Genleşme Elemanı

Genleşme elemanı, kondenserden gelen yüksek basınçtaki soğutucu akışkanı evaporatör basıncına düşürmektedir. Soğutma sistemlerinde temel olarak üç tip genleşme elemanı kullanılmaktadır:

• Seviyeye Bağlı Çalışanlar o Taşmalı

• Basınca Bağlı Çalışanlar o Otomatik

o Kılcal Boru

• Sıcaklığa Bağlı Çalışanlar

o Termostatik ( iç dengelemeli veya dış dengelemeli ) o Elektronik

Bu çalışmada, değişken hızlı sistem üzerindeki etkilerini karşılaştırmak amacıyla hem termostatik hem de elektronik genleşme vanası kullanılmıştır. Bu genleşme elemanları önünde bulunan vana ile çalışma sırasında kullanılmayan genleşme elemanı ayrılabilmektedir.

6.1.6.1 Termostatik Genleşme Vanası:

En çok kullanılan genleşme elemanlarındandır. TGV, yay basıncını kullanarak kuyruk duyargası ve evaporatör basınç farkını kontrol eder. Şekil 6.9‘de TGV’nin çalışma sırasında dengelemeye çalıştığı basınçlar gösterilmiştir.

Şekil 6.9 Termostatik genleşme vanası (Özkol, 2007)

TGV’nin amacı, P1 = P2 + P3 dengesini sağlayarak evaporatörde sabit bir kızgınlık sağlamaktır. Burada,

P1: TGV’ yi açmaya çalışan duyarga gaz (genelde sistem ile aynı tip gaz) basıncı P2: TGV’ yi kapatmak için çalışan ve diyaframa alttan etki eden evaporatör basıncı P3: TGV yay basıncı olup diyaframa alttan etki etmektedir.

TGV’de duyarga tarafı ile evaporatör tarafını ayıran ve basınçların uygulandığı bir diyafram bulunmaktadır. Kondenserden evaporatöre geçiş deliğini açıp kapatan iğne diyafram ile birlikte hareket eder. TGV iğnesi aşağı hareket ettiği zaman geçiş deliği açılır, tersi durumda kapanır.

Evaporatör çıkışındaki soğutucu akışkanın buhar sıcaklığında değişikliğe neden olan iki etken vardır. Bunlardan ilki, vana ayar vidasıyla yay basıncını değiştirmek, diğeri de evaporatördeki ısıl yük değişimleridir. Duyarganın görevi evaporatörü terk eden buhar fazdaki soğutucu akışkanın sıcaklığını hissetmektir. Hedef, duyarga sıcaklığının soğutucu akışkanın buhar sıcaklığına eşit olmasıdır. Duyarga sıcaklığı yükselirken, duyarga basıncı da artarak vana iğnesinin vana yuvasından uzaklaşmasına ve daha fazla soğutucu akışkan geçişine neden olur. Vana, P1 = P2 + P3 dengesi yeniden sağlanana kadar açılmaya devam eder. Tersi durumda, duyarga sıcaklığı düşerken duyarga basıncı da düşerek vana iğnesinin vana yuvasına yaklaşmasına neden olarak evaporatör basıncı (P2) ve yay basıncı (P3) toplamı duyarga basıncını (P1) karşılayana kadar vana

P P Evaporatör Kondenser 3 ₂ Duyarga

kapanmaya devam eder. Yay basıncı, vana ayar vidası saat yönünde çevrilerek artırıldığında statik kızgınlık artar ve evaporatöre olan soğutkan akışı azalır. Bunun sonucunda evaporatör sıcaklığı artarak, evaporatörde soğutkanın tamamıyla buharlaştığı nokta evaporatör içinde daha geriye gelir, dolayısıyla evaporatörde buhar fazdaki soğutkanın ısınacağı alan daha da artar. Yay ayar vidasının saatin tersi yönünde çevrilmesi durumunda, yay basıncı azalır (statik kızgınlık azalır) ve bu durum vananın soğutkan akışını artırdığı gibi soğutkan buharı ve duyarganın sıcaklıklarını azaltır. Yay basıncı vanayı kontrol eden kızgınlığa karar verir. Yay basıncını arttırmak kızgınlığı artırırken, azaltmak kızgınlığı azaltır. Evaporatörde basınç kaybının büyük olduğu soğutma sistemlerinde evaporatördeki basınç çıkışa göre daha yüksek olmaktadır. Bu durum, soğutucu akışkanın çıkıştaki gerçek durumumu hakkında bilgi vermemekte ve TGV olması gerekenden daha kısık olarak çalışmaktadır. Bu nedenle, büyük sistemlerde diyafram altına etki eden evaporatör basıncı çıkıştan alınan bir dengeleme borusu ile yapılır. Bu sistemler dış dengelemeli TGV olarak adlandırılır. Bu sistemlerde, TGV duyargası dış dengeleme borusu öncesine yerleştirilmelidir. Yapılan çalışmada, evaporatördeki basınç kayıplarının büyük olması nedeniyle (30 kPa) dış dengelemeli Sporlan FJE–1-½-C model TGV kullanılmıştır.

6.1.6.2 Elektronik Genleşme Vanası:

Değişken hızlı kompresöre sahip soğutma sistemlerinde, daha iyi performans sergilemesi nedeniyle EGV’ları kullanılmaktadır. Şekil 6.10‘da gösterildiği gibi kontrol şekline göre üç tip EGV bulunmaktadır: step motorlu vanalar (a), oransal manyetik bobinli vanalar (b) ve açıp kapama sürelerinin kısaltılıp uzatılması sonucu soğutkan akışının sağlandığı vanalar (b).

Şekil 6.10 Elektronik genleşme vanası tipleri (Sporlan, 2007)

EGV’de kontrol, evaporatör çıkışındaki soğutucu akışkanın kızgınlık değerine göre yapılır. Uygulamalarda soğutucu akışkan kızgınlık değeri hesabı için iki yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden ilkinde, evaporatör çıkışındaki soğutucu akışkan sıcaklığı ölçülerek, kompresör emişindeki soğutucu akışkan basıncına karşılık gelen doyma sıcaklığı ile arasındaki fark alınarak kızgınlık hesaplanır. Diğer yöntemde ise, evaporatör giriş ve çıkışındaki soğutucu akışkanın sıcaklık farkı alınarak hesaplama yapılır. Step motor kontrollu EGV’de, kızgınlık değerini ayarlanan değerde sabit tutmak için motor milinin aşağı hareketi ile vanadan geçen soğutucu akışkan miktarı azaltılmakta (kızgınlık artar), yukarı hareketinde ise vanadan geçen soğutucu akışkan miktarı arttırılmaktadır (kızgınlık azalır). Bu kontrol elektronik olarak sağlanmaktadır ve step motora ilgili hareketi yapması için sinyal gönderilir. Genleşme vanasını açıp kapatmak için dairesel hareket doğrusal harekete çevrilir. Torku arttırmak için dişliler kullanılır. Bu sayede daha küçük bir motor fazla zorlanmaya maruz kalmadan kullanılabilmektedir. Oransal manyetik bobinli vanalar, tam açık veya tam kapalı çalışmak yerine doğru akımla beslenen elektromıknatıs bobininin, manyetik alan kuvveti değiştirilerek vananın istenen bir açıklıkta kalması sağlanır. Açma sürelerinin kısaltılıp uzatılmasıyla soğutkan akışının kontrolünün yapıldığı vanalar (Pulse-Width Modulated) tam açık ya da tam kapalı solenoid vanalardır. Bu tip vanalarda, sistemden geçecek olan soğutucu akışkan miktarı vananın açık halde bulunduğu süreyle belirlenir. Örneğin; 5 saniye aralıkla açılıp kapanan bir solenoid vanada debinin %40’a düşürülmesi istendiği takdirde vana 2 sn açık kalıp, 3 sn kapalı kalacaktır. Sıvı

soğutkanın boru içinde, yaklaşık 0,5 m/sn hızla akarken vananın aniden kapanması halinde birçok titreşim meydana gelir. Bu nedenle bu tür vanaların kullanımı titreşim açısından dezavantajlıdır. [Özkol, 2007] Bu çalışmada, step motor kontrollu 47-1,8 DPF(Q) model EGV kullanılmıştır. Kullanılan EGV Şekil 6.11’de gösterilmiştir.

Şekil 6.11 Kullanılan elektronik genleşme vanası

Step motorun kontrolu için gerekli kontrol kartı tasarlanarak, kontrol amaçlı Matlab kodu yazılmıştır. Vananın kontrolu ise bulanık mantık kontrol algoritması kullanılarak yapılmıştır. Matlab kodu evaporatör çıkışındaki gerçek kızgınlık değeri ile istenen değer arasındaki farka göre step motora açılma ya da kapanma sinyali göndermektedir. Bilindiği gibi kızgınlık arttıkça genleşme vanasının açılarak daha fazla soğutucu akışkan göndermesi, kızgınlık azaldığı durumda ise genleşme elemanının kapanması gerekmektedir.

6.1.7 Evaporatör

Soğutulacak ortam ya da akışkandan ısı çekilerek soğutmanın gerçekleştiği elemandır. Evaporatörlerde, soğutulacak akışkan hava ya da su olabilir. Bu çalışmada, su soğutmalı evaporatör kullanılmıştır. Kullanılan evaporatör gövde-boru tipi olup, 40

litre su kapasitelidir. Boruların dış çapı 9,5 mm, uzunluğu 11 m olup toplam ısı transfer alanı 0,33 m2 dir.