Endüstriyel Soğutma İçin Doğal Soğutkanlar
Amonyak, karbondioksit, su, hava ve bir grup kısa zincirli hidrokarbon; etan, etilen, propan, propilen, bütan ve izobütan. Amonyak en çok kullanılan soğutkanlardan olup soğutma pazarının 15%?inde ve endüstriyel sektörün neredeyse tamamında sıkça kullanılmaktadır. Bazı hidrokarbonların petrokimyasal tesislerde kullanılmaları haricinde, diğer doğal soğutkanlar bu sektörde çok düşük oranlarda kullanılmaktadır. Bununla birlikte geçtiğimiz yıllarda (1998?den beri) CO2 kullanan birçok sistem kurulmuştur. Bu olay, pazar içerisindeki çok büyük bir değişimin işaretidir.
Florokarbon kullanımının ilk evresinden (1986-1995) önce, özellikle Fransa ve İngiltere?de CFC ve HCFC kullanmıştır. Bu dönemde amonyak kullanımı büyük oranda dünyanın diğer kısımlarında (Doğu Avrupa, Rusya ve Amerika) gerçekleşmektedir. Bu pazarlarda amonyak kullanılması sağlık ve güvenlik problemlerinin sonucu olarak florokarbonların yararına olacak şekilde, Montreal Protokolü?nde yer almamasına rağmen, reddedilmiştir. CFC kullanılan dönemin ilk evrelerinde daha önce R502 kullanan bazı son kullanıcılar R22?ye geçmiş, geri kalanlar da amonyağı en uygun soğutkan olarak kabul etmişlerdir. Fakat birkaç senelik bir süreden sonra R22?nin uzun dönemler için uygun olmadığı açığa çıkmış ve pazar amonyak kullanımına doğru hareketlenmiştir. Birçok ülke için bu konu, amonyak kullanımı alanında tecrübe birikimleri ve uygun yasal düzenlemeler sebebiyle kolay olmuştur. İngiltere?de bu olay büyük bir değişim sayılmakla birlikte göreceli olarak kolay aşılmıştır. Fakat Fransa bu durumu hükümetin amonyak kullanımı ile ilgili katı tutumu sebebiyle kolaylıkla aşamamıştır.
HFC?ler endüstriyel soğutkan olarak dünya çapında büyük oranda yayılamamışlardır. R502?nin yerine tek başına geçebilecek herhangi bir soğutkan olmamakla beraber en çok umut vaad eden R125 çok düşük kritik nokta değeri sebebiyle yetersiz kalmaktadır. R502?nin yerine kullanılabilecek en uygun karışımlardan birisi olan R404a ise oldukça pahalıdır, neme karşı toleransı çok düşük olan pahalı bir yağa gereksinim duymaktadır ve uygulandığı sistemlerde kaçak riski yaratmaktadır. Diğer bazı karışımların ise soğutkanın buharlaştırıcıyı tamamen doldurduğu sistemlerde kullanımlarında problem çıkaran sıcaklık kayması gibi özelliklere sahiptirler. HFC?lerin bu olumsuz özelliklerinden dolayı endüstriyel pazara hakim olmak için soğutkanın maliyeti önceden öngörülememektedir. Endüstriyel soğutmanın 150 yıllık tarihinde ilk defa soğutkan maliyetleri ilk yatırım maliyetlerinin oldukça üzerinde olmuştur.
Birçok nihai kullanıcı amonyağın görünür dezavantajlarını, yani zehirli olmasını ve yanabilirliğini gönülsüz bir şekilde kabul etmiştir. Amonyağın, kanunsal düzenlemelerin oluşturduğu giderlere rağmen endüstriyel soğutma, dondurucular ve proses tesisleri için maliyet etkinliği en iyi olan soğutkan olduğu fark edilmiştir. Ancak birkaç durumda, bu gönülsüzlük sistem tasarımcılarını diğer doğal seçenekleri gözden geçirmeye itmiştir.
Su, düşük sıcaklığa gereksinim duyulan prosesler için yetersiz kalmakta ve hava ile çalışan sistemler de son derece verimsiz kalmaktadırlar. Hidrokarbonlar ise, tehlikeli olduklarından dolayı büyük endüstriyel tesislerde tercih edilmemektedir. Ancak dünyadaki birçok tasarımcı, karbondioksiti endüstriyel uygulamalara adapte etme yolunu tercih etmiştir. Bu bir gerçektir ki, Rankine soğutma sisteminde kullanılabilen zehirsiz, yanmayan, ozon tabakasına zararlı olmayan ve küresel ısınmaya sebep olmayan tek soğutkan karbondioksittir.
Karbondioksit, İngiltere, Fransa, Almanya, Hollanda, İsviçre, Avustralya, Japonya ve A.B.D.?de birçok endüstriyel uygulama alanına sahiptir. Bu sistemler prensip olarak iki temel gruba ayrılmaktadır: Karbondioksit kompresörü kullananlar ve "uçucu soğutkan" kullanarak yoğuşma ve buharlaşma işlemini aynı basınçta meydana getirenler. İkinci gruptaki sistemlerde, yoğuşturucuyu soğutmak için amonyak çevrimi kullanılmaktadır. Pompa ve tesisat maliyetlerinden dolayı deniz suyu ve glikol bu tip sistemlerde maliyet verimliliği yaratmaktadır. Mevcut bulunan eski sistemlerde uygun kompresör kullanılamamasından dolayı işletim çok az olsa da, şimdiki sistemlerde vidalı ve pistonlu kompresörlere gerekli adaptasyonlar yapılarak 30-40 bar gibi çıkış basınçlarına ulaşılabilmektedir. Mevcut vidalı kompresörler sıcak gaz defrostu için gerekli olan yüksek basıncı yeterli seviyelerde sağlayamamaktadırlar ve bu tür kullanım için uyarlanan pistonlu kompresörler ise henüz pazara sunulmak için hazır durumda değiller. Aşağıdaki tabloda yeni kurulan birkaç endüstriyel sistemin detayları ve defrost şekli görülmektedir.
Bu kurulumlardan sonuncusu bir süpermarket zincirine şoklama ve soğuk depolama hizmetleri veren bir merkeze sahip olmasından dolayı göze çarpmaktadır ve bu merkez soğuk depolar için sıkıştırmalı karbondioksit çevrimi ve şoklama için pompa ile çalışan karbondioksit çevrimini içermektedir. Bu türde ve bu boyuttaki sistemlerde sıcak gaz defrostu gerekli olmasına rağmen pazarda uygun kompresör bulunmamaktadır. Kullanılan defrost yöntemi sıvıyı donma koşullarına (-5¡C doymuş basınç) getirir ve 9¡C doymuş basınca (45 Bar (G)) sıkıştırır. Bu sıvı amonyak tesisinin yağ soğutma devresinden gelen sıcak glikol ile bir ısı değiştiriciden pompalanır. Oluşan buhar, glikol tarafına seri bağlı, ikinci bir ısı değiştiricide az miktarda aşırı kızar ve oluşan gaz, 45 bar basınç ve 20¡C sıcaklıkta, defrost işlemi için soğutuculara beslenir. Bu defrost sistemi; amonyak kompresörlerini defrostu gerçekleştirmek için yüksek çıkış basıncında çalıştırılmasını gerektirmediğinden, geleneksel amonyak sıcak gaz sisteminden daha verimlidir. Tek ekstra gücü, karbondioksit yüksek basınç pompası tüketir ki bu çok küçük bir değerdir. Şekil-1'de soğutma sisteminin, Şekil-2'de defrost sisteminin şemaları görülmektedir.
Bunun için alternatif, donma bölümü için pompalı glikol sistemi ve soğuk bölüm düşük yüklü amonyak sistemidir. Kurulu olan sistem hemen hemen aynı kurulum maliyetine sahiptir. Ancak karbondioksit pompaları 4kW motora sahipken, glikol pompaları 55kW motora ihtiyaç duyduğundan, işletme maliyeti daha azdır. Yıllık enerji kazancı yaklaşık 20000£ (30000 Euro) dur. Ayrıca karbondioksit sisteminin bakım maliyetleri, eşdeğer glikol tesisinden biraz daha azdır.
Bu tip sistemlerin yatırım maliyeti ve işletme verimliliğinin; piyasaya çıkacak yeni ürünlerle ve sistem tasarımlarının iyileştirilmesiyle birlikte, gelişeceğine şüphe yoktur. Şu anda endüstriyel soğutma sistemlerinin büyük çoğunluğunda soğutkan olarak amonyak kullanılmaktadır ve kullanıcıların direkt amonyağın zararlarını kabul etmesiyle, yakın gelecekte maliyet açısından en verimli yaklaşım olarak kalacaktır. Direkt amonyağı kabul etmeyenler için, işletme gereksinimlerine bağlı olarak pompa veya kompresör kullanan, kademeli karbondioksit sistemi direkt amonyağa uygun bir alternatif oluşturmakta ve daha şimdiden büyük kurulumlar için florokarbon sistemi ve dolaylı glikol sistemine göre maliyet açısından daha verimli olmaktadır.
Gelecekteki gelişmeler 40-55 bar arasında kullanılan elemanların çoğalmasını içermektedir. Uzun vadede yeni nesil kompresörler, 90 bar ve üzerinde çıkış basınçları sağlayabilirse, amonyak kullanımını tamamen önleme fırsatı sunacaklardır. Bu, transkritik çevrime bağlı büyük sistem tasarımlarını mümkün kılacak ve daha sonra karbondioksitin, ofis havalandırması gibi, büyük yüksek sıcaklık sistemlerinde kullanılması olasılığını ortaya çıkaracaktır. Şu an basit transkritik çevrim, su ısıtması gibi yüksek seviyede ısı kazanımının gerekli olduğu durumlar dışında, yeterli verimliliğe sahip değildir. Bu nedenle karbondioksit sistemlerini gerçekleştirebilmek için daha verimli yollar bulmak amacıyla sistem tasarımlarının geliştirilmesine de ihtiyaç duyulmaktadır. Aynı teknikler R125 veya R410A gibi yüksek basınçlı florokarbonları büyük sistemler için daha çekici hale getirebilir. Ancak maliyet, yağlar, suyun dayanımı ve sistem sıkılığı gibi problemler dengeyi karbondioksit lehine bozmaktadır.
Kaynak:
http://www.centrogalileo.it/nuovaPA/Articoli%20tecnici/INGLESE%20CONVEGNO/PEARSON %20(1).doc
