YENİLİKÇİ SOĞUTMA KULESİ TASARIMINA YÖNELİK HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ ÇALIŞMALARI

Soğutma Kuleleri ve Soğutma Kule Sınıflandırması Soğutma kulesi bir ısı atım makinesidir, soğutucu akışkan yardımıyla atık ısının atmosfere aktarımını sağlar, bu sırada soğutucu akışkan soğumakta ve aynı zamanda havayı da soğutmaktadır[1]. Soğutma kulesindeki ısı atımı buharlaşmalı ısı atımı olarak adlandırılmıştır[2]. Suyun %1’lik bir kısmı soğutma işlemi esnasında buharlaşarak hava akımıyla birleşmektedir bu durum suyun geri kalanının ve havanın soğumasını sağlamaktadır. Sudan havaya geçen ısı bu süreç sırasında havanın sıcaklığını arttırır aynı zamanda havanın bağıl nemi %100 seviyesine ulaşır ve bu hava atmosfere atılır[1,2]. Buharlaşmalı ısı atım makineleri, hava soğutmalı ve kuru ısı atım makinelerine göre daha düşük su sıcaklığı sağlamaktadır. Genel olarak soğutma kuleleri ıslak yüzeylere sahiptir.

Doğal Akışlı Soğutma Kuleleri Doğal akışlı soğutma kuleleri genel olarak bacaya benzer ve baca mantığıyla çalışırlar. Kule içerisinde bulunan havanın bağıl nemi kule dışındaki havaya göre daha hafiftir. Bu durumun sonucu olarak kule içerisinde bulunan hava yukarı doğru yükselir, dışarıda bulunan ağır hava ise bacanın alt kısmından kuleye girer ve bir hava akımı oluşmuş olur. Hava akışının debisi atmosferik hava koşullarına göre değişim göstermektedir. Bu tür kulelerde havanın içeri alınabilmesi için herhangi bir fan kullanımına gerek yoktur. Bu neden ile literatürde doğal akışlı soğutma kulesi olarak adlandırılmışlardır[4]. Şekil 1’de doğal akışlı bir soğutma kulesinin çalışma prensibi gösterilmiştir. Doğal akışlı soğutma kulelerinin yapımı hem zor hem de maliyet açısından oldukça yüksektir. Günümüzde kullanılan doğal akışlı soğutma kuleleri incelendiğinde, tasarımlarının hiperbolik olduğu görülmektedir. Bu durum ısıl verimden daha çok yapısal nedenlerden kaynaklanmaktadır. Doğal akışlı soğutma kuleleri incelendiğinde bazı kule yüksekliklerinin 100 m’yi aştığı görülmektedir.

Doğal Çekişli Püskürtmeli Soğutma Kulesi Bu tarz soğutma kulelerinde hava akışı indüksiyon kuvvetlerine göre hareket etmektedir. Kule içerisindeki akış hareketi paralel veya çaprazdır. Havanın hızı ve yönü atmosferik koşullara göre değişmektedir ve bu durum soğutma kulesinin verimini doğrudan etkilemektedir. Kule içerisindeki havanın sirkülasyonuna gerek yoktur. Kule yükseklikleri düşünüldüğünde, yüksek düşüye sahip pompalara ihtiyaç duyulmaktadır. Doğal çekişli püskürtmeli soğutma kuleleri maliyet açısından oldukça yüksektir. Yapım maliyeti fazla olmasına rağmen, hareketli parçalara sahip olmayan bu tip soğutma kulelerinin bakım masrafları ve çalıştırma maliyeti ise azdır. Doğal çekişli püskürtmeli soğutma kulelerinin kuruldukları yerler düz ve rüzgarın engellenmeyeceği yerler olmalıdır. Bu tip soğutma kuleleri genel olarak HVAC sistemleri içerisinde nadiren kullanılmaktadır.

Zorlanmış Akışlı Soğutma Kuleleri Zorlanmış akışlı soğutma kulelerinin doğal akışlı soğutma kulelerinden en büyük farkı, kulenin içerisine çekilen havanın atmosfer yardımı ile değil fan veya havayı kule içerisine çekebilecek farklı makineler kullanılmaktadır[5,6] Bu tip soğutma kulelerinde hava bir fan yardımıyla kuleye aşağıdan çekilir ve yukarıdan çıkar. Soğutulmak istenen su bir pompa yardımıyla kulenin tepesine çıkartılır ve havayla karışması amacıyla lüleler tarafından kulenin içerisine püskürtülür. Bu işlem sırasındaki en önemli parametre suyun hava içerisine homojen olarak püskürtülerek geniş bir su yüzeyinin havayla temasını sağlamaktır. Su damlaları hem püskürtmenin hem de yerçekiminin etkisiyle aşağı doğru düşerken, suyun çok az bir kısmı buharlaşır ve geri kalan suyu soğutulmuş olur. Bu süreçte kule içerisindeki havanın hem sıcaklığı hem de bağıl nemi artar. Soğutulan su kulenin altındaki bölmede toplanır ve tekrar kullanılmak üzere yoğuşturucuya ardından ise lülelere pompalanır. Bu işlemler sırasında hem buharlaşma hem de hava taşınması sırasında suyun bir kısmı kaybolur. Kaybolan bu su miktarının her süreç sonunda tekrardan depoya ilave edilmesi gerekir. Kule içerisindeki havanın bağıl neminin çok yükseldiği düşünüldüğünde, su kaybının önlenmesi veya kule üzerinde yerleştirilmiş olan bataryaların zarar görmemesi için kulenin son kısmına su tutucular yerleştirilir

Ters Akışlı Zorlama Çekişli Soğutma Kulesi Ters akışlı zorlama çekişli soğutma kulelerinde de diğer zorlama akışlı soğutma kulelerinde olduğu gibi hava akımı bir fan yardımıyla sağlanmaktadır. Fan yardımıyla hava akımı dik bir şekilde su ile karşılaşır ve soğuma işlemi gerçekleşir. Basınç çekişli soğutma kulesinin aksine fanın yerleştirileceği bölge daha esnektir. Kule tasarımı düşünüldüğünde, hava giriş potansiyelinin diğer kulelere fazla olduğu görülmektedir. Bu durum kule tasarımı yapılırken hem kule yüksekliğini hem de suyu pompalamak için gereken düşüyü düşürmektedir. Fanın yerleştirildiği ve basit geometrisi bu tarz soğutma kulelerinin bakım masraflarının az olduğunu göstermektedir. Ters akışlı zorlama çekişli soğutma kuleleri günümüzde özellikle küçük ölçekli ısı atım işlemlerinde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır

Çapraz Akışlı Basınç Çekişli Soğutma Kulesi Ters akışlı zorlama çekişli soğutma kulelerinin aksine çapraz akışlı soğutma kulelerinde hava yatay olarak su ile karışmakta ve soğuma işlemi gerçekleşmektedir. Kule geometrisi incelendiğin de ters akışlı soğutma kulesine benzer olarak kule yüksekliğinin az olduğu görülmektedir. Bu durum suyun pompalanması için gereken pompa gücünü küçültmekte ve pompa masraflarını azaltmaktadır. Hava girişleri kulenin iki tarafından gerçekleşmektedir. Bu sebepten fanın yerleştirilebileceği bölgeler kısıtlanmıştır. Ters akışlı soğutma kulesine benzer olarak küçük ısı atımı işlerinde oldukça verimli bir şekilde kullanılmaktadırlar

Akış Soğutucu Soğutma Kulesi Akış soğutucu soğutma kuleleri kapalı sistem soğutma kuleleridir. Soğutulmak istenen akışkan, soğutma işlemi için kullanılan hava ile temas etmemektedir. Bu durum çok farklı akışkanların soğutulabilmesine olanak sağlamakta ve ayrıca oluşan korozyonu da düşürmektedir. Günümüzde akış soğutucular kullanılarak kaplama çözeltileri, çeşitli yağlar, kimyasallar ve gazlar soğutulabilmektedirler. Soğutma işlemi sırasında kullanılan suyun debisi oldukça düşüktür ki bu durum akış soğutucuların tercihi için önemli bir sebeptir. Akış soğutucular hem zorlamalı hem de zorlamasız olarak kullanılabilmektedirler. Kule geometrisi incelendiğinde, kule yüksekliğinin düşük olduğu görülmektedir. Bu durum düşük pompa güçleriyle 9 sirkülasyonun sağlanabilmesine olanak sağlamaktadır. Fakat kule geometrisi hava girişlerini zorlaştırmakta ve yüksek fan güçlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Akışkanın borularla taşındığı düşünüldüğünde zamanla borular içinde kirlenme oluşmaktadır. Belirli aralarla boruların temizlenmesi gerekmekte ve bakım masraflarını arttırmaktadır. Günümüzde farklı akışkanların soğutulabildiği bir sistem olarak düşünüldüğünde oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır

Buharlaşmalı Kondenser Buharlaşmalı kondenserler yapı olarak akış soğutuculara benzemektedir. Kapalı sistemde çalışmaktadırlar. Soğutucu olarak hem hava hem bu birlikte kullanılabilmektedir. Hava akımını sağlamak amacıyla kullanılan fan, kulenin tek bir tarafına yerleştirilir. Bu durumun sebebi hava ve su damlacıklarının ters olarak karıştırılmak istenmesidir. Buharlaşmalı kondenserler farklı akışkanların soğutulabildiği sistemlerdir. Akış soğutucular da olduğu gibi soğutulmak istenen akışkan borular yardımıyla taşınmaktadır. Bu durum belirli aralarda bakım gereksinimine sebep olmaktadır. Hem suyun hem havanın soğutucu olarak kullanıldığı sistemlerde kule içerisindeki bağıl nem yükselir ve kullanılan mekanik ekipmanlara zarar verebilir. Bu gibi durumların engellenebilmesi için buharlaşmalı kondenserler de su tutucular kullanılmaktadır

Literatürde Soğutma Kuleleri için yapılan Deneysel ve Nümerik çalışmalar Literatürde soğutma kuleleri üzerine çeşitli çalışmalar bulunmaktadır. Bu çalışmalardan sayısal olanların bir özeti bu bölümde verilmektedir. Su sisinin hava ile etkileşiminin modellenmesi detaylı bir konudur. Su sisi literatürde genellikle su damlacıkları olarak modellenmektedir. Su damlacıklarının hava ile etkileşimi sonucu ortaya sıvı ve gaz olmak üzere iki fazlı akış çıkmaktadır. Bu durum HAD analizlerinin iki fazlı akış modelleri ya da çoklu komponent modelleri kullanarak gerçekleştirilmesini gerektirmektedir. Genellikle su damlacıkları ayrık faz, hava ise sürekli faz olarak değerlendirilmekte ve aralarındaki etkileşim, HAD programları sayesinde kurularak çözüm yapılmaktadır. Çözüm aşamasında su damlacıkları fazının sürekli faz üzerindeki etkileri, enerji,kütle ve momentum denklemleri çözülerek aktarılmaktadır. Araştırmacılar genellikle iki fazlı akış için, Euler-Euler ve Euler-Lagrange yöntemlerini kullanmaktadır. 10 - Euler-Euler Metodu: Çok yoğun spreylerde kullanılmaktadır. Parçacıklar gaz fazında modellenmekte ve verilen bir parçacık boyutunun özelliklerini taşımaktadırlar. Parçacıklarının dağılımını modellemek için, parçacıklarının belirli gaz fazlarının kullanılması gerekmektedir [9]. - Euler-Lagrange Metodu: Temsili sayıda parçacıkların izledikleri yollar modellenmekte ve iki faz arasında momentum transferi kullanılarak belirlenmektedir. Lagrangeparçacık takip modeli, damlacıkların parçalanması gibi durumları içermezken damlacıkların buharlaşması ile ilgili olarak yarı ampirik bir model içerir[9]. Damlacıkların taşınımının modellenmesi amacıyla iki fazlı akış modellerinin dışında, ayrık faz modeli kullanılarak, su damlacıkları modellenebilmektedir. Ayrık faz modeli (Discrete Phase Model) ticari bir HAD analiz programı olan Fluent içerisinde modül olarak bulunmaktadır. Çalışma kapsamında su sisinin hava içerisindeki akışını ve etkileşimleri modellemek amacıyla, literatürde gerçekleştirilmiş çalışmalar irdelenmiş ve sunulmuştur