BÖLÜM III BUHAR SIKIŞTIRMA SOĞUTMA ÇEVRİMLERİNİN

BÖLÜM III
BUHAR SIKIŞTIRMA SOĞUTMA ÇEVRİMLERİNİN TERMODİNAMİĞİ
Uygulamada en çok rastlanan soğutma çevrimi "Buhar Sıkıştırma Soğutma Çevrimi" olduğu için sadece bu çevrimin Termodinamik esaslarının kısaca gözden geçirilmesi ile yetinilecektir.
TERMODİNAMİK : Enerjinin etüdü, bunun şekil değişimleri ve bunların, maddenin konumu (Katı, Sıvı, Gaz) ile olan ilişkilerini inceleyen bir bilim dalıdır. Bir Termodinamik sistem, sınırları tespit ve tecrit edilmiş bir hacim veya büyüklüğü belirli bir
maddedir. Termodinamik bir sistem, sınırları sabit veya hareketli ve gerçek veya hayali olabilir. Termodinamik bir sisteme işlerlik kazandıran değerler Entropi (S) ve
Enerji'dir. Entropi, belirli bir sistemin moleküler düzgünsüzlüğünün ölçüsüdür. Sistem ne kadar karmaşık/dağınık ise Entropisi o kadar büyüktür ve bunun aksi, düzgün bir sistemin Entropisi de düşüktür.
Sistemin iç enerjisi (u), moleküler hareketin ve moleküller arası kuvvetlerin meydana getirdiği enerjidir. Sistemin sınırlan içinde transfer olan enerji (p.v) ile iç enerji (u) toplamı entalpi olarak tanımlanır ve h = u + p.v şeklinde ifade edilir.
Termodinamiğin I. Kanunu : Enerjinin korunması prensibi olarak da anılan ve
Nükleer veya Kimyasal bazı reaksiyonlar hariç tutulursa şöyle ifade edilmektedir :
Sisteme ilave edilen Net Enerji = Sistemde toplanan enerjideki net artış + iş olarak sistemi terkeden enerji.
Isıl enerji için bunun ifadesi AQ = AE H
W
şeklinde olacaktır. Yani, enerji-
nin bir sistemden diğer bir sisteme geçişi veya bir sistem içerisinde şekil değiştirmesi halinde toplam enerjinin sabit kaldığını, ne artma ne de azalma olmadığını
ifade eder. Bir başka deyişle; Enerji yokdan var edilemez ve mevcut enerji de yok
edilemez. Sadece bir enerji şeklinden diğer şekle dönüşür veya dönüştürülür.
(Nükleer reaksiyonlar hariç olup bunun için "Kütle + Enerji toplamı = Sabit" ifadesi geçerlidir).
İdeal Gazların Hal Denklemi : Moleküller arası mesafesi molekül çapına göre
çok fazla olan ve bunun sonucu moleküller arası karşılıklı çekim kuvveti bulunmayan
gazlara "İdeal Gaz" denilir. Basınçların mutlak sıfır'a yaklaşması durumunda pek çok
gaz bu hale/tarife uymaktadır. Bu konum için,
P.v = R.T veya P.V = mRT eşitliği geçerlidir.
R = Evrensel Gaz Sabitesi (8.314 kJ/K)'dır.
Termodinamiğin U. Kanunu : Isı hiç bir zaman kendiliğinden sıcaklığı daha yüksek olan bir ortama /cisime geçemez. Bir başka ifadeyle; kendiliğinden oluşan termodinamik işlemlerin hiç birisi geri dönüşümlü (tersinir) olarak meydana gelemez,
gerçekleşemez.
Termodinamik İşlemler/Prosesler : İsı ile ilgili tüm işlemlerde mümkün olduğunca az kayıpla amaca erişmek hedeflenir. Soğutma işleminin sağlanmasında da gene
en az enerji sarfıyla belirli bir soğutma yükünün karşılanması (kapasite oluşturulması) istenir. Bunun için de, soğutma çevrimini meydana getiren her bir ayrı işlemin en
az enerji sarfıyle veya kayıpla oluşması gerekir. Yani çevrimin herhangi bir bölümünde bu sağlanmıyorsa tüm çevrim bundan etkilenecektir. Bir çevrimi oluşturan münferit işlemler ise sayıca çok fazla olmayıp bunların ideal/hedeflenen şekilleri şöylece
özetlenebilir :
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
33
1) Sabit Hacimde termodinamik işlem (lzometrik). Aşağıdaki örneklerden görüleceği gibi kapah-sabit bir hacime ısı veya iş verilmesidir.
V! = V2
Q = G.cv.At
Gaz tarafından yapılan iş, W = O (Kapalı-akışsız sistem için)
p-v Diyagramındaki
görünümü
Sabit Hacimde Termodinamik İşlem (İzometrik)
2) Sabit Basınçta (İzobar). Alttaki örnekte ve p.v diyagramında konumu açıkça
görülmekte olup soğutma çevriminin meydana gelişi sırasında bileşik şekilde oluşmaktadır.
F:Sabit
9- «I
p:Sabit
Q = G.Cp.
Gaz tarafından yapılan iş :
a) Wk = p . (V2 - V , ) : Akışsız, non-flow
b) Wk = 0 : Düzgün-Sabit akış (Steady flow)
Sabit Basınçta/İzobar Termodinamik İşlem Örneği ve p-v diyagramındaki Görünümü
3) Sabit Sıcaklıkta (izotermik): Soğutma çevriminde Kondenser ve Evaporatörde buna yakın bir termodinamik işlem oluşmaktadır.
4) Sabit Entropi (tzentropik) veya geri dönüşebilir Adyabatik : İdeal bir sıkıştırma işlemi için gösterge olup en az enerji harcamı ile gerçekleşecektir. Bu işlem sırasında ısı alışverişi ve Entropide değişim olmamaktadır. Yani Q = 0; AS = 0
5) Politropik : Gerçek sıkıştırma işlemine daha yakın bir termodinamik işlem olup
34
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
(PıVı) n = (P2-v2)n şeklinde ifade edilir. Basınç, hacim, entropi değişimleri ile ısı ve iş
alış verişi söz konusu olmaktadır.
6) Serbest Genleşme (Geri Dönüşümsüz Adyabatik) : Basınç ve hacim değişimlerinin ısı alışverişi olmaksızın meydana gelişi ile oluşan bu işlem, soğutma çevriminde Kondenserden Evaporatöre geçiş sırasında Genişleme Valfi veya Kılcal boru içinde meydana gelmektedir.
P2
2
P1 . V 1 = P2 • V 2
Böyle -Mariot kanunu
prMutlak basınç
T.Sabit
T:Sabit
T:Sabit
S2
S3
Sabit Sıcaklıkta/İzotermik Termodinamik İşlem'in p-v ve T-S Diyagramları Üzerindeki Konumu
P2~ - <
V
\
S:Sabit
s/
y1
P1
v?
V
1
S, = S2 : Sabit
cv
Sabit Entropi/izentropik veya Geri Dönüşebilir Adyabatik İşlem
UYGULAMALI
SOĞUTMA TEKNİĞİ
35
Tersinirlik-Geri Dönüşebilirlik : Denge durumundaki bir sistem herhangi bir etkiyle hal değiştirdikten sonra hem sistemi hem de çevresini başlangıçtaki denge konumuna getirmek imkanı olabiliyorsa bir "Tersinir" işlem ve eğer bu mümkün olamıyorsa" Tersinmez/Geri Dönüşemez" bir işlem söz konusudur. Her iki işlem için aşağıda birer örnek verilmektedir.
Tersinmez İşlem : Sistem
Sıcaklığı Tj, çevre sıcaklığı olan
SİSTEM
T 2 ' y e ulaşıncaya kadar sistem Q
ısı'sını alacaktır. Herhangi bir
çevrim (Örneğin soğutma) uygu- Çevre:
Çevre:
T ,P,
lanmadan T2 sıcaklığı kendiliğinden, daha düşük olan Tı ilk
sıcaklığına düşürülemeyeceği
a) Başlangıçta
t>) B j
için işlem "Tersinmez"dir.
Tersinmez bir İşlem için Örnek
Tersinir tşlem :
AF=F1-F2 ve Pı.v ı =p 2 .v 2 olup
F2 kuvveti tekrar Fj olduğunda aynı şartlar oluşabilecektir (pj ve vj).
Termik Makinanın Maksimum Verimi: Fransız mühendisi
Sadi Carnot iki ayrı sıcaklıktaki
kaynak arasında çalışan, geri döP2.V
P1 .
nüşebilir (Tersinir) bir makina tasarlamış ve Ti yüksek sıcaklığına) Başlangıçta
) Bitişte
daki kaynaktan Q ısısını T2 alçak
Tersinir bir İşlem için Örnek
sıcaklığına verirken sıcaklığın,
mümkün olduğunca az değişimle (ideal olarak sıfır, yani izoterm) olması ve gene tersinir
işlemin diğer yansında da aynı şekilde sıcaklık değişiminin idealde sıfır olması (izoterm) gerektiğini görmüştür (1824). Buradan, ideal çevrime ısının ^ sıcaklığında izotermik olarak
verilmesi ve çevrimden gene T2 sıcaklığında izoterm olarak çekilmesi gerektiği görülmektedir. Diğer yandan, aynca akışkanın makina (çevrim) içerisinde Tj'den T 2 'ye kadar soğuyabilmesi için tersinir adyabatik bir genişlemeye uğrayarak iş vermesi (Genişleme Türbini
gibi) ve yeniden T 2 'den T{e kadar ısınmasını da tersinir adyabatik bir sıkıştırmaya uğrayarak yapması gerekecektir. Bu suretle meydana gelen Carnot çevrimi, ısı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşmesinde ulaşılabilecek maksimum üst sınırın göstergesi olmaktadır.
i
2
tişte
'" r
r
2
b
2
izotermik
^ 1
Adyabatik
genişleme
Yakıtın
yanması
W-Sıkıştırma
Adyabatik
sıkıştırma
izotermik
Q-Egzost
Şekil. III-l) Carnot çevriminin p-v ve T-S diyagramlarındaki görünümü (Isı-Enerji Makinası)
36
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
E<
/•
Isı'nın mekanik enerjiye çevrilmesinde ideal hedef olarak alınan "Geri dönüşebilir teorik Carnot Çevrimi" soğutma için de ideal hedef olarak alınmaktadır. Aşağıdaki şekillerde P-V ve T-S diyagramları üzerinde Carnot çevrimi gösterilmiş olup, görüldüğü gibi bu çevrim, birbirini takip ederek kapalı bir peryot meydana getiren; Adyabatik Genişleme, İzotermik Genişleme, Adyabatik Sıkıştırma, izotermik Sıkıştırma
işlemlerinden meydana gelmektedir.
-Sıkıştırma
izotermik
sıkıştırma
)4
Sıkıştırma
Adyabatik
genişleme
Reversibl
adyabatik
sıkıştırma
izotermik
/ genişleme
_Z
»^
Sl.2
)3
3
3,4
Şekil. 111-2) Ters Carnot Çevrimi (İdeal Soğutma Çevrimi)
Isı makinası olarak uygulamada Karno çevrimi verimi (Alınan net işin verilen ısıya oranı) TIC =
Tı-T 2
olacaktır.
Carnot çevrimi geri dönüşebilir bir çevrim olduğundan (Teorik Olarak) aynı çevrimi soğutma makinasma da uygulamak mümkündür. Bu takdirde, çevrime bir güç verilmesi ve karşılığında soğutma elde edilmesi söz konusudur. Ayrıca, verim yerine bu
kere Performans Katsayısından bahsedilmek gerekirki bu, alınan ısının (Soğutmanın) çevrimde harcanan enerjiye oranıdır. Isı Pompası başlıklı bölümde Performans
Katsayısından (COP) bahsedilmişti, ve soğutma çevriminde; COP =
duğu ifade edilmişti. Isı Pompasında ise; COP =
T,-T2
Tı-T 2
. ol-
-, olarak verilmiştir.
Görüldüğü gibi, soğutma ve ısı pompası çevrimlerinde COP değeri, alt ve üst sıcaklık değerleri arasındaki fark azaldıkça artmaktadır. Isı çevriminde ise verim, bu sıcaklık farkı azaldıkça, azalmaktadır.
Ters Carnot Çevrimi ve Performans Katsayısı (COP): Soğutulan hacmin belirli bir sıcaklığı (T2) ve gene belirli bir çevre sıcaklığı (Tj) değerlerinde ters çevrili Carnot çevrimi en yüksek performans katsayısını (COP) yani ideal/hedeflenen konumu
vermektedir.
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
37
Qo
Yoğuşma
Genişleme
Sıkıştırma
,
V
'' I
Buharlaşma
i
AS
Carnot Çevrimi performans katsayısı; COPC
COPC =
Sağlanan Soğutma
Q,
Qı
T 2 x AS
Harcanan Güç
W/Jk
Qo - Q(
(T, - T 2 ) AS
'•
/ •
= T2 / (T^ - T 2 ) = 1/ [(T, / T 2 ) -1] olmaktadır.
1-2
2-3
3-4
4-1
Adyabatik genişleme (Ekspansiyon türbini ile)
İzotermik ısı alınışı (Evaporatör ile)
Adyobatik Kompresyon (Kompresör ile)
İzotermik ısı verilişi (Kondenser ile)
Şekil. III-3) Ters Carnot Çevriminin Performans Katsayısı (COPC)
Örnek olarak; tj = 20°C (293°K) ve t2 = 0°C (273°K) için,
Soğutma çevriminde COP
Isı pompası çevriminde COP
Isı çevriminde TIC =
38
273
293-273
293
293-273
13.65
= 14.65
293-273
—— = 0.068, olacaktır.
293
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
'" r
i
Halbuki tx = 40°C olsaydı :
Soğutma çevriminde COP =
273
313-273
Isı pompası çevriminde COP =
Isı çevriminde r\c =
313-273
313
313
313-273
6.82
= 7.82
= 0.128, olurdu
Birinci durumda, ısı çevrimine nazaran 200 katı daha fazla görünen COP ikinci
durumda 53 katına düşmektedir.
Carnot Çevriminde net Entropi değişimi sıfır'dır, yani sistem tümüyle geri dönüşebilir olarak kabul edilmektedir. Ancak, ideal/teorik olan bu durum gerçekteki durumla, çevrimin en az 2 yerinde farklılık göstermektedir. Her ikisi de geri dönüşümsüz olan bu farklılıklar şunlardır:
1) 1-2 noktaları arasındaki geri dönüşümsüz
genişleme valfi durumu,
2) Kompresyon işlemi sırasında meydana
gelen 4 ' - 4 - 4 " kızgın
1
buharın
kızgınlığının
kondenserde öncelikle
alınmasıdır.
Bunlardan birincisinin geri dönüşür hale
getirilmesi bir genişleme
türbini (Adyabatik -geri
dönüşümlü genişlemeiş makinası) ile mümkündür ve bu şekilde kazanılan güç tekrar çevrime geri verilebilir (örneğin kompresör emişine
konulacak bir körükvantilatörün tahriki için
Jeorik Buhar Sıkıştırma Çevriminin
kullanılmak suretiyle).
İdeal-Carnot Çevrımiyle Farklılıkları
Diğeri için ise 3-4 noktalan arasındaki kompresyon işlemi iki aşamalı, geri dönüşümlü kompresyonla düzeltilmek gerekir ki bunlar 3-4' geri dönüşümlü adyabatik (izentropik) kompresyon
ve 4'-4" izotermik ısı verilişi ile mümkün olabilecektir. Bunlarla ideal Carnot Çevrimine yaklaşılacağı açıkça görülmektedir. Ancak pratik uygulamada, bunların yapılması sırasında yeni kayıplar (ısıl ve mekanik) yani geri dönüşümsüzlükler ortaya çık'tığından (Soğutucu akışkanın ısı alışverişi sırasında Entropi değişimlerindeki artma
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
39
%
ki, soğutma yükünün alınması ile net güç harcamı ve ısının atılışı sırasında oluşmaktadır) bunlar beklenen yararları sağlayamamaktadır ve bu yönde ilavesi gereken ekipman ve aparatlar soğutma sistemini çok karmaşık hale getirerek hem ilk kuruluş/yatırım masraflarını hem de işletme sırasındaki servis-bakım-tamir masraflarını arttırmaktadır. Diğer yandan, gerek kondenserde gerekse evaporatörde tam bir izotermik
ısı alışverişinin olamayışı (Başta basınç kayıpları olmasından) ayrıca boru tesisatından
da ısı alışverişi olması, kompresör emiş ve basma valflerindeki basınç kayıpları gibi
geri dönüşümsüz işlemlerden dolayı soğutma çevriminin/sisteminin performans katsayısı (COP) düşmektedir.
Buraya kadarki Carnot ve ters Carnot çevrimi taslaklarında akışkanın daima gaz
halinde kaldığı varsayılmıştır. Halbuki ters Carnot çevriminde izotermik işlemlerin birisinde gaz halden sıvı hale dönüşme (Kondenser-yoğuşma) diğerinde ise sıvı halden
gaz hale geçiş (Evaporatör-Buharlaşma) izotermik'e en yakın işlemi doğal şekilde
sağlıyabiliyordu. Bu da ısıl işlemi sağlayan akışkanın devamlı gaz halde kalmadığını
ortaya koymaktadır ve gaz ile sıvı konumlan arasına Carnot çevriminin yerleştirilmesi gerekmektedir ve bu mümkündür. Burada p-v ve T-S koordinatları üzerinde gösterilen ve sıvı-doymuş buhar konumları arasında meydana gelen ters Carnot Çevrimi, Adyabatik genişleme (1-2 arası) dışında Buhar sıkıştırma çevrimi için amaçlanan
hedefe ölçü olabilmektedir. Geri dönüşümlü adyabatik genişleme ise (1-2 arası) daha
önce de anlatıldığı gibi uygulamada pratikman mümkün olmamaktadır ve geri dönüşümsüz adyabatik genişlemeyle sonuçlanan genişleme valfleri kullanılması uygun olmaktadır (1-2' arası).
Por
p
T
\
1
Pl,4
(t
t
4"
T
1
1,4
vv
A
P2,3
/
. ıAVS
J
fi
Adyabatik
genişleme
T
2,3
t
/
g
A
/A
i
f
2"
9
İ
AS
I•
Adyabatik
sıkıştırma
^- Geri Dönüşümsüz
Şekil. III-4) Doymuş buhar-sıvı konumları arasında Carnot Çevriminin görünümü
İdeal çevrimden, uygulamadaki teorik çevrime yönelinirse, Rankin çevrimi ile karşılaşılır. Rankin çevrimi, ıslak buharın sıkıştırılması ve genleştirilmesi suretiyle soğutma elde edilmesini ifade eder ve bu çevrim Şekil.III-5'de p-v, T-S, p-i koordinatları
üzerinde gösterilmektedir.
40
i
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
#• /
i
i
P
1-2
2-3
3-4
4-1
3'-4"
Genişleme
Buharlaşma
Sıkıştırma
Yoğuşma
Islak sıkıştırma
Sıvı
Doymuş
Buhar
Kritik
nokta
Doymuş
Buhar
Entropi (S)
Entalpi (i)
Şekil. III-5) Buhar sıkıştırma soğutma çevrimi (Rankine Çevrimi)
Daha önce de belirtildiği gibi bu çevrimde 1-2 noktaları arasındaki genişleme olayı sırasında meydana gelen iş'den yararlanmak mümkündür (genişleme türbini, vs.).
Fakat soğutma çevriminde kullanılan iş (verilen mil gücü) ısı makinalarına nazaran
çok daha azdır ve bu sebeple genişleme sırasında meydana gelen işin alınması için
özel aksam konulması fazla yarar sağlamayacaktır.
Genişleme işlemi genellikle genişleme valfı (Expansion Valve) ile sağlanır ve termodinamik yönden bu işlem "Geri çevrilemez Adyabatik" bir olaydır (Irreversible
Adiabatic Process).
2-3 noktaları arasındaki Buharlaşma (Evaporasyon) ve 4-1 noktaları arasındaki yoğunlaşma (Kondenzasyon) olaylarının büyük bir kısmı ıslak ve doymuş buhar
bölgesinde meydana gelir ve teorik olarak sabit basınç-sabit sıcaklık şartları altında oluşur. Uygulamada ise, gerek buharlaşmanın son kısmı (Kızgın Buhar-Superheat) ve gerekse yoğunlaşmanın başlangıç noktası (Kızgın buhar'dan başlar) ile sonu (aşırı soğutma-Sub-cooling ile biter) yukarıdaki teorik sınırların dışına çıkmaktadır.
3-4 noktalan arasındaki sıkıştırma (Kompresyon) işlemi ise teorik olarak sabit
entropi (Geri çevrilebilir Adyabatik) olarak kabul edilmektedir. Halbuki kompresöre giren soğutucu akışkan oldukça düşük sıcaklıkta, silindir boşluğu ise çok daha yüksek sıcaklıktadır ve sabit sıcaklık (İzotermik) şartı gerçekleşemez. Teorik
olarak izotermik sıkıştırmada harcanan iş, sabit entropi'ye nazaran daha azdır ve
tercih edilir. Ancak, pratik yönden izotermik sıkıştırmanın fiziki anlamı şunlardır:
(1) Sadece yüksek emiş sıcaklıkları mevcut olduğu taktirde olabilir. Bu ise Volumetrik verimin düşmesi demektir, (2) Diğer yandan, sıkıştırma sırasında sıcaklığın
sabit kalması demek akışkanın kompresörde yoğuşması hatta aşırı soğuması
(Subcooling) demektir, (3) Soğutucu akışkanın sıkıştırılması sırasında sıcaklığını
devamlı emiş şartlarında tutmak için ikinci bir soğutucu maddeye gerek olacaktır.
Böyle bir akışkanın mevcut olması halinde ise zaten kompresörlü bir soğutma sistemine gerek kalmaz ve doğrudan doğruya soğutucu ikinci akışkan bu maksatla
kullanılır. Özet olarak, izotermik sıkıştırmanın pratik yönden anlamı ve gereği
yoktur.
Şekil. III-6'da, Ters çevrilmiş Kar no çevrimi üzerinde Teorik Soğutma Çevrimi
gösterilmiş ve farklı kısımlar taranarak belirtilmiştir.
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
41
Sıcaklık (T)
(Ekspansion
Sıkıştırma
(Kompresyon)
J Valfinde
| gemşlernj
\ 3
(Cooling effect)
Entropi (S)
Şekil. III-6) Ters Karno Çevrimi ile Buhar Sıkıştırma Çevrimlerinin karşılaştırılması
Yukarıdaki şekilde, 1-2-3-4-1 noktaları Ters Karno Çevrimini, l-2'-3-4'-5-l ise
buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimini göstermektedir. İki çevrim arasında üç sahada
farklılık çıkmaktadır: (a) 4-4'-5-4 noktaları arasındaki saha; 4'-5 noktaları arasındaki
işlemin Izotermik (sabit sıcaklık) yerine izobarik (sabit basınçta) olması nedeniyle çevrime verilen iş'deki artışı ve dolayısıyla kondenserden atılan ısıdaki artışı ifade etmektedir, (b) l-T-2-1 noktalan arasındaki saha; Ekspansiyon valfdeki genişleme sırasında (1-2) meydana gelen iş'in kaybedilmesi nedeniyle çevrime verilen ilave iş'i ifade
etmektedir, (c) 2-2' noktalarının altındaki saha; Ekspansiyon valfdeki gerçek işlemin
sabit entalpi şeklinde oluşu nedeniyle kaybedilen soğutma gücünü ifade etmektedir.
Gerçekte ise, bir buhar sıkıştırma soğutma çevrimi teorik çevrimden de farklılıklar gösterir ki bu farklılıklar genel olarak birim güç sarfı karşısında elde edilen soğutma gücünü (Cooling effect) azaltıcı yöndedir. Bu farkları kısaca sıralarsak:
1) Ekspansiyon valf girişinden önce sıvılaştırılmış akışkan aşırı soğutularak (Subcooling) soğutma gücü arttırılır ve bu istenen bir durumdur (1-1 a arası).
2) Evaporatör çıkışında soğutucu akışkan doymuş buhar konumundan kızgın buhar konumuna geçirilerek (Superheat) gene soğutma gücünün artırılması sağlanır.
Aynı zamanda soğutucu akışkanın tamamen buharlaşması temin edilmiş olur ki bu
hem kompresöre sıvı maddenin gelmesini önler (kompresöre hasar verilmesi önlenir) hem de soğutma potansiyelinden tam olarak faydalanılması sağlanmış olur. Bu
sebeple olması istenen bir durumdur (3a konumu).
3) Soğutucu akışkan gazın sıkıştırılması pratikte ne sabit entropi altında ve ne de
politropik olarak yapılabilmektedir. Sabit entropi'de soğutucu gaz ile silindir cidarı
arasında ısı alışverişi olmaması gerekirken bu pratikman imkansızdır.
4) Kompresörün emiş ve basma valilerinde, silindir tarafı ile valfın dış tarafı arasında daima bir basınç farkı olacaktır. Aksi halde valfin açılması ve gazın geçişi mümkün olamaz (3a-3b ve 4a-4b arası).
5) Evaporatör ve Kondenserde soğutucu akışkanın ilerlemesi sırasında basınç
düşmeleri (kayıplar) olacaktır (Apk ve Ape).
6) Sıvı ve gaz haldeki soğutucu akışkanı taşıyan boru şebekesindeki basınç düşmeleri (kayıpları) ile düşey, yükselmelerde meydana gelen statik basınç farklarıdır.
42
i
i:
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
ı
İ
Aşağıdaki Şekil : III-7'de gerçek uygulamada meydana gelen bu farkların meydana geldiği noktalar T-S diyagramı üzerinde gösterilmektedir.
- Pkompr.
A
Teorik
Çevrim J
4a
\
'— Kondenzasyon
Silindire ilk
girişte gazın
ısınması
\ £~ Evaporasyon
Aşırı Soğutma
(Subcooling) ile kazanılan
soğutma gücü
Kızgınlık
(Superheat)
Kompresör emiş
klepesindeki
basınç kayıpları
Şekil. 111-7) Pratik uygulamada Buhar Sıkıştırma Çevriminin durumu
Kompresyonun sonuna doğru meydana gelen ve kızgınlık boynuzu (Superheat
Horn) adını taşıyan kısım (Şekil : III-6'de 4-4'-5 üçgeni) sıkıştırılan soğutucu akışkanın cinsine göre değişmektedir. Ayrıca, silindirin soğutulması ile de yakından ilgilidir
(Su ceketli veya hava ile soğutma). R12 ve R22 soğutucu akışkanlarda bu parça gayet küçüktür. Amonyak sıkıştırılmasında ise çok geniş alana ulaşmaktadır. Bu nedenle, amonyak kompresörlerinin su ceketli olarak yapılıp soğutulması çok sık görülür.
Soğutucu akışkan türü ne olursa olsun, teorik olarak en, verimli buhar sıkıştırma
çevrimi, kızgınlığı hiç bulunmayan ve doymuş buharı, hatta ıslak buharı sıkıştırarak.
(X-5 noktalan arasında) doymuş buhar konumunda kondensere sevkeden bir çalışma rejimidir. Ancak, pratikte bu beklenen durum oluşma fırsatı bulamaz, zira kompresöre giren ıslak buharın içindeki sıvı soğutkan tüm hacime atomize halde dağılmış
değildir, aksine damlacıklar halindedir ve sıkıştırmanın sonunda dahi bu halde kalarak kompresörü terk ederken soğutkanın kızgın buhar haline gelen kısmı kondensere girer, sıvı damlaları halinde kalan kısmı ise silindirin üst boşluğunda kalır. Silindire tekrar emiş yapıldığında, sıvı damlaları buharlaşarak silindir hacmine yayılır ve yeni gaz emişini yavaşlatır. Bu da kompresör volumetrik verimini ve dolayısıyle tüm sistemin verimini düşürerek ıslak buhar sıkıştırılmasından beklenen faydaları sağlayamaz, hatta aksine, ileriki bölümlerde önemle üzerinde durulan sıvı soğutkanın neden
olduğu zararlara yol açar.
Ters Brayton Çevrimi : Hava'nın soğutucu akışkan olarak kullanıldığı soğutma
çevrimlerinde hava'nın yoğuşması ve buharlaşması söz konusu olmamakta, buna gerek de duyulmamaktadır. Bu sebeple, sabit sıcaklıkta ısı atılışı (Kondenzasyon-yoğuUYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
43
f
Isı alma / Serinletme
İ
r
Şekil. III-8) Ters Brayton Çevrimi
şum) ve sabit sıcaklıkta ısı alınması (Evaporasyon-Buharlaşma) söz konusu değildir.
Bir başka deyişle Car not çevrimine yaklaşım ve benzerlik oluşmamaktadır. Hava'nm
sıkıştırılıp genişlemesi ile sağlanan soğutmada, kondenser yerine "serinletici" (Cooler) ve Evaporatör yerine "soğutucu" (Refrigerator) deyimleri daha uygun olmaktadır. Genişleme-basınç düşürme işlemi de bir genişleme türbini ile yapılarak geri dönüşür adyabatik (sabit entropi) bir işlem mümkün olabilmektedir. Genişleme türbini
ile kazanılan güç, havanın sevkedilmesi için gerekli fan gücü şeklinde kullanılabilmektedir. Uçakların kabin klimalandırılmasında çok sık kullanılan bu uygulama oldukça
eskilere, 1950'li yıllara dayanmaktadır. Bu konuda daha geniş bilgi bu metin son kısmında, X. Bölümde bulunabilmektedir.
i
•
' /'
,
V
i
44
UYGULAMALI SOĞUTMA TEKNİĞİ
ir /ı