CO2 (R744) SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ENEJİ VERİMLİLİĞİ

SOĞUTUCU AKIŞKAN OLARAK R744 (CO2)

R744 (CO2), 1850 yılında ilk kez soğutucu akışkan olarak, Britanyalı Alexander Twining tarafından gündeme getirilmistir. Fakat ilk CO2 soğutma sisteminin yapılması 1860 lı yılların sonunda Amerikalı Thaddeus S.C Lowe tarafından gerçekleştirilmiştir. Temiz ve güvenilir oluşundan dolayı 1920’ lere kadar gemilerde ve endüstride yaygın olarak kullanılmıştır. 1928’de CFC’lerin kullanılmaya başlamasıyla, CO2 yavaş yavaş raf dışında kalmış ve 1950’lerde de kullanımı son bulmuştur. 20. yüzyıl sonlarına gelindiğinde CFC’lerdeki kısıtlamalar yoğunlaştığı için yeni arayışlara girilmiş ve CO2 ve NH3 gibi eski, doğal akışkanlar tekrar gündeme gelmiştir. 1990’da Prof.Gustay Lorentzen’in transkritik CO2 çevrimi patent uygulaması bu konu için bir milat olmuştur.

C02 ÇEVRESEL ÖZELLİKLERİ

1. ODP (Ozon Tüketme Potansiyeli-Ozone Depletion Potential ) : Bir gazın ozon tabakasına verebileceği zararı ifade eder. Bağıl bir değer olarak bulunur. 

2. GWP ( Küresel Isınma Etkisi-Global Warming Potential ) : CO2’in GWP’si 1 kabul edilerek belli zaman sürecinde bir sera gazının çevreye küresel ısınma etkisini CO2’e bağlı olarak veren değerdir.

CO2’in ozon tüketme potansiyeli sıfırdır. ( ODP=0) ve küresel ısınmaya doğrudan etkisi çok düşük seviyededir. (GWP=1). Aşağıdaki tabloda yaygın olarak bilinen soğutucu akışkanların çevresel özellikleri belirtilmiştir.

C02 TERMOFİZİKSEL ÖZELİKLERİ

Bir soğutma sistemi tasarlarken soğutucu akışkan özellikleri büyük önem arz etmektedir.

 CO2 özeliklerinin diğer geleneksel soğutucu akışkanlardan farklı olduğu bilinmektedir. Karşılaştırma yapıldığında CO2’ in en dikkat çekici özelliği düşük kritik nokta sıcaklığı (31,06 C) ve yüksek basıncıdır.(73,8 bar). CO2’ li uygulamadaki diğer bir sınırlayıcı etken -56,6 C ve buna karşılık gelen 5,1 bar basınçtaki yüksek üçlü noktasıdır. Ayrıca geleneksel akışkanlarla ( CFC, HCFC, HFC,HC) karşılaştırıldığında buhar basıncı ve hacimsel ısı transferi kapasitesi ( 0 C de 22545 kj/m3 oldukça yüksektir.

CO2 Faz Diyagramı

CO2 faz diyagramından da görüleceği gibi iki fazın denge halinde bulunduğu üç durum vardır. Katı-Gaz, Katı-Sıvı, Sıvı-Gaz denge durumları. Atmosfer basıncı altında CO2 yalnızca katı veya gaz halde bulunabilir. Bu basınç sıvı faz mümkün değildir. Bu sıcaklığın üzerinde CO2 süblimleşerek gaz fazına geçer. 5,2 bar ve -56,6 C CO2’in üç halinin dengede olduğu koşuldur. Bu şartlarda maddenin üç hali denge durumundadır. 31,1 C’de CO2 kritik noktaya ulaşır. Bu noktada sıvı ve gaz fazının yoğunlukları eşittir ve iki faz arasındaki farklılık ortadan kalkar. Bunun sonucunda yeni bir fazın ortaya çıkması söz konusudur. Maddenin bu fazına Süperkritik faz denir. 

En önemli özellikleri ise yüksek hacimsel soğutma kapasitesi ve ısı iletim katsayısıdır. Bu durum hem boru tesisatın emme ve basma hatlarında hem kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerin boru çaplarında küçülmeye gidilmesini olanak tanır.

CO2 InP-h Diyagramı

CO2 TEMEL SOĞUTMA ÇEVRİMLERİ

CO2 soğutmalı bir sistemle geleneksel sistem arasında iki farklılık vardır. Birincisi yoğuşturucunun yerine gaz soğutucu alır. Diğer değişiklik ise genleşme donanımındadır. Subkritik uygulamalarda, soğutu akışkan kılcan bir tüp veya termostatik genleşme vanası tarafından kontrol edilir.

Bu kontrol sisteminde soğutucu akışkan buharlaştırıcının içine sıvı olarak girer ve kompresör girişinde ise sistemi korumak için soğutucuya ısı verilir. Genleşme donanımı kompresörün başında soğutucu akışkanın buharlaşacağı şekilde tasarlanır veya buna uygun seçilir. Kızdırma ısısı, buharlaştırıcının verimini optimum düzeyde tutabilmek için korunur. Böylece sıvı soğutkan kompresöre giremez. Aşırı kızdırma ısısı kompresörün aşırı ısınmasına yol açar. 

P-h diyagramından da görüldüğü üzere kritik noktanın altında soğutucu akışkan sıvı-gaz olarak iki fazda bulunmaktadır. Bu noktanın üzerinde ise sadece gaz fazında bulunmaktadır. Kritik nokta referans alındığında R744 gazı ile yapılan soğutma uygulamaları ikiye ayrılmaktadır;

-Kritik Basınç altı çevrim

-Kritik Basınç üstü çevrim

KRİTİK BASINÇ ALTI ÇEVRİMİ(SUBKRİTİK ÇEVRİM)

Konvansiyonel sistemlerde de olduğu gibi kompresörden sonra çevreye ısı atımı işlemi iki fazlı bölgede gerçekleşmektedir.

Ancak CO2 gazı için kritik sıcaklık 31 ℃ olduğu için iklim şartlarının ılıman olduğu daha ziyade Orta Avrupa ve İskandinavya ülkelerinde sıkça rastlanmaktadır. R744 gazı derin şoklama uygulamaları için R404A ve R717 gazlarıyla beraber kaskad olarak kullanılmaktadır.

Subkritik çevrim soğutma endüstrisinde en çok kullanılan sistemdir. Bütün sıcaklıklar ve basınçlar kritik noktanın altında, 3‘lü noktanın üzerindedir. Tek kademeli CO2 subkritik çevrim oldukça basit bir sistemdir. Fakat kısıtlı sıcaklık aralığı ve yüksek basınçtan dolayı bazı dezavantajları bulunmaktadır. Düşük kondenzasyon sıcaklığından dolayı çevreye ısı geçişinin geçekleşmesi güçleşir. Çalışma basıncı 60 bar seviyelerindedir.

Direkt GenleĢmeli CO2 Subkritik Çevrim ln P – h Diyagramı  

KRİTİK BASINÇ ÜSTÜ ÇEVRİM (CO2 TRANSKRiTiK ÇEVRiM) 

CO2, 31,06 °C düĢük kritik nokta sıcaklığı ve 73,8 bar yüksek kritik nokta basıncına sahiptir. Klasik buhar sıkıştırmalı çevrimlerde olduğu gibi akışkanın kondenserde yoğuşarak atmosfere ısı atması mümkün değildir. Süperkritik bölgede çevreye ısı geçişi gaz fazındaki CO2‘in yoğuşmaksızın, sıcaklığının düşmesiyle gerçekleşir. Bu şekilde gerçekleşen çevrimlere ―transkritik CO2 çevrimi‖ denir. Bu sebeple sistemde kondenserin yerini gaz soğutucu alır. Transkritik CO2 çevriminde Kompresörde sıkıştırılmış CO2, gaz soğutucusunda ısısını çevreye atar.

CO2 Transkritik Çevrim ln P – h Diyagramı 

CO2 AKIŞKANLI SİSTEMLERİN DİĞER GAZLI SİSTEMLER İLE KARŞILAŞTIRILMASI VE SİSTEM VERİMLİLİĞİ

Son yıllarda CO2 Transkritik Soğutma sistemlerinde yapılan çalışmalar, özellikle iklimin daha ılıman ve soğuk olduğu bölgelerde bu çevrimin daha kazançlı olduğu göstermektedir. Bu düşünceyi ön plana çıkaran sebep ise sistem EER değerinin dış ortam sıcaklığının düşük olduğu bölgelerde daha yüksek olmasıdır. Ġngiltere‘ de TESCO ve Danimarka‘ da FAKTA süpermarketleri CO2 Transkritik Soğutma uygulamalarında Kuzey Avrupa ülkelerinde başı çekmektedir. Yazın sıcak geçtiği dönemlerde bile bu ülkelerde CO2 Transkritik soğutma sistemlerinde harcanan enerjinin konvansiyonel sistemlerle karşılaştırıldığında yakın olduğu gözlemlenmiştir.

R744 soğutma sistemlerinin genel olarak orta ve düşük sıcaklıktaki ılıman ve soğuk iklim kuşaklarında daha verimli olduğu görülmüştür. Çok sıcak iklim koşullarına sahip bölgelerde kaskad sistemlerin kullanımı tavsiye edilmektedir.

SONUÇ OLARAK..

Yaşamın her alanında geçmişten geleceğe mutlak ihtiyaç olan soğutma sistemlerinde uzun

zamandır yaygın olarak CFC ve HCFC soğutucu akışkanlar kullanılmaktadır. Bu kimyasal gazlar sera etkisi yarattığından dolayı küresel ısınma probleminin artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle soğutucu akışkan olarak yeni alternatifler arayışına gidilmiştir. Bu noktada dikkatleri üzerine çeken doğal akışkanlarda CO2 uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır.

R744 gazı için ozon tüketme faktörü sıfır ve küresel ısınma yaratma potansiyeli birdir. Çok ucuz olmasının yanı sıra temin edilmesi de kolaydır. En önemli özellikleri ise yüksek hacimsel soğutma kapasitesi ve ısı özelikleridir. Bu durum hem boru tesisatının emme ve basma hatlarında hem de kullanılan kanatlı borulu ısı değiştiricilerin boru çaplarında küçülmeye gidilmesini sağlar. Tüm bu önemli avantajların yanında CO2, 31,06 °C düşük kritik nokta sıcaklığı ve 73,8 bar yüksek kritik nokta basıncından dolayı diğer geleneksel soğutucu akışkanlara nazaran bir takım ek teknik gereksinimlere ihtiyaç duymaktadır. 

Kritik nokta basıncının diğer gazlara kıyasla çok yüksek olmasının özellikle güvenlik açısından problem yaratmaması için kullanılan sistem ekipmanlarının mekanik dayanımının artırılması gerekmektedir. Kritik nokta sıcaklığının düşük olması özellikle ılıman ve sıcak iklime sahip ülkelerde sistemi basma hattının kritik üstü sıcaklıkta çalışması konusunda zorlamaktadır. Bu durum kaskad sistem uygulamaları ve kritik üstü noktada gaz soğutucu uygulamalarında optimizasyon çalışmalarıyla giderilmektedir.