SoğutmaSoğutma Sistemleri

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Isının bir ortamdan çekilerek ortamın ısısının düşürülmesine soğutma deniyor. Temel soğutma çevrimi olan buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ise hemen hemen tüm soğutma cihazlarında bulunuyor. Soğutma makinesi, ısı pompası, klima, buzdolabı gibi soğutma sistemlerinde buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi kullanılıyor.

Buhar sıkıştırmalı soğutma işlemi ilk olarak 1834 yılında ortaya çıkmıştır. Bu tarihte Jakop Perkins’in eter gibi uçucu maddeleri kullanarak bir buz makinesi yapması ve bu makinenin patentini alması ile ilk buhar sıkıştırmalı soğutma makinesi ortaya çıkmıştır.

1850 yılında ise etileter’in soğutucu akışkan olarak kullandığı ve ticari olarak buz makinesi üretip satışa koyduğu ilk bu ticari buhar sıkıştırmalı soğutma makinesi (buz makinesi) tarihe geçmiştir. Bu tarihte buz üretimi, meşrubat soğutması gibi işlemler için üretilen soğutma makineleri herhangi bir otokontrol’e tabi olmamakla birlikte boyut olarak küçüktü.

1890’lı yıllarda ise soğutma makinelerine otokontrol gelmiş ve cihazlar daha da küçülerek evlere, kasaplara, marketlere girmiştir.

Jakop Perkins’in buz makinesi

İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

Soğutma makinelerinin genel çevrimi buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Bu çevrimde soğutulmak istenen alandaki sıcaklık alınarak sıcaklığının düşürülmesi esastır. Bu işlem düşük buharlaşma sıcaklığına sahip soğutucu akışkanlarla yapılır. Bununla ilgili daha ayrıntılı bilgi için “Soğutma Makinesi Nedir ?” adlı yazımızı okumanızı tavsiye ediyoruz.

Soğutma Çevrimi Şeması

İdeal soğutma çevrimi, yoğuşturucu, buharlaştırıcı, kısılma vanası ve kompresör olmak üzere 4 temel bileşenden oluşmaktadır. Sistemde ise bir soğutucu akışkan kullanılmaktadır. Çevrim temelde 4 hal değişiminden meydana gelir:

  • 1-2: Kompresörde izantropik sıkıştırma
  • 2-3: Yoğunlaştırıcıdan akışkanın ısısının çevreye aktarılması
  • 3-4: Genleşme valfinde kısılmanın meydana gelmesi
  • 4-1: Buharlaştırıcıda sabit basınç altında ısı alınması

Soğutucu akışkan 1 kısmında kompresöre tamamen buhar halde yani doymuş buhar olarak girer ve izantropik (sabit entropi) olarak yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Bu sıkıştırma akışkanın sıcaklığı dış çevre sıcaklığının üstüne çıkar. Kızgın buhar halindeki bu akışkan yoğuşturucuya girerek tamamen sıvı faza dönüştürülür. Akışkanın sıcaklığı bu işlemin sonunda da hala çevre ortamın sıcaklığından yüksektir.

Kısılma vanasına giren soğutucu akışkan burada buharlaştırıcı basıncına sıkıştırılır ve sıcaklığı da soğutulan ortamdan düşük hale gelir ve doymuş sıvı fazına dönüşür. Böylelikle termodinamiğin 2. yasası gereği buharlaştırıcı da soğutulan ortamın ısısı akışkana geçerek soğutma işlemi yapılmış olur. Tümüyle buharlaşan soğutucu akışkan tekrar kompresöre girerek çevrimi tamamlar.

Soğutma çevrimi hemen hemen aynısını ev tipi bir buzdolabında gözlemleyebilirsiniz. Dolabın arka kısmında gördüğünüz borular sistemin yoğuşturucusu, dolabın iç tarafındaki borularda sistemin buharlaştırıcısıdır. Buzdolabının arkasındaki boruların da sıcak olma sebebi budur.

Soğutma Çevriminin T-s (Sıcaklık-Entropi) Grafiği

T-s yani sıcaklık entropi grafiğinin altında kalan alanın ısı aktarımını belirttiğini daha önce tersinir hal değişimleri yazımızda ele almıştık. Yani 4-1 hal değişiminin altında kalan alan bize soğutulan ortamdan çekilen ısıyı, 2-3 hal değişimi altında kalan alan da yoğuşturucudan atılan ısı miktarını verir.

Soğutma çevrimi sıcaklık-entropi grafiği
  • 1-2: İzantropik (sabit entropi) sıkıştırma işleminden dolayı sıcaklık artar entropi sabit kalır.
  • 2-3: Akışkan ısısını çevre ortama aktardığından entropi ve sıcaklık düşüşü meydana gelir.
  • 3-4: Soğuyan akışkanın kısılma vanası ile sıcaklığı ve entropisi düşer.
  • 4-1: Soğutulan ortamın ısısını alıp buharlaşan akışkanın sıcaklığı sabit kalıp entropisi artmıştır.

Soğutma Çevrimi P-h (Basınç-Entalpi) Grafiği

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin incelenmesinde kullanılan bir diğer diyagramda P-h yani basınç-entalpi diyagramıdır. Bahsettiğimiz 4 hal değişiminin çevrim içerisindeki durumunu aşağıdaki diyagram ile görebilirsiniz.

Soğutma çevrimi basınç-entalpi grafiği
  • 1-2: Sıkıştırma işleminden dolayı basınç ve entalpi artışı
  • 2-3: Akışkan ısısını çevre ortama aktardığından basıncı sabit kalıp entalpisi azalmıştır.
  • 3-4: Soğuyan akışkanın kısılma vanası ile entalpisi sabit kalıp basıncı düşmüştür.
  • 4-1: Soğutulan ortamın ısısını alıp buharlaşan akışkanın basıncı sabit kalıp entalpisi artmıştır.

Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi ile Çalışan Isı Pompası veya Soğutma Makinesinin Etkinlik Katsayısı

Bu konuyu “Soğutma Makinesi Nedir ?” yazılarında ayrıntılı olarak ele almıştık. Bu yazıları da mutlaka okumalısınız. Isı pompası ve soğutma makinelerinin etkinlik katsayıları da aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

COPSM = qL /wnet,g = h1-h/ h2-h1

COPIM  = qH /wnet,g = h2-h/ h2-h1

  • COPSM  : Soğutma makinesi etkinlik katsayısı
  • qH : Çevreye olan ısı geçişi
  • qL : Soğutulan ortamdan ısı geçişi
  • h : Soğutucu akışkanın hal değişimine göre entalpi değerleri
  • COPIM  :  Isı pompası etkinlik katsayısı
  • wnet,g : Sistemde harcanan kompresör işi

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi insanlığa katkı sağlayan buzdolabı,klima, endüstriyel soğutma ve soğuk hava depoları gibi birçok sitemin ve makinenin üretilmesini ve verimlerinin arttırılmasını sağlamıştır. Günümüzde hala soğutma çevrimi kullanılarak bu makinelerin veriminin arttırılmasıyla ilgili birçok çalışma yapılmaktadır.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir