Hazırlayan Doç. Dr. Hüseyin BULGURCU Balıkesir 2015 1
1.GİRİŞ Soğutma kuleleri ve püskürtme havuzları suyu soğutmak üzere ısı ve kütle transferi yapan ve bu maksatla suyun atmosferle geniş bir alanda temasını sağlayan, hava ve su akımları sürekli olan cihazlardır. Bu cihazlarda püskürtülen sıcak su damlacıklarına zıt yönde hava dolaşımı yapılır. Su damlacıkları kütlelerine göre geniş yüzeye sahip olduğundan, yüzeydeki bir miktar su molekülü hava etkisiyle buharlaşır. Buharlaşmakta olan su molekülü ait olduğu damlacıktan ısı alarak onu soğutur. Ayrıca damlalardan havaya taşınım ile ısı transferi oluşur 2
Şekil-1 Su soğutma kulesi sistemi Su ile havanın temas yüzeyini attırmak, suyu yayan ızgara şeklindeki ahşap veya plastik kafesler (dolgu) yardımıyla sağlanabileceği gibi suyu fıskiyeler de atomize halde püskürtmek suretiyle de sağlanabilir. 3
2. SOĞUTMA KULESİNİN ELEMANLARI Çerçeve ve kasa: Dolgu: Sıçramalı dolgu: Film dolgu: Soğuk su haznesi: Damla tutucular: Hava girişi: Panjurlar: Memeler: Fanlar: 4
3.SOĞUTMA KULESİ KAPASİTESİNİ ETKİLEYEN ÇEŞİTLİ 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 5
4. SOĞUTMA KULELERİNİN SINIFLANDIRILMASI I- Doğal Çekişli Soğutma Kuleleri a)hiperbolik tip kuleler b)atmosferik tip kuleler II- Mekanik Çekişli Soğutma Kuleleri a)karşı akımlı kuleler b)çapraz akımlı kuleler III- Püskürtme Havuzları ve Kanaletler 6
Doğal çekişli soğutma kulelerinden hiperbolik tip kuleler "baca tipi" adı ile anılır ve bunlar çoğunlukla betonarme bazen de ahşap malzemeden yapılırlar. İlk yatırım masraflarının yüksek olması nedeniyle küçük tesislerden ziyade büyük tesislerde ekonomik çözüm gerektirmekte olan ve bu kulelerin boyutları 75-150 metre çap ve 110-150 metre yükseklik seviyelerine ulaşmaktadır. Bu kulelerde havanın hareketi, ısınan havanın yükselmesi prensibine dayanır. Dış hava şartlarının değişmesi bu kulelerin performansını büyük ölçüde etkiler. Dış sıcaklık düşük seviyelerde ise kule çekişi ve dolayısıyla soğutma kapasitesi artacaktır. Diğer yandan yaş termometre sıcaklığının artması, mekanik kulelerde olduğu gibi kapasitenin düşmesine neden olur. Hava ve suyun hareketi paralel akımlı, çapraz akımlı ve ters akımlı olarak yapılabilir 7
Şekil-2 Doğal çekişli hiperbolik soğutma kulesi (baca tipi) 8
Atmosferik tip kulelerde havanın hareketi, kademeli şekilde tertiplenmiş olan püskürtme memelerinden hızla püskürtülen suyun sürükleyici etkisiyle (endüktif etki) sağlanır. Bu tip kulelerde suyun giriş ve çıkış sıcaklığı farkı çoğunlukla 10C'yi geçmez. Ayrıca, dış havanın yaş termometre sıcaklığı ile suyun çıkış sıcaklığı farkını 6C'nin altına düşürmek oldukça zordur. Bu kulelerde hava akışı hızları rüzgârdan olumsuz şekilde etkilenir. 9
Şekil-3 Atmosferik doğal çekişli soğutma kulesi kulesi(ıslak dolgulu) 10
Şekil-4 Atmosferik doğal çekişli soğutma (püskürtmeli) 11
Mekanik çekişli soğutma kuleleri paket tipte yapıldığı gibi (3500 kw kapasitesine kadar), bilhassa büyük kapasiteli kuleler, yerine imal-inşa etme tekniği ile yapılmaktadır. Hava hareketini sağlayan vantilatörün tipi radyal ve daha ziyade eksenel tipte olmaktadır. Kuleye havanın giriş ağzı sayısına göre de tek girişli veya çift girişli kule olarak da sınıflandırılabilir. 12
Şekil-5 Mekanik içe üflemeli soğutma kulesi 13
Şekil-6 Mekanik içten çekmeli soğutma kuleleri (püskürtmeli ve dolgulu) 14
Şekil-7 Mekanik içten çekmeli çapraz akışlı kuleler 15
Şekil-8 Püskürtme havuzu 16
5. SOĞUTMA KULELERİNDE PERFORMANS DEĞERLENDİRİLMESİ Soğutma kulelerinin performansını değerlendirmek, enerji israf alanları belirlemek ve iyileştirmeleri önermek için tasarım değerlerine doğru yaklaşımı ve fark kavramları kullanılır. Performans değerlendirme sırasında, taşınabilir izleme araçları, aşağıdaki parametreleri ölçmek için kullanılır: Hava ıslak termometre Havanın kuru termometre Soğutma kulesi su giriş sıcaklığı Soğutma kulesi çıkış suyu sıcaklığı Egzoz hava sıcaklığı Pompa ve fan motorlarının elektriksel okumalar Su akış hızı Hava debisi 17
Şekil-9 Soğutma kulelerinde fark ve yaklaşım kavramlarının açıklanması 18
a) Fark (aralık): (Şekil -5.29) Bu, soğutma kulesi suyu giriş ve çıkış sıcaklığı arasındaki farktır. Yüksek farkı ile soğutma kulesinde su sıcaklığını azaltmak mümkün olur ve bu nedenle iyi performans anlamına gelir. Formül: Fark (kademe) ( C) = [Kule su giriş sıcaklığı ( C) Kule su çıkış sıcaklığı ( C) b)yaklaşım: (Şekil-5,29) Bu, soğutma kulesi çıkış sıcaklığı ile ortam yaş termometre sıcaklığı arasındaki farktır. Düşük yaklaşım iyi soğutma kulesi performansını gösterir. Fark (aralık) ve yaklaşım birlikte izlenmesine rağmen, yaklaşım soğutma kulesi performansının daha iyi bir göstergesidir. Yaklaşım ( C) = [Kule su çıkış sıcaklığı ( C) - Yaş termometre sıcaklığı ( C)] 19
c) Verim: Bu, fark (aralık) ve ideal fark arasındaki (yüzde olarak) orandır. Diğer bir tanımla Etkinlik = Fark / (Fark + Yaklaşımı). Bu oran ne kadar yüksekse soğutma kulesi etkinliği o kadar yüksek demektir. Verim (%) = 100 x (Kule su giriş sıcaklığı Kule su çıkış sıcaklığı) / (Kule su giriş sıcaklığı Yaş term. Sıc.) d) Soğutma kapasitesi: Bu durum, atılan ısının miktarı olup suyun kütlesel debisinin, özgül ısı ve sıcaklık farkının ürünü olarak olarak verilmiştir. kw ya da kcal/h birimindedir. e) Buharlaşma kaybı: Bu soğutma işlemi için buharlaştırılarak su miktarıdır. Teorik olarak buharlaşma miktarı atılan her 1.000.000 kcal ısı için 1,8 m 3 su dışarı atılır. Aşağıdaki formül (Perry) kullanılabilir: Buharlaşma kaybı (m 3 /h) = 0.00085 x 1.8 x su debisi (m 3 /h) x (T 1 -T 2 ) T 1 - T 2 = Kule su giriş ve çıkış arasındaki sıcaklık farkı 20
f) Derişiklik döngüsü (D.D.): Bu, suda oluşan çözünmüş katı madde ile işlemli su içinde çözülmüş katı madde oranıdır. g) Akış kayıpları: Derişiklik ve buharlaşma kayıplarına bağlıdır ve aşağıdaki formül ile bulunur: Akış kayıpları = Buharlaşma kaybı / (D.D.- 1) h) Sıvı / Gaz (L / G) oranı: Bir soğutma kulesinin L / G oranı, su ve hava kütle akış debileri arasındaki orandır. Soğutma kuleleri bazı tasarım değerlerine sahiptir, ancak mevsimsel değişimlerde iyi soğutma kulesi verimi sağlamak için su ve hava debilerinin ayarlanması gereklidir. Düzeltmeler su haznesi yükleme değişiklikleri veya kanat açısı ayarlamaları ile yapılabilir. 21
Termodinamik kurallarına göre sudan atılan ısı, çevredeki havadan emilen ısıya eşit olması gerektiğini ifade eder. Bu nedenle, aşağıdaki formüller kullanılabilir: L (T 1 - T 2 ) = G (h 2 - h 1 ) L / G = (h 2 - h 1 ) / (T 1 - T 2 ) Burada: L / G = sıvı kütle akım oranı gaz için (kg / kg) T 1 = Sıcak su sıcaklığı ( C) T 2 = Soğuk su sıcaklığı ( C) h 1 : Kuleye giren havanın toplu ısısı (entalpisi) (kj/kg) h 2 : Kuleden ayrılan nemli havanın toplu ısısı (entalpisi) (kj/kg) 22
TABLO-1 Farklı tip kule dolgularında tasarım değerleri Sıçratmalı dolgu Film dolgu Düşük aralıklı film dolgu Mümkün olan L/G 1,1-1,5 1,5-2,0 1,4-1,8 oranı Faydalı ısı transfer 30-45 m 2 /m 3 150 85-100 m 2 /m 3 yüzeyi (dolgu sıklığı) m 2 /m 3 Gerekli dolgu 5-10 m 1,2-1,5 m 1,5-1,8 m yüksekliği Gerekli pompa 9-12 m 5-8 m 6-9 m basma yüksekliği Gerekli hava debisi Yüksek En düşük Düşük 23
6. SOĞUTMA KULESİ AKSESUARLARI Soğutma kulesinin su haznesi çıkışındaki bir pislik tutucu yabancı maddelerin boru sistemine girmesini önler (Şekil-10) Suyun sistemde dolaşımı için genellikle santrifüj tip bir su pompası kullanılır. El kumandalı baypas valfı, kondenserin baypas hattına bağlanarak kondenserden geçen suyun miktarını kontrol imkânı verir. Bir soğutma kulesi veya püskürtme havuzu sisteminde gerekmedikçe su regülatör valfı kullanılmaz. Fakat sistem su regülatör valfine sahipse, pompanın basma hattını soğutma kulesi girişine bağlayan bir yaylı emniyet valfı dahi gereklidir (Şekil-11). 24
Şekil-10 Temel soğutma kulesi bağlantı sistemi 25
Şekil-5.31'daki sistem suyun içindeki yabancı maddelerin derişikliğini kontrol imkânı veren bir su ilave valfı içerir. Tahliye valfleri çoğunlukla boru sisteminin en yüksek noktasına yerleştirilir. Bu, sistem durmakta iken gereksiz tahliyeyi önler. Soğutma kulelerinde su sarfiyatı, buharlaşma ve sıçramadan dolayı meydana gelir, dolaştırılan su debisinin %2 ila %5'i arasında değişir. 26
Şekil-11 Emniyet ve ilave valfli soğutma kulesi sistemi 27
7. SOĞUTMA KULELERİNİN BAKIM YÖNTEMLERİ Soğutma kulelerinde verimli bir çalışma ve uzun bir kule ömrü için düzenli olarak bakım yapılmalıdır. Kulenin içi, devamlı olarak su, kimyasal maddeler ve hava akışına maruz kalmaktadır. Önlem alınmamış metal parçalar korozyona uğrar, ahşap parçalar da çürüyebilir. Kuleler çoğu kez dış ortamlarla yerleştirilir ve dış hava etkilerine maruz kalır. Böylelikle dış ortamlardaki kuleyi, fanları, motorları, kasnaklar ve kule kontrol elemanlarını dikkatlice bakımdan geçirmek gerekir. Püskürtme havuzları, soğutma kulelerinden daha az bakım gerektirir. Periyodik olarak su püskürtücü memeleri tıkanmaya karşı kontrol edilir, parmaklık ve panjurların iyi durumda olması ve havuzun altına çökelen çamurların temizlenmesi istenir. 28
Bu kulelerde üreticilerin; fanlar, motorlar, pompalar ve kontroller için hazırladıkları dokümanlar size yardımcı olacaktır: Soğutma kulesi suyu, kireç ve korozyon önleyici bir kimyasal şartlandırma programına tabi tutulmalıdır (Çalıştığı süre boyunca). Soğutma kulesi suyu, biyolojik aktivasyonu engelleyici bir biocid ile dezenfeksiyona tabi tutulmalıdır (Çalıştığı süre boyunca). Toplam su miktarı; kule üzerine yazılmalıdır (Kule havuzu ve kondenser ile, ara tesisattaki su dahil edilerek). Kullanılacak olan kireç ve korozyon inhibitörleri ve biositlerin dozlanmaları açısından su miktarı önemlidir. Kullanımda olan soğutma kuleleri, yılda en az iki kez kimyasal ve mekanik temizliğe tabi tutularak tortu ve çökeltiler sistemden uzaklaştırılmalıdır. 29
8. SOĞUTMA KULELERİNİN SEÇİMİ Verilen bir durum için uygun bir soğutma kulesi seçilmesi için aşağıdaki bilgilerin verilmesi lazımdır. 1. Tasarlanan kompresör kapasitesi 2. Tasarlanan yaş termometre sıcaklığı 3. Tasarlanan kuleden su çıkış sıcaklığı (kondensere su giriş sıcaklığı ) Ya da 1. Kondenserden kuleye giden suyun hacim debisi ( L/S ) 2. Tasarlanan yaş termometre sıcaklığı 3. Tasarlanan kuleye giriş ve kuleden çıkış su sıcaklığı 30
Çoğu durumlarda soğutma kulesinden suyun çıkış sıcaklığı havanın kuleye giriş yaş termometre sıcaklığının 4-5,5 K üzerindedir. Su soğutmalı kondenserde ve soğutma kulesinde bir dengenin sağlanması için kondenserdeki suyun sıcaklığındaki artmanın soğutma kulesindeki suyun sıcaklığındaki azalmaya eşit olmalıdır. Soğutma kulesi yükü (kw) = Suyun hacimsel debisi (L/S ) x 4,19 kj/ kgk x (T sg T sg ) Q sk = V x 4,19 x (T sç T sg ) 31
Örnek-5.10: Tablo-5.11 den aşağıdaki şartları sağlayacak soğutma kulesini seçiniz. Tasarlanan soğutma kapasitesi : 70 kw Yaş termometre sıcaklığı (girişte ) : 25,5 C Tasarlanan kuleden su çıkış sıcaklığı : 30C Çözüm: Tablo-5.11den A-66 seçilir. Soğutma kulesi kapasitesi 72,8 kw. 1 kw soğutma kapasitesi başına hacim debisi 0,054 L/s ise; 70 x 0,054 = 3,78 L/s hacim debisindeki su kulede dolaşım yapmalıdır. Tabloda su giriş sıcaklığı 35,5 C bulunur. 32
TABLO-2 Atmosferik soğutma kulesi kapasiteleri [kw] (1.34 m/s rüzgâr hızına göre) 33 NOT: Gerçek kule kapasitesi 1250 W/kW evaporatör kapasitesine dayanmaktadır. Kule yaş hazne sıcaklıkları [ C] 33,0 19,5 25,5 34,0 30,5 26,5 32,7 28,5 24,0 34,2 30,0 25,5 33,7 29,5 25,5 34,7 30,5 26,5 32,0 26,5 21,0 35,0 29,5 24,0 35,5 30,0 25,5 Kule modeli [L/s kw] 0,090 0,072 0,054 A23 A33 A34 A44 A45 A55 A66 0,76 1,27 1,52 2,02 2,53 3,17 4,56 9,5 15,8 19,0 25,3 31,6 39,4 57,0 9,1 15,5 18,6 24,6 30,9 38,7 55,6 9,8 16,9 20,0 26,7 33,4 41,5 60,1 10,9 17,9 21,4 28,8 35,9 45,0 64,7 10,2 16,9 20,0 27,1 33,8 42,2 60,5 10,5 17,6 21,1 28,1 35,2 44,0 63,3 12,0 20,0 23,9 32,0 40,1 49,9 72,1 13,4 22,5 27,1 35,9 45,0 56,3 80,9 12,0 20,4 24,3 32,4 40,4 50,6 72,8 CA33 CA34 CA44 CA45 CA46 CA56 CA58 1,38 1,90 2,53 3,17 3,60 4,76 6,33 17,6 23,6 31,6 39,4 47,5 59,4 79,1 16,9 23,2 30,9 38,7 46,4 58,0 77,4 18,3 25,0 33,4 41,5 49,9 62,6 83,4 19,7 27,1 35,9 45,0 53,8 67,5 89,7 18,6 25,3 33,8 42,2 50,6 63,3 84,4 19,3 26,4 36,2 44,0 52,6 66,1 87,9 22,2 30,2 40,1 49,9 60,1 75,3 100,2 24,6 33,8 45,0 56,3 67,5 84,4 112,5 22,2 30,2 40,4 50,6 60,1 76,0 102,0 CA68 CA610 CA612 CA615 CA616 CA618 CA620 CA624 CA824 7,6 9,5 11,4 14,3 15,2 17,1 19,0 22,8 25,3 95,0 119,6 144,2 175,9 189,9 214,5 235,6 284,9 316,5 91,4 106,0 140,7 172,3 186,4 211,0 232,1 277,8 309,5 98,5 126,6 151,2 186,4 200,5 228,6 249,7 298,9 334,1 109,0 133,6 161,8 200,5 214,5 246,2 270,1 323,6 358,7 102,0 126,6 151,2 189,9 200,5 228,6 253,2 302,5 337,6 105,5 131,9 158,3 198,0 211,0 237,4 263,8 316,5 351,7 119,6 151,2 179,4 225,1 239,2 270,8 302,5 362,3 400,9 133,6 168,8 200,5 253,2 270,8 306,0 337,6 404,4 450,2 119,6 151,2 182,9 225,1 242,7 274,3 302,5 365,8 404,5
9. SERBEST SOĞUTMA (FREE COOLING) UYGULAMALARI Temelde sulu soğutma uygulamaları için serbest soğutma olarak kategorize edilen serbest soğutma teknikleri merkezi bir soğutma grubundan sağlanan soğuk su üretiminin maliyetini azaltmaya yönelik uygulamaları kapsamaktadır. Soğutma suyu ihtiyacı olan sistemlerde uygulanan serbest soğutma, ortamın düşük hava sıcaklığından faydalanarak soğuk su üretici grubun (chiller) kompresörünün çalışması olmaksızın ya da kısmen çalıştırılarak soğutma suyu elde edilmesidir. Sulu soğutma uygulamaları için serbest soğutma uygulamaları kendi içinde iki ana kategoriye ayrılmaktadır: 1. Evaporatif soğutma uygulamaları Direkt serbest soğutma uygulamaları İndirekt serbest soğutma uygulamaları 2. Isı değiştirgeçli soğutma uygulamaları Entegre serbest soğutma bataryası uygulamaları Kuru ve ıslak/kuru soğutucu uygulamaları 34
Sistem seçiminde göz önüne alınması gereken diğer önemli etkenlerdir: Sistemin soğutma kapasitesi Soğutma grubunun çalışma aralıkları ve operasyon zamanı Serbest soğutma maliyeti ve uygulama ile geri ödeme süresi Sistemde kullanılan diğer yardımcı ekipmanların sisteme etkisi Sistemin kurulacağı bölgenin elektrik, su vb. Maliyetleri 35
9.1 Direkt Serbest Soğutma Uygulamaları Soğutma kulesi kullanılan sistemlerde soğutma grubunun kondenseri su soğutmalıdır. Kondenser boru-kovan tipindedir. Boruların dışından geçen soğutucu akışkan buharı boruların içinden geçen kondenser suyu tarafından soğutularak yoğuşturulur. Bu aşamada sıcaklığı yükselen kondenser suyunun soğutulması kule tarafından sağlanır. Soğutma grubunun yüksek dış ortam sıcaklıklarında çalışması esnasında kondenser suyunun soğutulması bu biçimde sağlanır. 36
Şekil-12 Direkt sistem-açık devre su soğutma kuleli sistemler prensip şeması 37
9.2 İndirekt Serbest Soğutma Uygulamaları İndirekt sistemlerde kondenser suyu devresi ile soğuk su devresi birbirinden ayrıdır. Açık devre sistemlerde ortaya çıkan kirlenme riski indirekt-kapalı devreli uygulamalarda ortadan kalkmaktadır. Ancak, ek bir ısı transfer yüzeyinin sisteme eklenmesi nedeni ile açık devre su kulelerine göre daha yüksek bir su sıcaklığı elde edilir. Bu durum serbest soğutma veriminde bir miktar düşmeye neden olur. 38
Şekil-13 İndirekt - kapalı devre soğutma kulesi serbest soğutma uygulaması 39
Şekil-14 Yük paylaşımlı kapalı devre soğutma kuleleri serbest soğutma uygulaması 40
Şekil-15 Ek ısı değiştirgeci kullanılan sistemler 41
Şekil-16 Soğutucu akışkan hareketi sistemi 42
10. KURU VE ISLAK/KURU SOĞUTUCU SİSTEMLERİ UYGULAMALARI Kuru soğutucular: Su soğutma işleminde kullanılan kanatlı-borulu ısı eşanjörlü bir diğer yöntem de kuru soğutucu (dry Cooler) olarak adlandırılan sistemlerdir. Temel mantık sistemdeki dönüş suyu yükünün bir fanlı eşanjör sistemi yardımıyla havaya aktarılmasıdır. Fanlar (vantilatörler) ile emilen havanın kanatlar (lameller) arasından geçerken boru içindeki akışkanı soğutması esasına göre çalışır. Bu yöntemde eşanjörün dış yüzeyi kurudur. Bu durumda kanatlarda kireçlenme ve korozyon gibi sorunlar yoktur. Sistemin kapalı devre çalışması sayesinde soğutma suyunun azalması problemiyle karşılaşılmaz. 43
Şekil-17 Kuru soğutucu tipleri 44
Kuru soğutucularda elde edilen su sıcaklığı ortamın kuru termometre sıcaklığına bağlıdır; kuru termometre sıcaklığının yaklaşık 5 C üzerine kadar soğutulmuş su elde edilebilir. Daha düşük sıcaklıklarda soğutma suyuna ihtiyaç duyulan durumlarda ıslak-kuru soğutucular kullanılır. Bu sistemler yukarıda açıklaması yapılan serbest soğutma bataryalı sistemler ile aynı mantıkta çalışmaktadır. Tesiste kurulmuş bir su soğutma grubu mevcutsa ve düşük ortam sıcaklıklarında serbest soğutma işleminden faydalanılmak isteniyorsa kuru soğutucu sistemler bu durum için idealdir. Kuru soğutma sistemleri plastik, kimya, enerji, iklimlendirme vb. Sektörü içindeki uygulamalarda bir soğutma grubu ile birlikte kullanılabileceği gibi ayrıca su soğutma ihtiyacına bağlı olarak tek başına da kullanılabilmektedirler. 45
Şekil-18 Soğutma grubu ile birlikte kuru soğutucu uygulaması şematik gösterim 46
Islak/kuru soğutucular: Islak-kuru soğutucular, temel prensip olarak kuru soğutucular gibi çalışır. Sistemde gerektiğinde ek soğutma sağlayacak bir su spreyleme sistemi bulunmaktadır. Spreylenen su, giriş havası akışında adyabatik soğutma etkisi meydana getirir. Sistemdeki akışkanın dış ortam sıcaklığından daha düşük sıcaklık değerlerine kadar soğutulması gerektiğinde, basınçlı su püskürtme sistemi devreye girerek giriş havasını neme doyurur ve hava sıcaklığını ortam sıcaklığının altına düşürür. 47
Şekil-19 Doğrudan su spreyleme sistemli ıslakkuru soğutucu 48
Şekil-20 Ağ üzeri su spreyleme sistemli ıslak-kuru soğutucu 49