Chiller kısmi yükte neden durup kalkar? Kısa devir ve ölü bant

Tesisler yılın büyük bölümünü tam yükün altında geçirir. Kısmi yükte chiller'ın davranışını üç şey belirler: kompresör kademe sayısı, ölü bant (histerezis) genişliği ve devredeki toplam su hacmi. Bu üçü yetersizse kompresör kısa devir (short cycling) yapar, yani saatte çok sayıda durup kalkarak ömrünü tüketir. Aşırı büyük seçilen cihaz sorunu büyütür.

Bir chiller seçilirken hesap hep en kötü güne göre yapılır: bütün makineler aynı anda çalışıyor, hava 35 °C, kalıplar sıcak. Doğru bir yaklaşımdır, o gün geldiğinde grup yetmezse üretim durur. Ama tesisin yılın kaç saatini gerçekten o noktada geçirdiğine kimse bakmaz. Çoğu fabrikada cevap birkaç yüz saattir. Geri kalan binlerce saatte cihaz, seçildiği kapasitenin çoğu zaman yarısının altında bir yükle uğraşır.

Sahadan gelen şikâyetlerin büyük kısmı da zaten "soğutmuyor" değil. "Kompresör sürekli devreye girip çıkıyor", "su sıcaklığı üç derece gidip geliyor", "kontaktörü bir yılda ikinci kez değiştirdik" diye başlıyor. Üçü de aynı başlığın altına düşer: makine kısmi yükte doğru davranmıyor.

Kısmi yük bir arıza değil, normal işletme halidir. Asıl sorun, sistemin kısmi yükte ne yapacağının kurulum sırasında hiç düşünülmemiş olmasıdır. Davranışı belirleyen dört şey var: kompresör kademeleri, ölü bant ayarı, devredeki toplam su hacmi ve seçilen kapasitenin gerçek yüke oranı.

Tesisin gerçek yük profili kataloğa benzemez

Kısmi yükü tartışmadan önce elde bir yük profili olması gerekir. Tepe yük tek başına bir sayıdır; işletme davranışını anlatan şey, yükün gün içinde ve hafta içinde nasıl gezdiğidir. Pratikte üç değeri ayrı ayrı bilmek yeterlidir: tepe yük, tipik vardiya yükü ve tesisin ulaştığı en düşük gerçek yük. Cihazın en çok zorlandığı nokta genellikle üçüncüsüdür.

Yükü aşağı çeken şeyler bellidir. Vardiya değişimi, öğle molası, kalıp veya reçete değişimi, hattın bir bölümünün durması, hafta sonu tek makinenin çalışması, kışın ortam sıcaklığının düşmesi. Bunların hiçbiri arıza değildir, hepsi planlı işletmenin parçasıdır.

Yük profilinin biçimi sektöre göre keskin biçimde değişir. Plastik enjeksiyonda yük, çevrim süresine bağlı olarak dakikalar içinde iner çıkar; tek bir kalıp değişimi yarım saat boyunca yükün büyük bölümünü ortadan kaldırır. Karşı uçta veri merkezi ve elektronik soğutması vardır: yük gün boyunca neredeyse sabittir, dalgalanma mevsimlik seyreder. Aynı kapasitedeki bir grup bu iki tesiste bambaşka çalışır ve bambaşka yıpranır.

Chiller neden sürekli durup kalkıyor?

Mekanizma basittir. Kontrol paneli su sıcaklığını okur; sıcaklık ayar noktasına indiğinde kompresörü durdurur, belirli bir fark kadar yükseldiğinde yeniden çalıştırır. Yük, çalışan kademenin kapasitesinin çok altındaysa su sıcaklığı hızla iner, kompresör kısa sürede durur; duruştan sonra az miktardaki su hızla ısınır ve kompresör yine kalkar. Bu gidiş gelişe kısa devir (short cycling), bazı kaynaklarda kısa çevrim denir.

Kompresöre zararı çalışma süresinden değil, kalkış sayısından gelir. Her yol almada elektrik motoru nominalinin birkaç katı akım çeker ve sargı ısınır; ısınan sargının soğuması için çalışma süresi gerekir, oysa kısa devirde makine tam ısınmaya fırsat bulamadan durur. Yağ tarafında da benzer bir sorun vardır: yağın devreden karter tarafına geri toplanması zaman ister, sık duruşta bu döngü tamamlanmaz ve yağ kademe kademe devrede birikir. Kontaktör kontakları da her kalkışta biraz daha aşınır; çoğu tesiste ilk teslim olan parça budur.

Enerji tarafında da kayıp vardır ama beklenen yerde değil. Kalkıştan hemen sonra makine nominal kapasitesini vermez; evaporatör basıncının oturması, kızgınlığın (superheat) dengelenmesi ve akışkanın devrede düzgün dolaşması saniyeler alır. Bir dakika çalışıp duran bir kompresör, o bir dakikanın karşılığı olan soğutmayı üretmemiştir. Sık duran bir grubun elektriği daha çok yemesinin sebebi budur.

Belirti su tarafından da okunur: gidiş suyu sıcaklığının testere dişi gibi salınması, evaporatör çıkışında ani düşüşler, panelde arka arkaya gelen alçak basınç uyarıları. Bu tablo bir arızaya değil, kurgunun kendisine işaret eder; makinede ölçülen her değer normal çıkar.

Kademeli kompresör: .1, .2 ve .4 ne anlatıyor?

KPLN adlandırmasında noktadan sonraki rakam kompresör adedini verir ve bu rakam, cihazın kısmi yükte kaç basamağa inebileceğini doğrudan belirler. Tek kompresörlü bir grupta ara kademe yoktur: makine ya tam çalışır ya durur. İki kompresörlü bir grup, kompresörler yükü eşit paylaştığında yaklaşık yarım kapasitede bir basamak tutabilir. Dört kompresörlü bir grup aynı aralığı dört basamağa böler.

Model ailesi	Kompresör	Kademe	En küçük kademe (nominalin yaklaşık oranı)	Yük bu oranın altına inerse
.1 — KPLN 26.1, 40.1	1	1	%100	Tek kademe dur-kalk yapar
.2 — KPLN 55.2 ile 200.2 arası	2	2	%50	Alt kademe dur-kalk yapar
.4 — KPLN 250.4, 330.4, 400.4	4	4	%25	Alt kademe dur-kalk yapar

Tablodaki oranlar kompresörlerin yükü eşit paylaştığı varsayımıyla verilmiştir; asıl anlatmak istediğim son sütundur. Kademelendirme, en alt kademenin altındaki yükü çözmez. Dört kompresörlü bir grup üç kademesini kapattıktan sonra, elinde tek kompresörlü bir makine kalır ve o noktadan sonrası yine dur-kalktır. Kademe sayısını artırmak sorunu ortadan kaldırmaz, sadece sorunun başladığı yükü aşağı çeker.

Bunun pratik bir sonucu var. KPLN 250.4 215.000 kcal/h, yani yaklaşık 250 kW kapasiteli ve dört kompresörlüdür; en küçük kademesi kabaca 62 kW eder. KPLN 125.2 ise 100.000 kcal/h, yaklaşık 116 kW ve iki kompresörlüdür; en küçük kademesi kabaca 58 kW. İki katı kapasitedeki büyük grubun en küçük basamağı, yarı kapasiteli grubunkiyle hemen hemen aynıdır. Yani kısmi yük davranışı nominal kapasiteyle değil, kademe kapasitesiyle ölçülür.

Ölü bant (histerezis) kaç derece ayarlanmalı?

Set noktası suyun tutulmak istendiği sıcaklıktır; ölü bant (dead band, histerezis) ise kompresörün durduğu sıcaklık ile yeniden kalktığı sıcaklık arasındaki farktır. 7 °C set ve 2 K bant demek, kompresörün 7 °C'de durup 9 °C'de kalkması demektir. Bu iki sayı çoğu tesiste devreye alma günü fabrika değeriyle bırakılır ve bir daha açılmaz.

Bandı daraltmak su sıcaklığını sabitler ama çevrim sayısını doğrudan artırır; bandı iki katına çıkarmak çevrim sayısını yaklaşık yarıya indirir. Karşılığında proses daha geniş bir sıcaklık aralığı görür. Karar da burada verilir: prosesin gerçekten kaç derecelik salınıma tahammülü var?

Burada sık atlanan bir ayrıntı var. Tanktaki 2 K'lik salınım, kalıpta ya da banyoda 2 K'lik salınım anlamına gelmez. Proses hattındaki su hacmi, kalıbın kendi kütlesi ve hattaki karışım bu dalgayı sönümler; kalıp yüzeyinde görülen fark çoğu zaman tank salınımının belirgin biçimde altındadır. Bu yüzden bandı daraltmadan önce, salınımı prosesin gördüğü yerden ölçmek gerekir. Panelde okunan sayıya bakıp bant daraltmak, sahada en çok yapılan gereksiz müdahaledir.

Çevrim süresi hesabı: kademe, yük ve su hacmi bir arada

Kompresörün ne kadar çalışıp ne kadar duracağı tahmin işi değildir; su tarafındaki ısı dengesinden çıkar. Çalışan kademe, yükten fazlasını çektiği sürece su soğur; kompresör durduğunda ise yük, aynı suyu ısıtır.

Çalışma süresi = V × c × ΔT / (kademe kapasitesi − yük)

Duruş süresi = V × c × ΔT / yük

V: devredeki toplam su hacmi (L) · c: suyun özgül ısısı (4,18 kJ/kg·K) · ΔT: ölü bant (K) · kapasite ve yük kW · süreler saniye çıkar.

Somut bir örnek üzerinden gidelim. Tesiste KPLN 125.2 var: 100.000 kcal/h — katalog kapasiteleri 12/7 °C su rejimi ve 35 °C ortam nominal noktası içindir — yani 100.000 × 1,163 = 116.300 W ≈ 116 kW, iki kompresörlü. Kompresörler yükü eşit paylaşıyor kabul edersek bir kademe ≈ 58 kW. Gece vardiyasında hatların çoğu kapalı, ölçülen yük 30 kW. Tank, borular ve proses devresindeki su birlikte sayıldığında toplam hacim 600 L. Ölü bant 2 K. Su rejimi daha düşük bir sıcaklığa çekilirse ya da ortam 35 °C'nin üzerine çıkarsa hem cihazın hem de kademenin kapasitesi bu değerlerin altına iner; glikollü devrede ayrıca düşer. Hesap, cihazın gerçekte çalıştığı noktanın kapasitesiyle kurulmalıdır.

1. Bandın karşılığı olan ısı: 600 × 4,18 × 2 = 5.016 kJ
2. Kademe ile yük arasındaki net fark: 58 − 30 = 28 kW
3. Çalışma süresi: 5.016 / 28 = 179 saniye ≈ 3,0 dakika
4. Duruş süresi: 5.016 / 30 = 167 saniye ≈ 2,8 dakika
5. Bir çevrim: 179 + 167 = 346 saniye → 3.600 / 346 ≈ saatte 10 kalkış

Formülü biraz kurcalayınca işe yarar bir sonuç çıkıyor: çevrim, yük tam olarak kademe kapasitesinin yarısına oturduğunda en kısadır. O en kötü nokta için hesap tek satıra iner: en kısa çevrim = 4 × V × c × ΔT / kademe kapasitesi. Yukarıdaki tesiste 30 kW zaten 58 kW'ın yarısına çok yakın olduğu için bulduğumuz 346 saniye, o cihazın görebileceği en kısa çevrimdir.

Aynı formül ters çevrilirse hedeflenen çevrim süresi için gereken su hacmi bulunur. Saatte 6 kalkışı, yani 600 saniyelik çevrimi hedeflersek: V = 58 × 600 / (4 × 4,18 × 2) = 34.800 / 33,44 ≈ 1.040 L. Eldeki 600 litre yetmiyor; ya devreye yaklaşık 440 litrelik bir denge tankı eklenecek ya da ölü bant 3 K'ye açılacak (bu durumda gereken hacim ≈ 694 L'ye iner).

Sahada en sık gördüğümüz kurgu hatası tam bu adımda çıkıyor: denge tankı alınıyor, yerine konuyor, ama dönüş hattına teğet bağlanıyor. Tek boruyla hatta iliştirilen bir tankın içindeki su akışa katılmaz, orada durur. Kâğıt üzerinde 1.000 litre vardır, kompresörün gördüğü hacim hâlâ 600 litredir ve çevrim süresi hiç değişmez. Tankın işe yaraması için dönüş suyunun tanka girip diğer uçtan çıkması, yani hattın tank üzerinden seri geçmesi gerekir. Aynı şekilde, sıcaklık sensörü tankın karışmış hacmini değil evaporatör çıkışını okuyorsa, eklenen hacmin bir kısmı kontrol açısından görünmez kalır.

Kompresör saatte kaç kez devreye girmeli?

Kesin sınırı kompresör üreticisi verir ve tipe göre değişir. Sektörde genel kabul gören pratik hedef, saatte 6 ila 12 arası kalkış ve her kalkışta en az 3-5 dakikalık kesintisiz çalışmadır. Saatte 20'yi geçen kalkış sayısı, hangi makine olursa olsun kurgunun gözden geçirilmesi gerektiğini gösterir.

Aşağıdaki tablo, yukarıdaki formülün doğrudan çıktısıdır: kademe kapasitesinin her bir kW'ı için devrede bulunması gereken su hacmini verir. Cihazın nominal kapasitesiyle değil, çalışan kademenin kapasitesiyle çarpın.

Ölü bant	Saatte 6 kalkış için (L / kademe kW)	Saatte 10 kalkış için (L / kademe kW)	Proses tarafındaki bedeli
1 K	36	22	Su sıcaklığı en kararlı, hacim ihtiyacı en yüksek
2 K	18	11	Çoğu proses için makul denge noktası
3 K	12	7	2 K'ye göre üçte bir daha az hacim, salınım gözle görülür
4 K	9	5	Yalnızca sıcaklığa duyarsız prosesler için

Örnek okuma: 62 kW'lık bir kademe ve 2 K bant ile saatte 6 kalkış isteniyorsa 62 × 18 = 1.116 L gerekir. Sahada dolaşan "kW başına birkaç litre" kaba ölçütü de aslında bu hesabın kısaltmasıdır; nominal kapasite üzerinden söylendiği için çok kompresörlü makinelerde gereğinden büyük bir hacim işaret eder. İki kompresörlü bir grupta kademe, nominalin yarısı kadardır ve tampon ihtiyacı da o oranda azalır.

Aşırı büyük seçilen chiller kısmi yükte ne yapar?

Kapasite fazlası, yaz gününde bir sigortadır. Yılın geri kalanında ise kısa devrin ana sebebidir ve genellikle emniyet paylarının üst üste binmesiyle oluşur. Tipik zincir şöyle işler: ölçülen yük 60 kW, üzerine %20 emniyet payı eklenir (72 kW), sonra "ileride bir hat daha kuracağız" diye %50 daha eklenir (108 kW), en sonda "bir üst modeli alalım" denir. Ortaya çıkan makinenin en küçük kademesi, tesisin gece yükünün üzerindedir.

Emniyet payı yanlış bir fikir değil, yanlış yere konulan bir fikirdir. Payın yeri ısı yükü hesabıdır: ölçüm belirsizliği, kirlenme kaybı ve ortam sıcaklığı için pay, yükün kendisine eklenir. Aynı payı bir de model seçerken tekrarlamak, hesabı ikinci kez şişirir. Yük hesabının nasıl kurulduğu chiller kapasite hesabı sayfasında adım adım duruyor.

Gelecekteki büyüme için ise daha temiz bir yol var: kapasiteyi tek büyük gruba yığmak yerine iki cihaza bölmek. Bugünkü yük tek cihazla karşılanır ve o cihaz kendi bandında düzgün çalışır; hat eklendiğinde ikinci cihaz devreye alınır. Bunun yan faydası, bakım ve arıza durumunda üretimin tamamen durmamasıdır. Bölünmüş kapasitenin alan, bağlantı ve bakım tarafındaki maliyetiyle birlikte değerlendirilmesi için su soğutma grubu seçimi sayfasındaki ölçütlere bakılabilir.

Aşırı büyük seçim kendini elektrik faturasında çok belirgin göstermez; fazla kapasite zaten çalışmaz. Bedeli kontaktörde, kompresör sargısında ve yağ devresinde birikir, yani birkaç yıl sonra servis kaleminde görünür.

Kısmi yükü seçim aşamasında çözmek

Devreye alındıktan sonra yapılabilecekler sınırlı: ölü bant genişletilir, denge tankı eklenir, kademeler arası gecikme ve minimum çalışma süresi ayarlanabiliyorsa açılır, sensör yeri düzeltilir. Hepsi işe yarar ama hiçbiri kademe kapasitesini değiştirmez. Asıl karar seçim masasında verilir.

• Tepe yükün yanına en düşük gerçek yükü de yazın; gece ve hafta sonu senaryosunu ayrı hesaplayın.
• Kompresör adedini kapasite kadar ciddiye alın; kademe kapasitesi, en düşük yükün üzerinde kalmamalı.
• Devredeki toplam su hacmini tahmin etmeyin, boru boyu ve proses hacmiyle birlikte hesaplayın.
• Ölü bandı prosesin gerçekten gördüğü salınıma göre seçin, panel ekranına göre değil.
• Denge tankı gerekiyorsa hattı tankın üzerinden seri geçirin, teğet bağlamayın.
• Sıcaklık sensörünü karışmış hacmi gören noktaya yerleştirin.

Yük profilinizi (tepe, tipik ve en düşük yük), istediğiniz su rejimini ve devredeki su hacmini paylaşırsanız uygun modeli kademe davranışıyla birlikte değerlendirip dönebiliriz; teklif formu bunun için yeterli.

Sıkça sorulanlar

Tüm yazılar