Otomobil Yolcu Kabininin Soğutulması

Motor soğutma suyu kaynaklı ısıtma sistemi, her iklim durumunda taşıt içerisinde istenilen konfor şartını sağlayamaz. Sürücünün konforu ve güvenliği açısından taşıt içerisindeki bağıl nem değerinin %30 ile %70 arasında tutulması gereklidir. Ayrıca, dış hava sıcaklığı 20 ºC üstüne çıktığında gerekli konfor sıcaklığının sağlanabilmesi için havanın soğutulması gerekir. Bu da günümüzde buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi kullanılan R134a soğutucu akışkanlı klima sistemleri ile yapılmaktadır (Bosch, 2000). Soğutma makineleri ve ısı pompası sistemlerinde günümüzde en yaygın olarak kullanılan sistem, buhar sıkıştırmalı R134a kullanılan soğutma çevrimidir. Çevrim temel olarak kompresör, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve genleşme valfinden oluşmaktadır. Mekanik soğutma çevrimli sistemlerin anlaşılabilmesi için

22

tek kademeli buhar sıkıştırmalı ideal ve gerçek soğutma çevrimlerinin bilinmesi gerekir.

2.2.1. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı ideal ve gerçek soğutma çevrimleri

Termodinamiğin önemli uygulama alanlarından biri soğutmadır. Soğutma, düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısının atılmasıdır. Soğutma, soğutma makineleri veya ısı pompaları tarafından gerçekleştirilir. Bu makinelerin dayandıkları çevrime de soğutma çevrimleri adı verilir. En yaygın olarak kullanılan soğutma çevrimi, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Bu çevrimde aracı akışkan, dönüşümlü olarak buharlaşır, yoğuşur ve buhar fazındayken sıkıştırılır (Çengel ve Boles, 1996).

Şekil 2.6’da, buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma çevrimi basit şeması

görülmektedir. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı ideal bir soğutma çevriminde buharlaştırıcıda ve yoğuşturucudaki ısı geçişlerinde basınç kayıplarının olmadığı, kompresörün tersinir adyabatik (izentropik) olduğu, genleşme valfindeki basınç düşmesi olayının adyabatik olduğu, bu elemanlar arasındaki boru donanımlarında herhangi bir basınç kaybının olmadığı ve boru donanımı ile çevre arasında ısı geçişinin olmadığı kabul edilir. Şekil 2.6’de görüldüğü gibi ideal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde düşük basınçta düşük sıcaklıkta ve doymuş buhar olarak buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan, kompresöre girerek, tersinir ve adyabatik (izentropik) olarak sıkıştırılır. Yüksek sıcaklıkta ve kızgın buhar halinde kompresörden çıkan soğutucu akışkan, yoğuşturucuya girerek önce sabit basınçta kızgınlığını atar, sonrada yoğuşur. Yüksek basınçta sıkıştırılmış sıvı olarak yoğuşturucudan çıkan soğutucu akışkan, adyabatik genişleme işleminin olduğu genleşme valfine girer. Düşük sıcaklıkta, düşük basınçta ve küçük bir kuruluk derecesinde genleşme valfinden çıkan soğutucu akışkan, sabit basınçta buharlaşma işleminin olduğu buharlaştırıcıya girer. Buharlaştırıcıdaki işlem, soğutucu akışkanın kızgın buhar elde edilmesine kadar devam eder. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı ideal ve gerçek soğutma çevrimlerine ait P–h ve T–s diyagramları Şekil 2.7’de görülmektedir.

23

Şekil 2.6: Tek kademeli buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimin şematik görünümü

Şekil 2.7: Tek kademeli buhar sıkıştırmalı ideal soğutma çevrimi için P–h ve T–s

diyagramları

2.2.2. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimlerinin termodinamik analizi

Termodinamiğin birinci kanunu yardımı ile, bir sisteme ait enerjinin korunumu yazılabilir ve bu sisteme ait bazı performans parametreleri elde edilebilir. Buhar sıkıştırmalı bir soğutma çevriminin her bir elemanına, sürekli rejim halinde termodinamiğin birinci kanunu uygulandığında, denklemler aşağıdaki gibi yazılabilir.

24

Kompresörün adyabatik olduğu kabulüyle, kompresörde yapılan iş ) 1 2 (h h m komp W& = & − (2.1) Yoğuşturucuda atılan ısı ) (h₂ h₃ m

Q&_kond = & − (2.2)

Genleşme valfindeki entalpiler 4 3 h h = (2.3) Buharlaştırıcıda çekilen ısı ) (h₁ h₂ m

Q&_evap = & − (2.4)

Akışkan hızlarının ve soğutucu elemanlar arasındaki yükseklik farkının küçük olması nedeniyle, sürekli rejim halinde yazılan bu denklemlerde kinetik ve potansiyel enerjilerdeki değişimler ihmal edilmiştir. Sistem bir çevrim boyunca çalıştığından, yoğuşturucuda atılan ısı miktarı, buharlaştırıcıda çekilen ısı ile kompresörde verilen iş miktarına eşit olmalıdır. Bu durum, aşağıdaki denklemden bulunur.

kond komp

evap

W

Q

Q&

+

&

=

&

(2.5) Termodinamiğin birinci kanunu (Enerjinin Korunumu Prensibi), sistemi oluşturan elemanların analizlerinin ve tasarımlarının yapılabilmesine imkan sağlar. Soğutma sistemlerinde birinci kanunun etkinlik parametresi, soğutma tesir katsayısıdır. Soğutma sistemlerinde etkinlik parametresi soğutma etkisinin net iş girişine oranı

şeklinde tanımlanır. Bu durumda tek kademeli kompresörlü ideal bir soğutma

çevrimi için soğutma tesir katsayısı, Denklem (2.1) ve (2.4) yardımı ile aşağıdaki denklemden elde edilir (Ashrae, 1996).

)

(

)

(

1 2 4 1

h

h

h

h

W

Q

STK

komp evap

−

−

=

=

&

&

(2.6)

25

2.2.3. Tek kademeli buhar sıkıştırmalı gerçek soğutma çevrimleri

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan farklıdır. Bu farklılık daha çok, gerçek çevrimi oluşturan elemanlardaki tersinmezliklerden kaynaklanır. Tersinmezliğin iki ana kaynağı, basıncın düşmesine neden olan akış sürtünmesi ve çevreyle olan ısı alışverişidir. Gerçek bir buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminin T−S diyagramı, Şekil 2.8’de görülmektedir.

Şekil 2.8: Gerçek buhar sıkıştırmalı çevrimin düzeni ve T−s diyagramı

İdeal çevrimde, buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar

halinde girer. Gerçek çevrim, akışkanın kompresör girişinde tümüyle buhar olmasını sağlamak amacıyla, soğutucu akışkan kompresör girişinde biraz kızgın buhar olacak

şekilde tasarlanır. Bundan dolayı soğutucu akışkanın özgül hacmi ve buna bağlı

olarak kompresör işi artar, çünkü sürekli akış işi özgül hacimle doğru orantılıdır.

İdeal çevrimde sıkıştırma işlemi içten tersinir ve adyabatiktir, başka bir değişle

izentropiktir. Gerçek sıkıştırma işleminde ise, entropiyi etkileyen akış sürtünmesi ve ısı geçişi vardır.

Ayrıca ideal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör çıkış basıncında doymuş sıvıdır. Gerçek çevrimde ise kompresör çıkışıyla kısılma vanası girişi arasında bir basınç düşmesi vardır. Akışkan kısılma vanasına girmeden tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam bir hassaslıkla gerçekleştirmek zor olduğundan, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir. Bu nedenle soğutucu akışkan doyma sıcaklığından daha düşük bir

26

sıcaklığa soğutulur, başka bir değişle aşırı soğutulur. Böylelikle soğutucu akışkan buharlaştırıcıya daha düşük bir entalpide girer ve buna bağlı olarak ortamdan daha çok ısı çekebilir.

Belgede Isı kaynağı olarak çevre havası, motor soğutma suyu ve egzoz gazı kullanabilen R134a soğutucu akışkanlı otomobil ısı pompasının performansının deneysel analizi (sayfa 39-44)