Soğutma kulesi

Soğutma kuleleri, çeşitli amaç ve büyüklükteki endüstriyel tesislere soğutma suyu sağlamak için tasarlanmış yapılardır. Değişik ölçülerde olabilir; 100 metre çapına ve 120 metre yüksekliğe erişen kuleler mevcuttur.
Endüstriyel soğutma kuleleri, doğalgaz işleme tesisleri, petrokimya tesisleri, petrol rafinerileri, enerji santralleri ve diğer endüstriyel tesislerde sistemde dolaşan soğutma suyunun sistemden aldığı ısıyı soğutma suyundan uzaklaştırmak için kullanılır.
700 MW'lık kömürlü bir enerji santralindeki soğutma suyu dolaşım miktarı yaklaşık saatte 71.600 m3tür ve dolaşan suyun yaklaşık yüzde 5 civarı buharlaşma ile kaybolur (bu miktarın eklenmesi gereklidir). Eğer aynı tesis soğutma kulesine sahip olmasaydı ve soğutulup tekrar sistemde dolaşan yerine tek geçişli soğutma suyu kullansaydı, saatte 100.000 m3 civarı su ihtiyacı olacak ve bu su okyanus, göl veya nehirden karşılanıp, tekrar oraya akacaktı. Bununla beraber, bu kadar büyük miktarda sıcak suyun göl veya nehir gibi bölgesel ekosistemlere verilmesi kabul gören bir durum değildir. Soğutma kulesi, sudan aldığı atık ısıyı atmosfere verip, rüzgar ve hava difüzyonu ile ısı dağılımını geniş bir alana yayar.
Bazı kömürlü ve nükleer enerji santralleri kıyı bölgelerine inşa edilmiştir ve tek geçişli okyanus suyu kullanır. Fakat bu tip tesislerin çevresel riskler yaratmaması için su çıkışının kıyıdan uzakta olması ve tasarımının çok dikkatli yapılması gereklidir.
Sınıflandırılması
Soğutma kuleleri, kullandıkları ısı transfer yöntemlerine göre şu ana başlıklar altında sınıflanır:
Islak soğutma kuleleri, buharlaşma prensibine göre çalışır.
Kuru soğutma kuleleri, çevre havasından, çalışma akışkanının ayrılarak yüzeyden ısı taşınımı yolu ile çalışırlar.
Kuleden hava geçiş sistemi tasarımına göre ise soğutma kulelerinin üç tipinden söz edilebilir.
Doğal geçiş, uzun bir baca sistemi ile,
Fan yardımı ile doğal geçiş
Mekanik (zorlanmış) geçiş, fan motorlarının gücü kullanılarak havanın kuleden geçişi (Resim 2).
Yapısına göre soğutma kuleleri ikiye ayrılır:
Paket tip, modüler yapıda ve nispeten küçük kapasiteli soğutma kuleleri, (Resim 3)
İnşai tip, tamamen demonte halde üretilen ve yerinde montajı yapılan yüksek kapasiteli kuleler (Resim 4)
Çevre koşullarından emin olunması durumunda, su buharı ıslak bir soğutma kulesi dışına doğal olarak yükselebilir. (Resim 1)
Baca şeklinde soğutma kuleleri
Birçok modern enerji santralinde, soğutma kulesi atık gazın sistemden temizlenmesi için tesis edilmiş bir baca olarak da kullanılır. Bu tip tesislerde atık gazın sistemden temizlenmemesi, korozyon ile çeşitli problemlere sebep olur.
Çalışma prensipleri
Yaygın olarak kullanılan soğutma kulelerinde, kulenin içinden geçerken suyun hava ile teması sonucu bir kısmı buharlaşarak atmosfere verilir, bu esnada soğutma suyu üzerindeki ısının bir kısmı buharlaşma vasıtası ile atmosfere verilerek suyun soğuması sağlanmış olur. Soğutma kulelerinin çalışma prensibi, suyun hava ile karşılaşma şekline göre ikiye ayrılır:
Karşı akışlı soğutma kuleleri
Su ve havanın 180 derecelik bir açı oluşturacak şekilde karşı karşıya geldiği sistemlerdir. Su dağıtımı oluklu bir sistemle yapılabileceği gibi trake adı verilen basınçlı bir borulama sistemiyle de gerçekleştirilebilir. Nozullar aracılığıyla minimize edilen su dolgu üzerindeyken, kulenin dört bir yanından içeriye hızla nüfuz eden hava ile karşılaşır ve ısı transferi gerçekleştirilir. Soğuk su, alt havuzda bir araya getirilir ve sisteme basılır.
Karşı akışlı kuleler üstten fanlı (cebri çekişli) ve yandan fanlı (cebri itişli) olarak da kendi içinde sınıflandırılırlar.
Çapraz akışlı soğutma kuleleri
Su ve havanın 90 derecelik bir açı oluşturacak şekilde karşı karşıya geldiği sistemlerdir. Su dağıtımı doğal bir şekilde, yerçekiminin gücü ile gerçekleşmektedir. Sıcak su dağıtım havuzu üzerine sistematik şekilde konuşlandırılmış olan nozullar aracılığıyla su minimize edilir ve dolgu üzerine gönderilir. Hava giriş panjurlarından gelen hava ile dolgu yüzeyinde karşılaşan su arasında ısı transferi gerçekleşir ve alt havuzda toplanan soğuk su tekrar sisteme basılır.
Karşı akışlı tip kulelerde su yukarıdan aşağı akarken, hava da aşağıdan yukarıya hareket ederek su ile temas eder. Çapraz akışlı tiplerde ise, su yine yukarıdan aşağı akarken, bu kez hava yatay olarak hareket eder.
Karşı ve çapraz akışlı kuleler arasında yıllardan beri süregelmekte olan bir rekabet söz konusudur. Buna karşın birinin diğerinden daha üstün olduğu söylenemez. Hangi prensiple çalışırsa çalışsın bir soğutma kulesinden azami verimi alabilmek için ortam koşulları ve su özellikleri dikkate alınmalıdır. Genelde yaygın olarak kullanılan tiplerde, kule üzerinden fıskiye sistemi ile homojen biçimde kulenin altındaki dolgu alanına püskürtülen su, kule üzerindeki fanlar ile dolgu alanından yukarıya emilen hava ile karşılaşarak soğur ve bir kısmı buharlaşır. Buharlaşma ile nem miktarı artan hava fanların emişi ile kule içinden atmosfere gönderilir. Bu sayede soğuyan su dolgu alanına birikir ve oradan sisteme gönderilir.
Kapasite hesaplama
Doğru su soğutma kulesi tasarımı yapabilmek için kulenin kapasitesinin doğru hesaplanması gerekir.
Doğru hesaplamanın yapılabilmesi için; kule kapasitesinin Kcal ya da kW kapasitesinin bilinmesi yeterli olmayabilir. Kuleye giren suyun sıcaklığı (C), kuleden çıkan suyun sıcaklığı (C), devri daim suyunun debisi (m3/h), soğutma kulesinin kurulacağı yerin yaz mevsimindeki yaş termometre değeri (C), kulenin kurulacağı yerin rakımı gibi verilerin kesin olarak bilinmesi gerekir. Takribi bir hesaplama yanıltıcı olur.
Hesaplama yapılırken; "Isı alışverişlerinde verilen ısı her zaman alınan ısıya eşittir." termodinamik yasası akılda tutulmalıdır:
Q : Isı - Birim: Kcal (kilokalori) ya da kW (kilowatt)
m : Kütle - Birim: Kg/h (kilogram/saat)
c : Öz Isı - Birim Cal/GrC (kalori/gram derece)
t : Delta t - Giriş-çıkış sıcaklık farkı Birimi C (derece).
Q = m c t