Çift Geri Dönüşlü Kazan Sistemlerinin Tasarımı
Sıcak su sistem verimliliğinin maksimizasyonu
Yazan: Nery D. Hernandez, LEED AP BD+C, AERCO International Inc., Blauvelt, N.Y.
Çeviren: Meriç Noyan Karataş
Bir sıcak su sistemini tasarlarken çift geri dönüş hatlı sistemlerinin kullanılması verimlilikte yüzde 8 oranında iyileşme sağlarken, işletim maliyetlerinin azaltılmasına da yardımcı olur. Sıcak su sistemlerinin verimliliği söz konusu olduğunda, çoğu zaman tartışmaların odağı, kazan veya su ısıtıcılarının teknik özellikleri olur. Maksimum işletim verimliliğine ulaşabilmek için danışman mühendisler, tesis sahipleri ve yöneticileri sistemin tamamının tasarımını göz önünde bulundurmalıdır. Bir sıcak su sistemi tasarlanırken çift geri dönüşlü sistem kullanımı, tesislerde yaygın olarak kullanılan tek geri dönüşlü sistemlere göre verimlilikte yüzde 8 iyileştirme sağlarken işletim maliyetlerinin azaltılmasına da yardımcı olur. Yoğuşmalı ve tam modulasyonlu kazanların avantajları endüstri tarafından yaygın olarak bilinir. Pazara 25 yıl önce sunulan bu ünitelerin modulasyon kabiliyeti yıllar boyunca geliştirilmesine rağmen sadece birkaç ticari kazan 15:1’lik veya daha yüksek devrilme noktasına ulaşabilmiş ve yine sadece birkaçı yüzde 95 üstündeki verimlilik sınıfına girebilmiştir. Diğer taraftan, pratikte gerçek performans beklenen değerleri karşılamaz. Çift geri dönüşlü sistemlerin kullanımı kazan sistemlerinin katalog değerlerini yıl boyunca performansa yansıtmalarına yardımcı olur.
Çift Geri Dönüşlü Sistemler
Çift geri dönüşlü sistemler, mühendislerin birincil kazanların avantajını tam olarak kullanabilmelerini mümkün kılar çünkü tasarlanabilen en verimli sistemlerden biridir. Daha soğuk olan dönüş suyu için ayrı bir boru hattı tasarlanması, santralin toplam verimliliğini iyileştirirken, yoğuşmalı mod çalışma sürelerini uzatır. Bunun anlamı gözle görülür miktarda enerji tasarrufu ve daha düşük işletim maliyetidir. Yukarıda bahsi geçen avantajlar, çift geri dönüşlü sistemlerin, geleneksel tek geri dönüşlü kazanların sınırlarını ortadan kaldırması ile elde edilir. Birçok standart hidronik sistem farklı çevrimlerden gelen dönüşleri birbiri ile karıştırarak yoğuşmalı kazanın performansından ödün verir. Bu tip geleneksel ünitelerin kullanılması, mühendisleri sıcak ve soğuk suyu birbirine karışmaya zorlayan benzer tip uygulamaları tasarlamaya zorlar. Bu tip bir yaklaşım sistem verimliliğini düşürür çünkü ısı eşanjörünün yoğuşma bölgesi daha küçük ve daha az verimlidir. Çift geri dönüşlü yüksek verimli bir kazan, mühendislerin bir yöreye özgü farklı yük taleplerini avantaja çevirmesini ve operasyonu optimize edecek talebe dayalı bir sistemi tasarlamasını mümkün kılar.
Çift geri dönüşlü kazan konsepti basittir: Yoğuşma modunda çalışmak için üretilmiş bir alev borulu ısı eşanjörü ve soğuk (130˚F’dan düşük) dönüş hattını alttaki girişe; sıcak (140˚F’tan yüksek) dönüş hattını üstteki girişe bağlamak için kullanılan, maksimum miktarda ısı transferi için yüksek teknoloji ile üretilmiş alev borularının kombinasyonundan oluşur. Bu sayede alt ve üst giriş bağlantıları arasındaki akış yapılandırmalarının değişken olduğu uygulamalarda dahi doğru yoğuşma performansına ulaşılmasını sağlar. Sonuçta kazan verimliliğini zenginleştiren daha geniş bir yoğuşma bölgesi elde edilmiş olur (Şekil 1).
Şekil 1. Çift geri dönüşlü sistemi kullanan kazanlar daha yüksek verimliliğe sahiptirler
Çift geri dönüşlü kazanların kendine özgü akış saptırıcı tasarımları vardır. Ünitenin alttaki akış saptırıcısı, boru demeti boyunca akışı maksimum ısı transferi için garanti altına alırken, ısı eşanjörü içerisindeki alt bölgedeki düşük sıcaklıklı dönüş bölgesi ile üst taraftaki yüksek sıcaklıktaki dönüş bölgeleri arasında izolasyon görevi görmelidir (Şekil 2). Bu sayede ısı eşanjörünün alt bölgesi sadece daha soğuk dönüş suyu için çalışarak daha fazla yoğuşma sağlar. Sonuçta soğuk olan dönüş suyu daha sıcak olan dönüş suyu ile karışmadan önce yüksek verimlilik elde edilir.
Şekil 2. Çift geri dönüşlü kazanların kendilerine özgü akış saptırıcısı tasarımı bulunmaktadır.
Çift Geri Dönüşlü Uygulamalar
Çift geri dönüşlü sistemler, doğası gereği daha yüksek sıcaklık farklarına ve düşük dönüş suyu sıcaklıklarına sahip olan çoklu geri dönüş su hatlı sistemleri için idealdir. Ayrıca, birleşik sistemleri içeren uygulamalar için de avantajlıdır. Düşük geri dönüş su sıcaklıklarını yüksek verimli indirekt su ısıtıcıları ile avantaja çeviren bileşik sistemler; verimli mahal ısıtması ve sıcak kullanım suyu için maliyet etkin bir çözümdür. Şekil 3, çift geri dönüşlü su ısıtıcı/kazan birleşimini gösterir. Bu konfigürasyonlar sayesinde yıllık işletim maliyetlerinde onbinlerce dolar tasarruf sağlanabilir. Ek olarak, çift geri dönüşlü sistemler, radyant yer ısıtmada, havuz ısıtmada, kar eritmede, hava ön ısıtmasında ve ısı pompaları için destek havası ısıtmasında tasarruf sağlayabilir.
Şekil 3. Çift geri dönüş hattı olan birleşik sistemler.
Çift geri dönüşlü sistemlerin faydalarının ortaya çıktığı örneklerden biri de, yüksek sıcaklıkta mahal ısıtması, sıcak kullanım suyu hazırlama ve havuz ısıtmasının bir arada olduğu birleşik kullanım suyu ısıtma sistemidir. Yüksek sıcaklıklı su çevriminin dönüş sıcaklığı, yüksek verimli su ısıtıcılarının kullanımı ile beraber hem sıcak kullanım suyu hem de havuz ısıtması için gerekli olan ısıyı sağlayabilecek yüksekliktedir. Hem sıcak kullanım suyu çevriminden hem de havuz ısıtma çevriminden dönen soğuk su, kazanın düşük sıcaklık kısmına bağlanarak ekstra verimlilik sağlar.
Kurulum Esnekliği
Çift geri dönüşlü sıcak su sistemleri, aynı zamanda kurulum esnekliği de sağlar. Geleneksel tek geri dönüşlü sistemlerde olduğu gibi minimum geri dönüş sıcaklığı gibi sınırlamalar çift geri dönüşlü sistemlerde yoktur. Ayrıca çift geri dönüşlü sistemlerde çoklu akış konfigürasyonlarının kullanımı da mümkündür. Diğer bir kurulum avantajı da, kazan modelinin minimum akış debisi gerekliliği ikincil yüksek sıcaklıklı geri dönüş debisi tarafından karşılandığı sürece; birincil düşük sıcaklıklı geri dönüş hattı için minimum akış debisinin gerekliliğinin olmamasıdır. Yüksek ve düşük sıcaklıklı geri dönüş hatları arasındaki akış paylaşımı sabit ise, toplam akış debisi kazan modelinin minimum akış gerekliliğinden az olamayacaktır. Çift geri dönüşlü sistemler tasarlanırken, mühendisler her iki geri dönüş bağlantısına çek valf koymayı unutmamalıdır. Bu sayede dönüş hatlarının birinde akış olmaması gibi bir durum gerçekleştiğinde, hatlar arasındaki çapraz akış tehlikesini ortadan kaldırmış olur.
O2-Trim Teknolojisi
Verimlilikte yüzde 2’lik ekstra bir artış sağlayabilmek için oksijen trim teknolojisi çiftgeri dönüşlü sistemin uygulandığı kazanlara entegre edilebilir. Gelişmiş yanma kontrol sistemlerinin bir parçası olan oksijen trim, pik verimlilik, düşük emisyonlar ve maksimum çalışma zamanı güvenilirliği için belirli bir hava yakıt oranını otomatik olarak sürdürür. Bu gereklidir çünkü gaz yakıtlı ve akaryakıt ile çalışan kazanlar nem, atmosferik basınç, filtre kül yükü ve iletilen gaz enerji içeriği gibi çevresel değişimler yüzünden genellikle ideal hava yakıt oranından sapar. Bunun sonucu da istikrarsız yanma, artmış emisyonlar ve muhtemel alev kaybıdır.
Oksijen trim kontrol sistemi, sistemin en uygun oksijen seviyelerinde ve pik sistem verimliliğinde çalışmasını sağlamak için kazanın gerçek durumunu takip eder ve ünitenin yanma işlemini ayarlar. Çok düşük olan oksijen seviyeleri, hatalarla sonuçlanan ve hesapta olmayan bakımları arttıran istikrarsız yanmaya sebep olabilir. Oksijen trim, oksijeni artırmak ve uygun seviyelere döndürmek için kazanın fan hızını otomatik olarak değiştirir.
Şekil 4’te gösterildiği gibi (2013 ASHRAE El kitabı—Temel Prensipler Bölüm 28 Şekil 4), oksijen seviyelerinin çok yüksek olduğu durumlarda çiy noktası sıcaklığı ve kazanın yoğuşma olasılığı daha düşük olacaktır. Oksijen trim daha geniş bir yoğuşma alanı yaratmak ve verimliliği maksimize etmek amacıyla oksijen seviyelerini düşürmek için kazanın fan hızını ayarlar.
Şekil 4. Oksijen seviyesi arttıkça, çiğ noktası sıcaklığı düşecek ve kazan içerisindeki yoğuşma miktarı artacaktır.
Sonuç
Mühendislerin, tesis sahiplerinin ve operasyon müdürlerinin sıcak su sistemlerinde maksimum verimliliğe erişmek gibi ortak bir amacı vardır. Düşük işletme maliyetleri sayesinde ciddi bir mali tasarrufu da beraberinde getiren bu amaca erişmek için çift geri dönüşlü kazanlar ve oksijen trim kontrolü hesaba katılmalıdır. Bunların ikisi de yüksek devrilme oranlı yoğuşmalı kazanların performansını maksimize etmeye ve çevre ve kurumun bilançosu açısından daha uygun olan yeni nesil sistemlerin bir parçası olabilmeye yarar.
Kaynak:http://hpac.com/heating/design-dual-return-boiler-systems
