Soğutucu Akışkan Olarak Hidrokarbonlar

Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Hidrokarbonlar, çevre-dostu olmaları ve ekonomik fizibiliteleri sayesinde ikna edici olmakta

Gelişmiş bir toplum soğutma olmadan faaliyette bulunamaz. Evde, gıda üretimi ve saklanmasında (örneğin donmuş gıdalar, yoğurt ve/veya kahve), otomotiv veya kimyasal-ilaç endüstrisinin üretim süreçlerinde veya hava koşullandırmada… Nereye bakarsanız bakın “soğutma” şarttır. Endüstriyel olarak üretilmiş “serinlik” modern hayatın temel direğidir. Almanya’da tüketilen enerjinin % 14’ü soğutma amaçları için kullanılmaktadır. Doğal soğutucuların kullanılmasıyla, çevre üzerindeki negatif etkiler azaltılabilir.

Hidrokarbonlar doğal soğutucular olarak adlandırılırlar çünkü topraktaki madde döngüsünde ortaya çıkarlar. Örneğin doğalgaz üretiminin veya petrol rafinerilerinin yan ürünleridir. Hidrokarbonlar 1920’lerin başlarında soğutucu akışkan olarak kullanılmıştı, fakat 1950’lerin başlarında yerlerini halojenli ve florlu hidrokarbonlara (CFC/HFC) bırakmışlardır. Zehirli ve yanıcı olmamaları sebebiyle bu maddeler genellikle “güvenli soğutucu akışkanlar” olarak bilinirler. Diğer taraftan, CFC ve HCFC’ların çevre ve küresel iklim üzerinde zararlı etkileri olduğu bilindiğinden kullanımları yasaklanmıştır.

Doğal soğutucu akışkanları kullanan soğutma sistemleri küresel ısınmaya karşı önemli bir rol oynayabilir. Bu durum bu tip sistemlerin pazar payının artışının teşvik edilmesi için geçerli bir sebeptir. Birkaç alanda hidrokarbonlar, sentetik soğutucu akışkanların fizibil alternatifleridir çünkü benzer basınç seviyeleri ve benzer spesifik soğutma kapasitelerine sahiptirler. Doğru seçildiklerinde uygulamaya özel avantajları vardır.

En Önemli Hidrokarbonlar

Özel uygulamalara özelliklerinin uygun olması adına, hidrokarbon karışımları da piyasada bulunabilmektedir. Bunların bazıları ASHRAE adlar dizininde ve EN 378’de listelenmiştir.

Teşvik Edici Özellikleri

Hidrokarbonlar, iklim özellikleri göz önüne alındığında amonyak ve karbondioksit kadar faydalıdır. Ozon tabakasına herhangi zarar verici etkileri olmayıp, diğer sentetik soğutucu akışkanları ile karşılaştırıldıklarında, global ısınma potansiyelleri eser miktardadır ve göz ardı edilebilir.

Ayırt Edici Özellikleri

Hidrokarbonlar yüksek derecede yanıcıdır, parlayıcıdır ve neredeyse kokusuzdurlar. Etilen havadan hafifken, etan’ın özkütlesi havanın özkütlesi ile eşittir. Bütan, propan ve propilen’in özkütleleri ise havanın özkütlesinden yüksektir ve herhangi bir kaçak olması durumunda zeminde birikerek solunan havanın yerini alabilirler. Bu özellikleri, hidrokarbon bazlı sistemlerin planlanması ve kurulumu sırasında özel ihtiyatların göz önünde bulundurulmasını gerektirir. Gerekli güvenliğin sağlanabilmesi için, hidrokarbon bazlı sistemlerin kurulumu, işletimi ve bakımı yapılırken tüm ulusal ve uluslararası güvenlik şartlarının (örneğin EN 378, Basınçlı Ekipmanlar Direktifi, ATEX Direktifleri) mutlak olarak karşılanması gereklidir. Daha fazla bilgi için VDMA Einheitsblatt 24020-3’e bakınız.

Güvenlik Grupları

Hidrokarbon kullanan soğutma sistemlerinin kurulumu ve işletiminde ilgili standartların ve direktiflerin gözden geçirilmesi gereklidir. Seçilen soğutucu akışkan, zehirlilik ve yanıcılık seviyesi baz alınarak EN 378-1’e ve Basınçlı Ekipmanlar Direktifine (DGRL) göre sınıflandırılmıştır.

EN 378-1’e göre güvenlik grupları ve DGRL’ye göre akışkan grupları:

EN 378-1’de tanımlanan yanıcılık, zehirlilik ve DGRL akışkan grubu herhangi bir lokasyondaki hidrokarbon bazlı soğutma sisteminin proje planlanması için baz oluşturmaktadır. Güvenlik grubu A3’e ve akışkan grubu 1’e dahil olan hidrokarbonlar düşük zehirlilik ve yüksek yanıcılık özellikleri taşırlar.

Farklı soğutucu akışkanların küresel ısınma potansiyelleri (GWP)

*Kaynak: EN 378, AR 4

Hidrokarbonların Özellikleri

Hidrokarbonların, belli bir soğutma kapasitesi oluşturmak için gerekli olan birincil enerjiyi ve dolayısıyla indirekt küresel ısınma etkilerini azaltan muazzam termodinamik özelliklere sahiptir.

Hidrokarbon bazlı sistemlerin sentetik soğutucu akışkan kullanan sistemlere göre daha iyi bir TEWI (Toplam Eşdeğer Isınma Etkisi) dengesine sahiptir. TEWI dengesi bir soğutma sisteminin küresel ısınmaya direkt ve indirekt etkilerinin toplamını ifade eder. Direkt küresel ısınma etkisi, çevreye olan soğutucu akışkan emisyonunun CO₂ eşdeğeri ile sızıntı ve yeniden kazanım prosesi kaynaklı soğutucu akışkan kayıplarını hesaba katar. İndirekt küresel ısınma etkisi, soğutma sisteminin tüm servis ömrü boyunca çalışması için gerekli olan enerjinin üretilmesi için gerekli olan CO₂ yüzdesini hesaba katar. Küresel kirlenmeyi azaltmak için, hedef TEWI değerinin olabildiğince az tutulması gereklidir (örneğin hidrokarbonları soğutucu akışkan olarak kullanmak)

Sentetik soğutucu akışkanlardan farklı olarak, hidrokarbonlar oldukça maliyet verimlidir. Fiyat farkı sadece soğutma sistemini ilk soğutucu akışkan ile doldururken değil, kaçak kaynaklı kayıplar sonrası tamamlama yaparken de kendini hissettirir. Göz önünde bulundurulması gereken diğer bir avantaj da sistemin operasyonel ömrü bittiğinde atık bertaraf proses maliyetinin düşük olmasıdır.

Hidrokarbonlar ile Enerji Tasarrufu

Hidrokarbon bazlı soğutma sistemleri işletim maliyetleri açısından da bir adım öndedirler. Bunun sebeplerinden biri, yukarıda bahsedildiği gibi soğutucu akışkan kaçaklarının tamamlanmasında ortaya çıkan düşük maliyetin yanında, daha düşük enerji tüketimi sağlamalarıdır. Örneğin Propan, en verimli soğutucu akışkanlardan biri olarak bilinir. Bu bilgi güvenlik sebepleri ile tek soğutma devresi kullanan sistemler için bile geçerlidir.

Hidrokarbonlar, faydalı özellikleri sebebiyle yeni uygulama alanları için geliştirilebilme potansiyeline sahiptir. Bu sebepten, hidrokarbon bazlı soğutma takip edilmesi gereken bir yöntemdir çünkü hem ekolojik hem de ekonomik olarak sürdürülebilirdir.

Hidrokarbonlar endüstrinin birçok alanında halihazırda kullanılmaktadırlar. Tasarım açısından, soğutucu akışkan ortamlı soğutma devreleri (örneğin brine, glikol veya CO₂) ve kaskad sistemlerde düşük sıcaklık soğutucu akışkanı olarak karbon dioksitin kullanımı standart uygulamalar haline gelmiştir. İki durumda da gerekli olan hidrokarbon miktarı kayda değer miktarda azaltılır. 

Uygulamalar

Domestik buzdolaplarında ve dondurucularında 20 yıldan fazla bir süredir kullanılan hidrokarbonlar, günümüzde daha çok hava koşullandırma için kullanılan tek aşamalı soğutma sistemlerinde, orta ve düşük sıcaklıklarda ve ayrıca ısı pompalarında da kullanılmaktadır. Daha 1995 yılında, hidrokarbonlardan soğutma ve ısı pompası teknolojisi için alternatif soğutucu akışkanlar olarak bahsedilmekte idi.

Günümüzde piyasada bulunan ürünler içerisinde, propan kullanan split klimalar, propan ve izo-bütan kullanan soğutma kabinleri, propilen kullanan duvar tipi çok katlı soğutma kabinleri, hava ve su soğutmalı chiller’lar ve karbon dioksit ve propan kullanan kaskad soğutma sistemleri bulunmaktadır.

Hidrokarbonların kullanıldığı tipik uygulamalar aşağıda sıralanmıştır:

- Ev tipi soğutucular ve dondurucular

- İçecek Soğutucular

- Ticari derin dondurucu kabinler ve dondurucular

- Ticari soğutma kabinleri ve soğutucular

- Bira soğutucuları

- İçecek otomatları

- Nem Alıcılar

- Isı Pompaları

- Marketlerdeki Soğutucular

- Klimalar

- Düşük sıcaklık kaskadları (tüm kademeler)

- İndirekt soğutma için sulu ve tuzlu sulu chiller’lar (özellikle dış ortam kurulumları için)

Hangi sentetik soğutucu akışkanların yeri hidrokarbonlar ile doldurulabilir?

Aşağıdaki hidrokarbonlar (HC) sıralanan soğutucu akışkanların (HCF) yerine kullanılabilir:

Ek – Pratik Örnekler

Her biri 250 g R290 ile doldurulmuş ve soğutma kapasitesi 2 x 2,2 kW olan soğuk hava deposu

Münih’in kuzeyine, hassas ürünleri -20 °C’de saklamak için, 37 m3 hacimli bir soğuk hava deposu kurulmuştur. İki mikrokanallı kondenser soğutucu akışkan doldurma miktarını olabildiği kadar az tutmak için kullanılmıştır. Propan soğutma devrelerinde çok yüksek enerji verimliliği gösterirken, enerji tüketimi EC fanların (elektronik komütasyonlu) kullanımı ile daha da azaltılır. Operatörün istediği verimlilik iki ayrı soğutma devresi kullanılarak elde edilmiştir. Maksimum kabul edilebilir dolum miktarı devre başına 300 g olsa da [Bu değer 37 m³ x 8 g/m³ (Propan için EN 378’e göre kabul edilebilir en yüksek dolum miktarı) ile hesaplanmıştır], bu vakadaki dolum miktarı sadece 200g’dır. Bu demektir ki basınçlı ekipmanlar direktifine göre, herhangi bir onaylı kuruluştan ayrı bir onaya gerek yoktur. Kondens ünitelerinin bina dışına kurulması ve soğuk depo içerisine herhangi bir gaz sızıntısında tüm sistemi kapatan bir gaz dedektörü koyulması, ekstra güvenlik sağlar.

Isıtma Kapasitesi 50 kW olan R600a Yüksek Sıcaklık Isı Pompası

St. Gallen’de (İsviçre) bulunan küçük bir bira fabrikası, 85 °C sıcaklık sağlayan yerel bir uzun mesafeli ısı hattı kullanmaktadır. Fakat, üretim prosesi için 120 °C gereklidir. Bugüne kadar sıcaklık seviyesini arttırmak için 50 kW’lık rezistans ısıtıcı kullanılmıştır. İşletme sahibi, işletim maliyetlerini azaltan ve sürdürülebilir bir çözüm olarak, sadece 15 kW güç ve 6 kg soğutucu akışkan dolumu gerektiren yüksek sıcaklık izo-bütan ısı pompasını seçmiştir. Frekans kontrollü bir kompresör, proses için gerekli olan ısı miktarını tam olarak ayarlayabilmektedir.

Soğutma Kapasitesi 20 kW olan veri merkezi soğutması ve iklimlendirme için R920 kullanan sulu chiller

Lübbecke’nin kentsel enerji tedarikçileri, server odalarını soğutmak ve iklimlendirme için 20 kW’lık bir soğutma sistemine ihtiyaçları vardır. Bu müşterinin özel olarak önem verdiği konu operasyonel güvenlik ve emniyettir.

Sadece 2,5 kg soğutucu akışkan kullanan, dış ortam chiller’ı kurulmuştur. Ünite yerleşim merkezi içerisine kurulduğundan, gürültünün azaltılması için belirli gereklilikleri karşılamak zorundadır. Çözümün önemli bir parçası, kondenserler için hız kontrollü eksenel fanların kullanılmasıdır. Kurulan sulu chiller 2011 sonbaharından beri kullanılmaktadır.

700 kW’lık ısıtma/soğutma için R290 kullanan ısı pompası

Vorarlberg Avusturya’da bir ev dekorasyon mağazası kurucuları ısıtma/soğutma sistemi için enerji tasarruflu bir çözüm ararlar. Bunun için bir propan ısı pompası seçerler. Bu seçimleri sayesinde Mart 2008’deki kuruluşundan beri, benzer zincirdeki karşılaştırılabilir rakiplerine göre %30 enerji tasarrufu sağladılar.

Propan kullanan bu sistemde, ısı pompasının iki devresi ve 4 adet yarı-hermetik kompresörü bulunmaktadır. 700 kW’lık ısıtma kapasitesini karşılayabilmek için, binanın esnek temel kazıkları ısı kaynağı olarak kullanılmıştır. Isı pompası bina içerisindeki bir makina dairesine kurulmuştur (EN 378). Her bir devreye 25’er kg propan doldurulmuştur.

2 x 250 kW’lık ısıtma ve soğutma için R290 kullanan enerji istasyonu

İsviçre Ibach’da bulunan Mythencenter AG alışveriş merkezi için, ısıtma, soğutma ve endüstriyel su sağlayan ve bunu doğal bir soğutucu akışkan kullanıp enerji verimli bir şekilde yapan bir proje tasarlanmıştır.

Burada iki adet hidrolik modüllü ES Basis 250 enerji istasyonuna R290 soğutucu akışkan doldurulmuştur ve bu istasyonlar binanın ısıtılması ve soğutulması için kullanılmaktadır. Her bir sistemin 250 kW’lık bir nominal ısı çıktısı vardır. Hidrolik modüller vasıtası ile sistemleri ısıtma ve soğutma modunda çalıştırmak mümkündür. Isı, soğuk havaya ısı eşanjörü vasıtası ile aktarılır.

Üniteler yükten bağımsız sürekli çalışma için tasarlanmış, yüksek performanslı ve frekans kontrollü kompresörler sayesinde mümkün olan en yüksek COP ve EER değerleri ile çalışmaktadır.

Çift devreli tasarımda, her bir soğutma devresine 15’er kg R290 doldurulmuştur. Bir Bina Otomasyon Sistemi arayüzü GLT sistemine entegrasyonu sağlar. Sistem bir makina dairesinde bulunmaktadır ve egzoz havası alev almaz bir fan vasıtası ile atmosfere atılır. 

Kaynaklar

[1] Manfred Petz: Kohlenwasserstoffe als Kältemittel, Expert-Verlag, 1995.

[2] GTZ Proklima: Guidelines for the safe use of hydrocarbon refrigerants, Eschborn, 2010.

[3] Magazine Die Kälte, Issue 12/2011, Article p.40: Mit Propan wirtschaftlich und umweltfreundlich kühlen.

[4] Lecture by Karl Huber, March 2010 at DKV BV Rhein-Main and VDI-Wissensforum in Stuttgart, June 2010.

Bu çalışma, eurammon tarafından yayımlanmıştır.

Tel: +49 69 6603 1277 Fax: +49 69 6603 2276

e-mail: karin.jahn@eurammon.com

http://www.eurammon.com