Düşük Lıft Koşulları Ve Optimum Santrifuj Kompresörlü Su Soğutma Grubu Tasarımı

Konfor soğutma uygulamaları için kullanılan su soğutmalı santrifüj kompresörlü su soğutma grupları; genellikle İklimlendirme, Isıtma ve Soğutma Enstitüsü (AHRI) tarafından belirlenen standart koşullar [6,7°C evaporatör su çıkış sıcaklığı (LCHWT) ve 29,4°C kondenser su giriş sıcaklığı (ECWT)] için tasarlanmıştır. Ancak bir çok soğutma uygulamasında AHRI standart koşulları geçerli olmamaktadır.

Bir santrifüj kompresörlü su soğutma grubunun daha yüksek LCHWT veya daha düşük ECWT ile verimli bir şekilde çalışabilmesi için bazı özelliklere sahip olması gerekir. Bu özelliklerin önemini anlamak için öncelikle kompresör lift ’in termodinamiğini ve soğutma grubunun performansıyla olan ilişkisini anlamak gerekir. Bu bilgi, düşük lift koşullarına sahip soğutma uygulamaları için uygun su soğutma grubu seçimini kolaylaştıracaktır.

Kompresör Lift : Tasarım Dışı Performansı Anlamanın Anahtarı

Tasarım dışı performanstaki farklılıklar soğutma grubunun kompresörüyle başlar. Kompresör, soğutucu akışkanı evaporatör basıncı/sıcaklığından kondenser basıncı/sıcaklığına yükseltmek için kullanılır ve bunu yaparken belli bir miktar enerji tüketir. Bu iki basınç arasındaki fark “ head “, sıcaklık arasındaki fark ” lift ” olarak ifade edilir ve kompresörün “ basma yüksekliği ” olarak da adlandırılabilir.

Kompresörlerin çalışması, termodinamik çevrimi yapılan soğutucu akışkanın hacmi (kapasite) ve kompresör boyunca bu akışkanda oluşan sıcaklık farkı (lift) olmak üzere iki bileşenin vektör toplamıdır (Şekil 1,2). Geometri ve motor kısıtlamaları sebebiyle, bir santrifüj kompresör sadece belli bir kapasitede çok fazla sıcaklık farkı (lift) ya da tam tersini sağlayabilir.

Lift, tanımlanan basınç/sıcaklık ilişkileri kullanılarak evaporatör ve kondenserdeki su çıkış sıcaklıkları ile de ölçülebilir. Lift ‘i etkileyebilecek birçok durum olsa da en büyük etkiye sahip olan faktör ECWT ’dir. LCHWT ve kondenser su debisi sabit olduğunda, ECWT lift için bir ölçü olarak kullanılabilir. Çünkü çoğu kondenser su sistemi sabit akış için tasarlandığından, ECWT lift için en yaygın ölçüdür. Kondenser basıncını düşürmek için düşük ECWT kullanılarak, lift %50’ ye varan oranlarda azaltılabilir. Lift azaldığında kompresör yükü de azalır. Bu durumda soğutma grubu enerji tüketimi önemli ölçüde düşecektir.

  • SCT : Saturated Condensing Temperature (Doymuş Yoğuşma Sıcaklığı)
  • SST : Saturated Suction Temperature (Doymuş Emiş Sıcaklığı)
  • LIFT = SCT – SST

Lift kavramını daha iyi açıklamak için şu şekilde bir benzetme yapabiliriz :

Bir tepenin üzerine bir kaya parçasını fırlatmaya çalışan bir insan hayal edecek olursak, burada; kaya parçasının ağırlığını kompresör yükü, fırlatılacağı yüksekliği de kompresör basma yüksekliği yani lift olarak tanımlayabiliriz (Şekil 3). Kaya parçasının fırlatılması gereken yükseklik ne kadar düşük olursa, fırlatan kişinin harcayacağı enerji de buna oranla daha az olacaktır (Şekil 4).

Konfor Soğutmasında Lift ‘in Önemi

Konfor soğutması uygulamalarında, kondenser su giriş sıcaklığı (ECWT) lift ile ilişkili bir ölçüdür. Daha düşük ECWT, düşük lift durumunu gösterir ki bu da kompresör yükünü azaltır (Şekil 5).

Aradaki ilişki şu şekilde özetlenebilir :

Daha düşük ECWT = Daha düşük lift = Daha az kompresör yükü = Daha az enerji tüketimi

Konfor soğutması uygulamalarında, ortam hava koşulları genellikle tesis sahiplerinin 10°C ‘ye kadar düşük ECWT ‘den faydalanabilmelerine izin verir. Düşük ECWT kullanılması soğutma grubunun verimliliğini önemli ölçüde artırır. Soğutma yükünün azaltılması yerine lift ‘in düşürülmesi ile daha yüksek soğutma verimliliği sağlanabilir. Düşük lift sayesinde elde edilebilecek verim iyileştirmeleri, hem tek hem de çoklu soğutma grubu uygulamalarında gerçekleştirilebilir.

Proses Soğutmasında Lift ‘in Önemi

Proses soğutması uygulamalarında ise evaporatör su çıkış sıcaklığı (LCHWT) lift ile ilişkili bir ölçüdür. Daha yüksek LCHWT daha düşük lift anlamına gelir

Dolayısıyla, düşük lift koşullarına sahip proses soğutması uygulamaları için formül şu şekilde değişir:

Daha yüksek LCHWT = Daha düşük lift = Daha az kompresör yükü = Daha az enerji tüketimi

Proses soğutması uygulamalarında kullanılan soğutma grupları, kompresör yükünün etkili bir şekilde azaltılmasını sağlamak için daha yüksek LCHWT ’den yararlanabilecek şekilde tasarlanmalıdır. Bu şekilde proses tesislerinde önemli ölçüde enerji tasarrufu elde edilebilir. Çünkü soğutma gruplarının verimliliği yüke oranla lift ‘ten daha fazla etkilenir. Bu tür verim iyileştirmeleri, hem tek hem de çoklu soğutma grubu uygulamalarında gerçekleştirilebilir.

 

Düşük Lift Koşulları İçin Tasarlanmış Bir Santrifuj Kompresörlü Su Soğutma Grubunun Özellikleri

Her santrifuj kompresörlü su soğutma grubu, düşük ECWT ya da yüksek LCHWT koşullarında çalışabilecek şekilde tasarlanmamaktadır. Aslında bir santrifüj kompresörlü su soğutma grubunun düşük lift koşullarında çalışabilmesini etkileyen dört tasarım faktörü vardır :

  1. Motor tasarımı
  2. Orifis tasarımı
  3. Yağ yönetim sistemi
  4. Kompresör aerodinamiği
  5. Motor Tasarımı

Santrifüj kompresörlü su soğutma grupları için iki temel motor seçeneği vardır: Kapalı (hermetik) veya açık tip.

Hermetik motor, soğutucu akışkan ile dolu bir motor boşluğunun içine yerleştirilmiştir (Şekil 7). Ne yazık ki bu, düşük lift koşulları için kötü bir yerleşim şeklidir.

Hermetik motorlu kompresörlerdeki basınç farkı, bütün çalışma koşullarında soğutucu akışkanın motor boşluğu boyunca yeterli akışını sağlayacak kadar yüksek olmalıdır. Yeterli akış sağlanamadığı taktirde, çekilen akım motor sargılarını aşırı ısıtacak ve yüksek motor sıcaklığı sebebiyle soğutma grubu duracaktır. Bu nedenle, hermetik motorlu soğutma gruplarının yeterli motor soğutması için kompresördeki yüksek basınç farkını sürekli korumaları gerekir. Hermetik motorlu soğutma gruplarında gerekli minimum basınç farkını sağlamak için kullanılan yaygın yöntem, lift düşmesini yapay olarak sınırlandırmaktır. Fakat lift ‘in düşürülmesini sınırlandırmak, kompresörün enerji tüketimini artırmaktadır.

Açık tip motor ise soğutucu akışkan devresinin dışında bulunur (Şekil 8). Bu nedenle hava ile soğutulabilir. Motor soğutması için soğutucu akışkan akışına ihtiyaç yoktur ve bu nedenle düşük lift koşulları sırasında oluşan soğutucu akışkan debisindeki değişikliklerden etkilenmez.

  1. Orifis Tasarımı

Orifis, kondenser ve evaporatör arasındaki soğutucu akışkan basınç düşümünü sağlayan soğutma grubu bileşenidir. Kondenserden gelen soğutucu akışkan evaporatöre girmeden önce bir genleşme cihazından geçmelidir. Santrifüj kompresörlü su soğutma gruplarında en yaygın kullanılan genleşme cihazı orifistir. İki orifis tasarım seçeneği bulunmaktadır: Sabit veya değişken.

Sabit orifis kullanılan bir soğutma grubunun düşük lift koşulları altında tam yükte verimli bir şekilde çalışması zordur ve bu durumla özellikle proses soğutması uygulamalarında sıklıkla karşılaşılmaktadır. Sabit orifisler, tasarım lift koşullarındaki yüksek kondenser basıncı için boyutlandırılır ve bunun sonucu olarak basınç farkının düşük olduğu koşullar için gerekli soğutucu akışkan akışına izin verecek büyüklükte değillerdir


Bir değişken orifis ise, vana boyunca yüksek basıncı dikkate alarak uygun soğutucu akışkan akışını korumak için otomatik olarak ayarlanır. Değişken orifis; tasarım lift koşullarında kısmen kapanır, düşük lift koşullarında ise uygun soğutucu akışkan akışını sağlamak için açılır. Bu özellik, çoklu soğutma grubu sistemlerinde çok daha önemlidir. Değişken orifis kullanılmadığında, soğutma grupları istenen seviyede yüklenemediği için ihtiyaç duyulan soğutma yükünü karşılayabilmek amacıyla daha fazla cihaz ve yardımcı ekipmanının (pompa, kule vs.) devreye girmesi gerekebilir. Bu bir soğutma tesisini işletmek için son derece verimsiz bir yoldur.

 

Sabit orifisli soğutma gruplarının düşük lift koşullarındaki tam yük problemini önlemek için bazı üreticiler 18,3°C ’ye kadar yüksek bir minimum ECWT değeri sağlama yolunu seçmektedir. Ancak soğutma grubunun çalışma istikrarını sürdürmek için lift ‘i artırma (yüksek kondenser sıcaklığı/basıncı) stratejisi, verimliliği artırabilecek düşük lift koşullarının mevcut olduğu durumlardaki tasarruf imkanını yok eder.

Düşük lift koşullarındaki ikinci bir sorun da kondenserde soğutucu akışkanın birikmesidir. Tek kademeli kompresörlü soğutma grubuplarında bir orifis, iki kademelide iki, üç kademelide üç orifis bulunmaktadır. Kondenserdeki soğutucu akışkan basıncı, her koşulda soğutucu akışkanı orifis(ler) ve evaporatöre doğru itebilecek yeterlilikte olmalıdır. ECWT düştükçe kondenserdeki soğutucu akışkan basıncının düşmesi, tek orifisli soğutma gruplarında bir problem yaratmamasına karşın birden fazla orifis kullanılan çok kademeli soğutma gruplarında sorunlara yol açmaktadır. Düşük lift koşullarında, kondenserdeki soğutucu akışkanı çoklu orifislerden evaporatöre doğru yeterince hızlı itmek için gerekli basınç sağlanamayabilir. Bu durumda soğutucu akışkan kondensere geri döner ve evaporatörde yeterli soğutucu akışkan basıncı sağlanamadığı için soğutma grubu kapanır.

Hermetik motorlu çok kademeli su soğutma gruplarının enerji performansını artırabilmek amacıyla düşük ECWT koşullarında çalışabilmesi için kondenserdeki su akışının azaltılması önerilir. Bu öneri iki nedenden dolayı hatalıdır: Birincisi; su akışının azaltılması, kondenserdeki sıcaklık ve basıncın artmasına sebep olur ve lift ‘in düşürülmesi amacını ortadan kaldırır. İkincisi; azaltılmış su akışı, tüplerin kirlenmesini artırarak yine kondenser basıncı ve lift ‘i yükseltir. Sonuç olarak, verimliliği artırabilmek için kondensere giren suyun akışı değiştirilmeden sıcaklığı düşürülmelidir.

Soğutma grubu tasarımı açısından, hem düşük lift koşullarında tam yük soğutma kapasitesinin sağlanabilmesinin hem de tasarım dışı enerji performansı elde edilebilmesinin yolu tek ve değişken bir orifis kullanmaktır.

  1. Yağ Yönetim Sistemi

Bir soğutma grubunun yağ yönetim sisteminin dizaynı düşük lift koşullarında çalışabilmesine etki etmektedir.

Kapalı tip motorlu santrifuj kompresörlü su soğutma guplarında, kondenserdeki soğutucu akışkan motor gövdesine akarak motor sargılarını soğutur ve daha sonra evaporatöre geçer. Motorun her iki ucunda, motor milini yağlamak için sürekli olarak basınçlı yağ ile beslenen yataklar bulunur. Yağ devresi ile soğutucu akışkan devresini ayırmak için de contalar kullanılır. Soğutucu akışkan basıncı, yağın contaya nüfuz etmesini ve soğutucu akışkan devresine sızmasını önleyecek kadar yüksek olmalıdır. Bu contalardan bir miktar yağ her zaman soğutucu akışkan devresine kaçar. Esas sorun, düşük ECWT koşullarında kondenserdeki ve hermetik motor gövdesindeki soğutucu akışkan basıncı düştüğü zaman ortaya çıkar. Contalar, düşük basınç farklarında (düşük lift koşullarında) yağın daha hızlı kaçmasına izin verirler. Çünkü akışkan basıncı artık contaları sıkı tutmak için yeterli yükseklikte değildir. Büyük miktarda yağ yataklardan motor gövdesine sızarak soğutucu akışkan ile karışmaya başlar ve bu soğutucu akışkan ile yağ karışımı yağın tutulduğu evaporatöre geçer (Şekil 10). Normal şartlarda fazla yağ kompresörün yağ karterinde bulunmalıdır. Bir süre sonra soğutma grubu düşük yağ basıncı sebebiyle kapanır.

Diğer bir problem, sıvı taşmalı gövde-boru (shell and tube) tipi bir evaporatördeki fazla yağın tüplerin üst tabakasına geçmesidir. Isı transferinin en iyi gerçekleştiği yer olması sebebiyle bu bölgedeki soğutucu akışkan yağ ile yer değiştirdiğinde, ısı transferi ve dolayısıyla soğutma grubu verimi önemli ölçüde zarar görür. Açık tip motorlu santrifüj kompresörlü su soğutma gruplarında, evaporatördeki soğutucu akışkandan yağı ayırmak ve yağ karterine geri döndürmek için bir yağ tahliye sistemi kullanılır. Bu tip bir sistem ile karterde daha fazla yağ kalmakta ve soğutma grubunun düşük lift koşullarında efektif olarak çalışabilmesi sağlanmaktadır.

  1. Kompresör Aerodinamiği

Santrifüj kompresörlü su soğutma gruplarında, kompresör tasarımı düşük lift performansı için oldukça önemlidir. Bunun sebebi, kompresör çarkının (impeller) çevresel dönüş hızı (Şekil 11) uygulama için optimize edildiğinde santrifüj kompresörün en verimli şekilde çalışmasıdır.

Çarkın doğrudan motora bağlı olduğu bir kompresörde çevresel dönüş hızını ayarlamanın tek yolu çark boyutunu değiştirmektir. Aralarından seçim yapılabilecek nispeten az sayıda çark boyutu bulunduğundan, kompresörün çevresel dönüş hızının ayarı sınırlıdır ve performansı buna bağlı olarak düşer. Bir dişli tahrikli kompresörde (Şekil 12) ise çevresel dönüş hızı, çark boyutu ve dişli oranının birleştirilmiş bir fonksiyonudur. Her kompresör boyutu için birçok çark boyutu ve her çark boyutu için de birçok dişli kombinasyonu mevcuttur. Bunun sonucu olarak, düşük lift uygulamasının gereksinimlerini en verimli şekilde karşılayacak kompresör seçilebilir.

Özet

Soğutma grupları, yük veya basınç oranlarındaki değişikliklere verdiği yanıtlar açısından evrensel değildir. Birden fazla soğutma grubuna sahip tesisler de dahil olmak üzere, çoğu zaman soğutma kulesindeki kısmi yüklerde ve/veya hesaplanan değerlerin dışındaki su sıcaklık derecelerinde (ya da hesaplanan değerlerin haricinde dış ortam sıcaklıklarında) çalışmasından dolayı soğutma gruplarının tasarım dışında kalan performansı oldukça önemlidir.

Geçmişte, su soğutma grupları için verimlilik karşılaştırmaları tasarım koşullarındaki enerji derecelendirmelerine dayanmakta ve tasarım koşullarındaki düşük enerji tüketiminin her koşulda otomatik olarak düşük enerji tüketimi ile sonuçlanacağı varsayılmaktaydı. Görüldüğü gibi bu varsayım hatalı sonuçlara yol açabilmektedir. Çünkü tasarım koşullarında yüksek verimli olan su soğutma grupları, tasarım dışı koşullarda verimliliğini koruyamayabilir. Soğutma grupları çalışma saatlerinin büyük çoğunluğunu da tasarım dışı koşullarda geçirirler.

Düşük lift koşullarına uyum sağlayabilen santrifüj kompresörlü su soğutma grupları, birçok soğutma uygulamasında enerji tüketimini önemli oranda azaltabilmektedir. Bu soğutma grupları, etkileyici tam yük performanslarına ek olarak kısmi yük koşullarında da yüksek verim sağlamak için 10°C ’ye kadar düşük kondenser su giriş sıcaklığı (ECWT) ’ndan faydalanabilir. Bu tür soğutma gruplarından işletme ömürleri boyunca elde edilebilecek tasarruf miktarları dramatik olabilir.

Düşük lift koşullarından faydalanabilmek için santrifuj kompresörlü su soğutma grupları;

  • Uygun motor soğutmasını sağlayacak açık tip bir tasarıma,
  • Uygun soğutucu akışkan akışını sağlayacak tek değişken orifise,
  • Yağın karterde kalmasını sağlayacak bir yağ tahliye sistemine,
  • Kompresör çarkının çevresel dönüş hızını uygulamaya göre kolaylıkla optimize edecek bir dişli tahrikli kompresör sistemine sahip olmalıdır.

Benzer İçerikler

Yorum Ekle