Soğutma Yöntemlerinin Sınıflandırılması ve İncelenmesi

Daha önceki yazılarımızda soğutmanın tarihçesinden ve soğutkan maddelerden bahsetmiştik. Bu yazımızda ise soğutma yöntemlerinin sınıflandırılmasından bahsederek bu yöntemleri açıklayacağız.

Soğutma Yöntemlerinin Sınıflandırılması

Soğutma Yöntemlerinin Sınıflandırılması

Soğutma yöntemlerinin sınıflandırılması 8 farklı soğutma sistemi üzerinden yapılmaktadır. Bunlar;

  1. Absorbsiyonlu soğutma sistemi
  2. Adsorbiyonlu soğutma sistemi
  3. Buhar jetli ejektörlü soğutma sistemi
  4. Vortex tüplü soğutma sistemi
  5. Havalı ile çalışan soğutma sistemleri
  6. Termoelektrik soğutma sistemi
  7. Paramanyetik soğutma sistemi
  8. Stirling soğutma sistemi

olarak tanımlanmaktadır.

Absorbsiyonlu Soğutma Sistemleri:

Absorbsiyon, bir gazın bir sıvı tarafından emilmesidir. Adsorbsiyon ise bir gazın, bir katı tarafından emilmesidir. Her iki soğutma sistemi elektrik enerjisinin olmadığı yerlerde (jeotermal enerji, güneş enerjisi gibi) ısı kaynakları ile çalışan soğutma sistemleridir.

Amonyağın su içerisinde hızlı bir şekilde eridiği bilinmektedir. Aynı şekilde amonyak su karışımında 140°C ye ısıtıldığında amonyak tam olarak sudan ayrılmaktadır. Amonyağın bu özelliği kullanılarak gerçekleştirdiği soğutma sistemine absorbsiyonlu soğutma sistemi denir. Örnek olarak;

Soğutucu = Amonyak => Sıcaklık düşerse emme artar.

Absorplayıcı = Su => Sıcaklık artarsa bırakma (buharlaşma) artar.

Adsorbsiyonlu Soğutma Sistemleri:

Adsorbsiyon: Bir gazın, bir katı tarafından emilmesidir. Pratikte aktif kömür, silica-gel ve zeolit gibi maddelerin adsorbsiyon kabiliyetleri oldukça yüksektir. Bu tür maddelerin 1 g ağırlıklarının yüzey alanı yaklaşık 1000 m3 civarındadır.

Bir yüzeyin emme kabiliyeti sıcaklığı ile orantılıdır. Yüzey soğuksa emme kabiliyeti yüksektir, yüzey ısıtıldığında bırakma kabiliyeti artmaktadır.

Bir gaz, bir katı yüzeyinde yaklaşık 100 monomoleküler katman oluşturur.

Pratikte en çok kullanılan ikili soğutucu akışkan olarak amonyak. absorbe yani emici bırakıcı madde olarak silica-gel kullanılır.

Buhar Jetli Ejektörlü Soğutma Sistemleri:

Bu soğutma sistemi yüksek vakum altında ve düşük sıcaklıkta suyun buharlaşması prensibine göre çalışan bir sistemdir.

Ejektör: Yüksek hızlı tahrik buharı akışkanı ile düşük sıcaklık  ve basınçtaki soğuk su buharını karıştırdıktan sonra, karışımın hızını düşüren ve basıncını artırmaya yarayan bir karışım elemanıdır.

Havalı Soğutma Sistemi:

Bu yöntemde soğutucu akışkan havadır ce tüm çevrim boyunca gaz halinde kalır yani sıvılaşmaz. Bu önemli bir avantajdır. Aslında bu soğutma sistemi ters olarak çalışan Joule – Brayton sistemidir.

Termoelektrik Soğutma:

İki farklı metalden yapılmış malzemeden meydana gelen devreye bir zayıf akım uygulandığında elektronların (akımın) yönüne göre bu malzemelerin iki farklı tarafında ısınma ve soğuma meydana gelmektedir. Bu olaya ‘’Peltier Etkisi’’ denir. Sistemde meydana gelen soğutma bölgesinden yararlanılarak mekanik sistemlerin sağladığı soğutma kapasitesine ulaşmak mümkündür. Hareketli hiçbir elemanı olmayan sessiz, gürültüsüz ve yıpranma olmadan çalışabilen, elektrik enerjisi tüketmeyen, soğutucu akışkan içermeyen, yer çekiminin olduğu ya da olmadığı bütün ortamlarda çalışabilen, her türlü uzay pozisyonunda çalışabilen soğutma sistemleri olup küçük boyutlu, emniyetli ve güvenilir sistemlerdir. Ancak bu sistemin performans katsayısı, mekanik kompresyonlu sistemlerin performans katsayısının 5’de 1’i kadardır. Bununda nedeni bu sistemde kullanılan metal malzemelerin özelliklerinden ve sıcak uçla soğuk uç arasındaki sıcaklık farkı ile alakalıdır. Sıcak ve soğuk uç arasındaki fark ne kadar az ise sistemin performansı o kadar artmaktadır. Bu nedenle sıcak uçtaki ısının süratle alınarak sıcaklığının düşürülmesi çok önemlidir. Pratikte kullanılan malzemeler;

Negatif Malzemeler (n); Bizmut, Telleryum, Sezyum (n): Elektron sayısı fazla olan malzemeler

Pozitif Malzemeler (P); Bizmut, Telleryum, Antimon (P): Elektron sayısı az olan malzemeler

Hemen her pozisyonda çalışabilir olması, özellikle uzay araştırmalarında kullanılan cihazların soğutulmasında kullanılmaktadır. Burada silikon/germanyum maddeleri kullanılmaktadır. Yine bu sistemde soğuk uç ve sıcak uç elde edilebildiğinden hem ısıtmada hem de soğutmada kullanılması özellikle hazır yiyeceklerin servise alınmasında kolaylık sağlanmaktadır. Sistemdeki kapasitenin, sisteme uygulanan akımla ilgili olduğu düşünülürse reostalı bir devre kullanılarak kapasitenin ayarlanmasında mümkündür.

Diğer taraftan yine A ve B metalinden oluşan bir devreye bir ucundan ısı uygulandığında sistemde bir akım elde edilmektedir. Hem elektriksel ve hem de ısıl etkilerinin birlikte olduğu böyle sistemlere termoelektrik sistem denir. Sisteme ısı uygulandığında bir akımın meydana gelmesi olayına ‘’Seebeck Etkisi’’ denir. Bu etki kullanılarak;

1) Sıcaklığın ölçülmesi (Isıl çift veya Termokupl)

2) Güç üretilmesi mümkün olabilmektedir. Sistemin performansının artırılması için ısıl çiftler yerine yarı iletkenlerin kullanılması gereklidir.

Vortex Tüplü Soğutma:

Bu soğutma sistemi de hareketli hiçbir elemanı olmayan soğutma yöntemidir. Silindirik bir boru içerisinde teğetsel şekilde hareket edecek tarzda basınçlı bir gaz verildiğinde bu gaz ses hızına ulaştığı noktadan itibaren sıcak ve soğuk bölgelere ayrışmaktadır. İtfaiyeciler bu türden sistemleri kullanmaktadır.

Paramagnetik Soğutma Sistemi:

Bu yöntem sıcaklık yaklaşık olarak 0 K civarındaki araştırmalarda kullanılmaktadır. Paramagnetik malzeme basit olarak mıknatıs tarafından çekilemeyen madde demektir.

Bu paramagnetik soğutma sistemleri özellikle metallerin ve madenlerin 0 K civarındaki ısıl ve elektriksel özelliklerin tespitinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstride, tıpta ve tarım alanlarındaki araştırmalarda kullanılmaktadır.

Stirling Soğutma Çevrimi:

Soğutma çevrimi, silindirik bir elemanın ortasından gözenekli ve ısı kapasitesi yüksek bir malzeme ile ayrıldığı ve her iki tarafında zıt pozisyonlarda çalışan iki pistondan meydana gelen bir sistemdir. Soğutucu akışkan olarak ‘’He’’ veya ‘’H’’ kullanılmaktadır. Sistemin soğutma performansı mekanik sistemlere göre düşüktür. Bunun iki nedeni vardır;

1) Isıyı çok hızlı bir şekilde çevreye transfer edecek uygun bir malzemenin olmaması

2) Yığın malzemesi üzerindeki ısının geriye dönen soğuk akışkan tarafından alınmasıdır.