Çelik ve Dökme Demir Sıcak Su Kazanlarının Doğal Gaz Kullanımı Açısından Karşılaştırılması
DS:92/1412
Raporu Hazırlayanlar :
Prof Dr. Kemal ONAT
Prof. Dr. Osman F. GENCELİ
Prof. Dr. Ahmet ARISOY
Öğr. Gör. Dr. İhsan GÜLFERİ
GİRİŞ
Burada esas itibariyle sıcak sulu ısıtma sistemlerinde yakıt olarak gazın kullanılması halinde çelik ve dökme demir kazanların iyi ve kötü tarafları ortaya konarak bir karşılaştırma yapma yoluna gidilmiştir. Bunun için herşeydcn önce doğal gazın özelliklerini tanımakta yarar vardır. Memleketimizde kullanılan doğal gazın fiili hacimsel bileşimi aşağıdaki gibidir.
Metan (CH4) % 98.68 Diğer (CH) % 0.033
Etan (C2H6) % 0.211 C02 % 0.035
Propan (C3H8)% 0.043 N2 % 0.829
Bütan (CmHn)% 0.017 Bu bileşime göre aşağıdaki değerler hesaplanır :
Alt ısıl değer Hu = 37410 kJ/Nm3
Teorik özgül hava miktarı Vho = 9.44 Nm3/Nm3v
Teorik özgül duman miktarı Vgo = 10.44 Nm3/Nm3
Hava fazlalık katsayısı =1.1 için
Özgül hava miktarı Vh = 10.4 Nm3/Nm3
Özgül duman miktarı Vg = 10.4 Nm3/Nm3
Yanma gazındaki COb oranı C02 = % 8.7
Yanma gazındaki H2 O oranı H2 O = % 17.4
Burada göze çarpan ayrıcalık kömürde yaklaşık % 5, Fueloil'de % 10 değerinin altında kalan su buhan oranının % 17 gibi yüksek değerde olması, buna karşılık S02 gazının hiç bulunmamasıdır.
Yukarıdaki değerlerde görülmemekle birlikte diğer önemli bir ayrıcalık, katı ve sıvı yakıtların ışınım kabiliyeti yüksek sarımtrak isli alevine karşı doğal gazın sadece gaz ışınımı yapan, fakat is ışınımı olmayan mavi alevi olduğudur. Doğal gaz kullanımı açısından çelik ve dökme kazanlar aşağıdaki gibi karşılaştırılabilir:
1. OCAK SICAKLIĞI
Her gaz yakıtta olduğu gibi doğal gazın yanma gazı ocakta yalnızca gaz ışınımı yaptığından, yani is ışınımı olmadığından ocak gazının soğuması katı ve sıvı yakıt gazınınki kadar iyi olamaz, bu sebeple sıcaklık daha yüksek seviyelerde kalır.
Örnek olarak aynı bir sıcak su kazanı çeşitli ocak yüklerinde sıvı, yakıt veya doğal gazla çalıştırıldığnda, 1 m kalınlıkta olduğu varsayılan alevin ocağı tamamen doldurduğuna göre ocak sıcaklığı hesaplanırsa şekil 1 elde edilir. Görüldüğü gibi ocak yükü arttıkça doğal gaz kullanılması halinde ocak sıcaklığı sıva yakıtınkine nazaran çok daha hızlı artmakta, örneğin 1000 kV/m3 ocak yükü için sıvı yakıt yaklaşık 1150°C, doğal gaz ise 1370°C sıcaklığını vermektedir.Çelik kazan ocağı sıcaklığını ayarlamak yönünden daha esnek dizayn imkanına sahip olmakla birlikte duman boruları gibi çıkıntılı kısımlar içerdiğinde su ile temasta olmayan bu tip yüzeyler kavrulmaya maruz kalabilir. Su ile soğutulmayan böyle kısımların seramik, şamot gibi yüksek sıcaklığa dayanıklı malzeme ile örtülmesi gerekir. Bu bakımdan döküm kazanlar bir sorun yaratmazlar. Çelik kazanda duman kutusu gaz kaçağına karşı hassastır, korunması gerekir.
2. KOROZYON
Doğal gaz kükürt içermediğinden yanma gazında S02 yoklur, bu nedenle su buharının yoğuşması halinde bir asit tahribatı bahis konusu değildir, çelik veya döküm malzeme harhangi bir fark göstermez. Buna karşılık su buharı oranı yüksek olduğundan çiğ noktası da yüksek olacak, dolayısıyla bir yoğuşma olayı meydana gelebilecektir. Örneğin % 17 su buharı için çiğ noktası sıcaklığı 55°C kadardır; o halde malzeme sıcaklığı bu değerin altına düştüğünde yüzeyde su buharı yoğuşacak, oksitlenme suretiyle malzemenin çürümesine yolaçılacaktır. Ayrıca gazdaki C02 gazı suda çözülüp karbonik asil şeklinde metali aşındıracaktır. Ilık havalarda konut ısıtması halinde dönüş suyu sıcaklığı rahatlıkla 35-40°C değerlerine düşebildiğinden bu yoğuşma olayının kolayca gerçcklenebileceği anlaşılır. Dökme demir bundan etkilenmezken, etkilenir. Buna göre çelik kazan kullanıldığında ya bir karışım vanası ile dönüş suyunu gidiş suyu ile belirli oranda karıştırıp kazana vererek çiğ noktasının üstüne çıkmak, ya da çeliği korozyona dayanıklı bir malzeme (emaye, seramik) ile kaplamak, paslanmaz çelik kullanmak gibi çözümlere başvurulur. Ancak ilk halde, yani karışım vanası kullanıldığında, gene de kazan suyu sıcaklığının % 17 oranındaki su buharının çiğ noktası olan 55°C sıcaklığının üstünde tutulması gerekir, yani ılık havalarda gereksiz bir fazla enerji harcamı yapılır, son halde ise kazan fiyatı önemli ölçüde artar. Anlaşılacağı üzere bu bakımdan dökme demir kazan çeliğe nazaran üstünlük arzetmektedir.
Normal olarak doğal çekme halinde 180°C değerinin üzerinde tutulan baca sıcaklığı zorlanmış çekme yapıldığında çok daha küçültülebilir. örneğin 60°C değerlerine inilebilir, bu halde kazan veriminin önemli ölçüde artacağı açıktır. Ancak öyle bir durumda yukarıda bahsi geçen yoğuşma olayını gözden uzak tutmamak gerekir. Dökme demir kazan yoğuşma-dan etkilenmemekle birlikte baca gazı çok düşük sıcaklıkta olduğundan çelik saçtan yapılan baca etkilenir, bu nedenle bacayı yoğuşmadan etkilenmeyen paslanmaz çelik, yapay veya keramik malzemeden yapmak gerekir. Baca gazını ileri derecelerde soğutup verimini artırmak bakımından dökme demirin çeliğe üstünlük sağladığı görülmektedir. Burada şunu da hatırlatmak doğru olur ki baca gazı sıcaklığını düşürdükçe sıcaklık farkının azalması sonucu kazan yüzeyi anormal şekilde büyür, fiyatı o aranda artar. O halde optimum bir değerde kalmak gerekir. Su ile temastaki yüzeyleri kanatlı yaparak cidar sıcaklığını yüksek tutmak suretiyle yoğuşmayı önlemek de başvurulan çarelerden biri olarak gösterilebilir. Böyle kanallı yüzeyler oluşturmak bakımından da dökme demir çeliğe göre daha fazla kolaylık sağlar. Duman gazındaki su buharı oranına göre çiğ noktasının değişim hakkında bir fikir edinebilmek için aşağıda verilen şekle bakmak yeterlidir.
3. YÜZEY KİRLİLİĞİ
Doğal gaz kül ve is tanecikleri içermediğinden gaz tarafındaki yüzeyler temizdir, böylece kirlilikten gelen ısı yalıtımı yoktur ve yük kayıpları düşüktür. Burada yüzey kirliliğinin gazların yük kaybını % 100'e varan oranlarda artırabildiğini hazırlatmak doğru olur. Kullanılmış bir kazan doğal gaza dönüştürüldüğünde kanatlar nedeniyle döküm yüzeyleri temizlemek duman borulu bir çelik kazandaki boruları temizlemekten daha fazla güçlük gösterir. Su tarafında ise sisteme ham su ilavesi halinde taş tutma olayı meydana gelebilir. Dökme demir yüzeylerin pürüzlü olmaları nedeniyle çeliğe göre daha fazla taş tutup ısı geçişi bakımından sağırlaştıkları iddiası bugünkü döküm teknolojisi açısından geçerliliğini kaybetmiştir. Modern döküm kazanlarda yüzeyler çelikten farksız pürüzlülüktedir.
4.ISI DEPOLAMA VE ISI GEÇİŞİ
Dökme demir kazanların çeliğe göre daha ağır olmaları yüzünden fazla ısı depoladıkları, dolayısıyla geç rejime geçerek fazla enerji harcanmasına sebebiyet verdikleri söylenmekte ise de bugünün modern döküm kazanları eskiye oranla daha hafiftir, ısı depolaması bakımından aralarında büyük fark yoktur. Esasen kütlesinin fazlalığı nedeniyle döküm kazan geç rejime girse bile geç soğuyacağından kazana verilen ısı enerjisinde bir değişme olmayacaktır.
Döküm cidarların çelikten daha kalın olmaları yüksek iletkenlikleri nedeniyle ısı geçişini pek etkilemez. Bu nedenle döküm kazanların ısı geçişi yönünden sağır oldukları iddiası geçersizdir.
5.ISITMA YÜZEYLERİ
"aşınım (konveksiyon) yüzeyini artırmak maksadıyla ısıtma yüzeyini kanatlı yapmak döküm kazanlarda çeliğe nazaran aha kolay gerçekleştirilebilir. Bu kanatlar daha önce söylendiği gibi çiğ noktasını yükseltmek suretiyle düşük sıcaklık korozyonunu önlemekte de yarar sağlar.
6.ISIL VERİM
Isıl verimi etkileyecek faktör baca sıcaklığıdır, zira yanma verimi çelik ve dökme demir kazanlarda farketmez. Dökme demir kazanda baca sıcaklığını çok düşürmek suretiyle su buharının yoğuşma ısısı da suya verilirse alt ısıl değere göre tanımlanmış ısıl verim % 100 değerinin üstüne bile çıkabilir. Korozyon nedeniyle baca sıcaklığı çelik kazanda sınırlı kalmak zorunda olduğundan bir dökme demir kazanla şartlar elverdiği takdirde daha yüksek ısıl verim elde etmenin mümkün olacağı söylenebilir.
7.BASINÇ
Dökme demir kazan standart olarak 4-6 bar basınca dayanabilecek şekilde imal edilir, özel tedbirlerle biraz daha yüksek değere çıkılabilir. Halbuki çelik kazan için hele su borulu olması halinde bir sınır yoktur denebilir. Isıtmada kullanılan silindirik kazanlarda 15 bar değeri pek geçilmez. O halde yüksek basınçlara dayanma yönünden çelik kazan dökme demire göre daha üstündür. Gökdelenlerde çelik kazan ön plana geçecek demektir.
8.NOx OLUŞUMU
Yüksek sıcaklıklarda azot ve oksijen gazları birleşerek sağlığa zararlı azot bileşikleri (NOx) oluşur. Şekil 3'de görüldüğü gibi NOx oluşumu yaklaşık 1600°C sıcaklıktan sonra hızla artmakta, 1200°C değerinin altında kalındığında önemini kaybetmektedir. Ayrıca yanma gazının ocakta kalış süresi de NOx oluşumunu etkiler, süre uzadıkça NOx oluşumu artar, genellikle 0.1 - 0.3 saniyelik bir bekleme süresi oluşum için yeterlidir. O halde yanma odasını hem iyi soğutmak, hem de gazın ocağı çabuk terk etmesini sağlamak doğru olur.
sGerek çelik, gerekse dökme demir kazanlarda ocak yükleri yüksek değerlere çıkabildiğinden her ikisinde de NOx oluşumu bahis konusudur. Ancak ocağı büyük tutarak sıcaklığı düşürmek, ocak konstrüksiyonunu ayarlamak bakımından çelik kazan daha esnek olduğundan döküme göre bir üstünlük arzetmektedir. Döküm kazanda da ocağı büyütmek, katı ışınımı yaparak alevin ışınımını artıran çubuk v.s. kullanmak gibi çözümler mümkünse de çeliğe göre pahalıdırlar. Şunu da söylemekte yarar vardır. Ocak sıcaklığını 1200°C değerinin altında kaldığı surece çelik ve dökme demir an kullanmak bakımından bir fark yoktur, zira bu halde NOx çok düşük miktarlarda oluştuğundan, yani sağlık açısından tespit edilen belirli miktarların altında kaldığından, zaten bir tedbir almak gerekmemektedir.
9.MONTAJ VE NAKİL
Döküm kazan dilimli olduğundan taşınması ve yerinde montajı kolaydır. Çelik kazan ise bir blok halinde imal edildiğinden taşınması, inşaatı bitmiş binalara sokmak güçtür, boru değişmesi ve tamirat işlerinin yerinde yapılması gereklidir. Dilim ilavesi suretiyle döküm kazanın kapasitesini artırmak mümkünse de çelik kazanda bu olanaksızdır. Isıtma yüzeyi /su hacmi oranı yüzeylerin kanatlı yapılabilmesi ve amaca uygun şekillendirilebilmesi bakımından dökme demir kazan lehine olduğundan döküm kazanlar daha az yer kaplarlar.
10.FİYAT
Çelik kazan dökme demir kazana nazaran daha ucuzdur.
11.ONARIM, ÖMÜR
Döküm kazan korozyona dayanıklı olduğu için uzun ömürlüdür (30 yıl gibi). Kaynakla onarım yapmak çelikteki kadar kolay değildir, buna karşılık dilim değiştirmek kolaydır, çelik kaynağa elverişlidir, ancak büyük tiplerde kaynaktan gelen ısıl gerilmeleri gidermek için ısıl işlem gerekliğinde çoğunlukla yerel tavlama ile yetinilmek zorunda kalınır. Çelik kazan boruları oksitlenme ve karbonik asit etkisi ile kısa zamanda (4-5 yıl gibi) delinebilir, değiştirilmesi gerekir.
SONUÇ Yukarıda açıklanan karşılaştırma konuları özetlenecek olursa,
1.Doğal gaz yakılması halinde ocak sıcaklığı yüksektir. Çelik kazanlar ocak sıcaklığını ayarlama yönünden daha esnek dizayna sahiptir.
Döküm kazanlarda su ile soğutulmayan yüzeyler bulunmadığından harhangi bir kavrulma sorunu yoktur.
2.Çelik kazanda duman kutusu gaz kaçağına ve ısı kaybına karşı hassastır. Hem ısı kaybına hem de gaz sızıntısına karşı yalıtılmalıdır.
3.Korozyona dayanıklılık açısından döküm kazanlar, çelik kazanlara nazaran üstünlük arz etmektedir.
4.Döküm kazanlar daha uzun ömürlüdür.
5.Malzeme yönünden ısı depolanması bakımından aralarındaki fark önemli mertebelerde değildir.
6.Taşınım yüzeyini artırmak maksadıyla ısıtma yüzeyini kanatlı yapmak döküm kazanlarda daha kolaydır.
7.Döküm kazanlarda düşük baca sıcaklığına inilmesi halinde daha yüksek ısıl verim elde etmek mümkündür.
8.Çelik kazanlar daha yüksek statik basınçlara dayanabilir.
9.Gerek çelik, gerekse döküm kazanlarda NOx oluşumu söz konusudur. Ancak ocak konstrüksiyonunu ayarlamak bakımından çelik kazan daha esnek olduğundan, NOx oluşumunu bu tiplerde daha fazla azaltmak mümkündür.
10.Dilimli döküm kazanlar monoblok çelik kazanlara göre taşınma, yerinde montaj ve kazan kapasitelerini artırma yönünden üstündür.
11.Döküm kazanlar kanatlı yüzeylere elverişli olması nedeniyle aynı şartlarda daha kompakt yapılabilir.
12.Çelik kazanlar daha ucuzdur.
13.Bakım ve onarım açısından çelik kazanların kaynak yapılabilme, döküm kazanların dilim değiştirilebilme üstünlükleri vardır.
14.Yüzev kirliliği açısından aralarında önemli bir fark bulunmamaktadır.
