Abstract - TMMOB Makina Mühendisleri Odası · 2015. 10. 15. · Tesisat Mühendisliği - Sayı 144 - Kasım/Aralık 201433. Makale ÖZET. Enerji verimliliği, kaliteyi düşürmeden

Tesisat Mühendisliği - Sayı 144 - Kasım/Aralık 2014 33

Makale

ÖZETEnerji verimliliği, kaliteyi düşürmeden ekonomik kalkınmayı ve sosyal refahıengellemeden, tüketilen enerji miktarının en aza indirilmesidir. Soğutmada har-canan enerji bir süpermarketin enerji kullanımının yarısı veya daha çoğu mer-tebelerindedir. Çabuk bozulan ürünlerin bu tür soğutulmuş raflarda sergilenme-si ve depolanması gereklidir. Kompresör ve kondenserlerde toplam enerji gerek-siniminin %60-70’i kullanılır. Bu gibi sistemlerde, sistemin sürekli olarak göze-tim altında tutulması, enerji verimliliği ve son yıllarda çevresel etkiler nedeni ileson derece önemlidir.

Gerçekleştirilecek bu çalışmada, süpermarketlerde kullanılan soğutma sistemle-rinin çeşitliliği incelenecek ve mevcut sistemlerin enerji verimliliğinin artırılma-sı ile ilgili çalışmalara yer verilecektir. Bu çalışma kapsamında İzmir’de bulu-nan, büyük müşteri kapasitesi ve mağaza hacmine sahip bir süpermarkette ince-lemeler yapılacak ve enerji verimliğini artırma çalışmaları gerçekleştirilecektir.Enerji Verimliliği Kanunu ile Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı tarafındanbelirlenen hedef, Türkiye'nin enerji yoğunluğunu 2020 yılına kadar %15 azalt-maktır. Bu hedef, aynı enerji ile daha fazla üretimin önünü açacak, enerji yatı-rım ihtiyaçlarını ve ithalat bağımlılığını azaltacak, ayrıca temiz çevrenin korun-masına önemli katkılarda bulunacaktır.

Avrupa Birliği Hedefleri ve Türkiye’de belirlenen yönetmelikler çerçevesinde,süpermarket soğutma sistemlerindeki enerji verimliliğinin hangi oranlarda artışsağlayabileceği de bu çalışmanın kapsamı içerisindedir.

Anahtar Kelimeler: Süpermarket Soğutma, Soğutma, Soğutkanlar, EnerjiVerimliliği.

1. GİRİŞIsı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen birgerçektir, başka bir deyişle ısı geçişi, yüksek sıcaklıktaki ortamdandüşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal bir olgudur ve kendiliğin-den gerçekleşir. Bu olgunun tersi kendiliğinden gerçekleşemez.Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı

Abs tract: Energy efficiency is a minimizing theamount of energy consumption withoutinterrupting economic development andsocial welfare. The energy consumptionin cooling is half or more of energydemand in a supermarket. Such prod-ucts which are perishable need to bepresented and storaged on these kind ofchilled shelves. Compressors and con-densers use amount of 60-70% of thetotal energy requirement in supermarketcooling systems. In such systems, energyefficiency is extremely important inrecent years due to environmental influ-ences if the system is kept under con-stant surveillance.

To perform this study, we examined avariety of cooling systems used in super-markets and on the efforts to increaseenergy efficiency of existing systems willbe discussed. In this study, there areexaminations in a supermarket whichhas a great customer capacity and stud-ies to increase in energy efficiency.

The target set by Energy Efficiency Lawwith Ministry of Energy and NaturalResources is to reduce Turkey’s energyintensity by 15% up to 2020. This goalwill pave the way for more productionwith the same energy, reduce invest-ment needs and dependence on energyimports, will also be an important con-tribution to protect the clean environ-ment.

European Union goals and the regula-tions of Turkey, in supermarket refriger-ation systems’ energy efficiency whichprovide increased rates are within thescope of this study.

Halil TUZCUAli GÜNGÖR

Key Words: Supermarket Refrigeration, Refrigeration,Refrigerants, Energy Efficiency.

Süpermarket Soğutma Sistemlerive Enerji Verimliliğinin ArtırılmasıAmaçlı İzmir’de Bir SüpermarketSoğutma Sisteminin İncelenmesi

4Halil Tuzcu:Sablon 17.12.2014 10:48 Page 33

Makale

geçişi ancak soğutma makinelerinin kullanımı ilemümkündür.

Soğutma makineleri de ısı makineleri gibi bir çevri-mi esas alarak çalışır. Bir soğutma çevriminde kulla-nılan aracı akışkana, soğutucu akışkan (soğutkan)adı verilir. En yaygın kullanılan soğutma çevrimibuhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir ve dört elemanile gerçekleşir; kompresör, yoğuşturucu, kısılmavanası ve buharlaştırıcı. Soğutucu akışkan kompre-söre buhar olarak girer ve burada yoğuşturucu basın-cına sıkıştırılır.

Kompresör çıkışında kızgın buhar halinde olan akış-kan, yoğuşturucuda çevre ortama ısı vererek soğurve yoğuşur. Akışkan yoğuşturucudan sonra kılcalborulara girer ve kısılma etkisiyle basıncı ve sıcaklı-ğı büyük ölçüde azalır. Soğutucu akışkan daha sonrabuharlaştırıcıda soğutulan ortamdan ısı alarak buhar-laşır. Çevrim buharlaştırıcıdan çıkan akışkanın kom-presöre girmesiyle tamamlanır.

Soğutucu ve buzdolaplarında kullanılan, soğutucuakışkana ısı geçişinin olduğu dondurucu bölümü,buharlaştırıcı işlevini görür. Buzdolabının arkasında-

ki borular ise akışkanın mutfaktaki havaya ısı verdi-ği yoğuşturucu kısmıdır.

Süpermarket soğutma sistemlerinde aynı çevrimgeçerlidir ve sistem daha büyük soğutma kapasitele-rinde çalışma durumundadır. Sistemin çalışmasıesnasında kompresör ve kondenserlerde toplamenerji gereksiniminin %60-70’i kullanılır. Bu oranı-nın azaltılması enerji verimliliği açısından oldukçabüyük önem taşımaktadır.

2. SOĞUTMA MAKİNALARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ

Soğutma makinalarının çalışma prensibi, farklısoğutma çevrimleri gruplarına göre incelenebilir. Bugruplar;

1. İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi,2. Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi,3. Gelişmiş buhar sıkıştırmalı soğutma sistemleri,

a. Kaskad soğutma sistmeleri,b. Çok kademeli sıkıştırma yapılan soğutma sis-

temleri,4. Tek kompresör ile çalışan soğutma sistemleri,5. Birden fazla kompresör içeren soğutma sistemleri,

34 Tesisat Mühendisliği - Sayı 144 - Kasım/Aralık 2014

Şekil 1. Soğutma Makinasının Temel Çalışma Prensibi


Makale

6. Gaz akışkanlı soğutma çevrimleri,7. Soğurmalı soğutma sistemleri,şeklindedir.

Her bir grup kendi içinde farklı çalışma elemanları-na sahip olsa da, soğutma verimliliğinin en fazla ola-bileceği Ters Carnot çevrimine bağlı olarak çalışırlar.Şekil 2’de Ters Carnot soğutma makinasının çevri-mine bağlı olarak çalışan İdeal buhar sıkıştırmalısoğutma çevrimi ve T-S diyagramı verilmiştir.

1-2 Kompresörde izantropik sıkıştırma2-3 Yoğunlaştırıcıda çevreye sabit basınçta ısı

verilmesi3-4 Genleşme cihazında kısılma4-1 Buharlaştırıcıda sabit basınçta ısı alınması

İdeal buhar sıkıştırmalı bir soğutma çevriminde,soğutkan kompresöre 1 halinde doymuş buhar olarakgirer ve izantropik olarak yoğunlaştırıcı basıncınasıkıştırılır. Bu izantropik sıkıştırma sırasında, soğut-kanın sıcaklığı çevre ortamı sıcaklığının oldukçaüzerine çıkar. Daha sonra soğutkan 2 halinde kızgınbuhar olarak yoğuşturucuya girer ve çevreye ısıverilmesi ile 3 halinde doymuş sıvı olarak çıkar. Budurumda da soğutkanın sıcaklığı hâlâ çevre ortamısıcaklığının üzerindedir.

Doymuş sıvı olarak 3 halinde bulunan soğutkan,genleşme vanası veya kılcal borudan geçirilerekbuharlaştırıcı basıncına kadar kısılır. Bu işlem sıra-sında soğutkanın sıcaklığı soğutulan ortamın sıcaklı-ğının altına düşer. Daha sonra soğutkan 4 halinde,düşük kuruluk derecesinde doymuş sıvı olarakbuharlaştırıcıya girer ve soğutulan ortamdan ısı ala-rak tümüyle buharlaşır. Soğutkan buharlaştırıcıdandoymuş buhar halinde çıkar ve kompresöre tekrargirerek çevrimi tamamlar.

Carnot soğutucularının soğutma verimini belirlemekiçin Soğutma Etkinlik Katsayısı (COP; coefficient ofperformance) tanımlanır.

(1)

Burada iki sıcaklık farkının azalması, başka bir ifadeile TL’nin yükselmesi veya TH’nin düşmesi duru-munda COP’nin de arttığına dikkat edilmelidir.Tersine Carnot çevrimi iki berlirli sıcaklık seviyesiarasında çalışan en etkin soğutma çevrimidir. Bunedenle soğutma makinaları için ideal çevrim olarakilk önce bu durumun incelenmesi doğaldır [1].


Şekil 2. İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevriminin Tesisat Şeması ve T-S Diyagramı [1]


Makale

3. SOĞUTMA SİSTEMLERİNDE SOĞUTUCU AKIŞKANIN SEÇİMİ

3.1. Soğutucu Akışkan (Soğutkan) ÇeşitleriBir önceki bölümde çevrimdeki iki farklı sıcaklıkfarkının azalmasının COP değerini artırmasındanbahsedildi, peki bu sıcaklık farkını azaltabilmek içinTL sıcaklığında değişiklikler yapılabilir mi? Evet,soğutma çevriminde farklı akışkanlar kullanılır vekullanılan akışkanın buharlaşma sıcaklığına bağlıolarak COP değerinin artırılması mümkündür.

Bir soğutma sistemini tasarlarken seçilebilecek bir-çok soğutucu akışkan vardır. Bunlar arasında klorof-lorokarbonlar (CFC), amonyak, hidrokarbonlar (pro-pan, etan, etilen vb.), karbondioksit, hava (uçaklarıniklimlendirilmesinde kullanılan) ve hatta su (donmanoktasının üzerindeki uygulamalarda) sayılabilir [1].Soğutma sistemlerinin kullanılmaya başlanıldığı ilkgünlerden itibaren çeşitli soğutucu akışkanlar kulla-nılmıştır ve soğutucu akışkanlara ait zaman çizelge-si Şekil 3’te verilmiştir.

İlk mekanik soğutma 1990’lı yılların başlarında ger-çekleştirildi. Özellikle son 25 yıl içinde ise soğut-kanların çevreye karşı olan zararları da dikkate alı-

narak kullanımına devam edilmiştir. Mekanik soğut-ma öncesinde ise bilinen ilk soğutkan hava olmuştur.İlk buhar sıkıştırma çevrimi uygulandığında ise dahakarmaşık sistemlerin kullanımı gerekmiştir fakatdaha etkili sonuçlara ulaşılmıştır. Buhar sıkıştırmaçevrimlerinde kullanılan ilk akışkanlar amonyak vekarbondioksit olmuştur. Amonyağın çevreye karşızehirleyici etkilerinden dolayı Avrupa, Yeni Zelandave Avusturalya gibi yerlerde kullanımı azalmıştır.Karbondioksitli sistemlerde ise yüksek basınç gerek-mektedir fakat 1945’lere kadar kullanımı devametmiştir [2].

3.2. Süpermarket Soğutma Sistemlerinde Kullanılan Soğutma Sistemleri

Sentetik soğutma sıvıları ıslanma özelliği sayesindeişlenen parça üzerinde tutunmayı azaltarak, makineve makine parçalarının daha temiz kalmasını sağlar,bu sayede ekipman genel ömrü uzamış olur.Süpermarket soğutma sistemi hatları genellikle uzunborulama yapılması gereken hatlardır ve bu nedenlesentetik soğutma sıvıları kullanımı yaygın olmuştur.Fakat sentetik sıvılar grubundan olan CFC, HCFC veHFC gibi soğutkanların ozon tabakasına zarar verdi-ği ve küresel ısınmada rol oynadığı bilinmektedir.


Şekil 3. Soğutucu Akışkanların Kullanım Yıllarına Ait Zaman Çizelgesi [2]


Makale

Son yıllarda sentetik soğutkanların yerini doğalsoğutkanlar almaya başlamıştır. Doğal soğutkanlarolarak su, asal gazlar, hidrokarbonlar, amonyak veCO2 gibi soğutkanlar arasında, CO2; 0 °C’nin altın-daki sıcaklıklarda ve sıkıştırmalı buhar çevrimindeçalışabilen çevreye zararsız ve yanıcı olmayan teksoğutkandır [3].

Süpermarket soğutma sistemlerinde boruların yer-leştirilmesinin ve birleşim noktalarındaki işçiliğinönemi oldukça fazladır. Eski sistemlerde %30 vedaha fazla olan soğutkan kaçakları, yeni sistemlerde%15 ve daha az oranda olmaktadır [4]. Belirtilen budurumlardan dolayı süpermarket soğutma sistemle-rinde doğal soğutkanların kullanılması önemlidir.

CO2 kullanan süpermarket soğutma sistemleri ile

R404A kullanan süpermarket soğutma sistemleriarasındaki yıllık enerji tüketimi kıyaslandığında;Kuzey ve Orta Avrupa’da yapılan çalışmada CO2

kullanan sistemlerin %10 daha az enerji tükettiğigörülmüştür [5].

3.2.1. CO2 Merkezli Sistem ÇözümüTeknoloji ilerledikçe farklı akışkanlarla farklı çalış-malar yapılmıştır. Bunlardan birisi de 2008 yılındaSawalha tarafından yapılan 2 kademeli CO2 merkezisistem uygulaması olmuştur. Dış ortam sıcaklığının10~40 °C olduğu sıcaklık aralığında en yüksek COPdeğerini CO2 vermiştir [6].

Tek basamaklı ya da iki basamaklı olarak kullanılansistemde (Şekil 4) iç ısı değiştiricinin etkisi fazladır.İç ısı değiştiricinin farklı değerlerinde, farklı çevre


Şekil 4. Yüksek Basınçlı Sıkıştırma Durumunda Bir veya İki Kademeli Sıkıştırma İle CO2 Merkezli Sistem Çözümü [6]


Makale

sıcaklıklarında, farklı deşarj basıncı değerlerindeCO2’ye ait COP değerleri Şekil 5’te verilmiştir.

CO2’li sistemlerin tekil kullanımı olduğu gibi farklısoğutucu gazlar ile birlikte kaskad sistemler olarakkullanımı da mevcuttur. Şekil 6’da sıcaklıkların yük-selmesi ile NH3/CO2 kaskad sisteminin COP değeri-nin arttığı görülmektedir.

Gerçekleştirilen yeni uygulamalara CO2 yükselticisistemler de girmiştir. Soğutma ihtiyacının fazlaolduğu bölgeler Şekil 7’deki gibi CO2 yükseltici sis-temler ile soğutulabilmektedir [7].

Süpermarketlerde kullanılan geliştirilmiş sistemleriki amacı gerçekleştirmelidir. Enerji verimliliği açı-sından mükemmel olması, soğutkan kaçakları nede-niyle küresel ısınma potansiyeli olarak bilinenTEWI’nin (Total Equivalent Warming Impact) düşükdüzeylerde olmasıdır. Bu amaçla geliştirilen farklısistemler mevcuttur [8]. Bunlardan biri olan vesoğutma yükünün fazla olduğu sistemler için kulla-nılan çoklu kompresörlü soğutma sistemi Şekil 8’degörülmektedir.

Süpermarketlerde soğutulmuş sergileme raflarınınbulundukları yerler incelendiğinde, çevresel ve belir-li alanlarda yoğunlaşmış biçimde yerleştirildiklerigözlenir. Günümüzde süpermarketlerde en yaygın


Şekil 5. İç Isı Değiştiricinin Farklı Değerlerinde, FarklıÇevre Sıcaklıklarında, Farklı Deşarj Basıncı Değerlerinde

CO2’ye Ait COP Değerleri [6]

Şekil 6. Çevre Sıcaklığı 10~40 °C Arasında OlduğuDurumda Farklı Soğutkanların COP Değerleri [6]

Şekil 7. CO2 Yükselticili Süpermarket Sistem Şeması [7]


Makale

kullanılan soğutma sistemi, çoklu kompresörlü (mul-tiplex) direkt genleşmeli (DX) soğutma sistemleridir.Bu sergileme ve soğuk depolama odaları, direkt gen-leşmeli hava-soğutkan serpantinleri bulundurur vebu serpantinler yakın ve geniş bir makina odasındaveya çatıda yerleştirilen kompresör ve diğer bileşen-lerle bağlantılıdır. Bu durum çok büyük miktarlardaborulama gerektirir. Buradaki kaygı, bakım ve servi-sin kolaylığının, soğutkan kaçağına tercih edilmesi-dir. Yeni süpermarket tasarımları ise soğutkan kaça-ğında da azlığı sağlamayı hedefler. Daha ucuz mali-yeti ve bakım kolaylığı nedeniyle hava soğutmalıkondenserler (yoğuşturucular) tercih edilmektedir.Kondenser sıcaklığını ve sistem enerji gereksiniminidüşürmek için evaporatif kondenserler de kullanıla-bilmektedir. Ancak, bu bakımda dikkatliliği gerekti-rir ve daha maliyetlidir. Her iki durumda da sistemkontrolleri dış hava kuru veya yaş termometreleri ilebağlantılı olarak ayarlanır [8].

3.2.2 İkincil Kapalı Devreli Tip Sistemlerİkincil kapalı devreli soğutma sistemleri birçokformda uygulanabilir. Bu sistemlerde ortak taraf bir

veya daha fazla soğutma grubunun ikincil bir akış-kanı soğutmasında kullanılması ve bu soğutulanakışkanın markette sergileme ünitelerine ve soğukdepo odalarına pompalandığı kapalı dolaşımlı devre-lere sahip olmasıdır. Şekil 9’da ikincil kapalı devrelibir sistemin bileşenleri gösterilmiştir.

Şekil 9’daki sistemde kullanılan soğutma grubu(chiller) çoklu kompresörlü sistem yapısında kom-presörlerle bağlantılı ve sergileme yerlerine soğutul-muş ikincil akışkanın istenilen sıcaklıkta hazırlan-masını sağlar.

Kompresörden basılan soğutkan basma manifolduaracılığı ile bir boru hattından, normalde makineodasının çatısında bulunan kondenserlere gönderilir.Evaporatif bir kondenser kullanılacak olursa dahadüşük ortalama kondenser sıcaklığı ile çalışılabilirve hava soğutmalı kondenserlere nazaran daha az fanenerjisi kullanılır, böylelikle genellikle ılıman iklimbölgelerinde toplam enerji gereksinimi en az düzey-lere indirilebilir. Bu sistemde, konvansiyonel direktgenleşmeli sistemlere göre ana devre soğutkan mik-


Şekil 8. Çoklu Kompresörlü Soğutma Sistemi Bileşenleri [8]


Makale

tarında yüzde 10–15 mertebelerinde azalma gerçek-leşebilmektedir. Şekil 9’da gösterilen sistemde diğerbir seçenek, kondenser devresinde de evaporatördevresinde olduğu gibi, ısı atmak için ikinci bir akış-kan daha kullanılmasıdır. Bu yaklaşımın ilave anasoğutkan gereksiniminde %5’ler mertebesinde azal-ma sağlanmasına karşılık, kullanılan ara ısı değiştiri-ci etkinliğinin, ilave dolaşım pompalarının kullanı-mının, dikkate alınması durumunda, termodinamik-sel analizde enerji kullanımında ek artışlar oluştura-bilecektir [8].

İkincil kapalı devreli sistemler, birincil sistemlerinverimliliğini artırma özelliğindedir. Bu artış, kom-presörün soğutma grubu evaporatörlerine çok yakınolması, birincil akışkanın kondenser çıkışında ikincilakışkanla (brine: salamura) aşırı soğutulmasının sağ-lanması ve bu ısınan ikincil akışkanın da sergilemeyerleri ısı değiştiricilerinde defrost amaçlı kullanıla-bilmesiyle gerçekleştirilir.

Büyük süpermarketlerde ikincil kapalı devreli sis-temler genelde en azından iki ayrı ikincil kapalıdevre ve soğutma gruplarına (chiller) gereksinimduyulur: Bu kapalı devrelerden birisi düşük sıcaklık-lı (donmuş gıdalar) ürün sergileme raflarına veyadepolama odalarına, diğeri de orta sıcaklıklı (soğu-tulmuş gıdalar) ürün sergileme raflarına veya odala-ra soğutulmuş salamura sağlar. Sistemde iki kapalıdevre kullanımı sonuç olarak sergi yerlerinin yalnız-ca iki sıcaklıkta tutulmasını sağlayabilir. Çoklukapalı devre kullanımı durumunda ise sergi havasıcaklıkları gereksinimlerine çok yakın sistemlerinçalıştırılabilmesi ve tüm sistemin ortalama efektifevaporatör sıcaklığını yükseltmek ve enerji verimli-liğini yükseltmek olanaklıdır. Yalnız her bir devreninayrı, bağımsız soğutma grubuna ve kontrol sistemle-rine gereksinim duyması sistem maliyetlerini artıra-bilmektedir.

İkincil kapalı devre sistemlerde diğer bir yaklaşım


Şekil 9. İkincil Kapalı Devreli Tip Sistemin Bileşenleri [8]


Makale

ise kademeli (cascade) tip sistemdir. Şekil 10 şematikolarak kademeli bir sistemi göstermektedir. Bu uygu-lamada yüksek sıcaklık kademesinde soğutkan olarakpropan kullanılmıştır ve düşük sıcaklık kademesi (bukademede soğutkan olarak CO2 kullanılmıştır) kon-denserden ısı çeker ve aynı zamanda propilen glikolgibi bir salamuranın soğutulmasında kullanılır. Busalamura (soğutulmuş: chilled) gıda reyonlarınınsoğutulmasında kullanılan ikincil kapalı devredir.CO2 kademesi ise direkt genleşmeli evaporatörleraracılığı ile dondurulmuş gıda reyonlarından ısı çekil-mesini sağlar. Bu sistem uygun diğer farklı soğutkan-lar ve salamuralar ile de çalıştırılabilir.

Tüm ikincil kapalı devreler için önerilen ideal bir sala-mura yoktur. Süpermarket sistemlerinde en yaygınkullanılan salamuralar ortalama sıcaklık kapalı devre-si için propilen glikol/su çözeltisi ve düşük sıcaklıkkapalı devreleri için potasyum format/su çözeltisidir.Bazı analitik çalışmalarda HFE-7100 çözeltisinin -20°C sıcaklıkları ve altı mertebelerde ısıl ve basınç düşü-mü avantajlarının olduğu belirlenmiştir. Son zaman-larda sıvı CO2’de her sıcaklık seviyelerinde Avrupa’da

artan bir kullanıma sahiptir. Bunun anlamı boruların içbasınç dayanımların yüksek olması ve bu uygulama-larda önem kazanmasıdır [8].

Aşağıda ikincil kapalı devrelerde kullanılan, dahaönceki uygulama ve araştırmalarda önerilen akışkan-lar verilmiştir [8].

Etilen Glikol/SuPropilen Glikol/SuPotasyum Format/SuPekasol 50FreeziumHycoolTrikloretilenİnhibitörlü alkali ethanat çözeltisiTyfoxitHidrofloroetherHFE-L-13938HFE-7100SiklohekzenD-LimonenePolidimetilsiloksan (Silikon yağı)


Şekil 10. Propan/Karbondioksit Kademeli Soğutma Sistemi [8]


Makale

SylthermDowthermSentetik İzoparafinik Petrol HidrokarbonlarıTerminol

3.2.3. Dağıtılmış Kompresör Gruplu Soğutma Sistemi

Şekil 11’de dağıtılmış kompresör gruplarının göste-rildiği bir soğutma sistemi gösterilmektedir. Bu sis-tem ile çoklu kompresörlü soğutma sistemi arasında-ki fark, bu sistemde küçük kompresör gruplarınınayrı ayrı dağıtılmış olduğu ve yan yana kompresörkabinetleri halinde yakın bölgelere yerleştirildiği veher birinin ayrı sergi reyonlarına ve soğuk odalarahizmet vermesinin sağlanmış olmasıdır. Böyleliklesistem, makina odası ile sergi reyonları arasında çokuzun borulamalardan kurtarılmıştır. Kompresör

kabinetleri sergi yerleri döşemesi altına veya sergiyerleri çevresel yerleştirilip, hemen çevre duvarısonrasına yerleştirilebilmektedir.

Bu düzenlemeyle, her bir sergi reyonu çıkışındakidoymuş emme sıcaklığı (DES), o reyonun evapora-tör sıcaklığı mertebesinde tutulabilmektedir.Konvansiyonel çoklu kompresörlü sistemlerde bağ-lantılı olan tüm sergi reyonlarında aynı DES değerisağlanabilir. Dağıtılmış kompresör grupları ile sergireyonları, her biri ayrı olmak üzere, üç veya dörtfarklı evaporatör sıcaklığında çalışabilmekte vesoğutulabilmektedir. Her bir reyon için istenen dahauygun sıcaklıkların sağlanmış olması, tüm sistemindaha enerji verimli bir sistem olarak çalışmasını sağ-layabilmektedir.


Şekil 11. Dağıtılmış Kompresör Gruplu Soğutma Sistemi Bileşenleri [8]


Makale

Emme ve basma hatlarının azalması nedeniylesoğutkan şarj miktarı, çoklu kompresörlü sistemegöre daha azalmıştır. Şekil 11’de gösterildiği gibi ısıatımı için bir dış kondenser yerine kapalı devre eva-poratörlü bir soğutma kulesi aracılığı ile üretilensoğutma suyunun su soğutmalı kondenserde kullanı-mı da sağlanırsa bu devredeki soğutkan borulamasıda olmayacak ve soğutkan miktarında daha da azal-ma sağlanabilecektir. Isı atımında bu kapalı devrelisu soğutmalı kondenser kullanımı ile dağıtılmışkompresör gruplu sistemde çoklu kompresörlü siste-min %30–35 mertebelerinde soğutkan kullanılacak-tır. Eğer ayrı rooftop tipi kondenserli dağıtılmışkompresör grubu uygulanmışsa, soğutkan miktarıçoklu kompresörlü sistemin %50–60 mertebeleriolmaktadır. Doğaldır ki ikincil ısı atımı devresininkullanımı daha yüksek kondenser sıcaklığı ve bu dadirekt rooftop tipi kondensere göre daha fazla enerjikullanımı anlamına gelecektir.

Dağıtılmış kompresör gruplu sistemin her bir kom-presör grubu, çoklu kompresörlü soğutma sisteminebenzer yapıdadır. Tüm gerekli elektriksel ve borula-ma bağlantıları bu kabinetlere sağlanmıştır. Bunlaremme ve basma soğutkan hatları, ısı atımı için soğut-ma suyu giriş ve çıkış bağlantıları ve elektriksel bağ-lantılardır. Çoklu kompresörler değişik kapasitelerdegereksinime ve hizmet vereceği sergi reyonlarına

uygun seçilir ve paralel olarak bağlanıp yüke göreçalıştırılır. Kabinetler emme ve basma manifoldlarıkompresörlere paralel olarak bağlantıyı sağlar.Emme manifoldu istenirse bölünerek farklı çokluemme sıcaklıklarının tek bir kabinet grubundan sağ-lanması gerçekleştirilebilir.

4. İZMİR’DE BİR SÜPERMARKETSOĞUTMA SİSTEMİNİN İNCELENMESİ

Süpermarketlerde kullanılan soğutma sistemlerigenellikle soğutma dolap ve reyonlarına ulaşan ortakboru hatlarına sahiptir ve soğutma yükünün fazlaolduğu sistemlerdir. Süpermarket soğutma sistemle-rinde orta ve düşük sıcaklık istenen her bir ürünsoğutma reyonuna ayrı olarak evaporatör ve konsen-ser yerleştirilmesi zordur. Böyle durumlarda soğut-ma sistemi; merkezi doğrudan genişlemeli (DX)(Şekil 12) ya da dağıtılmış doğrudan genişlemeli(Şekil 13) olarak devreye alınır [9].

Çoklu kompresörlü DX sistemler için soğutkan mik-tarı gereksinimi cok yüksek kapasitelerdedir, soğut-kan kapasitesinin birim kW’ı için 4–5 kg mertebele-rindedir [8].

Merkezi doğrudan genişlemeli sistemlerde düşüksıcaklık (DS) ve orta sıcaklık (OS) evaporatöleriaynı hat üzerinde bulunmaktadır. Evaporatörlerde


Şekil 12. Merkezi Doğrudan Genişlemeli (DX) Sistem [9]


Makale

gereken soğutma ihtiyacı ayarlanır ve ürün soğutmabölgesine aktarılır. Fakat bazı durumlarda yalnızcadüşük sıcaklık istenen bölgelere soğutma işlemiuygulanması gerekirken, orta sıcaklık bölgelerindede fazladan soğutma işlemi yapılmış olur. Böyledurumlarda düşük sıcaklık ve orta sıcaklık bölgeleri-nin birbirinden ayrılması gerekir. Şekil 13’te dağıtıl-mış kompresör gruplarının gösterildiği bir soğutmasistemi gösterilmektedir. Bu sistem ile çoklu kom-presörlü soğutma sistemi arasındaki fark, bu sistem-de küçük kompresör gruplarının ayrı ayrı dağıtılmışolduğu ve yan yana kompresör kabinetleri halindeyakın bölgelere yerleştirildiği ve her birinin ayrısergi reyonlarına ve soğuk odalara hizmet vermeleri-nin sağlanmış olmasıdır. Böylelikle sistem makinaodası ile sergi reyonları arasında çok uzun borulamaişlemlerine gerek kalmaz.

Dağıtılmış doğrudan genişlemeli sistem, merkezidoğrudan genişlemeli DX sisteme benzer özelliktaşımaktadır, fakat dağıtılmış doğrudan genişlemelisistemde kompresörler kondenserin ya hemen bitişi-ğinde ya da kondenser kabininin içinde yer alırlar.Merkezi bir kompresör ünitesi kullanılması yerinedaha küçük kompresörlerler kullanılır ve her birikondenser ünitesine yerleştirilir. Kondenser ünitelerigenellikle çatıya montajlı olur ve soğutkan için uzunborulama hatlarına gerek kalmaz. Kondenser ünite-

leri genellikle efektif kullanılabilecek halde, ucuz vekolay montajlanabilecek şekilde kontrol edilebileceközellikle fabrikadan hazır halde alınır. Bu durumsoğutkan kaçaklarının aza indirilmesinde ve dahakısa mesafede daha düşük çaplı boru kullanılmasın-da etkilidir. Fakat bu sistem her zaman pratik olma-yabilir çünkü binanın yapısı ve yerine göre kullanı-mı mümkün olmayabilir.

İzmir’de incelenene süpermarket soğutma sistemin-de kompresör grubu; 3+3+2 kompresör olmak üzere10 adet kompresör içermektedir. 3 farklı grup halin-de çalışan kompresör gruplarının bağlı olduğu;

Evaporatör Grup Adısıcaklığı

1. grupta -18 °C Düşük sıcaklık hattı2. grupta +4 °C Orta sıcaklık hattı3. grupta +15~30 °C İklimlendirme hattı

belirtilen evaporatör sıcaklıkları istenmektedir.

3. grubun ofislerdeki iklimlendirme şartlarını sağla-yabilmek için kullanılmasından dolayı bu çalışmadayalnızca 1. ve 2. grup incelenmiştir. Şekil 14’te belir-tilen 1. ve 2. grup için soğutma sistemi şeması gös-terilmiştir.


Şekil 13. Dağıtılmış Doğrudan Genişlemeli Sistem [9]


Makale

Orta sıcaklık raf hatları; pastaların, süt ürünlerinin vebuna benzer diğer ürünlerin bulunduğu yaklaşık +4°C sıcaklık istenen soğutma hatlarıdır. İncelenensüpermarket soğutma sisteminde orta sıcaklık hattı-

na bağlı soğuk ürün saklama reyonlarında gerekengüç 180 kW olarak hesaplanmıştır.

Düşük sıcaklık raf hatları; donmuş ürünlerin, et


Şekil 14. Paralel Kompresör Bağlantılı, Orta ve Düşük Sıcaklık Hatlı Soğutma Sistemi Şeması

Şekil 15. Kaskad Soğutma Sistemleri


Makale

ürünlerinin ve buna benzer diğer ürünlerin bulundu-ğu yaklaşık -18 °C sıcaklık istenen soğutma hatları-dır. Ayrıca bu hat balık reyonunda kullanılan buzla-rın üretimi için ve karlama makinası hattına bağlıdır.Düşük sıcaklık hattındaki sergi reyonu ihtiyacı, ortasıcaklık hattına oranla daha az olduğu için düşüksıcaklık hattına bağlı soğuk ürün saklama reyonla-rında gereken güç 150 kW olarak hesaplanmıştır.

İzmir’de incelenen süpermarket soğutma sistemikaskad tip soğutma sistemine sahiptir. Kaskad sistemteknolojisi ile HFC gibi soğutucu akışkan kullanansistemlerin düşük ve orta sıcaklık hattı olarak ayrıl-ması mümkün hale gelmektedir, fakat bizim incele-diğimiz süpermarket soğutma sisteminde soğutucuakışkan olarak önceki yıllarda amonyak kullanılmışolmasına rağmen şu an R404A soğutucu akışkanıkullanılmaktadır.

Kaskad (kademeli) soğutma sistemlerinde düşüksıcaklık hattındaki yoğuşma sıcaklığı oldukça düşük

olacağı için aşırı yüksek basınçlara gerek kalmadanbu hattaki soğutucu akışkan olarak R744 (CO2) kul-lanılabilir. Bu hat üzerindeki ortalama basınç değeridaha düşük, yaklaşık 30-35 bar olacaktır [9].

İncelenen kaskad süpermarket soğutma sistemininenerji verimliliğinin yüksek olması ile birlikte bu sis-temin daha verimli hale getirilmesi için ikincil sis-temler adı verilen soğutma sistemlerinin kullanılma-sı daha uygun olacaktır (Şekil 16).

İkincil soğutma sistemlerinde, soğutulmuş sergireyonlarındaki ısı genellikle glikol ya da bilinen diğersoğutkanlar gibi ikincil bir akışkan tarafından ortasıcaklık evaporatörlerine/ısı değiştiricilerine taşınır.Isı değiştiriciler kondenserlere yakın şekilde montajedilir. Bu durum orta sıcaklık hattı soğutma yükünüve soğutma kaçaklarını önemli ölçüde azaltır.

İkincil soğutma sistemlerinde süpermarket içerisindesoğutucu akışkanın dolaşımını sağlayabilmek için


Şekil 16. İkincil Soğutma Sistemleri [9]


Makale

bir pompaya ve düşen sıcaklığı dengelemek için eks-tra bir ısı değiştiricisine ihtiyaç vardır. Isı transferi-nin gerçekleşebilmesi için ısı değiştiricide sıcaklıkfarkının olması gerekmektedir, dolayısıyla ortasıcaklık hattındaki buharlaşma sıcaklığının ikincilsoğutkan sıcaklığından daha düşük olması gerek-mektedir [9]. İkincil sistemler daha önceden bahse-dilen DX sistemlere göre daha az işletme maliyetineihtiyaç duyar.

İncelenen süpermarket soğutma sisteminde gerekenen az güç 330 kW olarak hesaplanmıştı. Bu sistemdekullanılan kompresörler, soğutma sisteminde kulla-nılan enerjinin %70’ini tüketmektedir. Kompresörlerparalel olarak dış kabin uygulaması ile süpermarketdışına yerleştirilmiştir. Çalışmanın yapıldığı süper-marketlerde her grup içerisinden 1 kompresör fre-kans kontrolü ile çalışmaktadır ve böylelikle artan veazalan soğutma yükleri karşılanmaktadır.

Teknolojik gelişmelerle birlikte CO2’li soğutma sis-

temlerinin kullanımı da zaman içinde yaygınlaşacak-tır. CO2’li sistemlerin işletme maliyetinin oldukçadüşük olması ve çevreye olan kaçak zararlarının enaz seviyede bulunması CO2’li sistemlerin kullanımı-nı daha cazip hale getirmektedir. Dolayısı ileİzmir’de incelenen soğutma sisteminde de CO2’lisoğutma sisteminin kullanımı gerçekleşmelidir.

CO2’li sistemlerin ilk yatırım maliyeti, sistemdekiyüksek basınç çalışma şartları dolayısı ile yüksektir.İşletme maliyeti ve çevrenin korunması konusundaCO2 ve CO2’li kaskad sistemler diğer soğutucu akış-kanlı sistemlere göre zaman içinde daha yaygın birşekilde kullanılmaya başlanacaktır.

Şekil 11’de hem orta sıcaklık hem düşük sıcaklıkhatlarında R744 (CO2) kullanılmıştır. Düşük sıcaklıkkompresörleri, orta sıcaklık evaporatörlerindekibuhar basıncını artırıcı, hızlandırıcı bir etki yapmak-tadır. Dış ortam sıcaklığının 23 °C’nin üzerindeolduğu bir durumda kompresörlerdeki basınç


Şekil 17. CO2 Hızlandırıcı Transkiritik Sistem [9]


Makale

R744’ün kritik basınç değeri olan 74 bar’ı geçecek-tir. Bu nedenle kondenser sistemdeki gazın yoğuşupsıvı haline geçmemesi için gaz soğutucu görev yap-maktadır. Soğutulmuş sıvı doğrudan kısılma valfinegönderilir ve bir kısmı yoğuşur, diğer kısmı gaz ola-rak kalır. Sıvı ve gaz, basıncın 35-40 bar civarların-da olduğu basınç valfi tarafından kontrol edilen flaştankında ayrışır. Sıvı kısım daha sonra orta ve düşüksıcaklık kabinlerine ortalama basınç değerlerindegönderilir. Flaş tankındaki gaz ise ek genişleme ele-manı ile orta sıcaklık kompresörlerinin vakum etkisiile gönderilir. Ayrı olarak flaş gaz kompresörü kulla-nılırsa daha sıcak bölgelerdeki sistem verimliliğiartabilir [9].

SONUÇKompresörün Enerji Tüketimi Açısından Değer-lendirme:

Farklı süpermarket soğutma sistemleri incelenmişolup, enerji kazançlarının nasıl artırılabileceği ileilgili çalışma yapılmıştır. Kompresörler sistemdekienerji tüketiminde büyük bir orana sahip olup(%60~%70) kompresör ve sistem seçiminin önemivurgulanmıştır.

Kompresör seçiminin önemli olması kadar sisteminsoğutma yüküne karşılık vermesi de önemlidir.Sistemin ilk çalışması esnasında tam yük ile çalışanbir sistem 1~2 saat içerisinde kararlı hale gelir vesonrasında sistemin soğutma ihtiyacı azalacaktır.Azalan soğutma yüküne karşılık bazı kompresörlerindevre dışı bırakılması veya gerektiğinde etkisininazaltılarak kullanılması gereklidir. Bu durumu sağla-

yabilmek için frekans kontrollü kompresör sistemle-ri kullanılmalıdır.

Frekans kontrollü sistemlerin kullanılmasında isemümkünse düşük sıcaklık kompresörlerinin tümü-nün frekans kontrolü yapılarak kullanılması gerek-mektedir. Hızlı bir şekilde çalışmaya başlayan ve biranda durması gereken kompresörler yerine grup ola-rak birlikte hızlanan ve birlikte yavaşlayabilen kom-presör grubunun kullanılması daha uygundur.

Kullanılan Soğutma Sistemlerinin Enerji Verim-liliği Açısından Değerlendirme:

Soğutma sisteminde kullanılan soğutucu akışkanınönemi de hem yatırım maliyeti hem de çevreninkorunması açısından büyük öneme sahiptir.Seçilecek akışkan tek olarak kullanılabileceği gibikaskad sistemler olarak farklı akışkanların aynı sis-temde kullanılması da mümkündür. CO2’nin ilk yatı-rım maliyetinin yüksek olması ile kaskad sistemlerinkullanımı da ilerleyen teknolojik gelişmeler netice-sinde yaygınlaşacaktır.

Doğrudan genişlemeli DX sistemlerin orta ve düşüksıcaklık evaporatörlerinin ortak hatta sahip olmasınedeniyle orta ve düşük hatlar arası ısı transferi fazlaolmaktadır dolayısıyla DX olmayan diğer sistemle-rin enerji tüketimi daha az miktardadır [9].

R744 ve R404A soğutkanlarından oluşan kaskad sis-temlerde orta sıcaklık evaporatörlerinin basıncınındaha düşük olmasından dolayı enerji tüketiminde azmiktarda bir artış olacaktır, fakat sistemin işletmebasıncı koşulları olumlu bir etkiye sahiptir.


Şekil 18. Kompresörün Frekans Kontrolü İle Kullanımı [10]


Makale

Düşük sıcaklık hattında az enerji gereksinimine ihti-yaç duyulduğu durumlarda, R744 soğutkanı veR407A soğutkanı enerji tüketimi açısından yakınsonuçlar vermektedir.

Orta sıcaklık hatlarında, aynı sistem koşullarındaR134a kullanıldığında, R410A’ya oranla daha fazlaenerji tüketimi olmaktadır.

Genel olarak enerji verimliliği sonuçları değerlendi-rilmeye alınacak olursa; R404A kullanan sistemlerinR407A DX soğutma sistemlerine geçmesi verimlisonuçlar verecektir. R404A kullanan soğutma sis-temleri ile R744/R407A kaskad sistemlerinin verim-lilikleri kıyaslandığında ise R744/R407A kaskad sis-temleri iyi bir alternatif olacaktır.

Çevresel Etkiler ve Soğutkan KaçaklarıAçısından Değerlendirme:

Soğutma sistemleri ve soğutkanlar değerlendirilme-ye alınırken Montreal Protokolü’ne uygun olmasıgereken GWP, Küresel Isınma Potansiyeli (GlobalWarming Potential) ve ODP, Ozon Tabakasına ZararVerme (Ozone Depletion Potential) değerleri dikka-te alınır (Tablo 1). Kullanılan soğutkanın çevereyevereceği zararları diğer soğutkanlar ile kıyaslamakmümkündür. Genellikle R744’ye göre kıyaslama ya-pılır. Soğutkan seçiminde enerji verimliliğine dikkatedilmesi kadar çevreye karşı zararları da dikkatealınmalıdır.

Tablo1. Soğutkanların GWP ve ODP Değerleri [11]

Hem maliyet hem de çevreye olan etkiler açısındankullanılan soğutucu akışkanlar kullanıldığında Şekil19’daki bilgilere ulaşılabilir.

Şekil 19’dan görüldüğü şekilde R744 olarak adlandı-rılan CO2 soğutucu akışkanının kaskad soğutma sis-temlerinde kullanılması durumunda hem verim yük-sektir hem de çevreye karşı zararı azdır.

R404A kullanan DX soğutma sistemlerininR134a’ya ya da R407A’ya geçmesi TEWI’nin azal-masını sağlayacaktır ve R407A en iyi sonucu vere-cektir [9].

R404A kullanılan dağıtılmış sistem ile R407A mer-kezi DX sistem kullanıldığında TEWI değerindeyaklaşık aynı azalma sağlanacaktır [9].

1) R404A – R404A2) R134a – R404A3) R404A Salamura – R404A4) R404A – R744 Kaskad5) R134a – R744 Kaskad6) R717 Salamura – R744 Kaskad

R407A kullanılan dağıtılmış sistem ile R744 hızlan-


Şekil 19. Soğutucu Akışkanların Küresel Isınmaya OlanEtkileri ve Maliyet Avantajı Yönünden Karşılaştırılması [12]


Makale

dırıcı sistem kıyaslandığında TEWI değeri yakın çık-mıştır.

R407A ile kullanılan tüm ikincil sistemlerde, GüneyAvrupa’da yapılan ölçümlerde R744 hızlandırıcı sis-temlere oranla daha iyi TEWI değerleri elde edilmiş-tir [9].

Genel olarak çevresel etkiler ve sonuçları değerlen-dirilmeye alınacak olursa; R744 hızlandırıcı sistem-ler TEWI değerlerinin azaltılması konusundamükemmel sistemlerdir. R744 ve R410A kullanılanikincil sistemlerde ise az miktarda da olsa TEWIdeğerleri olacaktır. Genel olarak bakıldığında iseR744 kullanılan tekil ya da kaskad sistemlerin çev-reye büyük oranda olumlu etkileri olacaktır.

KAYNAKLAR[1] Çengel, A. ve Michael, A. B., “Termodinamik

Mühendislik Yaklaşımıyla”, Güven Bilimsel,Beşinci Baskı, 2011.

[2] Hundy, G. H., Trott, A. R. and Welch, T. C.,“Refrigeration and Air-Conditioning”, Elsevier,Fourth Edition, 2008.

[3] Kim, M. H., Pettersen, J., Bullard, C., 2004,Fundamental Process and System Design Issuesin CO2 Vapor Compression Systems, Prog. InEnergy and Combustion Sci., vol. 30:p. 119-174.

[4] Baxter, V., Advanced Supermarket Refrigeration/Heat Recovery Systems Final Report Vol. 1-Executive Summary, IEA Annex 26, ORNL, 72p., 2003.

[5] Sienel, T., Finckh, O., CO2-DX Systems for

Medium-and Low-Temperature Refrigeration inSupermarket Applications, Proc. 22nd Int. Con.Refrig., IIR: B2-358, 2007.

[6] Sawalha, S., Theoretical Evaluation of Trans-cri-tical CO2 Systems in Supermarket Refrigeration.Part I: Modeling, Simulation and Optimizationof Two System Solutions, Int. J. Refrig., vol.31:p. 516-524, 2008.

[7] Zhang, W. J., Zhang, C. L., Ding, G. L., 2009,On Three Forms of Momentum Equation inTransient Modeling of Residential RefrigerationSystems, Int. J. Refrig., vol.32: p. 938-944,2009.

[8] Güngör, A., “Süpermarket Soğutma Sistemlerin-de Kullanılan Teknolojilerin Enerji VerimliliğiAçısından Karşılaştırılması”, X. Ulusal TesisatMühendisliği Kongresi, 13-16 Nisan 2011, İzmir.

[9] Emerson Climate Technologies, “RefrigerantChoices for Commercial Refrigeration, FindingThe Right Balance”, Germany, 2010.

[10] http://www.danfoss.com/BusinessAreas/RefrigerationAndAirConditioning/Articles/VariableSpeedCompressorCapacityControl.htm(Erişim Tarihi: 23.01.2013)

[11] US Environmental Protection Agency,“Transitioning to Low GWP Alternatives inCommercial Refrigeration”, United States,October 2010.

[12] Kruse, H., Jakobs, R. and Riva, M. “EuropeanSupermarket Refrigeration Systems Eco-Efficiency Considerations”, Purdue UniversityInternational Refrigeration and Air ConditioningConference, 2006.



Abstract - TMMOB Makina Mühendisleri Odası · 2015. 10. 15. · Tesisat Mühendisliği - Sayı 144 - Kasım/Aralık 201433. Makale ÖZET. Enerji verimliliği, kaliteyi düşürmeden

Documents