Soğutma Ekipmanlarında Enerji Verimliliği Nasıl Artırılır?
Yazan: Prof. Forbes PEARSON*
Çeviri: Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU
Giriş
Soğutma, insanlığa gıda koruma, kontrol gibi birçok açıdan büyük katkıda bulunan bir teknolojidir. İç hava kalitesi, gaz sıvılaştırma, endüstriyel süreç kontrol, gıda ve içecek üretimi ve bilgisayar soğutması. Soğutma olmasaydı, modern yaşam imkânsız olurdu. Dünyanın elektrik enerjisinin yaklaşık %15'ini iklimlendirme ve soğutma sistemleri kullanıyor. Verimli olmayan enerji kullanımı, değerli bir kaynak israfına yol açar ve küresel ısınmaya katkıda bulunur. Soğutma sistemlerinin küresel ısınma etkisinin çoğu, onları sürmek için enerji üretmekten kaynaklanmaktadır. Bazı soğutucu akışkanların serbest bırakılmasından sadece küçük bir oran gelir. Bu bilgilendirme notu, soğutma sistemlerinin verimliliğinin küresel ısınma etkisini en aza indirgeyerek maksimize ettiler.
Temel Bilgiler
Soğutma, düşükten yüksek sıcaklığa kadar "yokuş yukarı" sıcaklık akışı yapma bilimidir. Bir soğutma sistemi, soğutulan maddeden (soğuk rezervuar) ısıyı alır ve onu Şekil-1'de gösterildiği gibi daha yüksek bir sıcaklıkta (sıcak rezervuar) ortamın içine atar. Bu, yükseltilmiş bir depolama tankına su pompalamaya benzer. Bir buzdolabının enerji tüketimi, ısı çıkarma oranı (pompalanan su miktarı) ve ısının yükseldiği sıcaklık yükselmesine (yüksek su pompalanır) orantılıdır.
Şekil-1 Bir Soğutma Sisteminde Sıcaklık ve Isı Akışlarının Şematik Diyagramı
Bir soğutma sisteminin enerji verimliliği, genelde, enerji tüketimi oranı ile ısı çekme oranının oranı olan Performans Katsayısı (COP) olarak ifade edilir.
Soğutma sisteminin türü ne olursa olsun, gerekli ısı çekimini en aza indirgemek ve Tc (yoğunlaşma sıcaklığı) ile T0 (buharlaşma sıcaklığı) arasındaki farkı olabildiğince küçük tutmak esastır. Isıyı en aza indirgemek soğutma sisteminin düşük sıcaklık bölümlerini ve soğutulmuş odayı yalıtarak, ortam havası sızıntısını en aza indirgeyerek (örneğin, kapı açıklıkları ve sızıntı) ve soğutmalı uygulamalarda (örneğin fanlar ve forkliftler) enerji kullanımını azaltarak yapılır. İndirgeme (Tc - T0), kondenser ve buharlaştırıcı ısı transfer performansını en üst düzeye çıkararak ve emme ve boşaltma boru hatlarındaki soğutucu akışkan basınç düşüşlerini en aza indirgeyerek yapılır.
Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Tanımı
Standart buhar sıkıştırmalı soğutma sistemi, bir kompresör, bir kondansatör, bir genleşme cihazı, bir buharlaştırıcı ve bağlantı borusu içeren kapalı bir devredeki soğutucu akışkandan oluşur (Şekil-2). Kondenserde, yüksek basınçta sıkıştırılmış soğutkan buharı, çevredeki ısı transferi ile yüksek sıcaklıkta yoğunlaştırılır. Yüksek basınçlı soğutkan sıvı, genleşme valfinde düşük bir basınca düşürülür. Düşük basınçta, soğutucu, soğutulacak olan maddeden ısıyı alabilmesi için düşük bir sıcaklıkta buharlaşacaktır. Çevrimi tamamlamak için, buharlaştırıcıdan çıkan düşük basınçlı soğutkan buhar kompresör tarafından yüksek basınçta sıkıştırılır. Kondenserde reddedilen toplam ısı, çıkarılan ısının ve kompresörün enerji kullanımının toplamıdır.
Şekil-2 Basit Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sisteminin Şeması
Devreden soğutucu kaybı oluşması, sistemin güvenilirliği üzerinde çok olumsuz bir etkiye sahip olacağından, soğutma sistemlerini mümkün olduğunca sızdırmaz hale getirmek için büyük özen gösterilmektedir. Bir milyardan fazla olan bireysel ev buzdolapları, her biri çok az miktarda soğutucu madde içerir. Bu tür sistemlerin soğutucu akışkan eklemeden 20 yıldan fazla çalışması bekleniyor. Bu tür buzdolaplarının küresel ısınma etkisi önemli ancak neredeyse tümü, buzdolabını çalıştırmak için elektrik üretildiğinde üretilen karbon dioksitten kaynaklanıyor.
Sistem Bileşenlerinin Verimlilik Üzerindeki Etkisi
Soğutucu Akışkan
Çok az madde, bir soğutucu akışkan için uygun özelliklere sahiptir ve bunların azı zaman testi yapmış ve soğutucu akışkan olarak kullanılmaya devam etmektedir. Şekil-3, soğutucu olarak kullanılan maddelerin bazılarını ve kullanımlarının zaman içerisinde nasıl değiştiğini göstermektedir.
İdeal bir soğutma ortamı yok. Soğutucu akışkan seçimi, üretimin kolaylığı, zehirlilik, yanıcılık, çevresel etki, koroziflik ve termodinamik özellikler ve enerji verimliliği. Anahtar niteliği basınç / sıcaklık ilişkisidir. Genel olarak, enerji verimliliği için soğutucu madde kritik nokta (soğutucunun yoğunlaşamayacağı sıcaklık), ısı kaldırma ve reddetme sıcaklıklarıyla karşılaştırıldığında yüksektir.
İşletme maliyetlerini düşürdükleri için enerji verimliliği için iyi taşıma ve ısı transferi özellikleri de önemlidir.
Buharlaştırıcılarda ve kondenserlerde daha düşük sıcaklık farkları ve dolayısıyla toplam sıcaklık yükselmesi daha düşüktür. Genel olarak, düşük molekül ağırlıklı ve düşük viskoziteli soğutucu en iyi özelliklere sahip olacaktır.
Şekil-3 Tipik Soğutma Malzemeleri ve Tarihi Kullanımlar
Kompresör
Sıcaklık artacak kadar yüksekse, kompresörler verimliliğini kaybeder ve aynı zamanda soğutma sıvısı emme buharında veya emme buharının aşırı sıcak olması durumunda bulunur. Kompresör bakımı mümkün olduğunda ve yağ kalitesinin korunması enerji verimliliğini korumak için önemlidir. Bazı kompresör tipleri (özellikle vidalar ve santrifüjler) için, kısmen yük enerji verimliliği performansı tam yük ile karşılaştırıldığında zayıf olduğundan, sürekli yüklenen kısmi yüklerden kaçınılmalıdır. Değişken hız sürüş teknolojisi ve geliştirilmiş kontrol sistemleri enerji cezasını azaltır, ancak sermaye maliyetlerini artırır.
Kondenser
Soğutucu akışkanların ısı reddi sıcaklıklarını olabildiğince düşük tutmak için, kondenser ısı aktarım hızları en üst düzeye çıkarılmalı ve soğutma ortam sıcaklığı en aza indirilmelidir. Evaporatif kondansatörler genellikle en verimli olanıdır çünkü ortam havasının yaş hazne sıcaklığı. Örneğin, 25 °C'de ve %60 bağıl nemdeki nemli havanın yaş hazne sıcaklığı 16 °C'dir. Bununla birlikte, Legionella kirliliğini önlemek için dikkatli bir bakıma ihtiyaç duyarlar. Su soğutmalı kondenserler kombine soğutma kuleleri de ortam yaş hazne sıcaklığına yaklaşır ancak ısıyı soğutucu akışkandan suya çekmek için ilave bir sıcaklık farkı vardır, bu nedenle soğutucu akışkan ısı reddi sıcaklığı genellikle yüksektir. Bir soğutma kulesi kullanılmadığında su kullanımı aşırı olabilir. Hava soğutmalı kondansatörler genellikle ıslak-hazne veya su sıcaklığından önemli ölçüde daha yüksek hava kuru termometre sıcaklığına karşı ısı reddettiği için en az etkili yöntemdir. Bununla birlikte, küçük sistemler için bunlar ucuz, basit ve az bakım gerektirdiği için sıklıkla kullanılır.
Her türlü yoğunlaşmayı temiz tutmak ve kirlenmekten kaçınmamak önemlidir. Isıyı atmosfere atan kondenserlere bol miktarda temiz hava verilmeli ve havanın kondenser girişine geri dönme eğilimine karşı korunmalıdır. Soğutucu emme basınçları atmosfer basıncından daha düşük (örneğin, düşük sıcaklıktaki amonyak veya HCFC-123 ile klima) çalışan sistemler, soğutucu akışkandan yoğunlaşmayan maddeleri uzaklaştırmak için temizleyiciler kullanmalıdır.
Genleşme Cihazları
Birçok genleşme cihazının düzgün çalışması için önemli basınç farkı gerekir. Bu nedenle yoğunlaşma basıncı, düşük ortam sıcaklıklarında dahi, çoğunlukla yapay olarak yüksek seviyelerde tutulur. Bu açıdan en büyük suçlayıcı, çok düşük maliyeti nedeniyle genellikle seçilen geleneksel termostatik genleşme vanasıdır. Bir çözüm, elektronik olarak kontrol edilen genleşme vanalarını kullanmaktır.
Evaporatörler
Kondenserlerde olduğu gibi buharlaştırıcılar minimum ekonomik sıcaklık farkında çalışacak şekilde tasarlanmalıdır, böylece soğutucu akışkan ısı çekme sıcaklığı belirli bir madde sıcaklığı için mümkün olduğunca yüksek olabilir. Isı emme sıcaklığının arttırılması, gerekli kompresörün boyutunu da düşürür.
Evaporatörün boyutunun yanı sıra, soğutucu akışkan dağılımı, devre ve hız, gelişmiş yüzey kullanımı, hava hızı (hava soğutucuları için) gibi unsurlar, enerji verimliliğini önemli ölçüde etkiler. Donma derecesinin altındaki sıcaklıklarda çalışan hava soğutucuları, performansı düzeltmek için düzenli olarak çözülmelidir. Elektrikli defrost basittir ancak en az verimlidir ve bu nedenle küçük sistemler için uygundur. Elektrikli buzun soğutucuya konması ve tekrar dışarı çıkarılması için elektrikli defrostun en az iki kez ödenmesi gerekir. Su defrostu, sıcak gaz defrostu ve soğutucu içerisinden sıcak akış dolaşımı ile buz çözülmesi, potansiyel olarak daha verimli olur. Bununla birlikte, sistem ne olursa olsun, gereksiz buz çözülmesini önlemek için buz çözme sıklığını ve süresini optimize etmek önemlidir.
Boru Bağlantıları
Bağlantı boruları yanlış boyutta olduğunda veya gereksiz basınç düşüşüne neden olan veya yağ geri dönüşünü engelleyen (örneğin aşırı bükülmeler ve montaj) yollarla düzenleniyorsa, verimlilik düşebilir.
Kontrollerin Önemi
İyi tasarlanmış bileşenlere sahip bir soğutma sistemi, bileşenler doğru eşleştirilip kontrol edilmediği sürece verimli bir şekilde çalışmaz. Etkili kontrolleri seçerken enerji verimliliği her zaman ana mesele değildir. Mümkünse, enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için aşağıdaki kontrol seçeneklerinden kaçınılmalıdır:
- Büyük boyutlu vidalı kompresörlerde kayar sürgülü kapasite kontrollerinin kullanımı;
- Kompresörlerin sıcak gaz baypası;
- Evaporatörler ve kompresörler arasındaki kısma vanaları;
- Soğutucu akışkan kısılarak evaporatör kontrolü;
- Çok sık defrost;
- Gerekli olduğu haller dışında kondenser basıncı basınç kontrolü kullanımı.
Sonuç
Soğutma sistemlerinin enerji verimliliğini arttırmak zor değildir ve çevresel faydalar nedeniyle teşvik edilmelidir. Genellikle başlangıç maliyetleri ile devam eden işletme giderleri arasında bir dengelenmeyi içerir. Ekonominin, tedarikçinin sistemin işletme maliyetlerini karşılamak zorunda kalmaması durumunda ekipman tedarikçisine en ucuz çözümü sağlama konusunda motive ettiği birçok durum vardır. Her türlü soğutma sistemi için enerji verimliliği için standartlar belirlenmelidir. Hükümetler, kabul edilebilir verimlilik standartlarına ulaşamayan sistemleri tedarik eden tedarikçilere cezalandırılmasını sağlamak ve etkin sistem kullanıcılarının, işletme maliyetlerinde meydana gelen azalmadan daha fazla fayda sağlanmasını sağlamak için yasal düzenlemeleri yapmalıdır. Eğer bu mantıklı işler yapılırsa, soğutma sistemlerinin enerji tüketiminin kısa vadede en az %20 oranında düşürülebileceğini varsayıyorum. 2020 yılına kadar, uygulamalara bağlı olarak% 30-50'lik bir azalma hedefi elde edilebilir bir hedeftir.
*(Strathclyde Üniversitesi, Ağustos 2003'te II. Uluslararası Soğutma Kongresi'nde verilen IIR Gustav Lorentzen Madalyasını kazanmıştır.)
Uluslararası Soğutma Enstitüsü (IIR), küresel nüfusun% 80'inden fazlasını temsil eden 61 Üye Ülkeden oluşan hükümetler arası bir organizasyondur.
IIR'nin misyonu, gıda güvenliği, çevrenin korunması ve en az gelişmiş ülkelerin geliştirilmesi de dâhil olmak üzere günümüzdeki önemli konuları ele almak için soğutma teknolojisi ve tüm uygulamaları hakkında bilgiyi yaygınlaştırmak ve yaymaktır. IIR, konferans, kongre, çalıştay ve eğitim kursları, 70 000 referans içeren bir veritabanı (Fridoc), çeşitli yayınlar (dergiler, el kitapları, teknik kitaplar, konferans bildirileri, bilgilendirici notlar) ve web Site geniş bir yelpazede bilgi sağlar (www.iifiir.org).
