Soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılan transkritik çevrimlerin sayısal ve deneysel incelenmesi

Abstract

Soğutma, iklimlendirme ve sıcak su hazırlama endüstrilerinde kullanılan buhar sıkıştırmalı çevrim, düşük sıcaklıkta buharlaşarak ısı çeken ve yüksek sıcaklıkta yoğuşarak bu ısıyı farklı bir ortama taşıyan soğutucu akışkanlara ihtiyaç duymaktadır. Uzun yıllardan beri bu tür sistemlerde kullanılan CFC ve HCFC gazlarının ozon tabakasına zarar verdiğinin anlaşılması üzerine, bu maddelerin kullanımı Montreal Protokolü ile yasaklanmıştır. CFC ve HCFC soğutkanlarına alternatif olarak geliştirilen HFC gazlarının ise, küresel ısınma etkisi olduğu tespit edilmiş ve bu gazların kullanımı da Kyoto Protokolü ile kısıtlanmıştır. Bu bağlamda, ozon tabakasına zarar vermeyen ve küresel ısınma etkisi olmayan alternatif soğutucu akışkanlar üzerine yapılan çalışmalar son yıllarda artmıştır.1900'lü yılların başında özellikle gemilerdeki soğutma sistemlerinde soğutkan olarak kullanılan karbondioksit [1], CFC, HCFC ve HFC soğutkanlarının çevreye verdiği zararın anlaşılması, doğal soğutkanlar olan amonyağın zehirli, hidrokarbonların (HC) ise yanıcı olması nedeniyle 1990'lı yılların ortalarında tekrar gündeme gelmiştir. Soğutma, klima ve su ısıtıcısı uygulamaları üzerine yapılan çalışmalar, literatür özeti kısmında da görüleceği üzere günümüze kadar artarak devam etmiştir.Diğer soğutkanlarla karşılaştırıldığında, 31.06°C gibi oldukça düşük bir kritik sıcaklığa sahip olan karbondioksitin (CO2) farklı çevrimlerdeki uygulamalarında, ısının atıldığı ortam sıcaklığının kritik sıcaklıktan yüksek olması durumunda, kritik altı bölgede sabit sıcaklık ve basınçta gerçekleşen yoğuşma prosesinin yerini sabit basınç ? değişken sıcaklıkta gerçekleşen gaz soğuma prosesi almakta ve böylelikle transkritik soğutma / ısı pompası çevriminden bahsedilmektedir. CO2 çevrimlerinin transkritik olma özelliğinin yanısıra, aynı doyma sıcaklıklarında doyma basıncının diğer soğutkanlara göre 10-20 kat daha yüksek olması, sistemde kullanılan kompresör, ısı değiştiricisi ve kısılma cihazı gibi komponentlerin tasarımında da önemli değişiklikler gerektirmekte ve bu konular literatürde detaylı olarak çalışılan başlıklar arasında yer almaktadır.Soğutucu akışkan olarak CO2 kullanan transkritik çevrimlerin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi başlıklı proje kapsamında, literatürde bazı sayısal ve deneysel çalışmalar mevcut olsa da, özellikle -10°C'tan daha düşük buharlaşma sıcaklığı gerektiren uygulamalar için yapılmış herhangi bir çalışmaya rastlanmamıştır. Derin dondurucu bölmesine sahip ev tipi buzdolaplarında buharlaşma sıcaklığının -30°C mertebesinde olması nedeniyle, -10°C'tan daha düşük sıcaklıkları incelenmiş ve bu sıcaklıklar için optimum egzoz basıncı değerlerinin gözlemlenmiştir. Projenin deneysel kısmında, ticari olarak temin edilen CO2 kompresörünün performansının belirlenmesi için deneysel bir sistem kurulmuş ve kompresör performans karakteristikleri deneysel olarak elde edilmiştir.Proje kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda, kompresör performansının karakterize edilebilmesi için ?kalorimetre? adı verilen kompresör performans deney düzeneği kurulmuştur. Bu tür bir sistem ile kompresör giriş ve çıkış basıncı, ortam sıcaklığı ve aşırı soğuma ve aşırı kızdırma sıcaklıklarının hassas olarak kontrol edilmesi sayesinde, kompresör soğutma kapasitesi ve soğutma etkinlik katsayısının (SEK) deneysel olarak tespit edilmiştir.