Kazan Verimi; BUHAR KALİTESİ
Isı transferini sağlayacak ortamda buhar kullanılmasının en büyük faydası, buharın faz değiştirerek suya dönüşmesi esnasında çok fazla miktarda ısının açığa çıkmasıdır. Yoğuşmanm veya buharlaşmanın gizli ısısı 1000 [btu/pound] kadar yüksek bir değer olduğundan, büyük miktarlardaki enerjiyi taşımak için az miktarda buhar yeterli olabilmektedir. Buhar kullanımının diğer avantajları ise; buharın güvenli olması, zehirli ve yanıcı olmaması, ısıyı sabit ve kontrollü sıcaklıklarda yayması, kullanıcılarına ucuz, kullanıma hazır halde, az bakım gerektirecek şekilde, uzun bir servis ömrüne sahip olan geleneksel boru ve valf ekipmanlarıyla verilmesidir. Buhar, diğer ısı elde etme ve dağıtma sistemleriyle karşılaştırıldığında hem işlenmesi daha ucuzdur hem de %100 yeniden dönüştürülebilme özelliğine sahiptir.
Tüm bu avantajlarına rağmen, birçok kullanıcı zamansız ekipman hatalarına, düşük buharsistem verimine ve sistem güvenlik problemlerine maruz kalmıştır. Çok çeşitli ve yaygın problemler hakkında bilgi sahibi olabilmek için Ulusal Yönetim Kurulunun yıllık olaylar raporlarına bakmak gerekmektedir. Varolan bazı özel problemlerden biri ise, düşük su seviyesinin sebep olduğu boylerin çalışmasının sık sık durmasıdır. Bu problem su darbesinden, titreşimden, korozyondan ve erozyondan dolayı buhar ısıtıcılarının kapasitelerinin azalmasına ve buhar kapaklarının aşırı yüklenerek, buhar hattı borularına ve valflere zarar vermesine sebep olmaktadır. Oluşan bu problemlerin birçoğunun kaynağı, çok fazla miktarda buharın taşmılmaya çalışılmasıdır.
Buhar kalitesi, buharı kirleten sıvı suyun miktarının bir ölçüsüdür. Yüksek hıza sahip buhara dönüşen su damlacıkları, kum tanecikleri kadar aşındırıcı olabilirler, boru bağlantılarını aşındırabilir ve hızlı bir şekilde valf yuvalarına yerleşebilirler. Eğer damlacık halindeki su birikintilerinin buhar borularında toplanarak birikmesine müsaade edilirse, bu birikinti sonradan yüksek hızdaki buhar tarafından kaldırılacak ve hızı buhar hızına kadar yükseltilecektir. Bunun devamında ise; dirseklere, T parçalara, valflere, debimetrelere ve erozyona, titreşime, su darbesine sebep olup diğer bütün bağlantı elemanlarına çarpacaktır. Bu su darbeleri, zamanla boru bağlantılarının ve desteklerinin gevşemesine de sebep olacaktır.
Buhar, suyun yüksek ısı akılı boylerlerde hızlı bir şekilde kaynaması sonucu oluşturulduğundan su yüzeyinden uzaklaşırken suya dönüşebilir. Bu dönüşüm buhar sistemine zarar verir fakat boylerin veriminden bağımsızdır. Temel olarak, boyler veriminin yüksek veya düşük olması aşırı bir dönüşüme sebep olabilir veya olmayabilir. Dönüşümün tamamen engellenememesine rağmen, uygun boyler ve buhar sistemi seçilerek ihmal edilebilecek noktalara indirilebilir. Yüksek verimli boylerin çalışması sırasında oluşan güvenlik problemlerinin, zararların, düşük kalitedeki buharın oluşumunun bazı temel sebepler şunlardır:
� Besleme suyunun ON / OFF olarak kontrol edilmesi
� İşletme basıncının azalması
� Taleplerin ani bir şekilde artması
� Karşılaşılan taleplerin boyler kapasitesini aşması
� TDS'nin yüksek değerlerde olması Bazı tedbirlerle bu sebeplerin oluşması engellenebilir ya da en aza indirgenebilir.
BESLEME SUYUNUN ON/OFF KONTROLÜ:
Boylerin çalışma prensibinde, sıcak bir ısı transferi yüzeyi suyla örtülmektedir. Bu yüzeyde buhar kabarcıkları oluşmakta, suya doğru yükselmekte ve su yüzeyini terkederek buhar sistemine girmektedir. Isı transfer yüzeyindeki basınç, su yükünden dolayı su yüzeyindeki basınca göre oldukça yüksektir. Bundan dolayı, ısı transferi yüzeyinde oluşan buhar kabarcıkları boyleri kızgın buhar olarak terketmekte veya suya doğru yükselirken suyun doyma sıcaklığına kadar soğutulmaktadır. Normal koşullarda buhar kabarcıkları suya doğru yükselirken doyma sıcaklığına kadar soğuma eğilimindedirler.
Besleme suyu boylere girdiğinde, ısı transferi ve kaynayan su yüzeyleri arasına girmektedir. Besleme suyu önceden ısıtılmış olmasına rağmen, boylerdeki suyla karşılaştırıldığında daha soğuktur ve boylerdeki su içinde soğuk bir tabaka oluşturmaktadır. Buhar kabarcıkları ısı transfer yüzeyinden bu soğuk tabakaya doğru yükselirken soğumakta ve bazıları ise yoğuşmaktadır. Bu yoğuşma çok ciddi iki probleme sebep olmaktadır. Bunlardan birincisi; su yüzeyinden uzaklaşan ve buhar sistemine giren buhar kabarcıklarının bir miktar su buğusu içermeleridir. Büyük bir miktar besleme suyu boylere girdiğinde de su seviyesinin üstündeki buhar boşluğu sisli bir görünüm almaktadır. Bu sis ve kalan kirli sudan dolayı, boylerdeki suyun gereken izotermal özelliğe ulaşması sırasında düşük kalitede buhar üretimi de halen devam etmektedir, ikincisi ise; buhar üretim hızının düşürülmesidir. Büyük miktarlarda soğuk suyun sisteme eklenmesi, suyun doyma sıcaklığına ulaşmasıyla eş zamanlı olarak buhar üretimini de yavaşlatmaktadır. Buhar üretiminin yavaşlaması, çoğunlukla taleplerin artış gösterdiği zamanlarda hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir.
ON / OFF kontrolü yerine sürekli modülasyon kontrollü besleme yapılması bu problemleri engelleyebilmektedir. Çünkü modülasyonlu besleme sistemi suyu oldukça düşük hızlarda sisteme eklemekte, boylerdeki suyun izotermal kalmasını sağlamakta ve böylece sis oluşumunu da engellemektedir.
Ayrıca modülasyonlu kontrol sisteminin ON / OFF sisteme göre diğer avantajları da şunlardır:
� Daha kararlı su seviyelerinden dolayı, sistemin kilitlenip çalışmama ihtimali azalmaktadır,
� Sabit buhar basıncı ve akış hızında çalışılmaktadır,
� Daha verimli brülör çalışması, besleme pompası ve brülör üzerinde daha az aşınma ve yırtık oluşmaktadır,
� Boylerin dış çeperindeki çevrimsel ısıl gerilme azalmaktadır,
� Modülasyonlu kontrol, çoklu boyler sistemlerinde merkezi besleme pompası istasyonunun kullanılmasına da olanak sağlamaktadır.
AZALAN İŞLETME BASINCI:
Boylerleri maksimum tasarım basınçlarında çalıştırmak daha verimli sonuçların elde edilmesi ile sonuçlanmaktadır. Fakat çoğunlukla, enerji maliyetleri gözönüne alındığında bu tavsiyeye uyulamamaktadır. Buhar taleplerinin düşük olduğu zamanlarda veya tüm kullanım noktalarında basıncın azaltılması gerektiğinde, boylerler genellikle dizayn basınçlarından daha düşük basınçlarda çalıştırılmaktadırlar. Bazı boyler tiplerinde alçak basınçlarda çalışılırken enerji verimi düşük olmakta ve buhar kalitesini de azalmaktadır. Azalan buhar kalitesi temel mühendislik prensipleri yardımıyla ispat edilebilir. Bir buhar kabarcığı suya doğru yükselip yüzeye ulaştığında, suyun son katmanını aşarak buhar boşluğuna girer.
İlk olarak, buhar kabarcığının patlamasısuyu çevreleyen ince tabakanın kopmasıince su tabakasının küçük bir miktarını buhar boşluğuna taşıyan yüksek hızlı buharın başlangıç hareketini oluşturmaktadır. Böylece, su yüzeyinden buhar kabarcıklarının kaybı su yüzeyinde bir krater (boşluklu, çukurlu yapı yüzeyi) yaratmaktadır. Su, bu krateri doldurmak için hızla akmakta, diğer taraflardan gelmekte olan suyla çarpışmakta ve krater merkezi yakınlarında küçük bir sıçrama oluşturmaktadır. Bu sıçramalar sonucunda yükselen su damlacıkları da kolay bir şekilde yükselen buharın içine girmektedir.
Kabarcıkların boyutları direkt olarak buhar basıncı ile ilgilidir. Düşük basınçtaki uygulamaların ve istenen ısı enerjisini taşıyabilecek kapasitenin bir gereği olarak büyük hacimlerde buhara gereksinim vardır. Düşük basınçlarda gerçekleşen bu işlem, daha büyük ve daha fazla miktarda buhar kabarcıklarının oluşmasını ve su yüzeyinde daha etkili bir türbülansm yaratılmasını sağlamaktadır. Bu kabarcıklar tekrar daha çok ve büyük kraterler oluşturmakta ve su yüzeyini terkederken daha büyük sıçramalar yaratmaktadır. Buna ilaveten, düşük basınçtaki işlemler yüksek buhar hızıyla sonuçlanmaktadır. Bu etki, boylerdeki su seviyesiyle birlikte artmaktadır.
Yüksek basınçta buhar üretiminin ve dağıtımının diğer avantajları şunlardır:
� Daha az maliyete sahip daha küçük boyutlarda boru ve bağlantı elemanlarına ihtiyaç duyulmakta,
� Boruların daha küçük yüzey alanlarından dolayı ışınımla ısı kaybı azalmakta,
� Taleplerin maksimum olduğu zamanlarda bunu karşılayabilecek kadar buhar depolanabilmekte,
� Yerel basıncın azalmasıyla paralel olarak buhar kalitesi de artmaktadır.
Optimum çözüm, boyleri maksimum dizayn basıncında çalıştırmak ve gerekli olan yerlerde basınç düşürücü valfler kullanmaktır.
TALEPLERİN ANİDEN ARTMASI:
Çoğu endüstriyel buhar sistemlerinde, buhar talepleri oldukça geniş bir aralıkta salınmaktadır. Toplu olarak yapılan işlemler, taleplerde büyük değişimler yaratmaktadır. Buna verilebilecek tipik örnekler bira fabrikaları, boyama gibi bazı tekstil işlemleri ve büyük boyutlardaki basınçlı kapların kullanıldığı sistemlerdir. Bu salmımlar aralıkları buhar kalitesini ciddi bir şekilde etkilemektedir. Örnek olarak; eğer buhar tüketimi elde edilenin sadece %5'i olan bir çalışma ani bir şekilde başlatılırsa, işlem kararlı bir duruma gelene kadar sistemin buhar talebi %15 veya daha fazla olacaktır. Talep hızlı bir şekilde arttığında, boylerin talebi karşılaması ve yeterli buhar üretebilmesi ek bir süre gerektirecektir. Bu durum buhar sisteminde ve boylerdeki basınçta bir düşüş yaratmaktadır. Boylerdeki basınç düşümü su seviyesinde hızlı bir yükselişe sebep olmaktadır. Seviyedeki bu ani artış iki bileşik faktörün sonucudur:
� Boylerdeki suyun içindeki buhar kabarcıkları, azalan basınç etkisiyle genişlemekte ve seviyenin artmasına sebep olmaktadır.
� Azalan basınç şartlarında buharın içine giren ve oldukça büyük türbülansa sebep olan su darbeleri ise diğer etkendir.
Kompakt boyler dizaynı ile bu problem engellenebilmektedir. Boyler kapasitesini aşan talepler : Boylerin maksimum buhar üretim hızını aşan talepler, düşük su seviyesi ve aşırı yük problemleri oluşturabilir. Bir boylerin aşırı yüklenmeye maruz kaldığında kapanması, düşük seviye alarmının çalışmasından dolayı olağanüstü bir durum değildir. Su hızlı bir şekilde tüketildiğinde ve buharsu karışımı nispeten daha fazla buhar daha az su içerdiğinde, tüplerde aşırı ısınma başlayabilir. Su seviyesi detektörü düşük bir seviye ile karşılaştığında ve brülörü kapattığında, buhar dağıtım sistemi su ile yüklenebilir ve tüpler bundan zarar görebilir. Bundan dolayı, buhar üretimi durur ve yeniden yüklenmesi 15 veya 30 dakikayı bulabilir. Ağır ve ani buhar talepleri için, boyler 2 veya 3 elemanh bir modülasyon seviye kontrolü ile daha kararlı bir hale getirilebilir. Modülasyonlu kontrol sistemleri için seviye ölçen çubuklar gerekmektedir. Mekanik sistemler bu konuda gerekli hassasiyeti sağlayamadığından, elektronik çubuklara sahip bir kontrol sistemi tercih edilmektedir.
YÜKSEK TDS:
Bugüne kadar edinilmiş bilgiler göstermiştir ki; boylerdeki suyun TDS seviyesinin yüksek olması tüp korozyonunu artırmakta ve ısı transferi yüzeylerinde kirliliğin oluşmasını sağlamaktadır. Yüksek değerlerde veya aralıklarda salman TDS değerleri, ısı transferinin ve tüp ömrünün azalmasına, boyler kapasitesi ve veriminin düşmesine sebep olmaktadır. Ayrıca buhar kalitesi üzerinde de oldukça etkilidir.
Sonuç olarak; buhar kalitesi, buhara dönüşebilen su miktarının ölçüsüdür. Düşük kalitede buhar üretimini engellemek için dikkat edilmesi gereken noktalar şunlardır:
� Buhar taleplerinin boyler kapasitesini aşmaması için, buhar kullanımını sürekli kontrol etmek,
� Buhar taleplerindeki ani değişimin buhar kalitesini azaltmaması için değişen buhar kullanım hızını kontrol etmek,
� Bu iki etkiyi, ON / OFF valfler yerine modülasyonlu kontrol sistemlerini tercih ederek azaltmak,
� Boyleri besleyen suyu modülasyonlu sistemlerle kontrol etmek,
� Boyleri, maksimum dizayn basıncına yakın değerlerde çalıştırmak ve böylece kullanılan noktalardaki basıncı azaltmaktır.
Bu hususlardan herhangi birine dikkat edilmediği taktirde, buhar kalitesinde düşüş görülmesi kaçınılmazdır. Düşük buhar kalitesi ise buhar dağıtım sistemi ekipmanlarına, kontrol vanalarına, buhar ölçüm cihazlarına; su darbesi, erozyon ve korozyondan dolayı da ısı değiştiricilerine zarar vermektedir. Ayrıca; ekipmanların servis ömürlerini azaltmakta, buhar kaybına, düşen çalışma verimine ve hatta güvenlik problemlerine sebep olmaktadır.
KAYNAK:
bse, boiler systems engineering (January ' 2003)
