FizikKimyaMühendislikTermodinamik

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

0
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.

Jakop Perkins'in buz makinesi
Jakop Perkins’in buz makinesi

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.

soğutma çevrimi
Soğutma Çevrimi Şeması

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.

Soğutma çevrimi sıcaklık-entropi grafiği
Soğutma çevrimi sıcaklık-entropi grafiği
  • 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.

Soğutma çevrimi basınç-entalpi grafiği
Soğutma çevrimi basınç-entalpi grafiği
  • 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.


COPSM = qL /wnet,g = h1-h/ h2-h1

COPIM  = qH /wnet,g = h2-h/ h2-h1

  • COPSM  : Soğutma makinesi etkinlik katsayısı
  • qH : Çevreye olan ısı geçişi
  • qL : Soğutulan ortamdan ısı geçişi
  • h : Soğutucu akışkanın hal değişimine göre entalpi değerleri
  • COPIM  :  Isı pompası etkinlik katsayısı
  • wnet,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

Emre LEBLEBİCİOĞLU
Emre, 1993 yılın ekim ayında Adana'nın Seyhan ilçesinde doğdu. İlk,orta ve lise öğrenimini burada tamamladı. 2011 yılında Karabük Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği bölümünü kazandı. 2012 yılında ise yine aynı üniversite de Mekatronik Mühendisliğinde çift anadala başladı. 2014 yılının ilk döneminde erasmus programı kapsamında Bükreş Politeknik Üniversitesi'nde eğitim aldı. 2015 yılında haziran ayında Enerji Sistemleri Mühendisliğinden, ağustos ayı sonunda ise Mekatronik Mühendisliğinden mezun olmuştur. Mezuniyetten sonra ise 1.5 yıl solar enerji sektöründe faaliyet göstermiştir. Askerlik vazifesini de yedek subay olarak tamamlamıştır. Şuan da ise Marmara Üniversitesi İngilizce Makine Mühendisliği bölümünde tezli yüksek lisans yapmaktadır.

Özgül Isı (Öz Isı, Isınma Isısı) Nedir ?

Önceki Yazı

Plastik Atıklar ile Temiz Yakıt Üretildi

Sonraki Yazı

Bunları da beğenebilirsiniz

Yorum

Cevap Yaz

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Bu konuda daha fazla Fizik