Soğutucu Akışkan Seçimi ve Su Soğutma Grubu Tasarımı

0

Willis H. Carrier, geçen yüzyılın başlarında hava koşullandırma ile ilgili öncü çalışmalarına başladığında soğutucu akışkan seçenekleri oldukça sınırlıydı. Piyasada bulunan sülfür dioksit, metil klorür ve amonyak gibi bileşiklerin zehirlilik ve/veya tutuşma özellikleri uygulamada önemli zorluklar yaratıyordu.

Willis Carrier Klima Mucidi

Birinci Dünya Savaşı’ndan sonraki yıllarda, bina ve evlerde kullanılan soğutucularda mekanik soğutmaya talebin artması üzerine, Carrier ve ortaklarından R. W. Waterfill, soğutucu akışkan bileşiklerinin ilk sistematik analizini üstlendi.

Amonyak, etil eter, karbondioksit, karbon tetraklorür, kükürt dioksit ve su üzerinde yaptıkları çalışmalar ile bu çalışmaların bulgularından bir kısmı günümüzde hala geçerlidir.
Carrier ve Waterfill üzerinde çalıştıkları maddeler içinde önceden tahmin edilen en düşük performansı karbondioksitin verdiğini, amonyakta istenilen sistem koşullarının sağlanabilmesi için çok sayıda sıkıştırma kademesi gerektiğini ve suyun veriminin çok düşük olduğunu belirlediler. Ayrıca, sülfür dioksiti sağlığa zararlı, zehirli ve su ile birleştiğinde asit oluşturduğu için güvenlik nedeni ile ve karbon tetraklorürü de sulu ortamlarda metallerin korozyonuna neden olduğu için çalışma kapsamı dışında bıraktılar.

Uzun araştırmalar sonunda, 1922 yılında üretilen Carrier’ın ilk santrifuj kompresörlü soğutma makinası için soğutucu akışkan olarak, yeterli miktarda bulunup bulunamayacağı belirsizken, dielen (1,2 dikloro etan) seçildi. Carrier sonraları bu durumu şöyle açıkladı. “Dielenin bulunması zordu, ama yine de onu denemeye karar verdik. ısviçre’deki bir firmaya yazdığımda, bana diele’in Almanya’da endüstriyel miktarlarda üretildiğini ve temizleyici akışkan olarak kullanıldığını bildirdiler”.

Daha iyi bir soğutucu akışkan bulma çabaları sürerken, Frigidaire için çalışan yetenekli kimyager şomas Midgely Jr., 60 yıldan fazla bir süredir benzinin oktan derecesini yükseltmek için kullanılan kurşun tetraetil bileşiğinin, ön ateşleme ile ilgili sorunları azaltmak için de kullanılabileceğini düşündü.

Midgley ve ortakları Albert L.Henne ile Robert R. McNary, istenilen kaynama noktasına sahip kimyasalları bulmak için özellik tablolarını araştırdılar. Çalışmalarını zehirli ve tutuşkan olmayan, kararlı bileşikler ile sınırladılar.

Rastlantısal olarak, organik florürler olarak bilinen bir grup madde dikkatlerini çekti. Flor tek başına zehirli bir madde olarak bilinirken, Midgley ve arkadaşları flor’un diğer elementlerle birleştirilmesi yoluyla bu özelliğinin giderilebileceğini düşündüler. Midgley’in öncü çalışması, bilinen bütün elementlerden yalnızca sekiz tanesinin soğutucu akışkan bileşiklerinin temel taşı olabileceğini ortaya çıkardı. Bu sekiz element, karbon, nitrojen, oksijen, sülfür, hidrojen, flor, klor ve brom’du. Diğer bütün elementler, katı oldukları ya da katı madde oluşturmaya yatkın oldukları, karasız ya da zehirli oldukları için ya da yalnızca, tek başlarına uygun fiziksel özelliklere sahip olmadıkları için elendi.

Midgley’in elde ettiği sonuçlar günümüzde hala geçerlidir ve kullanılan bütün soğutucu akışkanlar bu küçük element grubundan gelmektedir. Midgley araştırma sonuçlarını 1930 yılında yayınladı ve Atlanta’da gerçekleştirilen Amerikan Kimya Derneği toplantısında, R12’nin güvenirliğini, yanan bir mumu ciğerlerini doldururcasına içine çektiği bu gazla söndürerek çarpıcı bir gösteriyle kanıtladı. O günden beri zehirli ve tutuşkan olmayan soğutucu akışkanlar çok büyük bir öneme sahiptir.

R12’nin ticari olarak üretimi 1930 yılında başladı, bunu bir yıl sonra R11 izledi. Bundan 10 yıl sonra, R22 ortaya çıktı ve yüzyılın sonuna kadar, 60 yıl boyunca hava koşullandırma endüstrisine hizmet edecek olan ana soğutucu akışkan ailesini tamamladı. 1988 yılı toplam dünya tüketiminin 1 milyar kg olduğu tahmin edilen CFC (kloroflorokarbon) soğutucu akışkanın başarısı buna örnektir.

Çevresel Etkenler

Ozon Tabakasının Aşınması

1974 yılında M.J. Molina ve F.S. Rowland, CFC’nin yüksek frekanslı mor ötesi ışık altında ozonu katalitik olarak ayrıştırma yeteneğine sahip olduğunu kanıtlayan bir laboratuar çalışması yayınladı. Daha ileri seviyedeki çalışmalar, CFC’nin 60 yıl içerisinde ozon tabakasını %7 oranında aşındıracağını öngörüyordu. Bu çalışmaların sonucuna dayanılarak 1978 yılında Amerika’da aerosol spreylerde CFC kullanımı yasaklandı. Zamanla diğer ülkeler de aerosollarda CFC kullanımını yasaklamaya başladı. Ancak, sanayide CFC’nin soğutucu akışkan olarak kullanımına getirilen sınırlamalara karşı çıkıldı.

1985 yılında Farman, Gardinar ve Shanklin tarafından Doğa dergisinde yayınlanan bir makale ile birlikte bu durum değişti. Makalede, ıngiliz Antartik Araştırma Grubu tarafından toplanan ve ozon konsantrasyonunun Antartika’da Ocak ayı normal seviyesinin %10 altına düştüğünü gösteren verilerin üzerinde yapılan çalışma ve bu çalışmanın bulgularını açıklanıyordu.

Ozon tabakasının aşınması sorununun temelinde, CFC’nin doğası gereği sahip olduğu ve onu bir soğutucu akışkan olarak avantajlı kılan “kararlılık” özelliği yatar. Parçalanmaları son derece zor olduğundan, CFC’ler stratosfere geçene kadar uzun yıllar boyunca atmosferde kalır. Burada, yoğun mor ötesi solar radyasyonun varlığı ile moleküller sonunda parçalanır ve klor iyonu açığa çıkar. Ozon moleküllerini oksijen moleküllerine dönüştürebilen bu serbest haldeki klor iyonlarıdır.

Cl+O3 –> ClO+O2 ve sonra ClO+O2 –> Cl

Tepkimeden görüleceği gibi, klor işlem boyunca katalizör işlevi yapmaktadır. Sonuç olarak, klor tepkimenin sonsuza kadar devam etmesini sağlayacak şekilde serbest kalmaktadır. Serbest haldeki bir klor atomunun, hidrojen klorür (HCl) gibi tepkimeye girme kabiliyeti daha az olan bir bileşiğe dönüştükten sonra su buharı tarafından emilip atmosferden ayrılmasına kadar, yaklaşık 100.000 ozon molekülünü oksijene dönüştürdüğü tahmin edilmektedir. Klor içeren bir bileşik, atmosfere salındığında ozon tabakasının aşınmasına katkıda bulunup bulunmayacağı iki etkene bağlıdır; içerdiği klor miktarı ve bilemin kararlılığı. Kararsız ve tepkimeye girme kabiliyeti olan bileşikler stratosfere geçmeden önce atmosferde uzun bir süre kalmadıkları için daha az zarar verme potansiyeline sahiptirler. Bir maddenin zarar verme riski, “Ozon Aşındırma Potansiyeli” (ODP) adı verilen sayısal bir terim ile ifade edilir. Değerler, ODP’si 1 olarak kabul edilen R11 molekülü referans alınarak ifade edilir.

Küresel Isınma

Sera etkisi ilk olarak 1896 yılında ısveç’li kimyacı Svante Arrhenius tarafından ortaya atıldı. Sera etkisi, atmosferin alt kısımları ve troposferin belirli “sera gazları” nedeni ile doğal olarak ısınmasıdır.

Bu gazlar, yeryüzüne gelen kısa dalgalı güneş radyasyonunun taşıdığı ısı enerjisini geçirerek bu enerjinin atmosferin alt kısımları ile yeryüzü tarafından emilmesine olanak verir. Bununla birlikte, yeryüzünden yayılan uzun dalga boyuna sahip radyasyonu geçirmez ve bu enerjinin atmosferin alt kısmında tutulmasına neden olur.

Sera etkisi hiç olmazsa, bütün radyasyon atmosfere geri döner ve ortalama sıcaklık 00C olur. Bu da yeryüzünü soğuk ve yaşanılmaz hale getirecektir. ınsanlığın karşı karşıya kaldığı sorun sera etkisinin gittikçe çoğalması, yani küresel ısınmadır. Bu etkiye neden olduğu bilinen, aralarında su buharı (H2O), karbon dioksit (CO2), metan (CH4), azot oksit (N2O), kloroflorokarbon (CFC), hidrokloroflorokarbon (HCFC) ve florokarbon’un (HFC) da bulunduğu bir çok gaz vardır.

Toplam Çevresel Isıtma Etkisi (TEWI)

Neredeyse bütün hava koşullandırma donanımlarında CFC, HCFC ve HFC gibi soğutucu akışkanlar kullanılır. Devrelerde kaçak olması durumunda, soğutucu akışkan atmosfere sızar ve küresel ısınmaya katkıda bulunur. Soğutucu akışkanların global ısınmaya doğrudan neden olma potansiyeline sahip oldukları söylenebilir.

Makalenin Devamı

Yorum Yazın

Lütfen yorumunuzu yazınız
Lütfen adınızı giriniz.