Islak soğutma kulelerinin termal tasarımı hâlâ büyük ölçüde Merkel'in 1925 tarihli çalışmasına dayanır [1]. Merkel, hava-su sistemlerinde birleşik ısı ve kütle transferini tek bir transfer sürecine indirger ve sürükleyici kuvvet olarak entalpi farkını alır. Bu indirgeme, problemi elle çözülebilir hâle getirdiği için yöntemin yüz yıl ayakta kalmasını sağladı.
Üzerine kurulduğu üç varsayım
- Lewis faktörü 1 kabul edilir — yani ısı ve kütle transfer katsayıları arasındaki ilişki sabittir.
- Buharlaşan su enerji dengesinde ihmal edilir — su debisinin azalması hesaba katılmaz.
- Çıkan hava doymuş kabul edilir ve yalnız entalpisiyle tanımlanır.
Kloppers ve Kröger, Merkel, Poppe ve e-NTU yöntemlerini karşılaştırarak bu varsayımların sonucu nerede ve ne kadar saptırdığını gösterir [2]. Poppe ve Rögener'in daha ayrıntılı yaklaşımı, doyma varsayımını kaldırarak çıkan havanın gerçek durumunu çözer.
Pratikte bu fark şurada önemlidir: buharlaşan su miktarını doğru bilmek gerekiyorsa — su tüketimi, deşarj yükü, tuz birikimi — Merkel yetersizdir.
CFD kuleye ne katar
Merkel ve türevleri bir dolgu performansı hesabıdır; dolgu karakteristiği deneyden gelir. CFD'nin yeri, o hesabın varsaydığı ama sahada gerçekleşmeyen şeydir:
Dağılım. Hesap, havanın ve suyun dolguya düzgün dağıldığını varsayar. Gerçekte fan girişi, damla tutucular ve yapısal elemanlar dağılımı bozar. Kule verimindeki açıklanamayan kayıpların büyük kısmı buradadır.
Geri emiş (recirculation). Kuleden çıkan nemli, sıcak hava dolaşıp emiş ağzına döner. Yaş termometre sıcaklığını yükselttiği için doğrudan performans kaybıdır ve yerleşim planına, rüzgâr yönüne, komşu yapılara bağlıdır — yani dış ortam modellenmeden görülemez.
Sürüklenme (drift). Damlacıkların hava akımıyla taşınması; çevresel ve korozyon açısından önemlidir. Bu bir parçacık takibi problemidir.
Kış koşulları. Donma ve buz oluşumu, dağılımın en zayıf olduğu bölgelerde başlar; ortalama hesap bunu göstermez.
Modelleme notu
Dolguyu hücre hücre çözmek ne mümkün ne gereklidir; dolgu, bilinen direnci ve entalpi transfer karakteristiği olan gözenekli bir bölge olarak temsil edilir. Kazanılan doğruluk dolgunun içinde değil, dolguya nasıl girildiğindedir.
Sonuçlar kule tasarım standartlarına göre kabul edilen performans testi ile karşılaştırılmalıdır; ölçüm belirsizliği göz ardı edilirse uyum tesadüf olur. Bkz. doğrulama ve geçerleme notu.
Kaynaklar
- Merkel, F. (1925). Verdunstungskühlung. VDI-Forschungsarbeiten Nr. 275, VDI-Verlag, Berlin.
- Kloppers, J. C. & Kröger, D. G. (2005). Cooling tower performance evaluation: Merkel, Poppe, and e-NTU methods of analysis. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 127(1), 1–7. DOI: 10.1115/1.1787504