Endüstriyel Soğutma Sistemlerinde Enerji Verimliliği Yöntemleri
Yazan: Doç. Dr. Hüseyin Bulgurcu, Kontherm Kondenser Evaporatör Sanayi ve Ticaret A.Ş. Danışmanı, hbulgurcu1962@gmail.com
Özet
Endüstriyel soğutma sistemleri, buz üretiminden gıda işlemeye, ürün muhafazasından kimyasal süreçlere kadar birçok uygulamada kullanılmaktadır. Soğutma sisteminin enerji kullanımını etkileyen faktörler; tasarımın ve soğutucu akışkanının verimliliği, ekipmanın durumu, kontrol stratejisi ve sistemin yük profili. Çoğu durumda, kurulu soğutma tesisleri, sonraki kontrol ayarlamaları ve/veya değerlendirilen verilere dayalı sistem işletme değişiklikleri ile sonuçlanan önemli işletme parametrelerinin izlenmesini içeren bir optimizasyon işleminden yararlanabilir. Bu bildiride tipik amonyaklı endüstriyel soğutma sistemlerine genel bir bakış yapılacak olup soğutma sistemini oluşturan kompresörler, kondenserler, buharlaştırıcılar ve kontroller de dâhil olmak üzere sistemin çeşitli bileşenlerini tartışılacaktır. Ve çok kademeli kompresör sistemlerinin çalışması, evaporatif kondenserler ve yüzer kafa basınç kontrollerinin kullanımı ve optimizasyon stratejilerinin sıralanması ile ilgili tipik enerji tasarrufu stratejileri açıklanacaktır. Ayrıca, soğutma yüklerini azaltmak için basit ve düşük maliyetli yaklaşımlar incelenecektir.
1. Giriş
Endüstriyel soğutma sistemleri; gıda işleme, gıda depolama, kimyasal üretim, inşaat ve üretim endüstrilerindeki sayısız özel uygulamalarda geniş bir kullanım alanına sahiptir. Her endüstriyel soğutma sistemi benzersiz olduğu için, sistem tasarımı ve işletimi bir bilimden ziyade bir sanat formudur. Özel bir alana yönelik soğutma sistemi istenen sonucu sağlayabilse de, sahada birçok sistem maksimum verimlilikle çalışmıyor. Yakın zamanlardaki düşünceler elektrik kullanımı ve maliyeti düşürecek şekilde sistem tasarımı ve işletiminin daha verimli hale getirilmesi üzerine yoğunlaşmaktadır [1].
Endüstriyel soğutma sistemleri, klima ve soğutma endüstrisinin önemli bir parçasıdır. Sistemler genellikle büyük, karmaşıktır ve büyük miktarlarda yalıtım kullanmaktadır.
Temel soğutma çevrimi dünya çapında milyonlarca sistemde kullanılırken, endüstriyel soğutma sistemleri genellikle daha karmaşıktır. Eklenen karmaşıklığın çeşitli nedenleri var. Endüstriyel uygulamalarda, uzun işletim saatlerine sahip büyük yükler, işletim performansını artırmak için eklenen karmaşıklığı haklı kılabilir. Ayrıca, çok düşük sıcaklıklarda veya birkaç farklı sıcaklıkta soğutmaya sıklıkla ihtiyaç duyulur. Endüstriyel sistemlerde çoğunlukla birkaç kompresörün ve birden fazla buharlaştırıcının kullanıldığı çok kademeli soğutma uygulamaları mevcuttur.
Tipik çok kademeli bir sistem Şekil-1'de gösterilmektedir. Bu sistem seri çalışan iki kompresöre sahiptir. Birinci kademedeki kompresörün çıkışı, flaş ara soğutucu adı verilen bir tanka geçirilir. Orta basınçta ve sıcaklıkta çalışan ara soğutucu, düşük kademeli kompresörden çıkan sıcak gazın sıvı soğutucu akışkandan kabarcıklanacağı şekilde yapılandırılmıştır. Bu sıvının bir kısmı buharlaştırılır ve ara soğutucudan doymuş buhar ikinci kademedeki kompresöre beslenir. Ara soğutucudan doymuş sıvı genişletilir ve düşük sıcaklıklı buharlaştırıcıya gönderilir. Net etki, iki kademeli döngü, aynı yük ve çalışma koşullarına sahip tek kademeli bir sisteme göre daha az iş gerektirir. Bu, performans katsayısının (COP) çok kademeli sistem için daha yüksek olacağı anlamına gelir. Çok kademeli sistemin diğer bir avantajı, orta sıcaklığa (örneğin, 4 °C'de bir soğutucuya) kadar olan yükleri karşılamak için soğutucu akışkanın kullanılabilmesidir; buna karşın, düşük sıcaklıktaki buharlaştırıcı, düşük sıcaklıkta bir dondurucu için kullanılabilir (örneğin, -18 °C). Ara soğutucu tipik olarak ortam sıcaklığının altında çalıştığı için yalıtım gerektirir. Ayrıca özellikle kovuklaşmanın bir sorun haline gelebileceği herhangi bir soğutucu akışkan pompasının soğuk akış hatlarında yalıtıma ihtiyaç duyacaktır [2].
Şekil 1. Endüstriyel soğutma sistem şeması [3]
Endüstriyel soğutma sistemleri genellikle çeşitli tanklara ve çeşitli amaçlara hizmet eden yardımcı ekipmanlara sahiptir. Sıvı depoları, kondenserlerin çıkışında bulunan ve soğutucu akışkan yükünü almak ve depolamak için kullanılan kaplardır. Düşük kademeli buharlaştırıcı ile kompresör arasında bir emme akümülatörü veya emme kapanı bulunur ve sıvı soğutucu akışkanın kompresöre girmesini önler. Sıvıyı buhardan ayırmak ve depolamak için sıvı aşırı besleme sistemlerinde düşük basınçlı depolar kullanılır. Emme akümülatörleri ve alçak basınç alıcıları tipik olarak ortam sıcaklığının altında sıcaklıklarda çalıştığından yoğuşmayı en aza indirgemek ve gereksiz ısı kazanımlarını sınırlamak için yalıtım gerektirir [2].
2. Endüstriyel Soğutma Sisitemlerinde Enerji Tasarruf Proje Aşamları
Enerji Tasarrufu, kuruluşların en düşük maliyetli enerji tasarruflu endüstriyel soğutma teknolojilerine yükseltmelerini belirlemelerine yardımcı olur ve uygulama sürecinin her aşamasına destek sağlar:
- Belirli tesis için geçerli olan enerji tasarruf projelerini belirleyin.
- Bir iş vakası oluşturun, yani tesis denetimi yapın, enerji tasarrufu hesaplayın ve proje maliyetlerini tahmin edin; Son kullanıcıya çeşitli enerji tasarrufu teknolojilerinin uygulanabilirliğini göstermek için
- Bulgular hakkında bir rapor hazırlayın ve sunun
- Donanım açıklaması, kontrollerin işlevsel tarifi ve ilgili çizimleri içeren bir teknik şartname hazırlayın
- Teklifleri davet edin ve yüklenici seçin
- Yükseltme veya tadilatın proje yönetimi
- Devreye alma
- Enerji tasarruflarının ölçülmesi ve doğrulanması
- Tesisin devam eden optimum çalışmasını sağlamak için operasyon ve bakım eğitimi
- Sürekli enerji ve maliyet tasarruf ölçümü
3. Endüstriyel Soğutma Sistemlerinde Verimliliği Artıran Teknolojiler
Endüstriyel soğutma sistemlerinde İşlevsellik ve inşaat maliyetleri gibi diğer kriterlere daha çok öncelik verilmektedir. Bir soğutma tesisinin enerji maliyetleri, en fazla enerji verimli teçhizat ve teknikleri benimseyerek, muhtemelen en fazla %40 oranında azaltılabilir. Bu çalışmada toplam 15 enerji tasarrufu teknolojisi tanımlanmış ve çoğu sermaye harcamaları gerektirirken, rapordaki bir dizi doğrulama yapılmış çalışma, geri ödeme süresinin genellikle üç yıldan daha kısa olduğunu göstermektedir. Artan enerji maliyetleri ve artan çevre bilinci ile endüstriyel soğutma sektöründe güç tüketiminin azaltılması ihtiyacı giderek artmaktadır.
Bu çalışma, endüstriyel bir soğutma tesisinin enerji verimliliğini artırmak için mevcut olan 15 enerji tasarrufu teknolojisini özetlemektedir. Mümkün olduğunda, her bir teknoloji için, yıllık enerji tasarrufu, sermaye maliyetleri ve geri ödeme süreleri, örnekler göz önüne alınarak tahmin edilmiştir. Bu teknolojiler şu şekildedir:
- Değişken tesis basınç kontrolü
- Otomatik kompresör kademelendirme ve kapasite kontrolü
- Soğutma tesisinin uzaktan kontrollü optimizasyonu
- Basma hattı gazından ve yağ soğutmadan ısı geri kazanımı
- Buz çözme yönetimi
- Değişken soğuk hava depoları sıcaklıkları
- Değişken evaporatör fanı hızları
- Yoğuşum suyu ile aşırı soğutma
- Soğutma tesisi tasarım incelemesi
- Tesis koşullarında bakım - hava ve suyun tahliyesi
- Soğutma grubu verimliliği - tam ve kısmi yük
- Soğutulmuş su / glikol devresi tasarımı ve kontrolü
- Soğutma grupları ve soğutma grubu / ısı pompaları ünitelerinden ısı geri kazanım
- Değişken soğutulmuş akışkan sıcaklıkları
- Değişken soğutma suyu sıcaklıkları
Yukarıda bahsedilen enerji tasarrufu teknolojilerinin yanı sıra, başka birçok yere özel enerji tasarrufu projeleri de mümkün olabilir. Bu tür projeler şunları içerir: Aşağıdakilerle sınırlı değildir:
- 60 °C ile 65 °C arasında büyük miktarda sıcak su üretmek için yüksek dereceli ısı pompaları kurmak,
- Yalıtım yükseltmeleri.
Bu diğer teknolojiler bu çalışmada incelenmemektedir.
3.1. Değişken Tesis Basınç Kontrolü
3.1.1. Değişken Kafa Basınç Kontrolü
Birçok endüstriyel soğutma tesisatı, özellikle tesisin kafa basıncı "ayarla ve unut" temelinde işletilmektedir. Kafa basıncının ayarlanmasında esneklik bulunmaması, gereksiz enerji tüketimine neden olur.
Bir soğutma tesisinin kafa basıncı, yüksek kademeli kompresörlerin deşarj basıncıdır ve soğutucu akışkanın yoğunlaştığı basıncın biraz daha üzerinde veya ona eşittir. Geleneksel bir tesiste, kafa basıncı sabitlenir ve tesis kontrol sistemi sabit değeri korumaya çalışır.
Belirli bir ortam sıcaklığı ve tesis yükü durumu için kafa basıncı ayar noktası çok düşükse, kondense fanları ani olarak devreye girecek ve kafa basıncı yük değişimi ile dalgalanacak, bu da potansiyel olarak tesiste sıcaklık dalgalanmalarına neden olacaktır. Kafa basıncı ayar noktası çok yüksekse, kompresör güç tüketiminde bir artış ortaya çıkacaktır.
Değişken kafa basıncı kontrolü, bir soğutma tesisinin kafa basıncını, herhangi bir zamanda, örneğin asgari sıkıştırma oranları ve yağ ayrımı gibi ortam koşulları ve değişken tesis yükü gibi durumlarda optimize eder. Kafa basıncı optimize edildiğinde yüksek kademe kompresörün ve kondenser fanının güç tüketimi en aza indirgenir.
Kondenserler, tesis yükü ve yaş termometre sıcaklıkları açısından mümkün olan en kötü koşullarla başa çıkmak için tasarlanmıştır, bu nedenle, yılın büyük bir kısmı için, tesis kondenserleri daha düşük tesis yüklerine ve yaş termometre sıcaklıklarına maruz kalır. Bu, yılın büyük bir kısmında, kondenserlerin acil görev için büyük olması ve yoğuşma basıncı daha düşük güç tüketimine indirgenmesi anlamına gelir.
3.1.2. Ara Kademe Basınç Kontrolü
Kafa basıncında olduğu gibi, bir tesisin ara seviyesindeki basınç da bir tesisin enerji tüketimini etkileyebilir.
Bir soğutucu akışkanın ara kademe basıncı, düşük kademeli ve yüksek kademeli kompresörler arasındaki ara basınçtır. En uygun ara kademe basıncı, tesis yüküne ve kafa basıncına göre değişir.
Ara kademe basınç kontrolü, bir soğutma tesisinin kademeli basıncını kafa basıncındaki değişikliklerle kademeli olarak optimize etmeyi amaçlar. Kafa basıncının değişken olduğu bir tesiste, kademeli basınç, düşük kademeli ve yüksek kademeli güç tüketimi arasındaki dengeyi optimize etmek için de değiştirilmelidir.
Ara kademe basınç kontrolü, ancak tesiste kademeler arası sıcaklık değişken olduğunda mümkündür. Ara kademe tankı, serin odalar veya glikol/su soğutma gibi diğer tesis uygulamalarına soğutma sağlamak için kullanılıyorsa, ara kademe basıncının sabit bir değerde tutulması gerekebilir veya sadece dar bir aralıkta değişebilir.
Şekil 2. Soğuk depo uygulaması için yıllık enerji tasarrufu profili [4]
3.2. Otomatik Kompresör Kademelendirme ve Kapasite Kontrolü
3.2.1. Sürgülü Vana ile Değişken Hız Kontrolü
Soğutma kapasitesini düşürmek için endüstriyel vidalı kompresörlerde kullanılan sürgülü vanalar genellikle verimsizdir. Bu sürgülü valf, örneğin,%100, %75, %50 ya da %25 oranında, sürekli bir şekilde ya da kademeli olarak açılır. Kayma konumu, kompresörün soğutma kapasitesini temsil etmektedir.
Şekil 3'te gösterildiği gibi, sürgülü kontrol ile bir vidalı kompresörün soğutma kapasitesinin güç tüketimine göre azalması orantısızdır. Örneğin, %30 kaydırma pozisyonunda, bir vidalı kompresörün soğutma kapasitesi yaklaşık %40 iken, güç tüketimi yaklaşık %60'da aşırıdır. Sürgülü vana kontrolünün alternatifi, bir kompresörün kapasitesini modüle etmek için bir değişken hız sürücüsü (VSD) kullanmaktır. Ayrıca, Şekil-3'te belirtildiği gibi, güç tüketimine göre soğutma kapasitesindeki azalma, özellikle de %40 ila %100 soğutma kapasitesi arasında esasen eşittir. Şekil-3, bir sürgülü vana ile VSD kontrolü arasında elde edilebilecek potansiyel enerji tasarruflarını göstermektedir.
Şekil 3. Sürgülü vana ile değişken hızlı sürücü kontrol farkı [4]
3.2.2. Kompresör Kademelendirme ve Kapasite Kontrol Mantığı
Birden fazla vidalı kompresör kullanan bir endüstriyel soğutma tesisinde, dikkatli kompresör kademelendirme ve kapasite kontrolünün uygulanması önemli miktarda enerji tasarrufu sağlayabilir. Kapasite kontrolü, değişken hız kontrolü veya etkin sürgülü vana kontrolü ile sağlanabilir. Etkin sürgülü vana kontrolü, vidalı kompresör için etkin çalışma aralığı olan sürgülü valfın aktif kontrolü %75 ila %100 arasındadır. Pistonlu kompresörlerde silindirlerin aktif kontrolü ile kapasite kontrolü sağlanır.
Otomatik bir kompresör kademelendirme sistemi, soğutma tesisindeki çeşitli kompresörleri dikkate alır ve emme basıncına dayalı olarak (artan yük sırasında) veya KAPALI (azalan yük sırasında) kademeli olarak AÇIK hale getirir.
Kompresörlerin olabildiğince verimli çalışması için kritik öneme sahip konuların bilinmesi gerekir:
- Değişken hız kontrollü vidalı kompresörleri %75 ila %100 sürgülü vana pozisyonunda çalıştırın ve minimum hızlarda% 50'ye kadar hız kontrolü yapın.
- Sürgülü kontrollü vidalı kompresörleri %75 ila %100 aralıkta çalıştırın.
Şekil 4 ve 5, biri değişken hızla kontrol edilen, iki vidalı kompresörü bulunan bir soğutma tesisinin bir örneğini göstermektedir.
Şekil 4. İki kompresörlü bir tesisteki verimli yükleme sırası örneği [4]
Bu tesis için dört çalışma modu tanımlanmıştır. Yük arttıkça, C1 25 Hz'de (dk hız) %100 kaydırma konumuna erişene kadar hızını 25 ile 50 Hz arasında artırdıktan sonra (mod B) ilk önce sürgülü olarak kontrol edilir (A modu). C1 50 Hz'de olduğunda ve yük artmaya devam ediyorsa, C2 açılır ve hemen %75 kaydırma konumuna yüklenir. Şu anda kapasite ani artışından dolayı C1 hızını düşürmelidir. C2, daha sonra C1 hızının 25 ile 50 Hz arasında (mod D) arttırılabilmesi için, %75 ila %100 arasında sürgülü vana (mod C) ile kontrol edilir.
Ek olarak, çoklu çalıştırma kompresörüne sahip büyük bir endüstriyel tesis için otomatikleştirilmiş bir kompresör kademelendirme programı, tüm kompresörlerin eşit bir saat boyunca çalışması için haftalık veya aylık bir değişim sırasını içermelidir. Tesis bir değişken hızlı bir kompresöre sahipse, çalışma saatlerinden bağımsız olarak ana yük makinesi olacaktır. Eğer tesis yıpranmış veya eskitilmiş veya sadece yedek olarak tutulması düşünülen bazı kompresörleri varsa, bunlar her zaman dönme sıralamasında sonda olurlar ve bu nedenle sadece yüksek tesis yükü zamanlarında çalışırlardı.
3.3. Soğutma Tesisinin Uzaktan Kontrollü Optimizasyonu
Kural olarak, bu tür optimizasyon, kontrol mantığının performansının sürekli izlenmesini ve çeşitli kontrol parametrelerinin, üretim ve mevsim koşullarındaki değişiklikleri yakalamak için uzun bir süre hassas olarak ayarlanmasını gerektirir.
Manuel izleme ve hassas ayar, yerel düzeyde, özellikle bölgesel sitelerde gerçekleştirilirse zaman alıcı ve maliyet-yoğun bir süreç olabilir. Mantık tesisin bilgisayarında uygulanırken, "statik optimizasyon" - uygulama anında bir koşullar kümesi altında optimizasyon - sık uygulanır. Çoğu durumda, statik uygulama, tüm üretim ve mevsimsel varyasyonlar üzerinde en iyi tasarruf sağlamaz; dolayısıyla, belirli bir dereceye kadar, öngörülen tasarrufların indirgenmesi gereklidir.
Kontrol birimi mantığının uzaktan optimizasyonu, site personeli ile uygun iletişimin bir araya getirilmesi, genellikle, herhangi bir gelişmiş kontrol mantığının faydalarını en üst düzeye çıkarmak için daha pratik ve uygun maliyetli bir yoldur.
Piyasaya uzak optimizasyon kabiliyetine sahip sistemleri sunan birkaç satıcı bulunmaktadır. Şekil 5 uzaktan kontrollü bir optimizasyon sisteminin kurulumunu göstermektedir.
Şekil 5. Uzaktan kontrollü bir optimizasyon sisteminin şematik gösterimi [4]
3.4. Basma Hattı Gazından ve Yağ Soğutmadan Isı Geri Kazanımı
Vidalı kompresörlerde iki ana ısı atma kaynağı basma hattı gazı ve yağ soğutma prosesi yoluyla kompresör yağının soğutulmasıdır. Pistonlu kompresörlerde ısı öncelikle basma hattı gazı vasıtasıyla atılır. Kullanılmadan bırakılırsa, bu miktarlardaki ısı, tesisin, yani kondenserlerin ana ısı atma cihazları tarafından atılır.
Suyu ısıtmak için kullanılan enerji, ister elektrik, ister gaz veya başka yakıt olsun, suyun 50 °C ile 60 °C arasında önceden ısıtılması için ısı geri kazanımını kullanarak azaltılabilir. Bu, enerji tüketiminde kayda değer bir tasarruf sağlar. Duruma özgü mühendislik çalışmalarına tabi tutulduğunda, ısı geri kazanımının, kendi termo-mekanik özelliklerine bakıldığında, pistonlu kompresörlere ve doğal soğutucu akışkanlara daha iyi uyduğu kaydedilmelidir (Şekil 6).
Şekil 6. Düşük kademe kızgınlık alıcı ile ısı geri kazanım sistemi şeması [4]
3.5. Buz Çözme (Defrsot) Yönetimi
Bir serpantin üzerinde buz oluşma oranı, oda sıcaklığı, soğutma yükü, ortam koşulları ve kapı açıklıkları sayısı gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Serpantinlerdeki buz tabakası arttıkça, serpantinin ısı alışveriş kapasitesi azalır. Dolayısıyla, serpantinlerin çözülmesi gereklidir.
Geleneksel buz çözme yöntemleri sıcak gaz, elektrik, hava ve sudur. Birçok amonyaklı tesis sıcak gaz buz çözme yöntemini kullanır, çünkü soğutma tesisinden yeterli ısı elde edilebilir ve elektrikten daha ucuzdur.
Buz çözme işleminde, soğutulmuş alana ısı gönderilir ve tesisin iş yükü ve enerji tüketimini artırır. Buz çözme işlemi de enerji tüketir. Sonuç olarak, buz çözme yöntemleri optimize edilmemişse soğutma tesisi verimliliği düşer.
Şekil 7, sabit defrost aralıklarının ve sürelerinin kullanılmasının etkisini göstermektedir. Ortalama dondurucu yükü düştükçe, soğutma tesisinde defrost yönetim sistemi kullanılması gereksiz bir kaybı önleyecektir.
Şekil 7. Geleneksel buz çözme yöntemleriyle ilgili enerji kayıpları [4]
3.6. Değişken Soğuk Hava Deposu Sıcaklıkları
Soğuk depolamayı gerektiren ve et ürünleri ve dondurulmuş sebzeler gibi depolama sıcaklığındaki hafif değişikliklere tolere edebilen ürünler için, değişken soğuk depo sıcaklıkları, üst verim değerlerini, düşük güç maliyetlerini kullanabilir ve pik talep maliyetlerini en aza indirgeyebilir.
3.7. Değişken Evaporatör Fanı Hızları
Evaporatör fanı soğuk bir alanda, özellikle yoğun olmayan periyotlarda, genel soğutma yükünün önemli bir parçasıdır. İş yükü düşük olsa bile, gereksiz yere tam hızda çalıştırılma eğilimindedirler. Fan hızlarını yüke göre değiştirmek suretiyle enerji tasarrufu mümkündür, çünkü daha düşük fan hızı serin odaya getirilen daha az sıcaklığa yol açmaktadır.
Fan hızındaki azalma, evaporatör kapasitesi ile doğru orantılıdır. Bununla birlikte, bir fanın güç tüketimi hızının küpüyle orantılıdır. Bu nedenle, fan hızını %20 azaltmak fan güç tüketimini yaklaşık %50 oranında düşürür. Dolayısıyla, değişken evaporatör fan hızları kullanılarak önemli düzeyde enerji tasarrufu sağlanabilir. Birden çok evaporatör kullanan uygulamalarda, bu işlem en iyi soğuk depoda üniform hava dağılımı sağlamak için, tüm evaporatör fanın hızını yüke uygun olarak aynı anda değiştirerek elde edilir.
Şekil 8, evaporatör fanları üzerinde değişken hız sürücüleri kurması nedeniyle oda yüküne göre güç tasarrufunu göstermektedir. Grafikte görüldüğü gibi, düşük oda yüklerinde tasarruf en yüksek seviyededir. %10 ve %50 arasındaki yükler arasındaki yatay çizgi, modellemede, çoğu evaporatör fanı için tipik olan minimum %50 fan devrinin dikkate alındığını gösterir.
Şekil 8. Oda yükü ile fan güç tasarrufu [4]
3.8. Yoğuşum Suyu ile Aşırı Soğutma
Çoğu durumda, sıvı soğutucu akışkan doyma sıcaklığındadır ya da sadece hafifçe aşırı soğutmalıdır. Sıvının daha fazla aşırı soğutulması, soğutma tesisinin termodinamik olarak iyileştirmekte ve azaltılmış flaş gazı dolayısıyla enerji tasarrufu sağlamakta ve bu nedenle daha yüksek bir Soğutma Tesir Katsayısı (STK) sağlamaktadır.
Bu daha fazla aşırı soğutma farklı şekillerde yapılabilir ve burada iki yöntem önerilebilir:
- Kondensere soğuk şehir suyu temini kullanarak aşırı soğutma
- Yüksek kademeli vidalı kompresörlerde ekonomizörler kullanarak aşırı soğutma.
Yukarıdaki yöntemler ayrı ayrı kullanılabilir ve bazı durumlarda kombinasyon halinde uygulanabilir. Pistonlu kompresörlerin kullanıldığı yerlerde kasaba suyunun aşırı soğutulması tek seçenektir. Yağmur suyu deposunun kullanılmasına yönelik daha modern (ve olumlu) eğilim, yağmur suyu depoları içerisindeki suyun şehir suyundan daha sıcak olması eğiliminde olduğu için, bu seçeneği daha az uygulanabilir hale getirebilir.
Şekil 9, kasaba suyu ile yoğuşum suyu aşırı soğutması nedeniyle sistemin verimliliğinde iyileşmeyi göstermektedir. Şehrin su sıcaklığı arttıkça, STK iyileşmesi azalır. Benzer şekilde, verilen su giriş sıcaklığı için yoğunlaşma sıcaklığı düştükçe, STK iyileşmesi azalır. Şehrin su sıcaklığında değişim çoğunlukla coğrafi ve mevsimsel değişimlerden kaynaklanmaktadır.
Şekil 9. Kule suyu ile yoğuşum suyu aşırı soğutması nedeniyle STK artışı [4]
3.9. Soğutma Tesisi Tasarım İncelemesi
Birçok tesis, tasarım ve kurulumdaki eksiklikler nedeniyle verimsiz olabilir. Soğutma tesisinin kapsamlı bir incelemesi, tesis verimliliğinin azalmasına neden olan eksikliklerin veya tıkanıklıkların tespit edilmesine neden olabilir. Bunlar arasında:
- Küçük seçilmiş veya kötü konumlandırılmış ısı değiştiriciler,
- Korozyona, buz oluşumuna, yağ birikimine veya diğer nedenlere bağlı olarak ısı eşanjörü yüzeylerinin kirlenmesi,
- Aşırı basınç kaybına neden olan boyutları küçük olan emme veya basma hatları veya bunlarla ilişkili hat bileşenleri,
- Dönüş hatlarının hatalı yönlendirilmesi; özellikle ıslak emme hatlarına, aşırı basınç düşüşüne, aşırı sıvı birikmesine veya dengesiz akışa neden olabilir.
Şekil 10, emme sıcaklıklarının sırasıyla iki kademeli soğutma tesislerinin soğutma tesir katsayısına (STK) etkisini göstermektedir.
Şekil 10. Tek kademeli bir tesisin soğutma tesir katsayısında emme sıcaklığının etkisi [4]
3.10. Tesis Koşullandırma Bakım-Hava ve Suyun Tahliyesi
3.10.1. Vidalı Kompresörlere Optimize Edilmiş Yağ Beslemesi
Yağlama yağı, vidalı kompresörlerde ana rotor yataklarını yağlamak ve emme gazı, rotorlar ve gaz sıkıştırma işlemi için vazgeçilmez olan rotor gövdesi arasında hidrolik bir sızdırmazlık sağlamak için kullanılır. Emme gazına yetersiz yağ verilirse, dâhili kaçak nedeniyle kompresörün soğutma kapasitesi düşer, bu da aşırı yağ sıcaklığına neden olur.
Aksine, aşırı yağ, kompresör içindeki sıkıştırma alanını sınırlar ve gazın aşırı sıkıştırılmasına ve dolayısıyla aşırı güç tüketimine neden olur. Emiş gaz oranına olan yağ akışındaki artış göz önüne alındığında, aşırı sıkıştırmada verimsizlikler bir kompresör azaltılmış hızla çalışırken daha da artmaktadır.
Çoğu operatör, yağ akış hızlarını konservatif olarak yüksek seviyelerde ayarlama eğilimindedir. Kompresör verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için yağ akış oranlarını ayarlayarak optimum seviyelerde tutmaya özen göstermek gereklidir.
3.10.2. Su ve Hava Temizleme
Hava ve su amonyak soğutkanını kirlettiğinde, sistem verimi keskin bir şekilde düşer. Nemli hava, aşağıdaki durumlarda bir soğutma sistemine girer:
- Bakım sırasında; sistem tekrar başlatılmadan önce katılan sistemin bir kısmı uygun bir vakum içine çekilmiyorsa, hava sistemde kalır ve kondenserlerde birikir.
- Düşük emme sıcaklığı uygulamalarında; sistem amonyak durumunda vakumda, yani -33 °C'nin altındaki bir emme sıcaklığında çalışırsa, hava ve bu nedenle su (nem aracılığıyla) kompresör mili contaları, valf bezleri ve / veya boru mafsalları vasıtasıyla sisteme girer.
Bir soğutma sistemine hava ve diğer yoğunlaşmayan gazlar girdikten sonra, kondenserlerin üst yüzeylerinde birikir. Bu, kondenserlerin ısı atılan yüzey alanını azaltır ve tesisin basma basıncı artarak aşırı enerji kullanımına neden olur.
Su genellikle sistemin düşük basınç tarafında birikir ve evaporatör sıcaklığının yükselmesine neden olur. Arzu edilen buharlaştırıcı sıcaklığını korumak için, ilgili kompresör emme sıcaklığı düşürülmelidir, böylece kompresör kapasitesi düşürülmelidir. Su içeriği olmayan bir sistemle aynı kapasiteyi elde etmek için, kompresörlerin daha yüksek yükte çalışması gerekecek veya ek kompresörlerin çalışması gerekecek ve böylece soğutma tesisinin güç tüketimi artacaktır.
Şekil 11, bir amonyak soğutma sisteminde hava ve diğer yoğunlaşmayan gazların etkisini göstermektedir. Eşdeğer yoğunlaşma sıcaklığında derecenin artması başına tesisin güç tüketimi yaklaşık %3 oranında artar. Sistemdeki yoğunlaşmayan gazların miktarı ne kadar yüksekse, eşdeğer yoğunlaşma sıcaklığındaki artış da o kadar fazladır. Buna dikkat edilmezse, bu durum, tesisin yüksek basma basıncına ve kompresör kapasitesinde kayba neden olabilir.
Şekil 11. Amonyak soğutma sistemindeki havanın etkisi [4]
Şekil 12, bir amonyak soğutma sisteminde suyun etkisini göstermektedir. Amonyaktaki su miktarı arttıkça, emme sıcaklığı düştükçe tesisin kapasitesi kesildiğinden güç tüketimi artar.
Şekil 12. Suyun bir amonyak soğutma sistemine etkisi [4]
3.11. Soğutma Grubu Verimliliği-Tam ve Kısmi Yük
Soğutma grupları, verimliliklerine göre değişir ve uygulama için çok uygun bir soğutma grubu seçerek önemli düzeyde enerji tasarrufu sağlanabilir.
Son yıllarda, yüksek verimlilikte soğutma grupları geliştirmek için ciddi bir gelişmeler kaydedildi; bu durum, piyasadaki cihazların performanslarında büyük farklılıklar meydana geldi ve eski soğutma grupları, çoğunlukla modern alternatiflerinden önemli ölçüde daha az verimlidir.
Ayrıca piyasadaki çoğu soğutma grubu, yaz işletiminin yıllık işletme profiline hakim olduğu klima uygulamaları için tasarlanmıştır. Proses soğutma grupları, bazı iklimlendirme tipi soğutma gruplarına kıyasla bu tür uygulamalar için büyük ölçüde farklı gereksinimlere sahiptir.
Şekil 13. Soğutucu akışkan seçiminin, işlem soğutucusunun soğutma tesir katsayısına etkisi [4]
13.12. Soğutulmuş Su/Glikol Devresi Tasarımı ve Kontrolü
Soğutulmuş su veya soğutulmuş glikol ve su kullanan sistemlerin performansı, soğutucunun uygunluğuna ve devrenin tasarımına ve çalışmasına bağlıdır.
Saha tasarımının etkisiz olduğu durumlarda, soğutma grubunun kısmi yükte ve hatta tam yükte çalışması tehlikeye girebilir, bu da mevcut kapasitenin azalmasına ve güç tüketiminin artmasına neden olabilir.
Temel olarak saha tasarımı ve kontrolü, soğutma grubunun yüke en etkin şekilde uygun davranmasını hedefler. Sistemdeki akışkan hareketleri modüle edilmemiş veya dengelenmemişse, soğuk ve sıcak akışkanlar karışabilir. Sonuç olarak, soğutma grubuna sıvı geri dönüş sıcaklığı gereksiz yere düşürülür ve hem soğutma tesir katsayısı hem de grubun enerji verimliliği tehlikeye düşer.
Şekil 14. Farklı yaygın kontrol düzenlemelerine sahip tipik temel soğutulmuş su sistemi [4]
3.13. Soğutma Grubu / Isı Pompaları Ünitelerinden Isı Geri Kazanım
Soğutma grupları geleneksel olarak soğutulmuş su veya soğutulmuş bir glikol ve su karışımı oluşturmak için kullanılır. Hava soğutmalı kondenserler veya soğutma kuleleri vasıtasıyla çevreye yoğuşma sonucu oluşan ısıyı atarlar. Herhangi bir sıcak su ihtiyacı genel olarak ayrı bir sıcak su üreteci ile karşılanmaktadır.
Modern soğutma grupları, özellikle amonyak (R717) veya karbondioksit (R744) soğutucu akışkanı kullanan soğutucular, boşa harcanan ısıyı yararlı bir şekilde geri kazanmak için önemli bir potansiyel sunmaktadır. Örnek olarak sıcaklık seviyeleri, 50 °C'den yüksektir. Bu geri kazanılan ısı, diğer operasyonların enerji tüketimini telafi etmek için kullanılabilir; bu da, saha enerji tüketimini azaltır.
Kombine su soğutma grubu ve ısı pompası üniteleri, soğuk suyun 60 °C üzerindeki sıcaklıklara ısıtılması için ısı atma sıcaklığını yeterince yükselterek aynı anda soğutucu akışkanı soğutur ve sıcak su üretir. Bir soğutucu-ısı pompası ünitesi, ancak soğutucu-ısı pompası tarafından üretilen ani ısı, anlık ısıtma talebini aşarsa, çevreye ısı verilmeyecektir.
3.14. Değişken Soğutulmuş Akışkan Sıcaklıkları
Soğutma sistemleri, sistemin çalıştığı buharlaşma sıcaklığı arttırıldığında, daha az güç kullanır. Tipik olarak, buharlaşma sıcaklığındaki her 1 °C'lik artış ve dolayısıyla sıvı sıcaklığı için güç tüketimi %3 oranında azalır. Buharlaşma sıcaklığında 3 °C'lik bir artış, %9 oranında enerji tasarrufu sağlayabilir. Bununla birlikte, bazı uygulamalar sıvı sıcaklığındaki önemli değişikliklere izin vermez. Örneğin, süt işleme gibi birçok gıda işleme uygulaması, ürün kalitesini ve hijyenini korumak için sabit sıvı sıcaklıklarının önemli olduğu bir ısı eşanjörü aracılığıyla ürünü soğutmak için soğutulmuş su veya su / glikol kullanır.
Bununla birlikte, birçok başka uygulama mevsimlik veya akışkan sıcaklığındaki yüke bağlı değişiklikleri tolere edebilir. Örneğin, işleme odalarının soğutulması için soğutulmuş su kullanıldığında, düşük soğutma yükleri ve düşük ortam nemi seviyeleri, soğutulmuş su sıcaklığının kış aylarında daha yüksek ayarlanmasına olanak tanır. Glikol / su sistemleri ile soğutulan meyve saklama odalarında, kış aylarında azaltılmış soğutma yükü genellikle yaz mevsimine göre kış aylarında 2-3 °C sıvı sıcaklığının artmasına izin verir.
3.15. Değişken Soğutma Suyu Sıcaklıkları
Soğutma sistemleri, sistemin çalıştığı yoğunlaşma sıcaklığı azaltılırsa, önemli ölçüde daha az güç kullanır. Genellikle, yoğunlaşma sıcaklığındaki her 1 °C'lik azalma için güç tüketimi %3 oranında azalır. Dolayısıyla 10 °C'lik bir azalma yoğunlaşma sıcaklığı %30 oranında enerji tasarrufu sağlayabilir. (Şekil-15).
Şekil 15. Bir soğutma tesisinin basma hattı basınç düşüşünün soğutma tesir katsayısına etkisi [4]
Su soğutmalı soğutucular, yoğuşma ısısını gidermek için bir soğutma sistemi gerektirir. Genellikle su pompası, soğutma kulesi ve soğutucu ve soğutucu üzerindeki ısı eşanjöründen suyu dolaştıran borulardan oluşur. Soğutma suyu sıcaklığı, ortam ıslak hazne sıcaklığına ve soğutma kulesi içerisindeki hava dolaşım hızına bağlıdır. Yaz koşullarında (kış koşullarında <5 °C ıslak hazne sıcaklığı), soğutma suyu sıcaklıkları 10 °C'nin altındayken yaz sezonunda (bu 25 °C ıslak hazne sıcaklığı olabilir) 27 °C veya daha yüksek soğutma suyu sıcaklıklarına ulaşılabilir Tam hava akışı oranında elde edilebilir. Bununla birlikte, çoğu sistemde hava akış hızı, soğutma kulesi fan hızını kontrol ederek veya soğutma suyu sıcaklığını minimum, tipik olarak 15 °C ila 20 °C'lik bir minimum seviyenin üstünde tutmak için soğutma kulesi atlayarak modüle edilir.
4. Sonuç ve Tartışma
Enerji verimliliği sadece parasal tasarruf değil aynı zamanda çevreye olan duyarlılığın bir sonucudur. Bu uygulamalar sadece şartnameler, etiketlemeler gibi yasal zorunluluklar ile çözülecek bir problem değildir. Aynı zamanda bu toplumsal bilinç seviyesi ile doğrudan ilgilidir [5].
Kontrol mantığını gözden geçirerek ve kapsamlı bir tasarım incelemesi gerçekleştirerek, kısmen optimize edilmiş bir tesiste bile önemli miktarda enerji tasarrufu mümkün olmaktadır. Bu enerji tasarruf teknolojileri, genel olarak uygulanabilir ve çoğu, tesisin bilgisayar yazılımında uygulanabilecek kontrol modifikasyonları içerir. Bazıları sürekli olarak izlenebilir ve uzaktan optimize edilebilir. Vurgulanan çeşitli enerji tasarrufu teknolojileri çoğu endüstriyel soğutma tesisi için geçerlidir. Bu enerji tasarrufu tedbirlerini almayan geleneksel tesislerde, enerji tasarrufu önemli olabilir ve soğutma ile ilgili enerji tüketimini %40 oranında azaltabilir. Bu teknolojilerin birçoğu kontrolle ilgili güncellemeleri içermekte ve en iyi enerji tasarrufunu sağlamak için en iyi şekilde uygulanmaktadır.
Kaynakça
[1] KA Manske, DT Reindl, SA Klein, 2001, Evaporative condenser control in industrial refrigeration systems, International Journal of Refrigeration, Elsevier
[2] https://insulation.org/io/articles/understanding-thermal-systems-industrial-refrigeration-systems (20.5.2017)
[3] http://www.contractingbusiness.com/refrigeration/minimizing-ammonia-charge-industrial-refrigeration-systems (15.04.2017)
[4] Energy Saver Technology Report, Industrial refrigeration and chilled glycol and water applications, 2017, Office of Environment and Heritage, Department of Premier and Cabinet, 59 – 61 Goulburn Street, Sydney NSW 2000, PO Box A290, Sydney South NSW 1232
[5] Bulgurcu, H., “Ticari Soğutma Sistemlerinde Enerji Verimliliği Yöntemleri”, 13.Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 19-22 Nisan 2017, İzmir
