Buzdolabı nasıl soğutur? Buhar sıkıştırmalı soğutma döngüsü

Buzdolabının arkasına ya da altına elini yaklaştırdığında ılık bir hava hissedersin. İçerisi 4 °C iken arkası neden ısınıyor? Çünkü buzdolabı aslında soğuk üretmez. Yaptığı iş, içerideki ısıyı toplayıp dışarı, yani mutfağa taşımaktır. Arkadaki ılıklık, sütün, yumurtanın, tencerede kalan yemeğin içinden çekilip odaya bırakılan ısıdır.

Bu yazıda bu taşıma işini yapan makineyi parça parça açıyoruz: kompresör, yoğuşturucu, kılcal boru ve buharlaştırıcı. Hepsinin içinde dolaşan tek bir madde var: soğutucu akışkan. Onun yolculuğunu takip edince buzdolabının sırrı da çözülüyor.

Soğuk diye bir şey yok, ısı taşınır

Isı kendiliğinden her zaman sıcaktan soğuğa akar. Masada bırakılan çay soğur, buzdolabından çıkan ayran ısınır; tersi hiç kendiliğinden olmaz. Fizikte bu, termodinamiğin ikinci yasasının gündelik hâlidir.

Buzdolabı ise ısıyı “yokuş yukarı” taşır: 4 °C’lik iç bölmeden 22 °C’lik odaya. Bu, suyu aşağıdan yukarıdaki depoya basan bir pompaya benzer. Su kendiliğinden yukarı çıkmaz ama bir pompa elektrik harcayarak onu taşıyabilir. Buzdolabının pompası da kompresördür ve taşıdığı şey sudan değil, ısıdır. Bu yüzden buzdolaplarına ve klimalara bazen ısı pompası da denir.

İşin sırrı: kaynarken ısı çekmek, yoğuşurken ısı vermek

Isıyı taşımanın en etkili yolu hâl değişimidir. Bir sıvı buharlaşırken çevresinden büyük miktarda ısı çeker; denizden çıkınca üşümemizin ve kolonyanın serin gelmesinin nedeni budur (ayrıntısı Buharlaşma neden serinletir? yazısında). Buhar yoğuşup tekrar sıvı olurken de aynı ısıyı geri verir.

Buzdolabı bu iki olayı iki ayrı yerde yaptırır:

• İçeride, buzluğun çevresindeki borularda akışkan kaynar ve dolabın içinden ısı çeker.
• Dışarıda, arkadaki ızgara biçimli borularda akışkan yoğuşur ve o ısıyı odaya verir.

Ama bir sorun var: Aynı maddenin hem −20 °C civarında kaynaması hem de 40 °C civarında yoğuşması gerekir. Bunu sağlayan şey basınçtır. Bir sıvının kaynama sıcaklığı basınca bağlıdır; basınç düştükçe daha düşük sıcaklıkta, arttıkça daha yüksek sıcaklıkta kaynar (düdüklü tencerenin çalışma ilkesi de budur: Düdüklü tencere neden hızlı pişirir?).

Bugün ev buzdolaplarında yaygın akışkan izobütandır (soğutma dünyasındaki adıyla R600a). İzobütan normal hava basıncında yaklaşık −12 °C’de kaynar. Basıncı yaklaşık 0,7 bara indirirsen −20 °C civarında kaynar; yaklaşık 5,3 bara çıkarırsan 40 °C’de yoğuşur. Buzdolabı akışkanı bu iki basınç arasında gidip getirir: içeride alçak basınç, dışarıda yüksek basınç.

Döngünün dört parçası

Soğutma döngüsü dört ana parçadan ve onları birbirine bağlayan kapalı bir borudan oluşur. Akışkan bu borunun içinde yıllarca aynı yolu döner; eksilmez, değiştirilmez.

Kompresör. Buzdolabının arkasında, altta duran siyah, kapalı kutudur. İçinde bir elektrik motoru ve bir piston vardır. Buharlaştırıcıdan gelen soğuk, alçak basınçlı buharı emer ve sıkıştırır. Sıkıştırılan buharın hem basıncı hem sıcaklığı yükselir; kompresörden çıkan buhar 50–70 °C’ye kadar ısınabilir. Buzdolabının “çalışma sesi” çoğunlukla bu motorun sesidir.

Yoğuşturucu (kondenser). Arkadaki siyah ızgaradır: zikzak yapan bir borunun üstüne ince teller kaynatılmıştır. Teller yüzeyi büyütür, böylece sıcak boru ısısını odanın havasına daha kolay verir. Akışkan burada soğurken yoğuşur ve borunun sonuna geldiğinde ılık bir sıvıya dönüşmüştür. Arkaya dokunduğunda hissettiğin sıcaklık buradan gelir. Bazı modellerde bu boru dış sacın içine gömülüdür; o zaman buzdolabının yan yüzleri ılık olur.

Kılcal boru (genleşme elemanı). Yoğuşturucudan çıkan sıvı önce küçük bir kurutucu filtreden geçer, sonra iç çapı bir milimetre kadar olan, birkaç metre uzunluğunda ince bir boruya girer. Bu dar ve uzun boru akışa direnç gösterir; sıvı ilerledikçe basıncı düşer. Basınç düşünce sıvının bir kısmı kendiliğinden kaynar ve bu kaynama sıvının geri kalanını soğutur. Kılcal borudan çıkan akışkan artık −20 °C civarında, soğuk bir sıvı ve buhar karışımıdır. Klimalarda ve büyük soğutucularda bu işi genellikle ayarlanabilir bir genleşme valfi yapar.

Buharlaştırıcı (evaporatör). Dolabın içindeki soğuk yüzeydir: tek kapılı buzdolaplarında buzluğun çevresine sarılmış boru, çoğu modelde iç arka duvarın arkasına gizlenmiş bir levha. Soğuk akışkan burada dolabın havasından ve yiyeceklerden ısı alarak kaynar ve tamamen buhara dönüşür. Sonra kalın emme borusundan kompresöre geri döner ve tur yeniden başlar.

Akışkanın bir turu

Yukarıdaki çizimde buzdolabının yan duvarı kesilip açılmış. Boru rengi akışkanın sıcaklığını gösteriyor: sıcak yerler altın, soğuk yerler mor. Dolu çizgi sıvıyı, akan noktalar buharı temsil ediyor. Numaralı noktalarda basıncı ve sıcaklığı okuyabilirsin. Termostatı çevir, kapıyı aç, kompresörü durdur ve neyin değiştiğine bak. Kendi mutfağının sıcaklığını ve kompresör gücünü kutulara yazarak hesabı kendi değerlerinle de yapabilirsin.

1. Kompresör çıkışı: Sıcak, yüksek basınçlı buhar (yaklaşık 5 bar, 60 °C). Akışkan odadan daha sıcak olduğu için ısı ondan odaya akabilir.
2. Yoğuşturucu çıkışı: Basınç hâlâ yüksek ama akışkan ısısını odaya vermiş, ılık bir sıvı olmuş (yaklaşık 30 °C).
3. Kılcal boru çıkışı: Basınç 1 barın altına inmiş, akışkanın bir kısmı kaynamış; geriye kalan, dolabın içinden çok daha soğuk bir sıvı-buhar karışımı (yaklaşık −20 °C). Artık ısı dolabın içinden akışkana akabilir.
4. Buharlaştırıcı çıkışı: Akışkan dolabın ısısını alarak tamamen buharlaşmış; soğuk ve alçak basınçlı buhar kompresöre dönüyor.

Döngünün mantığı tek cümleye sığar: Isıyı almak istediğin yerde akışkanı o yerden daha soğuk, vermek istediğin yerde o yerden daha sıcak yap. Kompresör ve kılcal boru, basıncı değiştirerek tam olarak bunu yapar.

Arkası neden içinden daha çok ısı verir?

Çizimdeki ısı hesabı bir şeyi açıkça gösterir: Kompresör çalışırken odaya verilen ısı, içeriden çekilen ısıdan her zaman fazladır. Çünkü odaya hem dolabın içinden çekilen ısı hem de kompresörün harcadığı elektrik enerjisi gider. Enerji yok olmaz; kompresörün motoruna giren elektrik de sonunda ısı olarak arkadan çıkar.

Çizimdeki basit modelde, varsayılan değerlerle (oda 22 °C, termostat 4 °C) kompresör 60 W elektrik çeker, içeriden saniyede yaklaşık 120 J ısı (120 W) alır ve arkadan odaya yaklaşık 180 W ısı verir. Buradaki oran, yani çekilen ısının harcanan elektriğe bölümü (120 / 60 = 2), soğutucunun etkinlik katsayısıdır (İngilizce kısaltmasıyla COP). Gerçek buzdolaplarında bu sayı modele ve koşullara göre değişir; iç ile dış arasındaki sıcaklık farkı büyüdükçe küçülür. Bu yüzden arkası duvara yapışık, havası dönmeyen ya da sobanın yanına konmuş bir buzdolabı daha çok elektrik harcar.

Termostat: buzdolabı neden durup durup çalışır?

Buzdolabı sürekli çalışmaz. İçerideki sıcaklığı bir termostat izler: Sıcaklık ayarın biraz üstüne çıkınca kompresörü çalıştırır, biraz altına inince durdurur. Ayar ile bu iki sınır arasındaki küçük pay (çizimde ±1 °C) olmasaydı kompresör saniyede bir açılıp kapanır ve çabuk yıpranırdı. Kompresör dururken akışkan dolaşmaz; duvarlardan sızan ısı içerisini yavaşça ısıtır, sınır aşılınca döngü yeniden başlar. Mutfakta duyduğun “çalış, sus, çalış” ritmi budur.

Kapıyı açık bırakırsak mutfak serinler mi?

Hayır, biraz ısınır. Kapı açıkken buzdolabı içeriden aldığı ısıyı yine aynı odaya bırakır; üstüne bir de kompresörün harcadığı elektriği ekler. Odadan alınan ve odaya verilen ısı birbirini götürür, geriye kalan elektrik enerjisi odayı ısıtır. Çizimde kapıyı açık bırakıp oda sıcaklığını izlersen bunu görürsün. Klimalar bu yüzden sıcak taraflarını (dış ünite) binanın dışına koyar.

Kapıyı açınca içeri dolan sıcak hava dolabı hızla ısıtır; kompresör yetişemez ve sürekli çalışır. Soğuk hava ağır olduğu için kapının altından dökülür, sıcak hava üstten girer. Kapıyı kısa süre açmak ve sıcak yemeği soğuduktan sonra koymak hem yiyecekleri hem de elektrik faturasını korur.

Aynı makine tersine: ısı pompası

Şimdi buzdolabını kafanda çevir: Buharlaştırıcıyı evin dışına, yoğuşturucuyu evin içine koy. Makine artık dışarıdaki havadan ısı alıp evin içine taşır. Bu, evleri ısıtan ısı pompasıdır. Kış ortasında dışarıdaki hava da ısı içerir; döngü onu daha da soğuk bir akışkanla toplar. Pek çok klima da bir valfle akışın yönünü çevirerek yazın soğutur, kışın ısıtır.

Isı pompasının güzel tarafı, eve verdiği ısının içeriden aldığı ısı + harcadığı elektrik olmasıdır. Yani harcadığı her birim elektrik için eve çoğu zaman bunun birkaç katı ısı taşır. Aynı elektriği bir elektrikli ısıtıcıda doğrudan ısıya çevirmek ise yalnızca bir kat ısı verir. Çamaşır kurutma makinelerinin bazıları ve su ısıtıcıları da aynı döngüyle çalışır.

Biraz tarih: amonyaktan izobütana

Buhar sıkıştırmalı soğutmanın ilk patentini 1834’te Londra’da Amerikalı mucit Jacob Perkins aldı. 19. yüzyılın sonlarında bira fabrikalarında ve mezbahalarda amonyakla çalışan büyük soğutma makineleri yaygınlaştı. İlk ev buzdolaplarında amonyak, kükürt dioksit ve metil klorür gibi zehirli akışkanlar kullanılıyordu; sızıntılar tehlikeliydi.

1930’larda zehirsiz ve yanmaz CFC’ler (kloroflorokarbonlar) bu sorunu çözdü ve dünyaya yayıldı. Ancak 1970’lerde bilim insanları, atmosfere kaçan CFC’lerin üst atmosferdeki ozon tabakasını incelttiğini gösterdi. 1987’de imzalanan Montreal Protokolü ile CFC’ler aşamalı olarak yasaklandı. Yerlerine gelen bazı akışkanlar da güçlü sera gazı olduğu için 2016’daki Kigali Değişikliği onların kullanımını da azaltma kararı aldı. Bugün pek çok ev buzdolabında ozona zarar vermeyen ve sera etkisi çok düşük olan izobütan dolaşır. İzobütan yanıcı olduğu için buzdolabına çok az miktarda konur ve boruları kapalı tutulur.

Evde güvenli gözlem

Buzdolabını açmadan, sökmeden bu yazıdaki her şeyi gözlemleyebilirsin:

1. Arkasını hisset. Kompresör çalışırken (hafif uğultu duyarken) elini arkadaki ızgaraya yaklaştır, dokunma. Havanın ılık olduğunu hissedersin. Kompresör uzun süre durduktan sonra tekrar dene.
2. Çalışma ritmini ölç. Saatle kompresörün ne kadar çalışıp ne kadar durduğunu not et. Sonra kapıyı birkaç kez açıp kapadıktan sonra tekrar ölç: Çalışma süresi uzar.
3. İçeriyi ölç. Bir bardak suyu orta rafa koy, birkaç saat sonra mutfak termometresiyle sıcaklığını ölç. Termostatı bir kademe değiştir, ertesi gün tekrar ölç.
4. Kurallar: Buzdolabının arkasındaki borulara, kablolara ve kompresöre müdahale etme; boruları delmek ya da bükmek tehlikelidir. Arka ızgarayı temizlemek gerekirse önce fişi çek ve bunu bir yetişkin yapsın.

Üç yaygın yanılgı

“Buzdolabı soğuk üretir.” Soğuk bir madde değildir; buzdolabı yalnızca ısıyı içeriden dışarı taşır. İçerisi soğur çünkü ısısı alınmıştır.

“Gaz bitince buzdolabı soğutmaz, gaz eklemek gerekir.” Akışkan kapalı bir döngüde döner ve harcanmaz. Soğutma azaldıysa ya bir sızıntı vardır ya da başka bir arıza; bu da ancak bir teknisyenin bulup onarabileceği bir iştir.

“Termostatı en soğuğa almak dolabı daha hızlı soğutur.” Çoğu buzdolabında kompresör her ayarda aynı hızla çalışır; ayar yalnızca ne zaman duracağını belirler. En soğuk ayar dolabı daha hızlı değil, daha uzun süre soğutur ve daha çok elektrik harcar.

Özet

• Buzdolabı soğuk üretmez; içerideki ısıyı alıp arkasından odaya taşır. Odaya verilen ısı, içeriden çekilen ısı ile harcanan elektriğin toplamıdır.
• Akışkan içeride alçak basınçta kaynayarak ısı çeker, dışarıda yüksek basınçta yoğuşarak ısı verir. Basıncı kompresör yükseltir, kılcal boru (ya da genleşme valfi) düşürür.
• Döngünün dört parçası: kompresör, yoğuşturucu, kılcal boru, buharlaştırıcı. Termostat kompresörü açıp kapatarak sıcaklığı bir aralıkta tutar.
• Aynı döngü tersine kurulunca ısı pompası olur ve evi, harcadığı elektriğin birkaç katı ısıyla ısıtabilir.