HVAC Sistemlerinde Termodinamik

Kaynak: https://www.eurovent-certification.com

Termodinamik, ısının ve diğer enerji türlerinin etkisini ve aralarındaki ilişkiyi açıklar. İlk bakışta biraz ürkütücü görünen bir konu. Ancak Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme (HVAC) sistemlerindeki termodinamik teorisini anlarsanız, sistemlerin nasıl ve neden çalıştığını ve en iyi şekilde nasıl uygulandıklarını hemen kavrayabileceksiniz. 

Isı transferinin 6 temel prensibi

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

1) Soğuk, sıcaklığın yokluğu anlamına gelir. Bir şeyi soğuk yapmak için ısıyı uzaklaştırırsınız.

2) Isı ve sıcaklık farklı şeylerdir:

  • Isı, enerjinin bir nesneden, sistemden veya yerden diğerine akışıdır.
  • Sıcaklık bir cismin 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 yoluyla, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa aktarılmasıdır.
  • Radyasyon, ısının elektromanyetik radyasyon yoluyla aktarılmasıdır.

5) Faz değişimi, bir şeyin bir durumdan diğerine değişmesidir; örneğin buzun (katı) suya (sıvıya) dönüşmesi ve buharlaşarak buhara (gaza) dönüşmesidir.

6) İki ortam arasındaki sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa, ısı transferi o kadar hızlı olur. 

Termodinamiğin kanunları

İyi haber şu ki HVAC sistemlerinin nasıl çalıştığını anlamak için bilim diplomasına ihtiyacınız yok. Toplamda termodinamiğin dört kanunu vardır; sıfırıncı, birinci, ikinci ve üçüncü yasalar. Sıfırıncı yasa keşfedilen son yasaydı, ancak diğer üç yasayı, dolayısıyla adını ve öncelik sırasını desteklemektedir. 

Sıfırıncı ve birinci yasaların anlaşılması kolay olsa da, ikinci ve üçüncü yasalar, bir sistemin düzensizliğinin ölçüsü olan, entropi adı verilen bir şeyle ilgilidir. Bunların hepsi gerçekten karmaşık görünse de entropi, enerjinin ne kadar yayıldığının bir ölçüsüdür. Enerji bir araya toplandığında faydalıdır, ancak dağıtıldığında ve yayıldığında faydalı değildir; örneğin bir kütüğü yakarsak, kütüğün içinde yoğunlaşan enerji çevredeki havaya salınır. Bu enerji hala orada (atmosferde) ancak artık hiçbir faydası yok.
 

Termodinamiğin sıfırıncı yasası

Ne diyor: Sıfırıncı yasa, iki termodinamik sistemin her biri üçüncü bir sistemle termal dengedeyse, birbirleriyle termal dengede olduklarını belirtir.

Anlamı: Eğer iki cisim aynı sıcaklıktaysa ısı alışverişinde bulunmazlar.

Örnek: 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. 

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 zamanla daima artacağını belirtir. 

Anlamı: Enerji her zaman yayılmaktadır. Isı her zaman daha sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru hareket edecektir, ancak soğuktan sıcağa kendiliğinden akmayacaktır.

Örnek: Taze pişmiş bir yemeği fırından çıkardığınız anda ısı kaybeder. Isı, sıcak yiyecekten soğutucu tabağa ve etrafındaki soğuk havaya doğru hareket eder. 
 

Termodinamiğin üçüncü yasası

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

Anlamı: Mutlak sıfıra ulaştığınızda hiçbir ısı enerjisi kalmaz. Isı başka bir maddeye aktarılamaz ve yayılacak enerji olmadığından. Dolayısıyla entropi de sıfır noktasına ulaşır. 

Örnek: Buhardaki moleküller hızla hareket eder ve entropisi yüksektir. Buhar 100oC’nin altına soğursa gazdan sıvı suya faz değişimine uğrayacaktır. Su, buharla karşılaştırıldığında daha düşük molekül hareketine ve daha düşük bir entropiye sahiptir. Suyu 0°C’nin altına soğutun ve sıvıdan katı buza başka bir faz değişimine uğrar. Entropi gibi moleküllerin hareketi de daha da azalır. Eğer bu buz mutlak sıfıra kadar soğutulursa entropi de sıfır olacaktır.

*0o Kelvin, -273,15oC veya -459,67oF.
 

Şunu öğrendik:

  1. Farklı enerji türleri birbirine dönüştürülebilir.
  2. Isı doğal olarak sıcak bir alandan daha soğuk bir alana doğru hareket eder, ancak nesneler aynı sıcaklıktaysa ısı aktarılmaz.
  3. Bir maddenin kaybettiği faydalı enerji miktarı sıcaklıktan etkilenir. 

Termodinamik döngüde bu prensiplerin kullanılmasıyla ısının hareketi kontrol edilebilir ve bizim avantajımıza kullanılabilir. 

Soğutucu akışkan ve termodinamik çevrim

Soğutucu son derece yararlı bir maddedir. Düşük kaynama noktasına sahiptir ve ısıyı absorbe etmek ve serbest bırakmak için kolayca değiştirilebilir. Soğutucu akışkan üzerindeki basıncı arttırdığınızda sıcaklığı ve iç kinetik aktivitesi de aynı şekilde artacaktır. Soğutucu akışkan üzerindeki basıncı azalttığınızda sıcaklığı ve iç kinetik enerjisi düşecektir.

HVAC sistemlerinde soğutucu akışkan, yalnızca basıncını ve sıcaklığını değiştirmekle kalmayıp aynı zamanda fiziksel durumunu da değiştiren bileşenler arasında dolaşacaktır. Soğutucu akışkan, sıvıdan gaza ve gazdan gaza geçiş yaparak ısıyı emer ve serbest bırakır.

Soğutucular ve ısı pompası sistemlerinde termodinamik

Chiller ve ısı pompası sistemleri için termodinamik döngü tamamen aynıdır. Döngü, buhar sıkıştırmalı bir döngü 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 yüksek basınçlı, ısıtılmış bir gaza (aşırı ısıtılmış buhar) sıkıştırılır. Bu sıcak soğutucu gaz daha sonra sistemdeki bir sonraki eleman olan yoğunlaştırıcıya doğru akar. 

Yoğuşturucu: Yoğuşturucu aynı zamanda soğutucu akışkanın durumunu gazdan sıvıya değiştiren bir ısı değiştiricidir. Yoğuşturucuda, 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 soğutucuyu aşırı soğutur. 

💡 Bilmekte fayda var: 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 daha sonra bir genleşme valfinden geçer. Bu, basıncı azaltır, bu da sıcaklığı azaltır ve sonuçta soğuk, düşük basınçlı bir soğutucu sıvı elde edilir.

Evaporatör: Soğuk, düşük basınçlı sıvı soğutucu, evaporatöre girer. Yoğuşturucu gibi evaporatör de soğutucu akışkanda durum değişikliğini başlatan bir ısı değiştiricidir. Soğutucu akışkan havadan veya sudan ısıyı emer, bu da kaynamasına ve buharlaşarak düşük basınçlı bir gaza (doymuş buhar) dönüşmesine neden olur. Bu durum değişikliği ısıyı emerek havanın veya suyun soğumasını sağlar.

Düşük basınçlı gaz evaporatörden kompresöre doğru hareket eder ve çevrim yeniden başlar.

💡 Bilmekte fayda var: Chiller sistemindeki soğutma işleminde, evaporatördeki soğutucu akışkan ile soğutma devreleri (soğutulmuş su döngüsü) arasında ısı alışverişi yapılır.Bir ısı pompası sistemindeki ısıtma işleminde, soğutucu akışkan ile ortam havası veya su arasında ısı alışverişi yapılır.


Umarım artık ısı pompalarının ve soğutma sistemlerinin termodinamiğini daha iyi anlamışsınızdır. Ancak gitmeden önce bilmeniz gereken bir şey daha var; gereksinimleriniz için en iyi HVAC ürününü nasıl seçeceğiniz. 

Sertifikasyonun faydaları

Sertifikasyonun bilinçli bir karar vermeniz için ürünleri objektif olarak karşılaştırmanıza olanak tanıdığını biliyor muydunuz? Sertifikalı bir ürün seçmenin faydaları şunlardır:

  • Ürün performansı aynı kriterlere göre değerlendirilir ve sonuçlar, ürünlerin üretildiği veya pazarlandığı ülkeye bakılmaksızın aynı ölçüm biriminde ifade edilir.
  • Sertifikalı bir ürünün performansı tarafsız, bağımsız ve yetkin bir akredite kuruluş tarafından doğrulanır
  • Sertifikalı ürünler standartlara uygundur
  • Performansı sertifikalı olan bir ürün, üreticinin belirttiği özelliklere göre çalışacaktır.

Soğutma grupları ve ısı pompaları gibi sertifikalı ürünleri görüntülemek ve karşılaştırmak istiyorsanız sertifikalı ürün rehberini ziyaret edin .