GİRİŞ
VE TEMEL KAVRAMLAR
Bir maddenin veye ortamın sıcaklığını onu çevreleyen hacim sıcaklıgının
altına indirmek ve orada muhafaza etmek üzere ısının alınması işlemine soğutma
denilebilir.
En basit ve eski sogutma şekli, soğuk yörelerde
tabiatın meydana getirdiği buzları muhafaza edip bunları sıcak veya ısısı
alınmak istenen yerlere koyarak sogutma sağlanmasıdır. Kışın meydana gelen kar
ve buz’u muhafaza ederek sıcak mevsimlerde bunu soğutma maksatları için
kullanma usulünün MÖ. 1000 yıllarından uygulanmakta olduğu bilinmektedir. Bu
uygulamanın bugün dahiyurdumuzun bazı yörelerinde geçerli bir soğutma şekli
olduğu görülmektedir. Diğer yandan, eski mısırlılardan beri geceleri açık gökyüzünü
görecek tarzda yerleştirilen seramik testilerde suyun soğutulabileceği
bilinmektedir. Bu soğutma şekli, gökyüzünün gece karanlıktaki sıcaklığının mutlak
sıfır (-273) derece sevyesinde olmasından ve ışıma (Radyasyon) yolu ile ısının
gökyüzüne iletilmesinden yararlanılarak sağlanmaktadır.
Ticari maksatla ilk büyük buz
satışı 1806 yılında Frederic Tudor tarafından ve Antil adalarına 130 tonluk bir
buz hamulesini Favorite adlı tekneyle götürülmesi ile başlamıştır. Daha
sonraları “buz kıralı” adı ile tanınan bu şahıs, ilk macerasından 3500 dolar
para kaybetmesine rağmen bu zararın tamamıyla depolama olanaklarının
bulunmayışından meydana geldiğini, gerçekte ise buz işinde büyük kazançlar
bulundugunu görebilmiş ve buz ticaretine devam ederek 1850 yıllarında senede
150.000 ton’a ulaşan bir buz ticareti hacmi geliştirmiştir. 1864 de ise buz
sattığı ülkeler arasında Antiller, İran, Hindistan, Güney Amerika ülkeleri
bulunuyor ve gemilerinin ugradıgı limanlarının sayısı 53’ü buluyordu. Tabiatın
bahşettiği buz ile soğutma şeklinden 1880’lere kadar geniş ölçüde
yararlanılmıştır.
Buz ile elde edilen soğutma
şeklinin gerek zaman ve gerekse bulunduğu yer bakımından çoğu kez pratik ve
ucuz bir soğutma sağlayamayacagı bellidir. Bunun yerine mekanik araç ve
cihazlarla soğutma sağlanması tercih edilir ki soğutma tekniği bilimide bu
ikincisi ile ilgilenir. Mekanik soğutma ile ilgili bilinen ilk patent 1790
yılında İngiliz Thomas Harris ile John Long’a aittir. 1834 yılında da amerikalı
Jacop Perkins eter ile çalışan pistonlu bir soğutma makinasının patentini almıştır.
Bu makine, bir emme basma tulumbaya benzer. Bir tıp doktoru olan john Gorrie
(1803-1855) ilk defa, ticari gaye ile çalışan bir soğutma makinası yapmış
(1844-Apalachicola, Florida, ABD)ve “Klima –Soğutma-Ticari buz imali”
konularının babası olarak tarihe geçmiştir.
Uygulama alanında ilk defa 1860
yılında Dr. James Harrison (Avusturalya) üretim işlemi sırasında birayı
soğutmak maksadıyla mekanik soğutmayı başarıyla kullanmıştır. Sistemde soğutucu
akışkan olarak Sülfirik Eter kullanılmıştır. 1861 de Dr Alexander Kirk kömür
ısısı ile çalışan ilk Absorpsiyonlu soğutma aygıtını gerçekleştirmiştir.
Mekanik soğutma vasıtasıyla
buz imalinin ticari sahaya girmesinin ise 1890 yıllarını
bulmuştur. Klima sahasında büyük çapta ilk uygulama 1904 yılında New York Ticaret
Borsasına 450 ton/frigo’luk bir makina konularak
gerçekleştirilmiştir. Konutlarda kullanılmak maksadıyla soğutucu (Buzdolabı)
yaptı. Otamatik olarak çalışan buzdolapları 1918 de Kelvinatör Company
tarafından imal edilmeye başlandı ve ilk sene 67 dolap satıldı. 1918-1920
yılları arasında toplam 200 dolap yapılarak satıldı. Absorpsiyon prensibiyle
çalışan otamatik bir buzdolabı da (Electrolux) 1927 yılında amerika’da satışa
çıktı.
Soğutmanın tarifinden, bunun iki
fiziksel değere, yani sıcaklık ve ısı değerlerine bağlı olduğu görülmektedir.
Gerçekte bu iki değer birbirine yakinen bağlıdır. İzotermik ve Adyabatik
işlemler ile kütle transferi dışında bu iki değer beraberce artıp azalırlar.
ISI: Maddelerin moleküllerinin devamlı hareket halinde oldugu ve bu
hareket serbestisinin en çok gaz halindeki maddelerde, daha az şekilde sıvı
haldekilerde ve en az katı haldeki maddelerde olduğu bilinir. Bu moleküler
hareket ısının artmasıyla artar. Diğer bir değişle ısı, moleküler bir
harekettir. Katı bir maddeye ısı ilave edildiği sürece sıcaklığı artmaya devam
eder ta’ki sıvı hale dönmeye başlayıncaya kadar. Madde tamamen sıvı hale
dönüşünceye kadar sıcaklık artmaz. Sıvı hale dönüşünce, ısı verilmeye devam
edilirse sıcaklık gene artmaya devam eder ve buharlaşma devam eder ve
buharlaşma başlayıncaya kadar sıcaklık artışı sürer. Buharlaşmanın
başlamasından maddenin tamamen buhar haline dönüşmesine kadar sıcaklık artması
yine durur. Madde gaz halde iken verilen ısı ile sıcaklığın yükselmeye devam
etmesi termo dinamik şartlara bağlıdır.
Isı enerjinin bir türüdür ve bugün
mevcut ölçü cihazlarıyla direkt olarak öiçülmesi mümkün değildir. Isının ölçü
birimi olarak soğutmacılıkta kilo kalori “Kcal” (+14.5
C de ki 1 kg suyun sıcaklığını 1 C artırmak için ilave edilmesi gereken ısı
miktarı) veya British Thermal Unit “BTU” (1 libre ağırlığındaki suyun
sıcaklığını 1 derece Fahrenheit yükseltmek için ilave edilmesi gereken ısı)
kullanılır. Son yıllarda Joule(J) ve Kilojoule (KJ) ısı birimi daha yaygın bir
şekilde kullanılmaktadır.
SICAKLIK : Sıcaklık bağıl bir
değerdir ve maddenin ısı sıklığını ifade eder. Genellikle bir referans
noktasına göre, daha sıcak veya daha soğuk, şeklinde tarif edilir. Örneğin
suyun atmosfer basıncı altındaki donma sıcaklığı 0 C ve atmosfer basıncı
altında kaynamaya başladığı sıcaklık 100 C olarak alınır. Maddenin sıcaklığı
yalnız başına ısı miktarı belirtemez. Örneğin 1000 C sıcaklıktaki 1 kg Demir
parçasındaki ısı 100 C deki 20 kg demir parçasından daha azdır, fakat birincisi
daha sıcaktır, yani ısı sıklığı daha fazladır
Sıcaklıklar, değişik pek çok ölçü
aletleriyle ölçülebilirler ki, bunlara genellikle Termometre adı verilir.
Civalı ve alkollü termometreler en ucuz ve basit sıcaklık ölçü aletleridir ve
oldukça hassas olanları (0.1 C) mevcuttur.
BASINÇ : Buhar sıkıştırma
çevrimleri halen mekanik soğutma en sık
yararlanılan çevrimdir. Bu çevrim ise sistemde farklı basınç sevyelerinin
meydana getirilmesi ile sağlandığından basınç kavramının ve basınçla ilgili
fizik kanunlarının iyi bilinmesi gerekir. Basınç , birim
yüzeye gelen ağırlık (kuvvet)dir, diye
tarif edilebilir. Ağırlık veya kuvvet birimi Kilogram olarak ve birim yüzey
metrekare alınırsa Basınç, Kg/m2 olacaktır. Soğutma tekniğinde ise daha çok bir
santimetrekare’ye gelen Kg miktarı kullanılır ve Kg/cm2 olarak tamamlanır. Bu
aynı zamanda Teknik Atmosfer (at) diye adlandırılır.atmosfer
basıncının altındaki basınçlar mutlak basınç şeklinde ifade edilebileceği gibi
negatif manometre basıncı şeklinde de ifade edilmektedir ki bu ikincisi “Vakum”
adı ile belirtilir; fakat aslında kısmi vakum kastedilmektedir.
ISINMA ISISI (özgül ısı) : Birim ağırlıktaki bir kütlenin
sıcaklığının birim sıcaklık kadar arttırılması için, ilavesi gereken ısı
miktarı olup her değişik tür madde için farklı olduğu gibi aynı maddenin
değişik konumları (Katı, Sıvı, Gaz) için farklıdır.
GÜÇ : Birim zamanda yapılan iş miktarını ifade eder. Örneğin 1
beygir gücü (PS), saniyede 75 kg m iş yapabilen bir güç’ü belirtir.
ENTALPİ/ISI TUTUMU : İzafi bir değer olup bir sıvı veya gaz
kütlesinin birim ağırlığının termodinamik gücünü ifade eder ve iç enerji (u)
ile sıkıştırma veya akış enerjisinin toplamıdır; I=u+p.v/j+w2/2g.j Metrik
sistemde birimi “Kcal/Kg” dır.
Bugün en sık rastlanan soğutma
çevriminin buhar sıkıştırma çevrimi olduğu bilinmektedir. Buhar sıkıştırma
çevriminde kullanılan cihaz ve ekipmanları öncelikle
tanıyalım. Bir buhar sıkıştırma çevrimi beş ana kısımdan meydana gelmektedir.
1-SOĞUTMA KOMPRESÖRÜ (Buhar sıkıştırma aparatı)
2-KONDENSER (Sıkıştırılan buharı yoğuşturucu)
3-EVAPORATÖR (Buharlaştırıcı-Soğutucu)
4-GENİŞLEME APARATI (Ekspansiyon valfleri, kılcal borular, seviye kontrol
cihazları)
5-BORU DONANIMI
b) Paletli dönel kompresörler
c) Helisel-Vida tipi dönel
kompresörler
1B)
Santrifuj kompresörler
1A/a)Pistonlu kompresörler : Bir silindir içerisinde gidip gelme hareketi yapan bir pistonla sıkıştırma
işlemini yapan bir tip kompresörlerde tahrik motorunun dönme hareketi bir
krank-byel sistemi ile doğrusal harekete çevrilir. Eski tip bazı çift etkili
kompresörlerin yatık tip pistonlu buhar makinaları ile hareketlendirilmesinde
hiç dönel hareket olmadan da çalışma durumlarına rastlamak mümkündür. Bugünkü
pistonlu soğutma kompresörleri genellikle tek etkili, yüksek devirli ve çok
sayıda silindirli makinalar olup açık tip veya hermetik tip motor-kompresör
şeklinde dizayn ve imal edilmektedirler.
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. Amonyak
, R-12, R-22, R-502 bu refrijeranların en başta gelen türleridir.
Açık tip
pistonlu kompresörlerin bugünkü silindir tertip şekilleri genellikle düşey I,V
ve w tertibinde 1 ila 16 silindirli ve tek etkili olup, yatık ve çift etkili
kompresör dizaynı hemen tamamıyla terkedilmiştir. Tam kapalı-hermetik tip
motor-komresörlerde 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 Helisel
Vida tipi dönel kompresörler de vardır.
1A/c)Helisel tip dönel kompresörler :Pozitif sıkıştırmalı kompresörler genel grubuna giren bu
kompresörlerin değişik konstrüksiyonu
haiz birçok türüne rastlamak mümkündür. Soğutma uygulamalarında halen en çok
rastlanan helisel tip dönel kompresörleri, bariz farklara sahip iki ana gurupta
toplamak mümkündür; (1)tek vidalı/helisli tip, (2)çift vidalı /helisli, dönel
kompresörler. Ancak her iki tip kompresörün de çalışma prensibi ve konstrüktif
yönden birçok müşterek yanları vardır. Örneğin , basınçla yağın püskürtülmesi suretiyle hem yağlama işleminin
yapılması, hem sıkıştırma işlemi sırasında sızdırmazlığın sağlanması hemde
meydana gelen ısının gövdeden alınıp uzaklaştırılması , her iki tür kompresörde de yerleşmiş bir uygulama şeklidir. Keza
oranları, kapasite kontrolü mekanizmaları ve ısı ekonomizeri tertipleri her iki
tip kompresörde de benzer durumdadır.
1B) Santrifuj kompresörler :
Buhar sıkıştırma çevrimiyle soğutma işlemi
yapan santrifuj kompresörlerin, pistonlu ve dönel paletli veya vida tipi
kompresörlerden farkı pozitif sııştırma işlemi yerine santrifuj kuvvetlerden
faydalanarak sıkıştırma işlemini yapmasıdır. Santrifuj kompresörlerde özgül
hacmi yüksek olan akışkanların (daha geniş hacimlerin) kolayca hareket
ettirmesi mümkün olduğu için sık sık
büyük kapasiteli derin soğutma (-100C kadar) işlemlerinde uygulandığı görülür.
Santrifuj kuvvetlerin büyüklügü hızların karesi ile doğru orantılı olduğundan
giriş-çıkış basıncı farklarının büyütülmesi devirin arttırılması ile veya rotor
çapının büyütülmesi ile yahutta kademe sayısı arttırılarak sağlanabilir. Bu
nedenle santrifuj makinalarda nadirende olsa 90.000 d/d gibi çok yüksek rotor
devirlerine rastlamak mümkündür. Bu yüksek devirlerin sağlanması için tahrik motoru
ile komprösör mili arasına deviri yükseltici bir dişli kutusu konulur. Yüksek
devirli buhar veya gaz türbünleri ile direkt akuple şekilde tahrik edilen
santrifuj kompresörlere uygulamada rastlamak mümkündür.
Genel olarak tahrik gücü elektrik motorlarıyla
sağlanır. Içten yanmalı motorlarla tahrik edilen santrifuj kompresörlere seyrek
de olsa rastlanabilir. Uygulamadaki kapasite sınırları bugün 85 ila 10.000
Ton/Frigo arasında değişmektedir. Santrifuj kompresörlerde emiş ile basma
tarafı arasındaki basınç farkının santrifuj kuvvetlerden yararlanılarak
sağladığı yukarıda belirtmiştim. Bu basınç sağlanırken refrijerana önce bir hız
(kinetik enerji) verilir ve sonra bu hız basınca (potansiyel enerji)
dönüştürülür. Bu dönüştürme işlemleri sırasında mutlaka birçok kayıplar olacaktır ve basma tarafı basıncı
dahada yükseldikçe
bunlar dahada artacaktır. Bu nedenle,
santrifuj kompresörlerde basma basıncının mümkün olduğu kadar emişten az bir
farkla olması istenir. Buna rağmen uygulamada emiş-basma basınç farkı değerleri
2 ila 30 arasında değişmekte ve her tür refrijeran ile santrifuj kompresör
kullanılabilmektedir. Fakat yukarıda izah edilen sebepden dolayı daha ziyade
yoğuşma basıncı düşük olan refrijeranlar santrifuj kompresörler için uygun
olmaktadır (R-11 ve R-113 gibi) ve bu şartlar ancak klima uygulamalarına cevap
verebilmektedir. Bu nedenle santrifuj kompresörlere en çok klima sistemi
uygulamalarında rastlanmasına şaşmamak gerekir. Derin soğutma uygulamalarında
genellikle çok kademeli kompresör kullanılır ve 10 kademeye kadar yapılan
santrifuj kompresörlere rastlamak mümkündür. Ayrıca santrifuj kompresörlerin
paralel ve seri bağlantı tertibinde hatta ara kademelerden değişik sıcaklık
uygulamaları için refrijeran bağlantısı yapılarak kullanıldığı zaman zaman
görülmektedir.
Santrifuj kompresörlerin kapasite kontrolü
genellikle refrijeranı emişte kısmak suretiyle sağlanır. Bu maksatla emiş
ağzına ayarlanabilir kanatlar konur. Kanatların ayarlanması pnömatik, elektrik
veya hidrolik vasıtalarla yapılabilmektedir. Kapasite kontrolü maksadı için
santrifuj kompresörlerde de rotor devrini değiştirme tarzı kullanılmaktadır. Az
da olsa uygulanan diğer kapasite kontrol sistemleri;Difüzör (çıkış)
kanatlarının açılarının ayarlanması, difüzör kanalının daraltılıp
genişletilmesi, Rotorun (çark) geçiş kanallarının daraltılması ve bunların
birkaçının beraberce uygulanmasıdır.
Santrifuj kompresörlerin dizaynında çalışma
kapasite sınırlarının ve devirlerinin gerek kritik devir sayısı yönünden ve
gerekse şok dalgalanmasının başlaması yönünden çok iyi etüt edilmesi gerekir.
Kritik devir sayısının 0.8 ila 1.1 katı değerleri arasındaki devirlerde kati
surette sürekli çalışmaya müsaade edilmez.
Şok dalgalanmasının durumu ise, değişik
devirlerdeki Debi/Basınç koordinatları üzerine inşa edilecek politropik verim
ve Mach katsayısı eğrilerinin etüdü ile görülebilir. Buradan bulunacak şok
dalgalanması zarfının altındaki değerlerde çalışma şok dalgalanması yapacaktır.
Şok dalgalanması (surgıng) olayı varken refrijeran kompresör çıkışında sık sık
bir ileriye bir geriye yönelir. (takriben 2 saniyede yön değiştirir). Bu olayın
neticesinde aşırı gürültü , aşırı titreşim ve kompresörde aşırı ısınma meydana
gelir ki devam etmesi halinde gerek sistem tarafı gerekse kompresör tarafı
bundan zarar görebilir. Keza tahrik motoru da alternatif şekilde yüklenir ve
yükü azalır ki bunun sonucu dönme hızı bir azalır bir artar. Surging olayının
tespitinde bu durumun mevcudiyeti bir ipucu olabilir. Motorun çektiği akımın
ölçülmesi de bu olayı teyit edecektir. Kompresördeki aşırı titreşimler ve
gürültüler daima bir anormal çalışmaya ve arızanın yaklaştığına işaret olarak
kabul edilmelidir.
Santrifuj kompresörlerin rotorları (çark)
açık tip veya örtülü tip şeklinde dizayn edilir ve dökme aliminyum, kaynaklı
aliminyum, dökme çelik, kaynaklı çelik, perçinli çelik gibi malzemeden yapılır.
Aluminyum, çeliğe nazaran daha yüksek bir dayanıklılık/ağırlık oranına sahiptir
ve daha hafif rotor ile daha yüksek devirlerde çalışılmasını mümkün kılar.
Çelik rotorlar ise 150C üzerindeki çalışma şartlarında üstünlük kazanır.
Korosif refrijeran uygulamalarında paslanmaz çelik uygun bir çözüm
getirmektedir. Santrifuj kompresörlerde de vida tiplerinde olduğu gibi eksenel
ve radyal yükleri taşıyacak şekilde ayrı ayrı iyi bir yataklama gereklidir.
Eksenel yükler burada daha da fazladır.
KONDENSER (YOĞUŞTURUCU)
Soğutma sisteminde refrijeranın evaporatörden
aldığı ısı ile kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında ilave olunan ısının
sistemden 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 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 katsayıları
sağlanabilmekte ve bu tercih edilmekte ise de uygulamada refrijeran özellikleri ve kondenser
imalatının ekonomik faktörlerle sınırlanmaları nedeniyle ancak film tarzı
yoğuşma ve az ölçüde de damla teşekkülü ile yoğuşma birlikte olmaktadır.
Kondenserdeki ısı alış verişinin 3 safhada
oluştuğu düşünülebilir, bunlar(1)Kızgınlığın alınması (2)Refrijeranın yoğuşması
(3)Aşırı soğutma. Kondenser dizaynına bağlı olarak aşırı soğutma kondenser
alanının %0-10’unu kullanacaktır. Kızgınlığın alınması için ise kondenser
alanının %5’ini bu işleme tahsis etmek gerekir. Bu üç değişik ısı transferi
şekline bağlı olarak kondenserdeki ısı geçirme katsayıları ile sıcaklık araları
da farklı olacaktır. Ancak kızgınlığın alınması safhasındaki ortalama sıcaklık
aralığının fazlalığına karşı daha düşük bir ısı transferi katsayısı mevcut
olacak, fakat aşırı soğutma sırasında bunun aksine sıcaklık aralığı daha az ve
ısı geçirme katsayısı daha fazla olacaktır. Yoğuşma sırasında ise her iki değer
de alt-üst seviyelerinin arasında bulunucaktır. Yapılan deneylerde ısı
transferi katsayısının artmasının karşısında sıcaklık farkının azalması (veya
tersi) yaklaşık olarak aynı çarpım sonucunu vermektedir ve bu değerlerin
ortalamasını kullanmak mümkün olmaktadır. Hesaplamada sağladığı basitlik de göz
önüne bulundurularak kondenserlerin hesabında tek bir ısı geçirme katsayısı 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. Uygulamada ,
bunlardan hangisinin kullanılacağı daha ziyade ekonomik yönden yapılacak bir
analiz ile tespit edilecektir. Bu analizde kuruluş ve işletme masrafları
beraberce etüt edilmelidir. Diğer yandan, su soğutmalı ve evaporatif
kondenserlerde yoğuşum sıcaklığının daha düşük seviyelerde olacağı ve dolayısla
soğutma çevrimi termodinamik veriminin daha yüksek olacağı muhakkaktır, bu
nedenle yapılacak analizde bu hususun dikkate alınması gerekir.
2A) Su Soğutmalı Kondenserler : Bilhassa temiz suyun bol miktarda, ucuz ve 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 katsayıları sağlanan hava soğutmalı kondenserlerin yapılmasıyla 100
Ton/fr. kapasitelerine kadar bunların da kullanıldığı görülmektedir.
Su soğutmalı kondenserlerin dizaynı ve
uygulamasında boru malzemesinin ısıl geçirgenliği, kullanılan suyun kirlenme
katsayısı, kanatlı boru kullanıldığında kanat verimi su devresinin basınç
kaybı, refrijeranın aşırı soğutulmasının seviyesi gibi hususlar göz önünde
bulundurulur.
Bakır boru kullanılan kondenserlerde (halojen
refrijeranlar) genellikle borunun et kalınlığı azdır. Bakırın ısı geçirgenliği
de yüksek olduğu için kondenserin tüm ısı geçirme katsayısına kondüksüyonun
etkisi azdır ve bu katsayı daha ziyade dış (refrijeran tarafı) ve iç (su
tarafı) film katsayılarının değerine bağlı olur. Halbuki, et kalınlığı fazla ve
ısıl geçirgenliği az (demir boru gibi) olan borular kullanıldığında, örneğin
amonyak kondenserlerinde, borudaki kondiktif ısı geçişi de tüm ısı geçirme
katsayısına oldukça etken olur.
Kirlenme katsayısı, kullanılan suyun zamanla
su tarafındaki ısı geçiş yüzeylerinde meydana getireceği kalıntıların ısı
geçişini azaltıcı etkisini dikkata 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. Bilhassa 50C’nin üzerindeki yoğuşum
sıcaklıkları için kirlenme katsayısı, uygulamanın gerektirdiğinden biraz daha
yüksek alınmalıdır.38C’nin altındakiyoğuşum sıcaklıklarında ise bu değer
normalin biraz altında alınabilir. Su geçiş hızının düşük olması da kirlenmeyi
hızlandırır ve 1m/san’den daha düşük hızlara meydan verilmemelidir. Yüzey
kalıntıları peryodik olarak temizlenmediği taktirde kirlenme olayı gittikce
hızlanacaktır, zira ısı geçirme katsayısı git gide azalacak ve gerekli
kondenser kapasitesi ancak daha yüksek yoğuşum sıcaklığında sağlanabilecektir.
Bu ise kirlenme olayına sebebiyet verecektir. Artan kirlenme ile su tarafı
direncinin artacağı ve bunun sonucu su debisinin azalarak yoğuşum sıcaklığını
daha da arttıracağı muhakkaktır.
2B) 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 karekterdedir (Ev
tipi veya ticari soğutucular , soğuk odalar, pencere tipi klima cihazları
gibi). Çoğu uygulamalarda hava sirkilasyon fanı açık tip kompresörün motor
kasnağına integral şekilde bağlanır ve ayrı 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 alanının takriben %85 yoğuşturma
olayına hizmet eder ki kondenserin asli görevi budur. %5 civarında bir alan
kızgınlığın alınmasına ve %10 ise aşırı soğutma (subcooling) hizmet eder. Hava
soğutmalı kondenserlerde yoğuşan refrijeranı kondenserden almak ve depolamak
üzere genellikle bir refrijeran deposu kullanılması artık usul haline
gelmiştir. Bundan maksat kondenserin faydalı alanını sıvı depolaması için
harcamamaktır.
Havalı kondenserler, halokarbon refrijeranlar
için genellikle bakır boru / aliminyum kanat tertibinde, bazen de Bakır boru /
Bakır kanat ve bakır veya Çelik boru / çelik kanat tertibinde imal edilirler.
Aliminyum alaşımı boru / kanat imalatlara da rastlamak mümkündür. Kullanılan
boru çapları ¼” ila ¾” arasında değişmektedir. Kanat sayısı beşer metrede 160
ile 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/sn hava geçiş hızında, beher ton/frigo (3024 kcal/h) için
9 ila 14 m kare arasında değişmektedir. Çok küçük, tabii hava akışlı
kondenserler hariç tutulursa, hava ihtiyacı ortalama beher kcal/h için 0.34 ila
0.68m3 /h arasında değişmekte olup buna gereken fan motor gücü beher 1000 Kcal/h
için 0.03 ila 0.06HP civarında olmaktadır. Fan devirleri 900 ila 1400 d/d arasında olmalıdır. Kondenser fanları
genellikle aksiyal tip olup sessiz istenen yerlerde radyal tip kullanılabilir.
Refrijeran yoğuşma sıcaklığı ise, hava giriş sıcaklığının 10-20C 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 büyüklüğü, fan motor gücünü ve
hatta grubun ses seviyesiyle maliyetleri etkiliyecektir. Bugünkü
kondenserdizayn şekli sıcak soğutkanın üstten bir kollektörle birkaç müstakil
devreye verilmesi, yoğuştukça yerçekimi ivmesi 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 kondenser) olmak üzere iki sınıfa
ayrılmaktadır. Kondenserden hava geçişi düşey ve yatay yönde olacak tarzda tertiplenebilir. Diğer yandan,
hava fanı, havayı emici veya itici etkiyle hareketlendirecek şekilde
konulabilir.
Bir soğutma sisteminin bekleneni verebilmesi,
büyük ölçüde yoğuşma basınç ve sıcaklığının belirli sınırlar arasında
tutulabilmesiyle 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 sık rastlanan bir
durumdur. Bu nedenle, bilhassa soğuk havalarda çalışma durumu devresinde
yeterli debi ve sıcaklıkta havanın bulunmasıylada ilgilidir. Yoğuşma sıcaklık
ve basıncının çok düşük olması halinde ise yeterli refrijeran akışı olamamasına
bağlı olan sorunlar çıkmaktadır. Örneğin, termostatik akspansiyon Vaf’inde
yeterli basınç düşümü sağlanamamasından dolayı kapasitenin düşmesi sık
olduğunda, çok düşük yoğuşma basıncını önleyici tedbirler alınır ki bunları iki
grupta toplamak mümkündür; (a) Refrijeran tarafını kontrol etmek, (b) Hava
tarafını kontrol etmek.
2C) 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 nedenleriyle gittikçe daha
az kullanılmaktadır.
Evaporatif kondenser üç kısımdan
oluşmaktadır. (a)Soğutma serpantini, (b)Su sirkilasyon
ve püskürtme sistemi, (c)Hava sirkülasyon sistemi. Soğutma serpantininin
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.(Aynen soğutma kulesinde olduğu gibi). Böylece
kondenserdeki yoğuşma sıcaklığı ve dolayısıyla basıncı daha aşağı seviyelere
düşürülmüş olur. Serpantinin dış yüzeyi, ısı transferi film katsayısının düşük
oluşunun etkisini karşılamak üzere, alanı arttırmak için kanatlarla techiz
edilmektedir. Ancak, modern evaporatif kondenserlerde, boru dış yüzeylerinde
iyi bir ıslaklık elde edilmesi neticesi yüksek ısı transfer katsayılarına
ulaşmakta ve kanatsız düz borular kullanılmaktadır. Kondenserin alt seviyesinde
bulunan su toplanma haznesinden su devamlı şekilde bir pompa ile alınıp soğutma
serpantinin üst tarafında bulunan bir meme grubuna basılır ve memelerden
püskürtülür. Bu suyun takriben %3-5 buharlaşarak (takriben 6 ila 7.5 litre/h
beher ton /frigo için) havaya intikal ettiğinden, su haznesine, flatörlü valf
aracılığıyla devamlı su verilir. Ancak bu kondenserdeki su ilavesi, su
soğutmalı kondenseri bulunan soğutma kulesi ile mücehhez bir sisteme oranla çok
daha azdır ve bunun %5ila10’u mertebesinde olmaktadır. Soğutma kulelerinde
olduğu gibi, evaporatif kondenserlerde de, buharlaşma sebebiyle geride kalan
suyun sertliği ve kirliliği gittikçe artacağından, su toplanma haznesinden bir
miktar suyu sürekli sızdırmak gerekir. Iyi vasıflı su kullanıldığında
sızdırılan su miktarı 9(klima)ila12(soğutma)litre/h
beher ton/frigo civarında olmalıdır. Su haznesinde verilen suyun yumuşatılmış
su olması halinde bu miktar sıfıra indirilebilir ve bu tercih edilmelidir.
Bir evaporatif kondenserin ısıl perfonmansı,
sadece havanın kuru veya yaş termometre sıcaklıkları veya havanın giriş –çıkış
entalpi farkları baz alınarak gösterilemez. Zira püskürtülen suyun ve üflenen
havanın sıcaklıkları girişten çıkışlarına kadar çok değişik değerler
gösterirler. Havanın yaş termometre sıcaklığı normal olarak sürekli artar ve
çıkışta en yüksek seviyeye ulaşır. Suyun sıcaklığı ise refrijerandan alınan ısı
ile yükselme eğilimi gösterirken suyun buharlaşma ısısı almasıyla sıcaklığı
düşmeye başlar. Bunun sonucu, su sıcaklığı soğutma serpantinin girişinde
yükselir (hava yaş termometre sıcaklığı bu kısımda oldukça yükseldiğinden) ve
sonradan, havanın giriş yerine yaklaşınca sıcaklığı düşmeye başlar. Toplanma
havuzunda su sıcaklığı, stabil bir çalışmaya erişilince fazla değişmez.
Evaporatif kondenserler genellikle binanın
dışına ve çatıya konulur, fakat bina içine konularak hava giriş-çıkışları
galvanizli saçtan kanallarlada sağlanabilir. Bina dışındaki cihazların kışın da
çalışması söz konusu ise donmaya karşı tedbir alınmalıdır. Bina içindeki
uygulamalarda ise, ıslak havanın atıldığı kanalın soğuk hacimlerden geçmesi
halinde kanalın içinde yoğuşma olacağı hatırda tutulmalı ve bu suyun toplanıp
atılması için önlem alınmalıdır. Bina içi uygulamaları, bir egzost sistemi ile
entegre olarak uygulandığında egzost fanı ve elektrik enerjisinden tasarruf
sağlayacaktır.
Hava soğutmalı kondenserlerde olduğu gibi
evaporatif kondenserlerde de soğuk havalarda çalışma sırasında çok düşük
yoğuşma basınçları oluşumunun önlenmesi gerekir. Bu maksatla uygulanan
tertipler; (a)Vantilatör motorunun durdurulup çalıştırılması (b)Hava debisini azaltıp çoğaltmak üzere hava akımına bir
damper ve ayar servomotoru kullanılması (c)Vantilatör motorunun devrinin
azaltılıp çoğaltılması olarak sayılabilir.
EVAPORATÖR (BUHARLAŞTIRICI-SOĞUTUCU)
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, kimyasal akışkanlar vs.) (C)Katı maddeleri soğutucu evaporatörler
(Buz, buz paten sahası, metaller, vs).
Buhar sıkıştırma
çevrimli bir soğutma sisteminin, alçak basınç ve yüksek basınç tarafı şeklinde
iki kısıma ayrılabileceği bilinmektedir. Kompresörün alçak basınçlı refrijeran
gazı yüksek basınç altındaki kondensere basmak maksadına hizmet ettiği de izah edilir. Refrijeranın evaporatörde buharlaşarak ısı
alabilmesi için basıncının, evaporatör sıcaklıklarında buharlaşmasına imkan
verecek seviyeye düşürülmesi gerekir. Keza sıvı taşmalı sistemlerde de
refrijeranın, evaporatör sıcaklığında buharlaşmaya hazır halde (Doymuş
buhar-sıvı) bulunmasını sağlayacak bir basınca düşürülmesi gerekecektir. Bunu
sağlayan kontrol elemanları direkt ekspansiyonlu sistemlerde Exspansiyon
(genişleme) valfleri veya kılcal boru,
sıvı taşmalı sistemlerde ise seviye kontrollü valf olarak tanımlanabilir. Her
iki tür uygulamada da bu kontrol elemanlarından beklenen husus, evaporatörde
buharlaşan refrijeran kadar sıvı refrijeranı evaporatöre aynen beslemektir.
Evaporatör dizaynı çok tecrübe ve dikkati
gerektiren bir iştir. İç boruların çapları, refrijeran geçiş hızları, boru iç
yüzeyindeki film katsayısını arttırıcı önlemlerin uygulanması, dış zarfın çapı,
su tarafındaki türbülans perdelerinin sıklığı, imalat işçiliği kalitesi gibi
kapasiteyi etkileyici bir çok değişken mevcuttur. Isı geçirme katsayısı Ku’yu
etkileyen en önemli faktör muhakkak ki refrijeran tarafındaki film
katsayısıdır. Bu katsayıyı arttırmak üzere boruya boğum şeklinde şekil
verilmesi, borunun içine yıldız şeklinde türbülatör konulması, iç yüzeye kanat
yapılması gibi önlemler alınmaktadır.
Kaynak : NURİ ÖZKOL