Soğutmanın Temeli ve Tarihçesi

Soğutma, bir yerdeki ısının başka bir yere nakledilerek, o yerdeki sıcaklığın ortam sıcaklığının altında bir sıcaklıkta tutulmasıdır.

İnsanoğlunun var oluş tarihinde soğutmayı ilk defa Çinliler kullanmıştır. Donmuş göllerin buzlarını kırarak geniş kuyulara atıp sıkıştırmışlar ve yazın sıkıştırılan buz kalıplarını çıkararak kullanmışlardır.

Romalılar ve Yunanlılar büyük küplere su doldurarak toprağa gömmüşler gece soğuyan toprak yüzeyi küpleri soğutmuş, gündüz, soğuyan küplerden soğuk su ihtiyaçlarını karşılamışlardır.  

Tarihçesi

Buz ile soğutma çok zahmetli olduğundan bilim adamları mekanik bir soğutma sistemi üzerine çalışmaya başlamışlardır. 1910 yılında J.M. Larsen Şirketi tarafından ilk küçük buzdolabı yapılmıştır. Fakat termostat olmadığı için kullanımda büyük zorluklar yaşanmıştır. 1913 yılında KELVİNATÖR ilk termostatlı dolabı imal edip satışa sunmuştur.

1930'da R-12 gazı bulunarak CFC soğutucuların temeli atılmıştır. 1935'te R-22 soğutucu akışkanı bulunarak HCFC kökenli akışkanlar geliştirildi. 1989'da R-134 A ve R-123 soğutucu akışkanları bulunarak ozon tabakasına zarar vermeyen HFC kökenli akışkanlar geliştirilmiştir.

1990'lı yılların başında R-22 ve R-502 yerine kullanılmak üzere ikili ve üçlü alternatif soğutucu akışkan karışımları geliştirildi. 1913 yılından itibaren soğutma teknolojisi sürekli gelişerek bugünkü ortamda yaşamın değişmez bir parçası olmuştur.  

Soğutma Teknolojisinin Önemi

• Soğutma teknolojisi başlamadan önce insanlar konfor ve muhafaza ihtiyaçlarını bazı yöntemlerle karşılamaya çalışmışlardır 
• Konfor ihtiyacı
• Muhafaza İhtiyacı

Her gün yediğimiz bitkisel ve hayvansal gıdaları, her an bulmak mümkün olmaya bilir. Bu güçlükle karşılaşan insanlar hal çareleri aramaya başlayarak kimya, fizik ve biyoloji esasına dayanan çeşitli usuller geliştirmişlerdir. 

Kimya Esasına Dayanan Muhafazalar;

a) Tuzla muhafaza (salamura)

b) Baharatla muhafaza (sucuk-pastırma)

c) Şekerle muhafaza (reçel)

Fizik Esasına Dayanan Muhafazalar;

a) Kurutmak (kuru yemişler, bazı meyveler vs)

b) Hararette pişirmek (konserve)

c) Maddeyi yağ ve parafinle örtmek.

Kimyaya dayanan muhafaza usulleri,

maddenin bünyesinde esaslı değişiklikler yapmaktadır.  

SOĞUTMA TEKNİĞİNDE YARARLANILAN TEMEL FİZİK PRENSİPLERİ

a- Enerji yok olmaz, biçim değiştirerek bir başka enerjiye dönüşür

b- Isı her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar

c- Bir madde buharlaşırken ortamdan ısı alır

d- Yüksek basınç altında gazlar, ortama ısı vererek yoğunlaşır

e- Gazların basıncı sıcaklığıyla doğru orantılıdır

f- Sıvıların kaynama sıcaklığı basınçlarıyla doğru orantılıdır

İklimlendirme Sistemleri Ortamı Nasıl Soğutur?

İnsanoğlu, binlerce yıldır, aşırı sıcağın bunaltıcı etkisinden kurtulabilmek için sayısız yöntem kullanmıştır. Bu yöntemlerin hiç biri doğal esintinin verdiği ferahlıktan daha iyi olmamıştır. Doğal serinlemenin kendisini, soğutmanın ilk ilkesi olarak değerlendirebiliriz. 

İklimlendirme Sistemleri Ortamı Nasıl Soğutur?

Örneğin, aşı olmadan önce, kolumuzu sterilize etmek amacıyla sürülen alkolün veya kolonyanın verdiği serinliği hepimiz biliriz. Günlük yaşantımızda buna benzer bir çok örnekle karşılaşırız. Sıcak ülkelerde yaşayan insanlar, deneyimleri sonucunda, toprak testilerde saklanan suyun dış ortam sıcaklığından daha soğuk olduğunu öğrenmişlerdir. Bir örnekteki alkolün verdiği serinliğin sırrı ile ikinci, örnekteki suyun soğuk olmasının nedeni aynıdır. Alkol buharlaşırken kolumuzdan, su ise testinin dış yüzeyinde buharlaşırken testinin içindeki sudan ısı çeker. 

Herhangi bir maddenin ( yukarıdaki örneklerde alkol, kolonya ve su ), ısı çekme ilkesinin ustaca değerlendirilmesi sanatı, soğutma olarak adlandırılır. 

Termodinamik (Therme+dynamics)

Enerjinin etüdünü, şekil değişimlerini ve bu değişimlerin maddenin konumunu nasıl etkilediğini inceleyen bilim dalıdır. 

1.Kanun: Nükleer ve kimyasal bazı reaksiyonlar hariç tutulursa:

Sisteme ilave edilen net enerji=Sistemde toplanan net enerji artışı + iş

Enerji yok olmaz, sadece dönüşüme uğrar.

2.Kanun: Kendiliğinden oluşan termodinamik işlemlerin hiçbirisi geri dönüşümlü (tersinir) gerçekleşmez. 

Isı hiçbir zaman kendiliğinden sıcaklığı daha yüksek olan bir ortama geçemez

Entalpi:Sıvı ve gazların sahip olduğu enerji miktarıdır.Sıcaklık ve basınç değerleriyle belirlenir. 

Enerji 

Enerji iş yapabilme yeteneğidir.

Enerji Biçimleri

Elektrik Enerjisi, Mekanik Enerji, Isı Enerjisi, Kimyasal Enerji, Işık Enerjisi ve Ses Enerjisi. 

Güç

Birim zamanda yapılan iş veya birim zamanda gerçekleşen ısı transferidir. 

İş

Bir cisim bir kuvvetin etkisi altındayken yer değiştiriyorsa, alınan yol ile kuvvetin bu yol doğrultusundaki bileşeninin çarpımı. 

İş:

İş için kullanılan birim Joule’dür.

1Jul 1N kuvvet uygulayarak bir cimin sürtünmeye karşı

1m ötelenmesi için gerekli olan enerji miktarıdır.

W= Newton x metre = 1 joule, ise Güç = joule/ san (watt)

W= Kgf x metre = 1Kgfm , ise Güç = Kgfm / san (75 kgfm/s = 1 beygir gücü HP)

1000 Watt= 1 kW ve 1 HP = 0,736 Watt veya 1kW = 1,36 HP dir.

1 kW = 862 Kcal dir.

Isı :

Bir tür enerjidir, cisimlerin atomsal hareketlerini etkiler. Cismin sıcaklık artışı ile atomların hareketi hızlanır, sıcaklık düşmesi 

durumunda ise hareket azalır.

Isı birimi Joule dür. 4,187 joule = 1 Kalori

1 joule = 0,2388 kalori (yaklaşık 0,24)

Kalori :

Isı bir madde değil Kcal (kilokalori) Cinsinden miktardır.1 Kcal 14,5 ºC deki  1kg saf suyun sıcaklığını 1 ºC arttırmak  için gerekli olan ısı miktarıdır. 

Kullanılan diğer bir ısı birimide BTU dur. (ingiliz ısı birimi) Bu ise 66 ºF sıcaklıktaki 1 pound (453 gr) saf suyun sıcaklığını 1ºF arttırmak için gerekli olan ısı miktarıdır. 

1 BTU = 0,252 Kcal

1 Kcal = 3,97 BTU

Özgül ısı:

ısı miktarını belirlerken dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta özgül ısıdır. Özgül ısı herhangi bir maddenin sıcaklığını 1ºC arttırmak için gerekli ısı miktarıdır.

Ve özgül ısı Kcal/ Kg.ºC birimi ile gösterilir. Özgül ısısı düşük olan maddelerin sıcaklığını arttırmak için daha az enerji yeterli gelir. Bunun için bu maddeler daha erken soğurlar. Örneğin bakırın Sıcaklığı 0.09 kcal ısı ile 1ºC arttırılabilir. Suyu tahmin ediniz! 

Bu nedenle bakır lehimleme işlerinde özellikle tercih edilir.

Sıcaklık:

Bir cismin ısıl seviyesini gösteren sayısal büyüklüktür.Nekadar sıcak yada soğuk sorusunun cevabını içerir.Isının akış yönünü gösteren bir değerdir. Sıcaklık iş yapma yeteneği değildir. 

Santigrat: 1 atm basınç altında suyun donma ve kaynama noktalarını 100 eşit parçaya bölen sıcaklık ölçüm sistemine santigrat denir. 

Fahrenayt:1 atm basınçtaki suyun donma ve kaynama noktalarını 212 eşit parçaya bölen sıcaklık ölçüm sistemine fahrenayt  denir. 

ºC= 0,556 X(F-32) , F= ºC X 1,8 + 32

Mutlak Sıfır:

Mutlak sıfır moleküler hareketlerin tamamen durduğu sıcaklıktır. Bu mümkün olan en düşük sıcaklıktır ve -273°C’a den 

gelmektedir.

Kelvin (K):

Genellikle bilimsel amaçlar için kullanılır. Mutlak sıcaklık ölçeği olarak ta bilinir. İrlanda doğumlu, İskoçyalı fizikçi ve matematikçi olan W.T.  Kelvin tarafından geliştirilmiştir. Bu ölçeklendirme genellikle fizik bilimleri ve dinamik meteorolojide kullanılır. 

K= ºC + 273

Sıcaklık Ölçüm Araçları :

Isı transferi

Isı transferi için sıcaklık farkı gereklidir.Doğal ısı transferi sıcak ortamdan soğuk ortma doğru eçeklesir. 

Eneji alan ortamın sıcaklığı artarken enerji veren ortamın sıcaklığı azalır. 

Isı transferi üç şekilde geçekleşir.

İletim (Kondüksiyon)

Katı cisimlerdeki ısı transferi mekanizmasıdır.

Taşınım (Konveksiyon)

Sıvı ve gazlardaki ısı transferi mekanizmasıdır.

Işınım (Radyasyon)

Isının, ışığa benzer şekilde, dalga formunda transfer olduğu mekanizmadır. Herhangi bir ortama gerek duyulmadan  ısı bir cisimden diğerine aktarılır. 

Basınç:

Basınç birim alana uygulanan kuvvettir. 1 Pascal, 1Newton kuvvetin 1m² alanda yarattığı basınç miktarıdır. 

MKS birim sisteminde, bir santimetrekare alana etki eden kg kuvvetin yoğunluğunu verir ve kgf/cm² olarak gösterilir.

LBS birim sisteminde ise, bir inçkarelik alana etki eden pound (lbs) kuvvetin yoğunluğunu verir ve Ib/in² olarak gösterilir.(psi)

Mutlak Basınç ve Relatif (Gauge) Basınç:

Mutlak basınç, basınçlı bir kabın toplam veya gerçek basınç değeridir.

Mutlak vakumdan başlar.

Relatif (etkin) basınç ise basınç göstergesinde okunan değerdir. Bu değer,basınçlı kabın toplam basıncı ve atmosfer basıncı arasındaki farktır.Başlangıç noktası atmosfer basıncıdır.

Vakum:

Bazı basınç ölçme cihazlarında, 0 kgf/cm2 veya aşağısı kırmızı renkle işaretlenmiştir. Bu, gaz basıncın bulunduğu hacimde atmosferik basınçtan daha düşük değere sahip olduğunu gösterir. Uygulamada bu hacimdeki basınca “VAKUM” herhangi bir gaz basıncının olmadığı duruma da “TAM VAKUM” adı verilir.

Atmosferik basınç:

Bizler, 80 km. yükseklğinde bir hava tabakasının yarattığı basınç altında yaşıyoruz. Yüksek bir dağın zirvesine çıktığımızda basıncın azalması çok doğaldır.

Öyleyse deniz seviyesindeki basınç ne kadardır? Yanıt 1 atmosfer basıncıdır. Bu durumda 1 atmosfer basıncını nasıl ölçebiliriz? İki yöntem vardır. Birinci yöntemde, Hg ile gösterilen civanın atmosferik basıncın etkisiyle vakumlu bir tüp içerisinde ulaştığı sütun yüksekliği “mm” veya “cm” cinsinden değeri ölçülür.

Bir atmosferik basınç 760 mm Hg ( cıva ) yüksekliğine eşittir.

Diğer yöntem ise SS ile gösterilen suyun, tüp içerisindeki sütun yüksekliğinin mm veya cm cinsinden değeri ölçülür. Bu ölçümde bir atmosferik basınç 10,33 mSS’ na eşittir.

Bu da 1,033 kgf/cm² = 1 kg f/cm²’ ye karşılık gelir.

Cıva sütunu yöntemi çoğunlukla vakum bölgesiyle ilgili olarak kullanılır. Su sütunu yöntemi, mmSS, ise genelde fanların statik basıncını ifade etmekte kullanır.

Kaynama sıcaklığı ve basınç:

Yukarıda suyun kaynama sıcaklığının 100 C olduğu belirtilmişti, bu durum dış hava basıncının 1 atmosfer olduğu zaman geçerlidir. Kaynama sıcaklığı ile basınç arasında yakın bir ilişki vardır. Everest dağının tepesinde basınç 0,32 atmosferdir ve su 71C’ de kaynar. Buradan şu sonucu çıkarabiliriz. Sıvıların kaynama sıcaklığı basınç azaldıkça düşer. Basınç yükseldikçe kaynama sıcaklığı artar.

Maddenin halleri:

Madde atomlardan meydana gelmiş bir kütledir. Atomların hareketlilik durumuna göre katı – sıvı – gaz olarak bulunabilir.

Duyulur ısı:Bir maddenin sıcaklığının değiştirmek için gereken ısı miktarıdır.

Buharlaşma Isısı:Sıvı halden gaz hale geçmek için için gereken ısı miktarıdır.

(Yoğunlaşma Isısı):(gaz halden sıvı hale) geçmek için gereken ısı miktarıdır.

Gizli Isı: Bir madenin fiziksel halini değiştirmek sıvı halden gaz haline geçmek için gereken ısıdır.

Ergime Isısı: Katı halden sıvı hale Geçmek için gereken ısı miktarıdır

Katılaşma Isısı:Sıvı halden katı hale geçmek için gerekli ısıdır

Süblimleşme (Uçunum) Isısı: Katı halden doğrudan doğruya gaz hale geçmek için gereken ısı miktarıdır.

Temel Kavramlar

Ergimekte olan buzun konumuna bakıldığında, ne kadar ısı verilirse verilsin sıcaklığın artmadığı görülmektedir. 1 kg buzu eritmek için 79,6 kcal ısı gereklidir. Bu ısı ergime gizli ısısı olarak adlandırılır ve termometre ile ölçülemez. 79,6 kcal ısı verildiğinde buz tamamen 0C’ de su haline gelir.

Eğer bu su ısıtılmaya devam edilirse 100C’ de kaynamaya başladığı görülür. Buraya kadar olan ısı değişikliği termometre ile ölçülebilir veya dokunarak algılanabilir. Sıcaklıkta değişiklik yapabilen bu tür ısıya “duyulur ısı” denir.

Eğer ısıtma işlemine devam edilirse, su buharlaşmaya başlar ve miktarında azalma olur. Sonunda su tamamıyla buhar haline dönüşür. Sıvı haldeki bi maddenin buhar haline geçmesi için gerekli olan ısıya buharlaşma gizli ısısı denir. 1 kg suyu buharlaştırmak için gereken ısı miktarı 539 kcal’ dir.

Maddelerin fiziksel halleri katı-sıvı-gaz olarak değişirken ısı aldıkları veya verdikleri görülmektedir.

Soğutma sistemleri, sistem içindeki soğutucu akışkanı sürekli bir çevrimle sıvı halden gaz hale, gaz halden sıvı hale dönüştürürler.

Soğutma sistemlerinde kullanılan ve hal değişikliğine uğrayan maddelere genel olarak “soğutucu akışkan ( soğutkan ) “ denir.