Doğru Evaporatif Soğutma Seçeneğinin Bulunması

Evaporatif soğutma söz konusu olduğunda, genel uygulamalarını ve yüksek seviye mühendislik öngörülerini anlayın

Yazan: Ben Olejniczak
Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Evaporatif soğutma teknolojisi oldukça çok yönlü ve etkin bir hava koşullandırma çözümü olmakla birlikte tasarımcının göz önünde bulundurmasını gerekil kılan zorluklar da barındırır. Veri merkezlerinde büyük hacimlerdeki havanın soğutulmasından ticari seraların mahal sıcaklığını ve nemini korumaya kadar evaporatif soğutma teknolojisi birçok endüstriye uygulanabilir. İdeal iklimde ve doğru tasarım şartları ile uygulandığında, maliyet etkin, enerji verimli ve çevreye duyarlıdır. 
Bu faydalar beraberinde birçok dikkate alınması gereken hususu getirir. Her sorunsuz çalışan makinada olduğu gibi, herhangi bir komponent gözden kaçırılırsa, tüm sistem alt-üst olur. Evaporatif soğutma sistemleri doğaları gereği bazı farklılıklar barındırmaktadır ve tasarımcı bu dikkate alınması gereken hususları tasarımın önüne koymak için hazırlıklı olmalıdır. Aksi takdirde binayı sahibine teslim ettikten sonra potansiyel sorunlarla karşılaşacaktır.
Aşağıda özetlediğimiz dikkate alınması gereken hususların akılda tutulmasının yanı sıra, piyasadaki seçeneklerin de farkında olunmasıyla, evaporatif soğutma teknolojisi uygulandığında heyecan verici ve elverişli bir teknoloji haline gelebilir. 

Evaporatif soğutmanın termodinamik prensipleri

Evaporatif soğutma, buharlaşmanın adyabatik prosesine dayanır. Hava nemli bir yüzeyden geçtiğinde soğumaya başlar. Bu soğutma etkisi, nemli yüzeydeki suyun üzerinden geçen hava ile birlikte buharlaşmasının sonucudur. Süreç tam adyabatik olduğundan net sıfır enerji alışverişine sebep olur. Akan havadan alınan duyulur ısı, nemli yüzeyden suyun buharlaşmasına sebebiyet veren enerjiye eşittir. Bu durum besleme hava akımının kuru termometre sıcaklığında düşüşe neden olur. 
Nemli yüzeydeki sıvı, sıvıdan gaza bir faz değişimine uğradığından ve akan havanın içerisine buharlaşacağından, kütle transferi korunmalıdır. Nemli yüzeyden ayrılan nem besleme hava akımı tarafından absorbe edilir. Besleme havası içerisinde eklenen nem miktarı ile nemli yüzeyden buharlaşan su miktarı eşittir.  
Teorik kontrol hacminde ısı girişi veya çıkışı olmadığından süreç, giriş havası entalpi çizgisini, çıkış havasının kuru termometre sıcaklığına kadar izler. Şekil 1’deki psikrometrik diyagramda da gösterildiği üzere, basit bir evaporatif proseste, çıkan hava, giriş havasına nazaran daha soğuk ve daha nemlidir. Süreç sabit entalpi çizgisi izlediği için, giren havanın ve çıkan havanın yaş termometre sıcaklıkları neredeyse sabittir. 
Tüm termodinamik süreçlerde olduğu gibi, evaporatif soğutma da limitlidir. Bu limiti sürecin psikrometrik farkı belirler. Psikrometrik fark giren havanın kuru termometre sıcaklığı ile yaş termometre sıcaklığı arasındaki fark olarak tanımlanır. Psikrometrik fark ne kadar fazla ise, soğutma potansiyeli o kadar artar. 

Şekil 1. Doğrudan evaporatif prosesi, psikrometrik diyagramda rastgele durum noktaları ile gösteren diyagram.

Evaporatif soğutma tipleri: Doğrudan ve Dolaylı
Kısaca, evaporatif soğutmanın iki ana tipi vardır: doğrudan ve dolaylı. Doğrudan evaporatif soğutma önceki paragraflarda bahsedilen evaporatif prosestir. Hava ile nemli yüzey doğrudan birbirlerine temas ederek, kuru termometre sıcaklığında düşüşe neden olurken nem içeriğinde artışa sebep olur (Şekil 1)
Dolaylı evaporatif soğutma ise tam olarak kulağa geldiği gibidir : bir dolaylı enerji geçişi. Bu durumda iki akışkan birbiri ile etkileşime girer : birincil hava akımı ile ikincil hava akımı. Bir dolaylı düzende anahtar nokta bir ısı eşanjörünün dahil edilmesidir. 
Birincil hava ısı eşanjörü boyunca geçiş yaparken, ikincil hava akımı da ters yönde geçer. Prosesin soğutma etkisini maksimize etmek için, ısı eşanjörünün ikincil havanın geçiş yaptığı taraf bir sprey ile ıslatılarak doğrudan evaporatif prosesin meydana gelmesi sağlanır. İkincil hava akımı adyabatik olarak soğutulduğundan, ısı eşanjörü boyunca bir duyulur ısı transferi meydana gelerek, birincil hava akımının kuru termometre sıcaklığı düşecektir. Bu süreç hissedilebilirdir çünkü iki hava akımı birbirinden tamamen izole halde olduğundan, ikinci hava akımından buharlaşan nem birincil hava akımının nem miktarını etkilemez (Şekil 2).
Doğrudan evaporatif soğutma prosesinde olduğu gibi, dolaylı evaporatif soğutma da psikrometrik fark ile sınırlıdır. Diğer taraftan, dolaylı evaporatif soğutmada psikrometrik farkın tanımı birincil havanın kuru termometre sıcaklığı ile ikincil havanın yaş termometre sıcaklığı arasındaki farktır. Bu fark arttıkça soğutma potansiyeli de artar. Doğrudan ve dolaylı soğutma teknolojilerini birleştiren uygulamalar da vardır. Fakat, bu makalenin amacı gereği, doğrudan ve dolaylı evaporatif uygulamalar ayrı ayrı değerlendirileceklerdir. 

Şekil 2. Dolaylı evaporatif prosesi, psikrometrik diyagramda rastgele durum noktaları ile gösteren diyagram.

Doğrudan Evaporatif soğutma uygulamaları

Doğrudan evaporatif soğutma, yaygın olarak havanın sprey ile nemlendirilmiş katı bir ortam bloğundan geçirilmesi ile yapılır. Bu ortam blokları, suyu absorbe eden ve hızlıca kuruyan malzemelerden yapılırlar. Evaporatif ortam blokları genellikle çelik veya sac çerçeve ile kaplanmıştır. Sprey nozulları için su taşıyan borulardan ve hava akımına buharlaşmayan suyu toplamak için drenaj haznesinden meydana gelirler. Şekil 3 büyük ölçekli bir veri merkezinde uygulanan bir evaporatif ortam modülünü göstermektedir.  
 

Yaygın doğrudan evaporatif soğutma uygulamaları

Veri Merkezleri: Veri merkezleri evaporatif soğutma teknolojilerinin başlıca taliplileridir. ASHRAE Technical Comittee 9.9’un (ASHRAE Teknik Komite 9.9) 2021 Thermal Guidelines for Data Processing Environments’a (Veri İşleme Merkezi Ortamları için Isıl Direktifler 2021) göre tavsiye edilen ve tasarımcının sadık kalması gereken birçok çalışma zarfı ve sayısız kabul kriteri vardır. Bunlardan en genişi olan Class A4 (A4 Sınıfı), 41°F’tan 113°F’a kadar uzanan kuru termometre sıcaklığı tavsiyeleri ile %8 bağıl nemde 10,4°F çiğ noktasından %90 bağıl nemde 75.2°F’a uzanan nem tavsiyeleri bulunmaktadır. 
Sunucu teknolojileri geliştikçe ve yüksek sıcaklıklara ve yüksek nem oranlarına daha toleranslı oldukça, doğrudan evaporatif sistemler çok uygun çözümler haline gelmektedir. Suyu yaz mevsiminde soğutmada kış mevsiminde de nemlendirmede tutumlu bir şekilde kullanan (düşük su tüketimi verimliliği, yani WUE) yüksek verimli bir mekanik sistem (düşük enerji tüketimi verimliliği, yani PUE) elde etmek amacıyla dikkatlice tasarlandığında tasarruf edilen saatlerin miktarı artar. 

Endüstriyel Tesisler: Endüstriyel tesisler evaporatif soğutma için çok uygundur. Bu tesislerdeki yaşam alanı hacminin azlığı sebebiyle, soğutma için havalandırma havası kullanılması genellikle yaygın bir stratejidir çünkü direkt genleşme ekipmanları ile mekanik soğutmanın enerji gereklilikleri çok fazla olacaktır. Havalandırma stratejisine doğrudan evaporatif soğutmanın dahil edilmesi, besleme havasının kuru termometre sıcaklığını düşürüp bağıl nemi arttıracaktır. 
Seralar: Direk evaporatif soğutma seraların tasarım uygulamaları için fazlası ile uygundur çünkü mahsüller genellikle sıcaklık ve nem içeriği yönünden iyi ayarlanmış mahallere ihtiyaç duyarlar. Evaporatif soğutma; soğutmayı ve nemlendirmeyi beraber yapabildiğinden mahsüller kendi uygun ortamlarında büyüyebilirler. 

Şekil 3. Büyük ölçekli bir veri merkezinde kullanılan bir evaporatif ortam modülünün fotoğrafı

Dolaylı Evaporatif Uygulamalar
Dolaylı evaporatif teknolojiler özellikle birincil hava akımının ikincil hava akımından izole olmasının ve duyulur olarak soğutma yapılmanın gerekli olduğu prosesler için çok faydalıdır. Serpantinler, ısıtma boruları veya ısı eşanjörleri birincil ve ikincil hava akımları arasındaki transferi sağlamada ve iki akımı birbirlerinden izole etmekte kullanılırlar.
Dolaylı evaporatif soğutma teknolojilerinde en yaygın olarak kullanılan ekipman paket klima santralleridir. Prosesin dolaylı doğasını garanti altına alan birçok konfigürasyon seçilebilir. Bunlardan en yaygın olanı havadan havaya ısı ejanjörü olan “ayrıştırıcı” dır (decoupler). Bu ısı ejanjörleri ıslandıklarında korozyona dayanıklı olmaları için genellikle polimer bazlı malzemeden üretilirler. Daha önce de değinildiği gibi, ısı eşanjöründeki kayıpların en aza indirilmesi amacıyla, eşanjörde kirlenme ve aşınmaya neden olmadığının garanti altına alınabilmesi için su kalitesi dikkatlice analiz edilmelidir. 

Tasarımda Dikkat Edilmesi Gerenek Hususlar

Yüz Hızı, doğrudan ve dolaylı: Su taşıma problemlerini azaltmak ya da daha önemlisi en aza indirmek için, tasarımda ortam yüz hızının göz önünde bulundurulması büyük bir öneme sahiptir. Eğer bu göz önünde bulundurulmaz ise, evaporatif ortam bloğundan aşağıya süzülen su hava akımına karışabilir. Hava akımına karışan su damlaları kanal sisteminin içine veya mekanik oda zeminine taşınabilirler. 
Bu durum bina operasyon takımları için güvenlik ve bakım açısından bir meseledir ve mekanik tasarımın bütünlüğü için tehlike arz eder. Doğrudan evaporatif soğutma uygulamalarında su taşınmasını en aza indirmek için hedef yüz hava hızları 400 ile 600 ft/dk arasındadır. 
Yüz hava hızı ayrıca, ortam bloğunun verimliliğini etki eden değişkenlerden biridir. Ortam bloğunun doygunluk etkinliği giren hava ile çıkan hava kuru termometre sıcaklık farkının proses psikrometrik farkına oranıdır. Bu metrik, ortamın soğutma etkisini ortam bloğu doygunluğu ile maksimize etme yeteneğini göstermektedir. Hava ortam bloğundan çok hızlı geçtiğinde, suyun buharlaşması optimize seviyede gerçekleşemez. Ortam bloğu yüz hızı arttıkça, ortam bloğu verimliliği ve neticede toplam soğutma potansiyeli düşer. 

Şekil 4. Proses suyu sisteminde bulunmuş ve birikmiş olan biyolojik oluşumun fotoğrafı. 

Evaporatif blok kalınlığı, doğrudan ve dolaylı: Lifli ortam blokları gerekli olan soğutma miktarına bağlı olarak kalınlık açısından çeşitlilik gösterirler. 12 inç olanları oldukça yaygındır ve birçok farklı giriş havası şartında ve ısıl profilde iyi performans gösterirler. Blok kaynaklı basınç düşümü genellikle 0,14 ile 0,3 inç su sütunu arasında değişmektedir ve kalınlık arttıkça bu değer artmaktadır. Blok kalınlığı değiştikçe ortam verimliliği de değişir. Ortam yüzü hava hızı ve yüz alanı sabit iken, daha kalın bir ortam bloğu kullanılması daha yüksek ortam verimliliği anlamına gelir. 
Buna karşın, kalın bir ortam bloğu daha uzun zaman diliminde kurur. Aşağıda sıralanan iki nedenden bu durum problem yaratır:
•    Evaporatif ortam blokları, hizmet sürelerini koruyabilmeleri için periyodik olarak kurutulmalıdır. 
•    Belirsiz bir süre boyunca nemli kalan evaporatif ortam blokları, su arıtma prosesi dikkatli bir şekilde gözden geçirilmediği durumlarda biyolojik oluşumlara neden olabilir. 
Dış Ortam havası konusunda dikkat edilmesi gereken hususlar, doğrudan: Doğrudan evaporatif soğutma sistemlerinin faydalarından bir tanesi de yılın büyük bir bölümünde tam tasarruf sağlayabilmeleridir. Tam tasarruf %100 dış ortam havasının kullanımı anlamına gelmektedir. Yüksek miktarlarda dış ortam havasının bina içerisine alındığı durumlarda dış ortam hava kalitesi göz önünde bulundurulmalıdır. Havada asılı partiküller (polen, kir, toz ve kül), ciddi hava kirliliği ve büyük yangınlar bu tip çalışma şeklinde zarar verici etmenlerdir. 
Bu durumlarla mücadele etmek için, filtrasyon dikkatlice göz önünde bulundurulmalı ve bu şartlar altında dış ortam hava kalitesinin iç ortam hava kalitesini, bina içinde iskan halindekilerin güvenliğini veya ekipman bütünlüğünü negatif yönde etki etmeye başlamayacağının garanti altına alınması için kontrol sıralamaları gözden geçirilmelidir. 

Şekil 5. Birleşik Devletler’in Güneybatı’sında bulunan bir çatı üzerinde görülen doğrudan evaporatif soğutma klima santralleri ve su besleme boruları.

Su Kalitesi Gereklilikleri
Evaporatif ortama veya nemli yüzeye gönderilen akışkanın büyük bir kısmı genellikle drenaj haznesine geriye döner ve buharlaşmaz. Bu yüzden, drenaj haznesine bir sirkülasyon pompası dahil edilerek buharlaşmayan su evaporatif ortama veya ısı transfer yüzeyine geri gönderilir. Bu tip bir uygulama, su tüketimi bakış açısından oldukça verimli ve çevreye duyarlı bir düzenlemedir.  
Sirküle edilen su buharlaşmaya devam ettikçe, sirküle edilen su hacmi içerisinde partikül ve mineral konsantrasyonları artar. Zaman içerisinde, bu partikül ve mineraller çökmeye başlarlar ve evaporatif yüzey üzerinde tortu oluşmaya başlar. Bu durum ortam bloğu verimliliğini düşürür ve ortam bloğu basınç düşüş miktarını artırır. 
Tortu birikimini azaltmak ve ortam bloğunun veya ısı eşanjörünün verimliliğini maksimize etmek için su kalitesinin yeteri kadarıyla kontol edilmesi önemlidir. Isı transfer yüzeyinin iletkenliğinin monitör edilmesi, üfleme kontrolü ve konsantrasyonun  yeterli döngüde tutulması yollarıyla tortu birikiminin azaltıldığının garanti altına alınması önem arz etmektedir. Referans olması adına, bir sistemin konsantrasyon döngü değeri resirkülasyon suyunun iletkenliğinin (mineral içeriğinin) takviye suyuna oranını temsil etmektedir. 
Buna ek olarak, tortu birikimi su yumuşatmanın, pH kontrolünün ve/veya tortu inhibitörlerinin dahil edilmesi ile (tüm bunlar evaporatif ortam üreticisinin yakın gözden geçirmesi ve tavsiyesine uygun olmak koşulu ile) azaltılabilir. Bu tip sistemlerde su kalitesini önemli yapan diğer bir sebep de biyolojik oluşum ihtimalidir. Biyolojik oluşum, evaporatif ortam bloğunda veya nemli yüzeyde sümüksü ve yulaf ezmesine benzeyen bir madde görüntüsünde veya proses suyu içerisinde viral veya bakteriyel ajan olarak ortaya çıkabilir.Biyolojik oluşum sadece ortam performansı ve sağlıklı çalışma ömrü açısından zararlı olmakla kalmaz operasyon personeli için de sağlık ve güvenlik riski oluşturur.  
Evaporatif soğutma sisteminde biyolojik oluşumu azaltmak için birçok önlem alınmalıdır. İlk olarak, proses ve takviye suyunun filtrasyonu ve/veya ultraviyole ile sterilizasyonu gereklidir. Bu işlemler yaşayan ve atıl tüm organik maddelerin proses suyu döngüsünden temzilendiğini garanti altına alır. Ayrıca, proses suyu sistemine biyosidler katılarak da organik oluşumlar azaltılabilir.  Yine de, bu uygulamalar sadece su arıtma sağlayıcını direktifleri ve yönetiminde yapılmalıdır. Bina içerisinde iskan halinde olacak tüm bireylerin sağlığının teminat altına alınması için büyük özen gösterilmelidir. 
Temel kural olarak tasarımcı, tasarımın yapılış süresinde her zaman bölgenin su kalitesi raporunu almalıdır. Su kalitesi raporu gelen su kaynağındaki parametreleri gösterecektir. Bu rapordan alınacak önemli parametreler toplam çözünmüş katı maddeler, kimyasal içerik (ör. klor), çeşitli su sertlik değerleri, iletkenlik, pH ve çeşitli tortu portansiyeli indisleridir. Bu raporu aldıktan sonra tasarımcı raporu iki parti ile paylaşması gereklidir:
•    Genel gözden geçirme ve ortam malzemesi ile uyumun kontrolü için evaporatif ortam üreticisi,
•    Su arıtma ile ilgili kimyasallar ve bileşiklerin genel gözden geçirme ve uyumluluğunun ve bu maddelerin ortam üreticisi tarafından uygunluğunun kontrolü için su arıtma sağlayıcısı.
Bu gözden geçirmeler tamamlandığında tasarımcı, evaporatif soğutma sisteminde kullanılacak su arıtma önerilerine ve önerilen konsantrasyon döngüsüne sahip olacaktır. 
Evaporatif soğutma prosesi hava koşullandırma endüstrisinde oldukça faydalıdır. Çok yönlü kullanıma uygun olmakla birlikte birçok uygulamaya uyum sağlayacak şekilde tasarlanabilir. Doğru şartlar altında, enerji verimliliği sağlarken aynı zamanda çevreye duyarlı, etkin bir soğutma stratejisidir. Genel tasarım ve su kalitesi gibi hususlar dikkate alındığında, evaporatif soğutma teknolojisi kolaylıkla yayılabilir.