SOĞUTMA KULESİ SU ŞARTLANDIRMA

SOĞUTMA KULESİ SU ŞARTLANDIRMA


6

İyi bir ısı transferi için gereken akışkan; hem termodinamik açıdan hem de maliyet açısından uygun
olmalıdır. Buradan yola çıkılırsa su, soğutma işlemi için en uygun akışkandır. Çünkü; termal kapasitesi
yüksektir, düşük maliyetlidir, kolayca sağlanabilir ve genelde proses akışkanından yeterli derecede
düşük sıcaklığa sahiptir. Suyun en iyi ısı transfer akışkanı olması termodinamik olarak; konveksiyon,
radyasyon ve iletim (conduction) yasaları ile açıklanabilir. Suyun özelliklerine hem yakın hem de aynı
ekonomide başka bir akışkan yoktur. Bu nedenle soğutma işleminde su en önemli unsurdur.
Temelde sanayi uygulamalarında soğutma suyu;
– Tek geçişli soğutma sistemlerde
– Kapalı devre soğutma sistemlerde
– Açık tip soğutma devrelerinde kullanılmaktadır.
Tek geçişli sistemlerde soğutma suyu ısı transferi sonrasında sistemi terk eder. Örnek olarak deniz
suyu ile soğutma yapan enerji santralleridir. Su alma yapısı ile denizden alınan suyun ısısı
soğutulması gereken akışkana transfer edildikten sonra ısınan su tekrar denize deşarj edilir.
Kapalı devre sistemlerinde amaç sabit hacimde akışkan ile sürekli olarak sistem soğutmasının
sağlanmasıdır. Burada buharlaşma olmadığından su kaybı olmaz. Örnek olarak çiller sistemlerini veya
motor soğutma suyu devreleri gibi kapalı sistemler gösterilebilir.
Açık tip soğutma sistemlerinde su atmosferik koşullarda dış ortama açıktır. Soğutma amacıyla
prosesten aldığı ısıyı buharlaşarak atmosfere transfer eder. Böylece soğuyan su tekrar sisteme
pompalanır.

2. SOĞUTMA SUYUNDA KARŞILAŞILAN SORUNLAR
Soğutma suyu olarak kullanılan sular sistemlerde temel olarak 4 ana soruna yol açmaktadır:
1. Korozyon,
2. Birikinti (scaling),
3. Bakteriyel kirlenme (fouling),
4. Depozitlenme (askıda katıların çökelmesi)
2.1 KOROZYON
Korozyon, sistemde bulunan metallerin elemental formdan doğadaki hallerine elektrokimyasal yolla
dönme işlemidir. [1] Korozyon oluşumu; korozyon hücresi (corrosion cell) açıklaması ile daha net
anlaşılır.
Anotta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir;
Fe°— Fe+2 + 2e-
(oksidasyon) [2]
Katotta ise;
1/2 O2+ H2O + 2e-
— 2OH-
(indirgenme) [2]
Görüldüğü gibi önüne geçilmediği taktirde metalde sürekli olarak kaybın oluşacağı açıktır. Bu kayıplar
noktasal olarak (pitting) veya yüzeyin genelinde oluşabilir. Genel korozyon ve pitting korozyonu
yanında, farklı metal yapısı nedeni ile iki metal arasındaki elektriksel alışveriş sonucu bir de galvanik
korozyon sistemlerin en sık karşılaştığı korozyon tipleridir. Kimyasal uygulamaları ile bu korozyon
hücresinin oluşumu engellenmeye çalışılır. Gerek anot gerekse katot tarafında kaplama yapan
kimyasallar ile bu elektriksel alışveriş yavaşlatılır.
2.2 BİRİKİNTİ (SCALE)
Su içinde çözünmüş halde bulunan katı maddeler belli koşullar altında su fazından ayrılarak
bulunduğu yerlere çökelme eğilimine girerler. Normalde tuz, şeker gibi bildiğimiz katılar su içinde
ısındıkça daha fazla çözünürler. Bunun aksine soğudukça da kristallenirler. Sularda en çok sorun
yaratan kalsiyum karbonat, kalsiyum fosfat, silisli birikintiler ise tam tersine hareket eder. Normalde bir
çökelme eğilimi olmadığı halde su ısındığında çözünürlüklerini kaybederek birikinti oluşturma eğilimine
girerler. Her bileşiğin “çözünürlük çarpımı” olarak adlandırılan suda çözünürlük sınırını ifade eden bir
limiti vardır. Bu sınır aşıldığı taktirde çökelme başlar. Bu durumda temizlenmesi güç, sert birikintiler
oluştururlar. Kimyasallar bu noktada kristallenmeyi geciktirici veya mevcut kristal yapıyı bozan
içerikleri ile devreye girerler.
Tablo 1. Birikinti Tipine Göre Termal İletkenlik. [1]
Birikinti tipi Termal İletkenlik
(W/m°C)
Kalsiyum Karbonat 2.25-2.94
Kalsiyum Sülfat 2.25
Kalsiyum Fosfat 2.6
Magnezyum Fosfat 2.25
Demir oksit 2.94
Yukarıdaki tablodan da görüldüğü gibi birikintiler ısının bir proses tarafından soğutma suyuna
transferini ciddi biçimde engeller. Veya diğer bir ifade ile soğutma suyunun proses ısısını almasını
güçleştirirler. Termal iletkenliğin temiz bir karbon çelik yüzeyde 60 W/m°C’ nin üzerinde olduğu
düşünülürse birikintilerin ne derece ısıyı yalıttıkları daha net anlaşılabilir.
Çözünmüş katıların su fazından ayrılmasını önlemek veya ayrıldıktan sonra çökelmesini engellemek
amacıyla da kimyasal şartlandırma yapılmaktadır.
2.3 BAKTERİYEL KİRLENME (FOULING)
Doğada sulu ortamda yaşam faaliyetlerini sürdüren canlılar endüstriyel tesislerde de eğer önlemleri
alınmazsa problemleri üreyerek sıkıntı yaşatacak seviyeye getirebilir. Bakteriyel kirlilik korozyonu,
ciddi ısı yalıtımı nedeni ile birikinti oluşumunu hızlandırır. Sistemlerde bakteri, yosun ve mantar
formunda bulunabilirler. Bu canlıların bazıları oksijene ihtiyaç duyarken (aerobik canlılar) bazıları
oksijensiz (anaerobik) ortamda da varlıklarını sürdürebilirler. Güneş ışığı da canlılar için en önemli
kaynaklardandır. Sistemlerde bu tip canlıların üreyebilmesi için uygun şartlar ve yeterli miktarda
besinin bulunması yeterlidir. Su şartlandırmada bu tip canlılar ile mücadelede farklı mekanizmalar ile
çalışan kimyasallar (biyositler) kullanılmaktadır.
2.4 DEPOZİTLENME
Suda askıda bulunan katı maddelerin sistem iç dinamiklerine bağlı olarak belirli bir yerde çökelmeleri,
toplanmalarına depozitlenme denilmektedir. Depozitlenmenin scalingden farkı çözünmüş maddelerden
dolayı değil aksine askıda bulunan katılardan dolayı oluşmasıdır. Sistemlerde gerek su hızının az
olması, gerek ani değişen su sıcaklıkları, gerekse su karakteristiği bu probleme neden olmaktadır. Bu
sorunların giderimi için disperse edici kimyasallar kullanılmaktadır. Disperse etme yönteminde
birikintinin elektriksel yükü ile ters yüke sahip ürünler tercih edilmektedir.
Yukarıda anılan dört farklı sorunun bir tanesinin sistemde sorun yaratacak boyuta ulaşması
diğerlerinin de sorun yaratmasına neden olabilir. Yani korozyon ürünleri ortamda bulunan scale yapıcı
mineraller ile birleşerek ani ısı değişimi olan noktalara çökebilir. Böyle pürüzlü, tutunması kolay ve ısı
olarak yaşama elverişli ortam bakteriyel gelişme için de uygunluk sağlar. Böylece zamanla oluşan
korozyon diğer sorunların da oluşmasına zemin hazırlayabilir.
3. KİMYASAL ŞARTLANDIRMA
Tek geçişli sistemler ve kapalı devre sistemlere göre açık tip soğutma kulelerinde rastlanan sorunlar
daha komplike ve çözümleri daha detaylıdır. Zira tek geçişli sistemlerde ve kapalı devre sistemlerinde
stres çok daha düşüktür. Açık tip sistemlerde ise soğutma işlemi suyun buharlaşarak sistemden aldığı
ısıya dayandığı için hem suyun saf olan kısmı kaybedilir ve içeriği sistemde zaman içinde konsantre
olur hem de sürekli olarak bu kayıp aynı karakterde su kaynağından tazelenir. Bu da sürekli olarak
sisteme yeni birikinti ve/veya korozyon yapacak içeriğin eklenmesi demektir.
Tek geçişli ve kapalı devre sistemlerinde su şartlandırma gayet kolaydır. Zira problemler sınırlıdır ve
çözümleri efektiftir. Örneğin günümüzde – ekonomik nedenlerden dolayı – tek geçişli sistemler sadece
suyun aşırı miktarda kullanıldığı deniz suyu ile soğutmalı enerji santrallerinde kullanılmaktadır. Bu
sistemlerde metalürji titanyum ve/veya paslanmaz çelik olarak seçildiğinden ana sorun korozyon değil
bakteriyel kirlilik ve birikintidir. Giriş yapısında biosit (genelde klorlama) uygulaması ve ton başına belli
miktarda scale inhibütörü genelde soruna çözüm olmaktadır. Kapalı devrelerde ise su kaybı
olmadığından dolayı ton su başına eklenen inhibütörler sistemin uzun süre sağlıklı olarak çalışmasını
ve korunmasını sağlar. Sistemde oluşabilecek su kayıpları nedeni ile taze su girişi halinde kimyasal
ilavesi yapılmaktadır. Kapalı devre sistemlerinde çok sık olmasa da bakteriyel kirlilik de görülmektedir.
Bu da ton başına eklenen non-okside biositler ile rahatlıkla çözülebilmektedir.
Açık tip soğutma sistemlerinde ise yukarıda anılan 4 ana problem (birikinti, korozyon, yığılma ve
bakteriyel kirlenme) problemler yaratır. Bu nedenle kimyasal şartlandırma programları bu problemlerin
çözümlerini esas alır.
Kimyasal şartlandırmanın seçimi öncesinde yapılması gereken bazı inceleme (survey) ve işlemler (test
ve kontroller) vardır. Bunlar:
– Sistem inceleme raporu ( assessment, survey raporu)
– Sistemin eğiliminin tespiti (korozyon veya birikinti)
– Bakteriyel kirlilik riski ve geçmişi
– Önceki inceleme (inspection) raporları ve mevcut problemler
Yukarıdaki ana unsurlar ışığında soğutma suyu şartlandırma programı seçilerek hedeflenen değerler
belirlenir. Ve bu hedefler doğrultusunda program uygulaması başlatılır. Yeni bir programa geçmeden
önce mevcut durumda oluşan olumsuzlukları incelemek, gerekirse bu olumsuzların (birikinti, korozyon
ürünleri, bakteriyel kirlilik, biofilm vs) temizlenmesi gerekebilir. Zira suda istenmeyen oluşumların
bulunması uygulanacak kimyasalların aktivitesini ve dozaj miktarlarını da olumsuz olarak
etkilemektedir.
Kimyasallar çok genel olarak;
– İnhibütörler (korozyon ve scale inhibütörleri)
– Dispersantlar-polimerler
– Biositler [3]
olarak gruplandırılabilir. Bu ürünler de kendi aralarında kimyasalın çalışma şekline veya içeriğine bağlı
olarak gruplandırılabilir. Örneğin korozyon inhibütörleri; anodik korozyon inhibütörleri ve katodik
korozyon inhibütörleri olarak veya organik ve inorganik inhibütörler gibi sınıflandırılabilirler. Biositler
okside edici (klor, peroksit vb gibi) ve okside edici olmayan (Fuat, izotiazolin, vb gibi) gruplandırılabilir.
Kimyasal şartlandırmada en önemli unsur soğutma kulesinin konsantrasyon sayısıdır. Bu sayı mevcut
kimyasal program ve takviye edilen su karakteri ile sistem suyunun sorunsuz olarak çalışabileceği en
üst noktayı belirler. Konsantrasyon sayısı; kuledeki soğutma suyunda bulunan parametrelerin sisteme
giren takviye suyundaki (make up) parametrelere oranıdır. Yani kuledeki sertliğin giren suyun
sertliğine, kuledeki silisin giren sudaki silis miktarına oranıdır. Fakat bu sayı genelde birikinti
oluşturabilecek riskleri ifade eden sertlik, silis, alkalinite gibi değerler ile ifade edilmez. Zira sisteme
giren kalsiyum ortamdaki yüksek alkalinite nedeni ile kalsiyum karbonata dönüşerek sudan ayrılabilir.
Bu durumda da kulede ölçülen kalsiyum miktarı düşük çıkacaktır. En gerçekçi konsantrasyon sayısı
klorür gibi sisteme girişi ve sistemdeki konsantrasyonu kolayca değişmeyen parametrelerden
seçilmelidir. Zira klorür reaksiyona girmez, çökelti oluşturmaz ve buhara karışmaz, bu nedenle en
uygun izleme parametresi konumundadır. İletkenlik de bunun için uygun bir parametredir ama dış
etkenlerden (AKM, toz, toprak vs) kolayca etkilenir. Bu nedenle konsantrasyon sayısının hesabı bir
kaç parametrenin takibi desteklenmelidir. Konsantrasyon sayısı direk olarak sisteme verilen bir
parametrenin ne denli konsantre edilebileceği konusunda fikir verir. Bu nedenle eğer program izin
veriyorsa en yüksek konsantrasyon ile çalışmak en ekonomik yöntemdir. Burada önemli olan;
çıkılacak yüksek konsantrasyon sayısına mevcut programın izin verip veremeyeceğidir. Diğer taraftan
konsantrasyon sayısının yüksek olması, sistemden daha az blöf yapılacağı anlamına geldiğinden su
tasarrufunu da beraberinde getirmektedir.