Makale: Evaporatif Soğutma

Yazar: Harun Denizli
Friterm Termik Cihazlar Tic. San. A.Ş.
Ar-Ge Laboratuvar Mühendisi

1.    Giriş

İnsan toplumunun uygarlık gelişiminin en önemli kaynağı enerjidir. Son yıllarda kişi başına düşen enerji tüketiminin ve dünya nüfusunun artması sonucunda enerji kaynakları da daha fazla önem kazanmaktadır. Sosyo-ekonomik gelişmeler ve artan enerji tüketimi kritik kaynakların tükenmesine ve bunun bir sonucu olarak da çevre kirliliğine yol açmaktadır. Odun, kömür ve petrol gibi konvansiyonel enerji kaynaklarıyla çalışan prosesler, artan maliyetlerle birlikte atmosferde artan karbondioksit emisyonları nedeniyle sera etkisine sebep olmaktadır. 1970’lerde çıkan petrol krizi ile petrole olan bağımlılığını fark eden insanlar enerjiye olan yaklaşımlarını değiştirdiler. Farklı enerji kaynakları arayışlarına girdiler ve bunun yanında enerji talebini de olabildiğince azaltmaya çalıştılar.

Geleneksel soğutma sistemi; kompresör, kondenser, evaporatör ve genleşme valfi gibi ekipmanlarla ortamı iklimlendirmeyi amaçlayan buhar sıkıştırmalı mekanik sistemidir. Soğutucu akışkan olarak karbondioksit ve amonyak gibi doğal akışkanların yanında R22, R134a ve R404a gibi yapay olarak elde edilen sentetik akışkanlar kullanılmıştır. Bu yöntem, başarılı soğutma etkisi sayesinde gelişmiş ve günümüze kadar devam etmiştir, ancak parçalar için çok fazla güce ihtiyaç duymasının yanı sıra zaman içerisinde, çevre dostu olmayan hidrokloroflorokarbon (HCFC) ve hidroflorokarbon (HFC) emisyonlarına sebep olmuştur. Bunun yanında oda sıcaklıklarını düşürmek ve konfor şartlarını sağlamak için kullanılan klima, kompresör ve fanlarda tüketilen elektrik tüm binada tüketilen elektrik enerjinin %20’sini oluşturmaktadır. 

Evaporatif soğutma yöntemi ise su buharlaştırma tekniğini kullanarak iklimlendirmeyi sağlayan bir tür ortam serinletme tekniğidir. Suyu buharlaştırmak için gereken ısı, suyun hava ile temas ettiği yüzeylerden emilir. Isı enerjisini suya aktaran havanın kuru termometre sıcaklığı, ıslak termometre sıcaklığına yaklaşır. Yani bağıl nemi artarak soğumaya başlar. Burada suyun hal değiştirmesi için gerekli olan gizli ısı değeri yüksek olduğu için verimli soğutma yapılabilir. 

2.    Evaporatif Soğutmanın Tarihçesi

Evaporatif soğutma geçmişten günümüze çok kullanılan bir soğutma yöntemidir. Yaz aylarında sıcaktan bunalan kişilerin havuza girerek kendilerini soğutması da aslında bir çeşit evaporatif soğutmaya örnek olarak verilebilir.

Evaporatif soğutma, eski Mısır halkı tarafından yaklaşık bin yıl önce de kullanılmıştır. O zamanlar yiyeceklerini sıcak havadan korumak için gözenekli ıslak bezler kullanılırdı. Oturulan mekânı serin tutmak için su oluklarını duvarlardan geçirmişlerdir. Mısırlılar evlerini doğal akışla binayı soğutacak şekilde yaparlardı. Doğal akış doğrultusunda havanın girdiği bölüme içi su ile dolu gözenekli bir kap konulurdu. Bu da içeri giren hava üzerinde bir evaporatif soğutma sağlardı. (Şekil 1)

Şekil 1 Antik Mısır’da Kullanılan Evaporatif Soğutma Yöntemleri

Hindistan’da sıcak olan bölgelerde su damlalarını havaya karıştıran ve nemi artıran çeşmeler kullanılırdı. Örneğin Red Fort Delhi’de buharlaşmayı artırmak için kullanılan su çeşmelerinde suyun basınçlı kalıp sürekli dışarı çıkmasını sağlamak amacıyla tanklar kullanılırdı. Binaların ısıl konforunu arttırmak için şelaleler şeklinde su kullanılmıştır ve bu pasif olarak soğutmaya yardımcı olarak gereken enerjiyi azaltır.

Ayrıca Hindistan’da Basamaklı Kuyu (Stepwell) denilen su kuyuları yapılırdı. Buradaki amaç yeraltı sularına erişimi kolaylaştırmak ve mevsimsel değişikliklere karşı su depolaması sağlamaktır. Normal kuyulardan farkı ise basamaklı olduğu için insanlar suya rahatlıkla ulaşabilmesidir. Ayrıca bu kuyular bulundukları bölgeler için soğutucu görevi de görmekteydi. 

İlk mekanik hava soğutucu Leonardo Da Vinci tarafından yapılmıştır. İçi boş bir çark içerisinden hava geçirmiştir. Bu çark döndükçe su kanalın içerisine sıçrar ve hava ile temas ederdi. Bu temas ile hava adyabatik olarak soğutulur ve soğuyan havayı kanallar aracılığıyla odalara dağıtırdı.

İlk mekanik doğrudan evaporatif buharlaşmalı soğutucu, 1930’lu yıllarda kullanılmıştır. İnsanlar, evlerin camlarına asılı ıslak bezlerini elektrikli fanlarla destekleyip evlerini soğutmaya başladılar. Cam çerçevesini örten kumaşın üzerine su püskürterek evin sürekli soğutmasını sağlarlardı. Kumaş malzemesi olarak çuval bezi kullanılmış ve fan olarak da otomobil fanları kullanılmıştır. Günümüzde ise çuval bezinin yerini evaporatif soğutma için tasarlanmış pedler almıştır.

3.    Çalışma Prensibi
Evaporatif soğutma, doğrudan ve dolaylı evaporatif soğutma olarak iki ana başlık altında incelenebilir.

3.1.    Doğrudan Evaporatif Soğutma
Günümüzdeki doğrudan evaporatif soğutma yöntemlerinden biri adyabatik pedlerle yapılan evaporatif soğutmadır. Bu pedlerin amacı suyun hava ile temas eden yüzey alanını artırmak ve dolayısıyla daha verimli bir soğutma yapmaktır. Sıcak ve kuru hava bulunan ortamlarda (doğrudan evaporatif soğutma) adyabatik soğutma yapılarak soğuk ve nemli hava elde edilebilir (Şekil 2).

Şekil 2 Adyabatik Ped ile Yapılan Evaporatif Soğutma
Evaporatif soğutmada hava ıslanmış ortamdan geçtiğinde, ortamın su içeriği, havanın duyulur ısısını buharlaşma için gizli ısıya dönüştürerek buharlaşmaya başlayacaktır. Su buharlaşmasından dolayı havanın mutlak nemi artar. Hava soğuduğu için de su taşıma kapasitesi de düşeceği için bağıl nemi de artar. Dolayısıyla hava 1 noktasından 2 noktasına geçerken kuru termometre sıcaklığı, ıslak termometre sıcaklığına yaklaşır. Şekil 3’de bir doğrudan evaporatif soğutma örneği psikometrik diyagram üzerinde gösterilmiştir. Bu noktaların verileri Tablo 1’ de verilmiştir.

Şekil 3 Psikometrik Diyagram Üzerinde Doğrudan Evaporatif Soğutma Noktaları
Tablo 1 Psikometrik Diyagram Nokta Verileri

Bu sistemlerde adyabatik verimlilik en önemli kavramlardan biridir. Adyabatik verim formülü aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır.

Endüstriyel soğutma sistemlerinde, adyabatik soğutma genellikle kuru soğutucu ve kondenser ürünlerinde kullanılmaktadır. Isı değiştiricilerin ön kısmına yerleştirilen evaporatif soğutma peteklerin üzerinden suyun akıtılarak peteklerin ıslatılması ile havanın geçerken evaporatif ön soğutma sağlanır.

Şekil 4 Evaporatif Soğutucu Peteklerin Isı Değiştiricilerdeki Montajı
Bu sistemlerde su besleme yönünden bakıldığında, adyabatik soğutma iki şekilde yapılabilmektedir.
1.    Pompalı Sistemler
2.    Pompasız Sistemler
Pompalı sistemlerde su beslemesi pompa ile yapılır. Burada pedlerden dökülen su alt tavada toplanır ve toplanan su tekrar kullanılmak üzere üst dağıtım tavasına gönderilir. Bu enerji verimliliği ve su tasarrufu açısından avantajlı bir üründür. 

Şekil 5 Pompalı Adyabatik Ürünlerin Çalışma Prensibi

Pompasız ürünlerin pompalı ürünlerden farkı buharlaşmayan su tekrar kullanılmaz. Bunu tercih eden kullanıcılar ılık sulu ortamlarda üreyen, Lejyoner hastalığına sebep olan lejyonella bakterisi gibi bakterilerin çoğalmasını önlemek için bazı bakım yöntemlerine başvurmaktadır. Bu yöntemlerden biri de adyabatik soğutucudan çıkan suyun arıtılıp tekrar sisteme verilmesidir. Bu ürünlerde buharlaşmayan su tercihe göre gidere gönderilebilir ya da bir depoda toplanıp arıtılır ve tekrar kullanılır.

3.2.    Dolaylı Evaporatif Soğutma

Dolaylı evaporatif soğutma sisteminde, ilave nem olmadan %100 taze, soğuk hava üretmek için verimli bir ısı eşanjörü kullanır. Bu eşanjör soğutulmak istenen hava ile suyun birbirine karışmadan ısı transferi gerçekleştirilir. Dolayısıyla bu soğutma sisteminde buharlaşan su ortam havasının mutlak nemini arttıramaz. Şekil 4’de dolaylı evaporatif soğutma örneği psikometrik diyagram üzerinde gösterilmiştir. Görüldüğü üzere mutlak nemi sabit olacak şekilde bir soğuma gerçekleşir. Bu sistem sadece kuru termometre sıcaklığını düşürmekle kalmaz, yaş termometre sıcaklığını düşürür ve bağıl nemini de artırır.

Şekil 6 Psikometrik Diyagram Üzerinde Dolaylı Evaporatif Soğutma Noktaları
Tablo 2 Psikometrik Diyagram Nokta Verileri

4.    Sonuç
Evaporatif soğutmanın avantajları şu şekilde özetlenebilir:

• Enerji verimliliği sağlamak
• Çevre dostu
• Klasik soğutma sistemlerinin aksine temiz hava ile soğutma sağlanır.

Bu soğutma sistemleri klasik soğutma sistemlerine ek ekipman olarak da kullanılır. Bu da kullanılan soğutma sisteminin verimini artırmaktadır. Özellikle kuru ve sıcak ortamlarda kullanılacak kuru soğutucu ve kondenserlere ek ekipman olarak eklendiğinde büyük kapasite artışları sağlanabilmektedir. Ayrıca bu ekipmanlar kış aylarında devre dışı bırakılabildiği için ihtiyaçtan daha büyük ürün kullanımı gibi yatırım maliyetlerinin de önüne geçmektedir.
                                                                                                 
KAYNAKÇA
1.    E. Velasco Gómez, F. J. Rey Martínez, M. J. Molina Leyva and F. Varela Diez - Set Up, Manufacture, and Testing of a Ceramic Evaporative Cooler
2.    Barbara Widera - Bioclimatic Architecture
3.    Anatolijs Borodinecs , Kristina Lebedeva , Natalja Sidenko and Aleksejs Prozuments - Enhancement of Chiller Performance by Water Distribution on the Adiabatic Cooling Pad’s Mesh Surface
4.    D.K. Joshi - Passive Cooling Techniques in Ancient Indian Buildings
5.    Mohamed Kabl - Adiabatic Cooling
6.    Hasan Acül - Kuru Soğutuculu Doğal Soğutma Uygulamaları ile İklimlendirme Sistemlerinde Enerji Verimliliği