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 (Tdoyma) olarak bilinir. [3]
1. 6. Doyma Basıncı
Verilen bir sıcaklıkta, saf maddenin kaynamaya başladığı basınç (Pdoyma) 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
2. 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, TLL miktarında ısı geçişi olur. Akışkan daha sonra izantropik bir hal değişimiyle 3 haline sıkıştırılır ve hal değişimi sonucunda sıcaklığı TH olur. 3-4 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkandan TH 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 TL olur. 3-4 hal değişimi sırasında soğutucu akışkan, yoğuşturucuda doymuş buhardan doymuş sıvıya dönüşür. sıcaklığındaki soğuk ortamdan, sabit sıcaklıkta Q
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 TL 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.
COPSM =
| Burada, |
qL = h1 – h4
wt = h3 – h4
wk,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 :
A) Kondüksüyon (İletim)
B) Konveksiyon (Taşıma)
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.