Chiller Nedir ve Nasıl Çalışır? Chiller Çeşitleri Nelerdir?

Günümüzde endüstriyel tesislerden büyük alışveriş merkezlerine, hastanelerden otellere kadar pek çok alanda iklimlendirme ve soğutma sistemleri hayati bir rol oynamaktadır. Bu sistemlerin merkezinde yer alan chiller soğutucu cihazları, ortam sıcaklığını kontrol altına almak ve istenilen soğutma seviyesini sağlamak için vazgeçilmez ekipmanlar arasında yer alır. Chiller sistemleri, modern yaşamın konforlu ve sürdürülebilir bir şekilde sürdürülmesinde kritik öneme sahiptir. Bu makalede, chiller nedir sorusunun yanıtını arayacak, nasıl çalıştığını adım adım inceleyecek ve farklı chiller çeşitlerini detaylarıyla ele alacağız.

Chiller Nedir?

Küçük binaların iklimlendirme ihtiyacı klima üniteleri tarafından sağlanır. Ancak bina endüstriyel tesis gibi belirli bir büyüklüğe ulaştığında merkezi bir sistem kullanmak maliyet açısından daha uygun hale gelir. Merkezi sistemlerde ise temelde dev klima üniteleri olan soğutma grupları kullanır. Fakat boyutları nedeniyle çalışma prensipleri farklıdır.

Chiller sistemi en temel haliyle binalardaki havayı şartlandırmamıza yarayan merkezi bir soğutma grubudur. Temel görevi, bir sıvıyı (genellikle su veya bir karışım) soğutarak bu soğuk sıvının klima sistemlerine veya proses makinelerine iletilmesini sağlamaktır.

Daha teknik bir ifadeyle chiller, ısıyı bir yerden alıp başka bir yere taşıyarak soğutma işlemini gerçekleştiren bir ısı transfer cihazıdır. Soğutucu akışkan genellikle fan coil üniteleri, klima santralleri veya üretim ekipmanları gibi sistemlerde dolaştırılarak ortam sıcaklığı düşürülür ya da proseslerde gerekli olan soğutma sağlanır. Ortam sıcaklığını belirli bir seviyede tutmak elektrikli ve mekanik ekipmanların bozulmadan çalışmasını sağlamak açısından önemlidir. Bu sebeple chiller soğutma sistemleri oteller, restoranlar, hastaneler, spor sahaları ve endüstriyel tesisler dahil olmak üzere çok çeşitli ticari tesislerin temel bir HVAC bileşeni haline gelmiştir.

Chiller Sistemi Nasıl Çalışır?

Chillerların çalışma prensibi oldukça basittir. Chiller soğutma sistemi, soğutucu akışkanı bir kaynaktan alır, sıcaklığını düşürür ve ardından sisteme geri pompalar. Bu işlem, sıcaklık farkını koruyarak devam eder.

Su soğutmalı bir chiller soğutma sisteminde Şekil-1’de görüleceği üzere 3 farklı çevrim yer alır. Bütün çevrimlerde akışkanlar arasındaki ısı transferi sonucu sıcaklıkları artar veya azalır. 1 ve 3 numaralı çevrimlerde bu akışkan su iken 2 numaralı çevrimde ise soğutucu gaz yer alır. Soğutma sisteminin en önemli kısmı ana bileşenlerin yer aldığı 2 numaralı çevrimdir.

Chiller Sisteminin Ana Bileşenleri

Chiller soğutma grubu temelde 4 bileşenden oluşur. Bunlar kondenser, evaporatör, genleşme valfi ve kompresördür. Bu bileşenlerin esas amacı bulunduğu yapıyı soğutmaktır. Peki bu soğutma işlemi nasıl gerçekleşir? Söz konusu yapıyı soğutma işlemi 3 numaralı kapalı döngü ile sağlanır. Bu döngüde, soğutulması istenen ortamlara evaporatörden çıkan soğuk su gönderilmektedir. Soğuk su gittiği bölgelerdeki hava ile ısı transferi yapması sonucu ortamı soğutur. Bu etkileşim sonrası sıcaklığı yükselen su evaporatöre geri döner. Evaporatörde kendisinden daha düşük sıcaklıktaki soğutucu gaz ile ısı alışverişi yaparak tekrar soğur. Soğuyan su tekrar aynı döngüye devam eder. Dikkat edilmesi gereken nokta evaporatörde soğuk su ile soğutucu gazın kesinlikle birbirine karışmadığıdır.

Evaporatör ve Kompresör

Öncelikle evaporatörde suya ısısını veren soğutucu gaz burayı düşük sıcaklık, düşük basınç ve buhar halinde terk eder. Buradan kompresöre ulaşan soğutucu gaz kompresör vasıtasıyla sıkıştırılır. Dolayısıyla kompresörden çıkan gaz yüksek sıcaklık ve yüksek basınca sahip olarak kondensere doğru ilerler. Peki soğutucu gaz neden yüksek sıcaklığa çıkartılıyor? Çünkü gaz evaporatördeyken 3 numaralı döngüdeki sudan alınan ısının dışarı atılması gerekir. Bu ısı, soğutucu gaz vasıtasıyla kondenserin içinden geçen 1 numaralı çevrimdeki suya aktarılmalıdır. Gazın sıcaklığı ne kadar yüksek olursa su ile arasındaki sıcaklık farkı o kadar yüksek olacaktır. Bu da daha fazla ısının soğutucu gazdan atılması anlamına gelir.

Kondenser ve Soğutma Kulesi

Çevrime devam eden soğutucu gaz kondensere gelerek termal enerjisinin bir kısmını 1 numaralı çevrimdeki suya aktarır. Ardından soğutma kulesine gönderilen su soğur ve yüksek sıcaklıktaki gazı soğutmak üzere kondensere geri gelir. Kondenserde ısısını suya veren gaz akışkan burada hal değiştirerek sıvı forma geçer. Orta sıcaklık, yüksek basınç ve sıvı formda genleşme valfine doğru ilerler.

Genleşme Valfi

Genleşme valfini ilkokuldaki bir sınıf kapısı olarak düşünün. Sınıftaki öğrenciler de soğutucu akışkan moleküllerini temsil etsin. Teneffüs zili çalınca herkes heyecanla dışarı doğru koşar. Bu esnada sınıfın kapısında birikme olur ve bu da sıkışıklığa sebebiyet verir. Kapıdan çıkılmasıyla birlikte boş olan koridorlardan bahçeye doğru rahatça ilerlenir. İşte genleşme valfine gelen soğutucu akışkan da aynı bu şekilde dar bir boğazda sıkışır. Akışkanın diğer tarafa geçişi kısıtlıdır. Belirli orandaki akışkan valfin diğer tarafına geçer. Burada geniş bir hacimde rahatça hareket eden akışkan moleküllerinin hem sıcaklığı hem de basıncı düşer. Yani, orta sıcaklık ve yüksek basınçta gelen soğutucu akışkan, düşük sıcaklık ve düşük basınçta genleşme valfinden ayrılmaktadır. Burada önemli olan husus ise soğutucu akışkanın genleşme valfine sıvı olarak girmesi ancak sıvı-gaz karışımı olarak çıkmasıdır.

Genleşme valfinden çıkan düşük sıcaklık, düşük basınç ve sıvı-gaz karışımı şeklindeki soğutucu gaz evaporatöre gelir. Soğutucu akışkan burada 3 numaralı çevrimdeki suyu soğuturken ondan aldığı ısı sebebiyle kaynar. Sıvı-gaz karışımı formundan tamamen gaz haline geçer. Evaporatörde başlayan çevrim tekrar evaporatörde tamamlanır. Buradan da düşük sıcaklık, düşük basınç ve buhar halinde ayrılır ve kompresöre doğru ilerler.

Su Sıcaklık Değerleri

Sistemde yer alan çevrimlerdeki su sıcaklık değerleri chiller kapasitesine, tasarıma, marka ve modele göre değişiklik gösterir. 1 numaralı çevrim için soğutucu kuleye gönderilen su 32°C, dönen su 27°C; 3 numaralı çevrim için evaporatörden çıkan su 6°C , evaporatöre dönen su 12°C‘dir. Evaporatöre dönen su 12°C olmasına rağmen soğutucu akışkan kaynayarak gaz formuna geçmektedir. Bunun sebebi 2 numaralı çevrimde evaporatördeki basıncın çok düşük olması sebebiyle soğutucu akışkanın düşük sıcaklıklarda faz değiştirmesidir.

Chiller Çeşitleri

Soğutucu akışkan buhardan sıvı faza geçerken açığa çıkan ısı kondansatöre verilir. Chiller sistemlerinde hava soğutmalı ve su soğutmalı olmak üzere iki farklı tipte kondansatör seçeneği bulunmaktadır. Tercih edilen kondansatörün çeşidine göre de isimlendirilir.

Su Soğutmalı Chiller Sistemleri

Su soğutmalı sistemler, soğutma kulesine bağlı bir kondansatöre sahiptir. Yeterli su kaynağına sahip orta ve büyük çaptaki tesislerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Su soğutmalı chiller grupları, ticari ve endüstriyel iklimlendirmelerde daha stabil bir performans gösterir. Özellikle havaalanları, alışveriş merkezleri ve fabrikalar gibi dünyanın en büyük tesislerini soğutan birkaç bin tonluk modellere kadar çeşitlilik gösterir.

Tipik bir su soğutmalı sistem, soğutucuyu yoğunlaştırmak için bir soğutma kulesinden devridaim eden kondenser suyunu kullanır. Su soğutmalı chiller sistemleri genellikle iç mekanlarda bulunmaktadır. Dış etkenlerden korunan sistem bileşenleri bu nedenle daha uzun bir kullanım ömrü sunar. Su soğutmalı chiller grupları, genellikle çok büyük kurulumlar için tek seçenek olarak görülmektedir. Ek soğutma kulesi sistemleri, hava soğutmalı soğutma gruplarına kıyasla ek kurulum masrafı ve bakım gerektirecektir.

Hava Soğutmalı Chiller Sistemleri

Hava soğutmalı chiller grupları, ortam havası tarafından soğutulan bir kondansatöre sahiptir. Yani Şekil-1’de yer alan 1 numaralı çevrimin ve buradaki soğutma kulesinin olmadığını düşünebilirsiniz. Geriye kalan diyagram tamamen hava soğutmalı chiller sistemini yansıtır. Bu nedenle alan kısıtlamalarının olduğu daha küçük veya orta ölçekli kurulumlarda tercih edilmektedir. Su kaynaklarına ulaşımın zor olduğu senaryolarda en pratik seçimdir.

Tipik bir hava soğutmalı chiller sistemi, soğutucu akışkanı yoğunlaştırmak amacıyla kanatlı bir serpantin üzerinden ortam havasını çekmek için pervaneli fanlara veya mekanik soğutma çevrimlerine sahiptir. Kondenserde soğutucu akışkanın yoğuşması sayesinde ısıyı atmosfere transfer eder.

Düşük kurulum maliyetleri su soğutmalı sistemlere göre önemli bir avantaj sunar. Az yer kaplamalarına karşın çoğunlukla tesisin dışında yer alır. Bu nedenle sürekli olarak dış ortam etkenlerine maruz kalır. Bu da sistemin fonksiyonel ömrünü kısaltan faktörlerden biridir. Görece basitlikleri ve her şey dahil yapısı sayesinde bakım maliyetleri düşüktür. Bu artılar azaltılmış alan gereksinimleriyle birleştiğinde birçok kurulum türünde büyük avantaj sağlar. Yapı içerisinde kurulum için teknik alan oluşturma ihtiyacı duyulmaz.