Soğutma kulesi, ısınmış suyu havayla temas ettirip küçük bir kısmını buharlaştırarak soğutan bir ısı atma cihazıdır. Su, dolgu denen yüzeylerin üzerinden aşağı süzülürken içinden hava geçer; buharlaşan su, bunun için gereken ısıyı geride kalan sudan çeker. Bu sayede kule, suyu dış havanın sıcaklığının altına, havanın yaş termometre sıcaklığına birkaç derece yaklaşana kadar soğutabilir. Fabrikalarda, enerji santrallerinde ve büyük binaların merkezi soğutma sistemlerinde makinelerden ve kondenserlerden gelen ısıyı atmosfere vermek için kullanılır.
Buharlaşmayla soğutma: kule neden bu kadar etkili?
Suyu buharlaştırmak çok enerji ister. Ortam sıcaklığında 1 kg su buharlaşırken yaklaşık 2.400 kJ ısı çeker; aynı 1 kg suyu 1 °C soğutmak içinse 4,2 kJ ısı almak yeterlidir. Kabaca söylersek, kulede dolaşan suyun yüzde biri buharlaştığında geri kalan su 5–6 °C soğur. Kulenin küçük bir su kaybıyla büyük miktarda ısı atabilmesinin nedeni budur.
Buharlaşmanın sınırını havanın ne kadar daha nem alabileceği çizer. Bu sınırı yaş termometre sıcaklığı gösterir: haznesi ıslak bir fitille sarılmış bir termometrenin hareketli havada okuduğu değer. Kuru havada yaş termometre, bildiğimiz (kuru) termometrenin belirgin biçimde altındadır; nemli havada ikisi birbirine yaklaşır. Örneğin 35 °C ve %25 bağıl nemli havanın yaş termometre sıcaklığı yaklaşık 21 °C iken, aynı sıcaklıkta %55 nemde bu değer 27,5 °C civarına çıkar.
Kule suyu hiçbir zaman yaş termometre sıcaklığına kadar inmez. Kuleden çıkan su ile yaş termometre arasındaki farka yaklaşım (approach) denir; tasarımda genellikle 3–5 °C alınır ve bu fark ne kadar küçük istenirse kule o kadar büyür.
Bir soğutma kulesinin parçaları
- Sıcak su dağıtımı: Tesisten dönen ılık su, kulenin üst kısmında memelerle püskürtülür ya da delikli bir dağıtım havuzundan yerçekimiyle dolgunun üzerine bırakılır.
- Dolgu: Suyu ince bir film hâline getiren ya da küçük damlalara bölen plastik paketler. Su ile havanın temas yüzeyini ve temas süresini artırır; kuledeki ısı alışverişinin büyük kısmı burada olur.
- Fan: Havayı kulenin içinden geçirir. Çoğu kulede tepede duran eksenel bir fan havayı emer; bazı tiplerde yandaki fan havayı içeri basar.
- Damla tutucu: Kuleden çıkan havanın sürüklediği su zerreciklerini yakalar; hem su kaybını hem de çevreye yayılan damlacıkları azaltır.
- Soğuk su havuzu: Soğuyan su alttaki havuzda toplanır ve pompayla tekrar kullanıldığı yere gönderilir. Buharlaşmayla eksilen su şebekeden tamamlanır, minerallerin yoğunlaşmaması için suyun bir bölümü de sürekli dışarı alınır (blöf).
Açık devre ve kapalı devre soğutma kulesi
Açık devre kule
Soğutulacak suyun kendisi kulenin içinden geçer ve havaya doğrudan değer. Aynı görev için en küçük, en ekonomik ve suyu yaş termometre sıcaklığına en çok yaklaştırabilen tip budur. Bedeli de şudur: su havadaki tozu, poleni ve oksijeni alır, buharlaşma yüzünden içindeki tuzlar yoğunlaşır. Bu yüzden kirliliğe duyarlı makineleri beslerken açık kule ile makine arasına çoğunlukla bir plakalı eşanjör konur; kule suyu ile makinenin suyu ayrı devrelerde kalır.
Kapalı devre kule
Proses suyu ya da glikollü su, kulenin içindeki bir serpantinin içinden geçer ve havaya hiç değmez. Ayrı bir püskürtme suyu devresi serpantinin dış yüzeyini ıslatır; hava bu ıslak yüzeyin üzerinden geçerken soğutmayı yine buharlaşma yapar. Makine tarafındaki su temiz ve kapalı kaldığı için endüksiyon ocakları, hava kompresörleri, hidrolik üniteler ve kalıp devreleri gibi su kalitesine hassas uygulamalarda tercih edilir. Aynı kapasite için açık kuleden daha büyük ve daha pahalıdır; buna karşılık serin havada püskürtme suyu kapatılıp serpantin kuru olarak da çalıştırılabilir.
Karşı akışlı ve çapraz akışlı kuleler
Kuleler, havanın düşen suya göre hangi yönde aktığına göre de ikiye ayrılır.
- Karşı akışlı: Hava aşağıdan yukarı çıkar, su yukarıdan aşağı iner. Taban alanı küçüktür ve aynı hacimde daha fazla ısı atar. Su basınçlı memelerle dağıtıldığı için pompanın basma yüksekliği biraz daha fazladır.
- Çapraz akışlı: Hava kulenin yan yüzlerinden yatay girer ve aşağı akan suyu enine keser. Su, üstteki açık havuzlardan yerçekimiyle dağıtılır; pompa basma yüksekliği düşüktür. Aynı kapasite için daha geniş bir alan kaplar.
Havanın nasıl hareket ettirildiği de bir sınıflandırmadır. Büyük termik santrallerin hiperbolik beton kuleleri fan kullanmaz: içerideki ılık ve nemli hava baca etkisiyle kendiliğinden yükselir, bunlara doğal çekişli kule denir. Sanayide ve binalarda kullanılan fabrikada üretilmiş paket kulelerin hemen hepsi ise fanlıdır. Fan tepede durup havayı emiyorsa emişli (indüklenmiş çekişli), yanda durup havayı içeri basıyorsa basmalı (cebri çekişli) kule denir. Emişli tip daha yaygındır, çünkü nemli çıkış havasını yukarı fırlatır ve aynı havanın tekrar kuleye çekilmesini zorlaştırır.
Kuru soğutucu ve hibrit çözümler
Suyun kıt ya da pahalı olduğu yerlerde kule yerine kuru soğutucu (dry cooler) kullanılabilir. Kuru soğutucu fanlı bir hava-su eşanjörüdür; su kapalı serpantinin içinde kalır ve hiç buharlaşma olmaz. Su tüketmez, ama buharlaşmanın avantajından da yararlanamaz: suyu ancak dış havanın kuru termometre sıcaklığının birkaç derece üzerine kadar soğutur. 35 °C bir yaz gününde bu, genellikle 40 °C'nin üzerinde su demektir. Hibrit (adyabatik) soğutucular ikisinin arasında durur: yılın büyük bölümünde kuru çalışır, yalnızca sıcak günlerde emilen havayı nemlendirerek ya da serpantine su püskürterek kapasitesini artırır.
Soğutma kulesi nerelerde kullanılır?
- Termik santrallerde, buhar türbininden çıkan buharı yoğuşturan kondenserin soğutma suyu için
- Kimya, petrokimya ve rafinerilerde reaktör ceketleri, kolon kondenserleri ve tesis eşanjörleri için
- Demir-çelik ve dökümde fırın gövdeleri, haddeler ve endüksiyon ocakları için; burada çoğunlukla kapalı devre kule seçilir
- Plastik ve kauçuk sanayisinde enjeksiyon makinelerinin hidrolik yağ soğutucuları ve yüksek sıcaklıkta çalışan kalıplar için; hangi devrenin kule suyuyla, hangisinin chiller suyuyla beslendiğini enjeksiyon makinesi soğutma yazımızda ele aldık
- Gıda ve içecek tesislerinde kompresörler, pastörizasyon ve sterilizasyon hatlarından dönen sıcak su için
- AVM, hastane, kampüs ve veri merkezi gibi büyük yapılarda merkezi soğutma sisteminin ısısını dışarı atmak için
Soğutma kulesi ile chiller arasındaki fark
İkisi de su soğutur, ama sınırları farklıdır. Kule suyu, havanın yaş termometre sıcaklığının birkaç derece üzerinde kalır; nemli bir yaz gününde kule çıkış suyu genellikle 28–32 °C aralığındadır. Kule fan ve pompa dışında enerji harcamaz, ama suyu dış koşulların belirlediği bu değerin altına indiremez. Chiller ise bir soğutma çevrimiyle suyu dış havadan bağımsız olarak istenen sıcaklığa, örneğin 7 °C'ye ya da glikolle sıfırın altına indirir; bunun karşılığında kompresör elektrik harcar.
Hangisinin gerektiğini makinenin istediği su sıcaklığı söyler. Hidrolik yağ soğutucusu, hava kompresörü ya da santral kondenseri için 30 °C civarındaki kule suyu yeterlidir. Kalıp, reaktör, laboratuvar cihazı ya da bina klimatizasyonu 5–15 °C su istiyorsa chiller gerekir. Büyük tesislerde ikisi çoğu zaman birlikte çalışır; kulenin su soğutmalı bir chiller'ın kondenser devresindeki görevini kardeş şirketimiz Aktek Elektromekanik'in su soğutmalı chiller yazısı anlatıyor. Bizim endüstriyel chiller gruplarımızda hava soğutmalı kondenserin yanında kuleye bağlanan su soğutmalı kondenser seçeneği de bulunur; diğer sınıflar için chiller grupları sayfasına bakabilirsiniz.
Kule seçerken ilk bakılacaklar
Doğru kule; atılacak ısı yükünden, su debisinden, kuleye giren ve çıkan su sıcaklıklarından ve sahanın yaz tasarım yaş termometre sıcaklığından çıkar. Ardından su kalitesine göre açık ya da kapalı devre, yere ve gürültü sınırına göre fan düzeni, suyun sıcaklığına ve kimyasına göre gövde ve dolgu malzemesi seçilir. Bu adımların her birini örnek hesaplarla soğutma kulesi seçimi yazımızda anlattık.
Projeniz için
Tesisinizde suyun hangi sıcaklıkta gerektiğini, atılacak ısı yükünü ve mevcut kule ya da su kaynağınızı yazın; kule suyunun mu, chiller'ın mı, yoksa ikisinin birlikte mi doğru çözüm olduğunu birlikte değerlendirelim. Chiller tarafının kapasite hesabı için chiller seçimi rehberimize bakabilir, proje bilgilerinizi iletişim sayfamızdan gönderebilirsiniz.
Chiller ve soğutma sistemlerinin servis, bakım ve onarımı grup şirketimiz Aktek Elektromekanik tarafından yapılır. Aktek Elektromekanik chiller servisi
