Kapalı Çevrim Soğutma Kulelerinde Enerji Verimliliği

Yazan: Hüseyin Bulgurcu, Necati Koçyiğit

1. Giriş

Kapalı devre soğutma kuleleri, açık soğutma kulelerine benzer bir şekilde çalışır, ancak uzaklaştırılacak ısı yükü, süreç akışkanından (soğutulan sıvı) bir ısı değiştirici serpantin vasıtasıyla ortam havasına aktarılır. Serpantin, süreç akışkanını dışarıdaki havadan yalıtarak, kapalı bir döngü içinde temiz ve kirlenmekten uzak tutar. Bu sistemde, iki ayrı akışkan devresi oluşturur: (1) sprey suyunun serpantin üzerinde dolaştığı ve dış hava ile karıştığı bir dış devre ve (2) süreç sıvısının bobinin içinde dolaştığı bir iç devre. Çalışma sırasında, ısı iç devreden, bobin içinden sprey suyuna ve daha sonra suyun bir kısmı buharlaşarak atmosfere aktarılır.

Açık soğutma kuleleri, süreç soğutma suyunu tipik olarak bir soğutma grubu sistem döngüsünün parçası olarak atmosfere maruz bırakır. Bu açık kuleler verimli, basit ve ekonomik bir tasarım kullanır. Açık bir sistemdeki tüm bileşenler, soğutma kulesiyle getirilen oksijenle uyumlu olmalıdır.

Kapalı devre soğutma kuleleri, işlem soğutma akışkanını atmosferden tamamen izole eder. Bu, ısı uzaklaştırma ekipmanını bir kapalı devre kulesinde bir ısı değiştirici ile birleştirerek gerçekleştirilir (Şekil 1). Kapalı döngü sistemi, süreç sıvısının kalitesini korur, sistem bakımını azaltır ve biraz daha yüksek bir başlangıç maliyetiyle operasyonel esneklik sağlar.
Şekil 1. Kapalı çevrim kule çeşitleri (A: Karşı akışlı B: Çapraz akışlı C: Karışık akışlı dolgu eklentili D: Karışık akışlı, dolgu eklentili çift taraflı) (1:Hava girişi, 2:Hava çıkışı, 3:Akışkan girişi, 4:Akışkan çıkışı, 5:Islak dolgu yüzeyi, 6:Soğuk su haznesi, 7:Su dağıtım sistemi, 8:Serpantin, 9:Kule pompası, 10:Damla tutucuları, 11:Seçime bağlı ilave yüzey) [1].

Bir uygulama için hangi sistemin en iyi olduğuna karar verirken, birkaç faktör dikkate alınmalıdır:

• Bir uygulama yıl boyunca tam kapasite üretecekse, temiz, güvenilir bir sistem döngüsünü korumak çok önemlidir. Süreç akışkanının kapalı bir döngü sisteminde yalıtılması, havadaki kirleticilerin sisteme girmesini ve kirlenmesini önler. 
• Açık çevrim sisteminde optimum performansın sürdürülmesi, benzer verimliliği sağlamak için düzenli bakım gerektirir. Yüksek verimli soğutma grupları ve ısı değiştiricilerinin düzgün çalışabilmesi için temiz işlem suyuna bağlıdır ve küçük miktarlardaki kirlenmelerden bile büyük ölçüde etkilenir.

Açık sistem, ara ısı eşanjörü bileşenini içermediğinden, bir açık çevrim sisteminin başlangıç ekipman maliyeti, karşılaştırılabilir büyüklükteki kapalı döngü sisteminden daha az olacaktır. Bununla birlikte, kapalı döngü sisteminin daha yüksek ilk maliyeti, aşağıdaki tasarruflar yoluyla belli bir işletme süresinde geri ödenecektir:

• Temizleyici işlem sıvısı, daha temiz bir iç yüzey alanına ve sistemdeki daha yüksek verimli bileşenlere (ör. Soğutma grubu) neden olur.
• Azaltılmış sistem bakım maliyetleri
• Evaporatif ekipman için azaltılmış su arıtma maliyetleri
• Enerji tüketimini azaltmak için kış aylarında “serbest soğutma” modunda çalışma

Kapalı çevrim sisteminin süreç sıvısı ortamdan tamamen yalıtıldığından, rutin bakım sadece ısı uzaklaştıran ekipmanın kendisinde gereklidir. Isı değiştiriciyi temizlemek için sistemi periyodik olarak kapatma ihtiyacı, tamamen ortadan kaldırılmasa da önemli ölçüde azalır. Sisteme temiz süreç sıvısı sağlamak, sistemdeki diğer bileşenlerin ömrünü uzatacaktır (kondenser boruları, kompresörler, vs.).

Açık devre soğutma kuleleri, kapalı çevrim kulelerin sağladığı aşağıdaki avantajlara sahip değildir [1]:

• Bir ara ısı eşanjörü gerekmeden serbest soğutma işlemi: Soğutma grubu kapatılabilir.
• Kuru çalışma: Su ve arıtma kimyasallarını korur, buzlanmayı önler ve lifleri yok eder.
• Değişken pompalama: Kapalı kondenser su döngüsü, enerji tasarrufu için değişken hızlı pompalamaya izin verir.

Bazen açık bir soğutma kulesi, kapalı devre soğutmanın bazı faydalarını yakalamak için bir ısı eşanjörü ile eşleştirilir. Bu açık kule/ısı değiştirici bileşimi üzerinde kapalı devre soğutma kuleleri seçmek aşağıdaki nedenlerden dolayı hala daha iyi bir seçenek olabilir [1]:

• Toplam maliyet: Açık kule döngüsüne bir ısı değiştiricisinin (pompa, boru tesisatı vb.) eklenmesi, başlangıç maliyetini kapalı devre kule sistemininkiyle daha yakın hale getirir.
• Tek parça ekipman: Kapalı devre kulesinin kompakt tasarımı, kule / ısı eşanjörü düzenlemesi için birden fazla yere kıyasla bağımsız bir pakette alanı korur
• Bakım: Isı değiştiricisinde dar aralık (ör. Levha ve çerçeve), açık kulenin kattığı katı maddeleri sıkıştırabilir ve optimum performansı sağlamak için sık sık ve zaman alıcı bir temizlik gerektirir.
• Kuru çalışma: Açık kule / ısı değiştirici sistemi kışın kuru çalıştırılamaz.

Sulu soğutmalı sistemlerin iklimlendirme uygulamalarında kullanımı hava soğutmalı sistemlere göre %47 verim artışı sağlamaktadır [2]. Kule verimlerinin daha üst noktalara çekilmesiyle bu dolaylı verim daha da yükseklere çıkabilecektir.

Kapalı çevrim soğutma kulelerinde enerji verimliliği konusu tasarım ile başlayan ve bakım ile sürdürülen bir süreç olduğundan sadece üretici firmanın sorumluluğunda değildir. Aynı kapasiteyi veren farklı verimlerde onlarca farklı tasarım yapılabilir. Ayrıca ülkemizde yapılan bir çalışmada [3] aynı kapasiteyi veren yüksek verimli-pahalı bir kule ile düşük verimli-ucuz bir kulenin iki yıllık bir işletme süresi içinde maliyetlerin eşitlendiği ve daha sonraki yıllarda yüksek verimli kulenin çok önemli parasal tasarruf sağladığı belirlenmiştir. 

Enerji tasarruflu veya düşük güç tüketen bir soğutma kulesi, uygun su dağıtımı, damla tutucu, fan, dişli kutusu ve motorla verimli dolgu malzemesi tasarımlarına sahip olmaktır. Soğutma kulesi içindeki güç tasarrufu, verimli dolgu tasarımı sayesinde, fan güç tüketimi ve pompalama basma yüksekliği gereksiniminde tasarruf olarak doğrudan yansıtılır.

2. Soğutma Kulesi Kapasitesini Etkileyen Faktörler

Soğutma kulelerinin ve püskürtme havuzlarının kapasitesi ilk olarak buharlaşma miktarına bağlıdır. Buharlaşma miktarı, su ile hava arasındaki temas yüzeyine ve atmosferik havanın yaş termometre sıcaklığına bağlı olarak değişir. Su ile hava arasındaki temas yüzeyi şunlara bağlıdır:

• Yüzeyi havaya maruz bırakılan suyun miktarına,
• Temas yüzeyinin uzunluğuna,
• Kule ve havuzdan geçen havanın hızına

Atmosferik havanın yaş termometre sıcaklık değişmesi kontrol edilemez. Fakat yaş termometre sıcaklığı azaldığında hava daha fazla su soğurabilir ve böylece daha fazla buharlaşma gerçekleşir. Bundan dolayı soğutma kulesi ve püskürtme havuzu kapasitesini arttırmak, havanın yaş termometre sıcaklığını düşürmekle mümkün olabilir. Havanın kuru termometre sıcaklığı bu sistemlerin kapasitesini daha az etkiler, çünkü sudan havaya geçen hissedilir ısı miktarı azdır. Ancak su ile hava arasındaki kuru termometre sıcaklık farkları arttıkça havanın hissedilir, ısı emme miktarı da artar. Soğuk havalarda çalışma esnasında bu durum görülür.

Birçok soğutma kulesi sistemlerinde kondensere giden su sıcaklığını muhafaza etmek için kule soğutma kapasitesi kontrol edilir. Kule kapasitesi giren havanın yaş termometre sıcaklığı azaldıkça kule kapasitesi artar. Dış havanın yaş termometre sıcaklığı, tasarım sıcaklıklarına bağlı olarak kuleden çıkan suyun sıcaklığından daha düşük oluncaya kadar azaltılabilir. Sonuçta, su kondensere girdiğinde daha soğuk olacaktır ve daha fazla ısı soğuracaktır. Sonra yoğunlaşma basıncı minimum seviyenin altına düşecek ve evaporatör yeterli soğutucu akışkan alamayacaktır. Kule kapasitesinin maksimum değerden fazla artmasını önlemek için dört farklı tip otomatik kontrol cihazı kullanılır [4]:

• Üç yollu su yönlendirme valfleri
• Fanın aralıklı (on-off) çalıştırılması
• Fan hız kontrolü
• Damper modülasyonu

3. Soğutma Kulesinde Enerji Verimliliği ve Su Sistemi Kavramları

Soğutma kulelerinin performansını değerlendirmek, enerji israf alanları belirlemek ve iyileştirmeleri önermek için tasarım değerlerine doğru “yaklaşım” ve “fark” kavramları kullanılır. Performans değerlendirme sırasında, taşınabilir veya sabit izleme araçları, aşağıdaki parametreleri ölçmek için kullanılır [5]:

• Hava yaş termometre sıcaklığı
• Hava kuru termometre sıcaklığı
• Soğutma kulesi su giriş sıcaklığı
• Soğutma kulesi su çıkış sıcaklığı
• Egzoz hava sıcaklığı
• Pompa ve fan motorlarının elektriksel ölçümler
• Su akış hızı
• Hava debisi

Daha sonra bu ölçülen parametreler ve çeşitli şekillerde soğutma kulesi performansını belirlemek için kullanılır. Bunlar;

1) Fark (R): R soğutma kulesi suyu giriş sıcaklığı (Tkg) ve çıkış sıcaklığı (Tkç) arasındaki farktır (Şekil 1) ve birimleri °C‘dir. Yüksek soğutma farkı ile soğutma kulesinde su çıkış sıcaklığını düşürmek mümkün olur ve bu nedenle iyi performans anlamına gelmektedir. R eşitliği aşağıdaki gibidir:

 (1)

2) Yaklaşım (A): Yaklaşım (°C), Tkg ile hava giriş yaş termometre sıcaklığı (T1y) arasındaki farktır (Şekil 1). Düşük yaklaşım iyi soğutma kulesi performansını gösterir. R (aralık) ve A birlikte izlenmesine rağmen, A soğutma kulesi performansının daha iyi bir göstergesidir ve eşitliği aşağıdaki gibidir:

 (2)

Şekil 1. Soğutma kulelerinde “fark” ve “yaklaşım” kavramları [5]

3) Kule Verimi (nk): nk (%) Soğutma farkı (R) ile fark ve yaklaşım toplamı arasındaki yüzde orandır. Bu oran ne kadar yüksekse soğutma kulesi verimliliği o kadar yüksek demektir. nk eşitliği aşağıdaki gibidir:

 (3)

c) Soğutma kapasitesi (Q):  Q atılan ısının miktarıdır ve birimi kW’tır ve eşitliği aşağıdaki gibidir:

Burada, kulede dolaşan su debisi (kg/s) ve    kule suyunun özgül ısısıdır (kJ/kgK). 

 (4)

4) Buharlaşma kaybı (E): E soğutma işlemi için buharlaştırılarak su miktarıdır ve birimi m3/h’dir. Teorik olarak buharlaşma miktarı atılan her 1.000.000 kcal ısı için 1,8 m3 su dışarı atılır. Hesaplama için aşağıdaki deneye dayalı Perry eşitliği kullanılabilir:

 (5)

  (6)

Burada,   kütlesel hava debisi, Hv gizli buharlaşma ısısıdır ve birimi kJ/kg’dır.
(4) bağıntısı ile (6) bağıntısı eşitlenirse;

 (7)

bağıntısı bulunur. Cpsu=4,188 kJ/kgK ve Hv=2260 kJ/kg alınırsa aşağıdaki eşitlik elde edilir:

  (8)

Şekil 2. Kapalı çevrim soğutma kulesi sistemi [6]

5) Damlama ve Sürüklenme Kaybı (W): W normalde süreç tasarımına dayanan soğutma kulesi üreticisi tarafından verilir. Mevcut değilse, aşağıdaki gibi kabul edilebilir:

  (9)

6) Şartlanmış Su Gereksinimi (M): Soğutma kulesi kütle dengesi, şartlanmış su gereksinimi hakkında bir fikir verir. Soğutma kulesindeki şartlanmış su ihtiyacı (M), buharlaşma (E), Sürüklenme (W) ve boşaltma işleminden (D) kaynaklanan su kayıplarının yerini almalıdır:

  (10)

7) Dolaşım Suyu Derişikliği (C): C, suda oluşan toplam çözünmüş katı madde miktarının (TDS) (birimi mg/L) şartlanmış su içinde çözülmüş katı madde miktarına oranıdır ve eşitlik aşağıdaki gibi ifade edilir:

  (11)

Derişiklik değeri kalsiyum (Ca) sertliği cinsinden de ifade edilebilir:

  (12)

TDS'yi pratik bir şekilde doğrudan ölçmek zordur, ancak suda elektriksel olarak iletken hale gelen suda çözünmüş katı maddelerdir. Daha yüksek TDS seviyelerine sahip su, daha düşük TDS seviyelerine sahip sudan daha fazla elektrik iletmektedir. Su iletkenliğinin akım teknolojisi kullanılarak ölçülmesi nispeten kolaydır ve bu genellikle TDS için bir gösterge olarak kullanılır. TDS bu nedenle C için kullanılan parametredir. Bu nedenle, boşaltılan su debisi sistem iletkenlik duyargası tarafından kontrol edilir (Şekil 3). İletkenliğin birimi mikro-siemens/cm (µS/cm). Bu nedenle C şöyle ifade edilebilir:

  (13)

Dolaşım suyu derişikliği, süreç tasarımına bağlı olarak normalde 3,0 ila 7,0 arasında değişir. Soğutma kulesinin şartlanmış su ihtiyacını azaltmak için dolaşım suyu derişikliğini olabildiğince yüksek tutmak tavsiye edilir. Aynı zamanda, yüksek dolaşım suyu derişikliği, dolaşımdaki soğutma suyundaki çözünmüş katı madde derişikliğini arttırır, bu da süreç ısı transfer ekipmanının çökelti yapmasına ve kirlenmesine neden olur.

Bir sisteme eklenen arıtma kimyasalları, dolaşan suyun iletkenliğini arttıracak ve bu, TDS veya iletkenlik yoluyla dolaşımları kontrol ederken dikkate alınmalıdır. Su arıtma endüstrisi geleneksel olarak klor iyonu (Cl-) olarak klorürleri kullanır veya kalsiyum karbonat (CaCO3) olarak ifade edilir. Bu, tahliye edilecek su miktarını kontrol ederek dolaşım suyu derişikliğini belirlemek için bir ıslak analiz olarak gerçekleştirilmiştir. Soğutma kulesi bileşenlerinde paslanmaz çelik ve koruyucu kaplamalar gibi bazı malzemeler belirli derecelerde klorür seviyesi sınırlamalarına sahip olabilir. Şekil 4’de kule suyunda kimyasal kontrol cihazı görülmektedir.

Su dolaşım derişiklikleri, dolaşım suyunun korozyon/kireçlenme potansiyeli üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olabilir ve uygun bir korozyon kontrol programı ile kombine edilmiş soğutma kulesi/su sistemi için uygun yapı malzemelerinin seçilmesi, operatörün daha yüksek dolaşım derişikliği çalıştırmasını sağlayabilir.

Uygun bir su dolaşım derişikliği seçilmesi karmaşık bir süreçtir ve operatörler ve su arıtma servis sağlayıcıları bu hususlara bütünsel bir yaklaşım benimsemelidir. Elde edilebilen dolaşım derişiklik sayısının üst sınırı, esas olarak, şartlanmış suyun saflığı ile belirlenir. Dolaşım süresini arttırarak, su tahliyesini azaltır ve böylece sistemin ihtiyaç duyduğu şartlanmış suyun miktarını azaltır.

Şekil 3. Suda iletkenlik kontrol cihazı [7]

Şekil 4. Besleme ve tahliye suyu kimyasal kontrol cihazı [7]

Bununla birlikte, bir sistemin su tüketimini daha yüksek dolaşım derişiklikleri kullanarak azaltmanın yanı sıra, dolaşım derişikliği üzerinde doğrudan etki yaratabilecek döngü sayısını sınırlayan başka faktörler de vardır:

• Sistemin çalışma verimliliği: Çok yüksek çalışma dolaşımları, ısı değişim sürecinin etkinliğini ve verimliliğini azaltarak çökelti ve kirlenmeyi artırabilir.
• Sistemin korozyon potansiyeli: Dolaşımı arttırmak aktif korozyon mekanizmalarını değiştirebilir ve sistem ekipman ömrünü azaltabilir.
• Su arıtma: Dolaşımı arttırmak, ek veya farklı su arıtma kontrolleri gerektiren dolaşım suyunun pH'ını artırabilir.

Su arıtma seçenekleri, sistem içinde izin verilen dolaşım derişiklerini arttırma çabalarına yardımcı olmak için kullanılabilir. Şartlandırılma kalitesini arttırmak için su ön işleme tabi tutulabilir veya filtrelenebilir ve böylece derişiklikte artışa imkân verir, böylece su tahliyesini azaltır.

C değerinin iyileştirilmesinden elde edilen su tasarrufu sınırlıdır. Şekil 5'ten görülebileceği gibi, elde edilebilen su tasarruflarının büyüklüğü yükselen C değerleri ile azalmaktadır. Uygulanan soğutma farkına (R) bağlı olarak (buharlaşma oranlarını etkiler) ve genellikle % 0,002 oranında sürüklenme varsayılırsa, C değerinin 6 veya 7’ye kadar olduğu zaman su tasarrufunun en yüksek olduğu ve 10'nun üzerine yükseldikten sonra ise su tasarrufunun önemli ölçüde azaldığı görülmektedir. Su besleme kalitesine karşı elde edilebilecek maksimum müsaade edilebilir C değeri için su dağıtım işletmesine veya su arıtma servis sağlayıcısına danışılmalıdır.

Bir sistemdeki dolaşım derişikliklerini arttırarak tasarruf edilen suyun hacmi, aşağıdaki eşitlik ile tahmin edilebilir:
   (14)    Burada, sırasıyla V, tasarruf edilen suyun hacmi (m3), M, başlangıç su hacmi (m3), C1, başlangıçtaki dolaşım derişikliği ve C2, sondaki dolaşım derişikliği şeklindedir.

Şekil 5. Bir soğutma kulesinde su debisi ve derişiklik (C) arasındaki tipik ilişki [8]

Tablo 1’de C1'den C2'ye kadar dolaşım derişiklik sayısının artırılarak elde edilebilecek potansiyel su tasarruflarının bir tahmini sunulmaktadır.

Tablo 1. Potansiyel su tasarruf yüzdesi [8]

8) Akış kayıpları (FL): Akış kayıpları derişiklik ve buharlaşma kayıplarına bağlıdır ve aşağıdaki eşitlik ile bulunur:

  (15)

burada, sırasıyla FL, akış kayıpları (m3/h), E, buharlaşan su debisi (m3/h) ve C, derişiklik oranı şeklindedir.

9) Sıvı/Gaz (L/G) oranı: Bir soğutma kulesinin L/G oranı, su ve hava kütle akış debileri arasındaki orandır. Soğutma kulelerinde L/G oranları dolgu tipine ve kule su giriş sıcaklığına bağlı olarak seçilebilir, ancak mevsimsel değişimlerde iyi soğutma kulesi verimi sağlamak için su ve hava debilerinin ayarlanması gereklidir. Kapasite ayarlamaları üç yollu vanalar ile su yükleme değişiklikleri veya fan devir sayısı değişimleri ile yapılabilir. Termodinamik kurallarına göre sudan atılan ısı, çevredeki havanın emdiği ısıya eşit olması gerektiğini ifade eder. Bu nedenle, aşağıdaki bağıntı kullanılabilir:

  (16)

burada, sırasıyla L/G, sıvı ile gaz kütle akım oranı (kg/kg), h1 kuleye giren havanın entalpisi (kJ/kg) ve h2 kuleden ayrılan nemli havanın entalpisi (kJ/kg) şeklindedir.

Makalenin devamı, sonraki sayımızda.