Doğalgazlı Soğutma Sistemleri
Anahtar Kelime: Doğal gaz, soğutma, absorpsiyon, Nem almalı soğutma sistemleri.
ABSTRACT
Natural gas as clean and cheap heat source is used in the residential and industrial sector increasingly, although it is a new fuel for our country. The other application field of natural gas which is not widespread in the country is
cooling. In this study, natural gas cooling systems and their applications are presented in detail.
Keywords: Natural gas, cooling, absorption, desiccant cooling systems.
Fosil yakıtlar sınıfına ait olan doğal gaz, yerin binlerce metre derinliklerindeki organik maddelerin basınç ve sıcaklık altında milyonlarca yıl süren bozunumları sonucu oluşmuş büyük oranda metan, az miktarda da etan, propan, azot, bütan ve karbondioksitten oluşan renksiz, kokusuz ve havadan hafif bir gazdır. En önemli özellikleri temiz, çevreyi kirletmeyen çevre dostu ve verimli bir yakıt olmasıdır [1,2].
Doğal gaz çok eskilerden beri bilinen bir enerji kaynağıdır. Bundan 3000 yıl önce Çin'de tuz üretiminde enerji kaynağı olarak doğal gaz kullanıldığı bilinmektedir. Doğal gaz, modern anlamda ilk olarak ABD'de kullanılmıştır. Doğalgaz, İngiltere’de 1790’da kullanılmaya başlanmıştır. Sokakların ve evlerin aydınlatılmasında, içten yanmalı motorların çalıştırılmasında büyük ölçüde doğalgazdan yararlanılmıştır [1,2].
Türkiye’de doğal gazın yaygın olarak kullanımı, 1988 yılında Ankara’da EGO ile başlamış, 1992 yılında İstanbul’da İGDAŞ ve Bursa’da BOTAŞ ile devam etmiştir. Daha sonra Eskişehir’de BOTAŞ, İzmit’te İZGAZ’ın sektöre girmesi ile doğal gaz pazarı genişlemiş ve yakın bir zamanda 57 ille beraber tüm bölgelerde doğal gazın devreye girmesi için çalışmalar devam etmektedir.
Günümüzde, Türkiye’de doğal gaz, elektrik üretiminde, konutlarda ısıtma, konutlarda sıcak su üretimi ve yemek pişirmede, endüstride ve gübre üretiminde kullanılmaktadır. Doğal gazın diğer bir kullanım alanı ve Türkiye’de yaygın olmayan bir uygulama alanı ise soğutmadır. ABD, Batı Avrupa ülkeleri ve Japonya’da doğal gazlı soğutma sistemleri ticari olarak satılmakta ve kullanılmaktadır [3,4].
Doğal gazlı soğutma sistemleri temelde absorpsiyonlu, motor tahrikli ve nem almalı (desikantlı) olarak sınıflandırılmaktadır. Birincil yakıt olarak doğal gaz kullanan elektrik ve ısı üretimi yapan kojenerasyon sistemlerine soğutma sistemi de eklenerek soğutma elde edilir. Kojenerasyon teknolojisinin daha verimli bir şekilde kullanılması yönünde gelişen bu uygulama şekli trijenerasyon olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada, doğal gazın soğutmada kullanım alanları ve uygulamaları detaylı bir şekilde incelenecektir.
Absorpsiyonlu Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Absorpsiyonlu soğutma sistemleri 100 yılı aşkın bir süredir kullanılmaktadırlar. 1950’li yıllardaki teknolojik gelişmelerle birlikte, bu sistemler ticari olarak kullanılmaya başlanmıştır. 1970 yılından sonra, petrol fiyatlarındaki yükseklik ve elektrik enerjisindeki bolluk bu sistemlere olan talebi azaltmıştır [5].
Absorpsiyonlu soğutucular doğal gaz ile veya diğer yakıtlarla çalışan kazandan elde edilen buharla veya merkezi ısıtma sistemlerinden alınan sıcak su ile çalıştırılabilirler. Absorpsiyonlu sistemler sessiz ve titreşimsiz çalışmaları ve düşük emisyon oranları ile tanınırlar. Aynı şekilde soğutucu akışkan olarak kloroflorokarbon (CFC) yerine su veya amonyak kullanmaları bu sistemlere çevresel bir avantaj getirmektedir.
Enerji verimliliği alanında da altmışlı yıllarda çift etkili sistemlerin geliştirilmeleri sayesinde dikkate değer ilerlemeler kaydedilmiş, soğutma performans katsayısı (COP) eski tek etkili sistemlerdeki 0.7 değerinden 1.0 değerine yükselmiştir. Halen ABD’de bir klima üreticisi üç etkili absorpsiyonlu sistemi geliştirme çalışmalarını sürdürmektedir. Prototip üzerindeki denemelerde COP’in 1.4’e hatta daha yukarılara çıkabileceği belirtilmektedir [3]. Bütün bu ilerlemelere rağmen absorpsiyonlu cihazların kullanımı, elektrikli sistemlere oranla boyutlarının büyüklüğü ve yüksek ilk yatırım giderleri nedeniyle sınırlı kalmıştır.
Absorpsiyonlu soğutmanın çalışma prensibi, mekanik soğutma sistemlerine benzerdir. Farklı yanı mekanik sistemdeki kompresör görevini üstlenen, absorber, pompa ve jeneratörden meydana gelen "Termik Kompresör" grubunun olmasıdır (Şekil 1). Düşük sıcaklık uygulamaları için NH3-H2O (amonyak-su) ve +4 ûC üzerindeki sıcaklıklar için H2O-LiBr (lityumbromid-su) çiftini kullanan sistemler olarak iki tür mevcuttur. Akışkan çiftlerinde birincisinde NH3, ikincisinde H2O soğutucu akışkan vazifesini görmektedir.
Absorpsiyonlu soğuk su üreteçli (chiller) sistemler tek etkili ve çift etkili olmak üzere ikiye ayrılırlar. Tek etkili absorpsiyonlu sistemler yalnız soğutma amaçlı kullanılırken, çift etkili absorpsiyonlu sistemler ısı pompası şeklinde çalışarak hem soğutma, hem de ısıtma amaçlı kullanılırlar. Bunu yanında çift etkili sistem tek etkili sisteme göre jeneratörde daha yüksek sıcaklık gerektirmektedir. Böylece COP 0.7’den 1.0’e yükselmektedir.
Şekil 2 ve 3’te çift etkili absorpsiyonlu soğutma/ısıtma sisteminin çalışma şeması görülmektedir [6].
Doğal Gazlı Absorpsiyonlu Soğutmanın Avantajları
İşletme maliyetlerinin düşük olması.
Teçhizatın daha uzun ömürlü olması.
Doğal gazın kesintisiz temin edilebilmesi ve diğer yakıtlarla beraber kullanılabilmesi.
Özellikle aşırı sıcak günlerde elektrik kullanımını düşürerek, enerji kullanımını dengelemesi.
Kullanım alanlarının geniş olması (kurumlar, okullar, hastaneler, üniversiteler, belediye binaları vs.).
Bakım maliyeti düşüklüğü.
Uzun ömürlü olması (en az 20 seneden başlayan).
Farklı ısı kaynakları ile kullanılabilmesi (hibrid soğutma sistemleri). Kojenerasyon ünitelerine absorpsiyonlu soğutma sistemleri entegre edilebilir (aynı sistemden elektrik, ısıtma, soğutma, sıcak su üretme imkanı).
Düşük sıcaklık uygulamaları için amonyaklı absorpsiyonlu chillerlerin mevcut olması ve geliştirilmesi.
Hem ısıtma hem de soğutmada kullanılabilme kolaylığı.
Düşük emisyon için çalışmaların olması.
Değişken yük ve şartları karşılayabilme kabiliyeti.
Doğal gazlı klima satışlarının merkezi klima satışları içinde oranı, Avrupa’da %1, ABD’de %8 (2010 yılında %30 olacağı tahmin edilmektedir.) ve Japonya’da % 16.5’tir. Türkiye’de işletmedeki absorpsiyonlu doğal gazlı sistemlerin adedi 20 ünite olarak tahmin edilmektedir. Avrupa’da kurulu klima kapasitelerinin çoğu, termal sıvı olarak su ve buhar kullanan ve genellikle kojenerasyon tesisleriyle birleşik olan geniş ölçekli absorpsiyonlu soğutma sistemleridir [4]
Motor Tahrikli Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Motor tahrikli doğal gazlı soğuk su üreteçleri (chiller) Amerika’da 1960 yılından beridir pazarlanmaktadır. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri, klasik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemindeki kompresörü döndüren yakıt olarak doğal gaz kullanan bir içten yanmalı motor kullanır. Elektrik motorunun yerini doğal gaz yakıtlı benzin veya dizel içten yanmalı motorlar almaktadır. Bu sistemlerin performansı doğal olarak motorun verimine ve kompresörün verimine bağlı olmak ile beraber COP’si absorpsiyonlu sisteminde daha yüksektir [5]. Şekil 4’te motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemi şematik olarak gösterilmiştir.
Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri; soğutmanın yanında ısıtma ve sıcak suyun da önemli olduğu hastane, oteller, ofisler, ticaret merkezleri, buz pateni sahaları, ve merkezi soğuk hava depoları için uygundurlar. Bu sistemlerin kapasiteleri 35-176 kW arasında olabilmektedir. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemi, mevcut elektrik motorlu soğutma sistemi kadar yer işgal edecek şekilde üretilebilmektedirler. Yeni tip tasarımlarda, su soğutmalı chillerde olduğu gibi motor ve kompresör, buharlaştırıcı ve yoğuşturucunun üzerinde yer almakta ve paket olarak piyasaya sunulmaktadırlar. Bu tür sistemlerde gürültü problemi, motor ses yutucu bir gövdeye yerleştirilerek giderilebilmektedir [3]. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri elektrik fiyatlarının yüksek olduğu zaman dilimlerinde buz üreterek buz depolu soğutma sistemleri ile çalıştırılarak ekonomi sağlanabilir.
Motor Tahrikli Doğal Gazlı Soğutma Sistemlerinin Özellikleri
Kısmi yükte COP değeri 1.5, tam yükte-3.0 olabilmektedir.
Motorun ‘değişken hızı’ ile kapasite kontrolü yapılabilmektedir.
Motorun atık ısının geri kazanımı ile ısıtma ve sıcak su elde edilebilmektedir.
-40 ûC’ye kadar soğutma imkanı mevcuttur.
Kompresör ve chiller devresinin işletme ve bakımı klasik sistemlerle aynıdır.
Doğal gaz motorunun bakım ve işletimi klasik içten yanmalı motorlarına benzerdir.
Gaz sarfiyatının absorpsiyonlu grupların yaklaşık yarısı civarında olmasıdır
Nem Almalı (Desikantlı) Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Nem almalı (desikantlı) soğutma sistemleri, özellikle nemli ve sıcak iklime sahip bölgeler için uygun olan yeni, çevreci ve alternatif soğutma sistemleridirler. Desikantlı sistemler, katı veya sıvı nem alıcı maddeler vasıtasıyla havadan nem alırlar. Yaygın olarak kullanılan nem alıcı maddeler, lityum kloroid, silakajel, aktifleştirilmiş alüminyum ve moleküler eleklerdir. Hava, nem alıcıdan geçtiğinde, gizli ısısını bırakır. Bu hava daha sonra istenilen sıcaklığa soğutulur. Nem almalı sistemler hava içindeki nemi alarak, daha çok duyulur ısıyı ön plana çıkarmaktadır. Nem almalı sistemler, doğal gazlı veya elektrikli su soğutucularla çalışmaktadırlar. Nem almalı sistemin kullanımı ile gizli ısı minimuma düşürülerek daha yüksek su sıcaklık rejimi elde edilir ve su soğutucu chillerin kapasitesi önemli bir düzeyde azalır. Özellikle çevresel kaygılar, nem almalı soğutma sistemlerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu sistemler, elektrikli cihazlara göre daha az masraflıdırlar [5]. Şekil 5’te nem almalı (desikantlı) bir soğutma sistemi görülmektedir. Sistemde doğal gaz, aktivasyon havası için enerji kaynağı olarak ısıtıcıda kullanılmaktadır. Bu sistemlerde döner tip nem alıcı tekerlek, buharlaştırmalı soğutucular (nemlendiriciler) ve reküpüratör veya rejeneratör adı verilen ısı değiştirgeçleri kullanılır. Dış ortamdan alınan sıcak ve nemli hava, nem alıcı tekerlekten geçirilerek sıcak ve kuru hava elde edilir. Bu hava daha sonra bir ısı değiştirgecinden geçirilerek ön soğutmaya tabi tutulur ve arkasından nemlendirilerek veya soğuk sulu bir serpantinden geçirilerek soğutulan hava ortama gönderilir ve ısı kazancı karşılanmış olunur. Ortamdan alınan dönüş havası bir adet nemlendiriciden geçirilerek daha soğuk bir hava elde edilir. Bu hava, ısı değiştirgecinde gidiş havasının ön soğutulmasında kullanılarak bir kısmı atık hava olarak bir kısmı da ısıtıcıda dış hava ile birlikte ısıtılarak aktivasyon (rejenerasyon) havası olarak kullanılır. Aktivasyon havası nem alma cihazındaki nemi alarak ve atık hava olarak atmosfere atılır.
Nem almalı doğal gazlı soğutma sistemin avantajları
Desikant sistemler havadaki nemi alarak küf, mantar ve bakterilerin üremesini azaltır.
İşletme maliyetlerini düşürür ve enerji tasarrufu sağlar.
Geleneksel soğutma ihtiyaçlarını azaltır.
Mobilya, halı, döşeme ve diğer bina materyallerinin nemden meydana gelen hasarları önler.
Desikantlı sistemler uzun yıllar geniş ölçüde endüstriyel uygulamalarda kullanılmıştır.
Son yıllarda çevreye olan önemin artması üzerinde küresel ısınma ve ozon tabakasındaki incelme ve yırtılmalar, hava kalitesini arttırmaya yönelik çalışmalar desikantlı soğutma sistemlerine olan ilgiyi arttırmıştır. Bunun yanında, enerji kaynağı olarak doğal gazı kullanan desikantlı sistemler, elektrik motoru tahrikli soğutma makinalarına oranla daha ekonomik olmaktadırlar. Nem almalı sistemler, normalde doğal gazlı veya klasik chillerle birlikte çevrim havasının duyulur ısısını almak için kullanılmaktadır.
SONUÇ
Hem absorpsiyon, hem de doğal gazlı motor tahrikli soğutma sistemleri maliyeti, elektrikli sistemlere göre pahalı olmaktadır. Buna karşın doğal gazlı soğutucuların pazardaki en güçlü tarafı, elektrik fiyatlarının yüksek olduğu zamanlarda işletme maliyetlerindeki tasarruflarında yatmaktadır. Bu cihazlar, geleneksel soğutuculara göre ilk yatırım maliyetlerinin yaklaşık %20 veya daha fazlasını, işletme maliyetlerindeki tasarruflardan sağlanabilirler. Genel olarak doğal gazlı soğutmada en iyi neticeler, enerji yoğunluklu (birim alana düşen yüksek enerji sarfiyatı) ve/veya talebin maksimum olduğu zamanlardaki işletme durumunda alınmaktadır. Soğutma sistemleriyle beraber ısıtmanın da istenmesi durumu avantaj olarak ortaya çıkmaktadır.
Isıtma ihtiyacı kadar soğutmanın da gerekli ve önemli olduğu Akdeniz ve Güneydoğu Anadolu Bölgelerimizde, doğal gazın sadece ısıtma amacıyla değil, aynı zamanda soğutma amacıyla da kullanılması bir çok tesis ve bina için cazip bir alternatif oluşturabilir. Özellikle otellerde kojenerasyon uygulaması ile elektrik üretilirken aynı zamanda atık ısının absorpsiyonlu chiller aracılığıyla soğutmada kullanılması tesise trijenerasyon özelliği kazandırılabilir ve yüksek ısıl verimlere ulaşılabilinir. Doğalgaz dağıtım şebekesinin var olduğu bölgelerde otel, hastane ve büyük alışveriş merkezleri, soğuk hava depolarında kojenerasyon destekli absorpsiyonlu soğutma sistemleri (trijenerasyon) ekonomik açıdan karlı bir yatırım olabilir. Yurdumuzda; halen mevcut merkezi gruplar ve yeni yapılacaklar düşünülürse, merkezi soğutma klima tesislerinde ciddi bir elektrik sarfiyatı görülmektedir. Ticari soğutma için doğal gaz ekipmanının kullanımı, pik elektrik talebini azaltabilir veya yok edebilir.
Ülkemizde, soğutma ve klima pazarı sürekli olarak büyümektedir. Bunun yanında elektrik enerjisi tüketimi de sürekli artmaktadır. Dolayısıyla, mevcut ve yeni kurulacak merkezi iklimlendirme sistemleri düşünüldüğünde, doğal gazın bu sistemlerde kullanılması önemli bir elektrik tüketimini azaltacağı düşünülmektedir. Doğal gaz soğutmada kullanılırken aynı zamanda ısı geri kazanımla sıcak su elde edilebilir. Dolayısıyla, bu tür sitemlerin tanıtılması ve potansiyelinin belirlenmesi son derece faydalı olacaktır.
İleriki çalışmalarda, doğal gazın soğutma sistemlerinde kullanılması Türkiye şartları için araştırılarak örnek uygulamalar ile ilgili ekonomik ve teknik analizler yapılması düşünülmektedir. Böylelikle, doğal gazlı sistemler klasik sistemlerle karşılaştırılarak sistemlerin uygunluğu ve uygulanabilirliği tartışılacaktır. y
Kaynaklar
1. T. Hikmet Karakoç, Doğal Gaz Tüketici El Kitabı. Demirdöküm Teknik Yayın No: 4, 4. Baskı, İstanbul, 2000.
2. Alpin Kemal Dağsöz, Doğal Gaz ve LPG,. Demirdöküm Teknik Yayın No:3, 3. Baskı, İstanbul, 2002.
3. G. A. Nowakowski and R. L. Busby, ‘Advances in Natural Gas Cooling’, ASHRAE Journal, 43(4), pp. 47-52, 2001.
4. H. İman, ‘Doğal Gazın 12 Ay Kullanımı-Hibrid Soğutma’. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği (TTMD) Dergisi, 28, s. 34-39, 2003.
5. http://www.equitablegas.com/tech/ngcool.htm, Şubat 2005’te erişildi.
6. http://www.broad.com, Şubat 2005’te erişildi. y
Hüsamettin BULUT, M. Serdar KOYUNCU
Harran Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü
ABSTRACT
Natural gas as clean and cheap heat source is used in the residential and industrial sector increasingly, although it is a new fuel for our country. The other application field of natural gas which is not widespread in the country is
cooling. In this study, natural gas cooling systems and their applications are presented in detail.
Keywords: Natural gas, cooling, absorption, desiccant cooling systems.
Fosil yakıtlar sınıfına ait olan doğal gaz, yerin binlerce metre derinliklerindeki organik maddelerin basınç ve sıcaklık altında milyonlarca yıl süren bozunumları sonucu oluşmuş büyük oranda metan, az miktarda da etan, propan, azot, bütan ve karbondioksitten oluşan renksiz, kokusuz ve havadan hafif bir gazdır. En önemli özellikleri temiz, çevreyi kirletmeyen çevre dostu ve verimli bir yakıt olmasıdır [1,2].
Doğal gaz çok eskilerden beri bilinen bir enerji kaynağıdır. Bundan 3000 yıl önce Çin'de tuz üretiminde enerji kaynağı olarak doğal gaz kullanıldığı bilinmektedir. Doğal gaz, modern anlamda ilk olarak ABD'de kullanılmıştır. Doğalgaz, İngiltere’de 1790’da kullanılmaya başlanmıştır. Sokakların ve evlerin aydınlatılmasında, içten yanmalı motorların çalıştırılmasında büyük ölçüde doğalgazdan yararlanılmıştır [1,2].
Türkiye’de doğal gazın yaygın olarak kullanımı, 1988 yılında Ankara’da EGO ile başlamış, 1992 yılında İstanbul’da İGDAŞ ve Bursa’da BOTAŞ ile devam etmiştir. Daha sonra Eskişehir’de BOTAŞ, İzmit’te İZGAZ’ın sektöre girmesi ile doğal gaz pazarı genişlemiş ve yakın bir zamanda 57 ille beraber tüm bölgelerde doğal gazın devreye girmesi için çalışmalar devam etmektedir.
Günümüzde, Türkiye’de doğal gaz, elektrik üretiminde, konutlarda ısıtma, konutlarda sıcak su üretimi ve yemek pişirmede, endüstride ve gübre üretiminde kullanılmaktadır. Doğal gazın diğer bir kullanım alanı ve Türkiye’de yaygın olmayan bir uygulama alanı ise soğutmadır. ABD, Batı Avrupa ülkeleri ve Japonya’da doğal gazlı soğutma sistemleri ticari olarak satılmakta ve kullanılmaktadır [3,4].
Doğal gazlı soğutma sistemleri temelde absorpsiyonlu, motor tahrikli ve nem almalı (desikantlı) olarak sınıflandırılmaktadır. Birincil yakıt olarak doğal gaz kullanan elektrik ve ısı üretimi yapan kojenerasyon sistemlerine soğutma sistemi de eklenerek soğutma elde edilir. Kojenerasyon teknolojisinin daha verimli bir şekilde kullanılması yönünde gelişen bu uygulama şekli trijenerasyon olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada, doğal gazın soğutmada kullanım alanları ve uygulamaları detaylı bir şekilde incelenecektir.
Absorpsiyonlu Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Absorpsiyonlu soğutma sistemleri 100 yılı aşkın bir süredir kullanılmaktadırlar. 1950’li yıllardaki teknolojik gelişmelerle birlikte, bu sistemler ticari olarak kullanılmaya başlanmıştır. 1970 yılından sonra, petrol fiyatlarındaki yükseklik ve elektrik enerjisindeki bolluk bu sistemlere olan talebi azaltmıştır [5].
Absorpsiyonlu soğutucular doğal gaz ile veya diğer yakıtlarla çalışan kazandan elde edilen buharla veya merkezi ısıtma sistemlerinden alınan sıcak su ile çalıştırılabilirler. Absorpsiyonlu sistemler sessiz ve titreşimsiz çalışmaları ve düşük emisyon oranları ile tanınırlar. Aynı şekilde soğutucu akışkan olarak kloroflorokarbon (CFC) yerine su veya amonyak kullanmaları bu sistemlere çevresel bir avantaj getirmektedir.
Enerji verimliliği alanında da altmışlı yıllarda çift etkili sistemlerin geliştirilmeleri sayesinde dikkate değer ilerlemeler kaydedilmiş, soğutma performans katsayısı (COP) eski tek etkili sistemlerdeki 0.7 değerinden 1.0 değerine yükselmiştir. Halen ABD’de bir klima üreticisi üç etkili absorpsiyonlu sistemi geliştirme çalışmalarını sürdürmektedir. Prototip üzerindeki denemelerde COP’in 1.4’e hatta daha yukarılara çıkabileceği belirtilmektedir [3]. Bütün bu ilerlemelere rağmen absorpsiyonlu cihazların kullanımı, elektrikli sistemlere oranla boyutlarının büyüklüğü ve yüksek ilk yatırım giderleri nedeniyle sınırlı kalmıştır.
Absorpsiyonlu soğutmanın çalışma prensibi, mekanik soğutma sistemlerine benzerdir. Farklı yanı mekanik sistemdeki kompresör görevini üstlenen, absorber, pompa ve jeneratörden meydana gelen "Termik Kompresör" grubunun olmasıdır (Şekil 1). Düşük sıcaklık uygulamaları için NH3-H2O (amonyak-su) ve +4 ûC üzerindeki sıcaklıklar için H2O-LiBr (lityumbromid-su) çiftini kullanan sistemler olarak iki tür mevcuttur. Akışkan çiftlerinde birincisinde NH3, ikincisinde H2O soğutucu akışkan vazifesini görmektedir.
Absorpsiyonlu soğuk su üreteçli (chiller) sistemler tek etkili ve çift etkili olmak üzere ikiye ayrılırlar. Tek etkili absorpsiyonlu sistemler yalnız soğutma amaçlı kullanılırken, çift etkili absorpsiyonlu sistemler ısı pompası şeklinde çalışarak hem soğutma, hem de ısıtma amaçlı kullanılırlar. Bunu yanında çift etkili sistem tek etkili sisteme göre jeneratörde daha yüksek sıcaklık gerektirmektedir. Böylece COP 0.7’den 1.0’e yükselmektedir.
Şekil 2 ve 3’te çift etkili absorpsiyonlu soğutma/ısıtma sisteminin çalışma şeması görülmektedir [6].
Doğal Gazlı Absorpsiyonlu Soğutmanın Avantajları
İşletme maliyetlerinin düşük olması.
Teçhizatın daha uzun ömürlü olması.
Doğal gazın kesintisiz temin edilebilmesi ve diğer yakıtlarla beraber kullanılabilmesi.
Özellikle aşırı sıcak günlerde elektrik kullanımını düşürerek, enerji kullanımını dengelemesi.
Kullanım alanlarının geniş olması (kurumlar, okullar, hastaneler, üniversiteler, belediye binaları vs.).
Bakım maliyeti düşüklüğü.
Uzun ömürlü olması (en az 20 seneden başlayan).
Farklı ısı kaynakları ile kullanılabilmesi (hibrid soğutma sistemleri). Kojenerasyon ünitelerine absorpsiyonlu soğutma sistemleri entegre edilebilir (aynı sistemden elektrik, ısıtma, soğutma, sıcak su üretme imkanı).
Düşük sıcaklık uygulamaları için amonyaklı absorpsiyonlu chillerlerin mevcut olması ve geliştirilmesi.
Hem ısıtma hem de soğutmada kullanılabilme kolaylığı.
Düşük emisyon için çalışmaların olması.
Değişken yük ve şartları karşılayabilme kabiliyeti.
Doğal gazlı klima satışlarının merkezi klima satışları içinde oranı, Avrupa’da %1, ABD’de %8 (2010 yılında %30 olacağı tahmin edilmektedir.) ve Japonya’da % 16.5’tir. Türkiye’de işletmedeki absorpsiyonlu doğal gazlı sistemlerin adedi 20 ünite olarak tahmin edilmektedir. Avrupa’da kurulu klima kapasitelerinin çoğu, termal sıvı olarak su ve buhar kullanan ve genellikle kojenerasyon tesisleriyle birleşik olan geniş ölçekli absorpsiyonlu soğutma sistemleridir [4]
Motor Tahrikli Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Motor tahrikli doğal gazlı soğuk su üreteçleri (chiller) Amerika’da 1960 yılından beridir pazarlanmaktadır. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri, klasik buhar sıkıştırmalı soğutma sistemindeki kompresörü döndüren yakıt olarak doğal gaz kullanan bir içten yanmalı motor kullanır. Elektrik motorunun yerini doğal gaz yakıtlı benzin veya dizel içten yanmalı motorlar almaktadır. Bu sistemlerin performansı doğal olarak motorun verimine ve kompresörün verimine bağlı olmak ile beraber COP’si absorpsiyonlu sisteminde daha yüksektir [5]. Şekil 4’te motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemi şematik olarak gösterilmiştir.
Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri; soğutmanın yanında ısıtma ve sıcak suyun da önemli olduğu hastane, oteller, ofisler, ticaret merkezleri, buz pateni sahaları, ve merkezi soğuk hava depoları için uygundurlar. Bu sistemlerin kapasiteleri 35-176 kW arasında olabilmektedir. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemi, mevcut elektrik motorlu soğutma sistemi kadar yer işgal edecek şekilde üretilebilmektedirler. Yeni tip tasarımlarda, su soğutmalı chillerde olduğu gibi motor ve kompresör, buharlaştırıcı ve yoğuşturucunun üzerinde yer almakta ve paket olarak piyasaya sunulmaktadırlar. Bu tür sistemlerde gürültü problemi, motor ses yutucu bir gövdeye yerleştirilerek giderilebilmektedir [3]. Motor tahrikli doğal gazlı soğutma sistemleri elektrik fiyatlarının yüksek olduğu zaman dilimlerinde buz üreterek buz depolu soğutma sistemleri ile çalıştırılarak ekonomi sağlanabilir.
Motor Tahrikli Doğal Gazlı Soğutma Sistemlerinin Özellikleri
Kısmi yükte COP değeri 1.5, tam yükte-3.0 olabilmektedir.
Motorun ‘değişken hızı’ ile kapasite kontrolü yapılabilmektedir.
Motorun atık ısının geri kazanımı ile ısıtma ve sıcak su elde edilebilmektedir.
-40 ûC’ye kadar soğutma imkanı mevcuttur.
Kompresör ve chiller devresinin işletme ve bakımı klasik sistemlerle aynıdır.
Doğal gaz motorunun bakım ve işletimi klasik içten yanmalı motorlarına benzerdir.
Gaz sarfiyatının absorpsiyonlu grupların yaklaşık yarısı civarında olmasıdır
Nem Almalı (Desikantlı) Doğal Gazlı Soğutma Sistemleri
Nem almalı (desikantlı) soğutma sistemleri, özellikle nemli ve sıcak iklime sahip bölgeler için uygun olan yeni, çevreci ve alternatif soğutma sistemleridirler. Desikantlı sistemler, katı veya sıvı nem alıcı maddeler vasıtasıyla havadan nem alırlar. Yaygın olarak kullanılan nem alıcı maddeler, lityum kloroid, silakajel, aktifleştirilmiş alüminyum ve moleküler eleklerdir. Hava, nem alıcıdan geçtiğinde, gizli ısısını bırakır. Bu hava daha sonra istenilen sıcaklığa soğutulur. Nem almalı sistemler hava içindeki nemi alarak, daha çok duyulur ısıyı ön plana çıkarmaktadır. Nem almalı sistemler, doğal gazlı veya elektrikli su soğutucularla çalışmaktadırlar. Nem almalı sistemin kullanımı ile gizli ısı minimuma düşürülerek daha yüksek su sıcaklık rejimi elde edilir ve su soğutucu chillerin kapasitesi önemli bir düzeyde azalır. Özellikle çevresel kaygılar, nem almalı soğutma sistemlerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu sistemler, elektrikli cihazlara göre daha az masraflıdırlar [5]. Şekil 5’te nem almalı (desikantlı) bir soğutma sistemi görülmektedir. Sistemde doğal gaz, aktivasyon havası için enerji kaynağı olarak ısıtıcıda kullanılmaktadır. Bu sistemlerde döner tip nem alıcı tekerlek, buharlaştırmalı soğutucular (nemlendiriciler) ve reküpüratör veya rejeneratör adı verilen ısı değiştirgeçleri kullanılır. Dış ortamdan alınan sıcak ve nemli hava, nem alıcı tekerlekten geçirilerek sıcak ve kuru hava elde edilir. Bu hava daha sonra bir ısı değiştirgecinden geçirilerek ön soğutmaya tabi tutulur ve arkasından nemlendirilerek veya soğuk sulu bir serpantinden geçirilerek soğutulan hava ortama gönderilir ve ısı kazancı karşılanmış olunur. Ortamdan alınan dönüş havası bir adet nemlendiriciden geçirilerek daha soğuk bir hava elde edilir. Bu hava, ısı değiştirgecinde gidiş havasının ön soğutulmasında kullanılarak bir kısmı atık hava olarak bir kısmı da ısıtıcıda dış hava ile birlikte ısıtılarak aktivasyon (rejenerasyon) havası olarak kullanılır. Aktivasyon havası nem alma cihazındaki nemi alarak ve atık hava olarak atmosfere atılır.
Nem almalı doğal gazlı soğutma sistemin avantajları
Desikant sistemler havadaki nemi alarak küf, mantar ve bakterilerin üremesini azaltır.
İşletme maliyetlerini düşürür ve enerji tasarrufu sağlar.
Geleneksel soğutma ihtiyaçlarını azaltır.
Mobilya, halı, döşeme ve diğer bina materyallerinin nemden meydana gelen hasarları önler.
Desikantlı sistemler uzun yıllar geniş ölçüde endüstriyel uygulamalarda kullanılmıştır.
Son yıllarda çevreye olan önemin artması üzerinde küresel ısınma ve ozon tabakasındaki incelme ve yırtılmalar, hava kalitesini arttırmaya yönelik çalışmalar desikantlı soğutma sistemlerine olan ilgiyi arttırmıştır. Bunun yanında, enerji kaynağı olarak doğal gazı kullanan desikantlı sistemler, elektrik motoru tahrikli soğutma makinalarına oranla daha ekonomik olmaktadırlar. Nem almalı sistemler, normalde doğal gazlı veya klasik chillerle birlikte çevrim havasının duyulur ısısını almak için kullanılmaktadır.
SONUÇ
Hem absorpsiyon, hem de doğal gazlı motor tahrikli soğutma sistemleri maliyeti, elektrikli sistemlere göre pahalı olmaktadır. Buna karşın doğal gazlı soğutucuların pazardaki en güçlü tarafı, elektrik fiyatlarının yüksek olduğu zamanlarda işletme maliyetlerindeki tasarruflarında yatmaktadır. Bu cihazlar, geleneksel soğutuculara göre ilk yatırım maliyetlerinin yaklaşık %20 veya daha fazlasını, işletme maliyetlerindeki tasarruflardan sağlanabilirler. Genel olarak doğal gazlı soğutmada en iyi neticeler, enerji yoğunluklu (birim alana düşen yüksek enerji sarfiyatı) ve/veya talebin maksimum olduğu zamanlardaki işletme durumunda alınmaktadır. Soğutma sistemleriyle beraber ısıtmanın da istenmesi durumu avantaj olarak ortaya çıkmaktadır.
Isıtma ihtiyacı kadar soğutmanın da gerekli ve önemli olduğu Akdeniz ve Güneydoğu Anadolu Bölgelerimizde, doğal gazın sadece ısıtma amacıyla değil, aynı zamanda soğutma amacıyla da kullanılması bir çok tesis ve bina için cazip bir alternatif oluşturabilir. Özellikle otellerde kojenerasyon uygulaması ile elektrik üretilirken aynı zamanda atık ısının absorpsiyonlu chiller aracılığıyla soğutmada kullanılması tesise trijenerasyon özelliği kazandırılabilir ve yüksek ısıl verimlere ulaşılabilinir. Doğalgaz dağıtım şebekesinin var olduğu bölgelerde otel, hastane ve büyük alışveriş merkezleri, soğuk hava depolarında kojenerasyon destekli absorpsiyonlu soğutma sistemleri (trijenerasyon) ekonomik açıdan karlı bir yatırım olabilir. Yurdumuzda; halen mevcut merkezi gruplar ve yeni yapılacaklar düşünülürse, merkezi soğutma klima tesislerinde ciddi bir elektrik sarfiyatı görülmektedir. Ticari soğutma için doğal gaz ekipmanının kullanımı, pik elektrik talebini azaltabilir veya yok edebilir.
Ülkemizde, soğutma ve klima pazarı sürekli olarak büyümektedir. Bunun yanında elektrik enerjisi tüketimi de sürekli artmaktadır. Dolayısıyla, mevcut ve yeni kurulacak merkezi iklimlendirme sistemleri düşünüldüğünde, doğal gazın bu sistemlerde kullanılması önemli bir elektrik tüketimini azaltacağı düşünülmektedir. Doğal gaz soğutmada kullanılırken aynı zamanda ısı geri kazanımla sıcak su elde edilebilir. Dolayısıyla, bu tür sitemlerin tanıtılması ve potansiyelinin belirlenmesi son derece faydalı olacaktır.
İleriki çalışmalarda, doğal gazın soğutma sistemlerinde kullanılması Türkiye şartları için araştırılarak örnek uygulamalar ile ilgili ekonomik ve teknik analizler yapılması düşünülmektedir. Böylelikle, doğal gazlı sistemler klasik sistemlerle karşılaştırılarak sistemlerin uygunluğu ve uygulanabilirliği tartışılacaktır. y
Kaynaklar
1. T. Hikmet Karakoç, Doğal Gaz Tüketici El Kitabı. Demirdöküm Teknik Yayın No: 4, 4. Baskı, İstanbul, 2000.
2. Alpin Kemal Dağsöz, Doğal Gaz ve LPG,. Demirdöküm Teknik Yayın No:3, 3. Baskı, İstanbul, 2002.
3. G. A. Nowakowski and R. L. Busby, ‘Advances in Natural Gas Cooling’, ASHRAE Journal, 43(4), pp. 47-52, 2001.
4. H. İman, ‘Doğal Gazın 12 Ay Kullanımı-Hibrid Soğutma’. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği (TTMD) Dergisi, 28, s. 34-39, 2003.
5. http://www.equitablegas.com/tech/ngcool.htm, Şubat 2005’te erişildi.
6. http://www.broad.com, Şubat 2005’te erişildi. y
Hüsamettin BULUT, M. Serdar KOYUNCU
Harran Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü
