapılan bir inceleme, amonyağın serbest kalmasından sonra meydana gelen etkilerin farklı seviyelerini birbirine bağlayan bir hiyerarşiyi ortaya çıkartmıştır (Resim 3). Etki seviyeleri şöyle tanımlanmıştır:
 Etkilenmeyen kişiler; kazanın veya serbest kalmanın ve kokunun farkında değildirler.
 Farkında olanlar; kokunun farkındadırlar ve bunu amonyak olarak tanımlayabilirler, yardım isteyebilirler, ama hastaneye gitmezler.
 Rahatsızlık Hissi ve insanların amonyak ile ne kadar tecrübeli olduklarına bağlı oluşu; tecrübeli olanlar uzaklaşırken, diğerleri paniğe kapılabilirler. Bazıları tıbbi muayene, hatta tedavi için başvurabilirler; hasar veya yaralanma yoktur.
 Tıbbi tedavi; gereklidir ve yaralanan kişi iyileşebilir.
 Akut tıbbi tedavi; daha ağır koşullar, tamiri mümkün değildir, örneğin tam görme kaybı.
 Ölümcül; son onlu yıllarda meydana gelen birçok kazadan yalnızca bir kişi ölmüştür.
1:10:30:600 oranlarına göre, (Resim 3) İsveç?te yılda 3-5 defa amonyak serbest kaldığı tahmin edilmektedir ve bunlardan hiçbiri insanların yaralanmasına sebep olmamıştır, hatta bazıları fark edilmemiş bile olabilir.

Sıcak İklimlerde Serbest Kalmalar
Amonyağın serbest kalması ve 100-300 metre yarıçap içerisinde insanlar üzerindeki etkileri ile ilgili önemli bir parametre, iklim koşullarıdır. Rüzgar hızı, sıcaklık düşüşü ve tersine dönme karakteristikleri, gaz konsantrasyonlarını etkileyecektir. Öncelikle amonyak buharı havadan daha hafif olan az sayıda gazlardan biridir ve bu yüzden yukarı doğru çıkacaktır. Sıvı olarak yayılma, havadan nemi çeken bir aerosol yaratmaya meyillidir ve karakteristik beyaz bulut oluşturur. Yayılma noktasından kısa bir mesafeden sonra, sıvı damlacıkları buharlaşır ve bulut, buhar aşamasında görünmez olur. Yayılma sıcak iklimlerde soğuk iklimlerde olduğundan daha iyidir ve bir kaçak etrafı daha az etkileyecektir. Ayrıca yayılmanın zeminden yüksekliği de önemlidir; konumu ne kadar yüksekte ise gaz konsantrasyonu o denli düşüktür.

Bilgisizlik
Bilgisizlik, amonyağa karşı olumsuz bir tutuma sebep olmaktadır ama soğutma sistemi endüstrisindeki insanların % 95?i amonyakla değil, diğer soğutucu maddeler ve teknik çözümlerle çalışmaktadır. Birçok yetkili makam ve planlayıcı amonyak yönetmeliklerine aşina değildir ve amonyağı hala mümkün olmayan bir alternatif olarak görmektedir. Basınçlı Ekipman Direktifine, Makine Direktifine ve modern standartlara uymak gerekliliği yerine getirildiğinde ve bunlar doğru yorumlandığında güvenli amonyak sistemleri ile sonuçlanmaktadır.

Küçük veya Minimum Şarj
Soğutma endüstrisi, mümkün olan en küçük şarja sahip sistemler tasarlamaya ve inşa etmeye yönelmektedir. Kaçakların maliyet ve çevre nedenlerinden dolayı kabul edilemez olduğu HFC?ler gibi fluorürkarbonlarda durum böyledir. Amonyakta ise muhtemel kaçaklarda miktarları azaltmak için bölümleme ve diğer yöntemler kullanılmaktadır. Amonyağın yüksek gizli ısısı ve özel kısmi basıncı, amonyağı buharlaştırmayı zorlaştırmakta ve dolayısıyla sıvı olarak kalmasını sağlamaktadır. Böylece sıvı aşamasında kaçaklar haricinde bir sistemden büyük miktarların kaçması neredeyse imkânsızdır. Bunun anlamı, amonyak sistemlerinden önemli miktarların kaçamayacağıdır, ancak tipik güçlü kokusu, insanların kaçakların çok büyük olduğuna inanmalarına sebep olmaktadır. Modern sistemler, kaçakların yarattığı problemleri azaltmak için detektörler ve bölümleme yöntemini kullanmaktadır.

Toksite
Amonyak daima zehirli olarak tarif edilmektedir, ama zehir nedir? İsviçreli bir hekim, kimyacı ve felsefeci olan Philippus Theophrastus Bombastus von Hohenheim ya da nam-ı diğer Paracelsus (1493-1541), ?zehri zehir yapan dozudur? demiştir. Bir kişinin maruz kaldığı maddenin miktarı, maddenin doğası kadar önemlidir. Modern bir tanıma göre, zehir küçük miktarlarda bile canlı organizmalar üzerinde tehlikeli ya da ölümcül bir etkiye sahip bir maddedir. Konsantrasyonu tehlikeli sayılabilecek duruma gelmeden çok önce uyarıda bulunan tek soğutucu madde olan amonyağı gizlemek mümkün değildir. Eğitimli bir kişinin üstesinden gelebileceği konsantrasyon seviyesi, tehlikeli olmaktan çok uzaktır (Tablo 2). Amonyak, insanlarda 20 ppm altında konsantrasyonlarda görülebilir ve maruz kalma süresine bağlı olarak yaklaşık 700-1000 ppm üzerinde konsantrasyonlardan itibaren tehlikeli olmaya başlamaktadır.

Yanabilirlik
"Patlayıcı" kelimesi, hızlı yanma davranışı ile bağlantılı olarak kullanılmaktadır. Amonyak çok düşük enerji ile yandığında - hidrokarbonun yaklaşık yarısı kadar - alev yayılımı ISO 817 uyarınca 8 cm/s civarındadır [6]. Amonyak, 651°C ısılarda kendi kendine alevlenebilir ve bir soğutucu madde olarak, ISO 817 ve ASHRAE 34 uyarınca Grup B2 (düşük yanabilirlik) olarak sınıflandırılmıştır. Amonyağın yanabilirliği, test yöntemlerine ve referans değerlerine bağlı olarak % 15 ile % 28 veya % 33 arasında değişmektedir. Amonyak yalnızca kapalı alanlarda yanabilir. Açık havada destekleyici bir alev ile birlikte yanmaz ve bu yüzden dış mekânlarda kullanımı açısından yanıcı olarak sınıflandırılmamıştır. Amonyağı ateşlemek için, minimum enerjili bir ateşleme kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır ve bu enerji, diğer yanıcı maddeler ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir. Elektrikli bir kıvılcım boşluğundaki ateşleme kaynağı yüksek olmalıdır. Örneğin trifaze 440 Volt sistemlerinin olağan kıvılcımları, amonyağı ateşlemek için yeterli enerjiye sahip değildir ve soğutma uygulamalarında bu sistemler kullanıldığında elektrik ekipmanı olarak parlama güvenlikli elektrik ekipmanı kullanılması gerekliliği yoktur. Metan, etan ve propen 0.21-0.26 mJ ve hidrojen gazı 0.02 mJ ateşleme enerjisine ihtiyaç duyarken, amonyak asgari 680 mJ ateşleme enerjisine ihtiyaç duymaktadır [7].

Yangın Sınıflandırma ve Güvenlik Standartları
Avrupa ATEX direktifine göre, soğutucu madde olarak amonyak kullanan soğutma sistemleri için tehlikeli atmosferlerde herhangi bir sınıflandırma gerekmemektedir. Sistemin içinde hiçbir olay meydana gelemez. Çevre ancak sistem açılması veya bakım çalışmaları gibi olağandışı işletim durumlarında söz konusudur. Yanıcı maddelerle çalışan personel, yetkin olmalıdır ve ne ile çalıştıklarını iyi bilmelidir.
EN 378:2008 [8] Bölüm 3 Madde 8.1?in en son versiyonunda şöyle denmektedir: ??ATEL/ODL altında konsantrasyonlarda karakteristik kokuya sahip soğutucu maddelerde, örneğin amonyakta toksite için detektörlere ihtiyaç duyulmamaktadır?. Madde 8.7?de ise ?? tehlikeye ve yangına karşı uyarıda bulunmak amacıyla? 500 ppm ve 30000 ppm limit değerlerini vermektedir. Bu seviyeler zorunlu azami seviyelerdir. İşletimden sorumlu kişi, 60 dakika içinde işyerinde olmak zorundadır. Daha yüksek seviyelerin mevcut olması halinde, havada bir gaz karışımını ateşleyebilecek tüm elektrik ekipmanının bağlantısı kesilecektir.
Amonyağın havada ve kapalı alanlarda alevlenme oranı % 15 ile % 28 arasındadır. Bu çok yüksek bir konsantrasyondur ve yalnızca eksiksiz kimyasal korumaları olan insanlar tesiste kalabilirler.
Güvenlik standartları uyarınca açık alevlere izin verilmemektedir. Buna benzer bir şekilde çıplak ampuller de muhtemel bir ateşleme kaynağıdır. Dolayısıyla aydınlatmanın da plastik başlıklar gibi püskürmeye karşı dayanıklı bir kaplaması olmalıdır. Kullanım sırasında bu gibi ışıklar sıcak olmamasına rağmen, flüoresan aydınlatma da kaplanmalıdır.
Yangının ilerlemesi kısa ömürlüdür ve odanın hacmine bağlıdır. Yalnızca birkaç saniyelik ateşten sonra, odanın içinde belirli bir miktar oksijen kullanılmış olur ve amonyak/atmosferik oksijen dengesi yanıcı olmaktan çıkar. Başka malzemeler tutuşturulmadığı taktirde, ateş söner.

Yangında Amonyaklı Sistemler
Amonyaklı ekipmanın bulunduğu binada yangın çıktığında, amonyak özel bir tehdit oluşturmamaktadır. Enerji ve alev yayılımı düşüktür. Bunun anlamı ise daima ikincil ateşlemenin meydana gelmesi olasılığı mevcut olmasına rağmen, amonyaktan dolayı meydana gelecek zararların önlenebileceğidir. Bina zarar görebilir ve amonyaklı sistemler kaçak yapabilir ama kaçak yapan soğutucu madde, yangın gazlarını yukarı doğru takip edecektir ve etkilese bile yalnızca kendi çevresini rahatsızlık verici bir koku ile sınırlı bir oranda etkileyecektir. Amonyağın tutuşması ile ortaya çıkan ürünlerin - nitrojen ve su - küresel çevre üzerinde bile tamamen zararsız oldukları unutulmamalıdır. Bu, yandığında oldukça aşındırıcı ve küçük miktarlarda bile oldukça toksik olan hidroflüorik asit, hidroklorik asit, karbonil klorid (fosgen), karbon monoksit, vs. oluşturan flüorokarbonlara kıyasla önemli bir kontrasttır.

Güvenlik Yasaları ve Standartlar
Bugün amonyak kullanan soğutma sistemleri çok güvenlidir ve amonyak 150 yılı aşkın bir süredir kullanılmaktadır. Kazalar meydana gelmiştir ama amonyak karakteristik bir kokuya sahip olduğundan, bu kazalar gizlenememektedir. Medyanın bir emisyonun sebebine veya sonuçlarına ilgisi oldukça düşüktür ama çoğunlukla güçlü, berbat, ?zehirli? bir koku tanımı üzerinde odaklanmaktadır.
1918 gibi erken bir zamanda ABD?de soğutma sistemleri için ilk güvenlik direktifleri hazırlanmıştır. Bunları Almanya?da 1933 yılında VBG 20 ve 1942 yılında İsveç Soğutucu Madde Yasası?nın selefi takip etmiştir; şu anda Avrupa ülkelerinin çoğunda standartlar mevcuttur. Avrupa?da EN 378:2008 bölüm 1-4 [9], ABD?de ise ASHRAE 15 ve ANSI/IIAR 2 geçerlidir. Avrupa?da uygun olduğu taktirde riayet edilmesi gereken Makine Direktifi, Basınçlı Ekipman Direktifi ve ATEX Direktifi gibi mevzuata sahiptir ve buna ek olarak teknoloji, malzeme ve tasarım da gelişmiştir. Bugünün sistemleri yılları aşan uzun bir yol kat etmiştir ve artık oldukça güvenlidir.

Makine Dairelerinin Havalandırılması
Soğutma standartları, amonyaklı ekipmanlar kullanan tesislerin nasıl havalandırılacağını öngörmektedir. Genelde yaz aylarında fazla ısının soğutulması için gerekli havalandırma, standardın gerektirdiğinden daha yüksektir. Havalandırma koşulları sistemin şarjı ile ilgili olduğundan, küçük miktarlarda şarjlar kullanıldığında havanın hacim akış oranı ile ilgili talepler daha düşüktür. Ama dikkat! Bazı durumlarda aşırı ısıyı azaltmak için daha sonra makine dairesine bir soğutucunun monte edilmesi gerekmiştir. Havalandırma, odanın içindeki konsantrasyonun ateşlemenin mümkün olduğu seviyelere yükselmesini önlemelidir. Doğru uygulanan havalandırma, uluslararası perspektiften bakıldığında amonyak içeren yangınların çok nadir olaylar olduğu anlamına gelir.
Çevredekileri keskin kokudan korumak için, kurtarma hizmetleri çoğu kez makine dairesinin havalandırılmasını yasaklamaktadır. Bu ise işyeri güvenliği ile bir çelişki meydana getirmektedir.

Olumlu Gelecek ve Soğutma Endüstrisi
Soğutma endüstrisi geçmişte amonyağın güvenliğini gündeme getirmekte etkin olamamıştır ve bu soğutucu maddeyi kullanmanın zor olmadığı ve mevcut güvenlik yasalarına ve mevzuatlarına uyulduğu taktirde, işletiminin güvenli olduğu mesajını iletmeyi ihmal etmiştir. Güvenliği ile ilgili husus ise son derece açıktır ve ayrıca yorumlamayı gerektirmemektedir.
Amonyak salınımından kaynaklanan en büyük maliyet; temizlik, toplumla ilişkilerin kurulması ve üretimi yeniden kazanma ve devam ettirme maliyetidir. Önemsiz tüm kazaları kenara bırakın! Bir amonyak kaçağının kokusu gizlenemez.

Amonyağın Geleceği
Amonyağın geleceği olumludur, zira soğutucu madde olarak üstün özelliklere sahiptir ve bu yüzden de daha uzun dayanacaktır. Amonyak daima büyük endüstriyel uygulamalarda kullanılmıştır. Karbondioksit bazı uygulamalarda daha iyi bir alternatiftir ve kullanımını teşvik etmek güvenlik açısından amonyak için olduğundan daha az karışık olabilir. Özellikle makine dairesi ile sınırlı olduğu yerlerde yüksek tarafta amonyak ve düşük sıcaklık tarafından karbondioksit ile kombine edildiğinde, örneğin ?40 °C altında sıcaklıklar için etkin ve ilginç bir alternatiftir. Amonyak kullanılmadığında, klima uygulamaları için su önemli bir soğutucu madde olacaktır.
Birçok yeni amonyak uygulamaları sistemlerde iyi kalite ve makul şarj miktarları ile inşa edilecektir. HFC?ler üzerindeki siyasi baskı artacaktır ve bu da amonyak gibi doğal soğutucu maddeler içeren yeni teknik çözümlerin geliştirilmesini sağlayacaktır. Doğru kullanıldığında, amonyak yalnızca iyi bir güvenlik seviyesine sahip olmakla kalmayıp, sahipleri/kullanıcıları için de mükemmel bir verimlilik anlamına gelir.
Amonyak, mevcut itibarından çok daha iyi bir soğutucu akışkandır. Çevreye duyarlı oluşu ve birçok soğutucu akışkan arasında en iyi etkinliği sağladığı için amonyağın yaygınlığı dünya üzerinde gün geçtikçe artmaktadır.

Referanslar
1.    Roger Thévenot, A History of Refrigeration throughout the World, IIR, Paris 1979.
2.    Ashrae Handbook 2001, Fundamentals.
3.    James M. Calm, Refrigerant Safety, ASHRAE Journal, Temmuz 1994, sayfa 17-26.
4.    James M. Calm, The Four R´s, Responsible Responses to Refrigerant Regulation, Engineered Systems, Ekim 2003.
5.    Chemical accident risks in U.S. industry ? A preliminary analysis of accident risk from U.S. hazardous chemical facilities. James C. Belke, U.S. EPA, Eylül 2000.
6.    T. Jabbour ve D. Clodic, ISO 817, TC86/SC8/WG5, Arlington, VA, Eylül 2003.
7.    Flammability Hazard Classification of Refrigerants, Roberts G. Richard, IIR Congress 2003, Washington, DC.
8.    EN 378:2008 Bölüm 1-4: European safety Standard for Refrigerated Systems and Heat Pumps, standard harmonized against MD and PED.
9.    DIN 8975-11 Kälteanlagen und Wärmepumpen mit dem Kältemittel Ammoniak.