R744 (CO2) SOĞUTUCU AKIŞKANLI SOĞUTMA SİSTEMLERİ, KANATLI BORULU R744 (CO2) EVAPORATÖR VE GAZ SOĞUTUCU

R744 (CO2) SOĞUTUCU AKIŞKANLI SOĞUTMA SİSTEMLERİ, KANATLI BORULU R744 (CO2) EVAPORATÖR VE GAZ SOĞUTUCU

Son zamanlarda soğuk içecek otomatlarında, süpermarketlerde, soğuk odalarda, gıda üretim ve işleme tesislerinde, endüstriyel dondurma üretim makinelerinde, ısı pompalarında ve araç klimalarında CO2'nin soğutucu akışkan olarak kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Makalemizde R744 (CO2)’in soğutucu akışkan olarak kullanıldığı sistemler ile kanatlı borulu CO2 evaporatör ve gaz soğutucular hakkında bilgiler aktarılacaktır.

Soğutma endüstrisinin gelişme dönemlerinde yaygın olarak kullanılan R744 (CO2),  kritik nokta civarında veya üzerindeki ısı atımı nedeniyle ortaya çıkan soğutma tesir katsayısındaki düşüş ve yüksek çalışma basınçları nedeniyle yerini halokarbon soğutucu akışkanlara bırakmıştır. Halokarbon soğutucu akışkanların çevre üzerindeki olumsuz etkileri nedeni ile alternatif, doğal soğutucu akışkan olarak yeniden kullanılmaya başlanmıştır. Güncel makine ve eşanjör teknolojisi, sistem kontrol elemanları sayesinde R744 (CO2) verim yönünden transkritik çevrim ile özellikle kuzey ülkelerinde ve subkritik kaskad çevrim ile güney ülkelerde rekabetçi seviyelere ulaşmıştır.

20. yüzyıl boyunca gelişmiş ülkelerin başını çektiği sanayileşme, büyüme, kalkınma üçgeninde gerçeklesen ekonomik faaliyetler, insanın yaşamını sürdürdüğü çevresel alanların kaldıramayacağı bir kirlenmeyle sonuçlanmıştır. Toprak, su ve hava, insan yaşamını tehdit eder boyutlarda bir kirlilik düzeyiyle karşı karşıyadır. Problemin boyutlarını fark etmeye başlayan ülkeler kalıcı çözüm arayışına girmiş bulunmaktadırlar. Bu alanda her geçen yıl yeni standartlar ve normlar geliştirilip uygulamaya koyulmaktadır. Süreç ile ilişkili firmalar da yaşanan gelişmelere uyum sağlayabilmek için yeni yasa ve standartlara uygun teknolojiler, ürünler ve imalat (proses) yöntemleri geliştirmek durumunda kalmaktadırlar.

Birçok endüstri dalı gibi iklimlendirme sektörü de bu gelişmelerden etkilenmektedir. Soğutma sistemlerinde kullanılan, küresel ısınmayı hızlandırıcı, ozon tabakasına zararlı, çevreye negatif etkisi olan kloroflorokarbonlar (CFC) ve hidrokloroflorokarbonların (HCFC) yerine çevreye uyumlu soğutucu akışkan çözümleri bulunması noktasında çalışmalar yapılmaktadır. Hidroflorokarbonlar (HFC), klor içermeyen etan, metan gibi doğal gazlardan sentez yolu ile elde edilmekte olup klor yerine hidrojen ikame edilmekte ve bu nedenle göreceli olarak daha çevreci diye tanımlanmaktadır. CO2’nin yanı sıra isobütan, propan gibi doğal akışkanlar yanıcı ve patlayıcı olmaları nedeniyle büyük şarjlı sistemlerde kullanılamaz. R717 (NH3, Amonyak) gazı ise bakır alaşımlarına etkisi, toplu mahallerde ve büyük şarjlı sistemlerdeki zehirleme riski dezavantaj olarak karşımıza çıkmaktadır.

Küresel ısınmaya etkisi olmayan ve ozon tabakasına zarar vermeyen doğal soğutucu akışkanlar ise kuşkusuz bu süreçte en önemli alternatiflerdir. CO2 gazı bu noktada etkili bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. CO2, soğutma endüstrisinin gelişme dönemlerinde yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak, kritik nokta civarında veya üzerindeki ısı geçişi nedeniyle ortaya çıkan soğutma tesir katsayısındaki düşüş ve yüksek çalışma basınçları nedeniyle yerini halokarbon soğutucu akışkanlara bırakmıştır. Halokarbon soğutucu akışkanların çevre üzerindeki olumsuz etkileri nedeni ile alternatif, doğal soğutucu akışkan olarak yeniden kullanılmaya başlanmıştır. Güncel makine ve eşanjör teknolojisi, sistem kontrol elemanları sayesinde CO2 verim yönünden transkritik çevrim ile özellikle kuzey ülkelerinde ve subkritik kaskad çevrim ile güney ülkelerde rekabetçi seviyelere ulaşmıştır. R744 (CO2), 31,06 °C düşük kritik nokta sıcaklığı ve 73,8 bar yüksek kritik nokta basıncından dolayı diğer geleneksel soğutucu akışkanlara nazaran bir takım ek teknik gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır.

2. SOĞUTUCU AKIŞKAN OLARAK R744 (CO2)

 R744 (CO2), 1850 yılında ilk kez soğutucu akışkan olarak, Britanyalı Alexander Twining tarafından gündeme getirilmiştir. Fakat ilk CO2 soğutma sisteminin yapılması 1860’lı yılların sonunda Amerikalı Thaddeus S.C. Lowe tarafından gerçekleştirilmiştir. Temiz ve güvenilir oluşundan dolayı 1920’lere kadar gemilerde ve endüstride yaygın olarak kullanılmıştır. 1928’de CFC’lerin kullanılmaya başlanmasıyla, yukarıdaki sebeplerden dolayı CO2 yavaş yavaş market dışında kalmış, 1950’lerde de kullanımı son bulmuştur. 20. yüzyıl sonlarına gelindiğinde CFC’lerdeki kısıtlamalar yoğunlaştığı için yeni arayışlara girilmiş ve CO2 ve NH3 gibi eski, doğal akışkanlar tekrar gündeme gelmiştir. 1990’da Prof. Gustav Lorentzen’in transkritik CO2 çevrimi patent uygulaması bu konu için bir milat oluşturmuştur.

2.1. CO2 Çevresel Özellikleri

 Soğutucu akışkanların çevresel özellikleri ile ilgili iki temel kavram mevcuttur. 1. ODP (Ozon Tüketme Potansiyeli- Ozone Depletion Potential): Bir gazın ozon tabakasına verebileceği zararı ifade eder. Bağıl bir değer olarak bulunur. 2. GWP (Küresel Isınma Etkisi – Global Warming Potential): CO2’in GWP’si 1 kabul edilerek belli zaman sürecinde bir sera gazının çevreye küresel ısınma etkisini CO2’e bağıl olarak veren değerdir. CO2’in ozon tüketme potansiyeli sıfırdır (ODP=0) ve küresel ısınmaya doğrudan etkisi çok düşük seviyededir (GWP=1).

2.2 CO2 Güvenilirlik

Soğutucu akışkanlar zehirlilik yönünden 2 gruba ayrılır. A sınıfı derişikliği 400 ppm’e eşit veya altındaki olan soğutkanları gösterir. B sınıfı derişikliği 400 ppm’in üzerindeki soğutkanları gösterir. CO2 derişikliği 400 ppm altındaki soğutucu akışkanlar için zehirlilik belirtisi olan A sınıfındadır.

Yanıcılık yönünden soğutucu akışkanlar 3 sınıfa ayrılır. Sınıf 1; 21°C’de ve 101 kPa basınçta alevlenme testinde yanmayan soğutucu akışkanları gösterir. Sınıf 2; 21°C’de, 101 kPa basınçta 0.10 kg/m3 yoğunlukta düşük yanıcılık gösteren ve 19 kJ/kg’dan düşük yanma ısısı üreten soğutkanları ifade eder. Sınıf 3; 21°C’de, 101 kPa basınçta 0.10 kg/m3 yoğunlukta yüksek yanıcılık gösteren ve 19 kJ/kg’dan büyük yanma ısısı üreten soğutucu akışkanları ifade eder. CO2 yanıcı özelliği olmaya sınıf 1’de yer almaktadır.

CO2’in zehirsiz olduğu belirtilmesine rağmen, havadaki konsantrasyonuna bağlı olarak insanlar üzerinde bir takım fiziksel etkileri vardır. Havadaki CO2 derişimi hacimce %2-3 arasında iken solunumda hızlanma ve hafif bir baş ağrısı hissedilebilir. Acil Yaşam ve Sağlık Tehlikesi (IDLH) konsantrasyonu %4’te sabitlenmiş ve ölümcül konsantrasyonun %10 olduğu belirtilmiştir. Pratikte sınır konulan, havadaki %5 CO2 oranı gayet mantıklı bir değerdir [9]. Sonuç olarak bu sınır değere göre tasarımlar yapılmalı ve herhangi bir kaza veya bir sızıntı durumunda canlılara verilen zarar en aza indirilmelidir.

2.3. CO2 Termofiziksel Özellikleri

 Bir soğutma sistemi tasarlarken soğutucu akışkan özellikleri büyük önem arz etmektedir. CO2 özelliklerinin diğer geleneksel soğutucu akışkanlardan farklı olduğu bilinmektedir. Karşılaştırma yapıldığında CO2’in en dikkat çekici özelliği düşük kritik nokta sıcaklığı (31,06 °C) ve yüksek basıncıdır (73,8 bar). CO2'yi uygulamadaki diğer bir sınırlayıcı etken -56,6 °C ve buna karşılık gelen 5,1 bar basınçtaki yüksek üçlü noktasıdır. Ayrıca geleneksel akışkanlarla (CFC, HCFC, HFC, HC) karşılaştırıldığında buhar basıncı ve hacimsel ısı transferi kapasitesi (0°C’de 22545 kJ/m3 ) oldukça yüksektir.

CO2 faz diyagramından da görüleceği gibi iki fazın denge halinde bulunduğu üç durum vardır: Katı- Gaz, Katı-Sıvı, Sıvı-Gaz denge durumları. Atmosfer basıncı altında CO2 yalnızca katı veya gaz halde bulunabilir. Bu basınçta sıvı faz mümkün değildir. Bu sıcaklığın üzerinde CO2 süblimleşerek gaz fazına geçer. 5,2 bar ve -56,6°C CO2’in üç halinin dengede olduğu koşuldur. Bu şartlarda maddenin üç hali denge durumundadır. 31,1°C’de CO2 kritik noktaya ulaşır. Bu noktada sıvı ve gaz fazının yoğunlukları eşittir ve iki faz arasındaki farklılık ortadan kalkar. Bunun sonucunda yeni bir fazın ortaya çıkması söz konusudur. Maddenin bu fazına süper kritik faz denir. Şekil 1’de CO2 Faz Diyagramı, Şekil 2’de CO2 lnP – h Diyagramı verilmektedir.

3. CO2 TEMEL SOĞUTMA ÇEVRİMLERİ

CO2 soğutma sistemlerinde Subkritik ve Transkritik olmak üzere iki tip temel çevrim vardır. Subkritik olarak adlandırılan çevrimin tamamında basınç kritik noktanın altındadır. Transkritik çevrimde ise çevreye ısı geçişi kritik noktanın üzerinde gerçekleşir.

 3.1 Subkritik Çevrim

 3.1.1 Direkt Genleşmeli CO2 Subkritik Çevrim

Subkritik çevrim soğutma endüstrisinde en çok kullanılan sistemdir. Bütün sıcaklıklar ve basınçlar kritik noktanın altında, 3’lü noktanın üzerindedir. Tek kademeli CO2 subkritik çevrim oldukça basit bir sistemdir. Fakat kısıtlı sıcaklık aralığı ve yüksek basınçtan dolayı bazı dezavantajları bulunmaktadır. Düşük kondenzasyon sıcaklığından dolayı çevreye ısı geçişinin geçekleşmesi güçleşir. Çalışma basıncı 60 bar seviyelerindedir.

4. CO2 AKIŞKANLI SİSTEMLERİN DİĞER GAZLI SİSTEMLER İLE KARŞILAŞTIRILMASI VE SİSTEM VERİMLİLİĞİ

 Son yıllarda CO2 Transkritik Soğutma sistemlerinde yapılan çalışmalar, özellikle iklimin daha ılıman ve soğuk olduğu bölgelerde bu çevrimin daha kazançlı olduğu göstermektedir. Bu düşünceyi ön plana çıkaran sebep ise sistem EER değerinin dış ortam sıcaklığının düşük olduğu bölgelerde daha yüksek olmasıdır. İngiltere’ de TESCO ve Danimarka’ da FAKTA süpermarketleri CO2 Transkritik Soğutma uygulamalarında Kuzey Avrupa ülkelerinde başı çekmektedir. Yazın sıcak geçtiği dönemlerde bile bu ülkelerde CO2 Transkritik soğutma sistemlerinde harcanan enerjinin konvansiyonel sistemlerle karşılaştırıldığında yakın olduğu gözlemlenmiştir. Aşağıda ortalama yıllık sıcaklıklar baz alınarak Avrupa’ nın önemli şehirlerinde R404A tek kademeli sistem ile CO2 Transkritik çevrimin enerji tasarrufu karşılaştırmaları Avrupa coğrafik haritası üzerinde gösterilmektedir.

Avrupa Bölgesinde R744 (CO2) Transkritik Soğutma Sistem Verimliliğinin R404A gazına göre karşılaştırılması R744 soğutma sistemlerinin genel olarak orta ve düşük sıcaklıktaki ılıman ve soğuk iklim kuşaklarında daha verimli olduğu görülmüştür. Çok sıcak iklim koşullarına sahip bölgelerde kaskad sistemlerin kullanımı tavsiye edilmektedir.

Süpermarket derin dondurucu ve normal soğutmanın birlikte uygulandığı sistemlerde daha yüksek etkenlik katsayıları ve verimlilik artışı sağlayabilmek için çalışmalar devam etmektedir. Ayrıca sıcak iklim bölgelerinde evaporatif kondenser uygulamaları ile verimliliklerin artırılabilmesi çalışmalarının ilerleyen dönemlerde yoğunluk kazanacağı düşünülmektedir.

5. CO2 AKIŞKANLI SOĞUTMA SİSTEMLERİ TEMEL ELEMANLARI

5.1. CO2 Kompresörler

Günümüzde CO2 ile soğutma teknolojisinin ilerlemesiyle birlikte birçok firma piyasaya kompresör sürmüştür. Hem subkritik hem de transkritik uygulamalara yönelik rotorlu, hermetik, yarı-hermetik, sarmal, vidalı ve santrifüj tipte kompresörle bulunabilmektedir. Transkritik kompresörler uygulamaya yönelik olarak tek ve iki kademeli olarak seçilebilir. Bu kompresörler ayrıca ekonomizer ekipmanıyla da bulunabilmektedir.

 R744 soğutma sistemlerinde kullanılan kompresörlerin avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibidir;

Kompresörleri Avantaj ve Dezavantajları

 Avantajlar

· Düşük sıkıştırma oranı ve yüksek hacimsel verimlilik

· Düşük süpürme hacmi

Dezavantajları

· Çok düşük sıcaklıklardaki uygulamalarda basma hattı sıcaklığı çok fazla artmaktadır.

 · Çalışma basınları yüksek olduğundan dolayı dış kabuk ve diğer komponentlerde önemli bir takviye gerekmektedir.

Genleşme Valfleri Sistemde

 Gaz soğutucu çıkışında CO2 gazını evaporatöre sabit entalpide göndermek için mutlaka genleşme işlemi gerçekleştirilir. Bu işlemi gerçekleştiren vanalar aşağıdaki gibidir;

 · Kapilar Boru veya Orifis

· Otomatik Genleşme Valfi

· Termostatik Genleşme Valfi

· Elektronik Genleşme Valfi

5.4.1. CO2 Evaporatörler

Kanatlı borulu CO2 evaporatörleri hem subkritik hem de transkritik çevrimde kullanılabilirler. Tasarım için gerekli veriler temelde üç kısım altında ele alınmaktadır:

1. Hava tarafı tasarım verileri

2. CO2 tarafı tasarım verileri

3. Isı değiştiricisi tasarım verileri

5.4.1.1. Hava Tarafı Tasarım Verileri

1. Atmosfer basıncı: Havanın basınca bağlı fiziksel özelliklerinin belirlenebilmesi için atmosfer basıncı bilinmelidir. Burada atmosfer basıncı değeri yerine ‘Rakım’ değerleri de tanımlanabilir.

2. Hava debisi: İstenen kapasiteyi karşılayabilecek hava debisi bilinmelidir. Hava hızı veya kütlesel debi değerleri de tanımlanabilir.

3. Giriş sıcaklığı: Soğutucunun çalışacağı ortam havası giriş sıcaklığı bilinmelidir.

4. Bağıl Nem: Soğutucunun çalışacağı ortam havası bağıl nemi bilinmelidir. Bu kısımda bağıl nem yerine yaş termometre sıcaklığı da tanımlanabilir.

5.4.1.2. CO2 Tarafı Tasarım Verileri

1. Akışkan Debisi: Akışkan debisi biliniyor ise evaporatör çıkış şartları kolaylıkla hesaplanabilir. Bu durumda kızgınlık değeri debi miktarına göre belirlenir. Eğer bilinmiyorsa aşağıda tanımlanması istenen diğer veriler ile birlikte kızgınlık değerinin belirtilmesi gereklidir.

2. Evaporasyon sıcaklığı: Ürün ve soğutucu kullanım gereksinimlerine istinaden belirlenen ortam havası sıcaklığı ile buharlaşma sıcaklığı farkını karşılayacak evaporasyon sıcaklığı bilinmelidir.

3. Kuruluk Derecesi:

§ Transkritik R744 (CO2) Soğutma Çevriminde, Evaporatöre giren akışkanın özelliklerinin belirlenebilmesi için akışkanın kuruluk derecesi bilinmelidir. Bu değer çevrimde ısı atımı görevi yapan gaz soğutucunun çalışma basıncı ve çıkış sıcaklığına bağlıdır.

§ Subkritik R744 (CO2) Soğutma Çevriminde, sistemin tasarım Kondenzasyon sıcaklığı ile aşırı soğutma miktarı bilinmelidir.

4. Kızgınlık Derecesi: Evaporatör çıkış şartlarının bilinmesi için kızgınlık dercesi belirtilmelidir.

 5. Aşırı Soğutma Derecesi: Subkritik CO2 soğutma çevriminde tanımlanan kondenzasyon sıcaklığı ile genleşme vanası öncesi sıcaklık farkıdır.

5.4.1.3. Isı Değiştiricisi Tasarım Verileri

Kanatlı borulu ısı değiştiricisi tasarım verileri aşağıda verilmiştir.

§ Borular ve sıralar arası mesafe ile boru çapı ve dizilişlerini tanımlayan batarya geometrisi

§ Kanat dizili uzunluk

§ Boru sayısı

§ Sıra sayısı

§ Geçiş sayısı veya devre sayısı

§ Kanat hatvesi

§ Kanat malzemesi

§ Kanat kalınlığı

§ ­Olektör çapları (eğer biliniyorsa)

§ Distribütör boruları çapı ve boyutu

§ Boru malzemesi

§ Boru kalınlığı

Yukarıda üç ana başlık altında tanımlanan veriler, kanatlı borulu CO2 ısı değiştiricinin tasarlanmasına ve hesaplanmasına imkân sağlar.

SONUÇ

Yaşamın her alanında geçmişten geleceğe mutlak ihtiyaç olan soğutma sistemlerinde uzun zamandır yaygın olarak CFC ve HCFC soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Bu kimyasal gazlar sera etkisi yarattığından dolayı küresel ısınma probleminin artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle soğutucu akışkan olarak yeni alternatifler arayışına gidilmiştir. Bu noktada dikkatleri üzerine çeken doğal akışkanlarda CO2 uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır. R744 gazı için ozon tüketme faktörü sıfır ve küresel ısınma yaratma potansiyeli birdir. Çok ucuz olmasının yanı sıra temin edilmesi de kolaydır. En önemli özellikleri ise yüksek hacimsel soğutma kapasitesi ve ısı özelikleridir. Bu durum hem boru tesisatının emme ve basma hatlarında hem de kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerin boru çaplarında küçülmeye gidilmesini sağlar. Tüm bu önemli avantajların yanında kritik nokta sıcaklığı ve 73,8 bar yüksek kritik nokta basıncından dolayı diğer geleneksel soğutucu akışkanlara nazaran bir takım ek teknik gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır.

Kritik nokta basıncının diğer gazlara kıyasla çok yüksek olmasının özellikle güvenlik açısından problem yaratmaması için kullanılan sistem ekipmanlarının mekanik dayanımının artırılması gerekmektedir. Kritik nokta sıcaklığının düşük olması özellikle ılıman ve sıcak iklime sahip ülkelerde sistemi basma hattının kritik üstü sıcaklıkta çalışması konusunda zorlamaktadır. Bu durum kaskad sistem uygulamaları ve kritik üstü noktada gaz soğutucu uygulamalarında optimizasyon çalışmalarıyla giderilmektedir.

 Yukarıda yapılan çalışmalarda da görüldüğü üzere, tasarım şartlarına uygun olan sistem seçimi önem kazanmaktadır. Özellikle daha ılıman ve soğuk iklime sahip bölgelerde subkritik ve transkritik sistemler daha yüksek verimlilikte çalışmaktadır. Sıcak iklim bölgelerinde ise CO2 kaskad uygulamaları daha verimli olmaktadır.

Sistemin en önemli komponentlerinden olan evaporator ve gaz soğutucu tasarımları için gerekli yazılım geliştirme çalışmaları yürütülmüştür. Yazılım çalışmaları laboratuvarda gerçekleştirilen prototip testleri ile desteklenmiştir. Oluşturulan yazılım programından elde edilen sonuçlar ile deneysel verilerin uygunluğu görülmüştür. Sonuç olarak kanatlı borulu CO2 ısı değiştiricisi tasarımına olanak sağlayan yazılım programı elde edilmiştir.

www.bilkargroup.com

www.bilkarsogutma.com.tr

info@bilkargroup.com

+90 212 343 50 40

+90 553 343 50 40