Buzdolabı kompresörlerindeki yağlama yağı özelliklerinin mekanik etki altında değişimi
Change of lubrication oil properties in refrigerator compressors under mechanical effect
Yazar: GİZEM BALKIZ
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Gelişen teknoloji ile üretilen cihazları çalıştırmak için tüketilen enerji miktarının sürekli artması günümüzün önemli problemlerinden biridir. Bu nedenle enerji tüketimini azaltmak için gerek endüstriyel gerek ev tipi cihazlara yönelik iyileştirme çalışmaları önemli konular olarak karşımıza çıkmaktadır. 
Evlerdeki enerji tüketimi düşünüldüğünde, beyaz eşyalar en çok elektrik kullanımına sahip cihazlar olarak öne çıkmaktadır. Ev tipi kullanımlardaki cihazlar göz önüne alındığında buzdolaplarının, aydınlanma sonrası en çok elektrik tüketimine neden olan ürün olduğu görülmüştür. Bunun nedeni, buzdolaplarının soğutma sisteminin devamlılığını sağlamak için sürekli çalışır halde olmasıdır. Ev tipi kullanımlarda enerji tüketimini azaltmak için buzdolaplarında enerji verimliliği açısından  yapılacak iyileştirmeler büyük önem taşımaktadır. 
Buzdolabının enerji tüketiminin fazla olmasında birçok faktör etkindir. Karşılaşılan problemlere yönelik geliştirilen çözümler enerji verimliliği açısından önemli faydalar sağlamaktadır. Bu problemlere örnek olarak buzdolabı kapağının açık kalması gösterilebilir. Kapağın açık kalması halinde kompresör, normal düzeyinin üzerinde bir çalışma performansı gösterir. Bu durum, kompresör içerisindeki metal parçalarda meydana gelebilecek aşınma problemleri veya kompresör yağında aşırı ısınmaya bağlı viskozite düşüşü ve dolayısıyla işlevini yerine getirememe gibi sonuçlar oluşturabilir. Bu tarz problemlere karşı geliştirilebilecek kapı sensörü çalışmaları, buzdolabı mekanik parçalarında meydana gelebilecek sorunlara karşı çözüm önerisi olarak sunulabilir. 
Buzdolabı mekanik donanımı, kompresör, kondenser, kapiler tüp ve evaparatörden oluşmaktadır. Bunlardan kompresör buzdolabının motoru sayılan ve meydana gelen her türlü problemde aşırı asınma, mekanik aşınma, normal devirlerinden daha fazla çalışma şeklinde problemler çıkarabildiği gibi, bu gibi problemlerde elektrik tüketiminde de ciddi artışlara neden olabilmektedir. 
Bir buzdolabı kompresöründe soğutucu gaz , yağlama yağı ve mekanik donanım birbiri ile uyum içerisinde çalışmalıdır. Kompresör içerisindeki soğutucu gaz ve yağlama yağının uyumu, yağlama yağının metal yüzeyler üzerinde gerekli koruyucu tabakayı sağlayabilmesi açısından son derece önemlidir. 
Yağlama yağlarının kompresör içerisinde metal yüzeylerde meydana gelebilecek aşınmaya karşı koruyucu bir katman oluşturma, sistemde aktif çalışan piston, krank ve biyel parçalarında soğutma, metal yüzeylerin birbirine çarpmadan çalışabilmeleri için gerekli kaygan yüzeyi oluşturma görevleri bulunmaktadır. Bu anlamda, yağlama yağlarının özelliklerindeki değişim kompresör veriminde artışa dolayısıyla buzdolabının daha az elektrik tüketerek çalışma ve buna bağlı olarak enerji tüketiminde azalmaya neden olur.
Yağlama yağlarında yapılabilecek en önemli iyileştirmelerden biri viskozitenin düşürülmesidir. Ancak, düşük viskoziteye sahip yağlama yağının kullanılması halinde kompresör içi metal yüzeylerdeki koruyucu tabaka oluşumu zorlaşır. Bu sebeple, yağ viskozitesinde düşüş sağlayabilmek için yağlama yağının kimyasal özelliklerinin iyi bilinmesi ve bu özelliklerde meydana gelen değişimlerin gözlemlenmesi gerekmektedir.
Kompresör içerisindeki yağlama yağları, kompresörün çalışma koşullarına bağlı olarak farklı sıcaklık ve basınçlara maruz kalırlar. Bu koşullar altında yağın kimyasal ve fiziksel özelliklerinde meydana gelen değişimler yağ performansını etkileyerek, kompresörün çalışma verimini etkilemektedir. 
Bu çalışmada, sıcaklık ve basıncın kompresör yağlama yağlarınının kimyasal ve fiziksel özelliklerinde meydana getirdiği değişimler incelenmiştir. Bu amaçla kompresör yağı olarak 3 farklı firmadan sağlanan 3 farklı viskozite değerine sahip numuneler kullanılmıştır. Viskozitesi 7 cSt olan parafinik içeriğe sahip yağlama yağı N1 kodlu yağ, viskozitesi 9 cSt olan naftenik ve aromatik içeriğe sahip yağlama yağı N2 kodlu yağ ve viskozitesi 5 cSt olan naftenik içeriğe sahip yağlama yağı N3 kodlu yağ olarak seçilmiştir.
Bu numuneler farklı koşullarda çalıştırılan kompresörlerde test edilmiştir. Kompresörlerde test edilmiş yağ numuneleri alınıp analiz edilmiş ve elde edilen sonuçlar ile orjinal numunenin sonuçları karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Yağlama yağları kompresör test düzeneğinde üç farklı koşulda mekanik etkiye maruz bırakılmıştır. Bu testlerde sıcaklığın ve basıncın yağlama yağının özelliklerinde meydana getirdiği etkiler incelenmiştir
Yağlama yağlarının mekanik etki altındaki kimyasal ve fiziksel değişimlerini  belirlemek için öncelikle gerekli kimyasal ve fiziksel analizler belirlenmiştir. Kimyasal analizler organik ve inorganik olmak üzere iki kısımda gerçekleştirilmiş; ayrıca fiziksel analiz olarak viskozite ile yağın renk ve koku testleri yapılmıştır. Kimyasal analizlerde  organik molekül tayini için GC-MS, GC-SIMDIS analizleri, inorganik analizlerde ise inorganik madde tayini için ICP-MS analizleri yapılmıştır. 
Yağlama yağlarının viskoziteleri ve kimyasal bileşimleri farklı olduğundan, mekanik etki sonucu içerdikleri moleküler yapılardaki kırılmalar ve oksitlenme düzeyleri farklı olmuştur. Her üç yağ numunesi için sıcaklığın ve basıncın yağın kimyasal yapısında değişime neden olduğu; ancak, basıncın etkisinin sıcaklık kadar belirgin olamadığı gözlenmiştir. 
N1 kodlu  yağ numunesinin sahip olduğu uzun karbon zincirlerinde geniş kırılmalar meydana gelmiştir. Orjinal yapı sıcaklığın etkisi ile molekül ağırlığı daha küçük moleküllere dönüşme eğilimi göstermiştir. Bunun yanı sıra özel olarak belirtilen bazı karbon zincirlerinin sıcaklık etkisiyle birleşerek yüksek molekül ağırlıklı bileşenlere dönüştüğü gözlenmiştir. Meydana gelen değişimler hem karbon zincirleri hem de bireysel molekül şekilleri üzerinden gözlemlenmiş ve bu analizler GC-MS ve GC-SIMDIS cihazlarında gerçekleşmiştir. 
Kompresör çalışma koşullarında ulaşılan sıcaklık ve basıncın N2 kodlu yağ numunesinin sahip olduğu halkalı yapılarda kırılmalara ve buna bağlı olarak yağın daha parafinik bir yapıya dönüşümüne neden olduğu görülmüştür. 
N3 kodlu yağ numunesinin GC-MS ve GC - SIMDIS sonuçları sıcaklık ve basınç etkisi  ile kimyasal yapısında meydana gelen değişimlerin N1 ve N2 kodlu yağ numunelerine paralel olduğunu göstermiştir. 
ICP-MS cihazında gerçekleştirilen inorganik analiz sonuçları, mekanik etki sonrası  yağın inorganik içeriğinde meydana gelen değişimin organik içerikte meydana gelen değişim kadar belirgin olmadığını hatta hemen hemen aynı kaldığnı  göstermiştir. 
Mekanik etkinin viskoziteye olan etkisini incelemek için her üç yağ numunesinin de viskozite ölçümleri yapılmıştır. Sıcaklık artışı ile her üç yağlama yağının da viskozitesinde düşme olduğu saptanmıştır. Viskozite düşüşü yağ numunelerinde renk koyulaşması ve yağ kokusunda bozulma olarak da kendini göstermiştir.

Abstract:
One of the important problems of today is continuous increase in the amount of energy consumption by the devices produced with developing technology. Therefore, improvements in both industrial and domestic appliances are important issues in order to reduce energy consumption.
White goods stand out as the most important electrical appliances when energy consumption is being considered in households. When household appliances are considered, it is seen that refrigerators are the products that cause the most electricity consumption after the illumination. This is due to constantly operating refrigerators to maintain the cooling system. Any improvements  steps to increase the energy efficiency in refrigerators are of great importance to reduce energy consumption in household use.
Many factors are effective in the energy consumption of the refrigerator. The solutions developed for the problems encountered provide significant benefits in terms of energy efficiency. An example of these problems is that the refrigerator door remains open too long. If the lid remains open, then the compressor will perform above normal. This can lead to wear problems of metal parts in the compressor or to a decrease in viscosity due to overheating of the compressor oil and consequently causes failure to function. Door sensors can be developed for solution against such problems that may occur in refrigerator mechanical parts.
The refrigerator consists of four main parts: compressor, condenser, capillary tube and evaporator. Out of these four parts, compressor is the engine of the refrigerator and any problems such as excessive wear, mechanical wear, and more operation than normal cycles; seriously increases electricity consumption.
In a refrigerator compressor, the refrigerant, lubricating oil, and mechanical equipment must work in harmony with one another. The compatibility of the refrigerant gas and lubricating oil in the compressor is extremely important in that the lubricating oil can provide the necessary protective layer on the metal surfaces.
Lubricating oils have the duties of forming a protective layer against the corrosion that may occur on the metal surfaces in the compressor, cooling the piston, crank and connecting rod parts that are active in the system and forming the slippery surface necessary for the metal surfaces to work without hitting each other. In this sense, compressor properties in lubricating oils increase efficiency and consequently reduce the consumption of electricity and energy in the refrigerator.  
One of the most important improvements in lubricating oils that can be done is the reduction of the viscosity. However, if low viscosity lubricating oil is used, then the protective layer formation on the metal surfaces of the compressor becomes more difficult. 
The chemical properties of the lubricating oil must be well known and changes in these properties must be observed in order to achieve a decrease in oil viscosity.
Lubricating oils in the compressor are exposed to different temperatures and pressures depending on the operating conditions of the compressor. Due to these various operating conditions, changes in the chemical and physical properties of the oil affect the oil performance thus negatively affect the operating efficiency of the compressor.
In this study, the changes caused by temperature and pressure on the chemical and physical properties of compressor lubricating oils were investigated. For this purpose, three different viscosity samples from three different companies were used as compressor oil. For the purposes of discussion, the lubricating oil components are given code names depending on their viscosities and their contents. Lubricating oil with a viscosity of 7 cSt and paraffinic content selected as N1, and with a viscosity of 9 cSt with naphthenic content selected as N2, and with a viscosity of 5 cSt with aromatic and naphthenic content was selected as N3.
These samples were tested in compressors operated under different conditions. The oil samples tested in the compressors were taken and analyzed and the results obtained were compared with the results of the original sample. Lubricating oils were subjected to mechanical effect under three different operating conditions in the compressor test device. In these tests, the effects of temperature and pressure on the properties of lubricating oil were examined.
Necessary chemical and physical analyzes were selected in order to determine the chemical and physical changes of lubricating oils under different mechanical effects.
Chemical analyzes were performed in two parts: organic and inorganic. In addition, viscosity and oil color and odor tests were performed as physical analysis. GC-MS, GC-SIMDIS analyzes were used for the determination of organic molecules in chemical analyzes and ICP-MS analyzes were performed for the determination of inorganic substances in inorganic analyzes.
Since the viscosity and chemical composition of the lubricating oils were different, the fractures and oxidation levels in the molecular structures they presented as a result of mechanical effects were different. For all three oil samples, temperature and pressure cause a change in the chemical structure of the oil; however, the effect of pressure was not as pronounced as temperature.
Large fractures have occurred in the long carbon chains of N1 oil. The original structure tended to change into smaller molecules with the effect of temperature. In addition, it has been observed that some of the specifically specified carbon chains combine with the effect of temperature to form high molecular weight components. The changes were observed on both carbon chains and individual molecular forms and these analyzes were performed on GC-MS and GC-SIMDIS devices.
It was observed that the temperature and pressure reached under the compressor operating conditions caused the breakage of the ring sample of N2 oil and consequently conversion to a more paraffinic structure.
GC-MS and GC - SIMDIS results of N3 oil sample showed that changes in chemical structure with temperature and pressure effects were parallel to N1 and N2 oil samples.
The results of the inorganic analysis performed on the ICP-MS device showed that the change in the inorganic content of the oil after mechanical action was not as pronounced as the change in the organic content, but remained almost the same.
Viscosity measurements were performed for all three oil samples to examine the effect of mechanical effect on viscosity. With the increase in temperature, it was found that the viscosity of all 3 lubricating oils decreased. The decrease in viscosity was also seen as color darkening and deterioration of oil odor in oil samples.