HVAC sistemlerinde termodinamik


Dec 12, 2023

Termodinamik, ısı ve diğer enerji türlerinin hareketini ve bunlar arasındaki ilişkiyi açıklar. İlk bakışta biraz ürkütücü görünen bir konudur. Ancak, Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme (HVAC) sistemlerindeki termodinamik teorisini anlarsanız, sistemlerin nasıl ve neden çalıştığını ve en iyi nasıl uygulandıklarını hemen kavrayabilirsiniz. 

6 ısı transferinin temelleri

Termodinamik ilkelerini anlamak için öncelikle ısı ve ısı transferi ile ilgili altı kavramı kavramamız gerekir. 

1) Soğuk, ısı yokluğu anlamına gelir. Bir şeyi soğuk yapmak için ısısını alırsınız.

2) Isı ve sıcaklık farklı şeylerdir:

  • Isı bir nesneden, sistemden ya da yerden diğerine enerji akışıdır.
  • Sıcaklık ise bir nesnenin iç kinetik enerjisini ölçer.

3) Isı doğal olarak sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru hareket eder. 

4) Isı üç şekilde hareket eder.

  • İletim, ısının bir nesneden diğerine doğrudan temas yoluyla aktarılmasıdır.
  • Konveksiyon, ısının bir nesneden çevreye, bir gaz veya sıvı aracılığıyla, yüksek bir sıcaklıktan düşük bir sıcaklığa aktarılmasıdır.
  • Radyasyon, ısının elektromanyetik radyasyon yoluyla aktarılmasıdır.

5) Faz değişimi, bir şeyin bir halden başka bir hale geçmesidir, örneğin buz (katı) eriyerek suya (sıvı) dönüşür ve buharlaşarak buhara (gaz) dönüşebilir.

6) İki ortam arasındaki sıcaklık farkı ne kadar büyükse, ısı transfer hızı da o kadar hızlı olur. 

Termodinamik yasaları

İyi haber şu ki, HVAC sistemlerinin nasıl çalıştığını anlamak için bir bilim derecesine ihtiyacınız yok. Termodinamiğin toplam dört yasası vardır; sıfırıncı, birinci, ikinci ve üçüncü yasalar. Sıfırıncı yasa en son keşfedilen yasadır, ancak diğer üç yasanın temelini oluşturur, dolayısıyla adı ve öncelik sırası da buradan gelir. 

Sıfırıncı ve birinci yasaların anlaşılması kolay olsa da, ikinci ve üçüncü yasalar entropi adı verilen ve bir sistemin düzensizliğinin ölçüsü olan bir şeyle ilgilidir. Tüm bunlar kulağa oldukça karmaşık gelse de entropi, enerjinin ne kadar dağınık olduğunun bir ölçüsüdür. Enerji bir arada yoğunlaştığında yararlıdır, ancak dağılıp yayıldığında yararlı değildir, örneğin bir kütüğü yakarsak, kütüğün içinde yoğunlaşan enerji çevredeki havaya salınır. Bu enerji hala oradadır (atmosferde) ancak artık hiçbir işe yaramaz.
 

Termodinamiğin sıfırıncı yasası

Ne diyor: Sıfırıncı yasa, iki termodinamik sistemin her birinin üçüncü bir sistemle termal dengede olması durumunda, birbirleriyle termal dengede olduklarını belirtir.

Bu ne anlama gelir: Eğer iki nesne aynı sıcaklıktaysa ısı alışverişi yapmazlar.

Örnek olarak: Buzdolabındaki yiyecek ve içecekler buzdolabındaki hava ile aynı sıcaklıkta olacaktır. Hepsi termal dengededir ve maddeler arasında ısı transferi yoktur.
 

Termodinamiğin birinci yasası

Ne diyor: Birinci yasa, enerjinin ne yaratılabileceğini ne de yok edilebileceğini belirtir. 

Bu ne anlama gelir: Enerjinin Korunumu Yasası olarak da bilinen bu yasa, enerjinin yalnızca bir formdan diğerine aktarılabileceğini veya değiştirilebileceğini açıklar.

Örnek: Elektrikli bir fırın elektriği ısı enerjisine dönüştürecektir. 100 birim elektrik enerjisi, yemeğinizi pişirmek için 100 birim ısı enerjisine dönüşecektir.
 

Termodinamiğin ikinci yasası

Ne diyor: İkinci yasa, izole edilmiş herhangi bir sistemin entropisinin zaman içinde daima artacağını belirtir. 

Bu ne anlama geliyor: Enerji her zaman yayılır. Isı her zaman daha sıcak bir alandan daha soğuk bir alana doğru hareket edecektir, ancak soğuktan sıcağa doğru kendiliğinden akmayacaktır.

Örnek: Yeni pişmiş bir yemeği fırından çıkardığınız anda ısı kaybedecektir. Isı, sıcak yemekten daha soğuk tabağa ve etrafındaki daha soğuk havaya doğru hareket eder. 
 

Termodinamiğin üçüncü yasası

Ne diyor: Sıcaklık mutlak sıfıra* yaklaştıkça, bir sistemin entropisi sabit bir minimuma yaklaşır.

Bu ne anlama geliyor: Mutlak sıfıra ulaştığınızda, hiçbir ısı enerjisi kalmaz. Isı başka bir maddeye aktarılamaz ve yayılacak enerji yoktur. Bu nedenle entropi de sıfır noktasına ulaşır. 

Örnek: Buhardaki moleküller hızla hareket eder ve yüksek entropiye sahiptir. Buhar 100oC'nin altında soğursa, gazdan sıvı suya doğru bir faz değişimine uğrayacaktır. Su, buhara kıyasla daha az molekül hareketine ve daha düşük entropiye sahiptir. Su 0oC'nin altına soğutulursa sıvıdan katı buza doğru başka bir faz değişimine uğrar. Entropi gibi moleküllerin hareketi de daha da azalır. Bu buz mutlak sıfıra kadar soğutulursa, entropi de sıfır olacaktır.

*0o Kelvin, -273.15oC veya -459.67oF.
 

Şunları öğrendik:

  1. Farklı enerji türleri birbirlerine dönüştürülebilir.
  2. Isı doğal olarak sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru hareket eder, ancak nesneler aynı sıcaklıktaysa ısı aktarımı olmaz.
  3. Bir maddenin kaybettiği faydalı enerji miktarı sıcaklıktan etkilenir. 

Bu prensipleri termodinamik döngüde kullanarak, ısı hareketini kontrol edebilir ve avantajımıza kullanabiliriz. 

Soğutucu akışkan ve termodinamik döngü

Soğutucu akışkan son derece kullanışlı bir maddedir. Düşük bir kaynama noktasına sahiptir ve ısıyı absorbe etmek ve serbest bırakmak için kolayca manipüle edilebilir. Soğutucu akışkan üzerindeki basıncı artırdığınızda, sıcaklığı ve iç kinetik aktivitesi de aynı şekilde artacaktır. Soğutucu akışkan üzerindeki basıncı düşürdüğünüzde, sıcaklığı ve iç kinetik enerjisi düşecektir.

HVAC sistemlerinde soğutucu akışkan, yalnızca basıncını ve sıcaklığını değil, aynı zamanda fiziksel durumunu da değiştiren bileşenler arasında dolaşır. Soğutucu akışkan bir sıvıdan bir gaza veya tam tersi şekilde faz değiştirecek ve bunu yaparken ısıyı emecek ve serbest bırakacaktır.

Soğutucularda ve ısı pompası sistemlerinde termodinamik

Chiller ve ısı pompası sistemleri için termodinamik çevrim tamamen aynıdır. Çevrim, buhar sıkıştırma çevrimi kullanılarak ısıtma veya soğutma için kullanılabilir. Basit bir sistemde, bu dört ana bileşenden oluşur: 

Kompresör: Kompresör sistemin kalbidir ve tüm soğutma işlemini yürütür. Düşük basınçlı soğutucu gaz (doymuş buhar) kompresöre girer ve sıkıştırılarak yüksek basınçlı, ısıtılmış bir gaza (kızgın buhar) dönüştürülür. Bu sıcak soğutucu gaz daha sonra sistemdeki bir sonraki eleman olan kondansatöre doğru akar. 

Kondenser: Kondenser, soğutucu akışkanın durumunu gazdan sıvıya dönüştüren bir ısı eşanjörüdür. Kondenserde, aşırı ısıtılmış buhar, su veya hava yoluyla istenmeyen ısı alışverişinde bulunduğunda yüksek basınçlı bir sıvıya (doymuş sıvı) yoğunlaştırılır. Bu durum değişikliği gizli ısıyı serbest bırakır ve soğutucu akışkanı alt soğutur. 

💡 Bilmekte fayda var

Bir chiller sistemindeki soğutma işleminde kondenser, istenmeyen ısıyı hava veya su yoluyla atmosfere salmak için bir ısı eşanjörü görevi görür. 
Bir ısı pompası sistemindeki ısıtma işleminde, bu ısı binanın ısıtma ve sıcak su devrelerinde kullanılmak üzere değiştirilir.


Genleşme valfi: Yüksek basınçlı sıvı soğutucu akışkan daha sonra bir genleşme valfinden geçer. Bu, basıncı düşürür, bu da sıcaklığı düşürür ve soğuk, düşük basınçlı bir soğutucu akışkan sıvısı elde edilir.

Evaporatör: Soğuk, düşük basınçlı sıvı soğutucu akışkan evaporatöre girer. Kondenser gibi evaporatör de soğutucu akışkanda bir durum değişikliği başlatan bir ısı eşanjörüdür. Soğutucu akışkan havadan veya sudan ısı emerek kaynamasına ve buharlaşarak düşük basınçlı bir gaz (doymuş buhar) haline gelmesine neden olur. Bu durum değişikliği ısıyı emerek havayı veya suyu soğutur.

Düşük basınçlı gaz buharlaştırıcıdan kompresöre geçer ve döngü yeniden başlar.

💡 Bilmekte fayda var

Bir chiller sistemindeki soğutma işleminde ısı, evaporatördeki soğutucu akışkan ile soğutma devreleri (soğutulmuş su döngüsü) arasında değiş tokuş edilir. 
Bir ısı pompası sistemindeki ısıtma işleminde ısı, soğutucu akışkan ile ortam havası veya su arasında değiş tokuş edilir.


Umarım artık ısı pompaları ve soğutucu sistemlerinin termodinamiğini daha iyi anlamışsınızdır. Ancak gitmeden önce bilmeniz gereken bir şey daha var ve bu da gereksinimleriniz için en iyi HVAC ürününü nasıl seçeceğinizdir. 

Sertifikasyonun faydaları

Sertifikasyonun, bilinçli bir karar vermek için ürünleri objektif olarak karşılaştırmanızı sağladığını biliyor muydunuz? Sertifikalı bir ürün seçmenin faydaları şunlardır:

  • Ürün performansı aynı kriterlere göre değerlendirilir ve sonuçlar, ürünlerin üretildiği veya pazarlandığı ülkeden bağımsız olarak aynı ölçü birimiyle ifade edilir
  • Sertifikalı bir ürünün performansı tarafsız, bağımsız ve yetkin bir akredite kuruluş tarafından doğrulanır
  • Sertifikalı ürünler standartlara uygundur
  • Performansı onaylanmış bir ürün, üretici tarafından belirtilen özelliklere göre çalışacaktır.

Soğutucular ve ısı pompaları gibi sertifikalı ürünleri görüntülemek ve karşılaştırmak istiyorsanız, sertifikalı ürün dizinimizi ziyaret edin.