Bölüm 10 — Soğutma Çevrimleri

🗺️ Bölümün Haritası

Bu bölümde soğutucu (soğutma amaçlı) ve ısı pompası (ısıtma amaçlı) çevrimleri incelenir. Her ikisi de aynı temel çevrime dayanır; yalnızca istenen çıktı farklıdır.

🔵 Buhar Sıkıştırma Çevrimi

En yaygın kullanılan. Tersine çevrilmiş Rankine çevrimine benzer. Kompresör, kondenser, genişleme valfi, evaporatör.

🟣 Kaskad & Flash Odası

Büyük sıcaklık farklarında iki aşamalı çevrimler. COP'u önemli ölçüde artırır.

🟢 Absorpsiyonlu Soğutma

Kompresör yerine absorber-jeneratör ikilisi. Giriş enerjisi: ısı (elektrik değil). NH₃–H₂O sistemi.

🟠 Gaz Soğutma

Tersine Brayton çevrimi. Çalışma maddesi gaz olarak kalır. Uçak kabini soğutmasında kullanılır.

⚡ Soğutucu vs Isı Pompası — Temel Fark

Aynı çevrim; yalnızca hangi ısı transferinin "istenen çıktı" olduğu farklıdır.

❄️ Soğutucu

İstenen çıktı: Q̇C
Soğuk bölgeden ısı çekilir
COP_R = Q̇C / Ẇnet

🔥 Isı Pompası

İstenen çıktı: Q̇H
Sıcak bölgeye ısı pompalanır
COP_HP = Q̇H / Ẇnet

COP_HP = 1 + COP_R (her zaman geçerli!)

Ẇnet = Q̇H − Q̇C | COP_HP ≥ 1 her zaman

🧊 Soğutma Kapasitesi Birimleri

1 ton

1 ton soğutma = 3.517 kW (24 saatte 1 ton buzun erimesiyle eşdeğer)

1 tonne

ABD dışında: 1 metrik ton buz → 234 kJ/min

Kuru buz

CO₂: −78.5°C'de süblimleşir, 620 kJ/kg gizli ısı alır (5.11 atm altında sıvı faz yok!)

💡 Carnot COP — Üst Sınır

COP_R,Carnot = TC / (TH − TC)

COP_HP,Carnot = TH / (TH − TC)

Dikkat: Sıcaklıklar mutlaka Kelvin cinsinden! TC azaldıkça veya TH arttıkça COP düşer.

🔵 Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi

En yaygın kullanılan çevrim. Evdeki buzdolabı, klima, ticari soğutucularda kullanılır. Carnot çevriminin türbin yerine genişleme valfi kullanılarak değiştirilmiş halidir.

4 Bileşen & Süreç

A: 1→2

Kompresör — İzentropik sıkıştırma: s1=s2. Ẇnet = ṁ(h2−h1). Buhar doymuş buhar olarak girer, sıkıştırılmış çıkar.

B: 2→3

Kondenser — Sabit basınçta ısı atımı: Q̇H = ṁ(h2−h3). Sıcak bölgeye ısı verilir, doymuş sıvıya dönüşür.

C: 3→4

Genişleme Valfi — İzantalpik basınç düşürme: h4=h3. Geri dönüşümsüz! Sıcaklık ve basınç düşer, karışık faza geçer.

D: 4→1

Evaporatör — Sabit basınçta ısı eklemesi: Q̇C = ṁ(h1−h4). Soğuk bölgeden ısı çekilir, doymuş buhara dönüşür.

🔑 Temel Formüller

Ẇnet = ṁ(h2 − h1) [kW]

Q̇H = ṁ(h2 − h3) [kW] | Q̇C = ṁ(h1 − h4) [kW]

h4 = h3 (valf: izantalpik!)

COP_R = Q̇C / Ẇnet = (h1−h4) / (h2−h1)

⚠️ Gerçek çevrimde: s2=s1 yerine isentropik verim ηC kullanılır → h2,actual = h1 + (h2s−h1)/ηC

🔄 İdeal ile Gerçek Çevrim Farkı

Gerçek

Evaporatör çıkışında kızdırılmış buhar (ıslak sıkıştırmayı önler). Kondenser çıkışında soğutulmuş sıvı (boru hattı problemini önler).

Etki

Kızdırma → kompresör gücü artar (özgül hacim büyür). Soğutma → Q̇C artar (h4 düşer), ancak TH yükselir → COP azalır.

Isı Eşanj.

Kızdırma ve soğutmayı aynı anda sağlamak için evaporatör çıkışı ile kondenser çıkışı arasına ısı değiştirici konulur.

🧮 COP Hesap Makinesi (İdeal Çevrim)

Sıcaklık değerlerini girerek Carnot COP üst sınırını hesapla (T Kelvin cinsinden).

TC — Soğuk bölge sıcaklığı (K)

263 K (−10°C)

TH — Sıcak bölge sıcaklığı (K)

318 K (45°C)

🟣 Kaskad Soğutma Sistemi

Sıcak ve soğuk bölge arasındaki sıcaklık farkı çok büyük olduğunda tek aşamalı çevrim yetersizleşir. İki (veya daha fazla) aşamalı kaskad sistemi COP'u artırır.

Alt çevrim

Evaporatör tarafında çalışır, düşük sıcaklıkta soğutur.

Üst çevrim

Kondenser tarafında çalışır, ısıyı sıcak bölgeye atar.

Bağlantı

İki çevrim bir ısı değiştirici ile birbirine bağlanır. Farklı soğutkanlar kullanılabilir.

ṁB = ṁA · (h2−h3) / (h5−h8) [kütlesel denge]

COP_kaskad = Q̇C / (Ẇ_A + Ẇ_B)

💡 Kaskad sistemi ekstra ısı değiştirici kayıplarına rağmen tek aşamalıya kıyasla daha yüksek COP verir.

⚡ Flash Odalı Çok Aşamalı Sistem

Aynı soğutkan kullanılıyorsa kaskad sistemi yerine flash odası (doğrudan temas ısı değiştirici) kullanılabilir. Bu sayede ısı değiştiricisindeki sıcaklık farkı ortadan kalkar.

Flash odası

Ara basınçta doymuş karışımı doymuş buhara (State-9) ve doymuş sıvıya (State-3) ayırır.

Karıştırma odası

Yüksek basınç kompresörüne girmeden önce State-2 ve State-9 karıştırılır → State-5

Avantaj

Kaskad sistemine göre daha iyi COP, daha az ekipman.

h5 = (1−x8)·h2 + x8·h9 [karıştırma odası enerji dengesi]

m7/m8 = 1 − x8 [evaporatörden geçen fraksiyon]

📊 Kaskad vs Tek Aşamalı Karşılaştırma

Özellik	Tek Aşamalı	Kaskad
COP	Düşük	Yüksek
Donanım karmaşıklığı	Basit	Karmaşık
Büyük ΔT için	Yetersiz	Uygun
Farklı soğutkan	—	Mümkün
Kompresör gücü	Yüksek	Daha düşük

🧮 Flash Odalı Sistem — Ara Basınç Etkisi

Flash odası basıncı arttıkça COP önce artar, sonra düşer. Optimal bir orta basınç değeri vardır:

İdeal gaz için optimal ara basınç: p_ara = √(p_min · p_max)

Gerçek soğutkanlarda optimal basınç genellikle bu geometrik ortalamanın biraz üzerindedir (örnek: 500 kPa, √(120·1200) = 379.5 kPa yerine).

p_min (kPa)

120 kPa

p_max (kPa)

1200 kPa

🟢 Absorpsiyonlu Soğutma Çevrimi

Kompresör yerine absorber–jeneratör ikilisi kullanılır. Giriş enerjisi elektrik değil, ısıdır (atık ısı, güneş enerjisi, buhar).

⚙️ NH₃–H₂O Sistemi Nasıl Çalışır?

1

Absorber: Evaporatörden çıkan NH₃ buharı, absorberda zayıf NH₃–H₂O çözeltisine absorbe edilir. Absorpsiyon ısısı Q̇A soğutma suyuna verilir.

2

Pompa: NH₃ bakımından zengin çözelti, kondenser basıncına pompalanır. (Buhar sıkıştırmaya kıyasla çok az iş!)

3

Jeneratör: Dış ısı kaynağı Q̇G ile çözelti ısıtılır. NH₃ kaynaması (düşük kaynama noktası) sonucu saf NH₃ buharı ayrılır.

4

Rektifikatör: Jeneratörden çıkan buhardaki su buharı yoğunlaştırılarak sisteme geri gönderilir (expansion valve tıkanmasını önler).

5

Kondenser → Valf → Evaporatör: Buhar sıkıştırma çevrimiyle aynı. NH₃ buharı evaporatörde Q̇C alır.

6

Rejeneratör: Zayıf çözelti (jeneratör→absorber) ile zengin çözelti arasında ısı transferi → Q̇G ve Q̇A azalır.

🔑 COP Formülleri

COP_R = Q̇C / (Q̇G + Ẇpompa) ≈ Q̇C / Q̇G

COP_R,max = (1 − T0/TS) · TC/(T0 − TC)

Parantez içindeki ifadeler: (Carnot ısı makinesi verimi) × (Carnot soğutucu COP).

Tipik COP_R < 1 — buhar sıkıştırmalıdan düşük! Ancak giriş enerjisi çok ucuz/bedava (atık ısı, güneş) olduğunda avantajlı.

📊 Absorpsiyonlu vs Buhar Sıkıştırmalı

Özellik	Buhar Sıkıştırmalı	Absorpsiyonlu
Giriş enerjisi	Elektrik (Ẇ)	Isı (Q̇G)
COP_R tipik	3–6	< 1
Titreşim/gürültü	Var (kompresör)	Yok
Maliyet	Düşük	Yüksek
Atık ısı kullanımı	Hayır	Evet
Büyük klimalarda	Kullanılır	Chiller olarak yaygın

🧮 Absorpsiyonlu Çevrim — COP_max Hesaplama

T0 — Ortam sıcaklığı (K)

298 K (25°C)

TS — Isı kaynağı sıcaklığı (K)

450 K (177°C)

TC — Soğuk bölge sıcaklığı (K)

263 K (−10°C)

🟠 Gaz Soğutma — Tersine Brayton Çevrimi

Çalışma maddesi (genellikle hava) gaz olarak kalır, faz değiştirmez. Brayton çevriminin akış yönünü tersine çevirirsek gaz soğutma çevrimi elde edilir.

4 Süreç (Tersine Brayton)

1→2

İzentropik sıkıştırma (Kompresör): Soğuk bölgeden gelen gaz sıkıştırılır, sıcaklık yükselir.

2→3

Sabit basınçta ısı atımı (Isı değiştirici): Sıkıştırılmış sıcak gaz, sıcak bölgeye (genellikle atmosfer) ısı verir.

3→4

İzentropik genişleme (Türbin): Gaz türbinde genişler, sıcaklık çok düşer! İş üretilir.

4→1

Sabit basınçta ısı eklemesi: Soğuyan gaz, soğuk bölgeden Q̇C alır. T1'e döner.

🔑 Gaz Soğutma COP (PG model)

COP_R = Q̇C / Ẇnet = (h1−h4) / [(h2−h1) − (h3−h4)]

COP_R,PG = T4 / (T3 − T4) = 1 / [(p1/p2)^((k−1)/k) − 1]

T2/T1 = (p2/p1)^((k−1)/k) | T3/T4 = (p2/p1)^((k−1)/k)

⚠️ Genişleme valfi ideal gazda çalışmaz! (İzantalpik genişlemede ΔT=0) → Bu yüzden türbin şart.

🧮 Gaz Soğutma COP Hesaplama (PG model, k=1.4)

Basınç oranı rp = p2/p1

4.0

T1 — Soğuk bölge çıkışı (K)

270 K

T3 — Sıcak bölge çıkışı (K)

300 K

🆚 Gaz Soğutma vs Buhar Sıkıştırma

Özellik	Gaz Soğutma	Buhar Sıkıştırma
COP	Düşük	Yüksek
Türbin zorunlu mu?	Evet	Hayır (valf yeterli)
Faz değişimi	Yok	Var (büyük ısı kapasitesi)
Çok düşük T	Uygun	Sınırlı
Uçak soğutması	Yaygın	Nadir

📋 Tüm Temel Formüller — Sınav Özeti

Temel COP İfadeleri

COP_R = Q̇C / Ẇnet = Q̇C / (Q̇H − Q̇C)

COP_HP = Q̇H / Ẇnet = Q̇H / (Q̇H − Q̇C)

COP_HP = 1 + COP_R (her zaman!)

Ẇnet = Q̇H − Q̇C

Carnot COP (T: Kelvin)

COP_R,Carnot = TC / (TH − TC)

COP_HP,Carnot = TH / (TH − TC)

İdeal Buhar Sıkıştırma Çevrimi

Ẇnet = ṁ(h2 − h1) [Kompresör, s1=s2]

Q̇H = ṁ(h2 − h3) [Kondenser]

h4 = h3 [Valf: izantalpik]

Q̇C = ṁ(h1 − h4) [Evaporatör]

COP_R = (h1 − h4) / (h2 − h1)

Gerçek Çevrim — İsentropik Kompresör Verimi

ηC = (h2s − h1) / (h2,actual − h1) → h2,actual = h1 + (h2s−h1)/ηC

Hacimsel Kompresör Verimi

ηv = ṁ·v1 / (nC·Vd·N)

Kaskad Sistem

ṁB = ṁA · (h2−h3) / (h5−h8) [ısı değiştirici dengesi]

COP_kaskad = Q̇C / (Ẇ_A + Ẇ_B)

Flash Odalı Sistem

h5 = (1−x8)·h2 + x8·h9 [karıştırma odası]

p_ara,ideal = √(p_min · p_max) [PG için]

Absorpsiyonlu Soğutma

COP_R ≈ Q̇C / Q̇G (pompa işi ihmal edilir)

COP_R,max = (1 − T0/TS) · TC/(T0 − TC)

Gaz Soğutma (Tersine Brayton, PG model)

COP_R = (h1−h4) / [(h2−h1) − (h3−h4)]

COP_R,PG = T4 / (T3 − T4) = 1 / [(rp)^((k−1)/k) − 1]

T2/T1 = T3/T4 = rp^((k−1)/k) (rp = p2/p1)

Exergy Yıkımı

İ̇ = ṁ(ψi − ψe) + Q̇k(1 − T0/Tk) − Ẇsh [kW]

ψ = (h−h0) − T0(s−s0) [kJ/kg]

ηII = Arzu edilen exergy çıkışı / Gerekli exergy girişi

Alıştırma Soruları

📖 Soğutma Kapasitesi Hızlı Referans

1 ton soğutma = 3.517 kW = 212 kJ/min

COP_HP = 1 + COP_R (her zaman!)

COP_Carnot_R = TC / (TH − TC) (T: Kelvin)

❄️ Bölüm 10 — Soğutma Çevrimleri