SAYISAL METODLARIN SOĞUTMA DÜNYASINA UYGULANMASI
STANDART SOĞUTMA ÇEVRİMİ
Dr. M. Turhan Çoban
Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi
Makine Mühendisliği Bölümü
turhan.coban@ege.edu.tr
1. ÖZET
Sayısal metodları kullanarak standart soğutma çevriminin irdelenmesi detaylarıyla incelenmiş ve bu
işlevi yapacak bilgisayar programının hazırlanması ile ilgili detaylar tanımlanmıştır. Bilgisayar programı
soğutma çevrimi.java ve insan ara yüzü programı soğutma çevrimi Table.java hazırlanmış ve
sunulmuştur.
2. GİRİŞ
Soğutucu akışkanların termodinamik özelliklerinin nasıl hesaplanacağı konusunda serinin önceki
yazılarında bilgi verilmişti. Bu sayımızda bu özellikleri kullanarak soğutma makinalarının büyük bir
kısmının temelini oluşturan standart soğutma çevrimini nasıl hesaplayabileceğimizi inceleyeceğiz.
Soğutma makinaları bir bölgeyi çevre sıcaklığının altında tutmak için kullanılan sistemlerdir. Bu tür
sistemlerde tek fazlı akışkan kullanılabileceği gibi iki fazlı akışkanlar da kullanılabilir. Genelde soğutma
uygulamaları, yiyeceklerin saklanması, binaların soğutulması gibi uygulamalar için düşünülür, fakat bir
çok farklı uygulaması da mevcuttur. Örneğin uzay araçlarının sıvı yakıtlarının eldesi, demir çelik
fabrikalarında kullanılan oksijenin elde edilmesi , doğal gazin taşınması ve depolanması gibi alanları
kapsayabilir.
Soğutma makineleri temel olarak güç üretme makinelerinin tersi prensiple çalışır. Dışarıdan iş girerek
soğu enerjisi elde edilir. Hepimiz elimize dökülen kolonyanın serinlik verdiğini biliriz. Bunun temel
nedeni kolonyanın içindeki alkolün buharlaşması sonucu çevresinden (elimizden) ısı enerjisi
çekmesidir.
Soğutma makinelerinin çoğu genel olarak bir çalışma akışkanının düşük basınçta buharlaştırılması ve
yüksek basınçta tekrar sıvılaştırılması prensibine dayanır. Soğutma akışkanlarının sıkıştırılması
genelde kompresör dediğimiz aygıtlarla gerçekleşir. Kompresörler genel olarak piston silindir tipi,
turbokompresörler, vida tipi kompresörler, ses dalgalarıyla sıkıştırma gibi değişik tiplerde olabilir.
Buharlaşma işlemi (prosesi) buharlaştırıcı (evaporatör) ismi verilen ısı değiştiriciler kullanılarak
oluşturulur. Buharlaşma işleminde çevre ısı sıvı veya gaz akışıyla çevreden çekilir. Yoğuşma işlemi
yoğuşturucu (kondenser) ismini verdiğimiz ısı değiştiricileri kullanılarak gerçekleştirilir.
Soğutma akışkanlarının aynı zamanda genleştirilmesi de gerekmektedir. Genleşme ideal
olarak bir türbin veya genleşme makinesinde yapılabilir, fakat standart soğutma çevriminde
bir genleşme vanası veya lüle, kılcal bir boru veya delikli levhalar kullanmaya dayanır. Şekil
1 de Standart soğutma çevrimi bileşenlerini şematik olarak görmekteyiz. Şekil 2 de böyle bir
soğutma sisteminin daha ayrıntılı ve gerçekçi bir diyagramını görmekteyiz. Şekillerden de
görüldüğü gibi soğutma makinesi temel olarak bir buharlaştırıcı (evaporatör), bir Yoğuşturucu
(Kondenser), bir kompresör ve bir genleşme vanasından oluşmaktadır.
Buharlaştırıcıda (Evaporatör) ortamdan ısı enerjisi çekilir,Yoğuşturucuda (kondenser) ise ısı çevreye
verilir. Yoğuşturucu ve buharlaştırıcı ikinci akışkan olarak olarak genelde hava, su, tuzlu su, antrifriz
gibi sıvılar kullanır. Buharlaştırıcıda soğutulan veya yoğuşturucuda ısıtılan ikincil akışkanlar ya
doğrudan ya da indirek olarak ikinci bir ısı değiştirgeci kullanılarak ısıtma/soğutma mahaline aktarılır.
Kompresör girişine 1, kompresör çıkışı - yoğuşturucu girişine 2, kompresör çıkışına 3 ve buharlaştırıcı
girişine 4 dersek, Bu sistemdeki buharlaştırıcının çevreden çektiği ısı :
Qbuharlaştırıcı = m * (h1 – h4) formülü ile hesaplanabilir.
Burada m akışkan debisi (kg/s) ve h entalpidir (KJ/kg). Soğutma çevriminde değişik akışkanlar
kullanılabilir. Buharlaştırıcı(Evaporatör) giriş ve çıkış şartları bilindiğinde entalpi değerleri önceki
haftalarda verdiğimiz denklem ve programlar yardımıyla (örneğin R22 için sogut1.java programını
kullanarak) ve toplam ısı akışı bu denklemden hesaplanabilir.
Yoguşturucuda (Kondenser) dışa atılan ısı ise
Q yoğuşturucu = m * (h2 – h3) formülü ile hesaplanabilir.
Kompresörün çektiği elektrik enerjisi :
Wkompresör = m (h2 – h1) / ηmekani-elektrik formülü ile hesaplanır. Buradaki ηmekani-elektrik kompresör mekanik
ve elektrik verimini ifade eder. Yoguşturucu(Kondenser) veya Buharlaştırıcı(evaporatör)deki ısı
transferinin kompresöre verilen mekanik işe oranına etkinlik katsayısı (COP) adı verilir.
COPbuharlaştırıcı = Qnbuharlaştırıcı / Wkompresör
COPkondenser = Qyoğuşturucu / Wkompresör
yoğuşturucu
Buharlaştırıcı etkinlik katsayısı soğutma sistemlerinde, Yoğuşturucu etkinlik katsayısı ısıtma
sistemlerinde (Isı pompalarında) kullanılır.
3. SİSTEM SİMULASYONU VE PROGRAMLAMA
Sistem simülayonunu hazırlamak için belli giriş parametrelerinin bilinmesi gerekmektedir. Burada
sistemden çektiğimiz ısı yükünün bilindiğini kabul ettik. Bundan başka buharlaştırıcı ve yoğuşturucu
tarafındaki işletme basınçlarını ve basınç düşümlerini bildiğimizi kabul edelim. İdeal yoğuşturucu ve
buharlaştırıcıda basınç düşümünü ihmal edebiliriz, fakat gerçek çevrimde bu değerler performansı
etkilediğinden bilinmesinde yarar vardır. Ayrıca buharlaştırıcı çıkışı belli bir miktar doymuş buharın
üzerinde kızgın buhar bölgesine çıkmış olacaktır. Çevrim performansını hesaplamak için kızma
miktarını, gaz çıkış sıcaklığının aynı basınçtaki doymuş buhar sıcaklığının kaç derece üstünde
olduğunu, bilmemiz gerekmektedir. Yoğunlaştırıcı çıkışında ise soğutucu akışkan çıkış basıncı için
doyma sıcaklığının genelde altında, sıvı bölgede yer alır. Yoğuşturucu soğuma sıcaklığını da bilmemiz
sistem performansını değerlendirme bakımından önemlidir. Normal olarak genleşme vanasındaki ısı
değişimini ihmal edebiliriz. Genleşme vanası ısı transferi göreceli olarak küçük bir değerdir, ancak
modelimizde bu değere de girdi olarak yer verilecektir. Buradaki sistem modelini basitleştirmek için
buharlaştırıcıdaki kızgın buhar ve yoğuşturucudaki sıvı bölgelerinde basınç düşümü olmadığını kabul
edeceğiz. Daha kompleks modellerde basınç düşümünün daha iyi değerlendirmelerini oluşturabiliriz.
Kompresör modellemesinde ideal termodinamik kompresörden (ısı transferi ve entropi değişimi
olmıyan (isentropik proses) İsentropik verim kadar sapma olduğunu kabul edeceğiz. Bu basit çevrim
için kompresör modelimizde ısı kaçışı olmadığı kabulü yapılacaktır.
Sırasıyla hesaplama adımlarını şu şekilde oluşturabiliriz :
0. step : soğutucu akışkan, soğutma ısı yükü ve diğer girdi parametrelerini sapta
1. step : Buharlaştırıcı çıkış basıncı = Buharlaştırıcı giriş basıncı – Buharlaştırıcı basınç düşümü
2. step : Buharlaştırıcı çıkış basıncı için buharlaştırıcı çıkış doyma sıcaklığını sapta
3. step :Buharlaştırıcı çıkış sıcaklığını hesapla, buharlaştırıcı çıkış termodinamik özelliklerini
hesapla
4. step : Kompresör çıkış (yağuşturucu giriş) basıncı bilindiği durum için sabit entropi prosesi
kullanarak kompresör çıkış isentropik noktasını hesapla
5. step : isentropik verimi kullanarak adyabatik kompresör prosesini hesapla
6. step : Yoğuşturucu çıkış basıncı = Yoğuşturucu giriş basıncı – Yoğuşturucu basınç düşümü
7. step : Yoğuşturucu çıkış basıncı için doyma sıcaklığını hesapla
8. step : Yoğuşturucu çıkış sıcaklığını hesapla, yoğuşturucu çıkış termodinamik özelliklerini
hesapla
9. step : Yoğuşturucu çıkış entalpisini ve genleşme vanası entalpi değişimini (veya ısı transferini)
ve buharlaştırıcı giriş basıncını kullanarak buharlaştırıcı giriş konumunu sapta
10. step : Buharlaştırıcı entalpi değişimi ve Buharlaştırıcı ısı yükünü kullanarak soğutucu akışkan
debisini hesapla
11. step : Yoğuşturucu entalpi değişimi ve akışkan debisi kullanarak yoğuşturucu ısı değişimini
hesapla
12. step : Kompresör entalpi değişimi ve akışkan debisini kullanarak kompresör gücünü hesapla.
Buradaki hesaplamaya kompresör mekanik ve elektriksel verimleri eklenerek kompresör
elektriksel gücüne geçilebilir.
13. step : Buharlaştırıcı ve yoğuşturucu tarafı etkinlik katsayısı (COP) hesapla
14. step : Yoğuşma eğrisini hesaplayarak logaritma P - entalpi diyagramını oluştur
Şekil
Şekil 2 Standart soğutma çevriminin ayrıntılı grafik gösterimi
4. BİLGİSAYAR PROGRAMLARININ TANIMLANMASI
Sistem simülasyonunuzu soğutma cevrimi.java programında yukarıda anlattığımız esasa göre
oluşturuldu. Soğutma akışkanı olarak modelde sadece R22 akışkanını tanımlandı, fakat soğutucu
akışkan sayısı kolaylıkla her tür soğutucu akışkan için daha önce verilen modeller üzerinden
çoğaltılabilir. Modelimizde aynı zamanda grafik ortamda standart soğutma çevriminin normal
gösterimi olan basınç - entalpi diyagramını da çizdirecek alt programlara yer verildi.
Aşağıda tanımlanan java program parçacığında soğutma çevrimi sınıfını kendi programınızda nasıl
kullanılabileceği ile ilgili bir örnek görülmektedir.
Q_evap=10.0; //buharlaştırıcı ısı yükü KW
Pevap=245.53; //buharlaştırıcı mutlak basıncı kPa
dPevap=20.0; //buharlaştırıcı basınç düşümü kPa
dTevap=5.0; //buharlaştırıcı doymuş buhar-kızgın buhar sıcaklık farkı
Pcond=1192.12; //yoğuşturucu mutlak basıncı kPa
dPcond=20.0; // yoğuşturucu basınç düşümü kPa
dTcond=5.0; // yoğuşturucu doymuş buhar-sıvı sıcaklık farkı
dhgenlesme=2.0; // genleşme vanası entalpi farkı
isentropikverim=0.95; // isentropic verim
sogutmacevrimi s1=new sogutmacevrimi(sm.sc.s, Q_evap,Pevap,dPevap,dTevap,Pcond,dPcond,
dTcond,dhgenlesme,isentropikverim);
a[]=s1.cikti();
çıktılar a boyutlu değişkenine aktarılmaktadır. a değişkenindeki değerler şunlardır:
Şekil 3 Standart soğutma çevrimini analiz eden sogutmacevrimi.java programını
kullanıcı ara yüzü sogutmacevrimiTable.java programının grafik gösterimi
a[0]=m; // debi kg/s
a[1]=W; // kompresör gücü kW
a[2]=Q_evap; //buharlaştırıcı ısı çekişi kW
a[3]=Q_cond; //yoğuşturucu ısı atımı kW
a[4]=COP_evap; // buharlaştırıcı etkinlik katsayısı
a[5]=COP_cond; // yoğuşturucu etkinlik katsayısı
a[6]=T[1];
a[7]=P[1];
a[8]=h[1];
a[9]=T[2];
a[10]=P[2];
a[11]=h[2];
a[12]=T[3];
a[13]=P[3];
a[14]=h[3];
a[15]=T[4];
a[16]=P[4];
a[17]=h[4];
T sıcaklık derece C, P basınç kPa ve h entalpi kJ.kg dır.
Şekil 4 Standart soğutma çevrimini analiz eden sogutmacevrimi.java programını
kullanıcı ara yüzü sogutmacevrimiTable.java programında hesaplanan p-h (basınçentalpi)
diyagramı grafik gösterimi
Soğutma çevrimini sadece sonuç olarak hesaplamak isteyenler için kullanıcı ara yüzü
sogutmacevrimiTable.java programı hazırlanmıştır. Bu program çalıştırıldığında üstteki program
parçacığındaki tüm sonuçları grafik ekranında yazılı olarak vermektedir Bu programın çıktısı ve
bundan önce bu yazı dizimizde yer alan diğer programların hepsi www.essiad.org.tr/termodinamik
adresine yerleştirilmiştir. Ancak herhangi bir nedenle bu adrese ulaşamasanız, ESSIAD’dan veya beni
yazının başında yer alan elektronik postamdan arayarak temin edebilirsiniz. Ara yüz programı Şekil 3
ve arayüz programının basınç-entalpi diyagramı grafik çıktısı Şekil 4 de gösterilmiştir. Daha detaylı
kondanser, evaporatör, genleşme vanası ve kompresör modellerini geliştirmeye devam edeceğiz.
5. SONUÇ
Standart soğutma sisteminin bir modeli hazırlanmıştır. Burada kullandığımız model standart
termodinamik modeldir. Soğutucu akışkanların termodinamik özelliklerini hesaplayan sogut.java,
sogut1.java, sogutMBWR.java gibi programları geliştirdikten sonra göreceli olarak kolay bir
programlamadır. Bu program bilhassa deneysel olarak sistemden ölçülen değerler kullanılarak sistem
performansının hesaplanması için kullanılabilir.
6. KULLANILAN SİMGELERİN ANLAMLARI VE BİRİMLERİ
P : Basınç kPa
T : Sıcaklık C
s : Entropi kJ/kg-K
h : Entalpi kJ/kg-K
m : akışkan debisi kg/s
İndisler :
1 : buharlaştırıcı çıkışı, kompresör girişi
2 : kompresör çıkışı, yoğuşturucu girişi
3 : yoğuşturucu çıkışı, genleşme vanası girişi
4 : genleşme vanası çıkışı, buharlaştırıcı girişi
6. REFERANSLAR
1.Thomas H. Kuehn, Jams W. Ramsey, James L. Threlkeld, Thermal Environmental Engineering,
Prentice Hall, 3üncü baskı, 1998, ISBN 0-13-917220-3
2.M. Turhan Çoban, Java 2 Programlama Kılavuzu, ALFA yayınevi, ticarethane sok no 41/1 34410
cagaloglu Istanbul, ISBN 975-316-631-1
3.Kenneth Wark, Jr. Thermodynamics, Mc-Graw Hill International Editions, 5inci baskı, 1989, ISBN 0-
07-068286-0
