Soğutma Sistemi Akışkanları-Doğal :
1—Genel Bilgi:
1.1—Soğutkan olarak kullanılan Karbondioksit için geliştirilen yeni kompresör tipleri ile hada çok çe çeşitli uygulama alanlarına girmiştir.
1.2--Ozon tabakasına zarar vermeyen HFC (HidroFluoroCarbon)’ lar ve bunların muhtelif karışımlarından bazıları ki en çok kullanılanlar arasında R134a, R407C, R404A, R410A sayılabilir.
1.2.1—Doğal soğutkanların Uygulama sıcaklığı ve soğutma kapasitesine göre, her birinin daha avantajlı olduğu çözümler vardır.
1.3--Yapay soğutkanların-HFC vs çevre ve canlılar için doğurabilecekleri tehlikeler iyi bilinmemektedir.
2—Tarihçe:
2.1--Gemilerde R744 kompresörlerinin kullanımı, bu soğutkanın tarihçesine ışık tutmaktadır. 20. Yüzyılın başlarında gemilerdeki soğutma sistemleri-nin büyük çoğunluğunda soğutkan olarak R744 kul-lanılmakta idi.
2.2--1930’dan sonra bunun yerini yavaş yavaş CHFC’ler aldı. 1940 yılında gemilerdeki R744 kompresörü oranı % 80 iken, 1960’da bu oran % 40’a düşmüştü.
2.3--1950 yılından sonra R744 soğutmakompresörü imalatına son verildi. 1980 yılında gemilerde hiçbir R744 tesisi kalmamıştı.
2.4--Tabii, karadaki tesislerde R744’ün HCFC’ler lehine terk edilmesi, kondenser basınçlarının çevre sıcaklıkları ile birlikte artması sonucu performans katsayısının (COP) süratle düşmesi nedeniyle daha hızlı oldu.
3—Doğal Soğutkanlar:
3.1--Havanın (R729) Hava Çevriminde Soğutkan Olarak Kullanımı:
1-- Soğuk Hava Çevrimli -SHÇ (air cycle) ilk sistemler gemilerde ve gıda üretimi ile muhafazasında kullanılmışlardır.
2-- Soğuk Hava Çevrimli soğutma sistemi şeması ve bu işlemin T,S diyagramındaki teorik çevrimi açık bir çevrim olup, KM ana kompresörü çı kışından alınan bir miktar yüksek basınçlı hava, uçak vs soğutma sisteminde kullanılmak için çekilir. 2 durumundaki sıcak hava HE ısı eşanjöründe ana kompresör giriş tarafından çekilen hava vasıtasıyla soğutulduktan ve AT genleşme türbininde genleştirildikten sonra; soğumuş olarak, kabin içine sevk edilir. Genleşme türbini AF soğutma havası fanını tahrik eder. Bu sistem uçak yerde iken, kabin soğutmasına da uygundur. Bu durumda uçak ana kompresörü durmakta olduğundan, basınçlı havayı temin için, küçük bir yardımcı türbo kompresör kullanılır.
2.1-- Soğuk Hava Çevriminin Kara Araçlarında Kullanımı
2.2.1--Uçaklardaki uygulamalar ve patlamalı motor türbo şarjörlerindeki teknolojik gelişmelerden sonra, kara taşıma araçlarının soğutmasında da SHÇ uygulama-sına geçildi. Geliştirilen paket sistemler, Almanya’da hızlı trenlerde , ABD’de de vagonların serinletilmesi için paket üniteler olarak 2.2.1.1--Hızlı Trenler İçin Almanya ’da Geliştirilen Soğuk Hava Çevrimli Kompakt Ünite:
Sistem türbo kompresör ve genleşme türbininden meydana gelen yüksek devirli direkt akuple bir grup kul-lanılmıştır. ABD ünitesinde ise, yüksek devirli bir elektrik motoru ile tahrik edilen bir radyal türbo kompresör ile, bir genleşme türbini ile tahrik edilen turbo fan bulunmaktadır.
2.2.2.2--ABD Kaliforniya’daki bir firma, dünyada ilk ticari, hava çevrimi ile çalışan, 5 ton (17,58 kW) soğutma kapasiteli, paket tip soğutucuları satışa çıkarmıştır. İki farklı tipten biri - 18 °C diğeri -59,4 °C sıcaklığındaki muhafaza depolarını soğut-maktadır. Soğuk havanın üniteden çıkış sıcaklıkları sırasıyla - 53,9 °C ve - 84,4 °C dir.
2.2.2--Hava çevrimli sistem, daha önce kullanılan sistemlerle aynı miktarda enerji sarf etmektedir. Hava çevrimli sistemin bir başka avantajı, bakım işlerinin diğerlerinden daha kısa sürede ve düşük maliyetle yapılabilmesidir
3—Öte yandan R134a Soğutkan Olarak Kullanımı -R134a kullanan tren iklimlendirme sistemlerinden atmosfere olan kaçakların halihazırda mevcut soğutkan şarjının % 60’ı civarındadır.Bu nedenle hava çevrimli soğutkan kullanımı küresel ısınma açısından daha uygun bir çözüm olacaktır.
2--R718- Suyun Soğutkan Olarak Kullanımı :
1--Soğutkan olarak su, ozon tabakasına zarar vermeyen (ODP=0), küresel ısınmayı etkilemeyen (GWP=0), doğal, temiz ve tehlikesiz bir alternatiftir.
2--Açık çevrimde çok eski zamanlardan beri kullanılan bir maddedir. Absorpsiyonlu ve adsorpsiyonlu (dessicant) soğutma sistemlerinde de su, soğutkan olarak kullanılabilmektedir. Akışkan buzlu suyun ikincil (sekonder) soğutkan olarak kullanımı uygulamaları artmakta ve çeşitlenmektedir.
3--R718 Suyun Mekanik Sıkıştırmalı Soğuk Buhar Çevriminde Soğutkan Olarak Kullanımı
3.1--Su ile soğuk buhar çevriminin gerçekleştirilmesinde en büyük problem, basıncın çok düşük ve suyun özgül hacminin çok büyük olmasıdır. Yüksek debili kompresör olarak radyal veya aksiyal türbo kompresörler söz konusu olmaktadır. Burada kullanılacak olan kompresörün emiş debisi diğer soğutkanlara göre çok büyüktür. (HFC kullanılan sistemlerin 200 katı), Basınç oranı alt ve üst sıcaklıklara bağlıdır. Buna göre, sıkıştırma basınç oranı 1,8-2,1 alçak, 2,1-2,5 orta, >2,5 yüksek olarak kabul edilmektedir.
3.2--Büyük hacimdeki alçak yoğunluklu buharların sıkıştırılmasında türbo kompresörlerin kullanılması gereklidir (su için buhar ejektörlü sıkıştırma, ancak bol ve ucuz buhar sağlanırsa mümkündür).
3.2.1--Yaygın uygulamalarda kullanılan bu tip kompresörlerin rotor çapları da oldukça büyüktür. (1,3 - 2,6 m)
4--Son yıllarda geliştirilen yeni bir tasarım sayesinde, düşük yoğunluktaki su buharının sıkıştırılmasında kullanılan radyal türbo-kompresör rotorunun emişindeki sabit yönlendirici kanatlar yerine, farklı devirde dönen bir ön rotor ve bir ana rotor dizaynı ile; verim, kapasite ve imalat bakımından büyük avantaj sağlanmıştır . Ön rotor kompozit faserlerden, ana rotor radyal istikamette yerleştirilmiş ince molibden levhalardan veya kompozit faserden imal edilmektedir.
4.1-- 2,6 - 1,3 m çaplı rotorların iki kade-mede kullanıldığı geleneksel kompresörler uygulama alanları arasında deniz suyundan tatlı su eldesi, akışkan buz (ice slurry) eldesi ve evaporasyon sistemleri sayılabilir. Ayrıca, bu kompresörler, Hindistan ve Güney Afrika’daki altın madenlerin serinletilmesinde -birkaç MW’a varan kapasitelerde- kullanılmıştır. Bu türbo kompresörler, yüksek devirli ve büyük çaplı olmalarına karşın, buhar yoğunluğunun düşük olması nedeniyle kanatları ince molibden levhalarından esnek olarak imal edilmektedir
3--R744- CO2 – Karbondioksit in Soğutkan Olarak Kullanımı :
1—CO2 öncelikle gemilerdeki soğutma tesislerinde kullanılmaya başlamıştı. Çünkü bu soğutkanla çalışmak (yüksek basınç dışında) rahattır.
2--CO2 Yanıcı ve zehirli olmadığı gibi ucuzdur, temini kolaydır. Ozon tabakasına hiçbir etkisi yoktur. (ODP=0) Küresel ısıtma/sera etkisi çok düşüktür. (GWP=1)
3--Diğer soğutkanlarla karşılaştırıldığında, düşük sıcaklıklardaki isentropik ve volumetrik verimleri daha yüksek, hacimsel (volumetrik) özgül soğutma kapasiteleri ise çok yüksektir.
4--(-5/-30 °C) şartlarında CO2 - R717’ye (amonyak) göre 1/9 ora-nında daha küçük kompresör süpürme hacmi gerektirir. Onun için, kompresör silindirleri ve boru kesitleri aynı oranda küçülmektedir.
5--Tek termodinamik problemi, kritik noktadaki sıcaklığının düşük, (31,4 C) basıncının yüksek (72,9 bar) olmasıdır.
5.1--Bu bakımdan, CO2-R744 ile gerçekleştirilen soğuk buhar çevrimleri kritik üstü ve kritik altı olarak iki grupta açıklanır
6--Bugün ise, birçok firma R744 kompresörleri ve sistem elemanları üretimine geçmiştir. (Bunun yanında R744 ile çalışan kompakt soğutma üniteleri üreten çok sayıda firma vardır. Bu sistemlerde diğer soğut-kanlarda olduğu gibi, levha tipi ısı eşanjörleri kullanılmaktadır.
7--AB’de 2011 den sonra otomobil klimalarında HFC’lerin kullanılması yasaklanmıştır. Çin ve Japonya başta olmak üzere birçok tanınmış otomobil üreticileri R744 kullanan oto klima sistemlerine geçmek üzere çalışmalar yapmaktadır.
7.1--Gemilerde donmuş muhafaza soğutma sistemleri düşük sıcaklık kaskad kademesinde R744 kullanmaktadır. R744 ile kritik üstü olarak gerçekleştirilen çevrimde, gazın kompresörden çıkış sıcaklığı oldukça yüksektir. Bu durumda 90 °C ye kadar sıcak su elde etmek mümkündür. Bu soğutma sistemi bilhassa gıda işleme ve dağıtım işletmeleri için elverişlidir. R744 ısı pompaları uygulamaları kritik üstü çevrimle gerçekleşirken, yüksek COP değerleri elde edilmektedir.
8-- Güncel CO2-R744 Uygulamaları:
8.1-- 2002 yılından bu yana süpermarket derin soğutucularında direkt buharlaşmaya geçilmesi ile Avrupa’daki süpermarketlerde büyük bir kabul görmüştür. Süpermarket soğutma merkezlerinde azaltılmış soğutkan şarjlı R717 veya R290 paket üniteleri kullanılmaktadır. Bu husus ünitede, plakalı eşanjörler ve R717 ile tam karışabilen sentetik yağ kullanılması sayesinde mümkün olmuştur.
8.2--Gıda üretim ve muhafaza soğuk depoların donmuş muhafaza ve dondurma tünelleri bölümleri, (-18/-40 °C) kaskad CO2-R744 kademesi ile daha düşük enerji sarf etmektedir.
8.3--Kaskad sistemin üst sıcaklık kademesinde, bilhassa kuzey Avrupa’da R290 kullanılmaktadır
8.4--Süpermarket soğutmasında R744-HFC soğutkanlarla kaskad soğutma paket üniteler seri üretimi de yapılmaktadır. Örneğin çok kompresörlü paket ünite modern bir R407c/R744 kaskad grubu kullanılabilmektedir.
9--Açık ve yarı hermetik kompresörler yanında otomobil klimalarında kullanılacak R744 kompresörü ve diğer parçalar denenmiş ve yeni modellere uygulanması başlamıştır Ayrıca küçük soğutma için (-15/+7,2 °C) hermetik R744 kompresörleri geliştirilerek üretime geçmiştir.
10--R744 ile kritik üstü çevrimlerde yüksek basınç tarafındaki ısıyı kullanarak 90 °C’ye ulaşan sıcaklıklar da su elde edilebilmektedir.
11--Isı pompası ve soğutucunun birlikte çalışma durumunda performans katsayısı (COP=5) değerine yükselmektedir.
12--R744’ün derin dondurucu sıcaklıklarında ikincil akışkan olarak kullanımı diğer akışkanlara göre avantajlıdır. Böylece süpermarket tesislerinde düşük sıcaklık kademesinde maksimum 25 bar basınçta sıvı CO2 dolaşımı soğutucularda daha kararlı ve problemsiz bir çalışma sağlamaktadır. Sirkülasyon bir CO2 pompasıyla yapılmaktadır. Askeri taşıt iklimlendirme soğutmasında R744 öncelik kazanmaktadır.
13--Günümüzde sıklıkla kullanılan ısı pompalarında ve buna bağlı olarak soğutma sistemlerinde CO2’in akışkan olarak kullanılması yaygınlaşmaya başla-mıştır.
13.1—Yapılan bir bilimsel çalışmaya göre Tek ve çift kademeli CO2’li ısı pompaları incelendiğinde, ısı pompası sisteminde kabul edilen şartlar altında çift kademeli kompresör kullanımının, performans ve enerji maliyeti açısından daha iyi olduğu görülmüştür.
13.2--Çift kademeli sistem daha üstün performansa sahip olup, ayrıca enerji tüketimi daha düşüktür.
13.3--Bu da enerji maliyetinin düşmesi ve dolayısıyla ekonomiklik demektir.
13.4--Ayrıca CO2, küresel ısınma potansiyelinin azlığı ve ozon yıkım potansiyelinin olmaması nedeniyle olarak bu sistemler için iyi bir alternatif akışkandır
4--Hidrokarbonlar ve Karışımları ın Soğutkan Olarak Kullanımı :
4.1--Hidrokarbonlar havayla yanıcı ve patlayıcı karışım yapan maddeler olmalarına rağmen, gerekli önlemlerin alınması durumunda soğutma sistemlerinde soğutkan olarak kullanılmaya devam edilmektedir.
4.2--R170 - Etan, R290 - Propan, R600 - n-Bütan, R600a - İsobütan ve R1270 - Propilen saf hidrokar-bon soğutkanlar sayılmaktadır.
4.3--R402A, R403A, R403B, R406a gibi R290 içeren ve muhtelif ticari isimlerdeki R600 veya R600a içeren HFC karışımla-rı, Avrupa’da zamanla kullanımdan kaybolacaklardır.
4.4--1993 yılından başlayarak, Kanada, Avustralya, ABD gibi ülkelerde, yukarıda bahsedilen muhtelif hidro-karbonlar ve karışımları, üretimi ve satışı yasaklanan CFHC’lerin yerine özel küçük hacimli basınçlı kap ambalajlar içinde HC12, HC12a, HC22, HR12, HR22, gibi kodlar ve bir takım markalarla pazarlanmışlar ve gazı kaçan soğutucularda alternatif olarak kullanılagelmişlerdir.
4.5--Avustralya ve ABD’de HC karışımlarının R12 veya R22 yerine kullanılması yasak olmasına rağmen, bu karışımların satışı serbest kalmıştı.
4.6--CFC sınırlamalarının başladığı tarihten sonra, yeni üretilen soğutma sistemlerinde HFC veya doğal soğutkanlar kullanıldı.
4.7--Avrupa’nın büyük bir kısmında Çin’de ve Hindistan’da buzdolabı, sebil, şişe soğutucu gibi küçük soğutucularda HC’ler kullanılmaktadır.
4.8--Klimave ticari soğutucularda ise, emniyet yönünden CFC’ler ve bunların karışımları kullanıldı. 4.9--Kuzey Avrupa ülkeleri ise tamamen doğal soğutkanlarda kaldılar.
4.10--Hâlihazırda, ABD’dışında tüm ülkelerde tüm bilinen markalar, buzdolaplarında enerji sarfiya-tının CFC’lerden daha düşük olması; ucuz ve temini kolay olmaları nedeniyle, gerekli önlemleri alarak (bu anlamda geliştirilmiş norm, direktif ve yönetmeliklere uyarak) HC karışımlarını kullanmaktadırlar. 4.11--Danimarka’da özel havalandırma önlemleri alınan ayaküstü gıda satış yerlerindeki tüm soğutucu ve ısı pompalarında HC dolgulu soğutucular kullanılmaktadır.
4.12-- Halen Devam Etmekte Olan Uygulamalar
1--Yanabilir soğutkanlarla ilgili olarak evlerde kulla-nılabilir soğutuculara ait elektrik standartları geliştirilmiş ve AB direktifleri çıkarılmıştır.
2--Genellikle çeşitli soğutucuların evlerde kullanılabilirlikleri dolgu miktarı ve elektrik malzemeleri ile ilgili direktiflerle düzenlenmektedir. Bu konudaki gelişmeler devam etmektedir.
3--Ev tipi buzdolaplarının şarj miktarının düşük tutulması ve buharlaştırıcının soğutulan hacmin dışında bırakılarak herhangi bir kaçağın kullanılan soğuk hacme yayılması önlenmekle; patlayıcı karışım oluşması olasılığının sıfırlanması sayesinde, R600a - İzobütan kullanımı mümkün olmaktadır
4--Dış ünitenin açık havada, iç ünitenin konut içinde havalandırılan bir ortamda olduğu konut tipi iki parçalı ısı pompalarında R290 kullanılmaktadır.
5--Kuzey Avrupa ülkelerinde Kaskad soğutma sistemlerinin ön kademesinde azaltılmış soğutkan dolgulu R290 sistemleri Amonyağa tercih edilmektedir.
6--Gerekli önlemlerin alındığı özel makine daireleri veya koruma altındaki açık alanlarda azaltılmış HC dolgulu, daha büyük soğutma sistemleri kurulabil-mektedir.
5-- R717 Amonyak ın Soğutkan Olarak Kullanımı-Yeni Çözüm ve Uygulamalar :
5.1--R717 - Amonyaklı soğuk buhar çevrimiyle çalışan soğutma sistemleri 1900 yılından itibaren soğuk depolarda ve et kombinalarında yaygınlaştılar.
5.2--Orta ve büyük kapasitedeki soğutma sis-temlerinde amonyak kullanımı 1930 sonrasında HCFC’lerin bulunmasından sonra da devam etti. Bilhassa büyük soğuk depolarda, gıda, meşrubat ve süt işleme tesislerinde, merkezi soğutmalı kimya fabrikalarında günümüze kadar uygulamaları artarak devam etti.
5.2.1--Çünkü R717 yanıcı ve zehirli olması ve ayrıca, sınırlı bir karışım oranı aralığında hava ile patlayıcı karışım oluşturmasına rağmen, termodinamik ve ısı transferi ile ilgili fiziksel özellikleri bakımından ideal bir soğutkandır.
5.3--Havadaki çok düşük oranlarda dahi, insanlar tarafından kokusu kolayca algılanabilir olduğundan, tehlike büyümeden tedbir alınabilmektedir.
5.4--Geçmişte amonyaklı soğutma tesislerinde meydana gelmiş; zarar verici olaylar çok nadirdir Sadece büyük tedbirsizlikler ve hatalar karşısında meydana gelmiş zararlar olmuştur
5.5-- Güncel Uygulamalar:
1--R717 kullanılan soğutma sistemlerinde dolgu mik-tarının azaltılması konusunda uygulamalar gelişti-rilmiştir. Böylece risk analizlerinde olumsuzluk olasılıkları büyük oranda düşürülmüştür.
2--R717 soğutkanı ile tam karışabilen yağlar konu-sundaki çalışmalar sonucu, bazı sentetik yağlar kullanıma geçmiştir. PAO (PolyAlfaOlefin) Böylece NH3’lü soğutma sistemlerinde yağın kompresöre dönüş sorunları çözülmüştür. Bu sorunun çözülme-si ile; yukarda belirtilen dolgu miktarı azaltılması olayı gerçekleşmiştir.
3--Yarı hermetik tipte amonyak kompresörleri gelişti-rilmiştir. Bu kompresörlerin R717 tesislerinde kul¬lanılmaya başlaması ile risk faktörü bir kademe daha azalmaktadır.
4--Amonyak kullanılan daha küçük soğutma kapasiteli gruplar yapılması konusunda çalışmalar sürdürülmektedir
5--R717 kullanılan soğutma sitemlerinde soğutkan dolgu miktarını azaltıcı önlemler arasında, dalgıç buharlaştırıcı serpantinler yerine, duşlu serpantinler kullanımı uygulanmakta, ayrıca plakalı eşanjörlertercih edilmektedir.
6--Sistemden ani ve büyük miktardaki kaçak olasılıklarını ortadan kaldırmak için, gerekli rezerve soğutkanın yüksek basınçlı sıvı tankları yerine, alçakbasınç tarafındaki sıvı ayırıcılarda saklanması tercih edilmektedir.
7--R717’nin küçük soğutma kapasiteli ticari soğutucularda kullanılması için yapılan çalışmalar başarılı olmuştur