KURU TĠP SOĞUTMA KULELERĠNDE HAVANIN SABĠT MUTLAK NEM VEYA BAĞIL NEMDE ISINMASININ ANALĠZĠ Tuncay YILMAZ*, Alper YILMAZ**, Mehmet Tahir ERDĠNÇ*** *Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü, 80000, Osmaniye, tyilmaz@osmaniye.edu.tr **Çukurova Üniversitesi Otomotiv Mühendisliği Bölümü,01330, Balcalı, Adana, alpyil@osmaniye.edu.tr ***Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü, 80000, Osmaniye, mehmettahirerdic@osmaniye.edu.tr Özet: Son yıllarda kuru tip soğutma kulelerine yöneliş hızlanmaktadır. Bunun için çeşitli tiplerin karşılaştırılmasında yarar bulunmaktadır. Bu çalışmada kuru tip bir soğutma kulesinde adiyabatik nemlendirme ile soğutulan havanın sabit mutlak nem durumunda boru içinden geçen sıcak suyun soğutulması ve ayrıca boru üstlerinin tekrar nemlendirilerek boru içinden geçen suyun sabit bağıl nemde soğumasının analizi su-hava debisi oranına, nemlendirilen bağıl nem değerine ve NTU ya bağlı olarak yapılmıştır. 3 farklı iklim bölgesinde1., 2. ve 3. bölge bulunan iller için ayrı ayrı hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar ışığında iki ayrı kuru soğutma kulesi arasındaki performans farkları diyagramlar vasıtasıyla çeşitli parametreler için açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Adyabatik nemlendirme, kuru soğutma kulesi, sabit mutlak nem, sabit bağıl nem. ANAYSIS OF HEATING OF AIR AT CONSTANT ABSOLUTE OR RELATIVE HUMDITY IN DRY COOLING TOWER Abstract: In last years demand on dry cooling towers are increased. So it will be useful to compare various types of them. In this study, in case of constant relative or absolute humidity of adiabatic humidified air, cooling of warm water that flows through the pipe, is analyzed as a function of water-air mass ratio, relative humidity and NTU. For provinces of 3 different climatic zones1., 2. and 3. zones calculations are carried out. So in the light of these calculations comparision of performance of two dry type towers using the diagrams are explained for different parameters. Key words: Adiabatic humidification, dry cooling tower, constant absolute humidity, constant relative humidity. 1. GĠRĠġ Soğutma kuleleri suyu soğutmak amacıyla soğutma sistemleri, güç santralleri ve demir çelik sanayisi gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Soğutma kulesinde su soğutma işlemi ısı transferi ve daha çok kütle transferiyle gerçekleşir. Akış şekline göre karşıt ve çapraz akışlı olarak başlıca ikiye ayrılır. Proseste kullanılan soğutma suyunun hava ile temas edip etmemesi bakımından da ıslak ve kuru tip soğutma kulesi olarak ikiye ayrılır. Islak tip soğutma kulesinde proseste kullanılan su hava ile doğrudan temas halindedir. Kuru tip soğutma kulesinde ise bu su ısı değiştiricisi içerisinden geçer. Kuru tip soğutma kulelerinde proses suyunun hava ile temas etmemesi, kirlilik ve korozyon açısından avantajlıdır. Soğutma kulesi teorisi ilk olarak Merkel1925 tarafından verilmiştir. Soğutma kulelerinde etkinlik- NTU ve logaritmik ortalama antalpi metodları Jaber ve Webb1989 tarafından açıklanmıştır. Islak tip soğutma kulelerinin analitik hesaplamaları ve ıslak tip soğutma kulesi ile ilgili ayrıntılı literatür Yılmaz2010 tarafından verilmiştir. Chou1973 yapmış olduğu çalışmada kuru tip ve ıslak tip soğutma kulelerini enerji kullanılırlılığı availability yöntemi ile karşılaştırmışlar ve her birinin performansını farklı iklim koşulları için incelemişlerdir. Choi ve Glicksman1979 yaptıkları çalışmada fosil yakıtlı ve nükleer santraller için kuru ve kuru-ıslak tip soğutma kulelerinin optimizasyonunu yapmışlardır. Burada ihtiyaç durumuna göre hangi tip soğutma kulesinin kullanılabileceği hakkında önerilerde bulunmuşladır. Hesas ve arkadaşları2013 yaptıkları çalışmada yağ rafinerisinde kullanılan ıslak soğutma kulesindeki su kayıplarını azaltmak için kuru tip soğutma kullanımının ekonomik analizini yaparak karşılaştırmışlardır. Bu çalışmada su soğutmak amacıyla nemlendirilen ve soğutulan hava ile ısı transferinin sabit mutlak nem ve sabit bağıl nem koşullarında etkinlikleri araştırılmıştır. 983
ULIBTK 15 20. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi 2. HESAPLAMA ESASLARI 2.1. Sabit Mutlak Nemde Suyun Soğutulması Kuru soğutma kulesi şematik olarak Şekil 1 de, havanın durum değişimleri sabit mutlak nemde su soğutma için Şekil 2 de gösterilmiştir. Sudan havaya ısı transferinde kullanılan eşanjör için aşağıdaki eşitlik yazılabilir: Ayrıca 3 Hava çıkış fan ve motoru tarifiyle eşt.3 ten 4 su çıkışı Su Giriş T sg T sç Su Çıkış 5 bağıntısı bulunur. Eşanjör hesabı için aşağıdaki bağıntı geçerlidir: 6 ġekil 1. Kuru soğutma kulesinin sabit mutlak nemde sıcak suyun soğutulmasının şematik olarak gösterimi Burada transfer birim sayısı 7 tarifiyle 8 bağıntısı elde edilir. Burada logaritmik ortalama sıcaklık aşağıdaki gibi tarif edilmiştir. 9 ġekil 2. Kuru soğutma kulesinde sabit mutlak nemde sıcak suyun soğutulmasıyla havanın durum değişimi Havanın durumu 1 noktasında kuru ve yaş termometre sıcaklıkların T 1 ve T w1 in verilmesi ile bellidir. 2 noktası sabit antalpide nemlendirmedir. Nemlendirmenin verilen belirli bir rölatif nem ye kadar yapıldığı kabul edilmektedir. Bu durumda 2 noktası 1 2.2. Sabit Bağıl Nemde Suyun Soğutulması Sabit bağıl nemde su soğutma kulesi şematik olarak şekil 3 te, havanın durum değişimleri de şekil 4 te gösterilmiştir. Burada hesaplar aynen 2.1 de verildiği gibi yapılacaktır. Sadece eşt.2 yerine yazılması gereklidir. 10 şeklinde bulunur. Bulunan noktada x 2 mutlak nem de hesaplanarak 3 noktası için 2 eşitliği geçerlidir. 2 den 3 noktasına havanın ısınması soğutma kulesinde suyun giriş sıcaklığı T sg den çıkış sıcaklığı T sç a kadar soğutulması ile mümkündür. 984
su çıkışı Hava çıkış fan ve motoru Su Giriş T sg T sç Su Çıkış ġekil 3. Kuru soğutma kulesinin sabit bağıl nemde sıcak suyun soğutulmasının şematik olarak gösterimi Yukarıda verilen bağıntılarla sayısal hesaplar için parametre olarak NTU ve boyutsuz sayıları kullanılacaktır. Şekil 5, 6 ve 7 de birinci iklimlendirme bölgesinde olan Adana için durumunda, su çıkış sıcaklığının NTU, ve boyutsuz sayılarının fonksiyonu olarak verilmiştir. nin x=sabit durumunda 3 su soğutma için küçük NTU değerlerinde elde edildiği, ancak =sabit durumunda NTU değeri yükseldikçe su sıcaklığının yüksek NTU değerlerine doğru düşmeye devam ettiği ve su sıcaklığının 36 den 28 ye kadar düşürülebileceği görülmektedir. debi oranı arttığında beklendiği gibi değeri de yükselmektedir. ın çok yüksek değerlerinde nin değerine yaklaşacağı tabiidir. Havanın nemlendirildiği bağıl nem değerinin de çok önemli olduğu ve arttıkça, nin de düştüğü açıkça görülmektedir. ġekil 4. Kuru soğutma kulesinde sabit bağıl nemde sıcak suyun soğutulmasıyla havanın durum değişimi 3. SAYISAL SONUÇLAR ġekil 5. Adana için su çıkış sıcaklığının NTU Hesaplar sabit atmosfer basıncında yapılacaktır. Soğutma yapılan yerdeki kuru ve yaş termometre sıcaklıkları T 1 ve T y1 bilindiğinden 1 noktasındaki antalpi ve mutlak nem 11 bağıntısından bulunur. Nemlendirme yapılacak sistemden dolayı 2 noktasındaki bağıl nem verilir. Böylece 2 noktasındaki antalpi eşt.1 den belirlendiği için 2 noktasındaki sıcaklık 12 bağıntısıyla belirlenir. Ayrıca sabit mutlak nem ve sabit bağıl nem durumları için 3 noktasında sıcaklık ve antalpi arasında : 13 14 ġekil 6. Adana için su çıkış sıcaklığının bağıntıları geçerlidir. 985
ġekil 7. Adana için su çıkış sıcaklığının ġekil 10. Gaziantep için su çıkış sıcaklığının Şekil 8, 9 ve 10 da ikinci iklim bölgesinde olan Gaziantep için su çıkış sıcaklığının NTU, ve boyutsuz sayılarının fonksiyonu olarak verilmiştir. Değerleri kolay karşılaştırabilmek için yine olarak kabul edilmiştir. Adana için elde edilen değerlere benzer değerler bulunmuş, ancak su sıcaklıklarının daha fazla düşürüldüğü tespit edilmiştir. Şekil 11, 12 ve 13 te bu sefer üçüncü iklim bölgesi olan Ankara için aynı değerler gösterilmiştir. Burada da olarak kabul edilmiştir. Verilen diyagramlardan su sıcaklığının en çok Ankara için düşürülebileceği anlaşılmaktadır. Bütün diyagramlarda =sabit durumunun çok daha avantajlı olduğu açık bir şekilde görülmektedir. ġekil 8.Gaziantep için su çıkış sıcaklığının NTU ile değişimi ġekil 11. Ankara için su çıkış sıcaklığının NTU, ġekil 9. Gaziantep için su çıkış sıcaklığının ġekil 12. Ankara için su çıkış sıcaklığının 986
sabit bağıl nemde soğutmanın daha uygun olduğu belirlenmiştir. 5. KAYNAKLAR Choi, M., Glicksman, L. R., Computer optimizatıon of dry and wet/dry cooling tower systems for large fossil and nuclear power plants, Energy Laboratory Report No. MIT-EL 79-034, 1979. ġekil 13. Ankara için su çıkış sıcaklığının 4. SONUÇ Kuru tip soğutma kuleleri için adyabatik olarak nemlendirilen havanın boru içinden geçen suyun soğutulması esnasında boru dışından geçen havanın sabit mutlak nem ve sabit bağıl nem durumları için incelenmiştir. İncelemelerde su-hava kütle oranı ve transfer birimi sayısı NTU nun önemli boyutsuz sayılar olduğu görülmüştür. Hesaplar 1. iklim bölgesinde Adana, 2. iklim bölgesinde Gaziantep ve 3. iklim bölgesinden Ankara için gerçekleştirilmiştir. Beklendiği gibi soğutulan suyun çıkış sıcaklığının en düşük Ankara da olduğu gösterilmiştir. Ayrıca Şekil 5-Şekil 13 te verilenlerden açıkça görüldüğü gibi Chou, M. S., A comparıson of wet type and dry type coolıng towers by energy avaılabılıty methods, Master Thesis, Georgia Institute of Tecnology, 1973. Hesas, R. H., Baei, M. S., Tarighaleslami, A. H., Sinaki, S. Y., Comparative study for replacing dry cooling tower ınstead of wet cooling tower in oil refineries, Asian Journal of Chemistry; Vol. 25, No. 6, 3073-3076, 2013. Jaber, H., Webb, R. C., Design of cooling towers by the effectiveness-ntu method, Journal of Heat Transfer, 111, 837-843, 1989. Merkel, F., Verdunstungskühlung, Zeitschrift Verein Deutscher Ingenieure, 70, 123-128, 1925. Yılmaz, A., Analytıcal calculatıon of wet coolıng tower performance wıth large coolıng ranges, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 30, 2, 45-56, 2010. 987