Kompresörlerde soğutma sistemi optimizasyonu

Abstract

Kompresörler sanayinin hemen her alanında aktif olarak kullanılmakta olan ve farklı teknolojilerle basınçlı hava üreten makinelerdir. Kompresörler basınçlandırılma teknolojisine göre pozitif deplasmanlı ve dinamik kompresörler olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Bu gruplardan yaygın olarak kullanılan pozitif deplasmanlı kompresörlerdir. Pozitif deplasmanlı, dönel hareketli kompresör grubunda olan vidalı kompresörler enerji verimliliği ve sessizliği nedeniyle tercih edilmektedir. Vidalı kompresörler de kendi arasında temel olarak yağ enjeksiyolu ve yağsız kompresörler olmak üzere iki gruba ayrılır. Yaygın olarak kullanılan yağ enjeksiyonlu vidalı kompresörlerde basınçlandırma işlemi sırasında, vida bloğuna yağ enjeksiyonu yapılmaktadır. Sıkıştırma sonrası çeşitli ayrıştırma yöntemleriyle, basınçlı hava yapısındaki yağ ve yağ buharı ayrıştırılsa da içeriğinde yaklaşık 0.01mg/m³ yağ buharı bulunur. Bu sebeple son yıllarda özellikle, gıda, ilaç, medikal, kimya, kozmetik ve elektronik sektörlerinde üretim yapan tesislerde yağsız vidalı kompresörler tercih edilmektedir. Yağsız vidalı kompresörlerde sıkıştırma işlemi sırasında hava yalın halde sıkıştırıldığından, sıkıştırma sonunda herhangi bir ayrıştırma işlemine gerek duyulmamaktadır. Fakat sistemdeki ısıyı uzaklaştıran herhangi bir akışkan olmadığı için hava kademeli olarak sıkıştırılmakta ve kademeler arası soğutma yapılmaktadır. Kompresör tasarımcılarının temel çalışma konularından biri de sistemin termodinamik hesaplamalardır. Sıkıştırılacak gazın sıkıştırma ünitesine iletilmeden önceki ve sıkıştırma sonundaki termofiziksel özellikleri, sıkıştırma ünitesinin verimini gösterir. Sıkıştırıldıktan sonraki; ayrıştırma, soğutma ve basınçlı hava hattına iletme işlemleri ise sisteminin verimi olarak belirtilmektedir. Tüm parametrelerin bir araya gelmesiyle kompresör özgül güç tüketimi hesaplanır. Enerji verimliliğinin yüksek olması için özgül güç tüketiminin minimum olması gerekmektedir. Bu çalışmada yağsız vidalı kompresörlerin soğutma sisteminde kullanılan soğutucuların tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu parametreler doğrultusunda boyutsal limitler hesaplanmıştır. İki kademeli sıkıştırma işleminden geçerek basınçlandırılan havanın kademe çıkışlarındaki sıcaklık değerlerinin yüksek olması, bu sıcaklıklara dayanıklı paslanmaz çelik ön soğutma sistemi kullanımı gerektirmektedir. Ön soğutucularla belli bir seviyeye getirilen basınçlı hava sıcaklıkları radyatörler yardımıyla nihai sıcaklık değerine soğutulmaktadır. Kompresörün özgül güç tüketim hedefi doğrultusunda, ısıl yükün sistemden atılmasında kullanılacak olan soğutucu fanların kapasitelerini etkileyen, radyatör yüzeylerinde oluşan geri basıncın ve basınçlı havanın soğutulması sırasında oluşacak basınç kayıplarının azaltılması için limit değerler belirlenmiştir. Soğutma sisteminin matematik modeli oluşturulup, belirlenen limitler doğrultusunda MATLAB programı kullanılarak boyutsal optimizasyon yapılmıştır. Yapılan çalışmalar ile soğutma sisteminde kullanılan paslanmaz çelik soğutucuların ve alüminyum radyatörlerin yüzey geometrileri optimize edilerek, oluşan basınç kayıpları hesaplanmıştır. Hesaplanan toplam basınç kayına göre sistem soğutma ihtiyacını karşılayacak fan tasarımları yapılmıştır. Hesaplara göre tasarlanan soğutma sistemi iki kompresör modeli üzerinde test edilerek hesap ve test sonuçları karşılaştırılmıştır.