Balık Şok Odası Tasarımı-2

05 Temmuz 2004 Dergi: Temmuz-2004
5. SOĞUTMA EKİPMANLARININ VE UYGUN SOĞUTUCU AKIŞKANIN SEÇİMİ


5.1. Evaporatör

Bir soğutma sisteminde evaporatör, soğutucu akışkanın buharlaştığı ve bu sırada bulunduğu ortamdan ısıyı aldığı cihazdır. Diğer bir ifadeyle evaporatör bir soğutucudur. Kondenserden direkt olarak veya soğutucu akışkan deposundan geçerek ve direkt ekspansiyonlu sistemde (kuru tip) ekspansiyon valfi, kılcal boru veya benzer bir basınç düşürücü elemanda adyabatik olarak genişledikten sonra, evaporatöre sıvı-buhar karışımı şeklinde giren soğutucu akışkanın büyük bir kısmı sıvı haldedir. Evaporatörde ısı alarak buharlaşan soğutucu akışkana, emiş tarafına geçmeden önce bir miktar daha ısı verilmesi ve 3-8 ûC arasında kızgınlık verilerek kızgın buhar durumuna gelmesinin birçok faydaları vardır. Bunların en başta, kompresöre büyük zarar verebilen sıvı soğutucu akışkanın kompresöre gelmesi gösterilebilir. Sıvı taşmalı tip evaporatörlerde ise, soğutucu akışkan evaporatörde sıvı halde bulunur ve ısıyı alarak buharlaşan kısmı bir sıvı-buhar ayrıştırıcısından geçtikten ve sıvı kısmı ayrıldıktan sonra buhar halinde kompresöre ulaşır. Sıvı soğutucu akışkanın evaporatöre beslenmesi seviye kumandalı (flatörlü, manyetik vs.) bir vana ile yapılır. Sıvı ayrıştırıcı tankta biriken sıvı soğutucu akışkan, tekrar evaporatöre geri gönderilir ve soğutma işleminde yararlanılır. Direkt veya sıvı taşmalı tertiplerde çalışan evaporatörlerin hepsinde de soğutucu akışkan basıncı, kondenser tarafındaki basınca oranla çok daha düşüktür. Bu nedenle, evaporatör tarafına sistemin alçak basınç tarafı adı verilir.

Evaporatörün yapısı; soğutucu akışkanın iyi ve çabuk buharlaşmasını sağlayacak, soğutulan maddenin (hava su, salamura, vs) ısısını iyi bir ısı geçişi sağlayarak, yüksek bir verimle alacak ve soğutucu akışkanın giriş ve çıkıştaki basınç farkını (kayıpları) asgari sevyede tutacak tarzda dizayn edilmelidir. Ancak, bunlardan sonuncusu ilk ikisiyle genellikle ters düşmektedir. Şöyle ki; iyi bir ısı geçişi ve iyi bir buharlaşma için gerekli şartlar iç ve dış yüzeylerin daha girintili ve daha kolay ıslanır (kılcallığı fazla) olmasını gerektirirken bu durum basınç kayıplarını arttırmaktadır. Bu nedenle, evaporatör dizaynı geniş tecrübe ve dikkat isteyen, ayrıca deneylere sık sık başvurulan bir çalışma şeklini gerektirir. Bu çalışmaların yönlendirilmesinde en başta gelen etken soğutulacak maddenin cinsi ve fazıdır (sıvı, katı, gaz). Ayrıca, soğutucu akışkan ısı alışverişi yaparken içinde bulunduğu ve hareket ettiği hacmin durumu da evaporatör dizaynında önemli değişiklikler meydana getirir. Burada soğutucu akışkanın bir boru serpantinin içerisinde hareket etmesi ve soğutulacak maddenin boruların dışından geçmesi veya bunun tersi söz konusu olmaktadır ki, bunlardan ilki genellikle kuru tip-direkt ekspansiyonlu evaporatörlerde, ikincisi ise sıvı taşmalı tip evaporatörlerde uygulanmaktadır. Soğutucu akışkanın boru içinden geçmesi halinde, akış hızının arttırılmasının içteki film katsayısını ve dolayısıyla ısı geçişini arttırıcı yönde bir etkisi beklenir, fakat bu durum soğutucu akışkanın basınç kayıplarını arttıracağı için akış debisini azaltacak ve kapasiteyi düşürecektir. Burada, her iki etkenin durumu, beraberce göz önünde bulundurulup ısıl geçiş ve kapasitenin optimum olduğu değerler saptanmalıdır [1] .

5.2. Evaporatör Seçimi

Evaporatör seçiminde kullanmak üzere ısı yükü hesabında saatlik ısı kazancı

q = 82240 kJ/sa = 19674 kcal/sa bulunmuştu.

q = 82240 x 1000 / 3600 = 22844 W evaporatör için hesaplanan kapasitedir.

Evaporatör seçimi için gerekli hesap Tablo 5.1. yardımı ile yapılmıştır.

Nominal kapasite = Hesaplanan Kapasite x Dönüşüm faktörü

T = 8 K , Te = -40 ûC => h= 1.31

qev= 22844 x 1.31 = 29926 W

Şekil 5. 1’deki kapasite tablosu göz önüne alınarak 35358 W kapasiteli FSL 63.42 tipi evaporatör seçilmiştir. Evaporatör oda içinde uzun kenarlardan birine dayalı olarak yer alacaktır.

Seçilen evaporatör boyutları Şekil 5.2’de gösterilmektedir. Evaporatörlerin herbiri, 1.9kW gücünde ve 4 fanlıdır.

5.3. Kompresör

Soğutma kompresörünün, sistemde iki ana görevi vardır:

 Buharlaştırıcının çektiği ısı ile yüklü soğutucu akışkanı, buradan uzaklaştırarak akışın sürekliliğini sağlamak. 

Buhar haldeki soğutucu akışkanın basıncını kondenserdeki yoğuşma sıcaklığına karşı gelen seviyeye çıkarmaktır.

İdeal bir kompresörde şu genel ve kontrol karakteristikleri aranır:

a) Sürekli bir kapasite kontrolü ve geniş bir yük değişimi- çalışma rejimine uyabilme.

b) İlk kalkışta dönme momentinin mümkün oldugunca az olması.

c) Verimlerin kısmi yüklerde de düşmemesi.

d) Değişik çalışma şartlarında emniyet ve güvenilirliği muhafaza etmesi.

e) Titreşim ve gürültü seviyelerinin kısmi ve tam yüklerde ve değişik şartlarda belirli seviyenin üstüne çıkmaması.

f) Ömrünün uzun olması ve arızasız çalışması.

g) Daha az bir güç harcayarak birim soğutma değerini sağlayabilmesi.

h) Maliyetinin mümkün olduğu kadar düşük olması.

Fakat; bu karakteristiklerin tümüne birden sahip olan bir kompresör yoktur denilebilir. Uygulamadaki şartlara göre yukarıdaki karakteristiklerden en fazlasını sağlayabilen kompresör seçimde tercih edilir [1].

5.4. Kompresör Seçimi

Proje için, Bock Compressors Katalogu göz önüne alınarak, HGZ serisi kompresörler için değişik soğutucu akışkanlar denenmiş, gerekli kapasiteyi istenen yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıklarında sağlayan kompresör R404A akışkanı ile kullanılan HGZX7/2110-4 olmuştur. R404A kullanılarak 45 ûC kondens sıcaklığı ve -40 ûC buharlaştırma girişi sıcaklığı için 31.45 kW lık soğutma kapasitesine sahip olan bu kompresör seçilmiştir [4].

5.5. Kondenser

Soğutma sisteminde, soğutucu akışkanın evaporatörden aldığı ısı ile kompresördeki sıkıştırma işlemi sırasında ilave olunan ısının sistemden alınması kondenserde yapılır. Böylece; soğutucu akışkan sıvı hale gelerek basınçlandırılır ve tekrar genleştirilerek evaporatörden ısı alacak duruma getirilir. Buhar ve gazların bir yüzeyde yoğuşması, yüzeyin özelliklerine bağlı olarak, ‘Damla veya film oluşumu’ şeklindedir. Damla oluşumu ile yoğuşma (Dropwise condensation) durumunda, çok yüksek (film oluşumundan 4-8 defa daha fazla) ısı taşınım katsayısı sağlanabilmekte ve bu tercih edilmekte ise de, uygulamada soğutucu akışkan özellikleri ve kondenser imalatının ekonomik faktörlerle sınırlanmaları nedeniyle, ancak film tarzı yoğuşma ve az ölçüde de damla teşekkülü ile yoğuşma birlikte olmaktadır.

Kondenserdeki ısı alış verişinin 3 safhada oluştuğu düşünülebilir:

 Kızgınlığın alınması. 

Soğutucu akışkanın yoğuşması. 

Aşırı soğutma.

Kondenser tasarımına bağlı olarak, aşırı soğutma kondenser alanının %0-10’unu kullanacaktır. Kızgınlığın alınması için ise, kondenser alanının %5’ini bu işleme tahsis etmek gerekir. Bu üç değişik ısı transferi şekline bağlı olarak, kondenserdeki ısı geçiş katsayıları ile sıcaklık aralıkları da farklı olacaktır. Ancak; kızgınlığın alınması safhasındaki ortalama sıcaklık aralığının fazlalığına karşın, daha düşük bir ısı geçiş katsayısı mevcut olacak, fakat aşırı soğutma sırasında bunun aksine sıcaklık aralığı daha az ve ısı geçiş katsayısı daha fazla olacaktır. Yoğuşma sırasında ise her iki değer de, alt-üst seviyelerinin arasında bulunucaktır. Yapılan deneylerde ısı transferi katsayısının artmasının karşısında, sıcaklık farkının azalması (veya tersi) yaklaşık olarak aynı çarpım sonucunu vermektedir ve bu değerlerin ortalamasını kullanmak mümkün olmaktadır. Hesaplamada sağladığı basitlik de göz önüne bulundurularak kondenserlerin hesabında tek bir ısı geçiş katsayısı ile tek bir ortalama sıcaklık aralığı değerleri uygulanmaktadır.

Genel olarak 3 değişik tip kondenser mevcuttur:

 Su soğutmalı kondenserler.

 Hava ile soğutmalı kondenserler. 

Evaporatif (Hava-Su) kondenserler.

Uygulamada, bunlardan hangisinin kullanılacağı daha ziyade ekonomik yönden yapılacak bir analiz ile tespit edilecektir. Bu analizde kuruluş ve işletme masrafları beraberce etüt edilmelidir. Diğer yandan, su soğutmalı ve evaporatif kondenserlerde yoğuşma sıcaklığının daha düşük seviyelerde olacağı ve dolayısıyla soğutma çevrimi termodinamik veriminin daha yüksek olacağı muhakkaktır. Bu nedenle yapılacak analizde bu hususun dikkate alınması gerekir [1].

5.6. Kondenser Seçimi

Kondenser seçimi için gerekli hesap aşağıdaki formül yardımı ile yapılmıştır.

qnk = q x f1 x f2 x f3 x f4 x f5

Burada:

qnk; nominal kondenser kapasitesi, q ; kompresörün soğutma kapasitesi; f1 , f2 , f3 , f4 , f5 ; ise faktörlerdir. Bu faktörler, Tablo 5.2-5.6’da verilmiştir.

T = 45 Ğ 33 = 12 ûC

f2 = 1.22

qnk = 31.45 x 1.53 x 1.22 x 1.03 x 1.01 x 1 = 61.07 kW

4 fanlı bir kondenser için, kataloglardan bu kapasiteye uygun ‘FUH DK 50 14 A1 2,5’ tipi kondenser seçilmiştir. Bu kondenserin özellikleri Tablo 5.7’de verilmiştir.

FUH DK 50 14 A1 2,5 anlamı şudur:

FUH=> Friterm Universal Hava Soğutmalı

DK=> Dikey Kondenser

50=> Fan Çapı (cm)

1=> Fan Sıra Sayısı

4=> Sıradaki Fan Sayısı

A serisi, 1 tipi ve 2.1mm hatvelidir.

Kondenser ünitesi evaporatörün yeraldığı duvarın dış kısmında, oda dışında yer alacaktır. Aksiyal fanlı dikey tip, tek sıra 4 fan içermektedir. Kasetleme özelliği sayesinde kendini taşıyıcı bir konstrüksiyona sahiptir ve monte edileceği zeminde ilave bir konstrüksiyona ihtiyaç yoktur. Galvanizli çelik levha ile kaplanmış ve kaplama sacları üzerine bir UV ve korozyon koruması sağlayan epoksi polyester esaslı elektrostatik toz boya uygulaması yapılmıştır [3].

5.7. Genleşme Valfi Seçimi

Genleşme valfi seçimi için gerekli kapasite hesabı şu formül yardımıyla hesaplanır.

qgv = qo x Kt x KP

Burada:

qgv => Nominal Genleşme Valfi Kapasitesi

qo => Gerekli Soğutma Kapasitesi

Kt => Buharlaşma ve soğutucu akışkan için düzeltme faktörü

KP => Valfteki basınç kaybı için düzeltme faktörü

Kt = 2.13

P = P45 ûC Ğ P-40 ûC = 20.50 Ğ 1.32 = 19.18 bar

KP = 0.69’dır.

Basınç kaybı düzeltme faktörleri Tablo 5.8’de verilmiştir.

6. SİMÜLASYON ANALİZLERİ

6.1. Giriş

Bu bölümde, tepsi arabasının konumuna göre akış, sıcaklık dağılımı ve hız analizleri yapılmıştır. Önceki hesaplamalarda belirlenmiş olan fiziksel değerler FLUENT¨ programına aktarılarak en uygun sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. FLUENT¨ programındaki analiz, odanın konstrüktif yapısını başka bir programda tasarlamaya ve daha sonra bu tasarımı FLUENT¨ programı ile analiz etmeye dayanır. Projede, bu yapı, GAMBIT¨ programı ile tasarlanmış ve yine bu programda akışın hangi bölgede olacağı belirlenmiştir. Yine aynı program ile sınır şartlarının(akışkan girişi, akışkan çıkışı vs.) hangi bölgelerde geçerli olacağı belirlenmiştir. Daha sonra, ihtiyaç duyulursa bu bölgelere ait sınır şartları tipleri FLUENT¨ programı içersinde değiştirilebilmektedir. Fakat sınır şartlarına ait fiziksel değerler (hız, sıcaklık, basınç vs.) FLUENT¨ programı içersinde tanımlanabilmektedir ve değiştirilebilmektedir. Tüm sınır şartları ve fiziksel değerler tanımlandıktan sonra çözümleme tipi(standart, second order vs.) seçilerek iterasyona geçilir. İterasyon sonucu grafikler yakınsıyorsa verilen değerler, seçilen konstüriktif yapı ve belirlenen çözümleme yöntemi sağlanmış olmaktadır. Eğer ıraksama söz konusu ise yeniden çözümün başına dönmek, çözümleme tipini değiştirmek veya konstüriktif yapıda değişikliklere gitmek gerekmektedir. Daha sonra aynı işlemler tekrarlanarak iterasyona yeniden başlanır. Projede yapılmış olan farklı konstüriktif yapılar ve farklı çözümleme yöntemleri içeren analizler sonucu en uygun yapı seçilmiştir. Bu seçim sırasında en düzenli sıcaklık dağılımı ve en üniform akış aranmıştır. Aşağıda, yapılmış olan analizler içinden en uygun olan üç tanesine ait grafikler, sıcaklık ve hız dağılımı tabloları verilmiş ve bunlar yorumlanmıştır. Bu üç denemede tepsi arabasının konumu değiştirilmiş ve en uygun konum belirlenmiştir.

6.2. Analiz #1

Bu analiz tepsi arabalarının evaporatör çıkışına en yakın olduğu analizdir. Amaç tepsi arabalarını evaporatör çekişinin alt kısmında kalan ölü bölgeye sokmadan yaklaştırmak ve alt tepsileri verimli bir şekilde soğutmaktır. Bu amaçla tepsi arabaları evaporatör çıkışından 275mm. Uzaklığa yerleştirilmiştir. Perdenin üzerinden dönen ve odanın alt kısımlarına yönelen soğuk hava evaporatör çıkışına doğru yeniden hızlanmakta ve buradaki tepsileri daha verimli soğutmaktadır. Yapılan analiz sonucunda grafiklerin yakınsadığı gözlemlenmiş seçilen yapının doğru olduğu kanıtlanmıştır.

Fakat tepsiler üzerindeki sıcaklık dağılımına bakıldığı zaman tüm tepsilerde uniform bir dağılım elde edilmediği gözlemlenmiştir.

Şeki 6.1’de görüldüğü gibi, en üstteki tepsinin arka kısmında hava geçişi çok az miktarda olmaktadır ve buradaki soğutma işlemi istenen düzeyde gerçekleşmemektedir.

Fakat bu noktadaki hataya rağmen diğer tepsilerde ve özellikle alt tepsilerde çok verimli ve üniform bir soğutma elde edilmiştir.

Şekil 6.2 ve 6.3 sıcaklık ve hız grafikleridir. Çizgiler hızları, renkler sıcaklığı temsil etmektedir. Görüldüğü gibi tepsi arabasının önündeki geniş alanda oldukça büyük çapta bir türbülans oluşmuş ve bu türbülans tepsi arabasının üst tepsilerinin verimli bir şekilde soğutulmasını engellemiştir. Fakat alt tepsiler havanın en iyi etki ettiği tepsilerdir. Hava bu tepsilere direkt olarak etki etmektedir.

Sonuç olarak alt tepsilerin soğutma verimi artırılmış olsa bile, üst tepsilerde oluşan düzensizlik ve oda içinde oluşan geniş çaplı türbülans bu yapının yeterli olmadığını göstermektedir.

6.3. Analiz #2

Bu analizde tepsi arabaları perdenin bitiş noktasından ve evaporatörün çıkış noktasından eşit uzaklığa yerleştirilerek hem üst bölgede hem de alt bölgede uygun bir sıcaklık dağılımı yaratılmaya çalışılmıştır. Bu şekilde odanın diğer kısmındaki geniş boşluk da azaltılarak daha önce burada oluşmuş olan türbülans engellenmeye veya azaltılmaya çalışılmıştır. Bu sefer tepsiler evaporatör çıkışından 555mm. uzağa yerleştirilmiştir. Analiz sonuçları yakınsamıştır ve yakınsama en hızlı şekilde gerçekleşmiştir. Seçilen konstüriktif yapının uygunluğu sağlanmıştır (Şekil 6.4).

Sıcaklık dağılımları ise her tepside oldukça düzenlidir ve bir önceki analizde olduğu gibi aşırı düzensizlik içeren bir durum söz konusu değildir.

Üstteki ve alttaki bazı tepsilerde çok az derecede düzensizlik gözlemlenmiş olsa bile alınan sonuç oldukça verimli ve düzenlidir.

Şekil 6.5 ve 6.6’da ihmal edilebilecek derecede olan düzensizlikler daha detaylı olarak görülmektedir. Orta sıradaki tepsilerde herhangi bir sorun veya düzensizlik gözlenmemektedir.

Hız ve sıcaklık dağılımı grafiği ise diğer analize nazaran çok daha düzenlidir. Perdenin üzerinden dönen soğuk hava direkt olarak tepsilerin arasına yöneliyor. Üst tepsilerde belirli bir sıcaklık artışı gözlenmektedir fakat bu artış oldukça düşük ve kabul edilebilir düzeydedir.

Sonuç olarak en uygun konstüriktif yapı olarak bu yapı seçilmiştir. Bu yapıda hem sıcaklık dağılımı hem de akış düzeni en üst seviyededir. Akışta ve sıcaklık dağılımında meydana gelen ufak düzensizlikler kabul edilebilir seviyededir.

6.4. Analiz #3

Bu analizdeki amaç, akıştaki düzensizliklerin tamamen giderilmesidir. Bu amaçla tepsi arabaları ayırıcı panel ile aynı uzaklığa yerleştirilmiştir. Arabaların evaporatör çıkışından olan uzaklıkları 850 mm’dır.

Ayırıcı panel üzerinden dönen soğuk hava direk olarak tepsilerin arasına girmektedir ve türbülans oluşumu için herhangi bir boşluk kalmamaktadır. Yapılan analiz sonucu grafikler ne yakınsamıştır ne de ıraksamıştır. Belli değerler arasında salınım yapan grafikler yakınsamış kabulü yapılabilecek düzeye gelmişlerdir. Beklendiği gibi sıcaklık dağılımlarında da düzensizlikler meydana gelmiştir. Şekil 6.7’deki sıcaklık dağılımından görülebileceği gibi üstteki ve alttaki tepsilerde oluşan yoğun düzensizlikler dışında ortalardaki tepsilerde de ufak düzensizlikler meydana gelmiştir. Soğuk hava ne üst tarafa ne de alt tarafa yeterince dağılamamış ve buraları yeterince verimli soğutamamıştır. Özellikle en alt tepsilerde meydan gelen düzensiz dağılım ve en üst tepsilerde meydana gelen düzenli fakat yetersiz dağılım kabul edilebilir düzeyde değildir. Şekil 6.8 ve 6.9’da hız ve sıcaklık grafiğinde görüldüğü gibi, çok düzenli bir akış ve hız profili olmasına rağmen üstteki altı tepsi yeterli derecede soğutulamamıştır. Sonuç olarak, akışta yakalanmış olan mükemmellik sıcaklık dağılımında yakalanamamış; hatta değerler beklendiğinden oldukça kötü çıkmıştır. Dolayısıyla bu konstüriktüf seçim uygun değildir.

9. SONUÇ

Donmuş gıda endüstrisi ülkemizde gelişmeye açık bir sanayi kolu olarak göze çarpmaktadır. Donmuş gıda ömrünü uzatmaya yönelik en önemli işlem olan ‘şoklama yöntemi’ ile ürünler daha uzun süre depolanabilmektedir. Bu projede, bir mamul olarak balığın muhafaza ömrünü uzatacak şekilde şoklama yapabilen bir balık şok odası tasarlanmıştır. Proje boyunca hesaplanan fiziksel değerler, üzerinde karar kılınan konstüriktif yapılar ve ekipman seçimi sonucunda yapılan simülasyon analizleri ile en verimli çözüme ulaşılmaya çalışılmıştır.

KAYNAKLAR

[1] Özkol, N., 1988, Uygulamalı Soğutma Tekniği,

Maya Matbaacılık, Ankara.

[2] http:// www.karyerlimited.com.tr

[3] http:// www.friterm.com.tr

[4] Bock Kaltemaschinen/HGZ 7 Katalogu, 2002, Bock GmbH & Co. Kaltemaschinenfabrik, Deutschland.

Mak. Müh. Hulusi AKTAN

Mak. Müh. Serkan ÖZKAN


Etiketler