Kapalı devre soğutma kuleleri, endüstriyel tesislerde proses akışkanının dış ortamla doğrudan temas etmeden soğutulmasını sağlayan sistemlerdir. Bu kulelerde ısı, serpantin içerisinden geçen akışkandan serpantin dış yüzeyine ve buradan da püskürtme suyu ile hava akımına aktarılır.
Sistemin düşük dış ortam sıcaklıklarında çalışması veya donma riski bulunan koşullarda korunması gerektiğinde, serpantin devresinde su yerine glikol-su karışımı kullanılabilir.
Ancak glikol kullanımı yalnızca donmaya karşı koruma sağlamaz. Akışkanın özgül ısısını, viskozitesini, ısı iletkenliğini ve serpantin içindeki akış karakteristiklerini de değiştirir. Bu değişiklikler, kapalı devre soğutma kulesinin ısıl kapasitesini, gerekli serpantin yüzeyini ve pompalama ihtiyacını etkileyebilir.
Bu nedenle glikollü sistemlerin tasarımında, yalnızca donma koruması değil, ısı transfer performansı ve enerji tüketimi de birlikte değerlendirilmelidir.
- Glikol Nedir ve Kapalı Devre Soğutma Kulelerinde Neden Kullanılır?
Glikol, suyun donma sıcaklığını düşürmek amacıyla kullanılan bir akışkandır. Endüstriyel ısı transferi uygulamalarında yaygın olarak iki türü kullanılır:
- Etilen glikol (MEG): Genellikle iyi ısıl özellikleri ve düşük sıcaklıklardaki performansı nedeniyle tercih edilir. Ancak toksisitesi sebebiyle insan veya ürünle temas riski bulunan uygulamalarda özel değerlendirme gerektirir.
- Propilen glikol (PG): Daha düşük toksisiteprofili nedeniyle insanla veya ürünle temas ihtimalinin bulunduğu uygulamalarda tercih edilebilir. Aynı konsantrasyonda etilen glikole kıyasla ısıl ve akış özellikleri genellikle daha dezavantajlıdır.
Her iki glikol türünde de korozyon inhibitörleri içeren, ısı transfer sistemlerine uygun ticari ürünler kullanılmalıdır. Otomotiv tipi antifrizler, katkı paketleri ve malzeme uyumlulukları farklı olabileceğinden, endüstriyel soğutma devreleri için doğrudan uygun kabul edilmemelidir.
- Glikol Oranı Neden Değişir?
Glikol konsantrasyonu, sistemin karşılaşabileceği en düşük sıcaklığa ve gereken koruma seviyesine göre belirlenir. Ortam sıcaklığı düştükçe suyun donma riski artar ve daha yüksek glikol oranı gerekebilir. Bununla birlikte doğru oranı belirlerken aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır.
3.1. Dış ortam sıcaklığı
Kulenin bulunduğu bölgedeki minimum tasarım sıcaklığı, glikol seçiminin temel girdilerinden biridir. Özellikle kış aylarında çalışmaya devam eden veya uzun süre devre dışı kalabilen sistemlerde donma riski ayrı ayrı incelenmelidir.
3.2. Akışkanın karşılaşabileceği en düşük sıcaklık
Dış ortam sıcaklığı ile serpantin içerisindeki akışkanın ulaşabileceği en düşük sıcaklık aynı olmayabilir. İşletme koşulları, devrenin durması, soğuk hava etkisi ve sistemin bulunduğu yer dikkate alınarak tasarım sıcaklığı belirlenmelidir.
3.3. İstenen koruma seviyesi
Glikol oranı iki farklı koruma yaklaşımına göre seçilebilir:
- Donmaya karşı koruma: Akışkanın sistem içerisinde sıvı kalması ve pompalanabilmesi istenir.
- Patlamaya karşı koruma: Sistem devre dışıyken akışkanın kısmen donması ihtimaline karşı ekipmanın hasar görmesi önlenmeye çalışılır. Bu yaklaşım, sistemin normal işletmede sıvı kalması gereken durumlarla aynı değildir ve üretici onayı gerektirir.
Donmaya karşı koruma gereken sistemlerde yalnızca dış ortamın sıfırın altına düşüp düşmediğine bakmak yeterli değildir. Glikol karışımının donma sıcaklığı, beklenen en düşük akışkan sıcaklığından daha düşük seçilmelidir.
3.4. Enerji tüketimi ve ısı transfer performansı
Glikol oranı yükseldikçe donma koruması genellikle artar. Buna karşılık karışımın viskozitesi yükselir, özgül ısısı ve ısı transfer özellikleri değişir. Sonuç olarak aynı ısı yükünü karşılamak için daha yüksek debi, daha fazla pompalama gücü veya daha büyük serpantin yüzeyi gerekebilir.
Bu nedenle mümkün olan en yüksek glikol oranı değil, gerekli donma korumasını sağlayan uygun oran hedeflenmelidir.
- Glikol Oranı ile Donma Sıcaklığı Arasındaki İlişki
Aşağıdaki tablo, etilen glikol ve propilen glikol-su karışımları için yaklaşık donma başlangıç sıcaklıklarını örnek olarak göstermektedir. Değerler, kütlece konsantrasyon esas alınarak verilmiştir; ticari ürünün katkı paketi ve üretici verileri sonucu değiştirebilir.
Glikol oranı (kütlece) | Etilen glikol: yaklaşık donma noktası | Propilen glikol: yaklaşık donma noktası |
%20 | −7,8 °C | −7,1 °C |
%30 | −14 °C | −12,7 °C |
%40 | −22 °C | −19 °C civarı |
%50 | −34 °C civarı | Ürüne göre doğrulanmalı |
Önemli: Bu değerler ön değerlendirme içindir; bütün glikol ürünleri için garanti edilmiş tasarım değerleri değildir. Kütlece yüzde ile hacimce yüzde aynı değildir. Konsantrasyon seçimi yapılırken kullanılan ürünün teknik föyündeki doğru tablo esas alınmalıdır.
Pratik seçim yaklaşımı
Glikol oranı, tek başına dış hava sıcaklığına bakılarak kesinleştirilmemelidir. Önce sistemin karşılaşacağı minimum akışkan sıcaklığı belirlenmeli, ardından üretici tablosundan bu sıcaklığa uygun konsantrasyon seçilmelidir. Donmaya karşı koruma gereken uygulamalarda, seçilen karışımın donma sıcaklığının beklenen en düşük akışkan sıcaklığından yeterince düşük olması gerekir.
- Glikol Oranının Isı Transfer Yüzeyine Etkisi
Kapalı devre soğutma kulelerinde glikol kullanımı, serpantin yüzey ihtiyacını etkileyen önemli tasarım faktörlerinden biridir.
Isı transferi açısından üç temel özellik öne çıkar:
Özgül ısı: Glikol-su karışımının özgül ısısı saf suya göre genellikle daha düşüktür. Aynı miktarda ısıyı taşımak için debi veya sıcaklık farkı yeniden değerlendirilmelidir.
Viskozite: Glikol oranı yükseldikçe, özellikle düşük sıcaklıklarda akışkanın viskozitesi artar. Bu durum serpantin içindeki akışı, basınç kaybını ve pompa ihtiyacını etkiler.
Isı transfer katsayısı: Akışkan tarafındaki ısı transfer katsayısı, karışımın özellikleri ve serpantin içindeki akış koşullarına bağlı olarak düşebilir. Bunun sonucunda aynı kapasiteyi sağlamak için daha fazla yüzey gerekebilir.
Bununla birlikte, ısı transfer katsayısındaki belirli bir düşüş doğrudan aynı oranda serpantin yüzeyi artışı anlamına gelmez. Çünkü toplam ısı transferi; akışkan tarafı, boru malzemesi, serpantin geometrisi, püskürtme suyu, hava debisi ve sıcaklık farklarının birlikte etkisiyle oluşur.
Bu nedenle glikollü bir kapalı devre soğutma kulesinin seçimi, yalnızca su için hesaplanmış serpantin yüzeyine bir yüzde eklenerek kesinleştirilmemelidir. Serpantin termal hesabı, gerçek glikol konsantrasyonu ve tasarım sıcaklıkları kullanılarak yapılmalıdır.
- Glikol Kullanımında Debi ve Pompa Seçimi
Glikol-su karışımı kullanıldığında, yalnızca serpantin yüzeyi değil, sirkülasyon pompası da yeniden değerlendirilmelidir.
Isı yükünün yaklaşık hesabında aşağıdaki bağıntı kullanılabilir:
Q (kW) = ṁ × Cp × ΔT
Burada:
- Q: Taşınan ısı yükü (kW)
- ṁ: Kütlesel debi (kg/s)
- Cp: Karışımın özgül ısısı (kJ/kg·K)
- ΔT: Akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları arasındaki fark (°C)
Glikol oranı değiştiğinde özgül ısı ve yoğunluk da değişeceği için, suya göre hesaplanan debi doğrudan kullanılmamalıdır. Ayrıca serpantin basınç kaybı hesaplanmalı ve pompanın çalışma noktası doğrulanmalıdır.
Özellikle yüksek konsantrasyonlarda ve düşük çalışma sıcaklıklarında viskozitenin etkisi daha belirgin hale gelebilir. Bu durum, pompa enerji tüketimini artırırken serpantin içindeki ısı transferini de olumsuz etkileyebilir.
- Glikol Oranı Seçilirken Dikkat Edilmesi Gerekenler
Kapalı devre soğutma kulesi projelerinde doğru glikol oranının belirlenmesi için aşağıdaki bilgiler birlikte değerlendirilmelidir:
- Kule kurulacak bölgenin minimum dış ortam sıcaklığı.
- Serpantin içerisindeki akışkanın ulaşabileceği en düşük sıcaklık.
- Donmaya karşı koruma mı, yoksa devre dışı kalma sırasında ekipmanı koruma mı istendiği.
- Kullanılacak glikolün türü ve konsantrasyonunun kütlece mi hacimce mi ifade edildiği.
- Isı yükü, debi ve akışkan giriş-çıkış sıcaklıkları.
- Serpantin boru malzemesi ve korozyon inhibitörü uyumluluğu.
- Pompa basıncı, debisi ve enerji tüketimi.
- Glikol üreticisinin önerdiği çalışma sıcaklığı ve konsantrasyon sınırları.
Glikol kullanılan sistemlerde su takviyesi, kaçak veya yanlış karışım hazırlama nedeniyle konsantrasyon zamanla değişebilir. Bu nedenle devre içerisindeki karışımın uygun yöntemle ölçülmesi ve üreticinin önerdiği bakım prosedürlerine göre kontrol edilmesi gerekir.
- Sonuç
Kapalı devre soğutma kulelerinde glikol kullanımı, düşük sıcaklıklarda donma riskini azaltmak ve sistem güvenilirliğini artırmak açısından önemli bir çözümdür. Ancak glikol konsantrasyonunun yükselmesi, ısı transferi ve pompalama performansı üzerinde ek yük oluşturabilir.
Bu nedenle doğru tasarım yaklaşımı; minimum çalışma sıcaklığının belirlenmesi, uygun glikol türü ve oranının seçilmesi, serpantin yüzeyinin yeniden hesaplanması ve pompa performansının doğrulanması adımlarını birlikte içermelidir.
CTP Mühendislik olarak kapalı devre soğutma kulelerinin değerlendirilmesinde, uygulamanın gerçek çalışma koşullarına uygun termal tasarımın ve doğru akışkan seçiminin önemini vurguluyoruz. Glikol oranı, serpantin yüzeyi ve enerji tüketimi birlikte değerlendirildiğinde, sistemin güvenilirliği ve işletme verimliliği için daha doğru bir tasarım yapılabilir.
