Header

Alternatif soğutkanların sistem açısından incelenmesi

05 Mayıs 1997 Dergi: Mayıs-1997

Alternatif soğutucu akışkanların; fiziksel ve kimyasal özellikleri, mevcut sistemlere uyarlılık ve gerekli değişiklikler her yeni akışkan için büyük önem taşımaktadır.

Bu incelemede; yeni soğutkanlar hakkında termodinamik bilgi verilmekle beraber, özellikle sistem performansı açısından değerlendirmeleri yapılmıştır.

Giriş

Montreal Protokolünün sektöre en büyük etkisi R12'nin yasaklanması olacaktır. Alternatifi konumundaki R134a ise halen piyasada rahatlıkla   bulunmakta   olup,   ilgili testler yakın zamanda bitirilip piyasaya sunulmuştur. Diğer aday R152a için ilk uygulamalar iyi sonuç vermesine rağmen, fazla H atomuna sahip olması alevlenme riskini arttırdığından, ev uygulamalarında titiz davranılması gerekmektedir.

% 80'i ABD'de olmak üzere Dünya'da, toplam soğutma kapasitesi 200 milyon KW olan su soğutucuları bulunmaktadır. Bunların % 56'sında CFC kökenli soğutkanlar kullanılmakta olup, en büyük pay % 47 ile Rll'dedir. Rll yerine R123 uygun görülmektedir. 2020 yılında ABD'de CFC ve HCFC'Ierin yerine klor içermeyen HFC'lerin kullanılması planlandığından, geçiş döneminde propan esaslı 245ca öngörülmektedir. Pozitif basınçlı su soğutma grupları için ise R134a halen bir seçenektir.

R32/R125 karışımı ODP (Ozone Depletion Potentials) değeri sıfır olan bir soğutkandır. Kapasitesi R22'ye   göre   %   30-40   fazladır.

 Ancak COP'si % 10-15 daha düşüktür. Basınç değerleri ise daha yüksektir. R502'ye alternatif olarak düşünülen R143a'nın yüksek GWP'ye (Global NVarming Potentials) sahip olması kullanımını gelecekte sınırlandırabilecektir. R125/R143a karışımı üzerine çalışmalar devam etmektedir.

R134A'nın gündeme getirdiği değişiklikler

R134a'nın termodinamik özellikleri R12'ye oldukça benzerdir.

 

R12

R134a

Buharlaşma Sıcaklığı

(-25 -C)

bar

1.237

1.067

Yoğuşma Sıcaklığı

(55 °C)

bar

13.660

14.912

Entalpi (Çıkış)

(25 °C/32 °C)

KJ/kg

373.000

431.000

Entalpi (Giriş)

(55 °C)

KJ/kg

254.000

279.000

Entalpi Farkı

 

KJ/kg

119.000

152.000

 

Basınç-Entalpi diyagramları üzerinde inceleme yapıldığında, R134a'nın gizli buharlaşma ısısının R12'ninkinden daha fazla olduğu görülmektedir. Bu ise, aynı kapasite söz konusu olduğunda daha az debi gerekliliği demektir. R12 ve R134a için hazırlanmış örnek veriler yukarıdadır. (1) Aşağıdaki şekilde ise, R12 ve R134a'nın volumetrik kapasitelerinin birkaç noktada çakıştığı görülmektedir. Öyleyse, orta sıcaklık uygulamalarında R134a ile yüksek kapasitelere ulaşmak mümkün olacaktır. Düşük sıcaklık uygulamalarında ise kompresör kapasitesinde bazı değişiklikler gerekebilmekte-dir. (2)

Söz konusu değişiklikler

Şekil 2. Üç farklı kondenser sıcaklığında R12 ve R134a için kapasite-evaporatör sıcaklığı değişimi.

Halen çalışmakta olan sistem üzerinde yapılması gereken değişikliklerin sayısı ve çeşidi, sistemin tasarımına bağlıdır. Maliyetler söz konusu olduğundan, adaptasyonun amacı; mümkün olan en az değişiklikle optimum bir sistem performansı elde etmektedir. Kapasite,   kritik   bir   performans parametresidir. Sistemlerin çoğu maksimum yüklere göre tasarlandığından, böylesine sistemler için minimum kapasite kayıpları kaçınılmaz olabilir. Teorik olarak, sistemler için bu tür toleranslar geçerli değildir.

Kompresöre yağ dönüşü diğer önemli bir konudur. R134a için sentetik yağlar uygun olmaktadır, ancak değişim esnasında sistemde kalan az miktardaki mineral yağın ısıl denge üzerinde fazla bir etkisi yoktur.

R134a'nın mineral yağlardaki çözünürlüğü azdır. Bu ise, yağ ile soğutkan arasındaki yüzeysel gerilim artışına ve dolayısı ile vizko-zitenin artmasına sebep olur. Sonuç olarak yağ dolaşımı zayıflar. Evaporatörde buhar halindeki soğutkana nazaran vizkozitesi hayli yüksek olduğundan, iç yüzeylerde ince bir film tabakası oluşturarak ısı transferine ve kompresöre yağ dönüşüne engel teşkil eder. R12 sistemde kullanılan evaporatör ve kondenserlerde kapasite sorunu yok ise R134a ile kullanılabilirler. Ancak süpürme hacmi daha yüksek bir R134a kompresörü seçilirse kondenser kapasitesini büyütmek gerekecektir. Kılcal boru direnci R134a sistemlerde arttırılmalıdır. Bu nedenle boru boyu % 10-15 uzatılır. Sonuç olarak basınç dengelenme süresi artacaktır. Bunu karşılamak üzere termostat diferansiyeli değiştirilmelidir.

Optimum şarj R134a kullanımında %  10 azaltılır.

Filtre-kurutuculardaki nem tutucu madde   miktarı   %   20   daha   fazla olmalıdır. Çünkü R134a sistemlerde tavsiye edilen ester yağlar oldukça higroskopiktir. Serviste kullanılan halojen kaçak dedektörleri R134a için uygun değildir. Bu amaçla Helyum dedek-törler kullanılabilir. Düşük kompresör emme basıncında (LSP) çalışan R134a'lı sistemlerde soğutma kapasitesinde stroka bağlı olarak yaklaşık % 10-15 oranında düşme söz konusudur. Soğutma sisteminin tasarım özelliklerine bağlı olarak, bir RİMa kompresörünü aynı stroka -.^P> R12'li kompresörün yerine kullanmak mümkündür. Bununla beraber; LSP durumunda, aynı soğutma kapasitesini elde etmek üzere bir üst strok değerine sahip R134a kompresörü seçmek gerekebilir.

Şekil 3'de görüldüğü üzere R134a, yoğuşma sıcaklığı değişiminden etkilenmemiştir. Bununla beraber, yoğuşma basıncı R12'li sisteme nazaran daha yüksektir. Aynı buharlaşma basıncında ise, buharlaşma sıcaklığında artış görülmektedir. Öyleyse aynı buharlaşma sıcaklığına ulaşmak için kılcal boru akış direncini arttırmak üzere tekrar boyutlandırılma-Iıdır.Düşük basınçlı su soğutma grupları için seçenekler

Su soğutma grupları genel olarak Rll kullanılan düşük basınçlı ve R12'li yüksek basınçlı sistemler olarak sınıflandırılırlar. Düşük basınçlı ve doğrudan tahrikli santrifüj gruplarda Rll'den R123'e yö-nelinmiştir. Yüksek basınçlı sistemlerde ise eğilim R22 ve ya R 134a'ya doğrudur (4). Soğutkanlar genellikle teorik verimleriyle değerlendirilirler. Bu eksik bir düşünce tarzıdır, çünkü bir klima sisteminin verimliliği birçok faktöre   bağlıdır.   Bunlar,   kompresör verimi, ısı transfer katsayıları ve boru kayıpları olarak özetlenebilir. Bir başka çalışma göstermiştir ki, R22 su soğutma grupları, eşit ilk yatırım maliyeti söz konusu olduğunda R123 veya R134a'lı gruplardan daha yüksek toplam verime sahiptir.

R22, uzun vadedeki alternatifi konumundaki R32/R125 üzerindeki testler tamamlanana kadar halen güvenilir bir geçiş dönemi akışkanıdır. Yerine daha güvenilir bir soğutkan geliştirilene kadar güvenle kullanılabilecektir. (5)

Su soğutma gruplarında R22 alternatifleri

Alternatif konumundaki R32/R125 azeotropunun özelliği, kompresör emişindeki doyma sıcaklığında yükselme, basmasında ise düşmeye yol açmasıdır. Bu durumda kompresör düşük sıcaklık aralığında çalışacağından enerji sarfiyatı azalır.

Doyma sıcaklığındaki değişmeyi etkileyen faktörler; geliştirilmiş ısı transferi, düşük basınç kaybı ile verilen basınç düşümünde doyma sıcaklığındaki daha az bir değişmedir. (6)

Tüm bu aday soğutkanların su soğutma gruplarında başarıyla kullanılabilmeleri için iki temel nokta üzerinde durulmalıdır:

1.Kapasite ve basınçlardaki değişimleri karşılamak üzere gerekli tasarım değişikliklerinin yapılması.

2.Azeotroplarda karışımın özellik değişimi ve ayrışması problemi. (R32/R125/R134a karışımı). Karışımın özelliği, eşanjörlerde soğutkan kaçağı varsa veya soğutma grubu durduğunda değişebilir. Bu durum kapasite ve genleşme valfi üzerinde değişikliğe yol açacak, servis işlemini aksatacaktır. Termostatik genleşme valfinin çalışması sabit bir doyma basıncı/sıcaklığı ilişkisine bağlı olduğundan, özellik değişimi valfin kızgınlık   değerini   arttırıp   azaltabilecektir.

Sonuç olarak, soğutkanlardan R32/R125/R134a karışımı R22'ye uygun kapasite özellikleri göstermektedir. Diğer aday R134a ise cihaz boyutlarında arttırımı öngörmektedir. En iyi alternatif konumdaki R32/R125 azeotropu, optimi-zasyona gitmeden sistem veriminde % 8-10 artış sağlamıştır. Servis teknikleri konusunda ise değişim söz konusu değildir. (6)

Pozitif basınçlı su soğutma gruplarında R134a ya dönüşüm maliyeti

Pozitif basınçlı sistemler yoğunluğu ve verimi fazla soğutkanlar kullanıldığından daha küçük kompresör ve eşanjöre ihtiyaç gösterirler. Bu nedenle genel boyutlar negatif basınçlı sistemlere nazaran 1/3 oranında daha küçüktür.

R12 veya R500 ile çalışan pozitif basınçlı bir sistemin R134a'ya dönüşüm maliyeti, yeni bir su soğutma grubu fiyatının yaklaşık % 25'ine eşittir. Bu maliyete: yeni soğutkan, sistemi mineral yağdan temizlemek için gereken servis zamanı ve sentetik yağ dahildir. Bu tür bir çevrim R12 için % 8-10 kapasite ve % 1-2 verim kaybı demektir. R500 sistem için ise kapasite kaybı olmamakla beraber verim kaybı yaklaşık % 0.5'tir. (7)

R11 için alternatif: R245ca

Yapılan tüm ön testler R245ca'nın Rll ve R123 yerme iyi bir alternatif olduğunu göstermiştir. Bir bilgisayar modellemesi sonucu performansının kabul edilebilir sınırlar içinde olduğu, ancak enerji verimliliğinin Rll'e nazaran % 3-4 daha düşük olduğu görülmüştür. Polyester esaslı yağlarla mükemmel bir karışabilir-lik sağlamıştır. 2600 ppm üstü nem içeren R245ca'nın bu mükemmelliğinde azalma gözlenmiştir. tutuşma testleri sonucu neme aşırı duyarlılık saptanmıştır. Kuru R245ca/hava karışımında 30 °C-50 °C sıcaklık aralığında tutuşma görülmemektedir. Bununla beraber. % 43 RH hava ile % 7-14.4'lük konsantrasyona sahip R245ca karışımının tutuşma potansiyeli oldukça yüksek görülmüştür. (8)

Pratik çözümler ve sonuç

Pozitif deplasmanlı kompresör ve direkt genleşme!i evaporatöre sahip nispeten küçük paket cihazlarda R22 kullanımında sakınca görülmemektedir.

R134a'ya uygun ekipmana sahip sulu tip (flooded type) evapora-törlü su soğutma gruplarında alternatif olarak R22 kullanımı pek ekonomik değildir. R12 ve R500MÜ su soğutma grupları kolaylıkla R134a'ya adapte edilebilmektedirler. Yapılacak şeyler; grubun performansını optimize etmek üzere dişli takımını değiştirmek, uygun yağ seçmek, sistemi vakum ve yeniden şarj etmekten ibarettir. Yeni geliştirilen sentetik ester bazlı yağlar, değişim sonrası sistemde birikmiş klor artıklarıyla olumsuz reaksiyona girmediğinden sistemin toplam temizlik maliyetini de azaltmaktadır. (9)

Diğer önemli bir konu ise soğutkan kaçaklarıdır. (10) Negatif basınçlı su soğutuculanndaki kaçaklar birtakım ilave tedbirlerle ortadan kaldırılabilir.

-Durgun haldeki cihaza olan hava kaçağını minimuma indirmek üzere kontrollü ısıtma/basınçlan-dırma sistemleri.

-Sistemin havasının alınması (purge) esnasında soğutkan kaçağının azaltılması amacıyla yüksek verimli elemanlar kullanılması. Böylece her işlemde ortalama 1.4-5 kg soğutkan tasarruf edilebilir.

-Servis işleminde soğutkanın tekrar kullanımına özen gösterilmesi.

-Yağ değişim ihtiyacını azaltmak üzere, yağ örnekleme ve analiz sisteminin kurulması.

-Hassas soğutkan dedektörlerinin monte edilmesi.

CFC Soğutkan sıkıntısı, hazırlıksız su soğutma grubu sahipleri için tatsız bir sürpriz olacaktır. Bununla beraber, sorumlu mühendislerin değişim çalışmalarını şimdiden programlarına almaları sürprizin etkisini azaltabilecektir. Üreticilerin bu konudaki çalışmalara önderlik etmesi ve düşük maliyetli değişim faaliyetlerine girişmesinin yerinde olacağı kaanatindeyiz. Halen CFC soğutkan kullanan bir su soğutma grubuna yatırım yapmanın da kötü bir karar olduğunu düşünüyoruz.

 

Kaynaklar

 

1.Anon, Compressor

Manufacturer Experiences with

R134a Applications, The  1992

Int. CFC and Halon Alternatives

Conference Proceedings,

p.  153-155.

2.S.Corr, T.W. Teklava, A.L. Savage, Retrofitting Large Refrigeration Systems with R134a, ASHRAE Journal, Feb. 1993, p.29-33.

3.Embraco Eng. Man., Using R134a in Hermetic LSP Refrigeration Systems.

4.E.L. Smithart, J.G. Crawford, R123: A Balanced Selection for Low Pressure Systems, ASHRAE Journal, May  1993, p.66-69.

5.S. Massien, R.Demke; Current and Future Refrigerants for Chillers, ASHRAE Journal, May 1993, p.62-63

6.W.Spatz, Alternative Refrigerants for R22 Chillers, ASHRAE Journal. May  1993, p.50-52.

7.J.R.Parsnovv, The Long-Term Alternative: R134a in Positive Pressure Chillers, ASHRAE Journal, May  1993, p.54-56.

 8.N.D.Smith, K.Ratanaphruks, MAV.Tufts, A.S.Ng. R245ca:  A Potential Far-Term Alternative for Rll. ASHRAE Journal, Feb. 1993, p.19-23

9.C. Madan, R134a: The Best Alternative for Chillers, ASHRAE Journal, May  1993. p.58-60.

10.W.E.Dietricfı, A  Positive Outlook for The Future. ASHRAE Journal. May  1993. p.64-65.

(*) Burkay Alnıpak, İTÜ Metalürji Bölümü'nden I972'de mezun olduktan sonra aynı bölümde ül^B lisans yaptı. 1981 yılında Yıldız Üniversitesi Fen Bilimleri enstitüsü'nde doktora çalışmalarını tamamladı. 1973-74 yılları arasında Ergani Bakır İşletmeleri'nde ve 1974-78 döneminde de Yıldız Üniversitesi Kocaeli Mühendislik Fakültesi'nde asistan olarak görev yaptı. Doç .Dr. Burkay Alnıpak 1989'dan beri İ.Ü. Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu İklimlendirme-Soğutma Program Başkanlığı görevini sürdürmektedir.

(*) Uğur Sinanoğlu, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü'nden 1973 yılında mezun olduktan sonra, master ve doktara öğrenimini Yıldız Teknik Ünivc'i-tesi'nde tamamladı. Halen Ko Üniversitesi Mühendislik Fakültesi"' Makina Mühendisliği Termodinamik Ana Bilim Dalı'nda Y.Doç.Dr. olarak çalışmakta ve aynı Üniversi-te'nin Teknik Eğitim Fakültesi Dekan Yardımcılığı görevini yürütmektedir.

(*) Kadir İsa, Haydarpaşa Teknik Lisesi Makina ve Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makina Eğitimi Bölümlerinden mezun oldu. Dünya Bankası/YÖK Projesi çerçevesinde İngiltere ve ABD'de İklimlendirme-Soğutma Teknolojisi alanında dokuz ay süreli eğitim gördü. 1993 yılından beri İ.Ü. Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu İklimlendirme-Soğutma Programı'nda öğretim görevlisi olarak çalışmaktadır.

 

Burkay ALNIPAK(*), Uğur SİNANOĞLU(*), Kadir İSA(*)

Uzman Klima San. Ltd. Şti.


Etiketler