HVACR Temelleri 1: Soğutma çevrimi — dört parça, iki basınç, bir döngü

Yirmi iki yıldır sahadayım; en çok sorulan soru hâlâ aynı: "Bu makine soğuğu nereden üretiyor?" Üretmiyor. Isıyı bir yerden alıp başka bir yere taşıyor. Bu dizide HVACR'nin temellerini, ders ders ve sahadan örneklerle anlatacağım. Kaynaklarım ders kitapları, üretici eğitim föyleri ve teknik rehberler; her dersin sonunda yazıyorum.

Isı soğuktan sıcağa kendiliğinden akmaz

Termodinamiğin ikinci yasasının Clausius ifadesi tek cümle: Bir çevrimde çalışıp, düşük sıcaklıktaki cisimden yüksek sıcaklıktaki cisme ısı aktarmaktan başka hiçbir etki üretmeyen bir cihaz yapılamaz. Yani soğuk odadan sıcak dışarıya ısı taşımak için dışarıdan iş vermek zorundasınız. O işi kompresör yapar; faturada gördüğünüz elektrik büyük ölçüde budur.

Bunun basit bir sağlaması var. Bir soğutucu 4 kW ısı çekip 9 kW ısı atıyor ve hiç elektrik harcamıyorsa, iki yasayı birden çiğniyordur: birinci yasa 9 = 4 + iş der, ikinci yasa işin sıfırdan büyük olmasını ister. Böyle bir cihaz yoktur.

Dört parça, iki basınç bölgesi

Buhar sıkıştırmalı çevrim kapalı bir devredir ve dört parçadan oluşur. Devre iki basınç bölgesine ayrılır: alçak basınç tarafı (evaporatör ve emiş hattı) ile yüksek basınç tarafı (kondenser, alıcı ve basma hattı). Aradaki sınırı iki eleman çizer: kompresör ve genleşme elemanı.

Kompresör: Sistemin kalbi. Evaporatörden gelen alçak basınçlı, hafif aşırı ısıtılmış buharı emer, sıkıştırır; mekanik iş ısıya dönüşür ve akışkan yüksek basınçlı, sıcak kızgın gaz olarak çıkar.

Kondenser: Bu sıcak gazın ısısını havaya ya da suya atar. Üç evre vardır: önce kızgınlık alınır, sonra sabit sıcaklık ve basınçta yoğuşma olur, en sonda sıvı doyma sıcaklığının altına soğutulur. Atılan ısının kabaca dörtte üçü soğutulan ortamdan gelen yük, dörtte biri kompresörün işidir.

Genleşme elemanı: Termostatik genleşme valfi, kılcal boru ya da benzeri. Basıncı evaporatör basıncına düşürür ve evaporatöre giden sıvı debisini yüke göre ayarlar. Basınç düşünce sıvının bir kısmı anında kaynar; buna flaş gaz denir. Tipik bir R-22 örneğinde sıvının yaklaşık yüzde 18'i burada buhara döner.

Evaporatör: Soğutulan ortamdan ısıyı çeken eşanjör. Sıvı-buhar karışımı girer, ortamın ısısıyla sabit sıcaklıkta tamamen kaynar, çıkışa doğru birkaç derece daha ısınır ve alçak basınçlı aşırı ısıtılmış buhar olarak kompresöre döner. Çevrim kapanır.

Sahanın iki sayısı: aşırı ısıtma ve aşırı soğutma

Aşırı ısıtma (superheat): Evaporatör çıkışındaki buharın, o basınçtaki doyma sıcaklığının kaç derece üzerinde olduğudur. Tek termometreyle ölçülmez: emiş hattı boru sıcaklığını ölçersiniz, emiş basıncını okuyup P-T tablosundan doyma sıcaklığına çevirirsiniz, farkı alırsınız. Birimi Kelvin farkıdır. Bu sayı kompresöre sıvı gitmediğinin garantisidir; sıvı sıkıştırılamaz, sübap ve pistonu kırar.

Aşırı soğutma (subcooling): Kondenser çıkışındaki sıvının, o basınçtaki doyma sıcaklığının kaç derece altında olduğudur. İki işe yarar: genleşme valfine giren sıvının entalpisini düşürüp birim kütle başına soğutma etkisini artırır ve sıvı hattında erken kaynamayı (flaş gaz) önler. Gözetleme camında sürekli kabarcık görüyorsanız ya şarj eksiktir ya aşırı soğutma yetersizdir.

Danfoss temel soğutma föyündeki örnek sistemi aklınızda tutun: kompresör çıkışında 7,6 bar ve 60 °C; kondenserde doyma sıcaklığı 34 °C, çıkışta 32 °C, yani 2 K aşırı soğutma; evaporatörde 1 bar ve −10 °C, emiş hattında +2 °C, yani 12 K aşırı ısıtma. Sahada manometre ve termometreyle okuyacağınız her şey bu tabloda.

Aşırı soğutmanın değeri küçük görünür ama hesapta görünür. Wang'ın 500 tonluk HCFC-22 santrifüj örneğinde soğutma etkisi 70,01 Btu/lb ve COP 6,98 iken, sıvıyı 5 °F daha soğutunca soğutma etkisi 71,56 Btu/lb, COP 7,14 oluyor; kompresör gücü 337,8 beygirden 330,2 beygire iniyor. Yüzde 2,2 tasarruf, yalnızca sıvıyı biraz daha soğutarak.

Kirli yüzey, pahalı ton

Aynı kaynaktaki Tablo 4-1 benim en sevdiğim tablodur, çünkü bakımın parasını gösterir. Normal çalışmada (45 °F evaporatör, 105 °F kondenser) ton başına güç 0,93 BHP. Kondenser kirlenip yoğuşma 115 °F'a çıkınca 1,12 BHP, yüzde 20 fazla. Evaporatör kirlenip buharlaşma 35 °F'a düşünce 1,10 BHP, yüzde 18 fazla. İkisi birden kirliyse 1,29 BHP: aynı soğutma için yüzde 39 daha fazla elektrik. Kondenser yıkamak masraf değil, faturanın beşte biridir.

Sahada bu dersi nasıl kullanırsınız?

Aşırı ısıtmayı ölçerken dört adım: TXV kuyruğunun bağlı olduğu noktada boru yüzey sıcaklığını ölçün; aynı noktadaki emiş basıncını okuyun (harici dengelemeli valfte doğrudan dengeleme hattından); basıncı P-T tablosundan doyma sıcaklığına çevirin; farkı alın. TXV ayarını bir tam turdan fazla çevirmeyin ve sistemin oturması için 15–30 dakika bekleyin.

Algılayıcı kuyruğu emiş borusunun altına değil, evaporatör çıkışındaki yatay borunun yan tarafına, tam metal temasla bağlayın ve üzerini izole edin. Borunun dibinde biriken yağ ve sıvı kuyruğu yanıltır, valf avlanmaya (sürekli açılıp kapanmaya) başlar. Avlanmanın bir diğer yaygın nedeni fazla büyük seçilmiş valftir.

Duruşta sıcak evaporatörden soğuk kompresöre akışkan göçer, yağı inceltir; ilk kalkışta sıvı darbesi gelir. Karter ısıtıcısı, boşaltmalı duruş (pump-down) ve emiş akümülatörü bunun için vardır. Gözetleme camındaki nem göstergesi pembeye döndüyse filtre kurutucuyu bekletmeden değiştirin.

Bir dipnot: 1902

Bu çevrimi tarihe bağlayalım. Mısırlılar kapı ve pencerelere ıslak kamış asıp çöl rüzgârını buharlaştırarak serinletiyordu; Persler çatıya badgir denen rüzgâr kulelerini dikip havayı su kanallarının üzerinden geçiriyordu. Modern iklimlendirme ise bir matbaa sorunuyla başladı: 1902'de Brooklyn'deki Sackett & Wilhelms matbaasında nem kâğıdı şişirip renkli baskıyı kaydırıyordu. Willis Carrier soğutucu serpantinlerle nemi kontrol eden sistemi tasarladı, çizimleri 17 Temmuz 1902'de imzaladı; patent 2 Ocak 1906'da verildi; 1911'de ASME'ye sunduğu psikrometrik formüllerle iş bir mühendislik dalı oldu. Bir sonraki ders: basınç-entalpi diyagramını okumak.

Kaynak: Shan K. Wang, Handbook of Air Conditioning and Refrigeration (500 ton HCFC-22 örneği, TXV ve kuyruk montajı); Danfoss temel soğutma eğitim föyü (PF000F202); HVAC eğitim notu 60546977 (R-22 DX örneği, Tablo 4-1); 14259A bölüm 10 (aşırı ısıtma ölçüm adımları); HVAC School (entropi); Parker Hannifin P-h diyagramı rehberi; Kelvin-Planck ve Clausius ifadeleri (termodinamik ders notu); IPWatchdog ve ABD Enerji Bakanlığı (Carrier tarihçesi). Sayılar kaynaklardaki gibi bırakıldı; saha yorumları bana aittir.