Kompresörlerde soğutma sistemi optimizasyonu
Cooling system optimisation of air compressor
Yazar: PELİN ALEMDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT YÜKSEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompresörler sanayinin hemen her alanında aktif olarak kullanılmakta olan ve farklı teknolojilerle basınçlı hava üreten makinelerdir. Kompresörler basınçlandırılma teknolojisine göre pozitif deplasmanlı ve dinamik kompresörler olmak üzere iki ana gruba ayrılır.  Bu gruplardan yaygın olarak kullanılan pozitif deplasmanlı kompresörlerdir. Pozitif deplasmanlı, dönel hareketli kompresör grubunda olan vidalı kompresörler enerji verimliliği ve sessizliği nedeniyle tercih edilmektedir. Vidalı kompresörler de kendi arasında temel olarak yağ enjeksiyolu ve yağsız kompresörler olmak üzere iki gruba ayrılır. Yaygın olarak kullanılan yağ enjeksiyonlu vidalı kompresörlerde basınçlandırma işlemi sırasında, vida bloğuna yağ enjeksiyonu yapılmaktadır. Sıkıştırma sonrası çeşitli ayrıştırma yöntemleriyle, basınçlı hava yapısındaki yağ ve yağ buharı ayrıştırılsa da içeriğinde yaklaşık 0.01mg/m³  yağ buharı bulunur.  Bu sebeple son yıllarda özellikle, gıda, ilaç, medikal, kimya, kozmetik ve elektronik sektörlerinde üretim yapan tesislerde yağsız vidalı kompresörler tercih edilmektedir. Yağsız vidalı kompresörlerde sıkıştırma işlemi sırasında hava yalın halde sıkıştırıldığından, sıkıştırma sonunda herhangi bir ayrıştırma işlemine gerek duyulmamaktadır. Fakat sistemdeki ısıyı uzaklaştıran herhangi bir akışkan olmadığı için hava kademeli olarak sıkıştırılmakta ve kademeler arası soğutma yapılmaktadır. 
Kompresör tasarımcılarının temel çalışma konularından biri de sistemin termodinamik hesaplamalardır. Sıkıştırılacak gazın sıkıştırma ünitesine iletilmeden önceki ve sıkıştırma sonundaki termofiziksel özellikleri, sıkıştırma ünitesinin verimini gösterir. Sıkıştırıldıktan sonraki; ayrıştırma, soğutma ve basınçlı hava hattına iletme işlemleri ise sisteminin verimi olarak belirtilmektedir. Tüm parametrelerin bir araya gelmesiyle kompresör özgül güç tüketimi hesaplanır. Enerji verimliliğinin yüksek olması için özgül güç tüketiminin minimum olması gerekmektedir.  
Bu çalışmada yağsız vidalı kompresörlerin soğutma sisteminde kullanılan soğutucuların tasarım parametreleri belirlenmiştir. Bu parametreler doğrultusunda boyutsal limitler hesaplanmıştır. İki kademeli sıkıştırma işleminden geçerek basınçlandırılan havanın kademe çıkışlarındaki sıcaklık değerlerinin yüksek olması, bu sıcaklıklara dayanıklı paslanmaz çelik ön soğutma sistemi kullanımı gerektirmektedir. Ön soğutucularla belli bir seviyeye getirilen basınçlı hava sıcaklıkları radyatörler yardımıyla nihai sıcaklık değerine soğutulmaktadır. Kompresörün özgül güç tüketim hedefi doğrultusunda, ısıl yükün sistemden atılmasında kullanılacak olan soğutucu fanların kapasitelerini etkileyen, radyatör yüzeylerinde oluşan geri basıncın ve basınçlı havanın soğutulması sırasında oluşacak basınç kayıplarının azaltılması için limit değerler belirlenmiştir. Soğutma sisteminin matematik modeli oluşturulup, belirlenen limitler doğrultusunda MATLAB programı kullanılarak boyutsal optimizasyon yapılmıştır. Yapılan çalışmalar ile soğutma sisteminde kullanılan paslanmaz çelik soğutucuların ve alüminyum radyatörlerin yüzey geometrileri optimize edilerek, oluşan basınç kayıpları hesaplanmıştır. Hesaplanan toplam basınç kayına göre sistem soğutma ihtiyacını karşılayacak fan tasarımları yapılmıştır. Hesaplara göre tasarlanan soğutma sistemi iki kompresör modeli üzerinde test edilerek hesap ve test sonuçları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Compressors are used in almost every area of in the industry and the machines produce compressed air with different compression technologies. According to the compression technology, compressors are divided into two main groups as positive displacement and dynamic compressors. Positive displacement compressors are widely used in the industry.  Screw compressors are in the group of the positive displacement and rotary movement compressors. Screw compressors have been preferred due to the features of silence and energy efficiency. Basically, there are two types of the screw compressors technology as oil-injected and oil-free. During the compression process of oil-injected screw compressors which is commonly used, oil injection is applied to the screw block. Hence, after the compression process, air includes oil and oil vapor that are separated by various decomposition method. After the separation process, the compressed air also includes approximately 0.01mg/m³ of oil vapor. For this reason, oil-free screw compressors are especially preferred in the facilities such as food, medicine, medical, chemical, cosmetic and electronics in the recent times. There is no need for separation process after the compression, because of that the compression process does not require injection. However, there is not fluid that removes the heat in the system, so the air is compressed gradually and intercooling between the stages are necessary.
One of the main cases for the compressor designers is thermodynamic calculations. The thermophysical properties of the end of compression and before the compression is defined the efficiency of the compression unit. After the compression, seperation, cooling and transfer to the compressed air line processes are defined as the efficiency of the system. Specific power consumption is calculated by all those parameters. The specific power consumption must be minimum for a high energy efficiency. 
In this thesis study, design parameters of the coolers that are used in the cooling system of oil-free screw compressors are determined. Dimesional limitations are calculated by using this parameters. Due to the high temperature values in the screw outlet, there is a requirement for the use of stainless steel pre-cooling system that is resistant to the high temperatures.  After the compression process, the air is cooled to the certain level by pre-coolers and than the air is cooled to the final temperature by the aluminium coolers. 
According to the specific power consumption target of the compressor, limit values are determined as pressure losses of the compressed air and cooler surface. The effects will be minimum which the capacities of the cooling fans to be used in the system.  The mathematical model of the cooling system is established than the dimensional optimisation is determined by using the MATLAB program within the determined limits. The surface geometries of the stainless steel coolers and aluminum radiators used in the cooling system are optimised and the results of pressure losses are calculated. According to the calculated total pressure loss, the fans are designed to meet the system cooling needs. According to the calculations, test outputs and test results are compared for both of the compressors models in order to verify the designed cooling system.