Korozyon ve Kirliliğin Isı Değişimi Kapasitesi Üzerindeki Etkisi

Derleyen: Uğur Darcan, LUFTSIS Klima Sistemleri A.Ş.

1. Giriş

Isı eşanjörleri, ortamlar arasında doğrudan temas olmaksızın ısı değişimi sağlamak üzere tasarlanmıştır. Alüminyum ve bakır, yüksek iletkenlik sınıfında olduklarından bu amaca uygun malzemelerdir. Likitten havaya ısı aktaran standart ısı eşanjörleri, bakır borulu ve alüminyum kanatlı olarak üretilir.

Bu tasarımın muhtemel bir zaafı bakır ile alüminyum arasındaki birleşme yeridir. Kanatlar bakır boruyla boşluk bırakmadan veya organik katmanlar ya da korozif ürünlerin müdahalesi olmadan sıkı bir şekilde birleştirildiği müddetçe ısı transferi optimum düzeyde olacaktır. Isı eşanjörünün ısı aktarmasını kanat malzemesi üzerindeki kirlilik de etkileyecektir.

Korozyon

Bakır borular ile alüminyum kanatlar arasındaki bağlantı, bir klima ünitesinin korozyona en duyarlı parçalarından biridir. Alüminyum ve bakır uyumsuz metallerdir. Bununla anlatılmak istenen, metallerin farklı potansiyelleri olduğudur. Bu metaller birbirine değdiğinde ve ortamda iletken bir akışkan şeklinde bir elektrolit bulunuyorsa, daha az soy metalden (alüminyum) daha fazla soy metale (bakır) doğru bir akım (elektron akışı) meydana gelecektir. Alüminyum elektron kaybetmeye başladığında kolayca çözünmeye başlar ve tepkime sonucu bir alüminyum korozyonu ürününe dönüşür. Bakır ile alüminyum arasında bulunan bağlantının yerini, artık bakır alüminyum oksit bir bağlantı alır. Alüminyum oksidin ısı iletimi kapasitesi, korozyona uğramamış alüminyumdan çok daha düşüktür. Bu nedenle bakır borulardan alüminyum kanatlara ısı transferi önemli ölçüde azalır.

Kirlilik

Kanatlar üzerindeki kirliliğin ısı eşanjöründen hava akışını sınırlandırması durumunda, alüminyum kanatlardan geçen havanın sıcaklığı yükselecektir (daha az kg havada aynı kW). Bu, bakır borunun içindeki likit/gaz ile kanatlardan geçen havanın sıcaklıkları arasındaki farkın azalmasına neden olacaktır. Daha düşük bir sıcaklık farkı ısı transferinin azalmasıyla sonuçlanacaktır. Isı eşanjörlerinde daha az ısı transferinin bir klima ünitesinin soğutma kapasitesine ne yapacağını açıklamak amacıyla, soğutmanın temel prensibi aşağıda açıklanmıştır:

Bir buzdolabının ardındaki temel fikir çok basittir: Bir sıvının buharlaşmasından yararlanarak ısıyı soğurur. Soğurulan ısı daha sonra daha yüksek bir basınç/sıcaklıkla ortama bırakılır.

Herhangi bir soğutma (veya iklimlendirme) sisteminin beş temel parçası vardır:

• Kompresör
• Ünitenin dışında ısı transferi yapan borular
• Genleşme vanası
• Ünitenin içinde ısı transferi yapan borular
• Soğutucu akışkan - düşük sıcaklık oluşturmak için soğutucunun içinde buharlaşan sıvı

Bir soğutucu ünitenin temel mekanizması nasıl çalışır:

1. Kompresör soğutucu gazı sıkar veya sıkıştırır. Bu, soğutucu akışkanın basıncını ve sıcaklığını artırır (turuncu), böylece buzdolabının dışındaki ısı değişimi yapan serpantinler, soğutucu akışkanın basınçlandırma ısısını dağıtmasına olanak verir.
2. Soğutucu akışkan soğurken sıvı forma yoğuşur (mor) ve genleşme vanasından geçer.
3. Genleşme vanasından geçerken likit soğutucunun genleşmesi ve buharlaşması için yüksek basınçlı bir bölgeden düşük basınçlı bir bölgeye doğru hareket etmesine olanak verilir (açık mavi). Buharlaşma sırasında ısıyı soğurarak soğutur.
4. Buzdolabının içindeki serpantinler soğutucu akışkanın ısıyı soğurmasına olanak vererek buzdolabının içini soğuturlar. Daha sonra bu çevrim devam eder.

Pek tatmin edici olmasa da, bir buzdolabının nasıl çalıştığının oldukça standart bir açıklaması budur. Standart bir basınç - entalpi diyagramında, bu soğutma çevrimi mavi çizgileri takip edecektir (Diyagram 1): 

Yukarıda bahsedildiği gibi, korozyon ve kirlilik bakır/alüminyum bağlantıların iletkenliğinin bozulmasına neden olur ve bu likit/gaz ile dış ortam havası arasında daha düşük sıcaklık farkıyla sonuçlanır. Bu yüzden, ısı transferi düzgün bir iklimlendirme yapılması için yetersiz kalır. Bu sorunu telafi etmek için yoğuşma sıcaklığının artırılması zorunludur. Daha yüksek yoğuşma sıcaklığı, bakır boruların içindeki likit/gaz ile kanatlardan geçen havanın sıcaklıkları arasında daha büyük fark oluşturacaktır. Artan bu sıcaklık farkı, ısı transferi kapasitesini yeniden normal düzeyine dönüştürecektir.

Korozyon ve kirlenmeyi gidermek için iklimlendirme sistemlerinin daha yüksek yoğuşma sıcaklıklarında çalıştırılması gerekir. Bu ancak yoğuşma basıncının (kompresörün atış basıncının) artırılmasıyla başarılabilir. Buna göre soğutma çevrimi artık Diyagram 2’deki kırmızı çizgileri takip edecektir.

Yükselen yoğuşma sıcaklığı/basıncı, daha düşük soğutma kapasitesine ve kompresörden gelen güç talebinde (enerji tüketimi) artışa yol açar.

Yoğuşma sıcaklığının/basıncının ne ölçüde yükseleceği dış ortam sıcaklığına, soğutucu akışkanın türüne, kompresör tipine, vs. bağlıdır. Bu, üreticinin soğutma kapasitesi ve farklı dış ortam sıcaklıklarındaki enerji tüketimi ile ilgili verilerine bakılarak kolayca belirlenebilir.

Örneğin bir chiller modelinde:

Bu ünite için yoğuşma sıcaklığındaki her 1°C’lik artış, soğutma kapasitesinde yaklaşık % 1,1’lik azalmaya ve enerji tüketiminde % 2,1 civarında artışa yol açacaktır.

Korozyon ve kirliliğin soğutucu ısı eşanjörleri üzerindeki etkisi

Soğutucu ısı eşanjörünün üzerinde korozyon bulunduğunda, iklimlendirme ünitesi üzerindeki etkisi biraz farklı olabilir. Meydana gelen ısı transferi sorunu yukarıda açıklanan ile aynı olacaktır fakat soğutma çevrimi üzerindeki etkisi biraz farklılık gösterecektir. Soğutma kapasitesini doğrudan etkileyecek olan soğutucu serpantinde daha az ısı soğurulur. Kompresör sadece kısmi yükle çalışır. İstenen soğutma kapasitesini elde etmek için kompresör olumsuz koşullarda çok daha uzun süreyle çalışmak zorunda kalacaktır. Bir diğer seçenek emme basıncının azalmasıdır. Bu, yoğuşma basıncının artması ile aynı etkiye yol açacaktır. Bu bilgiden yapabileceğimiz çıkarım, verimlilik ve kapasiteyi büyük ölçüde bir soğutma çevrimindeki ısı eşanjörlerinin belirleyecek olduğudur. Ayrıca ısı eşanjörlerinin en çok korozyon ve kirliliğe karşı hassas olduğu sonucuna da varabiliriz. Dolayısıyla korozyon ve kirlilik, iklimlendirme sistemlerinin kapasitesini ve enerji tüketimini önemli oranda etkileyecektir.

2. Test açıklaması

Korozyon ve kirliliğin, yoğuşma sıcaklığı/basıncı ve dolayısıyla ısı eşanjörünün (ve iklimlendirme ünitesinin tamamının) kapasitesi üzerinde ne kadar etkisinin olacağını belirlemek için çeşitli testler uygulanır. Bu çalışmada üç test vakası sunulmuştur.

Vaka 1. Son derece aşındırıcı bir ortamda ısı eşanjörü kapasitesi kaybı

Birkaç ısı eşanjörü, son derece aşındırıcı koşullara maruz bırakılmıştır. Bu maruz bırakılmaların öncesinde ve sonrasında termal dayanım ve basınç düşümü ölçülmüştür. Geometrinin, kaplamanın ve korozyonun ısı eşanjörü kapasitesi üzerindeki etkisini ölçmek üzere aşağıdaki ısı eşanjörleri teste tabi tutulmuştur:

• Çıplak alüminyum düz kanat
• Kaplamalı düz kanat
• Çıplak alüminyum panjurlu kanat
• Kaplamalı panjurlu kanat
• Çıplak alüminyum panjurlu kanat 17 FPI (kanat/inç)
• Çıplak alüminyum panjurlu kanat 22 FPI

Vaka 2. Enerji tüketiminin kontrolü için pilot tesis

İki adet split iklimlendirme sistemi eş zamanlı olarak çalışır. Her iki sistemde de emiş basıncı sensörleri, atış basıncı sensörleri ve enerji tüketimi sensörleri bulunur. Bir ünite korozyonu önlemek için Blygold PoluAl kaplama ile korunma altındadır, diğer ünite ise korozyona uğramış ve kirlenmiştir. Üniteler tamamen aynı koşullarda çalışmaktadır ve maruz bırakılma süresinin başlangıcında hiçbir basınç farkı göstermemektedir.

Üniteler 500 saat sonra tetkik edilerek basınç ölçümü yapılır.

3. Test vakaları

Bu bölümde korozyon ve kirliliğin ısı eşanjörünün kapasitesine etkisinin belirlendiği üç örnek olay sunulmaktadır. (Bu üç grafikteki 80 ft (24 metre) ünitenin denize olan mesafesini ifade eder.)

Vaka 1. Son Derece Aşındırıcı Bir Ortamda Isı Eşanjörü Kapasitesi Kaybı

6 ay sonra, 17 FPI serpantin başlangıç kapasitesinin %40’ından fazlasını kaybetti. 22 FPI serpantin başlangıç kapasitesinin %70’inden fazlasını kaybetti. Kanat yoğunluğu, korozif koşullarda kapasite kaybı için önemli bir parametre olarak gözükmektedir.

Bu grafikte ısı eşanjöründen geçen hava miktarının etkisi belirlenmektedir. Her iki serpantin de aynı boyuttadır ve düz kanat tipine sahiptir. 400 fpm (2 m/san) hava hızında ısı kapasitesindeki kayıp %40’ın üzerindeyken, 600 fpm (3 m/san) hızda kayıp %60’tan fazladır. Hava hızının (hava miktarı) önemli bir parametre olduğu gözükmektedir. Daha fazla hava, ısı eşanjörlerinin metallerine daha fazla aşındırıcı ortam getirecektir.

Bu grafikte 4 ısı eşanjörünün kapasite kaybı belirlenmektedir. Kanat tipinin ve kaplamanın etkisi bu grafik ile tespit edilebilir. Panjurlu kanatların kirliliğe ve korozyona karşı düz kanatlardan çok daha fazla hassas olduğu gözükmektedir. Kaplama işlemi korozyon sürecini yavaşlatmakta fakat durdurmamaktadır. Altı ay sonra kapasite kaybı kaplama olduğunda da büyük miktardadır.

Vaka 2. Enerji Tüketiminin Ölçümü için Pilot Tesis

Üniteler henüz 500 çalışma saati geçtikten sonra büyük farklar sergilemektedir. 2,9 barlık atış basıncı farkı (bu R-410A soğutucu akışkan için 4,9°C’ye eşittir) yaklaşık %5’lik bir soğutma kapasitesi azalmasına ve enerji tüketiminde %6 artışa sebep olur.

Vaka 3. Hong Kong’daki Soğutma Grupları - Uygulamalı Bir Vaka:

Blygold uygulanmış üniteler kirlilik veya korozyon sergilememektedir. Hiçbir işlem görmemiş üniteler kirlilik sergilememekte ancak orta derecede korozyon sergilemektedir. Korozyonun ünitenin kapasitesi üzerindeki etkisi atış basıncını (veya yoğuşma sıcaklıklarını) karşılaştırarak kontrol edilebilir.

Korozyon bulunan ile bulunmayan ünite arasında 4,1 bar atış basıncı farkı vardır. R22 soğutucu akışkan için bu 9 °C farka eşittir. Tüm bunlar sadece soğutma kapasitesinde bir fark (%9) oluşturmakla kalmaz, aynı zamanda verimlilikte düşüşe de sebep olur. Korozyona uğramış soğutma grubunda COP (Performans Katsayısı) 3,0 iken bu değer korozyona uğramamış soğutma grubunda 3,4’tür.

Soğutma kapasitesinde %9 azalmaya sebep olsa da, korozyona uğrayan ünitenin enerji tüketimi yaklaşık %12 daha fazladır.

Sonuçlar

• Korozyon ve kirlilik, iklimlendirme sistemlerinin kapasitesini etkileyecektir.
• Korozyon ve kirlilik, iklimlendirme sistemlerinin enerji tüketimini etkileyecektir.
• Korozyon ve kirliliğin ne kadar etkisi olacağını çevre, serpantin geometrisi, klima tipi, hava akışı, soğutucu akışkan, vs. belirleyecektir.
• Soğutma kapasitesi kayıplarının ılımlı bir ortamda 500 saatlik çalışma sonrasında %5 ile aşındırıcı bir ortamda 4400 saat sonrasında %70 arasında olduğu tespit edilmiştir.
• Enerji tüketimindeki artışın ılımlı bir ortamda 500 saatlik çalışma sonrasında (bakım yapılmadan) %6 ile aşındırıcı bir ortamda 7300 saat sonrasında (iyi seviyede bakım ile) %12 arasında olduğu tespit edilmiştir.
• Isı eşanjörlerinin üzerindeki korozyonu önlemek için yüksek kaliteli yöntemler kullanılması klima ünitesinin kapasitesindeki kaybı önleyecektir.
• Isı eşanjörlerindeki kirliliği yok etmek için periyodik bakım yapılması gereksiz kapasite kaybını önler ve enerji tüketimindeki iklimlendirme sistemlerinden kaynaklanan enerji tüketimini artırır.

Referanslar

BIREF1.1 Charles. Manger., Corrosion prevention by protective coatings (Koruyucu kaplamalar yoluyla korozyon önleme), National Association of Corrosion engineers, 1986

BIREF1.2 Energy Saving, Blygold Info Sheet (Enerji Tasarrufu, Blygold Bilgi Formu), Şubat 2000

BIREF1.3 Mines de Douai, Resultats d'essais d'echangeurs ailetes, 07-11-1996

BIREF1.4 Cost saving analysis of Chiller with Blygold and Chiller without Treatment, (Blygold uygulanmış ve uygulanmamış Soğutma Grubunun maliyet tasarrufu analizi), Carrier Hong Kong, Ekim 1999

BIREF1.5 Blygold Heat Conducting News, sayfa 3, Temmuz 1999

BIREF1.6 Carrier SA, corrosion test results of coils at Kure Beach (Kure Beach’deki serpantinlerin koroyon testi sonuçları), Haziran 1994

BIREF1.7 Energy saving effect of Blygold coating on chillers of Twin tower (İkiz kule soğutma grupları üzerinde Blygold kaplamanın enerji tasarrufuna etkisi), İsrail

BIREF1.8 Hudson/Shell test of Blygold corrosion resistance and capacity influence (Blygold korozyon dayanımı ve kapasite etkisi Hudson/Shell testi)