Bazı özel endüstriyel ve laboratuvar uygulamalarında çok düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulur. Tek bir buhar sıkıştırmalı mekanik çevrim ile bu sıcaklığı elde etmek oldukça zor ve ekonomik açıdan avantajlı değildir. İki kademeli soğutma sistemlerinde kompresörlerde harcanan enerji az ve kompresör çıkış sıcaklığı daha düşüktür. EER değeri tek kademeli sistemlere göre daha fazla, fakat ilk kuruluş maliyetleri yüksektir. Kondenserdeki yoğuşma basıncı ile evaporatördeki buharlaşma basıncı arasındaki fark büyük olduğu için bu tür sistemlerde kullanılan kompresörlerin sıkıştırma oranları da çok yüksek olmaktadır. Sıkıştırma oranı arttıkça kompresörlerin verimi çok düşmekte ve enerji harcamaları aşırı derecede artmaktadır. Ayrıca kompresör maliyetleri yükselmektedir.
Aşağıda soğutucu akışkan olarak R-134A ve R-404A kullanılan iki kademeli soğutma çevrimi gösterilmektedir. İki kademeli soğutma sistemi iki ayrı buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemlerinden oluşmaktadır. Birinci kademedeki soğutma sisteminin (R-134A) evaporatörü, ikinci kademe sistemin (R-404A) kondenseri olmaktadır (ısı değiştirici). Dolayısıyla ikinci kademe sistemin kondenser yoğuşma sıcaklığı düşürülmekte, sonuçta ikinci kademe soğutma sisteminin evaporatöründe -50°C sıcaklığına daha kolay ulaşılmaktadır.
Yukarıda verilen iki kademeli kaskad soğutma sisteminde (R-134a/R-404a) harcanan enerji; birinci kademe kompresörü, ikinci kademe kompresörü, birinci kademe kondenser fanı ve ikinci kademe evaporatör fanında tüketilen enerjilerinin toplamına eşittir. Soğutma kapasitesi ikinci kademe evaporatörde elde edilen soğutma enerjisine eşit olduğu bilindiğine göre EER değeri aşağıda verilen eşitlikle hesaplanır.
Ayrıca soğutucu akışkanların fiziksel ve termodinamik özelliklerine göre iki kademeli soğutma sistemi kullanılması kaçınılmaz hale gelmektedir. Özellikle son zamanlarda çevresel kaygılarla yeniden kullanılmaya başlanılan karbondioksitli sistemlerin yaygınlaşması kaskad soğutma sistemlerini ön plana çıkarmaktadır. Aşağıda görüldüğü gibi karbondioksit kullanılan kaskad bir soğutma sisteminde; birinci kademede amonyak, R-404A, R-134a vb. akışkan kullanılabilmektedir. Birinci kademe soğutma sisteminin kondenser yoğuşma sıcaklığı 40°C ve evaporatör buharlaşma sıcaklığı ise -10°C olmaktadır. İkinci kademe CO2 tarafını ifade etmekte, kondenser yoğuşma sıcakılığı -5°C ve evaporatör buharlaşma sıcaklığı -25°C verilmektedir.
Isı değiştiricideki sıcaklık farkı 5°C olmaktadır. EEV elektronik genleşme vanasını ifade etmektedir.
Kaskad Soğutma Sisteminin P-h ve T-s Diyagramlarında Gösterilmesi
Aşağıda NH3/CO2 çiftinin kullanıldığı kaskad soğutma sistemi verilmektedir. Burada birinci kademede (yardımcı soğutma devresinde) soğutucu akışkan olarak amonyak kullanılmıştır. İkinci kademede ise (ana soğutma devresi) soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılmıştır. P-h diyagramında mavi renk ile gösterilen çevrim karbondioksitli sistemi (yoğuşma sıcaklığı: -5°C, buharlaşma sıcaklığı -45°C) kırmızı renk ise amonyaklı soğutucu akışkan kullanan çevrimi (yoğuşma sıcaklığı: 40°C, buharlaşma sıcaklığı -10°C) ifade etmektedir.
Kaskad soğutma çevrimi iki farklı soğutma çevriminden oluşmaktadır. 1. kademede amonyak (NH3) yer alırken, 2. kademede ise, karbondioksit (CO2) soğutucu akışkan olarak kullanılmaktadır. Bu sistemde 1. kademe için; (5-6) arası kompresörde sıkıştırma, (6-7) kondenserde yoğunlaşma, (7-8) basınç düşürücüde genleşme ve (8-5) arası evaporatörde buharlaşma işlemlerini göstermektedir. Aynı şekilde ikinci kademede ise (1-2) arası kompresörde sıkıştırma, (2-3) kondenserde yoğunlaşma, (3-4) basınç düşürücüde genleşme ve (4-1) arası evaporatörde buharlaşma işlemlerini göstermektedir.
Optimum Ara Sıcaklık
- İki ardışık (kaskad) devre arasındaki ara sıcaklık, tüm sistemin performans katsayısını (COP) belirlemede önemli bir rol oynayan bir tasarım parametresidir.
- Evaporatör-kondenserde iki sıvı arasında hiçbir sıcaklık farkı olmadığını varsayarsak, tersinir döngülerde, en uygun kademe sıcaklıkları, kaskad sistemin yoğunlaşma ve buharlaşma sıcaklıklarının geometrik ortalamasıdır. Örneğin, gerçek değerler ideal değerlerden %10’dan daha fazla farklı olmadığı için devrelerin her biride aynı sıcaklık oranına sahip olduğu var sayılır.
- İki sıvı arasındaki en uygun sıcaklık farkının ne kadar olması gerektiği sadece iki devredeki soğutucu akışkanların ısı transfer özelliklerine değil, aynı zamanda tasarım ekonomisine (işletmeye karşı sermaye maliyeti) bağlı olacaktır.
- Sıcaklık farkı ne kadar büyükse sistemin COP ’si o kadar düşüktür.
Evaporatör / Kondenser
- Düşük sıcaklıklı soğutucu akışkanın yoğunlaşması ile yüksek sıcaklıklı soğutucu akışkanın buharlaşması arasındaki ve yaklaşım olarak adlandırılan 2.5°C’den 5°C’ye olan sıcaklık farklılığı, kompresörü uygun maliyetli ve enerji tüketimini düşük tutmak için
- makul bir denge gibi görünmektedir.
- Yüzey boru tipi evaporatör-kondenser hantal olduğu için kondenserlerin yenilikçi tasarımları geliştirilmelidir. Pahalı ama kompakt olan yüzey ve levha tipi kondenser kullanımının karbondioksitin amonyak sistemine olan sızıntısını en aza indirdiği rapor edilmektedir.
- Soğutucu akışkan olarak karbondioksit ve amonyak kullanıldığında, evaporatör-kondenserde karbondioksit ve amonyak karışımının kimyasal reaksiyon sonucunda katı bir çökelti oluşturması büyük bir sorundur.
- Evaporatör-kondenserlerin güvenli çalışması için yüzey ve boru tipi kondenserlerde kaliteli malzemelerden yapılmış bir ucu kaynaklanmış çift yüzeyli borular, sıkı test işlemi ve sürekli kaçak izlenmesi tavsiye edilir.
Otomatik Ardışık (Kaskad) Soğutma Sistemleri
Sadece bir kompresörün kullanıldığı otomatik ardışık (kaskad) soğutma sistemi 1946 yılında Ruhemann tarafından öne sürülmüştür. Çok bileşenli zeotropik soğutucu akışkan karışımları tek sıkıştırmalı kaskad sistemlerde sıcaklığı -180°C yapmak için bu oto-kaskad sistemleri ya da otomatik soğutma kaskad’lar olarak bilinen sistemler kullanılır. Diğer ikili ya da çoklu kaskadlı soğutma tipleri ile karşılaştırıldığında otokaskad sistemlerinin birçok avantajları vardır. Bu avantajlar sistem elemanlarının kompakt tasarımıdır; güvenirliği, emniyeti ve kullanımdaki esnekliği; bakımının nispi kolaylığı ve makul fiyatı ve oto kaskad sisteminin yağlama akıcılığı gibi konulardaki çok sayıda sınırlılıklarından kaçınılması gerekir. Örnek olarak R-23 ve R-22 ile çalışan iki döngülü kaskad sistemini göz önüne alın. Aşağıda bir Dühring çizimi üzerinde bu maddelerin buhar basıncını
gösterelim.
- R-23 devresinde buharlaşma sıcaklığı -65°C için basınç 2.47 bardır ve yine R-23 devresinde yoğunlaşma sıcaklığı -15°C için basınç 16.27 bardır.
- R-23’ü yoğunlaştırmak için R-22 soğutucu akışkanı -15°C’den daha az bir sıcaklıkta kaynatılmak zorundadır.
- Buharlaşma sıcaklığı -22°C olarak seçilirse R-22 devresindeki emme basıncı R-23 devresindeki ile aynıdır.
- Ayrıca R-22 devresindeki yoğunlaşma sıcaklığı 42°C’ye ayarlanırsa iki devredeki basma basıncı aynı olur.
- Buhar daha sonra emme ile karıştırılabilir ve daha sonra ayrılması koşuluyla birlikte sıkıştırılabilir.
- Ayrılma Şekil-2.17’de gösterildiği gibi bir devre kullanılarak kısmi yoğunlaşma tarafından gerçekleştirilebilir.
Karışmış buhar kondensere geçtiğinde, 16.27 basıncında yoğunlaşmak için sıcaklık R-23 için çok yüksek olacaktır. Ama karışımdaki kısmi basıncı yeterince yüksek olma koşulu ile R22 yoğunlaşabilir. Yoğunlaşmış R-22 sonradan R-23 buharından ayrılır ve -22°C’de kaynadığı düşük taraftaki basınca genleştirilir. Sonra soğutma etkisi -15°C, R-23 buharını yoğunlaştırmak için kullanılır ve bu sıvı -65°C’de kaynadığı evaporatöre gider.
Oto-kaskad sisteminin başlıca dezavantajı soğutucu akışkanın özel bir karışım kullanımını gerektirmesidir. Bu özellik bakımla alakalı üç probleme neden olur.
İlk olarak, soğutucu akışkan karışım farklı kaynama noktalı değişik tipte soğutucu akışkandan oluştuğu için sistemdeki bir sızıntı, kalan soğutucu akışkanların oranında bir dengesizliğe yol açar.
- Sistemi düzgün çalışır hale geri döndürmek için doğru bir karışım oranı sağlamak adına yeni ve imkân dâhilinde maliyetli bir şarj ile soğutucu akışkanın kalan kısmının hepsi yenilenmelidir.
- İkinci olarak, karışım özel olduğu için geleneksel soğutucu akışkan sağlama kaynaklarında hazır bir şekilde mevcut değildir ve ayrıca elde edilmesi zor ve masrafı olabilir.
- Üçüncü olarak, bu tip sistemler yaygın olarak kullanılmadığı için tamire ve bakım prosedürüne hâkim olan vasıflı bakım elemanları bulmak bazen zordur.
Kaynak: friterm.com; Hüseyin BULGURCU
