Isı Transferi Isı Eşanjörlerinde Su Basmalarına Karşı Alınacak Önlemler

BUHARLA ISITILAN EŞANJÖRLERDE SIHHATLİ OLARAK YAPILAMAYAN SICAKLIK KONTROLLARI VE YAPILAN İHMALLER SONUCU MEYDANA GELEN SU BASMALARI :
Bugüne kadar edinilen deneyimler buharla ısıtılan eşanjörlerde buhar basıncının kondense suyun dışarı atılmasında etkin bir kuvvet olduğunu ortaya koymaktadır. Fakat tutucudan kondensenin dışarı atılması sırasında ısı eşanjörünü su basmalarından korumak için iki önemli proses metodu mevcuttur ; Birincisi yüksek kondense geri basma, diğeri düşük eşanjör buhar basmasıdır. Bu ikisinden herhangi biri oluşmadığında kondenseyi ısı eşanjöründen tutucu üzerinden kondense geri dönüş hattına vermek güçleşir, müsait olmayan bir basınç farkı meydana gelir. Kondense dışarı atılamaz, bunun neticesi eşanjöre su dolmağa başlar.

SU BASMASININ SAKINCALARI :
Su basmalarına neden olan proses şartları ya devamlı veya geçici olabilir, fakat her iki halde de ısı eşanjöründc alternatif olarak değişen sıcaklık ve basınç çevrimleri meydana gelir. Eşanjörde kondense oluştuğu müddetçe buhar kondensasyonu için efektif ısı transfer alanı daralır. Isı transferi değerinin düşmesi ile sıcaklık kontrol valfi hemen sonuna kadar açılır, bunun neticesi ısı eşanjöründc artan buhar basıncı, kondenseyi tutucudan dışarı atar, çok geçmeden maksimum buhar basıncı ile eşanjör nihai ısı transfer alanına ulaşır ve eşanjör aşırı derecede ısınır. Buna, buhar valfinin geri hareketli buhar basıncını tasmasıyla yeni bir su basma çevrimi izler. Bu çevrim ve sıcaklık dalgalanmaları (hunting) işletme operatörü veya ölçü teknisyeni tarafından teşhis olunabilir. Fakat gerçekte bu bir kontrol problemi olmaktan ziyade bir proses problemidir. Isı yükünü sabit tutmak için gerekli buhar basıncının, kondenseyi eşanjörden dışarı atmak için lüzumlu t cin altında tutacak bir kontrolörün ortaya konması olanak dışıdır. Sıcaklık çevriminin bir kontrolör ile önlenmesi mümkün değildir. Su basmaları ayni zamanda eşanjörde mekanik hasarlara neden olabilir. Örneğin, horizontal U tüpleri içinde buhar kondenseli bir eşanjörü gözönüne alalım. Eşanjörden kondensenin dışarı atılmasında bir aksama olursa, üst tüpler su ile dolar. Bu boruların proses buharı ile teması kesildiğinde buhar valfi açılıp, eşanjör ile kondense dönüş hattı arasındaki basınç farkı yeterli değere ulaşmaya kadar soğurlar. Daha sonra üst tüplerdeki soğuk kondense yüksek basınçla tutucuyu itip içeri giren sıcaklık buharla karışır. Sıcaklık derecesinde alternatif olarak süre gelen bu artış ve düşüşler kaynak yerlerinde iç gerilmelere neden olur. Yüksek basınçlı buharın kondensasyon sonucu ısı eşanjörlerinde meydana getirdiği bu zorlamalar ayni zamanda dirsek, T ve boru bağlantılarında mekanik zorlama ve gevşemelere neden olur. Su çekici adı verilen bu periyodik darbeler tesisatta hasarlara da yol açabilir. Su basmaları aynı zamanda ısı eşanjör borularında korozyon derecesinin artmasına da neden olur. Kondense su arı olmakla beraber, buhar içinde solvent halinde oksijen, karbondioksit gibi diğer gazlar da bulunduğundan asitli hale gelir. Buhar içinde az miktarda bulunan ve ağır oluşları nedeniyle düşük seviyelerde olan ve kondense edilemeyen bu gazlar eşanjör içinde su basma yüzeyi ile kondense arasındaki ara kesitte toplanırlar. Gerçekte kondense eşanjörde toplandığından soğur ve bu gazları sıcak haldekinden daha çabuk ayrıştırır, kondense daha arı hale gelir. Isı eşanjörlerinde yapılan inceleme ve deneyimler yüksek su seviyelerinde bulunan borularda aşırı koroziyonların meydana geldiğini ortaya koymaktadır.

SU BASMASININ NEDENLERİ :
Devamlı iyi bir proses sıcaklık kontrolü ve zamansız gelişen mekanik veya korosif zararları önlemek suretiyle eşanjörlerden kondenseyi mümkün olan kısa zamanda eşanjörden dışarı atmak için basınç farkını yeter derecede sabit tutmak esastır. Yetersiz basınç farkları, hatalı dizayn ile ısı eşanjörleri veya kondense dönüş hatlarının iyi çalışamamasından kaynaklanabilir.

KONDENSE GERİ DÖNÜŞ HATTI :
Buhar üretim tesislerinde ekonomik nedenlerden dolayı kondense tekrar kazana geri gönderilerek kazan besleme suyu olarak kullanılır. Bu nedenle buhar tutucudan dışarı atılan kondense kapak bir boru sistemi içinden kazana geri sevkedilir. Bununla beraber, birçok hallerde bu boru sistemleri kapalı çevrimden ziyade normal çalışma için dizayn edilir. Bunun sonucu olarak ebatlar küçük tutulur ve normalden daha yüksek bir basınç düşümü ile çalıştırılır. Bu boru sistemindeki basınç düşümü eşanjördeki karşı basınca eklenerek ısı eşanjörü su basmalarına neden olabilir. Yüksek basınç düşümleri için potansiyelin şiddeti arttırılarak kondense suture akışkan haline getirilir, ve bu suture akışkan, basınç kondense dönüş hattındaki değere düşünceye kadar buhar içine flaş edilir. Bu nedenle kondensleri dönüş hatları daha geniş tutulmalı, daha yüksek hızlar için basit sıvı akışından ziyade iki fazlı daha yüksek hızlı akış kullanılmalıdır. Keza, sistem içinde bazı tutucuların tam vazife görmediği ve taze buharın dönüş hattına deşarj edildiği hallerde iki faz dönüş hattındaki gaz miktarında bir artma olur ve bu daha ciddi yüksek basınç düşümüne neden olur. Ekseri hallerde kondense dönüş hattı buhar tutucunun üzerinde hidrolik baş ilavesiyle devamlı olarak su basmalarını önleyecek yüksek bir geri basınç altında bulundurulmalıdır.

DÜŞÜK ISI EŞANJÖR BASINCI :
Düşük bir ısı yükü (yahut gereğinden büyük eşanjör) kullanılması halinde buhar basıncının ısı transferi için lüzumlu değerin altına düşmesi neticesinde de su basmaları olabilir. Bazı uygulamalarda, örneğin alan ısıtıcıları veya eşanjörlerinde proses akışkanı 212°F'ın altındaki sıcaklık derecelerinde tutulduğu taktirde eşanjörün buhar tarafındaki basınç atmosferik değerin altına düşebilir. Bu gibi hallerde, eşanjördeki kondense suyu tutucu üzerinden dışarı atmak için ne kondens geri dönüş sistemin içindeki basınç düşümünü azaltmak ve ne de boru donanımlarını geniş tutmağa gerek vardır. Su basması çevrimi kesintili olsa dahi buhar basma çevrimi yalnız başına kondense akışımı sağlar.

TIKANMALAR :
Buhar devresinde bir tıkanma halinde tıkanma süresince kollektörde kondense toplanır. Bu şartlarda eşanjördeki buhar yoğunlaşır, fakat onu tutucudan dışarı itecek buhar basıncı mevcut değildir. Buna ilave olarak durgun kondensasyon nedeniyle korozyon için uygun bir potansiyel oluşur. Şayet tıkanma kış mevsimine rastlarsa dönme neticesi meydana gelen kademeli kondens hasara kadar varan ciddi problemlere yol açabilir.

ÇÖZÜMLER:
Eşanjör ile kondens geri dönüş hattı arasında (yaklaşık  15 psi'nin üstünde) devamlı ufak ve fakat pozitif bir basınç farkının olduğu hallerde daha yüksek kapasiteli bir tutucu kullanarak hemen daima su basmaları önlenebilir. Fakat değişken proses şartları halinde, örneğin düşük ısı eşanjörü yükleri veya aşırı yükler, yahut yükseltilen kondense dönüş hatları halinde meydana gelen düşük veya negatif basınç farkları periyodu sırasında su basmalarını önlemek ve kondenseyi ısı eşanajöründen dışarı atmak için tek yol pompa kullanmaktır. Çoğu mühendislerin buna hemen cevabı, elektrik motoru ile tahrik edilen bir santrifüj pompa kullanmaktır. Ufak hacimli yüksek basınç ve kapasiteli sontrifüj pompalar işletme personelinin en yakın yardımcısıdır. Bununla beraber su basmalarının neden olduğu bazı uygulamalarda eşanjör içindeki kondenseyi dışarı atmada santrifüj pompalarının kullanma alanı oldukça sınırlıdır. Bütün santrifüj pompaların minimum net pozitif bir emme başlığına (NPSH) ihtiyaç göstermeleri ciddi bir problem oluşturmaktadır. Buna rağmen NPSH ihtiyacı pompanın tip ve dizaynına bağlı olarak değişir, genellikle NPSH değeri yaklaşık 8 ft'lik hidrolik bir başlıktan ibarettir. Özel olarak dizayn edilmiş pompalarda NPSH değeri 2 ft'lik bir başlığa kadar düşürülebilir, fakat düşen fiat ve verimli birlikte işletme ve basım giderleri yükselir. Şayet bir santrifüj pompa minimum NPSH ihtiyacının altında çalıştırılırsa, pompalama görevini tam yapamaz, bunun neticesi meydana gelen kavitasyon kanatları, şaft ve sızmaz yataklarda hasarlara neden olabilir. Kondense kaynama noktasında sature bir akışkan olduğundan onun buharlaşma basıncı etrafındaki basınca eşittir. Net bir pozitif emme başlığı elde etmek için tek çare, ya pompaya ulaşmadan evvel kondenseyi soğutmak veya pompayı ısı eşanjörünün altında bir yere yerleştirmektir. Daha fazla soğutma bir ısı eşanjörüne ihtiyaç gösterir. Bu, pompa emme hattındaki basınç düşürümünü arttırarak çevrim içindeki kondensenin ısı değerini düşürebilir. Pompanın eşanjörün altına yerleştirilmesi her zaman pratik olmaz. Düşük atmosferik basınçlı kondense uygulamalarında santrifüj pompaların kullanılması ek diğer bir problemi de beraberinde getirir. Pompanın vakumda emme ile birlikte çalıştırılmasında pompa içindeki hava mil yatak ve boru donanımı ve conta üzerinden dışarı atılır. Bu hava kondense ile karıştığı zaman kondensenin zahiri buharlaşma basıncı daha fazla artarak muhtemelen kavitasyonun artmasına neden olur. Santriifüj pompa yerine diğer bir alternatif çözüm şekli gaz veya buhar basıncı ile çalışan bir pompa kullanmaktır (Şekil 1).


Gaz veya basınçla çalışan böyle bir pompa sadece bir emme başlığına ihtiyaç gösterir. Bu hücre içindeki kondenseyi dışarı atar. Pompa bir hücre, yüzme mekanizması, buhar ve boşaltma valfleri ile çek valflerden oluşur. Hücre kondense ile dolduğu zaman bir şamandıra yükselir ve bir mandala dokunarak valfi açar, hücre içine basınçlı gaz dolmağa başlar. (Proses buhan normal olarak gaz halinde kullanılır, zira her an kullanılmağa hazır ve elverişli durumdadır, fakat sıkıştırılmış hava ve diğer gazlarda keza kullanılabilmektedir.) Gaz basıncı, kondenseyi hücreden kondense dönüş hattına sevk eder. Hücre boşaldığı zaman şamandıra düşer, buhar (veya gaz) valfi kapanırken atma ventili açılır. Kondense giriş ve çıkışındaki çek valfleri dolma çevrimi esnasında geri dönüş hattındaki kondensenin hücreye akışını ve deşarj çevrimi esnasında da eşanjöre pompalaması kondensenin geri dönüşümü önler.

YERLEŞTİRME :
Elemanlar ve kondense pompalama sisteminin yerleşimi proses uygulamalarına ve kullanılan pompanın tipine bağlıdır. Şekil 2'de bir buhar tutucu, ve kondenseyi atmosfere atan bir doldurma tankı ve bir pompadan oluşan geleneksel bir sistem gösterilmiştir. Bu sistem aşağıdaki kriterler yerine getirildiği müddetçe kullanılmaya elverişlidir.



1- Eşanjördeki buhar basıncı daima atmosferik değerin üstünde tutulmalı, böylece kondense tutucu üzerinden doldurma tankı içine sevkedilebilmelidir. Proses uygulamaları için uygun herhangi tip bir tutucu kullanılabilir.
2- Kondense atmosferik basınca atıldığı zaman flaş edeceğinden flaş eden buharın, akışkan kondenseden ayrılabilmesi için doldurma tankı yeterli büyüklükte olmalıdır. 125 psi basınçta 10.000 pph'lik kondense için kondense tankı minimum 16 inç çap ve 36 inç uzunluğunda olmalıdır. 
3- Doldurma tankı dışarı atma hattı flaş edilecek buharı dışarı atmağa yeter büyüklükte (6 inç çap ve yukarıdaki 2. maddedeki şartları yerine getirebilecek) büyüklükte seçilmelidir.  
4- Şayet bir santrifüj pompa kullanılırsa, doldurma tankı ile pompa arasındaki dikey yükseklik lüzumlu NPSH'ı pompalamağa yeter büyüklükte olmalıdır. Veya alternatif bir çözüm şekli; Pompa emme hattı üzerine bir ısı eşanjörü yerleştirmektir. 
5- Santrifüj pompanın kullanılması doldurma tankı içine bir seviye (sensörü) hissedicinin konmasını gerektirir, bu hissedici, pompanın her iki tarafındaki çek valfleri gibi pompanın çalışmasını kontrol eder. (Bu seviye hissedicileri basınçlı pompanın fonksiyonunu yerine getirmesi için lüzumlu olduğu kadar, pompa dizaynını tamamlayıcı bir kısımdır.) Bu sistemin iki mahzuru bulunmaktadır.

Birinci mahzuru, eşanjör buhar basıncı daima atmosferik basınçtan yüksek lalı, onun altına düşmemelidir. Şayet düşerse kondense tutucudan atmosferik ortama atılamaz ve eşanjöre su basması olur.
İkinci mahzuru; kondensenin önemli bir kısmı flaş buhara karışarak ısı kayıplarına neden olur. 125 psi. basınçta kondensenin önemli miktarda kazanı besleme suyu ve ısı enerjisini içeren yaklaşık kondensenin % 15'i buhar içine flaş edilir. Buna ilave olarak flaş edilen buhar donanımlarda korozyon ve hava basmalarına neden olur.

GELİŞTİRİLMİŞ BORU DÜZENLEMELERİ :




Bu geliştirilmiş düzenleme flaş buharı meydana getirmez, atmosfer basıncı dahil herhangi bir eşanjör basıncı ile çalışabilir, daha küçük bir doldurma atma ve lüzumu halinde daha ufak ebatlı pompalama donanımlarına ihtiyaç gösterir. Bu düzenlemede doldurma tankı kondenseyi eşanjörün yan tarafındaki buhara deşarj eder. Kondense aynı basıncı haiz olduğu taktirde flaş buharı meydana gelmez. Bu düzenlemede, buhar tutucu, alışılmışın dışında eşanjörün arkasına değil, pompanın alçak akım tarafına yerleştirilmiştir. Şayet kondenseyi eşanjör/doldurma tankı sisteminden tutucu üzerinden geri dönüş hattına deşarj için yeterli bir basınç mevcut ise doldurma tankı kondense ile dolmaz ve pompa çalışmaz. Şayet yeterli basınç farkı mevcut değilse su basması başlar. Mamafih eşanjör içindeki kondensenin henüz geri dönüşe geçmesine fırsat vermeden onun seviyesini kontrol ile sistem dışına pompalanabilir. Bu düzenlemede kullanılacak tutucu pompanın deşarjı sırasında devreyi devamlı açık bulunduracak tipte bir tutucu kullanılmalıdır. (Bunun için bir şamandıra ile termostatik bir tutucunun kullanılması yeterli olup, kesintili deşarj için iki yönlü çalışacak bir tutucuya gerek yoktur.) Tutucu, genellikle pompanın ortalama akış değerinin (4-6) katı gibi yüksek ani deşarj değerlerini karşılayabilecek ebatta seçilmelidir. Buna ilave olarak flaş sistemi ve bununla ilgili ısı kayıpları ve donanımlarını çevresindeki gerekimlerin neden olduğu hasarları önlemek için bu yerleştirme şekli daha küçük ebatlı doldurma tankına ihtiyaç gösterir. Zira buharı kondenseden ayırmaya ihtiyaç yoktur. Bununla beraber, şayet bir basınç pompası kullanılırsa, 125 psi. basınçta 10.000 pph'lik bir kondense için 6 inç çap ve 24 inç uzunluğunda bir doldurma tankına ihtiyaç vardır. Eşanjördeki buhar basıncının daima geri dönüş hattındaki basıncın altında olduğu özel halde kondense pompasının alçak akımı tarafında tutucu kullanmağa gerek yoktur.
Pompa çek valfi ile birlikte bir tutucu gibi vazife görerek deşarj için lüzumlu gücü sağlayabilirler. Bununla beraber, eşanjördeki basınç geri dönüş hattındaki basıncın altında bulunduğu sürece, canlı buhar, sistemden dışarı atılır. Bunun için sisteme emniyet nedeniyle bir tutucu yerleştirilir. Santrifüj pompalardaki sınırlamalardan dolayı bu düzenlemeler halen kullanılmaktadır. Gerçekte kondense üzerindeki sistem basıncı kondenseyi dışarı atma sistemindeki basınçtan belirli bir oranda daha yüksektir. Santrifüj pompası minimum NPSH değerlerini karşılamak için emme tarafından yeterli büyüklükte bir statik başlığa ihtiyaç göstermektedirler. Kontrol ve ısı eşanjörlerindeki su basmalarının neden olduğu hasarları önlemek içn kondense pompalarımseçimine dair mevcut bazı kurallar 1 nolu tabloda verilmiştir.

TABLO 1
Kondense Geri Dönüşü için Kullanılan Basınçla Çalışan Pompalar ile Santrifüj Pompaların 
Karşılaştırılması;