Soğutma ile İlgili Genel Tanımlar
Soğutma ile İlgili Genel Tanımlar - sayfa3
Helisel/Vida tipi kompresörlerinin performans özellikleri şöyle özetlenebilir;
a) Düzgün (kesintisiz) bir refrijeran gaz akışı sağlar,
b) Düzgün bir tork değeri muhafaza edilir,
c) Pozitif sıkıştırma özelliği vardır,
d) Geniş bir yük değişimi sahasında titreşimlerin asgari seviyede tutulabilmesi sağlanabilir,
e) Yüksek bir Volumetrik verim ve Adyabatik verim elde edilir,
f) Emiş ve basma klapelerinin bulunmadığı (Arıza kaynağının ve basınç kayıplarının ortadan kalkması yönünden) bir yapıya sahiptir,
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 )
8.
| 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.