Su soğutma gruplarında ısının geri kazanımı
Prensipte bilinmesine rağmen geçmiş yıllarda diğer enerji kaynaklarından daha ucuza yararlanma imkânının olması, soğutma gruplarında ısının geri kazanımına yönelik teknolojilerin geliştirilmemesinin nedenidir. Ancak 70’li yıllarda yaşanan petrol krizinden sonra çeşitli alanlarda hızlanan ekonomik enerji kullanımı çalışmalarında soğutma teknolojisinde de önemli gelişmeler kaydedilmiştir.
Özellikle soğutma gruplarında ısının geri kazanımına yönelik cihaz türleri tasarlanmış ve bunlar uygulamada kullanılır hale getirilmişlerdir. Halen bu konudaki geliştirme çalışmaları devam etmekte ve güncelliğini artan bir önemle korumaktadır. Bu çalışmada soğutma gruplarında ısının toplam geri kazanımının teoride ne olduğu, her iki geri kazanımın soğutma çevrimi performansı üzerindeki etkileri, ısının geri kazanımını etkileyen parametreler ile ilgili bilgiler verilmektedir.
Çeşitli tanımlar
İdeal soğutma çevrimi P-I (basınç - entalpi) diyagramında Şekil 1’de gösterilmiştir.
5-1 entalpi farkı ile soğutma kapasitesi ifade edilir. Bu bölgede ortamdan ısı çekilir ve soğutucu akışkan buharlaştırılır. Bu bölge alçak basınç bölgesidir. Bu işlemi gerçekleştiren ısı değiştiricilere evaparatör denir.
1-2 entalpi farkı ile kompresör gücü ifade edilir. Bu bölgede alçak basınç bölgesinden gaz halinde emilen soğutucu akışkan yüksek basınç bölgesine gaz olarak sıkıştırılır.
2-4 entalpi farkı ile ortama aktarılan ısıtma kapasitesi ifade edilir. Bu bölgede ortama ısı aktarılır ve gaz halindeki soğutucu akışkan yoğuşturulur. Bu bölge yüksek basınç bölgesidir. Bu işlevi gören ısı değiştiricilere kondenser denir.
4-2 bölgesi ile genleşme valfi ifade edilir. Burada soğutucu akışkanın basıncı yüksek basınç bölgesinden alçak basınç bölgesine düşürülür.
1-11 alçak basınç tarafı aşırı kızdırma diye ifade edilir. Evaparatörde 11 noktasında doymuş gaz haline getirilen soğutucu akışkan yine aynı yapı içerisinde 1 noktasına kadar aşırı kızdırılır (kompresör emniyeti açısından).
2-3 yüksek basınç tarafı aşırı kızgınlık bölgesi olarak ifade edilir. Evaparatörde buharlaştırılıp aşırı kızdırılan gaz haldeki soğutucu akışkan, kompresör tarafından sıkıştırılır, basıncı artırılır ve kızdırılır. Soğutucu gazın kondenserde yoğuşturulmasından önce kızgınlığı alınır.
4-41 Yüksek basınç tarafı aşırı soğutma bölgesi olarak ifade edilir. Kondenserde aşırı kızgınlığı alınan soğutucu akışkan yoğuşturulur ve 4 noktasına kadar aşırı soğutulur. Aşırı soğutma ile soğutma kapasitesinde artış sağlanır.
Soğutma grupları
Evaparatörde su soğutulan soğutma cihazları soğutma grubu olarak adlandırılır. Kondenseri su ile soğutulan soğutma gruplarına su soğutmalı kondenserli soğutma grupları, kondenserleri hava ile soğutulan soğutma gruplarına ise hava soğutmalı kondenserli soğutma grupları denir.
Soğutma gruplarında toplam ısı geri kazanımı
Şekil 2’deki P-I diyagramında da görüleceği üzere 2-4 bölgesinde kondenserde soğutucu akışkının kızgınlığı alınır, yoğuşturulur, aşırı soğutulur ve ortam verilen ısı çoğu zaman dışarı atılır. Yapılacak bazı düzenlemelerle bu ısı geri kazanılabilir. Soğutma gruplarında 2-4 bölgesindeki tüm yoğuşturma operasyonu boyunca ısının geri kazanılmasına Toplam Isı Geri Kazanımı denir.
Bu kazanımın kapasitesi:
QTK = M(H2-H4) = • Q(H2-H4) şeklinde ifade edilebilir. Burada:
M: kompresörün kütlesel debisi
Q: kompresörün hacimsel debisi H: ilgili noktanın entalpisi
•: sıkıştırma başlangıcında soğutucu akışkan yoğunluğudur.
Soğutma gruplarında ısının kısmi geri kazanımı
Şekil 3’teki P-I diyagramından da görüleceği üzere, 2-3 bölgesinde yalnızca kızgın haldeki soğutucu akışkanın soğutulmasından doğan duyulur ısının geri kazanılmasına Isının Kısmi Geri Kazanımı denir.
Bu kazanımın kapasitesi:
QKK = M(H2-H3) = • Q(H2-H3) şeklinde ifade edilebilir.
Su Soğutmalı Kondenserli Cihazlarda Toplam Isı Geri Kazanımı Uygulaması
Geri kazanım eşanjörü kondenser gövdesi içerisine seri olarak kondenserin üzerine yerleştirilir. 3 yollu vana yardımı ile ısı geri kazanımı su sıcaklığı oransal yada on-off olarak kontrol edilebilir. Prensip şeması Şekil 4’te, uygulama şeması ise Şekil 5’te verilmiştir.
Kısaltmalar
COM: Kompresör
RU: Kapatma vanası
SC: Geri Kazanım Eşanjörü
V: Üç Yollu Vana (müşteri tarafından monte edilecek)
D: Sıcaklık Sensörü
1: Hidrolik Geri Kazanım devresi
2: Hidrolik Yoğuşma Devresi
Oransal kontrolde genelde kule devresi düşük kondenzasyon yapmaya elverişli bile olsa aşırı kızdırma bölgesinden daha büyük ısı geri kazanımlarında yüksek sıcaklıkta kondenzasyon yapılır.
On-off kontrolde ise, gerektiğinde yüksek sıcaklıkta, gerektiğinde ise daha düşük sıcaklıklarda kondenzasyon yapılır. Uygulamalarda on-off kontrol kullanılması tavsiye edilir.
Hava Soğutmalı Kondenserli Cihazlarda Toplam Isı Geri Kazanım Uygulaması
Isı geri kazanım eşanjörü ile hava soğutmalı kondenser paralel olarak yerleştirilir. On-off kontrollü bir üç yollu vana soğutucu akışkanı mikroişlemci kontrolüne bağlı olarak birinden diğerine doğru yönlendirir. Prensip ve uygulama şeması Şekil 6’da verilmiştir.
Kısaltmalar
COM: Kompresör
RU: Kapatma Vanası
SC: Geri Kazanım Eşanjörü BGV Ayrıştırıcı Vana
YR: Çek Valkf
A: Kondanser
B: Fan
Soğutma Gruplarındaki Toplam Isı Geri Kazanımının Soğutma Çevrimi
Performansı Üzerine Etkisi
Hem su soğutmalı kondenserli hem de hava soğutmalı kondenserli su soğutma gruplarında benzer bir etki söz konusudur. Geri kazanım modunda elde edilecek sıcak suyun ilgili kondensere giriş ve çıkış sıcaklıkları tanımlanmış olup genelde 40oC giriş ve 45oC çıkış şeklindedir. Bu sıcaklıkların tanımlanmış olması çoğu zaman normal çalışma koşullarına göre daha yüksek kondenzasyon sıcaklığında çalışmayı gerektirir ve aynı zamanda soğutma kapasitesinde düşüşe de neden olur ve kompresör güç tüketimini artırır. Şekil 7’deki P - I diyagramı üzerinde her iki değişim gösterilmektedir.
Su soğutma gruplarında ısı geri kazanımını etkileyen parametreler
Bu parametreler:
a. Enerji geri kazanım eşanjöründen çıkan su sıcaklığı,
b. Enerji geri kazanım eşanjörüne giren su sıcaklığı,
c. Soğutma yükü,
d. Evaparasyon basıncı,
e. Kompresör verimidir.
Enerji geri kazanım eşanjörüne giren su sıcaklığının toplam ısı geri kazanıma etkisi
•T sabitken belirli şartlarda enerji geri kazanım eşanjörüne giren ve su sıcaklığında düşüş meydana geldiğinde ısı geri kazanım miktarı artar ve verim iyileşir. Eşanjöre giren su sıcaklığı arttığında ise ısı geri kazanım miktarı azalır ve verim kötüleşir.
Her iki değişim de Şekil 9’daki P-I diyagramında gösterilmektedir.
Soğutma Yükünün Toplam Isı Geri Kazanımına Etkisi
•T sabitken belirli şartlarda soğutma yükü düştükçe sağlanabilecek ısı geri kazanımı miktarı azalır. Soğutma çevrimi yükün %100’ünde çalıştığında maksimum ısı geri kazanımı sağlanır. Bu durum Şekil 10’daki P-I diyagramında gösterilmiştir.
Evaparasyon Basıncının Toplam Isı Geri Kazanımına Etkisi
Evaparatör su giriş-çıkış sıcaklıkları farkı olarak ifade edilen •T sabitken evaparasyon basıncı yükseldiğinde su çıkış sıcaklığı ve kondenzasyon basıncı yükselir ve ısı geri kazanım miktarı artar, düştüğünde ise ısı geri kazanım miktarı azalır.
Bu durum Şekil 11’deki P-I diyagramında gösterilmiştir.
Kompresör Veriminin Toplam Isı Geri Kazanımına Etkisi
Kompresör veriminin kötüleşmesi geri kazanımı artırır, ancak enerjinin ekonomik kullanımı uygulamalarda esas oluşturduğundan bu yöntem uygulanmaz.
Sonuç
Bu güne kadar ülkemizde çok az miktarda, özellikle de otellerde kullanım sıcak suyu elde etmek için toplam ısı geri kazanımlı soğutma grupları kullanılmıştır.
Gerek verimin kötüleşmesi, gerekse ihtiyacın çok üzerinde sıcak su üretme kapasitesinin ortaya çıkması nedeniyle bu konuda çeşitli sorunlar yaşanmıştır.
Kısmi ısı geri kazanımı cihazları, özellikle otel uygulamalarında yukarıda bahsedilen dezavantajlara sahip olmadıklarından tercih edilebilirler.
Aytek Soğutma
