Bazı özel endüstriyel ve laboratuvar uygulamalarında çok düşük sıcaklıklara ihtiyaç duyulur. Tek bir buhar sıkıştırmalı mekanik çevrim ile bu sıcaklığı elde etmek oldukça zor ve ekonomik açıdan avantajlı değildir. İki kademeli soğutma sistemlerinde (kaskad) kompresörlerde harcanan enerji az ve kompresör çıkış sıcaklığı daha düşüktür. EER değeri tek kademeli sistemlere göre daha fazla, fakat ilk kuruluş maliyetleri yüksektir. Kondenserdeki yoğuşma basıncı ile evaporatördeki buharlaşma basıncı arasındaki fark büyük olduğu için bu tür sistemlerde kullanılan kompresörlerin sıkıştırma oranları da çok yüksek olmaktadır. Sıkıştırma oranı arttıkça kompresörlerin verimi çok düşmekte ve enerji harcamaları aşırı derecede artmaktadır. Ayrıca kompresör maliyetleri yükselmektedir.
Şekil 1’de Soğutucu akışkan olarak R-134A ve R-404A kullanılan iki kademeli soğutma çevrimi gösterilmektedir. İki kademeli soğutma sistemi iki ayrı buhar sıkıştırmalı mekanik soğutma sistemlerinden oluşmaktadır. Birinci kademedeki soğutma sisteminin (R-134A) evaporatörü, ikinci kademe sistemin (R-404A) kondenseri olmaktadır (ısı değiştirici). Dolayısıyla ikinci kademe sistemin kondenser yoğuşma sıcaklığı düşürülmekte, sonuçta ikinci kademe soğutma sisteminin evaporatöründe -50°C sıcaklığına daha kolay ulaşılmaktadır.
Yukarıda verilen iki kademeli kaskad soğutma sisteminde (R-134a/R-404a) harcanan enerji; birinci kademe kompresörü, ikinci kademe kompresörü, birinci kademe kondenser fanı ve ikinci kademe evaporatör fanında tüketilen enerjilerinin toplamına eşittir. Soğutma kapasitesi ikinci kademe evaporatörde elde edilen soğutma enerjisine eşit olduğu bilindiğine göre EER değeri aşağıda verilen eşitlikle hesaplanır.
Ayrıca soğutucu akışkanların fiziksel ve termodinamik özelliklerine göre iki kademeli soğutma sistemi kullanılması kaçınılmaz hale gelmektedir. Özellikle son zamanlarda çevresel kaygılarla yeniden kullanılmaya başlanılan karbondioksitli sistemlerin yaygınlaşması kaskad soğutma sistemlerini ön plana çıkarmaktadır. Şekil 2’de görüldüğü gibi karbondioksit kullanılan kaskad bir soğutma sisteminde; birinci kademede amonyak, R-404A, R-134a vb. akışkan kullanılabilmektedir. Birinci kademe soğutma sisteminin kondenser yoğuşma sıcaklığı 40°C ve evaporatör buharlaşma sıcaklığı ise -10°C olmaktadır. İkinci kademe CO2 tarafını ifade etmekte, kondenser yoğuşma sıcakılığı -5°C ve evaporatör buharlaşma sıcaklığı -25°C verilmektedir. Isı değiştiricideki sıcaklık farkı 5°C olmaktadır. EEV elektronik genleşme vanasını ifade etmektedir.
Kaskad soğutma sisteminin P-h ve T-s Diyagramlarında Gösterilmesi
Şekil 3’de NH3 /CO2 çiftinin kullanıldığı kaskad soğutma sistemi verilmektedir. Burada birinci kademede (yardımcı soğutma devresinde) soğutucu akışkan olarak amonyak kullanılmıştır. İkinci kademede ise (ana soğutma devresi) soğutucu akışkan olarak karbondioksit kullanılmıştır. Kaskad soğutma sistemin P-h ve T-s diyagramında gösterilmesi Şekil 4’de verilmektedir. P-h diyagramında mavi renk ile gösterilen çevrim karbondioksitli sistemi (yoğuşma sıcaklığı: -5°C, buharlaşma sıcaklığı -45°C) kırmızı renk ise amonyaklı soğutucu akışkan kullanan çevrimi (yoğuşma sıcaklığı: 40°C, buharlaşma sıcaklığı -10°C) ifade etmektedir.
Kaskad soğutma çevrimi iki farklı soğutma çevriminden oluşmaktadır. 1. kademede amonyak (NH3 ) yer alırken, 2. kademede ise, karbondioksit (CO2 ) soğutucu akışkan olarak kullanılmaktadır. Bu sistemde 1. kademe için; (5-6) arası kompresörde sıkıştırma, (6-7) kondenserde yoğunlaşma, (7-8) basınç düşürücüde genleşme ve (8-5) arası evaporatörde buharlaşma işlemlerini göstermektedir. Aynı şekilde ikinci kademede ise (1-2) arası kompresörde sıkıştırma, (2-3) kondenserde yoğunlaşma, (3-4) basınç düşürücüde genleşme ve (4-1) arası evaporatörde buharlaşma işlemlerini göstermektedir.
Kaynak; Friterm