Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ,soğutma makinelerinde, iklimlendirme cihazlarında ve ısı pompalarında en çok kullanılan termodinamiksel bir çevrimdir. Bu yazımızda da bu çevrimi inceleyeceğiz.

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Tarihçesi

Buhar sıkıştırmalı soğutma işlemi, 1834 yılında İngiliz Jakop Perkins’in eter gibi bir takım uçucu akışkanları soğutucu akışkan olarak kullanıp kapalı döngü bir buz makinesinin patentini almasıyla başlamıştır. Bu buz makinesinin bir prototibi yapılmasına rağmen ticari olarak üretimine hiçbir zaman geçilememiştir.

Alexander Twining 1850 yılında, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ile çalışan ve soğutucu akışkan olarak etileter kullanılan ticari bir buz makinesi üretmeyi başarmıştır. Soğutma çevrimi ile çalışan ilk makinelerin boyutları küçüktü genellikle buz üretimi, meşrubatçılık ve soğuk hava depolarında kullanılmaktaydı. Herhangi bir otomatik kontrole sahip olmayan bu sistemlerin çalışmasını buhar makineleri sağlıyordu.

1890’lı yıllarda ise oto kontrollü boyut olarak daha küçük soğutma makineleri eskisinin yerini alarak evlere ve kasaplara girmiştir. 1930 yılına gelindiği zamanda soğutma çevrimi ile çalışan makineler verimli, güvenilir, küçük ve daha ucun olarak üretilmeye başlanmıştır.

İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Soğutma çevrimi, soğutma makinelerinin genel çevrimidir. Yani bu çevrimde amaç soğutulmak istenen ortamdan ısıyı çekerek yüksek sıcaklık bölgesine aktarmaktır. Bu işlem de düşük buharlaşma sıcaklığına sahip soğutucu akışkanlarla yapılır. Bununla ilgili daha ayrıntılı bilgi için “Soğutma Makinesi Nedir ?” adlı yazımızı okumanızı tavsiye ediyoruz.

İdeal soğutma çevrimi, yoğuşturucu, buharlaştırıcı, kısılma vanası ve kompresör olmak üzere 4 temel bileşenden oluşmaktadır. Sistemde ise bir soğutucu akışkan kullanılmaktadır. Çevrim temelde 4 hal değişiminden meydana gelir:

• 1-2: Kompresörde izantropik sıkıştırma
• 2-3: Yoğunlaştırıcıdan akışkanın ısısının çevreye aktarılması
• 3-4: Genleşme valfinde kısılmanın meydana gelmesi
• 4-1: Buharlaştırıcıda sabit basınç altında ısı alınması

Soğutucu akışkan 1 kısmında kompresöre tamamen buhar halde yani doymuş buhar olarak girer ve izantropik (sabit entropi) olarak yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Bu sıkıştırma akışkanın sıcaklığı dış çevre sıcaklığının üstüne çıkar. Kızgın buhar halindeki bu akışkan yoğuşturucuya girerek tamamen sıvı faza dönüştürülür. Akışkanın sıcaklığı bu işlemin sonunda da hala çevre ortamın sıcaklığından yüksektir.

Kısılma vanasına giren soğutucu akışkan burada buharlaştırıcı basıncına sıkıştırılır ve sıcaklığı da soğutulan ortamdan düşük hale gelir ve doymuş sıvı fazına dönüşür. Böylelikle termodinamiğin 2. yasası gereği buharlaştırıcı da soğutulan ortamın ısısı akışkana geçerek soğutma işlemi yapılmış olur. Tümüyle buharlaşan soğutucu akışkan tekrar kompresöre girerek çevrimi tamamlar.

Soğutma çevrimi hemen hemen aynısını ev tipi bir buzdolabında gözlemleyebilirsiniz. Dolabın arka kısmında gördüğünüz borular sistemin yoğuşturucusu, dolabın iç tarafındaki borularda sistemin buharlaştırıcısıdır. Buzdolabının arkasındaki boruların da sıcak olma sebebi budur.

Soğutma Çevriminin T-s (Sıcaklık-Entropi) Grafiği

T-s yani sıcaklık entropi grafiğinin altında kalan alanın ısı aktarımını belirttiğini daha önce tersinir hal değişimleri yazımızda ele almıştık. Yani 4-1 hal değişiminin altında kalan alan bize soğutulan ortamdan çekilen ısıyı, 2-3 hal değişimi altında kalan alan da yoğuşturucudan atılan ısı miktarını verir.

• 1-2: İzantropik (sabit entropi) sıkıştırma işleminden dolayı sıcaklık artar entropi sabit kalır.
• 2-3: Akışkan ısısını çevre ortama aktardığından entropi ve sıcaklık düşüşü meydana gelir.
• 3-4: Soğuyan akışkanın kısılma vanası ile sıcaklığı ve entropisi düşer.
• 4-1: Soğutulan ortamın ısısını alıp buharlaşan akışkanın sıcaklığı sabit kalıp entropisi artmıştır.

Soğutma Çevrimi P-h (Basınç-Entalpi) Grafiği

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin incelenmesinde kullanılan bir diğer diyagramda P-h yani basınç-entalpi diyagramıdır. Bahsettiğimiz 4 hal değişiminin çevrim içerisindeki durumunu aşağıdaki diyagram ile görebilirsiniz.

• 1-2: Sıkıştırma işleminden dolayı basınç ve entalpi artışı
• 2-3: Akışkan ısısını çevre ortama aktardığından basıncı sabit kalıp entalpisi azalmıştır.
• 3-4: Soğuyan akışkanın kısılma vanası ile entalpisi sabit kalıp basıncı düşmüştür.
• 4-1: Soğutulan ortamın ısısını alıp buharlaşan akışkanın basıncı sabit kalıp entalpisi artmıştır.

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ile Çalışan Isı Pompası veya Soğutma Makinesinin Etkinlik Katsayısı

Bu konuyu “Isı Pompası Nedir ?” ve “Soğutma Makinesi Nedir ?” yazılarında ayrıntılı olarak ele almıştık. Bu yazıları da mutlaka okumalısınız. Isı pompası ve soğutma makinelerinin etkinlik katsayıları da aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

COP_SM = q_L /w_net,g = h₁-h₄ / h₂-h₁

COP_IM  = q_H /w_net,g = h₂-h₃ / h₂-h₁

• COP_SM  : Soğutma makinesi etkinlik katsayısı
• q_H : Çevreye olan ısı geçişi
• q_L : Soğutulan ortamdan ısı geçişi
• h : Soğutucu akışkanın hal değişimine göre entalpi değerleri
• COP_IM  :  Isı pompası etkinlik katsayısı
• w_net,g : Sistemde harcanan kompresör işi

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi insanlığa katkı sağlayan buzdolabı,klima, endüstriyel soğutma ve soğuk hava depoları gibi birçok sitemin ve makinenin üretilmesini ve verimlerinin arttırılmasını sağlamıştır. Günümüzde hala soğutma çevrimi kullanılarak bu makinelerin veriminin arttırılmasıyla ilgili birçok çalışma yapılmaktadır.

Soru görüş ve önerilerinizi aşağıdan yorum olarak belirtmeyi unutmayınız.

Kaynak: Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik Yunus A. Çengel