ÖZET

Termostatik genleşme valfleri (TGV) self kontrol mekanizmalı sistemlerdir. Bundan dolayı TGV’nin tipi, iğne çapı ve kuyruk şarj tipi seçimi büyük önem arz etmekte, yaz ve kış yüklerine göre kızgınlık ayarının yenilenmesi gerekmektedir. Herhangi bir mevsimde ayarlanan kızgınlık değerleri yüke bağlı olarak zamanla değişmektedir. Bu değişimler iki farklı soruna neden olabilir. Birincisi yük azaldığında sıvı yürümesine neden olmakta, mekanik kompresör arızalarına yol açmaktadır. İkincisi yük çok arttığında kızgınlık da arttığı için gaz soğutmalı (hermetik) kompresörlerin sargılarının yumuşamasına ve sargı yanıklarına neden olmaktadır. Bu çalışmada bir soğutma deney seti üzerinde TGV’nin yük ile kızgınlık değişiminin nasıl değiştiği deneysel olarak incelenmiştir.

1.      GİRİŞ

Bir soğutma sisteminin düzenli çalışması için genleşme cihazlarının düzgün çalışması gerekir. Isı absorbe edilmesi ve böylece soğutma etkisine sebep olan basınç düşmesini genleşme cihazı kontrol eder. Ölçme cihazları soğutucu gaz akışını dört yoldan biri ile kontrol eder:

      1. Soğutucu gazın sabitleştirilmiş bir hacimde akmasına izin vererek

      2. Evaporatörde sıvı soğutucu gazın seviyesini ayarlama ile

      3. Sistemin alçak tarafındaki basıncı kontrol ederek

      4. Kangalı terk eden kızgın soğutucu gazın sıcaklığına göre akışı kontrol edebilirler [1].

Soğutma sistemlerinde en yaygın kullanılan genleşme valfi tipi kızgınlık kontrollü valf olup genellikle termostatik genleşme valfi (TGV) olarak adlandırılır. TGV’nin kontrolü evaporatördeki sıcaklığa bağlı yapılmaz, fakat evaporatörden ayrılan soğutucu akışkan buharının kızgınlığının değerine göre yapılır. TGV evaporatördeki sıvı akışkanın buharlaşma oranına göre akış debisini düzenler. Şekil 1’de TGV’nin şematik diyagramı verilmiştir. Valf evaporatör çıkışındaki sıcaklığı hisseden bir kuyruğa sahiptir. Bu kuyruk kılcal boru ile valf körüğünün üst kısmına bağlanmıştır. Hissedici kuyruk ve kılcal boru güç akışkanı olarak adlandırılan bir akışkan içerir. Güç akışkanı soğutma sisteminde kullanılan soğutucu akışkan ile benzer veya farklı olabilir. Şayet sistemde kullanılan soğutucu akışkandan farklı ise TGV çapraz şarjlı olarak adlandırılır. Güç akışkanının basıncı P_p, evaporatör çıkışındaki sıcaklığa bağlı doyma basıncıdır.  Şayet evaporatör sıcaklığı T_e ve ona uygun doyma basıncı P_e ise TGV’nin hedefi evaporatör çıkışındaki T_e+ΔT_s sıcaklığını sağlamaktır. Burada ΔT_s  TGV için gerekli kızgınlık değeridir. Güç akışkanı sıcaklığı kuyruk tarafından T_e+ΔT_s olarak hisseder ve onun bu sıcaklıktaki doyma basıncı P_p ‘dir. Körük alanı A_b olduğuna göre körük üzerinden uygulanan basınç kuvveti F _p şu şekilde ifade edilir:

F_p = A_b P _p                                                                                                                                  (1)

Evaporatörün büyük ve basınç kaybının önemli olduğu durumlarda basınç bağlantısı evaporatör çıkışına bağlanır. Bu bağlantıya basınç dengeleme hattı denir. Bu valf dıştan dengelemeli TGV olarak aksi takdirde içten dengelemeli TGV olarak adlandırılır.  Körüğün alt kısmından oluşan P_e basıncı F_e kuvvetini oluşturur:

F_e= A_b P_e                                                                                                                                     (2)

F_p ve F_e kuvvetleri arasındaki fark iğne hareketi üzerinde etkilidir. Körüğün alt kısmına bir ayarlama yayı yerleştirilmiştir ve yukarıya doğru F_s kuvveti uygular. Kararlı durumda yay kuvveti için şu bağıntı yazılabilir:

F _s= F_p - F_e                                                                                                                                 (3)

Durma anında evaporatör sıcaklığı oda sıcaklığına yaklaşır ve ΔT_s kızgınlık değeri sıfır olur. Güç akışkanı ile soğutucu akışkan basınçları eşitlenir ve P_p = P_e ve F_p = F_e Böylelikle küçük bir artık yay kuvveti F_s iğneyi yukarı doğru iter ve TGV’yi kapatır.  Şayet TGV çapraz şarjlı veya durma konumunda küçük bir kızgınlık değeri mevcutsa TGV durma konumunda kapalı kalacaktır, F_s değeri (F_p - F_e) farkından hafifçe daha büyüktür.

Şekil 1. Termostatik genleşme valfinin (TGV) şeması [2]

Kompresör çalıştığında evaporatör basıncı hızlı şekilde düşer ve böylece F_e kuvveti de hızlıca düşer. F_p–F_e farkı kompresör çalıştıktan kısa süre sonra artar. Bu fark belli bir noktaya geldiğinde F_s yay kuvvetini yener ve iğne seti aşağıya doğru hareket ederek açılmaya başlar. Valf milinde aşağıya sonlu küçük bir hareket oluştuğunda minimum kızgınlık için sonlu bir akış debisi gereklidir. Soğutucu akışkan evaporatöre girdiğinde düşük evaporatör basıncına maruz kalır. Valf setinin hareketi de yavaşlar. Yay sıkıştığı için valf iğnesi seti açmaya başlar. F_S0 durma anındaki yay kuvveti ise valf açılmaya başladığında şu eşitlik ortaya çıkar:

F _s= F_s0+ ΔF_s

Sonunda iğne seti şu konuma ulaşır,

F_s= F_p– F_e= A_b ( P_p – P_e)                                                                  (4)

Burada, F_p > F_e veya P_p> P_e  ‘dir.   P_P ve P_e sırasıyla  (T_e+ ΔT_s) ve T_e doyma sıcaklıklarındaki basınçlardır. Böylelikle F_s verilen bir yay kuvveti için TGV, F_p ve F_e kuvvetleri arasındaki farkı veya sabit kızgınlık derecesini korur.

ΔT_s ∝ (F_p- F_e)                                                                         (5)

ΔT_s ∝ F_s

 P_e seviyesinden bağımsız olarak evaporatör basıncı veya sıcaklığı aynı yay kuvveti F_s için farklı evaporatör sıcaklıklarında kızgınlık değeri hafifçe farklılaşır. Verilen bir yay kuvveti için tüm evaporatör sıcaklıklarında kızgınlığın aynı kalması ideal bir durum olacaktır. 

2.      TERMOSTATİK GENLEŞME VALFİ KADEMELERİ

Genleşme valfi üreticileri genellikle soğutma kademesini, valfin geçirdiği akış debisi yardımıyla gösterirler. Bir miktar kapasite yedeklemek için birçok üreticiler soğutma kapasitesini valfin tam akış debisinin %75’i olarak gösterirler. Valften geçen akış debisi valfteki basınç farkının bir fonksiyonudur ve valfin tam açık konumdaki hızı hidrolik formülü yardımıyla hesaplanabilir [3].

                                                                     (6)

Burada C deneysel olarak belirlenen sabittir ve basınç farkı kilo paskaldır. (6) eşitliği sıvılara uygulanır, hâlbuki valfte ayar işlemini takip eden soğutucu akışkan bir buhar ve sıvı karışımıdır. Çünkü valften geçerken buharlaşma henüz oluşmaz. Sıvı geçici olarak kararsız bir durumdadır.

Termostatik genleşme valfi sıklıkla çalıştığı geniş sıcaklık kademesine göre adlandırılır. Örnek olarak düşük sıcaklıklı sistemler için bir genleşme valfi sadece tasarım sıcaklığında soğutucu akışkan akışını kontrol etmek için evaporatörü sıcaklığın aşağı çekilmesi esnasında uygun olarak besleyebilir. Düşük sıcaklık evaporatörünü besleyen termostatik genleşme valfinin bir karakteristiği Şekil 2’de gösterilmiştir. Güç akışkanı ile evaporatör basıncı arasındaki fark 0,3 bar ise valfin tam açılması gerekir, evaporatör 5 °C çalıştığında emme hattı kızgınlığının 3K olmalıdır. Benzer bir valf bir evaporatörü –40 °C’de çalışılacak şekilde beslerse 10 K kızgınlık için 0,3 bar basınç farkı sağlamak gerekir. Böylelikle düşük sıcaklık şartlarında evaporatörün önemli bir kısmı verimsiz olur. Çünkü gazın kızgınlığı için geniş bir alan gerekir. Valf üzerindeki kızgınlık ayarının düşürülmesi düşük sıcaklık şartlarında doğru olabilir. Fakat yüksek çalışma sıcaklıklarında kızgınlığın düşürülmesi sıcaklık aşağı çekilirken evaporatörden kompresöre sıvı yürümesine de neden olabilir.

Şekil 2. Soğutucu akışkanın ve güç sıvısının buhar basınç eğrisi [2]

Düşük sıcaklıkta çalışma problemlerinin bir çözümü bir çapraz şarjlı bir valf kullanmaktır. Örnek olarak sistemdeki akışkandan farklı bir güç akışkanı kullanılır. Şekil 3’te gösterildiği gibi güç akışkanı özellikleri sistemdeki soğutucu akışkan ile yakın özellikte olacak şekilde seçilir. Güç akışkanı karakteristikleri, bütün çalışma şartlarında valfi açmak için gereken kızgınlığın sabite yakın değerde olacak şekilde seçilmelidir.

Şekil 3. Soğutucu akışkanın ve güç sıvısının buhar basınç eğrisi (çapraz şarjlı) [2]

3.      YÜK DEĞİŞİMLERİNİN TGV’NİN ÇALIŞMASINA ETKİSİ

Soğutma sistemindeki yük arttığında soğutucu akışkanın buharlaşma seviyesi artar, buna bağlı olarak kızgınlık seviyesi de artar. Kızgınlık arttığında güç akışkanının basıncı P_p artar, iğne seti aşağı doğru itilerek soğutucu akışkan debisi de artar. Bu ideal biri durumdur. Soğutucu akışkanın buharlaşma seviyesi ile yük ve genleşme valfi tarafından gönderilen soğutucu akışkan debisi orantılıdır.

Diğer taraftan sistem yükü azaldığında soğutucu akışkanın buharlaşma seviyesi azalır, sonuç olarak kızgınlık değeri de azalır. Termostatik genleşme valfi aynı şekilde soğutucu akışkan debisini düşürür. Valfteki soğutucu akışkanın akış debisi evaporatörde buharlaşan soğutucu akışkanın buharlaşma seviyesiyle orantılıdır. Böylelikle TGV ile kompresör arasında daima bir denge kurulur. Ancak bu ideal durum küçük yük artışlarında geçerlidir, yük değişimi çok büyüdüğünde valf bu oransallığı koruyamaz. Yük keskin olarak azaldığında TGV kızgınlık değerini koruyamaz ve sıvı yürümesi oluşur. Bu durumda yağ köpürmesi ve sıvı vuruntusu gibi problemlerden dolayı mekanik kompresör arızaları oluşur. Tersine yük çok aşırı şekilde arttığında kızgınlık da arttığı için gaz soğutmalı (hermetik) kompresörlerin sargılarının aşırı ısınıp yumuşamasına ve sargı yanıklarına neden olur. Ayrıca yüksek kızgınlıkta çalışma, evaporatörün ve dolaysısıyla soğutmanın verimini düşürür. Bu her iki durumun önlenebilmesi için yükün mevsimlere bağlı olarak çok fazla değiştiği soğuk depolarda TGV kızgınlık ayarı yaz/kış mevsimlerine göre yenilenmelidir.

4.      DENEYSEL ÇALIŞMA

TGV karakteristiklerini incelemek üzere S-813 Elektrik Girişli Soğutma Eğitim Seti kullanılmıştır (Şekil 4) [4]. Şekil 5’te bu setin devre şeması verilmiştir. Bu sette evaporatör yerine ısı girişi elektrikli ısıtıcı direnç kullanılmakta olup güç girişi gerilim ve akımın çarpımı olarak kolaylıkla hesaplanabilmektedir. Kondenser olarak sulu tip kondenser mevcuttur. Termostatik genleşme valfi olarak R-134a soğutucu akışkanı kullanan içten dengelemeli ALCO marka valf (1 no’lu iğne) kullanılmıştır. Kompresör Bitzer 0L marka, açık dıştan tahrikli pistonlu tip olup, dinamometre ve takometre yardımıyla döndürme momenti ve devir sayısı ölçülmektedir. Yine sulu kondenserde dolaşan su ve sıvı hattındaki soğutucu akışkan debileri ölçülmektedir.

Şekil 4.  S-813 Elektrik girişli soğutma eğitim cihazı [4]

Şekil 4. S-813 Elektrik girişli soğutma eğitim cihazı şeması [4]

Deneysel çalışmada yoğunlaşma basıncı P_c=700 kPa gösterge basıncında sabit tutulmuş, evaporatör yükü potansiyometre yardımıyla 50 Volttan başlayarak 200 Volta kadar çıkarılmıştır. Evaporatör giriş gücü aşağıdaki bağıntı ile hesaplanmıştır:

                    [W]                                                                          [7]

Kızgınlık değeri için,

         [K]                                                                           [8]

bağıntıları kullanılmıştır. Bu deneyler sırasında yapılan ölçümler aşağıdaki Tablo 1’de gösterilmiştir.

Tablo 1. Deney sonuçları

5.      SONUÇ VE DEĞERLENDİRME

Tablo sonuçlarına göre aşağıdaki Şekil-5’te soğutma yükü ile kızgınlık arasındaki ilişki gösterilmiştir.  Bu grafik TGV üzerinde herhangi bir soğutma yükü için ayarlanan kızgınlık değerinin yük değiştiğinde yükle doğru orantılı olarak artıp azaldığını göstermektedir.

Şekil 5. Soğutma yükü ile kızgınlık değişimi

Yine Şekil 6’daki buharlaşma basıncı ile kızgınlık arasındaki değişim önceki grafiğe benzer değişim göstermekte, buharlaşma basıncı ile kızgınlık orantılı olarak değişmektedir. Bu grafikteki 0 kPa buharlaşma basınçlarında valf kompresöre sıvı halde soğutucu akışkan göndermekte ve yeterli kızgınlık değerini sağlayamamaktadır.

Şekil 6. Soğutma yükü ile buharlaşma basıncı değişimi

Bu deney sonuçlarına göre şu öneriler yapılabilir:

1.      Soğutma sistemlerinde evaporatör verimi doğrudan evaporatördeki soğutucu akışkan besleme ve dolayısıyla kızgınlık oranına bağlı olarak değişir.

2.      Soğutma yükü ile kızgınlık doğru orantılı olarak değişmektedir.

3.      Soğutma sistemlerinde kızgınlık değerleri mevsimlere ve/veya yüke bağlı olarak yeniden ayarlanmalıdır.

TEŞEKKÜR: Bu çalışmada katkılarından dolayı Deneysan Eğitim Cihazları San. ve Tic. Ltd. şirketine ve Balıkesir Üniversitesi öğretim üyesi Sayın Hüseyin Bulgurcu’ya teşekkürlerimi sunarım.

KAYNAKLAR

[1] BULGURCU, H., “İklimlendirme ve Soğutma Sistemlerinde Bakım Arıza Bulma ve Servis İşlemleri, ISKAV Teknik Yayınları No:5  İstanbul 2011 (2. Baskı).

[2] IIT Kharagpur (Version 1 ME), Refrigeration and Air Conditioning.pdf http://www.onlinefreeebooks.net/engineering-ebooks/manufacture-mechanical-industrial-engineering/refrigeration-and-air-conditioning-pdf.html

[3] STOECKER, W.F.,JONES, J. W., “Refrigeration and Air Conditioning, (Second Edition), Mc Graw Hill Co. 1984.

[4] http://www.deneysan.com/UserFiles/urun/1312874785.pdf (12.09.2011 tarihinde erişildi)