NH3 Kullanan Soğutma Santrallerinde Evaporatif Kondenserlere Alternatif Olarak Hava Soğutmalı Kondenser Kullanımı
Soğutucu akışkan olarak amonyak kullanan soğutma santrallerinin tasarımcıları genellikle hava soğutmalı kondenserlerin varlığını göz ardı ettikleri için, bu santralleri evaporatif kondenserler ile tasarlarlar. Bunun sebebi tasarımcıların kompresör enerji tüketimi ve işletim maliyetleri gibi konuları öncelikli olarak düşünmelerinden kaynaklanmaktadır. Fakat son yıllarda tasarımcıların düşünce tarzı değişmeye başlamış ve NH3 kullanan soğutma santrallerinde hava soğutmalı kondenser kullanımı artmıştır.
Hava soğutmalı kondenserler daha az bakım gerektirirler. Soğutma için suya veya su arıtması için kimyasallara gereksinim duymazlar. Bu makalede aşağıdaki sorulara cevaplar aradık:
· Son teknoloji hava soğutmalı kondenserler, evaporatif kondenserlerden daha iyi bir seçenek midir?
· Artan su, atık su ve enerji maliyetlerinin değişik sistemlerin işletim maliyetleri üzerinde ne gibi etkileri vardır?
· Santralin kurulmuş olduğu bölgenin (yıl boyu ortam sıcaklığı dağılımı) işletim maliyetleri üzerinde ne gibi etkileri vardır?
Bu ilişkileri analiz ederek elde ettiğimiz sonuçlar ile ilgili size genel bir bakış sunacağız. Sonuçta hava soğutmalı kondenserler, evaporatif kondenserlerin oldukça ekonomik bir alternatifidir.
1. GİRİŞ
Geçtiğimiz 20 yıl boyunca amonyaklı soğutma santral tasarımları artan elektrik, su ve su arıtma maliyetleri ile değişti. Bazı bölgelerde su az bulunmaya veya su kullanımı sınırlandırılmaya başladı. Peki, bu değişikliklerden sonra , “Soğutma çevriminde ne değişti?”
Kompresörler
Geçmişte olduğundan farklı olarak,günümüzde amonyaklı soğutma santrallerinde vidalı kompresörler yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Vidalı kompresörlerde bulunan yağ sirkülasyon sistemi sayesinde; yayılan ısı ve sıcak gaz, pistonlu kompresörlerden yayılan ısı ve sıcak gazdan çok daha az miktardadır. Bu sebepten amonyak kullanan soğutma santrallerinde vidalı kompresörler en fazla 50 – 55 °C’lik yoğuşma sıcaklıklarında kadar kullanılabilirler.
Kontrol
Bir santralin işletimini modern kontrol teknolojileri optimize eder. Amonyaklı soğutma santrallerinde yoğuşma sıcaklığının 20 – 25 °C seviyelerine indirilmesi, çok miktarda enerji tasarrufu sağlayabilir. Bu işletim modunda, yüksek yoğuşma sıcaklıklarına yılın sadece birkaç ayında gereksinim duyulur. Bu sebepten, hava soğutmalı kondenserlerin maliyet etkinliği için yeni bakış açıları doğmuştur.
Kondenserler
Modern kontrol teknolojileri, amonyaklı soğutma santralleri için hava soğutmalı kondenser kullanımının önünü açmaktadır. Evaporatif kondenserlerde, yoğuşma sıcaklığı yaş termometre sıcaklığıyla doğru orantılı olarak düşerken, hava soğutmalı kondenserlerde yoğuşma sıcaklığı ortam sıcaklığı ile doğru orantılı olarak düşer. Bu, yoğuşma sıcaklığının, hava soğutmalı kondenserlerde, evaporatif kondenserlere göre daha hızlı olarak düştüğü anlamına gelmektedir. 20 °C’nin altındaki ortam sıcaklıklarında, hava soğutmalı kondenser kullanan soğutma santralleri, evaporatif kondenser kullanan soğutma santrallerinden çok daha düşük yoğuşma sıcaklığına ulaşarak, santralin enerji tüketimini azaltılmasını mümkün hale getirirler.
İşletim Maliyetleri
Enerji, su, su arıtma ve atık su maliyetleri artmaktadır ve artmaya devam edecektir. Santralin lokasyonuna bağlı olarak, evaporatif kondenserlerin işletim maliyetleri genellikle hava soğutmalı kondenserlerin işletim maliyetlerine göre daha fazladır. Bu, genellikle su ve atıksu maliyetlerinin yüksek olduğu bölgelerde daha fazla önem arz etmektedir.
Çevreye Duyarlılık
Su arıtmada kullanılan kimyasallar, çevreyi kirletirler ve atık su arıtma sistemlerine işlem görmemiş su ile beraber atılamazlar. Dünyanın birçok bölgesinde, içme suyu değerli ve az miktarda bulunmaktadır.
2. Farklı amonyaklı kondenser çeşitleri
Genellikle üç tip amonyaklı tip kondenser vardır.
2.1 Evaporatif kondenserler
Birçok endüstriyel amonyaklı soğutma santralinde evaporatif kondenser kullanılır. Soğutucu akışkan buharı, ısıl eşanjörün kapalı boru sistemi içerisinde akar. Isıl eşanjörün dış yüzeyi sürekli olarak su spreylenir. Hava, emiş yoluyla veya fanlar ile hareketlendirilerek ısıl eşanjör içerisinden geçirilir. Dolayısıyla, boru sistemi soğutulur ve dolaşımdaki su kısmi olarak buharlaşır. Suyun buharlaşması sırasında, soğutucu akışkan buharından ısı çekilerek soğutucu akışkanın yoğuşmasına sebep olur. Yoğuşma etkisi sebebiyle, hava soğutmalı bir kondenserin yüksek dış ortam sıcaklıklarında erişebildiği yoğuşma sıcaklığından yaklaşık olarak 10 K daha düşük yoğuşma sıcaklıklarına erişilebilir.
Kondenserin soğutma suyu ile sürekli beslenme gereksinimi, su, atık su, kimyasallar, kurulu ekipman ve kalifiye personel tarafından soğutma santralinin görüntülenmesi gibi ek maliyetler ortaya çıkarabilir.
Evaporatif kondenserler için gerekli işletim kaynakları:
· Hava ve elektrik
· Kullanım suyu ve kimyasallar
2.2 Hibrit kondenserler
Hibrit bir kondenser, evaporatif bir kondenser ile hava soğutmalı bir kondenserin kombinasyonudur. Soğutucu akışkan buharı, kanatlı bir ısıl eşanjör veya kanatlı ve kanatsız ısıl eşanjör kombinasyonu içerisinden akar. Kanatlar ile genişleyen ısı transfer yüzeyi sayesinde, su sprey sistemi kullanmadan, belirli bir dış ortam sıcaklığına kadar (örneğin 15 °C) çalışabilir. Isıl eşanjörler, sadece yüksek dış ortam sıcaklıklarında, düşük yoğuşma sıcaklığına ulaşabilmesi için, evaporatif etki yaratması açısından nemlendirilirler. Sistematik nemlendirme ve fan hızı kontrolü uygulamaları aracılığıyla, kanat yüzeyleri kısmi olarak nemlendirilir. Bu sayede, önceden belirlenmiş olan yoğuşma sıcaklığını sağlamak için buharlaşması gereken su miktarı kadar suyun buharlaşması mümkün kılınmıştır.
Klasik hibrit soğutucunun üç işletim şekli vardır:
· İşletim şekli 1, düşük dış ortam sıcaklığı – ısıl eşanjörün sadece kuru hava ile soğutulması (sistem hava soğutmalı kondenser gibi çalışır)
· İşletim şekli 2, orta seviye dış ortam sıcaklığı – ısıl eşanjör kısmi olarak su ile nemlendirilir (sistem kısmi olarak hava soğutmalı kondenser, kısmi olarak evaporatif kondenser olarak çalışır)
· İşletim şekli 3, yüksek dış ortam sıcaklığı – ısıl eşanjör yüzeyi tamamı ile nemlendirilir (sistem evaporatif kondenser olarak çalışır)
Hibrit kondenserler, evaporatif kondenserlerin tükettiği suyun sadece bir kısım kadarını tüketirler. Yüksek kurulum maliyetlerine karşın, hibrit kondenserler artan su ve atıksu maliyetleri sebebiyle çok daha fazla maliyet verimlidirler. İşletim şekli 3’te, evaporatif kondenser ile erişilebilecek kadar düşük yoğuşma sıcaklıklarına erişilir. Hibrit kondenserde su arıtma işlemini yapan ekipmanlar, evaporatif kondenserdekiler ile aynıdır. Suyu donmadan korumak için ısıtmaya ya da ek su tankına ihtiyaç yoktur. 5 °C – 10 °C’nin altındaki dış ortam sıcaklıklarındaki hibrit kondenserlerin tasarımı için nemlendirme suyuna ihtiyaç yoktur. Hibrit kondenserler için gerekli işletim kaynakları şunlardır
· Hava ve elektrik
· Su ve kimyasallar
2.3 Hava soğutmalı kondenserler
Doğal olmayan soğutucu akışkanlar ile çalışan birçok soğutma santrali hava soğutmalı santrallere sahiptirler. Son yıllarda, özellikle su ve atık su maliyetlerinin yüksek olduğu bölgelerde, amonyak kullanan santrallerde de hava soğutmalı kondenser kullanımı artmıştır. Hava soğutmalı kondenserlerde soğutucu akışkan buharı kanatlı ısıl eşanjörün boru sisteminin içerisinde akar. Fanlar havayı ısıl eşanjörün kanatları arasından geçirerek soğutucu akışkan buharı soğutularak yoğuşturulur. Yoğuşma ile ortaya çıkan ısı sadece kanatlar üzerinden akan hava ile taşınır. Ekonomik bir tasarımda, yoğuşma sıcaklığı, dış ortam sıcaklığından 10 – 12 K daha yüksektir.
Hava soğutmalı kondenserler için gerekli işletim kaynakları:
· Hava ve elektrik
Hava soğutmalı kondenserler tüm konstrüksyon tipleri için en basit sistemdir ve sadece birkaç parçadan oluşmaktadır. Elektrik maliyetleri harici başka hiçbir ek maliyeti yoktur.
İşletim maliyetlerinin karşılaştırılması
Pratikte genellikle karşılaşılan bir uygulama, işletim maliyetlerinin karşılaştırılması için incelenmiştir.
· Buharlaşma sıcaklığı: -10 °C
· Yoğuşma sıcaklığı: 47 °C hava soğutmalı kondenser
· Yoğuşma sıcaklığı: 35 °C evaporatif kondenser
· Tasarım dış sıcaklığı: 35 °C
Bu parametreler tek aşamalı bir amonyak kullanan soğutma santraline uygulanmıştır. Öngörülmüş maksimum dış hava sıcaklık değeri 35 °C’ye ayarlanmıştır. Borulama sistemindeki basınç kayıpları ve kondenserin kirlenme katsayısı da göz önüne alındığında, maksimum yoğuşma sıcaklığı sırasıyla 37 °C ve 49 °C olarak meydana gelir. Santralin güç yük profilinin aşağıdaki gibi gerçekleşeceği öngörülür:
· Dış hava sıcaklğı 20 – 35 °C aralığında iken gücün % 80’i
· Dış hava sıcaklğı 11 – 19 °C aralığında iken gücün % 70’i
· Dış hava sıcaklğı 11 °C’nin altında iken gücün % 60’ı
Bu iki sistemin karşılaştırılması için, farklı kondenser sistemlerinin, ilk olarak kompresör enerji tüketimlerini, ikinci olarak enerji tüketimi ile birlikte su tüketimini inceledik.
3.1 Kompresörlerin enerji tüketimlerinin karşılaştırılması
Bir soğutma santralinde en çok enerji tüketimi kompresörde gerçekleşir. Kompresördeki enerji tüketim miktarı birincil olarak yoğuşma sıcaklığı tarafından belirlenir. İki sistemin de bir yıldaki enerji ve su tüketiminin hesaplanması için; dış hava sıcaklığı, yaş termometre sıcaklığı ve yoğuşma sıcaklığı yıllık profillerinin tamamının göz önünde bulundurulması gereklidir. Yüksek dış ortam sıcaklıklarında, evaporatif kondenserler, hava soğutmalı kondenserlere göre daha düşük yoğuşma sıcaklıklarına erişebilirler. Evaporatif kondenserlerin yoğuşma sıcaklıkları, yaş termometre sıcaklığı ile doğru orantılı olarak düşer. Hava soğutmalı kondenserlerde ise yoğuşma sıcaklığı dış hava sıcaklığı ile doğru orantılı olarak düşer. Bu yüzden, düşen ortam sıcaklıklarında, hava soğutmalı kondenserin yoğuşma sıcaklığı, evaporatif kondenserin yoğuşma sıcaklığından daha hızlı düşecektir. Sonuç olarak, 18 – 21 °C’den daha düşük dış ortam sıcaklıklarında, evaporatif kondenserin eriştiği yoğuşma sıcaklıklarından daha düşük yoğuşma sıcaklıklarına erişilebilir. Şekil 5, iki sistemin dış ortam sıcaklığı ile ilerleyişini göstermektedir.
Şekil 6, Almanya Essen’deki bir kurulumun sıcaklık frekansının bir yılın saatleri boyunca ilerleyişini göstermektedir. Enerji maliyetlerinin değerlendirilebilmesi için, santralin % 80’lik performansta, yoğuşma sıcaklığı ile ilerleyişi gösterilmiştir. Minimum yoğuşma sıcaklığı 25 °C olduğu öngörülmüştür.
Yılın 868 saati boyunca, kompresörlerin çektikleri sürücü güçleri hava soğutmalı kondenserlerle kombine edildiğinde, yoğuşmalı kondenserlere kombine edildiğinden daha yüksektir.
Yılın 2557 saati boyunca, kompresörlerin çektikleri sürücü güçleri hava soğutmalı kondenserlerle kombine edildiğinde, yoğuşmalı kondenserlere kombine edildiğinden daha düşüktür.
Yılın 5335 saati boyunca, kompresörlerin çektikleri sürücü gücü, iki kurulum için de aynıdır çünkü minimum yoğuşma sıcaklığı olan 25 °C’ye erişilmiştir.
3.2 Kondenserlerin işletim maliyetlerinin karşılaştırılması
Evaporatif bir kondenserin yıllık işletim maliyetleri aşağıda gösterildiği gibi hesaplanmıştır. Minimum yoğuşma sıcaklığı olan 25 °C’ye erişildiğinde, iki sistemde de fan hızları bir frekans konverteri ile azaltılmaktadır.
Şekil 7, iki sistem tipinin, enerji ve su tüketimlerinin yıl boyunca dış ortam sıcaklığına bağlı olarak değişimini göstermektedir. Şeklin üst kısmında, hava soğutmalı kondenserlerin enerji tüketimi gösterilmektedir. Altta ise evaporatif kondenserlerin enerji ve su tüketimi gösterilmektedir. 17 °C’lik dış ortam sıcaklığında, hava soğutmalı kondenser 25 °C’lik minimum yoğuşma sıcaklığına ulaşmış ve fan hızları düşmüştür. 11 °C’lik dış ortam sıcaklığında, evaporatif kondenser minimum yoğuşma sıcaklığına ulaşmış ve fan hızları düşmüştür. –10 °C’de pompalar kapanır ve evaporatif kondenserin fanları tam hızda çalışır. Frekans konverterlerinin kullanımı ile fanların enerji tüketimi optimize edilir. Bu, özellikle hava soğutmalı kondenserler kullanıldığında büyük avantaj sağlar. Bu hesaplama sonucu ortaya çıkan öngörülen maliyetler:
· Elektrik maliyeti: 0,095€/kWh
· Su tüketim maliyeti: 1,50€/m3
· Atık su maliyeti: 2,10€/m3
· Kullanılan kimyasalların maliyeti: 1,00€/m3 buharlaşan su
Artık tam bir kurulum ve işletim maliyeti karşılaştırılmasını yapabiliriz. İşletim maliyetlerinin bu karşılaştırması (Şekil 8) aşağıdaki sonuçları doğurur:
Yıl boyunca, kompresörlerin enerji tüketimi iki sistem için de aynıdır. Evaporatif kondenserlerin işletim maliyetleri fazlası ile su ve atık su maliyetlerine bağlıdır. Su ve atık su maliyetlerinin yüksek olduğu ülkelerde, hava soğutmalı kondenserlerin işletim maliyetleri, evaporatif kondenserlere göre daha düşüktür.
5. Toplam maliyetlerin karşılaştırılması
Bir yıllık çalışma sonucu ortaya çıkan toplam işletim maliyetlerinin Almanya Essen’in dış ortam sıcaklık profiline göre hesapladık. Artık toplam maliyetlerin karşılaştırmasını yapabiliriz (Şekil 9).
6. SONUÇ
Avrupa, Amerika ve Asya’nın bazı kısımlarındaki amonyak kullanan soğutma santrallerinde, hava soğutmalı kondenserler evaporatif kondenserlerin ilgi çekici bir alternatifidir. Su ve atık su maliyetleri arttığı için, hava soğutmalı kondenserler düşük işletim maliyetleri sayesinde ekonomik avantajlar sunarlar. Yaygın fikre karşıt olarak, yeterli bir işletim modunda kompresörler ek enerji maliyetleri gerektirmezler. Basit bir sistem oluşu ve düşük bakım maliyetleri de hava soğutmalı kondenserlerin diğer avantajlarıdır. Enerji gibi suyun da limitli olduğunu aklımızdan çıkarmamalıyız. Amonyak kullanılan soğutma santrallerinde hangi tip kondenserin kullanılacağı, her bir uygulama için bireysel olarak göz önünde bulundurulmalıdır ve bu kararın birçok faktöre dayandığı bilinmelidir.
