Makine Mühendisliği

Soğutma Yöntemleri Ve Açıklamaları

Soğutma yöntemleri enerji maliyetleri açısından büyük önem taşımaktadır.  Soğutma teknolojilerinin her geçen gün geliştirilmesi ile bir çok soğutma yöntemi ortaya çıkmıştır ve bir çok alanda farklı soğutma sistemleri kullanılmaktadır.

Endüstriyel alanda farklı soğutma yöntemler, konutlarda farklı soğutma yöntemleri, hastanelerde farklı soğutma yöntemleri, alışveriş merkezlerinde farklı soğutma yöntemleri kullanılmaktadır. Örnekler çok daha fazla artırılabilir.

Şu an için kullanılan soğutma yöntemleri aşağıda yer almaktadır.

Soğutma Yöntemleri

1)Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma
2) Absorbsiyonlu Soğutma
3) Adsorbsiyonlu Soğutma
4) Termoelektrik Soğutma Sistemi
5) Manyetik Soğutma
6) Paramanyetik Soğutma
7) Vortex Tüpüyle Soğutma
8) Nemlendirmeli (Evaporatif, Buharlaştırmalı) Soğutma
9) Eriyik Teşkiliyle Soğutma
10) Gazların Genişlemesi ile Soğutma
11)Vakumla Soğutma
12)Buhar Jet (ejektörlü) Soğutma
13) Sterling Soğutma Sistemi
14) Akustik (Sesle) Soğutma

Tüm soğutma yöntemlerinin detaylarına aşağıdaki sayfalama yöntemi ile erişebilirsiniz.

Buhar Sıkıştırmalı Mekanik Soğutma

Soğutmada en sık uygulanmakta olan ve en çok tercih edilen sistem buhar sıkıştırmalı soğutma sistemidir. Bu tip soğutma çevriminde sistemde kompresör, kondenser, (yoğunlaştırıcı) genleştirici (genleşme vanası veya kılcal boru) ve evaporatör (buharlaştırıcı) bulunur. Sistem elemanları bakır boru ile birbirlerine seri olarak bağlanırlar ve kapalı bir devre oluşturulur. Sistemde dışardan verilen iş sayesinde soğutucu akışkanın mekanik olarak kompresör tarafından sıkıştırılması esasına dayanır.

Bu sistemde kompresörde yüksek basınca sıkıştırılan soğutucu akışkan kızgın buhar halinde yoğuşturucuya gönderilir. Burada, çevreye ısı vererek yoğuşan soğutucu akışkan, kısılma vanasında alçak basınca kısılarak ıslak-buhar halde buharlaştırıcıya girer. Buharlaştırıcıyı çevreleyen ortam sıcaklığının altında bir sıcaklığa sahip olan soğutucu akışkan, ortamın ısısını çekerek, ortamı soğutur ve buharlaştırıcı çıkışında doymuş buhar halde kompresör tarafından emilir. Böylece çevirim sürekli olarak devam eder.

Buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimi
Buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimi

Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi

Absorpsiyonlu soğutma, güneş enerjisi, fosil yakıt yakarak elde dilen ısı veya herhangi atık ısı kullanarak soğutma elde eden mekanik enerjiye kısmen ihtiyaç duymayan bir yöntemdir.

Amonyak suda çok çabuk eriyen bir maddedir. Ayrıca su ve amonyak karışımı 140°C’e ısıtıldığı zaman, amonyak sudan tamamen ayrılır. Amonyağın bu özelliklerinden yararlanılarak, absobsiyonlu soğutma sistemleri yapılmıştır.

Absorbsiyon prensibi, ilk defa Michael Faraday tarafından bir asırdan fazla zaman önce amonyağın yoğuşturma denemeleri sırasında keşfedilmiştir. Daha sonra 1862 senesinde Franz Carre tarafından yapımı gerçekleştirilen sistem, bu gün atık buharın bol olduğu yerlerde kullanılmaktadır.

Carre’nin geliştirdiği bu sistemde, mekanik enerji yerine, ‘ısıl enerji’ kullanılmıştır. Absorbsiyonlu soğutma sistemi ile buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemi arasındaki tek fark kompresördür. Absorbsiyonlu sistemlerde, kompresör görevini kaynatıcı ve absorberden oluşan ısı eşanjörleri grubu gerçekleştirmektedir. Her iki sistemde de bir yoğuşturucu, bir kısılma vanası ve bir buharlaştırıcı bulunmakla beraber, absorbsiyonlu sistemde bunlara ilave olarak; absorber, pompa ve kaynatıcı bulunmaktadır.

Absorbsiyonlu Soğutma Sistemleri
Absorbsiyonlu Soğutma Sistemleri

Buharlaştırıcıdan gelen soğutucu akışkan buharı, içinde absorbent bulunan bir hücreye girerek absorbent tarafından emilir.

Soğutucu madde ile zenginleşen karışım kaynatıcı bölümüne sevk edilerek burada ısıtılır ve soğutucu madde daha yüksek basınca buharlaştırılır. Absorbent, zayıf eriyik durumda tekrar abasorbere dönerek soğutucu maddeyi emme görevini tekrarlar.

Absorpsiyonlu soğutma sisteminde sıkıştırma işlemi için mekanik kompresörün yerini termal kompresör olarak jeneratör-absorber elemanları almıştır.

Absorpsiyonlu soğutma sistemi; buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanın basıncının arttırılması amacıyla kullanılan kompresörün yerine, termal bir mekanizmayla soğutucu akışkanın basıncının arttırılması prensibine dayanmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde kullanılan bu mekanizma “termik sıkıştırıcı” olarak adlandırılmaktadır Genel olarak absorbsiyon prensibi, karşılıklı çözünürlüğü olan maddelerin yüksek sıcaklıklarda daha az, düşük sıcaklıklarda ise daha fazla çözünür olmasıdır. Kompresörlü sistemlerde soğutucu akışkan olarak freon gazları kullanılır.

Absorbsiyonlu sistemlerde ise iki akışkan çiftinden oluşan solüsyon, lityum bromür+su ve amonyak+su solüsyonları kullanılır. Bunlardan biri lityum bromür-su çifti, lityum bromür absorban, su ise soğutucudur. Diğeri ise suamonyak çifti, su absorban amonyak soğutucudur. Absorpsiyonlu soğutmada absorban sıvı, diğer madde (soğutucu akışkan) ise absorbe edildiğinde gaz fazındadır. Karışımdaki absorban oranı yüksek soğutucu oranı düşük ise konsantre veya kuvvetli eriyik, absorban oranı düşük soğutucu oranı yüksek ise zayıf eriyik olarak adlandırılır.

Absorbsiyonlu Soğutma Sistemi Çalışma Yöntemi:

Aşağıda  LiBr/H2O akışkan çifti ile çalışan tek kademeli absorpsiyonlu soğutma sistemi görülmektedir.

Tek Kademeli Absorbsiyonlu Soğutma Sistem Şeması
Tek Kademeli Absorbsiyonlu Soğutma Sistem Şeması

Sistemde LiBr/H2O karışımı generatörde verilen ısıyla su buharı ve zengin LiBr/H2O eriyiği olarak ayrışır. Soğutucu akışkan (Su buharı), generatörden kondensere girer (2) ve burada ısı vererek yoğuşur. Sıvı fazda ve yüksek basınçta kondenserden çıkan sıvı akışkan (3) kısılma vanasından geçerek (4) basıncı düşürülür ve sıvı fazda ve düşük basınçta evaporatöre girer. Evaporatörde ısı alarak buharlaşır ve absorbere girer (1).

Generatörden zengin karışım olarak dönen LiBr/H2O eriyiği (8) ısı değiştirgecine girer ve biraz soğuyarak kısılma vanasına girer (9). Basıncı düşürülen zengin karışım absorbere girer (10) ve evaporatörden gelen su buharı ile karışır. Bu sırada açığa çıkan ısı absorpsiyon işleminin daha iyi olması için dışarı atılır. Absorberden çıkan fakir LiBr/H2O karışımı (5), pompa ile basınçlandırılarak ısı değiştirgecine girer (6) ve oradan generatöre girer (7).

COPsoğ= Qev/Qısıtıcı+Wpompa

Abssorbsiyonlu Soğutma Sistemi Şematik Gösterim
Abssorbsiyonlu Soğutma Sistemi Şematik Gösterim

Absorbsiyonlu Soğutucu Sistem Elemanları

Eriyik pompası: Zengin eriyiğin absorberden ısı değiştirgecine iletilmesini sağlamaktır. Genellikle kapalı tip pompalar seçilmektedir.
Generatör: Boyler veya kaynatıcı olarakta adlandırılmaktadır. Generatörde verilen ısı ile soğutkan, zengin eriyikten ayrıştırılmaktadır.

Kondenser: Sistemin tasarımına uygun olarak su veya hava soğutmalı olabilirler. Generatörden gelen soğutkan buharının sıcaklığını düşürerek yoğuşmasını sağlamaktadır.
Evaporatör: Sıvı soğutkanın ortam ısısını alarak buharlaştığı kısımdır. Absorbsiyonlu soğutma sisteminde genellikle karşı akımlı olarak tasarımlanmaktadır.
Absorber: Dış görünümü ile kondensere benzemekle beraber iç kısmı iyi bir karışım sağlayacak şekilde bir veya daha fazla sayıda üst üste levhalardan oluşmaktadır.
Isı değiştirici: Ön ısıtıcı ve ön soğutucu olmak üzere iki adet ısı değiştirici kullanılabilir. Genellikle karşıt akımlıdırlar.
Genleşme valfı: Biri soğutkan eriyiğin diğeri ise zayıf eriyiğin basıncını düşürmek için kullanılmaktadır.
Soğutkan çiftleri: Absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde farklı çalışma akışkanları kullanılmaktadır. Bunlar Amonyak-Kalsiyum Klorid, Amonyak-Su, Lityum Bromür-Su, Amonyak-Lityum Nitrat, R21-Glycoleter, Amonyak-Sodyum Thicynate[10]

Sistemde kullanılan çiftler:
Amonyak (NH3) – Su ( Tevap<+4 oC Buharlaşma Sıcaklığı)
Su – Lityumbromür (LiBr) ( Tevap>+4 oCBuharlaşma Sıcaklığı)

Absorpsiyonlu Soğutma sistemin Özellikleri:
A- Üstünlükleri
1- Minimum elektrik enerjisine ihtiyaç duyar.
2- Küçük kapasiteli olanlar pompasızdır. Sesssizdirler. Otel ve ofislerde kullanılmaktadır.
3- Kompresör yoktur. Isıl sıkıştırma mevcuttur.
4- Arıza riski düşük, bakım masrafı azdır.
5- Çevre dostudur. CFC, HCFC veya HFC kullanılmaz.
6- Değişken soğutma yüklerinde tam yükteki gibi verimlidir.
7- Güneş, Jeotermal, atık ısı gibi kaynaklar kullanıldığında ekonomiktir.

B- Eksiklikleri
1- Performans katsayıları düşüktür. (06<COP<1.5)
2- Fiziksel olarak fazla yer kaplarlar.
3- İlk yatırım maliyeti yüksektir.
4- LiBr-Su çiftinde kristalizasyon problemi vardır.
5- Düşük vakum basıncı problem oluşturmaktadır.
6- Küçük kapasiteli ve pompasız üç akışkanlı absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde 3. Akışkan olarak He ve H basınç düşürücü olarak kullanılmaktadır.

Adsorbsiyonlu Soğutma Sistemi

Aktif karbon, silika-gel gibi maddelerin gözenekleri, büyük miktarda gaz emerler. Bu gibi katı maddelerin bu özelliklerinden yararlanılarak adsorbsiyonlu soğutma sistemleri geliştirilmiştir. Aşağıdaki şekilde basit bir adsorbsiyonlu soğutma sistemi gösterilmektedir.

Adsorbsiyonlu Soğutma Sistemi
Adsorbsiyonlu Soğutma Sistemi

Sistem bir kaynatıcı (aynı zamanda absorber), bir yoğuşturucu ve bir buharlaştırıcıdan oluşmaktadır. Bu sistemde kaynatıcı içerisinde su yerine, amonyağın emilmesini sağlayacak silika-gel bulunmaktadır. Kaynatıcı içerisine elektrikli ısıtıcılar ve soğutma serpantinleri yerleştirilmiştir. Kaynatıcının ısıtılması ile silika-gel ısınır ve emmiş olduğu amonyak buharlaşarak, silika-gel’ in bünyesinde ayrılır. Belirli bir basınca ulaştığında, çıkış valfini açarak yoğuşturucuya geçer.

Burada çevreye ısı vererek sıvı hale gelen amonyak, buharlaştırıcı içine akar. Bir süre sonra buharlaştırıcı içindeki şamandıra yükselerek elektrikli ısıtıcı devresini kapatır. Soğutma suyu vanasını açar ve ısıtıcı soğumaya başlar. Ortamdan ısı çekerek buharlaşan amonyak, elektrikli ısıtıcı kapandığında absorber görevini üstlenen kaynatıcıdaki silika-gel tarafından emilmeye başlanır. Soğuyan kaynatıcı içerisindeki basınç düşümü sayesinde, amonyağın buharlaşması kolaylaşmış olacaktır. Oluşan amonyak buharı, emme valfini açarak, tekrar absorbere döner. Bir süre sonra buharlaştırıcıda sıvı seviyesi düşer ve şamandıra, soğutma suyu vanasını kapatıp, ısıtıcıyı devreye sokar. Bu şekilde sirkülasyon devam eder.

Termoelektrik Soğutma Sistemi

Termoelektrik soğutma temelde termoelektrik etkilerin en önemlilerinden biri olan Peltier etkisine dayanır. Peltier etkisi, iki farklı metal elemandan oluşan bir devreye doğru akım verildiğinde, akımın yönüne göre, aksi uçlarda sıcaklıkta artmanın veya azalmanın meydana gelmesidir. Bu olayda ilginç olan, devrede uçlar arasında bir sıcaklık farkı oluşması ve dolayısıyla uçlarda bir ısınma veya soğumanın meydana gelmesidir. Isıl eleman çiftlerinin (Termokapıl) temelini oluşturan ve 1821 yılında keşfedilen Seebeck etkisinin tersi olan Peltier etkisi, Fransız bilim adamı Charles Athanese Peltier 1834 yılında keşfedilmiştir. 1950 yıllından sonra yarıiletken teknolojisinde gelişmelerin hızlanması ile Peltier etkisi değişik uygulamalarda kendine kullanım alanları bulmuştur.

Termoelektrik soğutma, N ve P tipi yarı iletken metal çiftlerinden oluşmuş bir veya daha çok modülden, bir doğru akımın geçmesi ile elde edilir. Şekil 1’de bir N ve P yarı iletken çiftinden meydana gelmiş bir termoelektrik soğutma modülü gösterilmiştir. P ve N tipi termo elemanlar elektriksel olarak seri, ısıl olarak paralel şekilde seramikler arasına bağlanırlar. Akımın yönüne bağlı olarak ısıtma ve soğutma elde edilebilir. Şekil 1 den de görülebileceği gibi soğutma durumunda, doğru akım N tipi yarı iletken P tipine geçmektedir. Akım düşük enerji seviyesindeki P tipi yarı iletken malzemeden yüksek enerji seviyesine geçtiğinde soğutulacak ortamdan ısı çekerek soğutma meydana getirmektedir. Soğuk ortamdan çekilen bu ısı, yüksek sıcaklıktaki ortama elektronlar vasıtasıyla transfer edilir. Böylelikle ısı, bir ortamdan çekildiği gibi başka bir ortama da terk edilmektedir. Dolayısıyla termoelektrik modül ısı pompası vazifesi de gösterir.

Hareketli herhangi bir parçası olmayışı açsından diğer soğutma sistemlerinden farklılık gösterir fakat performans katsayıları diğerlerine göre düşüktür. Hareketli parçaların olmayışı yanında gürültü, titreşim ve aşınma gibi istenmeyen durumların ortadan kalkmasını sağlar. Uzun ömürlüdürler. Ömür testlerinde sürekli rejimde 100 000 saat çalışabildikleri görülmüştür. Termoelektrik soğutucu, CFC’ ler gibi herhangi bir soğutucu akışkanı içermez. Dolayısıyla doğa ve çevre dostudurlar. 0.1°C sıcaklık aralığında çok hassas sıcaklık kontrolü sağlanabilir. Fakat ticari olarak üretimleri pahalıdır ve yüksek soğutma yükleri için uygun değillerdir.

Termoelektrik soğutucular, pozisyona bağımlı cihazlar değillerdir. Dikey veya yatay her konumda çalışabilirler. Yerçekimsiz ortamda da çalışır. Dolayısıyla uzay araçlarında kullanılırlar. Bu soğutucular diğer sistemlerin aksine çok hassastırlar ve küçük ortamlarda çalışabilirler.

Termoelektrik Soğutma Sistemi
Termoelektrik Soğutma Sistemi

Termoelektrik Soğutucularda Kullanılan Malzemeler:

Bir termoelektrik soğutucunun verimliliği bağıl olarak kullanılan malzeme ile ilgilidir. Termoelektrik malzemelerin performansı, aşağıdaki eşitlikte verilen değer katsayısı ile ifade edilmektedir [1]:

Burada α Seebeck katsayısı, T termoelektrik modülün yüzeylerinin ortalama sıcaklığı, k ısıl iletkenliği, R elektrik direncini göstermektedir. Metallerin ısı iletimi yüksek, fakat elektrik dirençleri düşük olduğundan, ZT değerleri de düşük olmaktadır. Günümüzde termoelektrik modüllerde kullanılan yarı iletken malzemelerin değer katsayısı, ZT, yaklaşık 0.4 ile 1.3 arasındadır [2].

Termoelektrik soğutucularda P ve N tipi termoelemanlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, Bi2Te3, PbTe, SiGe ve BiSb gibi alaşımlardır. Bizmut Teleryum, Bi2Te3, yüksek termoelektrik verimi ve uygun sıcaklık aralığı nedeniyle yaygın bir şekilde tercih edilmektedir [1]. Alt ve üst plakalarda seramik malzeme kullanılır.

Böylece ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık ve mekanik mukavemet sağlanır. Termoelemanları birbirine bağlayan iletken malzeme olarak bakır veya alüminyum gibi ısıl iletkenliği yüksek malzemeler kullanılmaktadır. [4]

Termoelektrik Soğutucuların avantaj ve dezavantajları

Termoelektrik soğutucuların diğer soğutma sistemlerine göre üstünlükleri şöyle sıralanabilir:
• Hareketli herhangi bir parçası yoktur. Dolayısıyla az bakıma ihtiyaç vardır.
• Uzun ömürlüdürler. Ömür testlerinde sürekli rejimde 100 000 saat çalışabildikleri görülmüştür.
• Termoelektrik soğutucu, CFC’ler gibi herhangi bir soğutucu akışkanı içermez. Dolayısıyla çevre ve doğa dostudurlar.

• Termoelektrik soğutucu, ısı pompası olarak tam tersinirdir. Isının yönü DC akımın yönü değiştirilerek kolayca değiştirilebilir.
• ±0.1 oC sıcaklık aralığında çok hassas sıcaklık kontrolü sağlanabilir.
• Termoelektrik Soğutucular, pozisyona bağımlı cihazlar değillerdir. Dikey veya yatay her konumda çalışabilirler. Yerçekimsiz ortamlarda da çalışır.
• Çok hassas, sıkı ve küçük ortamlarda çalışabilirler.

Termoelektrik soğutucular çeşitli dezavantajlara sahiptirler. Bunlar;

• Soğutma ve ısıtma performans katsayıları (COP) çok düşüktür. 0.3-0.7 arasındadır. Oysa klasik soğutma makinalarında bu değer 2-4 arasındadır. Buhar sıkıştırmalı, absorpsiyonlu ve termoelektrikli üç farklı mini buzdolabı için yapılan karşılaştırmalı çalışmada [5], buhar sıkıştırmalı tipte olanın maliyet ve işletme açısından daha uygun olduğu fakat diğerlerine göre daha gürültülü olduğu tespit edilmiştir. Termoelektrikli mini buzdolabının COP’sinin absorpsiyonlu mini buzdolabına göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir.

• Yüksek soğutma yükleri için uygun değildirler. Buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri ile rekabet etmeli mümkün görülmemektedir.
• Şu an için pahalıdırlar.
• DC besleme gerektirir.

Manyetik Soğutma

Manyetik Soğutma, manyetokalorik etkiye dayanmaktadır. Malzemeye manyetik alan uygulandığında veya kaldırıldığında sıcaklığında değişiklikler meydana gelir. Manyetik alan uygulandığında ısınmakta, manyetik alan kaldırıldığında soğumaktadır. Manyetokalorik etkiye sahip malzemeler çok nadirdir.

Kullanılan Manyetik malzemeler( Ferromanyetik malzemeler):
Gadolinium (Gd) ve alaşımları
Gd5(GexSiy)
MnAs benzeri (Mağnezyum benzeri) alaşımları

Artan veya azalan bir manyetik alan altında bulunan, manyetik malzemenin entropisindeki değişimden kaynaklanan adyabatik sıcaklık değişimine Manyetokalorik etki (MKE) denir.

Manyetik soğutmanın temeli manyetokalorik etkiye dayanır. Şekilde kutuplar arasındaki manyetik malzemeye manyeto vererek soğutma yapılmaktadır. Manyetik malzemeye manyetik alan uygulandığında veya manyetik alan kaldırıldığında sıcaklık değişimi olur. Isınma ve soğuma işlemlerinde ısı çekilerek soğutma elde edilebilir. İyi bir manyeto elektriğe sahip malzeme çok nadir bulunur.

Manyetik Soğutma Sistemi
Manyetik Soğutma Sistemi

Manyetik Soğutma genel olarak gazların sıvılaştırılmasında, kriyojenik soğutmada ve ticari ve sanayi soğutmasında kullanılacak potansiyele sahiptir. İklimlendirme işlemlerinde de kullanılmaktadır.

Rotary Manyetik Soğutma
Rotary Manyetik Soğutma

Paramanyetik Soğutma:

Mutlak sıfır sıcaklığına yakın seviyelerdeki sıcaklıklara ulaşılmasını sağlamak için araştırmacılar tarafından kullanılan bir soğutma şeklidir. Bir paramanyetik madde (paramanyetik tuz) önceden aşırı şekilde soğutulduğunda moleküllerinin ısı iletimi azalır.

Bu konumda şiddetli bir manyetik alana sokulduğunda, paramanyetik tuz moleküllerinin elemanter birer magnet durumuna geldiği düşünülebilir. Bu takiben, bu maddeye uygulanan manyetik alan kaldırıldığında, ısı alış verişi olmadığından paramanyetik tuzun sıcaklığı aşırı derecede düşmektedir.

Bu yöntem moleküler seviyede bir sıkıştırma çevrimine benzer. Şöyle ki; uygulanan şiddetli manyetik alan, sıkışmasına yol açmakta ve molekül ısısı çevredeki helyum ve hidrojen tarafından alınmaktadır. Manyetik alan kaldırıldığında moleküller üzerindeki baskının azalması sonucu, sıcaklık daha alt seviyelere düşmektedir.

Paramanyetik Soğutma
Paramanyetik Soğutma

Şekilde, paramanyetik tuzun ön soğutulması, sıvı hidrojen ve sıvı helyumun buharlaşması suretiyle sağlandıktan sonra kuvvetli bir manyetik alanın oluşturulması elektro mıknatıslarla sağlanmakta ve manyetik alan ani olarak kaldırılarak paramanyetik tuzun sıcaklığının düşürülmesi sağlanmaktadır.

Vortex Tüpü

Şekil 3’de gösterilen hareket parçası bulunmayan, basit bir borudan(tüp) ibaret olan bir soğutma şekli, bulucusu George Ranque (1931) ve geliştiricisi Rudoph Hilsch ‘in adlarıyla da anılır ( Ranque Tüpü veya Hilsch Tüpü ) . Boruya, dışarıdan teğetsel şekilde verilen basınçlı gaz ses hızına yakın bir hıza ulaşır ve boruyu terk ederken dış zarfa yakın kısımda sıcak, çekirdek (eksene yakın ) kısımda ise soğuk akımlar haline geldikten sonra; boruyu terk ediş yönüne göre ‘’ Aynı Yönlü Akım’’ ve ‘’ Ters Yönlü Akım ‘’ adlarıyla anılır. Bu soğutma çevriminde oldukça düşük sıcaklıklar elde edilmektedir.

Örneğin 7 Atü giriş havası ile çalışan ve yarısı soğutmak diğer yarısı ısıtmak üzerine ayarlanan bir vorteks tüpünde soğutulan hava (-34 ºC )’ye düşerken ısıtılan kısımdaki sıcaklık (+33 ºC )’ye çıkmaktadır.

Vortex Tüpü

Hava Soğutma Çevrimi

Diğer soğutma çevrimlerinden farklı olarak bu çevrimde, soğutucu akışkan tüm sistemde daima gaz halinde kalır, hiç sıvılaşmaz. İdeal hava soğutma çevriminin en basit şekli esas olarak Joule Brayton çevriminin tersi olan çevrimdir.

Hava soğutma çevrimi açık sistem (soğutucu akışkan hava, devamlı atmosferden alınıp çevrimde soğutulduktan sonra kullanılır) veya kapalı sistem (hapsedilmiş hava sistemden dışarı çıkamaz) prensibine göre çalışır. Şekil-6’daki prensip şemasında genişleme silindiri hem genleşme valfi görevini hem de kompresör için gerekli sıkıştırma gücünün bir kısmını sağlamakta ve böylece güç gereksinimi azalmaktadır.

Burada, genişleme silindiri hem ekspansiyon valfi görevini yapmakta hem de Kompresör için gerekli sıkıştırma gücünün bir kısmını sağlamakta ve böylece güç gereksinimi azalmaktadır. Son yılarda uçakların yolcu hacimlerini klimatize etmek üzere aşağıda şeması verilen sistem uygulanmaktadır. Gerek ekipmanın hafif olması, gerekse soğutkan madde görevi yapan havanın tüm çevrimde gaz halde bulunması bu sisteme özellik vermektedir.

Hava Soğutma Kapalı Çevrim
Hava Soğutma Kapalı Çevrim
Uçak iklimlendirmesinde kullanılan hava soğutma açık çevrimi
Uçak iklimlendirmesinde kullanılan hava soğutma açık çevrimi

Buhar-Jet (Ejektör) Soğutma Sistemi

Buhar-jet soğutma sistemi, yüksek vakum altında ve düşük sıcaklıkta suyun buharlaştırılması prensibi ile çalışan bir sistemdir. Bu prensiple çalışan makinelerin en tanınmışı ‘Westighause- Leblanc’ sistemidir. Şekil 1.7 de sıvıların soğutulması için gerçekleştirilmiş bir sistemin şeması gösterilmektedir. Buhar enjektöründen 1- 3 ata basınçtaki atık buharın 1200 m/s hızla geçirilmesi ile buharlaştırıcı içinde yüksek değerde vakum edilir.

Meydana gelen vakum etkisi ile soğutma tankı içinde bulunan sıvının bir kısmı buharlaşır. Buhar haline geçmek için gerekli ısıya da, geri kalan sıvıdan aldığı için, soğutma tankında bulunan sıvı soğumaya başlar. Buharlaşan sıvı, enjektörden geçen buhar ile beraber karışarak vakum altında çalışan yoğuşturucuya geçer. Soğutma tankının altında bulunan soğutulmuş sıvı da, sıvı pompası aracılığı ile soğutma hücresinden dolaştırılıp, tekrar soğutma tankında soğutulmak üzere, tank içinde pülverize edilir. Püskürtmeden amaç, sıvının temas alanının arttırılması ve buharlaşmaya yardımcı olması gayesiyle yapılmaktadır.

Buhar Jet Soğutma Sistemi
Buhar Jet Soğutma Sistemi

Evaporatif ( Nemlendirici, Buharlaştırıcılı ) Soğutma

Evaporatif soğutma basit bir prensibe dayanır. Havanın içine püskürtülen suyun buharlaştırılması için gerekli olan buharlaştırma gizli ısısı havanın duyulur ısısından alınır. Sonuçta havanın kuru termometre sıcaklığı düşürülerek soğutma elde edilir. Bu işlemde havanın yaş termometre sıcaklığı sabit kalmaktadır. Bu işlem sabit entalpide meydana geldiğinden adyabatik işlemdir.

Çünkü sisteme ne dışarıdan ısı verilmekte ne de sistem dışarıya ısı vermektedir. Sistem içinde işlem boyunca sadece bir ısı alışverişi vardır. Aynı oranlarda duyulur ısı azalmakta, gizli ısı artmaktadır. Bu soğutma tekniği yıllarca kullanılmıştır. Sıcak ve kuru bir günde avluda yer sulandığında havayı daha soğuk ve kısmi bir serinlik hissetmemiz buharlaştırmalı soğutmanın etkisindendir.

Hava içerisine püskürtülen veya havanın su ile ıslanmış bir yüzeyden geçerken teması sonucunda buharlaşan suyun, havadan buharlaşma ısısını çekmesi sonucu meydana gelen sıcaklık düşmesine buharlaşmalı soğutma veya “evaporatif soğutma” denir. Evaporatif soğutma sistemleri, bilinen en eski soğutma sistemlerinden biridir.

Mekanik soğutma sistemlerindeki gelişmelerden dolayı geçmiş yıllarda fazla tercih edilmemiştir. Fakat son yıllarda enerji maliyetlerindeki artışlar, iç hava kalitesindeki iyileştirme istekleri (daha fazla taze hava), freon gazlarının ozon tabakasındaki tahribatı, evaporatif soğutma sistemlerinin tekrar gündeme gelmesine neden olmuştur.

Evoparatif soğutma sistemleri; konfor iklimlendirmesi yanında tekstil fabrikalarında, güç santrallerinde, dökümhanelerde, fırınlarda, depolarda, otel mutfaklarında, atölyelerde konfor ve proses şartlarını iyileştirmek, verimi arttırmak amacıyla yoğun olarak kullanılırlar.

Sistem son derece basittir. Bu nedenle de bakımı kolay ve bakım masrafları da düşüktür. Hareketli parça olarak fan ve su pompası vardır. Buharlaştırmalı soğutmaya olan ilginin artmasıyla bu sistemlerde birçok yeni tasarımlar ortaya çıkmıştır. Bu çeşitliliğe rağmen buharlaştırmalı soğutma sistemleri üç ayrı sınıfa ayrılabilir.
1- Doğrudan buharlaştırmalı soğutma
2- Dolaylı buharlaştırmalı soğutma
3- Birleşik buharlaştırmalı soğutma

Evaporatif Soğutma Sistemi
Evaporatif Soğutma Sistemi

Sterling Çevrimi

Bu sistem, bir silindir ile içerisine yerleştirilmiş ve birbirinden gözenekli ısı tutumu yüksek bir bölmeyle (regeneratör ) ayrılmış iki pistondan meydana gelmiştir.

Sterling Çevrimi
Sterling Çevrimi

Sistem silindir hacminde soğutucu bir gaz (Helyum, Hidrojen, vs.) bulunmaktadır. Başlangıç durumunda 1 no lu piston hareket ederek silindir boşluğundaki gazı sıkıştırır. Gözenekli bölmeye nüfuz eden ısınmış gaz ısısını buraya verir. Bu ısı dışarıdan uygulanacak bir soğutma ile (kondenserde olduğu gibi ) sistemden süratle uzaklaştırılmalıdır. 2 no lu pistonun silindir boşluğuna doğru ilerleyen basınçlı gaz, 2 no lu piston geriye doğru hareket ederken silindir boşluğunu doldurmaya devam eder. Bu durumda gaz civardan ısı almaya müsait durumdadır ve 2 no lu silindir cidarına verilecek ısıyı hemen alabilecektir.

Soğutulmak istenen ortam ile ısı almaya müsait gaz arasında bir ısı geçişi sağlamak suretiyle soğutma işlemi yapılmış olacaktır. İkinci stok sırasında pistonlar aksi yöne doğru hareket etmekte olacak ve böylece ikinci bir soğutma işlemi sürdürülmüş olacaktır. Görüldüğü gibi, silindirdeki gazın atılması söz konusu olmamakta, oldukça karmaşık ve basit bir sistem oluşturulmaktadır. Aynı zamanda, gazın genişlemesi sırasında geriye doğru giden karşı pistona genleşen gaz yardımcı olmakta ve genleşme enerjisinden bir miktar yararlanılmaktadır.

Ancak, bütün bunlara rağmen bu çevrimin performans katsayısı oldukça düşük seviyelerde kalmaktadır. Bunun nedenleri, ısı alış verişinin süratle yapılmasına uygun malzemenin bulunamayışı, gözenekli bölmede kalan ısının ters yöndeki hareket sırasında tekrar soğuk gaz tarafından geri alınması gibi nedenlere bağlanabilir.

Vakumla Soğutma

Emme (Vakumla) sistemi ile soğutma makineleri termik enerjiden faydalanılarak yapılmıştır. Devre içindeki soğutucunun geçirmiş olduğu haller aynen mekanik soğutma sisteminde olduğu gibidir.

Soğutma sisteminde mekanik bir arıza bulunmadığı için sessiz çalışır. Amonyak gazının su da kolaylıkla erimesinden istifade edilerek bu sistemde kullanılır. Sulu amonyak ısıtıldığı zaman buhar haline geçer ve bu halde amonyaktan eser kalmaz. Su bu devrede emici vazifesi görür. Ayrıca emici olarak silicajel kullanılır. Bu maddenin bir mühim vasfı, rutubeti emmesidir. Gazın ısıtılması elektrik veya yanıcı bir madde ile olabilir.

Havayla ön soğutma ürünün çeşidine göre, basınçlı havayla ön soğutma, nemlendirilmiş havayla ön soğutma ve buharlaştırmayla ön soğutma olmak üzere üç farklı şekilde yapılabilmektedir. Suyla ön soğutma yöntemi, ürünün soğuk ya da buzlu suya daldırılması veya ürün üzerine soğuk ya da buzlu su püskürtülmesiyle gerçekleştirilir. Ayrıca soğuk su kaynaklarıyla yapılan ön soğutma işlemleri de suyla ön soğutma yöntemleri arasında sayılabilir.

Vakumla ön soğutma yöntemi, sebzelerin ve meyvelerin bünyesindeki suyun vakum etkisi altında hızlı bir şekilde buharlaşmasıyla gerçekleştirilir. Normal atmosfer basıncı altında su 100 C’de kaynarken, vakum tankında, atmosfer basıncının çok daha altındaki basınçlarda su çok düşük sıcaklıklarda kaynamaktadır. Suyu buharlaştırmak için gereken ısı, vakumla soğutulan ürünün iç enerjisinden alındığından soğutma işlemi gerçekleşmektedir. Kullanım alanları; Unlu-yarı pişmiş ekmek, ekmek, pasta, pizza, soslar, çorbalar, meyve konsantresi soğutma işleminde kullanılır.

Vakumla soğutma yönteminde havanın buharlaşma gizli ısısı kullanmaktır. Vakumla soğutma yöntemi, sebzelerin ve meyvelerin bünyesindeki suyun vakum etkisi altında hızlı bir şekilde buharlaşmasıyla gerçekleştirilir. Normal atmosfer basıncı altında su 100 ℃’de kaynarken, vakum tankında, atmosfer basıncının çok daha altındaki basınçlarda su çok düşük sıcaklıklarda kaynamaktadır. Suyu buharlaştırmak için gereken ısı, vakumla soğutulan ürünün iç enerjisinden alındığından soğutma işlemi gerçekleşmektedir.

1. Sebze ve Meyvelerin (Özellikle marol, ıspanak gibi yapraklı ürünlerin) Soğutulmasında
2. Buz üretiminde kullanılır.

Vakumla Soğutma Sistemi
Vakumla Soğutma Sistemi

Termo Akustik Soğutma

Bir gazın içinde yaratılan ses dalgaları gazın içinde osilasyonlar yaratarak gazı sıkıştırır ve genleştirir. Bu etki aynı zamanda gazın soğumasına ve ısınmasına da yol açar. Mekanizmayı daha iyi anlayabilmek için içi bir gaz dolu bir ucu kapalı bir boru düşünelim. Diğer ucunda titreşen bir piston ileri geri hareket etsin.

Termoakustik çevrimin çalışmasını anlamak için pistonun içindeki duvar boyunca hareket eden küçük bir gaz hacminde ne olduğunu inceleyelim. Normalde pistonun hareketi sinizoidaldır, fakat biz bunu basitleştirmek için hızlı bir hareket ve bekleme sonra tekrar hızlı bir hareket ve bekleme olarak düşünebiliriz. Bu hareketler termo-akustik termodinamik çevrimi oluşturur. 2 tersinir adyabatik(ısı transferi olmıyan) proses ve 2 sabit basınç ısı transferi prosesinden oluşur. Diğer bir deyimle çevrimi brayton çevrimine benzer bir çevrimdir. Çevrimin ilk prosesinde piston kapalı uca doğru hareket eder ve içerdeki gazı sıkıştırır ve dolayısıyla ısıtır.

Bu durumda duvara çok yakın durumdaki gaz parçacığının sıcaklığı duvar sıcaklığından yüksek olacağından ısıyı duvara iletir. Üçüncü proseste piston dışa doğru hareket ederken gaz paketçiği genleşir ve soğur, bu yüzden sıcaklığı duvar sıcaklığının altına düşer ve ısı duvardan gaz parçacığına doğru akar. Eğer piston sisteme iş ilave edecek şekilde çalıştırılırsa içteki gaz ısınacağından ısıyı cidardan dışarıya atacaktır, yani bir soğutma sistemi veya ısı pompası oluşacaktır.

Termo-akustik sistemde pistonun yerini yüksek enerjili ses dalgaları almaktadır. En uçta yüksek ses yaratıcı bir hoperlör yer alır. Hoperlörden sonra bir rezonans tüpü mevcuttur. Hoperlörden çıkan yüksek enerjili ses dalgaları resonatörün içindeki gazın rezonansına sebep olur. Isınan gaz dizi dediğimiz bölümde ısısı ısı değiştirici mekanizmasıyla çekilerek soğutulur. Böylece ısı çekilmiş olur. Şekil 1.36 da bu tür bir soğutma sistemi şematik olarak gösterilmiştir.

Termo Akustik Soğutma
Termo Akustik Soğutma

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Reklam Engelleyici

Reklam engelleyici eklenti kullandığınızı fark ettik. Muhendisiz.Net web sitesini verimli kullanabilmek için lütfen reklam engelleyiciyi kapatınız.