Evaporatif soğutma sistemi suyun buharlaşması mekanizmasından faydalanılarak hava üzerinde soğuma etkisinin oluşturulması işlemidir. Bilindiği üzere buharlaşma işlemi endotermik (ısı alan) bir işlemdir ve sürekliliği için bir ısı kaynağına ihtiyaç duymaktadır. Evaporatif soğutma sistemlerinde, hazırlanan ıslak yüzey üzerinde hava akışının oluşması sağlanmaktadır. Oluşturulan bu hava akışı hem buharlaşmayı olumlu etkilemekte hem de suyun buharlaşma ısısı havadan çekildiği için hava tarafında serinlik efekti sağlanmaktadır. Evaporatif soğutma sistemleri direkt evaporatif soğutucular (DES), endirekt evaporatif soğutucular (EES) ve bütünleşik sistemler olarak üç grupta incelenebilir.
Direkt evaporatif soğutucularda, ortama gönderilecek olan soğutma havası buharlaşmanın gerçekleştiği yüzeyle temas etmekte ve serinlemenin yanı sıra nemlenmektedir. Bu sistemlerde buharlaşma işleminin oluşması için nemli yüzeyler üzerinde hava akışı oluşturma ya da hava akışı içersine nozullar vasıtasıyla su püskürtme işlemleri uygulanmaktadır. Direkt evaporatif soğutucularda soğutma havasının nemlenmesi dolayısıyla direkt evaporatif soğutma sistemlerinde geri dönüş havasının soğukluğundan faydalanması imkansız hale gelmektedir. Bu sistemler tamamen taze hava ile çalışan sistemler olup soğutma kapasiteleri büyük oranda dış ortam şartlarına bağlıdır. Yüksek sıcaklık ve düşük nemin hakim olduğu kurak iklimlerde sistem performansının arttığı bilinmektedir.
İdeal bir direkt evaporatif soğutma sisteminde buharlaşmanın gerçekleştiği ortam tamamen yalıtılmış olmalı ve buharlaşma suyu ile soğutma havası arasında sonsuz temas yüzeyi oluşması öngörülmektedir. Buharlaşma veriminin %100 olduğu durumda soğutma havası, başlangıç şartlarındaki çiğ noktası sıcaklığına kadar soğutulabilir. Bu işleme adyabatik buharlaşma işlemi denir. Şekil 1.1’de direkt evaporatif soğutma sistemleri şematik olarak gösterilmiştir. Direkt evaporatif soğutma işleminin psikrometrisi Şekil 1.2’de gösterilmektedir. Burada sistem girişindeki havanın özellikleri 1 noktası ile işaretlenmiştir. 1-2 arasında hava evaporatif soğutma işlemine maruz bırakılmaktadır ve 2′ ile gösterilen nokta ise havanın soğutulabileceği en düşük sıcaklık noktasını vermektedir.
Şekil.1 a)Fan-Petek Evaporatif soğutucu. b) Püskürtmeli evaporatif soğutucu.
Şekil.1’de gösterilen hal noktaları, Şekil.2’de verilen psikrometrik diyagram üzerinde gösterilmiş ve noktalar arasındaki işlemler aşağıda açıklanmıştır.
Şekil.2 Direkt evaporatif soğutma işleminin psikrometrik gösterimi
Yapılan uzun süreli çalışmalarda direkt evaporatif soğutucuların nemli iklimlerde de kullanılabilmesini sağlayabilecek çözümler araştırılmıştır. Endirekt evaporatif soğutma sistemlerinde ise, soğutma havası, direkt evaporatif soğutma yöntemi ile soğutulmuş bir hava kütlesine ısısını vermektedir. Bu işlemde bir hava-hava ısı değiştirici kullanılmaktadır. Isı değiştirici uygulaması ile havanın nemlendirilmeden de soğutulması mümkün kılınmış ve evaporatif soğutma işlemi nemli iklim koşulları altında da konfor şartlarını sağlayabilir hale gelmiştir. Endirekt evaporatif soğutucu Şekil.3’te şematik olarak gösterilmektedir. Şekil.4’te ise endirekt evaporatif soğutma işleminin psikrometrisi verilmiştir.
Şekil.3 Endirekt evaporatif soğutucu
Şekilde de görüleceği üzere bu sistemlerde soğutma havasının sirkülasyonu için ikinci bir fan ihtiyacı duyulmaktadır bu nedenle bu sistemlerin enerji sarfiyatı direkt evaporatif soğutuculara göre daha yüksektir. Ayrıca sistemde kullanılan hava-hava tipi ısı değiştiricinin verimi de sistem verimini doğrudan etkilemektedir. Yapılan araştırmalar sonucunda bu sistemlerin verim değerlerinin direkt evaporatif soğutuculara kıyasla daha düşük olduğunu ancak konfor şartlarını sağlayabilmesi ve geleneksel gaz sıkıştırmalı sistemlere göre çok daha yüksek verim değerleri elde etmesi yönünden uygulamaya elverişli sistemler olduğu da ortaya konulmuştur.
Şekil.4 Endirekt evaporatif soğutma işleminin psikrometrik gösterimi
Psikrometrik diyagramda da görüldüğü üzere bu sistemlerde iki farklı hava kütlesinin özellik değişimleri incelenmektedir. 1 noktasında, direkt evaporatif soğutucu birimine giden taze havanın özellikleri işaretlenmiştir, 1-2 noktaları arasında buharlaşma peteği üzerinden geçirilen hava nemlendirilerek soğutulmaktadır. 2-3 noktaları arasında, hava-hava tipi ısı değiştiricisine girerek esas soğutma havasının ısısını alan nemli hava 3 noktası ile gösterilen özelliklerde sistemden atılmaktadır. 1′ noktası olarak işaretlenen ve 1 noktası ile aynı yere isabet eden nokta esas soğutma havasının hava-hava ısı değiştiricisine girmeden önceki özelliklerini göstermektedir.1′-4 arasında ısı değiştiriciden geçirilerek nemlendirilmeksizin soğutulan hava, doğrudan iklimlendirilecek alana gönderilmektedir. Psikrometrik diyagramda belirtilen hal noktaları Şekil 1.3’te sistemin şematik gösterimi üzerinde de gösterilmektedir.
Bütünleşik sistemler ise iki kademeli (direkt-endirekt) evaporatif soğutma sistemleri veya evaporatif soğutma sistemleri ile geleneksel iklimlendirme yöntemlerinden birinin entegrasyonundan meydana gelen sistemler olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu sistemlerde evaporatif soğutucunun ön soğutma birimi olarak kullanılmasının yaygın olması ile birlikte çeşitli nem alma sistemleri ile de kullanıldığı durumlar bulunmaktadır. Uzun yıllar boyunca yapılan yoğun çalışmalar sonucunda ortaya çıkan bütünleşik evaporatif soğutma sistemleri ile evaporatif soğutmanın kullanım alanları yaygınlaşmış ve geleneksel sistemlere kıyasla yüksek verimlilikle çalışan sistemler elde edilmiştir. Şekil.5’tegeleneksel bir gaz sıkıştırmalı sisteme evaporatif soğutucu biri entegrasyonu ile elde edilmiş bütünleşik bir evaporatif soğutucu şematik olarak gösterilmektedir.
Şekil.5 Bütünleşik evaporatif soğutucu
Şekil.6 Bütünleşik evaporatif soğutucunun psikrometrik gösterimi
Şekil.5’te şematik olarak gösterilen bütünleşik evaporatif soğutucunun psikrometrik gösterimi Şekil.6’da gösterilmektedir. Burada Dış ortamdan alınan taze hava psikrometrik diyagram üzerinde 1 noktası ile işaretlenmiştir. 1-2 noktaları arasında direkt evaporatif soğutma işlemi ve 2-3 noktaları arasında ise geleneksel soğutma işlemi uygulanan taze hava iklimlendirilmek istenen alana doğrudan gönderilmiştir. Burada 3′ ile belirtilen nokta sistemin çiğ noktasıdır. Yapılan literatür araştırmalarında özellikle de bütünleşik sistem uygulamalarının çok çeşitli şekillerde gerçekleştirildiği görülmektedir.
Evaporatif Soğutma Uygulamaları
Evaporatif soğutma yani bir diğer deyişle buharlaşmanın soğutma efekti yüzyıllardır kullanıldığı bilinen bir soğutma yöntemidir. Elde edilen bulgular doğrultusunda antik çağlara kadar uzanan bir tarihi olduğu ortaya çıkartılmıştır. Geçmişten günümüze bilişim, gıda, tıp, tarım, hayvancılık ve daha pek çok örnekle çeşitlendirilebilecek alanda uygulamalarının varlığı bilinmektedir. Örneğin İran kuru iklime sahip orta doğu ülkelerinde, konut mimarisini dahi etkileyecek şekilde yaygın bir kullanıma sahiptir. Evaporatif soğutma sistemleri özellikle açık alan soğutmasına elverişli olmaları sayesinde kurak bölgelerde tarıma elverişli alanların oluşturulması, hayvancılık için elverişli şartların sağlanması gibi pek çok amaçla yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca nemli havanın özellikle ihtiyaç haline geldiği tekstil fabrikaları, dökümhaneler, mekanik atölyeler ve bilumum kimya sanayisinde evaporatif soğutma sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır.
Literatürde Evaporatif Soğutma
Yapılan araştırmalar sonucunda görülmüştür ki evaporatif soğutma sistemlerinin uygulamaları ile ilgili çok sayıda çalışmanın yapıldığını ortaya koymaktadır. Bu çalışmalar yoğunlukla yüksek verimli sistemlerin geliştirilmesine yönelik olmakla birlikte farklı uygulama alanlarının oluşturulmasına yönelik çalışmalar da mevcuttur.
Timmos v.d. yaptıkları çalışmada Kuzey Karolina bölgesinde kurulu bir kanatlı hayvan çiftliği için direkt evaporatif soğutucu tasarımı gerçekleştirmiş ve soğutucuyu uygulamalı olarak incelemişlerdir. Deneysel çalışmaları sonucunda direkt evaporatif soğutucuların çalışma karakteristiklerini ortaya koyarak yüksek verimli sistemler olduğunu vurgulamışlardır.
McNeil v.d. orta-güney Birleşik Devletlerde bulunan bir domuz çiftliği için direkt evaporatif soğutma sistemlerini uygulamalı analizlerini içeren bir çalışma yürütmüşlerdir. Yaptıkları çalışma sonucunda bu sistemlerin özellikle yaz aylarında yüksek verimlerde çalıştığını vurgulamışlardır.
Dağtekin v.d çalışmalarında Güney Doğu Anadolu bölgesinde bulunan bir kanatlı hayvan çiftliği için tasarlanmış üç farklı soğutma sistemini karşılaştırmalı olarak incelemişlerdir. Deneysel olarak test ettikleri üç sistem hava kanallarının toprak altından geçirilmesi ile soğutma eldesi, püskürtmeli evaporatif soğutucu ve direkt evaporatif soğutucu sistemlerinden oluşmaktadır. Elde edilen veriler doğrultusunda direkt evaporatif soğutucuların diğer sistemlere göre daha yüksek verimliliğe sahip sistemler olduğu görülmüştür.
Demirbaş E. çalışmasında petekli direkt evaporatif soğutma sistemlerinin Samsun ili şartlarındaki çalışma karakteristiklerini irdelemiştir. Uygulamalı olarak yürütülen bu çalışmada, imalatı gerçekleştirilen bir evaporatif soğutucu yılın farklı dönemlerinde farklı hava hızlarında test edilmiş ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda dış ortam havasının %75’den daha düşük nem değerleri ve düşük hava hızlarında sistemin oldukça yüksek verimlilikte çalıştığını ortaya koymuştur.
Koç N. Yürüttüğü çalışmada Çukurova bölgesi yaz iklim koşullarında direkt evaporatif soğutucuların verimliliği üzerine yoğunlaşmıştır. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda sabit hava debisi altında buharlaşma peteğine gönderilen farklı su debileri için sistem karakteristikleri ortaya konulmuştur. 2 L/dk, 4L/dk ve 6 L/dk su debileri için ayrı ayrı gerçekleştirilen testler sonucunda 2 L/dk su debisinde buharlaşma veriminin maksimum değere ulaştığı ve en yüksek sıcaklık düşümünün bu değerde sağlandığı ortaya konulmuştur.
Hurmuzi A. A. çalışmasında 7 kW (Yaklaşık 24000 BTU) soğutma kapasitesine sahip bir gaz sıkıştırmalı split klima sisteminin verim değerlerini yükseltmek amacıyla sistemde bulunan yoğuşturucu birimine giren havayı püskürtmeli evaporatif soğutucular ile ön soğutma işlemine tabi tutmuştur. Dış ortam havasının 32 ila 45o C ve %45 ila 80 bağıl nem koşulları arasında değiştiği deneysel çalışmalar yürütülmüş ve evaporatif soğutucu entegrasyonu ile klima sisteminin soğutma etkinlik katsayısı(COP) değerinde 36 ila 49% arasında artış olduğu not edilmiştir.
Heiderinejad G. v.d. yürüttükleri çalışmada gece ışıması, soğutucu serpantin ve evporatif soğutucu birimlerinden oluşan bütünleşik bir soğutma sisteminin Tahran, İran koşullarında çalışma karakteristiklerini araştırmışlardır. Geliştirilen sistemde gece ışıması mekanizması ile elde edilen soğuk suyun gönderildiği soğutma serpantini ön soğutma birimini, evaporatif soğutucu ise ikinci soğutma birimini meydana getirmektedir. Yapılan değerlendirmeler sonucunda ön soğutma biriminde 8 ve evaporatif soğutucuda 5,5o C olmak üzere toplamda 13,5o C sıcaklık düşümü sağlandığı ortaya konulmuştur. Yapılan analizlerin değerlendirilmesi sonucunda eşit soğutma kapasitesi için yalnız soğutma serpantini kullanılması durumunda verimin düştüğü, yalnız evaporatif soğutucu kullanılması durumunda ise konfor şartlarının sağlanamadığı vurgulanmıştır.
Min-Hwi Kim v.d. geliştirdikleri %100 taze hava ile çalışan direkt-endirekt bütünleşik evaporatif soğutucunun bir değişken hava debili(VAV) klima santrali ile karşılaştırılmasını içeren bir çalışma yürütmüşlerdir. Geçiş mevsimleri ve yaz dönemi boyunca süren testlerden elde edilen sonuçlar ışığında iki sistemin karşılaştırmalı analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler geliştirilen bütünleşik sistemin değişken hava debili sisteme göre %51 seviyesinde enerji tasarrufu sağladığını ortaya koymuştur. Geliştirilen sistemin şematik gösterimi Şekil.1’de gösterilmektedir.
Şekil.7 100% Taze hava ile çalışan Direkt Evaporatif ve Endirekt Evaporatif Soğutucunun beraber çalışma sistemi şematik gösterimi
B. Tashtoush v.d. gerçekleştirdikleri çalışmada, atık ısı gibi düşük ısı kaynaklarından beslenebilen bir açık absorbsiyonlu soğutucu geliştirmiş ve bu sistemi bir evaporatif soğutucu ile akuple etmişlerdir. Oluşturulan sistemde gerçekleşen çevrim bilgisayar ortamında simüle edilmiş ve sistemin değişen çalışma şartları altındaki çalışma karakteristikleri incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda direkt-endirekt evaporatif soğutucu entegrasyonu ile sistemin soğutma etkinlik katsayısının (COP) yaklaşık olarak %20 oranında yükseldiği kaydedilmiştir. Geliştirilen bütünleşik sistemin çalışma şeması Şekil.8’de verilmiştir
Şekil.8 Absorbsiyonlu-Evaporatif Bütünleşik Soğutucu çalışma şeması.
J. R. Camargo v.d. çalışmalarında absorbsiyon nem alma sistemi ile akuple bir bütünleşik evaporatif soğutma sistemini termodinamiğin 1. ve 2. yasalarına göre analiz ederek sistemin termo ekonomik karakteristiğini ortaya koymuşlardır. Çalışmalarında Exergetic Manufacturin Cost (EMC) yaklaşımı kullanılarak sistemin işletme maliyetlerinin optimizasyonu hedeflenmiştir. Reaktivasyon havası/İşlem havası (R/P) ve reaktivasyon sıcaklığındaki değişimin işletme maliyetleri üzerindeki etkisinin araştırıldığı çalışmada R/P oranının 1 olduğu durumda 82,2 ve 71,1o C reaktivasyon sıcaklıkları ve R/P oranının 0,847 olduğu durumda 71,1o Creaktivasyon sıcaklığı için analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda en düşük maliyetlerin 0,847 R/P oranı ve 71,1o C reaktivvasyon sıcaklığı şartlarında elde edildiği belirtilmiştir[15].
A. P. Sawant v.d. çalışmalarında pencere tipi bir klimanın yoğuşturucu birimine giren havayı evaporatif soğutma ile ön soğutarak sistemin yoğuşturucu basıncını düşürmeyi ve bu sayede sistem COP’sini yükseltmeyi hedeflemişlerdir. Deneysel çalışmalarda önce pencere tipi klima yalın olarak çalıştırıldığı ardından şebeke suyu kaynaklı evaporatif soğutucu entegrasyonlu bütünleşik sistemin çalıştırıldığı ve son olarak da klima içersinde yoğuşan suyun buharlaşma peteklerinde kullanıldığı üç kurgu uygulanmıştır. Farklı dış hava şartlarında gerçekleştirilen testler sonucunda, sistemde yoğuşan suyun evaporatif soğutucuda kullanılması durumunda sistemin en yüksek verim değerine ulaştığı ortaya konulmuştur.
P. Martinez v.d. çalışmalarında bir split klima ünitesine ait yoğuşturucu birimi girişinde petekli evaporatif soğutucu entegrasyonu ile meydana getirdikleri bütünleşik sistem üzerinde, petek kalınlığının sistem üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Deneysel çalışmada oluşturulan sistemin soğutma kapasitesi 2500 W olarak belirlenmiş ve sisteme 50 mm, 100 mm ve 150 mm kalınlıkta buharlaşma petekleri yerleştirilerek testler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda 50 mm kalınlığa sahip peteğin yeterli ön soğutmayı gerçekleştiremediği, 150 mm kalınlıktaki peteğin ise yüksek basınç düşümüne sebep olduğu kaydedilmiş ve 100 mm petek kalınlığının yoğuşturucu basıncındaki en yüksek düşüşü sağlayarak sistem verimini yüksek oranda iyileştirdiği kaydedilmiştir. Oluşturulan deney düzeneği prototipi Şekil.9’da verilmiştir.
Şekil.9 Evaporatif Soğutucu destekli Split Klima prototipi
Z. Huan v.d. hava soğutmalı bir yoğuşturucunun giriş havasını alüminyum folyo dolgulu bir direkt evaporatif soğutucu ile ön soğutarak sistem verimindeki değişimi ve petek malzemesinin evaporatif soğutma üzerindeki etkisinin araştırıldığı bir çalışma yürütmüşlerdir. Çalışmada tasarlanan sistemin imalatı gerçekleştirilerek deneysel çalışmalar yapılmış ve sistemin termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deney verileri doğrultusunda buharlaşma peteğine alüminyum folyo dolgu ilavesi ile buharlaşma veriminin artırıldığı ve evaporatif soğutucu entegrasyonu ile oluşturulan bütünleşik sistemde %14,7 verim artışı sağlandığı kaydedilmiştir.
W. Tıpsaenporm v.d. çalışmalarında bir kompakt termoelektrik iklimlendirme sistemine direkt evaporatif soğutucu entegrasyonu ile geliştirdikleri bütünleşik sistemin deneysel çalışmalarını yürütmüşlerdir. Geliştirdikleri sistemde direkt evaporatif soğutucu ile üretilen soğuk hava ile termoelektrik soğutucuların sıcak yüzeylerinden ısı çekilmesi hedeflenmiştir. Direkt evaporatif soğutucu entegrasyonu ile, toplam soğutma kapasitesinde %40,6 ve sistem COP’sinde %20,9 artış gözlemlendiği kaydedilmiştir.
R. Philips tarafından yürütülen çalışmada bir direkt evaporatif soğutucu ile bir soğutma serpantini akuple edilerek oluşturulan bir bütünleşik soğutma sisteminin analizleri gerçekleştirilmiştir. Sistem bileşenlerinin lokasyon değişiminin verim üzerindeki etkisinin araştırıldığı çalışmada sistem bileşenleri; serpantin-buharlaşma peteği-fan, buharlaşma peteği-serpantin-fan, fan serpantin-buharlaşma peteği ve fan-buharlaşma peteği-serpantin olmak üzere dört farklı kurgu ile yerleştirilerek deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarından elde edilen sonuçlar doğrultusunda fan-serpantin-buharlaşma peteği sıralaması ile sistem veriminin maksimum değere ulaştığı gözlemlenmiştir. Deneysel çalışmalarda oluşturulan kurguların şematik gösterimi Şekil.10’da verilmiştir.
Şekil.10 R. Philips’in çalışmasında uyguladığı deneysel kurguların şematik gösterimi
Evaporatif Serinletme Hesabı
Evaporatif soğutma hesaplaması, pedli sistemlerde dış havanın buharlaşma yoluyla soğutulması esasına dayanır. Enerji dengesi ve su tüketimi hesabı yapılır. Ped verimi firma marka ve modele göre değişiklik göstermekte olup %80 alınabilir. Bu doğrultuda Online Evaporatif Serinletme Hesabı linkinde ilgili hesaplamaları gerçekleştirebilirsiniz.
Kaynak: Fırat ÖZDEMİR, Ali GÜNGÖR, Ali KAYGIN
