Soğutma sistemi daha spesifik bir deyişle “chiller”, orta ve büyük çaplı ticari ve ofis tipi binaların konfor iklimlendirme sisteminde veya endüstriyel proseslerde suyun soğutulmasını sağlayan ana elamandır. Genellikle hastane, AVM, konferans salonları, otel vb. toplu yaşam mekanlarının iklimlendirmesinde büyük rol oynarlar. Chiller tarafından üretilen soğutulmuş su binalardaki klima santralleri ve fancoillere gönderilir.
Chiller Çalışma Prensibi ve Elemanları
Chiller Soğutma Çevrimi
Aslında chiller basit bir buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminden meydana gelir. Soğutma çevrimi ise dört ana bileşenden oluşur. Bunlar; kompresör, kondanser, genleşme valfi ve evaporatördür.
Soğutma çevriminde görüldüğü gibi kompresör emiş kısmında aşırı ısıtılmış (superheated) düşük basınçlı buharı sıkıştırır ve basma kısmından yüksek basınçlı, aşırı ısıtılmış (superheated) buhar olarak kondenser kısmına gönderir. Kondenser kısmında ise soğutucu akışkan chillerin üst kısmında bulunan eksenel fanlar (hava soğutmalı) veya soğutma kulesinden gelen su (su soğutmalı) vasıtası ile kondenser boruları içerisinde ilerlerken dış havaya veya suya ısısını vererek yoğunlaşır ve yüksek basınçlı sıvı halinde genleşme valfine gelir. Sıvı haldeki soğutucu akışkan genleşme valfinden basıncı düşürülerek sıvı+gaz karışımı olarak evaporatöre gelir. Sıvı+gaz karışımı evaporatörde buharlaştırılarak tamamen buhar halinde kompresöre gelir ve çevrim tekrar devam eder. Soğutma gruplarında kompresör tipine de bağlı olarak R134A, R410A, R513A, R452B, R32 vb. gazlar kullanılır.
Soğutma Grubu Kompresörü
Vidalı Kompresör
Bir chillerdeki buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin kalbi kompresörlerdir. Kompresörler aşırı ısıtılmış (superheated) gaz halindeki alçak basınçlı soğutucu akışkanı yüksek basınçlı gaz haline sıkıştırır. Kompresör emiş kısmında bulunan soğutucu akışkanın tamamen gaz halinde olması gerekmektedir. Aksi halde kompresöre sıvı kaçması meydana gelir. Sıvılar sıkıştırılamaz olduğundan kompresörlerin içerisindeki mekanik aksamlara büyük hasarlar verir.
Bütün iklimlendirme uygulamaları aynı kapasite gereksinimine sahip değildir. Bu yüzden chillerler kompresör tipine göre sınıflandırılır. Kompresörler fiziksel olarak pozitif yer değiştirmeli ve dinamik olarak ikiye ayrılırlar.
Pozitif Yer Değiştirmeli Kompresörler
Buharlaştırılmış soğutucu akışkanı daha küçük hacim ve yüksek basınçlara sıkıştırırlar. Pistonlu, vidalı ve scroll tip kompresörler bu grubun içerisinde yer alır. Sabit bir hız altında sabit hacimli gaz sağlarlar.
Dinamik Kompresörler
Buharlaştırılmış soğutucu akışkanın basıncını döner bir çark ile soğutucu akışkan üzerine uygulanan kinetik enerji sayesinde arttıran kompresörlerdir. Santrifüj kompresörler bu gruba aittir.
Soğutma Grubu Evaporatörü
Kabuk Boru (Shell tube) Evaporatör
Mahalden gelen suyun soğutulduğu bölümdür. Genleşme valfinden basıncı düşürülmüş sıvı+gaz fazındaki soğutucu akışkanın tamamen buharlaştırılmasını sağlar. Kabuk boru, plakalı ve bakır boru alüminyum kanat gibi çeşitleri vardır.
Kabuk Boru (Shell Tube) Evaporatör
Uzun bir silindirik gövde içerisinde aynalar (baffle) arasına yerleştirilmiş küçük çaplı bakır boru demetinden oluşur. Bakır borular içinde bir ucundan soğutucu akışkan geçer ve boruların dışında, kabuk içerisindeki hacimden geçen su ile ısı transferine girer. Suyun ısısını soğutucu akışkan alır ve buharlaşarak diğer uçtan aşırı ısıtılmış gaz halinde çıkar. Genellikle yüksek kapasiteli soğutma gruplarında kullanılırlar.
Plakalı Evaporatör
Birbiri üzerine yerleştirilmiş lehimli veya aralarında conta bulunan bir dizi paralel plakadan oluşur. Soğutucu akışkan ve gaz farklı bağlantı yerlerinden giriş yapar ve plakalar üzerindeki kanallardan birbirlerine karışmadan geçerek ısı transferi gerçekleştirirler. Daha küçük hacimde yüksek ısı transferi sağlayabilirler. Boyut olarak daha küçük soğutma gruplarında özellikle de scroll kompresörlü gruplarda tercih edilir.
Soğutma Grubu Kondanseri
Microchannel Kondanser
Isının dışarıya (suya veya havaya) atılarak yoğunlaşmanın gerçekleştiği bölümdür. Soğutma gruplarında kondanserler nihayetinde bir ısı eşanjörüdür. Genel olarak hava soğutmalı ve su soğutmalı olmak üzere ikiye ayrılır.
Hava Soğutmalı Kondanser ve Tipleri
Hava soğutmalı kondanserlere sıklıkla batarya denilir. Çok farklı tipte kondanserler olsa da genel olarak bakır boru alüminyum kanatlı ve microchannel bataryalar soğutma sistemlerinde kullanılırlar.
Bakır Boru Alüminyum Kanatlı Bataryalar
Bu bataryalarda soğutucu akışkan tasarıma bağlı olarak yivli veya düz bakır borulardan geçmektedir. Bakır boruların çevresine sıralı bir şekilde dizilmiş alüminyum kanatlar ise hava yoluyla soğutucu gaz üzerinde konveksiyon ile ısı transferi yapılmasını sağlar. Microchannel bataryalara göre bakır borularda daha çok soğutucu akışkan hareket eder ve verimleri daha düşüktür. Maliyetleri ve ağırlıkları fazladır. Herhangi bir kaçak durumunda bakım ve onarımı microchannel bataryalara göre daha kolaydır.
Microchannel Bataryalar
İç içe otomatik olarak sert lehimlenmiş mikron boyutundaki kanallardan oluşur. Soğutucu gaz bu kanalların içerisinden geçer. Isı transferleri çok yüksektir. Tamamen alüminyumdan oluşurlar dolayısıyla da hafiftirler.
Su Soğutmalı Kondanser Çeşitleri
Yaygın olarak kabuk boru tipi kondanser kullanılır.
Kabuk Boru Kondanser
Kabuk boru evaporatörün yapısına benzer. Farkı ise bakır boruların içerisinden su geçerken, kabuk kısmında soğutucu akışkan dolaşır.
Soğutma Grubu Genleşme Valfi
Termostatik Genleşme Valfi
Evaporatöre girecek olan soğutucu akışkanın basıncını düşüren ve miktarını kısma veya açma yaparak ayarlayan bileşendir. Genleşme valfinin açılıp kapanma hareketini, kompresörün emiş hattındaki aşırı ısıtılmış akışkanın süperheat değeri belirler. Süperheat değeri yüksek ise daha fazla soğutucu sıvı akışkan gerekir ve valf açarak süperheati düşürür. Tam tersi durumda yani süperheat düşük ise genleşme valfi kendini kapatmaya başlar. Evaparatöre gelen, buharlaştırılacak olan soğutucu akışkanın miktarını azaltır ve evaporatörün yükünü hafifleterek süperheat değerini yükseltir.
Süperheat değeri aşağıdaki gibi hesaplanır;
Örneğin, R134a soğutucu akışkanı ile çalışan bir chiller düşünelim. Emiş basıncı yani alçak basınç değeri 2,5 bar olsun. Bu basınç değeri ölçüm basıncıdır ve atmosfer basıncı yani 1 bar eklenerek mutlak basınca ulaşılır. Gazın tablosundan 3,5 bar değerine baktığımızda doyma sıcaklığı 5 °C ye karşılık gelir. Soğutma grubunun kompresör emiş borusunda yer alan sıcaklık sensörünün de 11 °C gösterdiğini farz edelim. Bu iki değeri birbirinden çıkardığımızda bulduğumuz 6 °C süperheat değeridir. Emiş basıncında soğutucu akışkanın gaz haline geçtikten sonra 6 derece daha fazla ısıtılarak gaz haline tamamen geçtiğinden emin olunması sağlanır. Chillerlerde, tasarım yüklerinde süperheat değeri genellikle 5-6 °C arası normal kabul edilir.
Soğutma gruplarında çoğunlukla elektronik veya termostatik genleşme valfleri kullanılır.
Elektronik Genleşme Valfi
Valf gövdesinin üzerine yerleştirilmiş bir step motor sayesinde elektromanyetik alan oluşturarak akışkanın miktarını hassas bir şekilde ayarlar. Termostatik valflere göre daha hassas kontrol sağlar. Yük değişimlerine daha hızlı ve etkili bir şekilde tepki verir.
Termostatik Genleşme Valfi
Diyafram, bulb (kuyruk), ayar yayı ve orifisten oluşan tamamen mekanik kontrollü bir genleşme valfidir. Evaporatör çıkışına yerleştirilen bulb, emiş sıcaklığını hissederek diyaframı aşağıya veya yukarıya hareket ettirir. Yay basıncı sabittir ve bulb basıncına ters yönde olup diyaframı yukarı iter. Yay basıncı üretici tarafından fabrikada ayarlanmıştır. Evaporatör basıncı ise çalışma koşullarına bağlı olarak dengeleme borusundan gelen basıncın artması ile diyaframı yukarıya iter. Bu üç basıncın birbiriyle olan dengesine bağlı olarak valf açılır ya da kapanır.
Kaynakça:
www.theengineeringmindset.com
www.danfoss.com
Overview of Chiller Compressors – A. Bhatia
