Kompakt değişken kapasiteli kompresör için soğutma kapasitesi artışının sayısal ve deneysel incelenmesi

Kompakt değişken kapasiteli kompresörde yüksek verimliliğin talep edilmesi, dünya çapında artan elektrik tüketiminin ve çevresel farkındalığın bir sonucu olarak soğutma uygulamalarında zorunlu bir gereklilik arz etmektedir. Buzdolabı, dünyadaki en yaygın ev aletlerinden biridir. Yıllık ortalama 450 kWh elektrik tüketimi ile konut sektöründeki toplam elektrik tüketiminin neredeyse %14'ünü oluşturur ve dünya çapında yıllık 450 milyon ton CO2 emisyonuna neden olur. Gelişmiş yalıtım, verimli kompresör ve sistem optimizasyonu gibi ileri teknolojilerin kullanımı, sırasıyla %25, %33 ve %42'lik bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. Temel olarak kompresörler, soğutma sisteminin performansını ve verimliliğini belirler. Soğutma sisteminin bu temel bileşeni elektrik enerjisini tüketir ve onu buharlaştırılmış soğutucu akışkan basıncında depolanan enerjiye dönüştürür. Bu amaca ulaşmak için birçok farklı kompresör tipi olmasına rağmen, küreselleşmenin bir sonucu olarak rekabetçi ortamda hermetik pistonlu kompresör, ev tipi buzdolaplarında en yaygın kullanılan kompresör tipidir. Bir kompresörün genel verimliliği üç faktöre bağlıdır. Bunlar, elektriksel motor verimi, mekanik verim ve termodinamik verimdir. Modern ev tipi pistonlu kompresörlerin mevcut verimlilik düzeylerinin analizi yapılacak olursa, elektrik motorunun verimi %87-88 arasındadır. Mekanik sistemlerin verimi %92'ye kadar çıkmaktadır. Termodinamik verim ise çok daha düşüktür ve genellikle %80 ile %83 arasındadır. Kompresör verimliliğinde, en fazla kayıpların gerçekleştiği termodinamik kayıplar konusunda pek çok araştırmalar yapılmaktadır. Ribas ve ark.'na (2008) göre, termodinamik kayıpların yaklaşık %47'sinin sırasıyla emme hattından silindire ve silindirden boşaltma hattına giden akış yolu boyunca sürtünme kayıpları nedeniyle emme ve boşaltma işlemlerinden kaynaklandığı tespit edildi. Az miktarda enerji kaybı (yaklaşık %4), piston silindiri boşluğundaki sızıntılardan dolayıdır. Öte yandan, enerji kayıplarının önemli bir kısmı emme hattı boyunca ve silindirin içinde gerçekleşen soğutucu akışkanın aşırı ısınmasıyla ilişkilidir. Soğutma sisteminde buharlaştırıcı çıkışında aşırı ısıtıldıktan sonra kompresöre gelen soğutucu akışkan sırasıyla, emme susturucusu, emme plenumu, silindir, egzoz plenumu ve egzoz susturucusundan geçerek yoğuşturucuya gönderilmektedir. Soğutucu gazı emme hattından sıkıştırma bölgesine ileten elemana Emme susturucusu denir. Bu bileşen, gaz yönlendirme, akustik sönümleme ve bazı durumlarda silindire çekilen gazın ısı yalıtımı gibi kompresörün yeterli çalışması için birçok önemli fonksiyona sahiptir. Çekilen gazın yeterli ısı yalıtımı, kompresörün hacimsel ve enerji verimliliğini arttırmak için önemlidir. Yeterli ısı yalıtımı sağlamak için, mevcut susturucular, genellikle, düşük termal iletkenliğe sahip bir malzemeden üretilir. Örneğin, iyi ısı yalıtım özelliğine sahip reçineler, plastik gibi. Çalışmada yer alan susturucu malzemesi, mühendislik uygulamaları için enjeksiyon kalıplamada kullanılan Polibütilen Tereftalat malzemesidir. Soğutucu akışkanın emme hattında kompresöre girişi ile silindire girmesi arasında geçen süre zarfında kompresörün içindeki çeşitli sıcak kaynaklardan kendisine iletilen ısı nedeniyle gaz sıcaklığı artmaktadır. Gazın sıcaklık artışı, spesifik hacminde bir artışa neden olur ve dolayısıyla kompresör tarafından pompalanan soğutucu akışkan maddenin kütlesel debisini düşürür. Kompresörün soğutma kapasitesi, kütle akışı ile doğru orantılı olduğu için, sözü geçen akışın azaltılması verimlilik kaybına neden olur. Bir emme susturucusu tasarımında kontrol faktörleri sınır koşuluna göre "akış hızı" ve "basınç düşüşü" olmak üzere iki değişkendir [6]. Bu çalışmada mekanik ve termodinamik kayıpların azaltılması için mevcut susturucu modeline alternatif olarak prototip susturucu modeli geliştirildi. Susturucu parçalarından biri olan akış yönlendirme kanalında tasarım değişikliği yapıldı. Ardından her iki susturucu modeli için susturucu girişi ile çıkışı arasında soğutucu akışkanda meydana gelen basınç düşüşleri sayısal yöntemle incelendi. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri, özel bir simülasyon programında yapıldı. Öncelikle, geometrilerin akış hacimleri oluşturuldu. Akış hacmi oluşturulurken, geometrideki dar açılarla birleşen sivri köşeler ve akışı etkilemeyecek çarpık yüzeyler HAD analizine uygun hale getirildi. Ardından, çözüm ağı oluşturularak, fiziksel bileşen belirli sayıdaki küçük elemanlara bölündü. Buradaki amaç, sayısal yöntemde kullanılan kütle, momentum ve enerji korunumu diferansiyel denklerimiyle yapılan çözümün analizi kolaylaştırarak yakınsama kriterini sağlayacak çözüm ağının oluşturulmasıdır. Daha sonra akışa uygun model ve sınır şartları oluşturularak analizler yapıldı. Sayısal incelemenin farklı açıdan doğrulanması için deneysel yönteme başvuruldu. Üretimi yapılan mevcut emme susturucusu ve prototip emme susturucusu modelleri için kompresör kalorimetre testleri yapılarak geliştirilen yeni emme susturucusunun kütlesel debi ve kapasiteye etkisi incelendi. Deneyler ASHRAE koşulları olan -23,3 °C (Evaporasyon sıcaklığı) ve 54,4 °C (Kondenzasyon sıcaklığı) şartlarında yapılmıştır. Kompresör, 1300, 3000 ve 4500 devir/dakika değerlerinde test edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise emme susturucusu çıkışında emme plenumu bölgesindeki soğutucu akışkana olan ısı geçişinde iyileştirme sağlanması için silindir kafası ile valf tablası arasına yerleştirilen özel yalıtımlı valf tablası tasarımı oluşturuldu. Soğutkan, piston ile sıkıştırılıp yüksek basınca geldiğinde egzoz plenumuna yönelir ve kompresör muhafaza içi ile egzoz plenumu arasındaki basınç farkı artar. Bu durumda soğutkan, silindir kafası ve valf tablası çeperlerinden dış ortama geçmeye çalışır. Soğutkanın muhafaza içine geçişi sonucu basınç kayıpları oluşur ve egzoz susturucusuna giden soğutkanın basıncı düşer. Bu durumda soğutma çevriminde belirli çalışma koşullarında istenen basınç ve sıcaklık değerleri elde edilmemiş olup kompresör verimi düşmektedir. Bu durumu engellemek amacıyla silindir kafası ile valf tablası arasına yerleştirilen yalıtımlı valf tablası ile bu bölgelerde oluşacak basınç kayıplarının engellenmesi ve emme prosesi sırasında silindir hacmine alınan göreceli olarak daha düşük sıcaklığa sahip soğutkana olan ısı transferinin azaltılması hedeflenmiştir. Ayrıca soğutkan kaçağının minimize edilmesi ile silindir kafası ve yalıtkan valf tablası arasında kullanılan sızdırmazlık sağlayan conta elemanının çıkarılması sonucu bu durumun maliyet avantajı yaratması söz konusudur. Literatürde yapılan araştırmalara göre, kompresörde silindir kafası, emme ve egzoz plenumu ile valf tablası bölgelerinde benzer uygulamalara rastlanmıştır. WO2007068072 patent başvurusunda, egzoz plenumu tek bir kapalı hacme alınarak valf tablası ile ısı transferinin azaltılması amaçlanmıştır. Burada valf tablası egzoz portu çevresi ve civata deliklerinde boşluk bırakma çıkıntıları oluşturulmuştur. Egzoz plenumu silindir kafası içinde kapalı bir hacimde odacık şeklindedir. Egzoz plenumu açıklığı bırakılarak egzoz portundan geçen akışkanın egzoz plenumuna dolması sağlanmıştır. Valf tablası üzerinde oluşturulan çıkıntılar sayesinde valf tablasının sıcak bölgeyle teması minimuma indirilmiştir. Ayrıca, diğer bir tasarım fikri olarak valf tablasında egzoz portu çevresinde oluşturulan boşluğa önce conta sonra boşluk bırakma aparatı geçmektedir. Silindir kılıfı olarak verilen parça boşluk aparatına takılmakta ve kapalı bir hacim olarak egzoz plenumunu oluşturmaktadır. Sonrasında dış kılıf olarak verilen silindir kafası bu montaja geçirilmektedir. WO2012166051 patent başvurusunda ise, valf tablası ile gövde–silindir tarafındaki ısı transferini azaltmaya yönelik bir buluş sunulmuştur. Buluşta biri düşük ısıl iletkenliğe sahip malzemeden, diğeri metalden iki adet valf tablası plakası kullanılmıştır. Termal yalıtkan plaka ve metal plaka presleme, enjeksiyon döküm, indiksiyon ısıtma, ultrasonik kaynak veya yapıştırma yöntemlerinden birisiyle birleştirilmektedir. Termal yalıtkan plaka sayesinde egzoz plenumundan metal valf tablası ve gövdeye olan ısı transferi azaltılmaktadır. Aynı buluş içerisinde sandviç plaka uygulamasına yer verilmiştir. Burada metal valf tablası plakası iki adet termal yalıtkan plaka arasına alınmaktadır. WO2010133503 patent başvurusunda, plastik silindir kafası kullanılarak emme ve egzoz plenumları arasındaki ısı geçişinin azaltılması hedeflenmiştir. Plastik silindir kafasının dayanımı metale göre düşük olacağından silindir kafası duvarlarına metal destek iskeleti geçirilmiştir. Metal desteğin burç kısımlarından cıvatalar geçirilerek silindir kafası gövdeye torklanmaktadır. Sonuç olarak hem plastik silindir kafasının mukavemeti arttırılmış hem de ısıl iletkenliği düşük olan plastik malzeme sayesinde emme plenumundaki akışkanın daha az ısındığı düşünülmüştür. Yalıtımlı valf tablası tasarımının katı modeli, kompresör içinde yerleştirileceği bölgede belirlenen ölçülere göre çizim programında oluşturulduktan sonra düşük ısı iletim katsayısına sahip belirlenen bir malzeme ile parçanın üretimi gerçekleştirildi. Daha sonra parçanın kompresör içindeki montajı yapılarak deney düzeneğine uygun hale getirilmiştir. Kompresör kalorimetre test odasında yapılan deneylerde mevcut model ile özel yalıtımlı valf tablasının kullanıldığı model kullanılarak 2 ayrı test düzeneği hazırlanmıştır. Deneyler ASHRAE koşulları olan -23,3 °C (Evaporasyon sıcaklığı) ve 54,4 °C (Kondenzasyon sıcaklığı) şartlarında yapılmıştır. Kompresör, 1300, 2100, 3000 ve 4500 devir/dakika çalışma koşullarında test edilmiştir. Oluşturulan yeni tasarımın kapasiteye ve SEK (Soğutma Etkinlik Katasayısı)'e etkisi incelendi. Bu kapsamda kompresör hacimsel veriminin ve genel performansının arttırılması amaçlanmıştır. İleriye yönelik çalışmalarda, emme susturucusunun akış ve akustik performansı açısından akış yönlendirme kanalı ve susturucu odacıkları tasarımlarında bir takım değişiklikler yapılarak iyileştirme oranı arttırılabilir. Öte yandan, yalıtımlı valf tablasının kompresörün soğutma kapasitesine olan olumlu etkisini arttırmak için mühendislik uygulamalarında kullanılan düşük ısı iletim katsayısına sahip farklı malzeme denemeleri ile deneme üretimleri yapılarak deneysel inceleme yapılabilir. Ayrıca, tasarımın katı modelinde yapılacak bir takım değişiklikler ile emme plenumu çıkışında pistona giren soğutucu akışkanda termal korumanın arttırılabileceği yeni tasarımlara yer verilebilir.