Kapalı Çevrim Soğutma Kulelerinde Enerji Verimliliği-2

Yazan: Hüseyin Bulgurcu, Necati Koçyiğit

4. Kapalı Çevrim Soğutma Kulelerinde Verimlilik Artıran Önlemler

4.1 Kule Tasarımı ile İlgili Konular

4.1.1 Daha Kapalı Yaklaşım (A) Seçimi

Sistem enerjisini azaltmanın başka bir yöntemi, belirli bir alan için tipik olabilecek bir yaklaşımdan daha kapalı bir yaklaşım kullanarak bir soğutma kulesi seçmektir. Kule yaklaşımı, soğutma kulesini terk eden su sıcaklığı ile giren havanın yaş termometre sıcaklığının arasındaki fark olarak tanımlanır. Daha kapalı bir tasarım yaklaşımı seçildiğinde, ortaya çıkan soğutma kulesi, soğutma grubu kompresör enerjisini azaltacak şekilde kondenser için daha soğuk su sağlar.

Eklenen soğutma kulesi maliyeti ve potansiyel olarak daha büyük kule fanı beygir gücü ve pompa basma yüksekliği beklenen soğutma grubu enerji tasarrufuna göre değerlendirilmelidir. Veri merkezlerinde veya belirli üretim tesislerinde yaşananlar gibi, yıl boyu süren sabit yüklere sahip tesisler, genellikle bu yöntemden en büyük yararı elde eder [9].

4.1.2 Kule Dolgusunun Verime Etkisi

Hava ve su arasındaki ısı geçişi, su-hava temas alanı, ısı değişim zamanı (etkileşim) ve suyun hava ile temasını artıran hava girdabından etkilenir. Polimer dolgular üzerinde oluşturulan dolgu yüzey özellikleri maksimum ısı aktarımı için su filmini karışık ve girdaplı hale getirir (Şekil 6). Soğutma kulesi dolgusu, ısı transferini maksimuma çıkarmalı, ancak kısa sürede kirlenmemelidir (Şekil 7). Dolgu seçimi şartlanmış suyun kalitesine aşırı bağlıdır. Bir film dolgusunda su, dolgu tabakalarının her iki tarafında ince bir film oluşturur. Böylece ısı değişimi alanı, hava ile temas halinde olan dolgu tabakalarının yüzey alanıdır (Tablo 2).

Şekil 6. Dolgu yüzeyi mikro yapısında pürüzler oluşturularak verim artışı sağlanması [10]

Şekil 7. Karşı akışlı film tipi dolguların genel tipleri [10]

4.1.3 Yüksek Verimli Motor Kullanımı

Kulelerde kullanılan fan ve dolaşım pompaları için yüksek verimli elektrik motorları kullanılırsa enerji tasarruf potansiyeli %3 ila %17 arasında azalır (Tablo 3). Elektrik motorlarındaki kayıplar; stator ve rotor sargı kayıpları, demir kayıpları, sürtünme ve havalandırma kayıplarından oluşur ve tamamen ısıya dönüşürler. Bir sistemin verimliliği için sadece yüksek verimli elektrik motoru kullanmak yeterli değildir, aynı zamanda uygun güçte elektrik motoru seçimi ve motoru en yüksek verim bölgesinde çalıştırmak da gereklidir [6].

Avrupa Elektrik Makineleri ve Güç Elektroniği Üreticileri Komitesi (CEMEP) 2008 yılında verimlilik sınıflarına IEC tarafından IE1, IE2, IE3, IE4 şeklinde yeni bir tanımlama getirilmiş olup IEC 60034:30 standart numarasıyla yayımlanmış, IE1 Standart Verimli, IE2 Yüksek Verimli, IE3 Premium Verimlilik ve IE4 Süper Premium Verimlilik olarak tanımlanmıştır [12]. 2015 yılından itibaren daimi mıknatıslı (PM) senkron motorlar için IE5 Ultra Premium Verimlilik standardı geliştirilmiştir.

Şekil 8’de 4 kutuplu bir alternatif akım motorlarının IE1, IE2, IE3 ve IE4 verimlilik sınıfları için verim eğrileri görülmektedir.

Tipik bir motorun satın alma maliyeti, o motorun toplam maliyetinin %2’sinden bile azdır. Enerji maliyeti ise toplam maliyetin %98’i olabilmektedir. Yani tipik bir motor ortalama 20 yıl olan çalışma ömrü boyunca satın alma maliyetinin 50 katından fazlasını tükettiği enerjinin maliyeti oluşturmaktadır.

Şekil 8. Dört kutuplu 50 Hz elektrik motorlarının verim eğrileri [12]

4.2 Enerji Verimli Fanların Kullanımı

Cam elyaf takviyeli plastik (CTP) fanı, ısıyı sudan havaya transfer etmede önemli bir rol oynayan soğutma kulesinin en önemli bileşenidir. Doğrudan bir elektrik motoru tarafından tahrik edilen fan, aksiyal yönde soğutma kulesi boyunca ağırlaşmış havayı emer. Fan soğutma kulesinin enerjiyi elektrik enerjisi olarak tüketen tek parçasıdır. Bu nedenle bir fan seçerken yatırım, para ve enerji tasarrufu için akıllıca yapılmalıdır. Enerji verimliliğini artırmak, elektrik şebekemize başka bir temiz enerji kaynağı eklemek gibidir. Bu fanlar geleneksel alüminyum kanatlı fanlara kıyasla %25’e varan oranda tasarrufludur [13].

Güçlendirilmiş fiber cam polyester reçine, CTP fan kanatlarına korozif olmayan ve şok emici bir kalite sağlar, bu da onları korozif çevreye karşı korur. Ayrıca, ani duruşlarda malzeme maliyetini, kurulum maliyetini ve fan hasarını da azaltır.

4.3 Soğutma Kulelerinde Su Tasarrufu

Sistemde korozyonu, çökelti oluşumunu engellemek ve mikrobiyolojik artışı kontrol etmek için soğutma kulelerinde suyun arıtılması gereklidir. Genellikle bu işlem aşağıdakilerden biri ile gerçekleştirilir [6]:

• Doğrudan kimyasal dozlama (çökeltiyi ve korozyonu önlemek için)
• Asit dozajı (pH ve ölçeği kontrol etmek için)
• Ozon dozu (veya mikrobiyolojik büyümeyi önlemek için başka mikrobik tedavi)
• Besleme suyunun ön işlemi (reçineli su yumuşatma, ters osmoz)
• Yan akış filtrelemesi (katı birikmeyi önlemek için)
• Soğutma kulelerinin güneşe maruz kalan alanlarını örtün (yosun oluşumunu azaltmak için) 

4.3.1 Dolaşım Derişikliklerini Yüksek Tutma

Kuleden daha fazla suyu boşaltmadan önce geri dönüştürebilir, böylece daha az su kullanılmış olur. Pek çok sistem, şartlanmış suyun kalitesine ve su arıtma rejimine bağlı olarak 2 veya 4 çevrim derişikliğinde çalışır. Kimyasal madde kullanımı izlemek ve en aza indirmek için arıtma sistemleri korozyon, çökelti ve biyolojik büyüme potansiyelini azaltır. Bu, bir kulenin daha yüksek derişiklik oranlarında güvenli bir şekilde çalışmasını sağlar. Derişiklik değeri 3 ila 6’dan daha fazla artarsa, şartlanmış suyu %20 oranında azaltır ve blöfü %50 azaltır [14]. 

4.3.2 İzleme ve Ayar Noktaları ile Su Tahliyesinin Azaltılması

Çökeltiyi ve biyolojik büyümeyi en aza indirmek için birçok operatör su kaybını artıran su tahliye sıklığını artırır. Bu yöntem etkin görünmekle birlikte, pH’ı düşürerek korozyonu da artırabilir. Tek gerçek çözüm, dikkatli bir şekilde pH değerini izlemektir ve izleme-ayar noktalarını belirleyip kurmaktadır [14].

4.3.3 İletkenlik Kontrolü Kurulması

Soğutma ile ilgili olduğu için, iletkenlik, sudaki çözünmüş minerallerin miktarı ile ilgili olarak elektrik iletme kabiliyetidir. Sadece tahliye suyundaki iletkenliği ölçerek ve ayar noktasının aşılıp aşılmadığını denetleyerek, kule suyu daha verimli kullanılabilir [14].

4.3.4 Akış Duyargalarını Şartlanmış Su Girişi ve Tahliye Çıkışına Bağlayın

Birçok su arıtma şirketi su soğutma kulelerinden atılan suların bertaraf edilmesini talep etmektedir. Bir tesise giren suyun tamamının tahliyenin sonunda yok olduğu varsayımı üzerine, şartlandırma hattına giren su miktarına göre faturalandırırlar. Soğutma işleminde buharlaşan önemli miktarda su ve atıksu yükünden kaçınmak için, her bir çıkışa bir akış monitörü takılması önerilir. Akış monitörleri, kuleye ne kadar su geldiğini ve ne kadar dışarı çıktığını belgeler, bu yüzden sadece su çıkışı için atık masrafları ödenmiş olur [14].

4.3.5 Su Seviyesi İzlenmeli

Güvenilir olmayan sızmaya eğilimli olan bilyeli musluk tarzı valflerden daha güvenilir dolum valflerine geçilmelidir. Dolum seviyesi çok yüksek olduğunda da su boşaltılabilir. Bu durumda, haznedeki güçlü hava akışı su yüzeyinde taşmaya neden olur. Su seviyesi, aşırı su israfını azaltmak için taşma çıkışının altında olması gerekir ve bu seviye düzenli olarak kontrol edilmelidir [14].

4.3.6 Klima Santral Serpantinlerinin Bakımlı Tutulması

Serpantinler kirlendikçe, soğutulmuş su sistemi üzerindeki yük, ayar noktası sıcaklıklarını korumaya çalıştıkça artar. Bu kolayca önlenebilir bakım sorunu, elektrik kullanımını artırır, buharlaşmalı soğutma işlemine ek maliyetler getirir ve atıksu miktarını artırır [14].

4.3.7 Kaliteli Bir Su Yumuşatma Firması Seçilmeli

Su yumuşatma firmasının, su verimliliğini çok iyi değerlendirebilir olması önemlidir. İşleri daha verimli bir şekilde yürütmek, onlardan daha az kimyasal almanız gerektiği anlamına gelir. Şartlandırma suyunu arıtmak ve mümkün olan en yüksek derişiklikte soğutma kulesini korumak için maliyetine göre bir satıcı firma seçilmelidir [14].

4.4 Kule Fanlarının Kontrolü

ASHRAE (Amerikan Isıtma-Soğutma-Klima Mühendisleri Derneği) Standart 90-1-2013’ün gerektirdiği gibi soğutma kulesi enerji kullanımını optimize etmek için birkaç özel yöntem vardır. Öncelikle, soğutma kulesi fan hızı ayrılan sıvı sıcaklığı veya sıcaklık / yoğuşma basıncı ile orantılı olarak kontrol edilmesi yeteneğine sahip olması gerekir (Şekil 9). Böylece, iki hızlı motorların kullanımı dâhil olmak üzere, kontrol sıralaması veya değişken hızlı tahrik (VSD) teknolojisi ile gerçekleştirilebilir [6].

Geleneksel kontrol sisteminde kule fanları, kule hazne sıcaklığını kontrol etmek üzere iki konumlu bir termostat yardımıyla kontrol edilir. Fan motoru olarak genelde çift devirli motor kullanılır. Fakat otomasyon firmaları bu fanlarda frekans dönüştürücü kullanımını ısrarla tavsiye etmektedirler. Çünkü kule fanlarında oransal bir kontrol sağlanarak su sıcaklığının dolayısıyla kapasitenin sabit kalması sağlanmakta ve fanlarda %50’lere varan enerji tasarrufları ortaya çıkmaktadır. Örnek olarak fan debisini %50’ye düşürmek kule kapasitesini yarıya düşürür. Fakat motor gücü hava hızının küpü ile azaldığından fan motor gücü %12,5’lara düşer ve tasarruf %87,5’lara çıkmış olur. Ayrıca soğutma grubuna gönderilen soğutulmuş suyun sıcaklığı aynı olacağından soğutma grubu performansı da hep aynı kalacaktır. Havanın aşırı sıcak olduğu durumlarda kule motorunun sağladığı ve kule mekaniğinin kaldıracağı maksimum devire frekans dönüştürücü ile çıkılarak yüksek dış ortam sıcaklıklarında bile soğutma grubu performansı neredeyse hiç düşmeden sürdürülür. Kule çıkış suyunun sıcaklığı frekans dönüştürücüye set edilip, set edilen sıcaklığı yakalamak için fan devri devamlı değişken olarak seyreder ve ciddi tasarruf sağlar [4].

Şekil 9. Kule fanının kararlı su çıkış sıcaklığı (Tkç) için oransal kontrolü

Kontrol Sıralaması: Talebi eşleştirmek için bir veya daha fazla kuleyi kapatmak üzere kontrolleri yeniden yapılandırmak veya kurmak, verimlilik tasarrufu sağlamak için kanıtlanmış bir stratejidir.

Çok hücreli soğutma kuleleri için tüm fanlar aynı fan hızında aynı anda çalıştırılmalı ve en düşük enerji kullanımı için evaporatif soğutma işleminde kullanılan ısı transfer yüzey alanı maksimize edilmelidir (Şekil 10). Bu adım kontrolü sağlayan geleneksel fan motoru (aç/kapat) tarzına karşılık gelir. Örneğin, dört fandan biri kapatıldığında sistem kapasitesi %25 düşer, tasarruf %25 olur. Ancak bu dört fanın hızı %75’e düşürüldüğünde toplam enerji tasarrufu %44 olmaktadır. Soğutma kulesi fanları üzerinde yapılan bir çalışmanın sonuçları Tablo 4’te gösterilmiş olup VSD kullanılan fanların enerji tüketimi, sabit hızda sürekli çalışma rejimine göre %12,2’ye düşmüştür [14].

Potansiyel enerji tasarruflarını göstermek için değişken hızlı fan sürücüleri olan ve olmayan dört hücreli bir soğutma kulesi örneğine bakalım. Tüm hücreler üzerinde tam su akışı ile fanları tam hızda iki hücrede çalıştırarak diğer iki hücrede bulunan vantilatörler, dört hücrede fanı yaklaşık %56 oranında fan hızında çalıştırırken kuleden çıkan aynı çıkış suyu sıcaklığını üretmektedir. Bununla birlikte, tüm fanları aynı anda düşük hızda çalıştırarak fan enerjisi, fan yasaları sayesinde adım kontrolüne kıyasla %60'tan daha fazla azalır. Önemli enerji tasarruflarına ek olarak, bu kontrol dizisinin aşağıdakiler de dâhil olmak üzere başka faydaları vardır:

Tablo 4. Soğutma kulesi fanlarında çeşitli kontrol yöntemlerinde enerji kullanımı [14]

Şekil 10. Dört hücreli kule fanlarından biri kapatıldığında kapasite %75’e düşer [16]

• Önemli ölçüde geliştirilmiş kondenser su sıcaklığı kontrolü;
• Daha düşük ortalama fan hızı ve azaltılmış başlatma ve duruşlar sayesinde fan sistemi bakımı en aza indirgenir;
• Soğutma kulesi, yumuşak fan yol verme sistemi ile başladığında ve durduğunda daha düşük ortalama fan hızı nedeniyle daha düşük bir ses seviyesine sahip olur,
• Tüm fan motorlarına, gecikme kalkış düzenlemesine gerek kalmaksızın uygulanabilir.

Soğutma kulesi fanı enerjisini azaltmak için bir başka etkili teknik, soğutma kulesi içindeki ısı transfer yüzeyinin miktarını artırmak ve böylece gerekli hava akışını ve kule ile ilişkili hava basıncı kaybını azaltmaktır. Bu, aynı termal görev için gerekli olan fan motoru boyutunu azaltır. %25 ila %50 arasındaki motor büyüklüğü azaltmaları çoğu projede ekonomik olarak pratiktir [15].

4.5 Kule Pompalarının Kontrolü

Soğutma grubu ile kule fanı arasındaki su dolaşımını sağlamak için kullanılırlar. Soğutma gruplarının kapasitesine göre otomasyon sistemi tarafından devreye alınıp çıkarılırlar. Soğutma gruplarının toplam kapasitesine göre pompa sayısına bağlı olarak kapasiteye karşılık gelen pompa sayısı kadar pompa devreye alınarak, reel kapasitenin gerektirdiği kadar su kuleye basılır. Pompalar rotasyonlu çalıştırılarak eş yaşlanmaları geciktirilir. 

4.6 Üç yollu Vana ile Debi Kontrolü

Üç yollu su çevirme valfleri soğutma kulesine gönderilecek su miktarını otomatik olarak kontrol eder. Bir termostat, kondensere giden suyun sıcaklığı hisseder. Kuleden ayrılan suyun sıcaklığının azalması ile valf, suyun kule baypas hattına geçmesine müsaade eder. Baypas edilen su, pompanın ana emiş hattına veya direkt olarak kule su haznesine akar. Soğutulmamış su, soğuk su ile karışarak kuleden kondensere giden suyun sıcaklığını artırır [4]. 

4.7 Düzenli Bakım ve Optimizasyon

Soğutma kulesi sistemlerinin uygun bakımı ve optimizasyonu, sistemlerin ömrünü uzatabilir [6]. Soğutma suyu sistemi ve su arıtma sistemleri aylık olarak kontrol edilmeli ve en az altı ayda bir temizlenmelidir. Her ay drenaj sistemi de denetlenmeli, çalıştırılmalı ve yıkanmalıdır.
Bakım şunları içermelidir:

• Yapılması Gereken Denetimler

- Contalar, pompalar, kule kılıfları, hava girişleri veya egzoz boruları gibi herhangi bir hasar veya sızıntı için
- Şamandıra ve vana optimum performans sağlamak ve gerekirse ayarlamak için uygun çalışıyor mu?
- Damla tutucular optimum hava sirkülasyonunu sağlıyor mu ve iyi çalışır durumda mıdır?
- Kuledeki ortamları doldurmak optimum su soğutması için iyi durumda mıdır?
- Su dağıtım besleme sistemi temiz midir ve soğutma sistemi boyunca eşit ve tutarlı bir akış sağlıyor mu?

• Servis ve Temizlik

-    Gereksiz blöfleri azaltmak ve gerekirse yeniden kalibre etmek için iletkenlik probunu,
-    Kirlenmeyi önlemek için boşaltma hattını,
-    Üretici şartnamelerine göre kule ve dolgu malzemesini temizleyin.

4.8 Ölçme ve İzleme

Bu ölçümleri yapmak verimli bir işletme için gereklidir:

• Akım ölçüm cihazlarını hem giriş (giriş) hem de üfleme (çıkış) hatlarına monte edin ve normal tüketim alışkanlıklarının oluşturulmasını ve anormalliklerin hızlı bir şekilde tanımlanmasını (genellikle sistemdeki kayıpların iyi bir göstergesi) sağlamak için haftalık olarak izleyin.
• Besleme ve taşma hatlarına bir iletkenlik probu takın ve iki haftada bir izleyin.
• İzleme sayesinde anormal çalışma koşulları yakalanırsa, uygun prosedürlerin ve eylemlerin gerçekleştirildiğinden emin olun.
• Anormal durumlar için sürekli izleme ve uyarı sistemleri sağlamak için ölçüm sistemlerini Bina Yönetim Sistemine (BMS) bağlayın.
• Sayaçları okurken herhangi bir sızıntı veya arıza olup olmadığını kontrol edin.
• Soğutma kulelerinde hangi kimyasalların kullanıldığını ve amaçlarını öğrenin [6].

5. Sonuçlar ve Tartışma

Kapalı çevrim soğutma kulelerinde verimlilik; tasarımla başlayan, koruyucu bakım ile sürdürülen bir süreçtir. Kapalı tip kulelerde dolgu kullanılması etkinliklerini önemli ölçüde artırmaktadır. Özellikle tasarımda kulenin kullanılacağı coğrafik bölgenin ağırlıklı yaz mevsim şartları dikkate alınmalı, kısmen yanlış bilgiler içeren eski dış sıcaklık tasarım tabloları dikkate alınmamalı, güncel meteorolojik bilgiler referans alınmalıdır. Tasarımda önemli noktalardan biri de (L/G) sıvı/gaz oranının çok iyi seçilmesidir. L/G oranının kule giriş sıcaklığına bağlı optimum seçimi için literatürde güzel çalışmalar mevcuttur. Yine dolgu malzemesinin seçiminde dolgu sıklığı, etkinlik ve kirlenme hızı gibi faktörler dikkate alınmalıdır. Buharlaşma, sürüklenme ve sıçrama ile oluşan su kaybını azaltmak için kule alın hızı 3 m/s’nin altında tutulmalı, dolgular, damla tutucular ve giriş panjurları kaliteli ürünlerden seçilmelidir. Şartlandırılmış suyun kontrolü ve yönetimi ayrı bir uzmanlık alanı olup bu konuda çalışan firmalardan profesyonel destek alınmalıdır. Fan ve pompa motorlarında mümkünse IE5 sınıfı, daimi mıknatıslı ultra yüksek verimli motorlar tercih edilmeli, özellikle fanların yönetiminde kule su çıkış sıcaklığına bağlı çalışan değişken hızlı sürücüler (VSD) tercih edilmeli, fan kanatlarının CTP gibi kompozit hafif malzemelerden yapılmış olması hedeflenmelidir.

Kaynaklar

[1] Application Handbook EU-Edition IV, BAC Baltimore Aircoil Company, Industriepark Zone A, B-2220 Heist-op-den-Berg, Belgium
[2] FONTES T, “Benefits of Water-Cooled Systems vs. Air-Cooled Systems for Air Conditioning Applications” CTI Sponsored Educational Program Air Cooled & Water Cooled Systems 2013 AHR Expo – Dallas, January 28, 2013.
[3] Birkan BAKANAY, TOSUNUOĞLU, S., ZENGİN G., “Endüstriyel Soğutma Kulelerinde Enerji Verimliliği”http://www.cenk.com.tr/Upload/5227792SogutmaKulelerindeEnerjiVerimliligi13.12.20161624.pdf (20.10.2018 tarihinde erişildi)
[4] BULGURCU H, İklimlendirme ve Soğutma Sistemlerinde Otomatik Kontrol, 308 sayfa, Doğa Teknik Yayın no:02 İstanbul 2005.
[5] http://www.em-ea.org/guide%20books/book-3/chapter%203.7%20cooling%20tower.pdf (09.11.2018 tarihinde erişildi)
[6] https://www.ecoefficiencygroup.com.au/wp-content/uploads/2017/11/00976-F9-Cooling-tower.pdf (5.11.2018 tarihinde erişildi)
[7] KEISTER T., “Cooling Water Management Basic Principles and Technology”, ProChemTech International, Inc., 2001.
[8] AHERNE V.J. “Water Conservation In Cooling Towers”, https://www.airah.org.au/Content_Files/BestPracticeGuides/BPG_Cooling_Towers.pdf (22.10.2018 tarihinde erişildi)
[9] MORRISON F., “Saving Energy With Cooling Towers” Ashrae Journal, February 2014.
[10] AULL R., “Cooling Tower Fills to Optimize CT Performance”, NTPC IPS (Indian Power Stations) 2013 O&M Conference, February 13-15 New Delhi. 
[11] Türk Standartları Enstitüsü- 30.10.2014, TS EN 60034-30-1 Döner elektrik makineleri - Bölüm 30-1: Şebeke tarafından beslenen AA motorlar için verimlilik sınıfları (IE kodu)
[12] Maarten van Werkhoven, “Electric Motor Systems: targeting and implementing efficiency improvements” https://www.slideshare.net/sustenergy/electric-motor-systems-targeting-and-implementing-efficiency-improvements (11.11.2018 tarihinde erişildi)
[13] http://deltacoolingtowers.in/energy_saving_frp_fan.html (16.10.2018 tarihinde erişildi)
[14] Anonymous, Cooling Tower Energy and its Management, Technical Report, Spx Cooling
Technologıes, INC., https://spxcooling.com/library/detail/cooling-tower-energy-and-its-management (19.11.2018 tarihinde erişildi)
[15] MARTENS, K., Cooling Tower Fundamentals and Design, CTI Sponsored Educational Program, Cooling Tower 101. January 21, 2014.
[16] https://www.hydropoint.com/blog/water_cooling_tower/ (15.10.2018 tarihinde erişildi)