Soğutma Makinesi Nedir? Nasıl Çalışır?

Bir ortamı soğutma amacıyla kullanılan makineler belirli bir çevrime göre çalışırlar. Soğutma çevrimine göre çalışan makineler soğutma makinesi olarak bilinir. Bu yazımızda soğutma makinesini ne nasıl çalıştığını derledik.

Soğutma Makinesi Nedir ?

Isının yüksek sıcaklıktaki bir ortamdan düşük sıcaklıktaki bir ortama kendiliğinden geçtiği gerçeği termodinamiğin ikinci yasasına göre bilinen bir gerçektir. Bunun tam tersinde ise yani ısı düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama aktarılmak istenirse de enerji harcanması gerekir. Bunu sağlayan makinelere de soğutma makinesi denir.

Soğutma makinesi, günümüzde soğutma işleminin gerçekleştiği her yerde kullanılır. Örneğin klimalar soğutma amacıyla çalıştığı zaman bir soğutma makinesi , ısıtma amacıyla çalıştığı zaman da ısı pompasıdır.

Soğutma Makinesi Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Soğutma makinesinin en güzel örneği evlerimizde kullandığımız buzdolablarıdır. Buzdolapları da buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi adı verilen bir termodinamiksel çevrime göre çalışırlar. Bu çevrim 4 temel elemandan oluşur bunlar; kompresör, yoğuşturucu, kısılma vanası ve buharlaştırıcıdır. Bu sistemde de kaynama noktası düşük ısıyı taşıyan bir soğutucu akışkan kullanılır.

Kullanılan soğutucu akışkanın kompresöre 120 kPa basınçta -20 derece sıcaklıkla buhar halinde girdiğini farz edelim  ve burada bu sıvı yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Bu işlem sonunda akışkanın sıcaklığı 60 ºC’ye ve basıncı da 800 kPa’la yükselir. Daha sonra ise akışkan yoğuşturucuya girerek bünyesindeki fazla ısıyı dış ortama aktararak tamamen sıvı fazına geçer. Bu işlemde sadece sıcaklık 30 ºC ‘ye düşerken basınç sabit kalır. Sıvı fazına geçen soğutucu akışkan soğutulacak ortamdan tekrar ısı çekmek için buharlaştırıcı basıncına sıkıştırılması gerekir bunun için de kısılma vanası ile akışkanın basıncı 120 kPa’la ve sıcaklığı da -25 ºC ‘ye düşürülür. Buharlaştırıcıda akışkan soğutulacak ortamdan ısı çekerek buharlaşır ve soğutma işlemini tamamlamış olur. Buharlaşma esnasında sıvının sıcaklığı -20 ºC’ye yükselir ve basınçta sabit kalır.

Not: Termodinamik çevrimde kullanılan akışkanların kompresör ve kısılma vanası gibi sistem elemanlarıyla basıncının değiştirilir. Kimya da bilindiği üzere sıvıların molekülleri arasındaki boşluk gazlara göre daha azdır yani moleküller birbirine daha yakın ve düzenlidir. Bu yüzden kompresöre buhar halinde giren akışkanın basıncı arttırılarak moleküller arası boşluk azaltılır ve akışkanın ısısını dış ortama aktarıp tamamen sıvı fazına geçmesi kolaylaştırılır. Kısılma vanası ile de sıvı halde olan akışkanın basıncı buharlaştırma işleminin daha verimli ve kolay gerçekleşmesi için düşürülür. Burada da moleküller arası boşluk basınç düşürülmesi ile de arttırılır. 

Buzdolaplarının arka kısmında bulunan bakır borular soğutma çevriminde sistemin yoğuşturucusudur. Bu boruları elle kontrol ettiğimiz zaman sıcak olduğunu hissederiz çünkü soğutucu akışkan burada ısısını çevreye aktararak sıvı hale geçer. Bu soğutma makinesi için buharlaştırıcı kısmı da dolabın iç dondurucu bölümüdür. Akışkanın sistemde dolaşmasını sağlayan ve yoğuşturucu basıncına sıkıştıran kompresörler de buzdolabında kolaylıkla ayırt edilebilir.

Soğutma Makinesinin Etkinlik Katsayısı

Verimlilik, soğutma makinesi için etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COPsm ile gösterilir. Soğutma makinesi için amaç ortamı soğutmaktır. Bunu yapmak içinde belirli bir enerji harcanır.

COPsm = Yapılmak istenen / harcanan enerji =  QL / Wnet

Wnet = QH-QL (kj)

COPsm = QL / QH-QL

QL = Soğutulan ortamdan çekilen ısı değeri (kj)

QH = Çevreye aktarılan ısı değeri (kj)

Wnet = Sistemde harcanan enerji miktarı (kj/s)

Soğutma makinesi verimi 1’den büyük olabilir. Çünkü soğutulan ortamdan çekilen ısı bunu yapmak için harcanan enerjiden büyük olabilir. Ancak önceki ısı makineleri yazısından bahsettiğimiz ısıl verim kesinlikle 1’den büyük olamaz. Bunun nedeni ise soğutma makineleri ve ısı pompalarında amaç , ısı enerjisinin bir ortamdan diğerine aktarımıdır ısı makinelerinde ise ısı enerjisini mekanik enerjiye ve dolayısıyla elektrik enerjisine dönüştürmektir. Soğutma makinesi ve ısı pompası için etkinlik katsayısı kullanılmasının nedeni de değerinin 1’den büyük olma zorunluluğudur.

Aşağıdaki video ile buzdolabının çalışma prensibini izleyebilirsiniz.