Chiller tarihi: buz ticaretinden bugünün su soğutma gruplarına

Chiller'ın tarihi, kışın göllerden kesilip gemilerle taşınan doğal buzla başlar ve 20. yüzyılın başında suyu bir makinede soğutup binaya dağıtma fikriyle bugünkü biçimine kavuşur. Dönüm noktaları şunlardır: 1750'lerde buharlaşmanın soğuttuğunun deneyle gösterilmesi, 1834'te Jacob Perkins'in kapalı devre buhar sıkıştırmalı makinesi, 1870'lerde Carl von Linde'nin amonyaklı soğutma makineleri, 1902'de Willis Carrier'ın ilk modern iklimlendirme sistemi ve 1922'de yine Carrier'ın büyük binalar için tanıttığı santrifüj soğutma makinesi. Bugünkü gruplar aynı fikri inverter kontrol ve düşük GWP'li akışkanlarla sürdürüyor.

Bu yazı tarihe odaklanıyor. Cihazın bugün nasıl çalıştığını kardeş şirketimizin chiller ne demek yazısında bulabilirsiniz.

Makinelerden önce: kar kuyuları ve buz ticareti

Soğuğu saklama ihtiyacı makinelerden çok daha eskidir. İran'da kubbeli buz evleri, Anadolu'da kar kuyuları kışın toplanan karı ve buzu saman ve toprakla örterek yaza taşırdı. Osmanlı İstanbul'unda Uludağ'dan getirilen karın şerbet soğutmakta kullanıldığı anlatılır.

19. yüzyılda bu iş bir ticarete dönüştü. 1806'da Bostonlu tüccar Frederic Tudor, New England göllerinden kesilen buzu Karayipler'deki Martinik'e gönderdi; sonraki on yıllarda buz, talaşla yalıtılmış depolarda ve gemi ambarlarında Hindistan'a kadar taşınır oldu. Norveç de göllerinden kestiği buzu İngiltere'ye satıyordu. Doğal buzun sınırları ise belliydi: ılık geçen bir kış arzı düşürüyor, yolda eriyen buz fireye dönüşüyor, sıcaklık da kontrol edilemiyordu.

Buharlaşma soğutur: ilk deneyler

Yapay soğutmanın temelindeki gözlem basittir: bir sıvı buharlaşırken çevresinden ısı çeker. 1750'lerde Glasgow Üniversitesi'nde William Cullen, eteri düşük basınç altında buharlaştırarak küçük bir miktar buz elde etti. 1758'de Benjamin Franklin ve John Hadley, Cambridge'de bir termometrenin haznesini tekrar tekrar eterle ıslatıp buharlaştırarak sıcaklığı suyun donma noktasının epey altına indirdi.

Bu deneyler henüz kullanışlı bir makineye dönüşmedi. Ama bugün her soğutma çevriminin evaporatöründe olup biteni ilk kez ölçülebilir hâle getirdiler: soğuk, bir akışkanın buharlaşmasıyla üretilebiliyordu. Eksik olan, buharlaşan akışkanı geri toplayıp yeniden kullanmanın yoluydu.

Kapalı devre makineler: 1834–1870'ler

Buharlaşan akışkanı havaya salmak yerine yeniden sıvılaştırıp tekrar kullanmak, sürekli soğutmanın anahtarıydı. 1834'te Londra'da çalışan Amerikalı mucit Jacob Perkins, eterle çalışan kapalı devre bir buhar sıkıştırmalı soğutma makinesinin patentini aldı. Akışkan buharlaşıyor, bir pompa buharı sıkıştırıyor, sıkışan buhar yoğuşup yeniden sıvıya dönüyordu. Bugünkü chiller'ların çevrimi de bu adımlara dayanır.

Sonraki yıllarda farklı yollar denendi:

• ABD'de hekim John Gorrie, sıtma ve sarı humma hastalarının odalarını serinletmek için havayı sıkıştırıp genleştiren bir buz makinesi geliştirdi ve 1851'de patentini aldı.
• Avustralya'da James Harrison, 1850'lerde eterli makinelerle ticari buz üretimine ve bira ile et soğutmasına girişti.
• Fransa'da Ferdinand Carré, 1850'lerin sonunda amonyak ve suyla çalışan, kompresör yerine ısıyla çalışan absorpsiyonlu makineyi geliştirdi. Bu çevrimin bugünkü karşılığını absorpsiyonlu ısı pompası yazımızda anlattık.

1870'lerde Münih'te Carl von Linde, amonyakla çalışan verimli buhar sıkıştırmalı makineler geliştirdi. İlk büyük müşterileri bira fabrikalarıydı: soğukta mayalanan lager birası, yaz kış düşük ve sabit bir sıcaklık istiyordu. Soğuk artık kışa bağlı değildi. Doğal buz ticareti 20. yüzyılın başından itibaren yerini fabrikada üretilen buza ve soğutma makinelerine bıraktı.

1902: Carrier ve nemin kontrolü

Bugün chiller dediğimiz cihaza giden yol, bir matbaanın sorunuyla açıldı. Brooklyn'deki Sackett-Wilhelms matbaasında yaz nemi kâğıdı genleştiriyor, renkler üst üste doğru basılmıyordu. Genç mühendis Willis Carrier 1902'de havayı soğuk su dolaşan serpantinlerden geçirerek hem sıcaklığını hem nemini denetleyen bir sistem tasarladı. Bu sistem ilk modern iklimlendirme tesisatı kabul edilir; ilk kullanıcısının bir fabrika olması da tesadüf değildir.

Büyük binalar için asıl adım yirmi yıl sonra geldi. Carrier 1922'de santrifüj soğutma makinesini tanıttı: önceki amonyaklı makinelere göre daha güvenli bir akışkanla çalışıyor ve büyük miktarda suyu tek bir merkezde soğutabiliyordu. Soğutulan su borularla salonlardaki serpantinlere gönderiliyordu. 1920'lerde sinema ve tiyatro salonları bu sistemlerin ilk büyük kullanıcıları arasındaydı. Suyu merkezi bir makinede soğutup binaya dağıtmak, bugünkü chiller'ın da temel işidir.

Akışkanlar: amonyaktan düşük GWP'ye

İlk soğutma makinelerinde amonyak, kükürt dioksit ve metil klorür gibi akışkanlar kullanılıyordu. Bunlar ya zehirli ya yanıcıydı ve kaçaklar ciddi kazalara yol açabiliyordu. 1920'lerin sonunda Thomas Midgley ve ekibi, zehirli olmayan ve yanmayan kloroflorokarbonları (CFC, ticari adıyla Freon) geliştirdi. CFC'ler 1930'lardan itibaren soğutmanın ve iklimlendirmenin geniş kitlelere yayılmasını sağladı.

1970'lerde CFC'lerin ozon tabakasına zarar verdiği anlaşıldı; 1987'de imzalanan Montreal Protokolü bu akışkanların aşamalı olarak bırakılmasını başlattı. Önce R22 gibi HCFC'ler, ardından ozona zarar vermeyen R134a ve R410A gibi HFC'ler geldi. HFC'lerin küresel ısınma potansiyeli ise yüksekti; 2016'daki Kigali Değişikliği bu kez onların azaltılmasını takvime bağladı. Bugün chiller'larda R134a'ya göre daha düşük GWP'li R513A ve çok düşük GWP'li R1234ze, ısı pompalarında ise R290 gibi doğal akışkanlar öne çıkıyor. Akışkanların iklim etkisini ısı pompalarının çevresel etkileri yazımızda karşılaştırdık.

Binalardan fabrikalara

Soğuk su kısa sürede binaların dışına da çıktı. 1930'larda Hoover Barajı'nın inşaatında, kütle betonunun sıcaklığı bloklara gömülen borulardan geçirilen suyla kontrol edildi; boru soğutması bugün de büyük dökümlerde kullanılıyor. 20. yüzyılın ikinci yarısında plastik enjeksiyon ve ekstrüzyon yaygınlaştıkça kalıpları sabit sıcaklıkta tutan soğuk su üretimin bir parçası oldu. Gıda, ilaç ve kimya tesisleri ürün kalitesini su sıcaklığına bağladı; sonraki on yıllarda sunucu odaları ve veri merkezleri listeye eklendi.

Bu uygulamalardan ikisini ayrıca ele aldık: enjeksiyon makinesi soğutma ve beton soğutma.

Bugünün chiller'ı

Bugünkü gruplar Carrier'ın makinesiyle aynı fikri taşır ama başka bir teknolojinin ürünüdür. Pistonlu kompresörlerin yerini çoğu uygulamada scroll, vidalı ve santrifüj kompresörler aldı; aralarındaki farkı kardeş şirketimizin kompresörler üzerine yazısı anlatıyor. Değişimin asıl yönü ise kontrol oldu:

• İnverter ve frekans kontrollü sürücüler kapasiteyi yüke göre kademesiz ayarlıyor; kısmi yükteki verim, tam yükteki kadar önemli hâle geldi.
• Mikroişlemcili kontrol, proses uygulamalarında su sıcaklığını ±0,5 °C bandında tutabiliyor.
• Gruplar Modbus, BACnet ya da SCADA üzerinden bina ve tesis otomasyonuna bağlanıyor, uzaktan izleniyor.
• Free-cooling bataryaları kışın kompresörü durdurup suyu dış havayla soğutuyor.
• Isı geri kazanımı, kondenserden atılan ısıyı sıcak kullanım suyuna çeviriyor.
• Küçük gruplar pompası ve tankı gövdesinde, gazı fabrikada şarj edilip test edilmiş olarak geliyor; elektrik ve su bağlandığı gün çalışabiliyor.

Aynı çevrimin ısıtma tarafındaki hikâyesi ayrı bir yol izledi; onu ısı pompasının tarihi yazımızda anlattık.

Bugünkü seçenekler

Tek bir makineyi besleyen 5–60 kW'lık mini chiller'dan, otel ve hastaneler için 50–500 kW'lık ticari gruplara ve üretim hatları için 300–2.000 kW'lık endüstriyel chiller gruplarına kadar bugünkü ölçekleri chiller grupları sayfamızda bulabilirsiniz. Projeniz için doğru grubu belirlemenin adımlarını chiller seçimi yazımızda topladık; ihtiyacınızı teklif formumuzdan iletebilirsiniz.