1. Chiller Nedir?

Chiller, endüstriyel fabrikalarda proseslerden kaynaklanan ısının uzaklaştırılması amacıyla kullanılan mekanik soğutma sistemleridir. Chillerler; sıcaklık ve basınç kontrolünü sürdürmek, üretim süreçlerini optimize etmek ve ürün/konfor kalitesini sağlamak amacıyla çeşitli ticari uygulamalarda ve endüstrilerde önemli hale gelmiştir.

Endüstriyel chillerler özellikle önemlidir çünkü endüstriyel süreçler yan ürün olarak ısı üretirler. Bu ısı uzaklaştırılmazsa üretimin azalmasına, ekipman arızalarına ve duruşlara neden olabilir. Soğutma için chiller kullanılması; sürekli sıcaklık ve basınç sağlama, üretim süreçlerini basitleştirme ve soğutma suyunun geri dolaşımını sağlayarak maliyetleri ve çevresel etkiyi en aza indirme gibi birçok avantaj sunar.

 

Chiller Temel Bileşenleri

Bir chiller temel bileşenleri olarak kompresör, kondenser (yoğunlaştırıcı), genleşme valfi ve evaporatörü (buharlaştırıcı) içerir.

• Evaporatör: Soğutulmak istenen ortamdan veya akışkandan ısıyı soğutucu akışkana aktarır. Soğutma işleminin gerçekleştirildiği bileşendir.
• Kompresör: Soğutucu akışkanı devridaim  eder ve basınç farkı yaratarak soğutucu akışkanı evaporatörden kondensere gönderir.
• Kondenser: Soğutucu akışkan üzerindeki ısıyı bir ortama veya akışkana aktarır.
• Genleşme valfi: Soğutucu akışkanın basıncını düşürür ve kondenser çıkışındaki soğutucu akışkanı evaporatöre gönderir.

 

 

Chiller Soğutma Çevriminde Ne Olur?

Görseldeki çevrim 1 → 2 → 3 → 4 → 1 şeklinde ilerler.

1 → 2 | Kompresör

Soğutucu akışkan 1 noktasında düşük basınçlı ve düşük sıcaklıklı gaz olarak kompresöre gelir. Kompresör bu akışkana Pc ile gösterilen elektriksel gücü harcayarak basıncını ve sıcaklığını yükseltir. Böylece akışkan 2 noktasında yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı gaz haline gelir.

2 → 3 | Kondenser

Yüksek sıcaklık ve basınçtaki soğutucu akışkan kondensere girer. Burada soğutucu akışkan sahip olduğu ısıyı çevreye veya kondenser soğutma suyuna aktarır. Görselde bu dışarı atılan ısı Qc ile gösterilmiştir. Isısını kaybeden soğutucu akışkan yoğuşarak sıvı hale gelir ve 3 noktasına ulaşır.

3 → 4 | Genleşme

3 noktasındaki yüksek basınçlı sıvı, genleşme elemanından geçirilir. Burada soğutucu akışkanın basıncı düşürülür. Basınç düşüşüyle birlikte soğutucu akışkanın sıcaklığı da düşer. Böylece akışkan evaporatöre girebilecek düşük basınçlı ve düşük sıcaklıklı hale gelir.

4 → 1 | Evaporatör

Düşük basınçlı ve düşük sıcaklıklı soğutucu akışkan evaporatöre girer. Burada proses tarafından soğutulmak istenen akışkandan Qe ile gösterilen ısıyı alır. Bu ısıyı alan soğutucu akışkan buharlaşır ve tekrar gaz haline gelir. Sonrasında 1 noktasına ulaşarak yeniden kompresöre girer.

Çevrimin Genel Mantığı

Evaporatör → ısıyı alır → kompresör → basıncı yükseltir → kondenser → ısıyı dışarı atar → genleşme elemanı → basıncı düşürür → evaporatör

Qc = Qe + Pc

Yani kondenserde dışarı atılan ısı (Qc), evaporatörde alınan ısı (Qe) ile kompresöre verilen gücün (Pc) toplamıdır.

2. Chiller Türleri ve Kondenser Tiplerine Göre Sınıflandırılması

Chillerler, çalışma prensiplerine, soğutma yöntemlerine ve kondenser tiplerine göre farklı türlere ayrılabilirler. Kondenser tipine göre chillerler, hava soğutmalı ve su soğutmalı olarak sınıflandırılabilir.

2.1. Hava Soğutmalı Chillerler

Hava soğutmalı chillerler, ısıyı ortam havasına transfer etmek için hava akımını kullanır. Soğutucu akışkan kondenserde hava ile yoğuşturulur ve kondenser chillere entegredir. Bu tür chillerler genellikle daha küçük ölçekteki ticari uygulamalarda tercih edilir.

2.2. Su Soğutmalı Chillerler

Su soğutmalı chillerler, ısıyı su aracılığıyla transfer eden sistemlerdir. Soğutucu akışkan kondenserde soğutma suyu ile soğutulur. Kondenser suyu, genellikle bir soğutma kulesi (açık/kapalı) aracılığıyla soğutulur ve tekrar chiller’e gönderilir. Bu tür chillerler, büyük ölçekli binalar ve endüstriyel tesisler gibi daha yüksek kapasiteli uygulamalarda yaygın olarak kullanılır.

Tablo 1. Chillerlerin Kondenser Tipine Göre Avantaj ve Dezavantajları

Kondenser Tipine Göre	Hava Soğutmalı	Su Soğutmalı
Avantaj	Yatırım maliyeti düşük	İşletme maliyeti düşük
	Su tüketimi yok	Az yer kaplar
	Paket sistemler	Yüksek verimli
		Temizlik kolay
		Uzun ömürlü
Dezavantaj	Düşük verimli	Yatırım maliyeti yüksek
	İşletme maliyeti yüksek	Su şartlandırma gereksinimi
	Ömrü kısa

3. Enerji Verimliliği Kavramları

Enerji verimliliği, elde edilen enerjinin bu enerjinin elde edilmesi için kullanılan işe-enerjiye bölünmesi ile elde edilen değerdir. Basit ifade ile bir koyup birden fazla alma sanatıdır. Birden fazla alma ne kadar yüksek ise sistemin enerji verimliliği o kadar fazla demektir.

İklimlendirme, soğutma ve ısıtma cihazlarının enerji verimliliğinin hesaplanmasında bu mantık kullanılmaktadır. Soğutma ve ısıtma uygulamalarında enerji verimliliğini belirlemek için bazı kavramlar kullanılmaktadır.

3.1. Performans Katsayısı (COP)

Performans katsayısı (COP), çıkış enerjisinin giriş enerjisine oranıdır. Normalde ısı pompasında veya ısı pompasındaki ısıtma performansının ne kadar olduğunu ölçmek için kullanılır.

Isıtma amaçlı kullanılan ısı pompalarında COP değeri aşağıdaki formül ile hesaplanabilir:

COP=Kondenser Isıtma Kapasitesi (kW)Harcanan Toplam Enerji (kW)

3.2. Enerji Verimlilik Oranı (EER)

Enerji verimlilik oranı (EER), bir soğutma cihazında evaporatörde elde edilen soğutma kapasitesinin (kW), cihazın tükettiği toplam elektrik gücüne (kW) oranıdır. EER değeri yalnızca soğutma amaçlı kullanılmaktadır.

EER değeri aşağıdaki formül ile hesaplanabilir:

EER=Evaporatör Soğutma Kapasitesi (kW)Harcanan Toplam Enerji (kW)

4. Chillerlerde Sıcaklık Optimizasyonu ve EER'nin Artırılması

Chiller sistemlerinde enerji verimliliğinin artırılması için evaporatör ve kondenser tarafındaki çalışma sıcaklıklarının uygun şekilde optimize edilmesi önemlidir. Bu sıcaklıkların kompresörün çalışma koşulları üzerinde doğrudan etkisi bulunmaktadır. Evaporatör tarafında soğutma suyu sıcaklığının prosesin izin verdiği ölçüde yükseltilmesi, kondenser tarafında ise kondenser giriş suyu sıcaklığının mümkün olan en düşük seviyede tutulması kompresörün daha düşük basınç oranında çalışmasını sağlayarak elektrik tüketiminin azaltılmasına katkıda bulunur.

4.1. Evaporatör Tarafında Sıcaklık Optimizasyonu

Chiller sistemlerinde evaporatör çıkış suyu sıcaklığının, prosesin gerçek ihtiyacı dikkate alınarak mümkün olan en yüksek seviyeye çıkarılması enerji verimliliği açısından önemli bir fırsattır.

Örneğin prosesin 10 °C sıcaklığındaki soğutma suyuyla çalışması mümkünken, chillerin 7 °C su üretmesi gereksiz bir enerji tüketimine neden olabilir. Evaporatör çıkış suyu sıcaklığının yükseltilmesiyle soğutucu akışkanın evaporasyon sıcaklığı da yükselir. Bunun sonucunda kompresörün emiş basıncı yükselir ve basınç oranı azalır. Kompresörün daha düşük basınç oranında çalışması, ihtiyaç duyduğu elektrik gücünün azalmasını sağlar.

Bu nedenle prosesin izin verdiği durumlarda evaporatör çıkış suyu sıcaklığının artırılması, aynı soğutma yükünün daha düşük elektrik tüketimiyle karşılanmasına ve EER değerinin yükselmesine katkıda bulunabilir.

Evaporatör su sıcaklığı ↑ → Evaporasyon sıcaklığı ↑ → Kompresör basınç oranı ↓ → Kompresör gücü ↓ → EER ↑

Ancak evaporatör çıkış suyu sıcaklığı sınırsız şekilde artırılamaz. Soğutma suyunun sıcaklığının yükselmesi, proses ekipmanlarında bulunan eşanjör veya soğutma bataryalarındaki sıcaklık farkını azaltabilir. Sıcaklık farkının azalması, proses tarafından üretilen ısının soğutma suyuna aktarılmasını zorlaştırabilir.

Bu nedenle optimizasyon yapılırken prosesin ihtiyaç duyduğu sıcaklık, eşanjör performansı, yaklaşım sıcaklıkları ve kontrol vanalarının çalışma aralıkları değerlendirilmelidir. Amaç, prosesin ihtiyaç duyduğu soğutmayı güvenli şekilde sağlayabilecek en yüksek evaporatör çıkış suyu sıcaklığını belirlemektir.

4.2. Kondenser Tarafında Sıcaklık Optimizasyonu

Su soğutmalı chillerlerde kondenser giriş suyu sıcaklığı da kompresörün çalışma koşullarını doğrudan etkiler. Kondenser suyu, soğutma kulesinde soğutulduktan sonra tekrar kondenser girişine gönderilir.

Kondenser giriş suyu sıcaklığının düşürülmesi, soğutucu akışkanın daha düşük yoğuşma sıcaklığında çalışmasına imkân sağlar. Yoğuşma sıcaklığının düşmesiyle kompresörün basınç oranı azalır. Böylece kompresörün ihtiyaç duyduğu elektrik gücü düşer ve chillerin EER değeri yükselir.

Kondenser giriş suyu sıcaklığı ↓ → Yoğuşma sıcaklığı ↓ → Kompresör basınç oranı ↓ → Kompresör gücü ↓ → EER ↑

Bu nedenle su soğutmalı chillerlerde kondenser giriş suyu sıcaklığının mümkün olan en düşük seviyede tutulması enerji verimliliği açısından önemlidir. Ancak burada da sıcaklığın düşürülebileceği bir sınır bulunmaktadır. Kondenser suyu sıcaklığının hangi seviyeye kadar düşürülebileceği; soğutma kulesinin çalışma koşulları, dış hava şartları ve chillerin çalışma sınırları dikkate alınarak belirlenmelidir.

Sonuç olarak chiller sistemlerinde EER'nin artırılması için iki temel sıcaklık optimizasyonu yaklaşımı bulunmaktadır:

• Evaporatör tarafında: Prosesin izin verdiği ölçüde daha yüksek soğutma suyu sıcaklığı.
• Kondenser tarafında: Sistem çalışma sınırları içerisinde daha düşük kondenser giriş suyu sıcaklığı.

Her iki yaklaşımın ortak amacı, kompresörün basınç oranını azaltarak aynı soğutma yükünün daha düşük elektrik gücüyle karşılanmasını sağlamaktır.

5. Chiller Sistemlerinde Bakım, Kontrol ve Enerji Kayıplarının Giderilmesi

Chiller sistemlerinde enerji verimliliğinin sürdürülebilmesi için yalnızca cihazın elektrik tüketiminin takip edilmesi yeterli değildir. Sistemin soğutma kapasitesi, gidiş ve dönüş suyu sıcaklıkları, debi ve çalışma koşulları birlikte değerlendirilmelidir. Bu değerler üzerinden sistemin gerçek soğutma performansı belirlenerek enerji kayıplarına neden olan durumlar tespit edilebilir.

5.1 Chiller Sistemlerinde ΔT Takibi ve Performansın Değerlendirilmesi

Chiller sistemlerinde ΔT, evaporatöre giren ve çıkan soğutulmuş suyun sıcaklıkları arasındaki farkı ifade eder. Prosesten dönen suyun sıcaklığı ile chillerden prosese gönderilen suyun sıcaklığı arasındaki bu fark, suyun proses tarafından ne kadar ısı aldığının değerlendirilmesinde kullanılır.

Soğutma suyunun taşıdığı ısı; debi, özgül ısı ve sıcaklık farkı kullanılarak aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

Q = ṁ × cp × ΔT

Burada;

• Q: Soğutma kapasitesi (kW)
• ṁ: Soğutulmuş su debisi (kg/s)
• cp: Akışkanın özgül ısısı (kJ/kg·K)
• ΔT: Gidiş ve dönüş suyu sıcaklık farkı (K)

Örneğin, prosesten 12 °C sıcaklığında dönen suyun chiller tarafından 7 °C'ye soğutulması durumunda ΔT değeri 5 °C'dir. Ancak gerçek soğutma kapasitesinin belirlenebilmesi için sıcaklık farkının yanında su debisinin ve akışkanın özgül ısısının da bilinmesi gerekir.

Bu nedenle chiller sisteminin performansının değerlendirilmesinde gidiş sıcaklığı, dönüş sıcaklığı ve debinin birlikte ölçülmesi önemlidir. Ölçülen değerler kullanılarak sistemin gerçek soğutma kapasitesi hesaplanabilir. Elde edilen soğutma kapasitesi, chillerin aynı çalışma koşullarındaki elektrik tüketimi ve çalışma yükü ile birlikte değerlendirilerek sistemin enerji performansı belirlenebilir.

Ölçümlerin yeterli yük altında ve sistemin kararlı çalıştığı bir zaman aralığında yapılması, gerçek çalışma koşullarının değerlendirilmesi açısından önemlidir.

5.2 Düşük ΔT ve Enerji Kayıplarının Belirlenmesi

Chiller sistemlerinde ölçülen ΔT değerinin tasarım değerinin belirgin şekilde altında kalması, sistemde performans kaybı veya uygun olmayan çalışma koşullarının bulunduğuna işaret edebilir. Aynı soğutma yükünde ΔT'nin düşmesi, gerekli ısı transferinin sağlanabilmesi için daha yüksek su debisi gerektirebilir. Debinin artması ise pompa enerji tüketiminin yükselmesine neden olabilir.

Ancak düşük ΔT her zaman bir arıza anlamına gelmez. Prosesten gelen gerçek soğutma yükünün tasarım yükünün altında olması durumunda düşük ΔT sistemin doğal çalışma sonucu olabilir. Bu nedenle ΔT değerlendirilirken sistemin gerçek soğutma yükü de dikkate alınmalıdır.

Düşük ΔT'nin nedenleri chillerin dışında, soğutulmuş su devresinde de bulunabilir. Açık bypasslar, üç yollu vanalar, gereğinden yüksek debi, ısı transfer yüzeylerindeki kirlenme, hatalı sıcaklık sensörleri ve devrede hava bulunması düşük ΔT'ye neden olabilecek durumlar arasındadır.

Bu nedenle düşük ΔT görüldüğünde doğrudan chiller kapasitesinin artırılması yerine, gidiş ve dönüş sıcaklıkları ile debi ölçülerek gerçek soğutma kapasitesi belirlenmeli ve düşük ΔT'nin nedeni araştırılmalıdır.

5.3 Bakım ve Kontrol Çalışmaları ile Enerji Kayıplarının Giderilmesi

Ölçümler sonucunda belirlenen performans kayıplarının giderilmesi için chiller sisteminin çalışma koşulları kontrol edilmelidir. Düşük ΔT, yetersiz ısı transferi veya gereğinden yüksek debi gibi durumlar tespit edildiğinde, bunlara neden olan işletme ve ekipman koşulları incelenerek gerekli bakım ve kontrol çalışmaları yapılmalıdır.

Soğutulmuş su devresindeki bypass ve vana durumları, ısı transfer yüzeylerinin temizliği, sıcaklık sensörlerinin doğruluğu ve debinin çalışma koşullarına uygunluğu kontrol edilerek performans kayıplarının nedenleri belirlenebilir.

Yapılan bakım ve kontrol çalışmalarının ardından gidiş ve dönüş sıcaklıkları, debi, soğutma kapasitesi ve elektrik tüketimi tekrar değerlendirilmelidir. Böylece yapılan uygulamanın chiller sisteminin enerji performansı üzerindeki etkisi ölçülebilir.