Ünite 4: Buharlı Sistemler

Giriş

Ülkelerin gelişmişlik düzeyleri değerlendirilirken kişi başına düşen enerji tüketimi ile enerji yoğunluğu değerlendirilir. Enerji maliyetinin yüksek olduğu sanayi kuruluşlarında enerji girdilerinde düşük maliyet, süreklilik ve kalite vb. kriterlere dikkat edilmelidir. Özellikle enerjiyi yoğun bir şekilde kullanan sektörlerde enerji verimliliği ve enerji etütleri çok önemlidir. Çimento, cam, demir-çelik gibi enerjiyi yoğun bir şekilde kullanan sektörlerde alınabilecek önlemlerle %20-30’a kadar enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.

Buharlı Sistemler Hakkında Genel Bilgi ve Bu Sistemlerin Kullanım Alanları

Buhar, farklı yollarla üretilebilmektedir. Bunlardan bazıları şu şekildedir:

• Merkezî bir kazanda yakılan yakıtla suyun buhar hâline getirilmesi,
• Endüstriyel prosesler sonucunda ortaya çıkan atık ısıdan yararlanarak buhar üretilmesi,
• Elektrik üretim tesislerinde karşı basınçlı buhar türbinlerinden ara buhar çekilerek elde edilmesi.

Suyun sabit basınç altında buharlaşma süreci şu şekilde olmaktadır:

• Suya enerji verildikçe sıcaklığı artmaya devam eder, buna bağlı olarak özgül hacmi de artar. Bu durum akışkan doymuş sıvı noktasına gelene kadar devam etmektedir.
• Bu süreç boyunca suya verilen ısı enerjisi duyulur ısı olarak adlandırılmaktadır. Yine Şekil 4.1’den de görülebileceği gibi doymuş sıvı eğrisinin solunda kalan bölge sıkıştırılmış sıvı bölgesi olarak adlandırılmaktadır. Doymuş sıvı noktalarının birleştirilmesiyle doymuş sıvı eğrisi ortaya çıkmaktadır. Doymuş sıvı noktasından sonra enerji verilmeye devam edilirse buharlaşma süreci başlar. Buharlaşma olayı sabit sıcaklık ve basınç altında gerçekleşir. Bu süreç boyunca suya verilen ısı enerjisi gizli ısı olarak adlandırılır. Buharlaşma süreci, sıvı-buhar karışımının tamamının buhar olduğu noktaya kadar devam eder. Bu nokta doymuş buhar noktası olarak adlandırılır. Şekil 4.1’den de görülebileceği gibi, doymuş buhar noktalarının birleştirilmesiyle doymuş buhar eğrisi elde edilmiş olur.
• Doymuş buhar noktasından sonra enerji verilmeye devam edilmesi hâlinde doymuş buhar, kızgın buhar hâline gelir. Kızgın buhar bölgesinde verilen enerji de duyulur ısı enerjisidir.

Buhar, çeşitli amaçlar için yaygın olarak kullanılan bir akışkandır. Buharın başlıca kullanıldığı yerler şu şekilde sıralanabilir:

• Endüstriyel amaçlar için kullanımı
• Isıtma amacıyla kullanımı
• Termik santrallerde elektrik üretmek amacıyla kullanımı.

Buhar Kazanları, Buhar Devresi ve Kullanılan Ekipmanlar

Buharlı sistemlerde; buharın ihtiyaç duyulan miktarlarda ve basınçta üretildiği buhar kazanları, buharın kullanılacağı yere iletiminde görev alan elemanların oluşturduğu buhar devresi ve bunlara ait alt sistemlerde kullanılması amacıyla birçok cihaz, bağlantı parçası ve ara eleman kullanılmaktadır.

Buhar Kazanları ve Kullanımı

Buhar kazanları, ihtiyaç duyulan miktarda, istenilen sıcaklık ve basınçtaki buhar üretimini sağlayan elemanlardır. Piyasada pek çok çeşit buhar kazanı bulunmaktadır. En çok tercih edilen buhar kazanları şunlardır:

• Alev duman borulu silindirik tip buhar kazanları
• Su borulu buhar kazanları

Buhar kazanları ve işletmesine dair bazı noktaları aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz:

• Buhar kazanı üzerinde bulunan su seviyesi gösterge cihazı, kazanda bulunan suyun alt ve üst sınırlarını göstermektedir. Su seviyesi alt sınırın altına indiğinde kazan besleme suyundan kazana su ilave edilmelidir. Kazan su seviyesinin boru seviyelerinin altına inmesi hâlinde, boruların üst yüzeyi susuz kalacağından dolayı boru ve kazan yapı malzemesinin yanmasına neden olabilir.
• Buhar kazanlarında çift presostat bulunmaktadır. Birinci presostat kazan çalışma basıncına göre ayarlanır. İkinci presostat ise limit presostatı olarak adlandırılır. Limit presostat basıncı, çalışma basıncının 0,5 atü fazlasına ayarlanır.
• Kazan üzerinde bulunan presostatlardan ve emniyet ventilinden önce kesinlikle vana konulmamalıdır.
• Kazan üzerinde kullanılacak olan her armatür için ayrı ayrı delik açılmamalıdır. Kollektör yapılıp, kullanılacak olan armatürler bu kollektör üzerine dizilebilir.
• Birden fazla buhar kazanının aynı devre üzerinde kullanılması hâlinde kazanlar ortak bir kollektöre bağlanabilir. Ancak devrede bulunan her kazan için kondens pompası ve besleme suyu hattı ayrı olmalıdır. Pompa emişleri ortak olsa bile her kazanda ayrı bir besleme suyu pompası kullanılmalıdır.
• Kazanlarda işletme ve konstrüksiyon basıncı tanımı yapılmaktadır. Kazan işletme basıncı, kazanın normal çalışma basıncıdır. Kazan konstrüksiyon basıncı ise kazan mukavemet hesaplarında esas alınan basınç olup sipariş sırasında belirtilmesi gerekmektedir. Konstrüksiyon basıncı kazan işletme basıncından %10 daha büyük olmalıdır.

Buhar Akümülatörleri

İşletmedeki değişken buhar ihtiyaçlarının kazanlar ile karşılanamaması hâlinde, buhar akümülatörleri kullanılır. Buhar akümülatörleri, hacimsel olarak yaklaşık 1/4 oranında buhar, 3/4 oranında su ile doludur.

Akümülatörler, alt ve üst basınç olmak üzere iki basınç arasında çalışmaktadır. İşletme açısından bakıldığı zaman akümülatörlerin dört temel yararı bulunmaktadır. Bunlar şu şekildedir:

• Buhar kazanı kapasitesinin küçük olmasını sağlar.
• Buhar kazanının verimini artırır.
• Ani buhar yüklemesi ihtiyacı ortaya çıktığında akümülatör aracılığıyla daha hızlı bir şekilde bu ihtiyaç karşılanabilir.
• Boru çapları daha küçük seçilebilir.

Buhar Kazanlarında Kullanılan Elemanlar

Buhar kazanlarında emniyet ve kontrolün sağlanması amacıyla çeşitli elemanların bulunması gerekmektedir. Buhar kazanlarında bulunması gereken başlıca elemanlar şu şekildedir:

• Presostat
• Manometre
• Kazan otomatik besleme suyu cihazı
• Su seviye gösterge cihazı
• Dip ve yüzey blöf vanaları

Presostatlar , kazan üzerinde bulunan basınç emniyetini sağlayan cihazlardır. Manometre, basıncın ölçülmesi amacıyla kullanılan elemandır. Kazan otomatik besleme suyu cihazı , kazanda bulunan su seviyesinin çeşitli nedenlerle düştüğü durumlarda, kazan besleme suyu pompalarını kumanda ederek kazana otomatik olarak su yollanmasını ve su seviyesinin belli bir düzeyde tutulmasını sağlar. Su seviyesi gösterge cihazı , kazandaki su seviyesinin takibi amacıyla kullanılmaktadır. Bu cihazlar çelik gövdeli ve refleks camlıdır. Dip blöf ve yüzey blöf vanalarının montajı , buhar kazanlarında buharın sürekli ve güvenilir olarak üretilmesini sağlaması amacıyla gereklidir.

Buhar Devresi ve Kullanılan Elemanlar

Buhar devresiyle ilgili, bazı notlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

• Buhar devresinde küresel vana kullanılmamalıdır. Küresel vanalar aniden açıldığında, tesisat borularının hızlı ısınmasına neden olur ve ani uzamalar meydana gelebilir. Bu durum branşmanların kopmasına neden olabilir. Hızlı ısınmalar sonucu borularda meydana gelebilecek bu uzamalar göz önüne alınarak uzamaya uygun olan genleşme parçası (omega ?) veya kompansatör kullanılmalıdır.
• Buhar hattında ve kollektörün alt kısmında mutlaka buhar kapanı (kondenstop)bulunmalıdır. Bu grupta buhar kapanının çalışıp çalışmadığını, ayrıca kaçakların tespit edilmesi için buhar kapanı kontrol cihazı ya da gözetleme camı bulunmalıdır. Buhar borusundaki yoğuşan suyun sistemden tahliye edilmesini sağlayan buhar kapanı veya pislik cebi, Şekil 4.4 ‘te gösterilmiştir.
• Buhar borusundaki yön değiştirmeler sonucunda yoğuşan suyun alınması gerekmektedir. Şekil 4.5’te bununla ilgili bir şema bulunmaktadır. Yoğuşan suyun tahliye edilmemesi hâlinde özellikle yukarı dönüşlerde yoğuşan ve yığılan su, koç darbesine neden olabilir. Bunun sonucunda boru parçalanabilir.
• Buhar borularının kapı gibi açıklıkların altından ya da üstünden geçirilmesi hâlinde buhar borusunun alt noktasında yoğuşan su alınmalıdır. Bununla ilgili bir şema Şekil 4.6’da verilmektedir.
• Buharın beklemesi sırasında yoğuşan suyun tahliye edilmesi için kollektöre buhar kapanı yerleştirilmelidir. Bununla ilgili bir şema Şekil 4.7’de verilmektedir.
• Ana buhar hattından bir branşman alınması hâlinde, bu branşman borunun üst kısmına yerleştirilmelidir. Bununla ilgili bir şema Şekil 4.8’de verilmektedir. Bunun nedeni ana buhar hattında yoğuşmuş su olması hâlinde bunun branşmana girmesini önlemektir.
• Ana buhar borusunun sonunda biriken su ve havanın buhar hattından ayrılması gerekmektedir. Bu amaçla Şekil 4.9’da olduğu gibi sisteme otomatik hava atıcı ve buhar kapanı yerleştirilmelidir.
• Buhar eşanjörün üst kısmından girmelidir. Ayrıca eşanjörde de buhar kapanı grubu bulundurulmalıdır.
• Eşanjör devresinde, eşanjör vanasının kapalı olması durumunda, patlama olmamasını sağlamak amacıyla emniyet ventili kullanılmalıdır.
• Buhar tesisatında yoğuşan suyun belirli bir eğimde akışına izin verilmelidir. Bu yüzden içerisinden buhar geçen boruya buhar akış yönüne doğru %1 ile %4 arasında bir eğim verilmelidir. Sistemde uzun yatay boruların kullanılması hâlinde 50 metrede bir yoğuşan su toplanmalıdır. Bununla ilgili bir şema Şekil 4.10’da verilmektedir.

Buhar Kapanları (Kondenstoplar)

Buhar kapanları, sistemde bulunan havayı, gazı ve yoğuşan suyu otomatik olarak sistemden tahliye etmek için kullanılan elemanlardır. Buhar kapanı kullanımına dair bazı notlar aşağıda belirtilmiştir:

• Buhar kapanlarında küçük çaplı delikler ve hareketli parçalar bulunur. Bu yüzden tıkanma tehlikesi vardır. Bu tehlikenin meydana gelmesini engellemek için buhar kapanlarının önüne mutlaka pislik tutucular konulmalıdır.
• Buhar kapanı hattında buhar kapanından önce bir kondens kontrol elemanı kullanılmalıdır.
• Kondens kontrol elemanına alternatif olarak buhar kapanından sonra bir gözetleme camı kullanılabilir. Gözetleme camı en az 1 metre mesafeye konulmalıdır.
• Buhar kapanı çıkışına bir çek valf konulmalıdır. Sistemde çek valf kullanılmasının nedeni karşı basınç kondens hattında kondensin geri kaçmasını engellemektir.
• Buhar kapanı ile cihaz çıkışı arasındaki boru tamamen kondens ile dolu olmalıdır. Eğer bu kısımda bulunan kondens buharlaşacak olursa; buhar, kondens geçişini önler. Meydana gelen bu durum buhar tıkacı olarak adlandırılmaktadır.
• Sistemde kullanılacak olan buhar kapanının tipi ve kapasitesi uygun seçilirse buhar tesisatının ömrü ve ekonomisi bu durumdan etkilenir.

Buhar kapanları, üç temel prensibe göre üretilmektedir:

• Mekanik buhar kapanları
• Termodinamik buhar kapanları
• Termostatik buhar kapanları

Mekanik buhar kapanları, buhar ile kondens arasındaki yoğunluk farkının algılanması prensibine göre çalışır. İki çeşit mekanik buhar kapanı vardır:

• Şamandıralı buhar kapanları
• Ters kovalı buhar kapanları

Termodinamik buhar kapanları, flanş ile kondens arasındaki dinamik farkların algılanması prensibine göre çalışır. Termodinamik buhar kazanlarıyla ilgili aşağıdaki notlar sıralanabilir:

• Termodinamik kapanların en önemli özelliği basit yapılı ve bakımının kolay olmasıdır.
• Hafif ve küçük olmaları nedeniyle montaj maliyetleri düşüktür.
• Isıl verimleri yüksektir. Çünkü kondens oluştuğu anda tahliye edilmektedir.
• Termodinamik kapanların sık sık devreye girip çıkmaması için izole edilmesi gerekir. Bunun için buhar ceketi kullanılması tavsiye edilir.
• Genellikle paslanmaz çelik malzemeden imal edilirler.
• Yatay ve düşey konumda montajı sağlanabilmektedir.

Termostatik buhar kapanları, kondens ile buhar arasındaki sıcaklık farklarının algılanması prensibine göre çalışır. Termostatik buhar kapanları ile ilgili aşağıdaki notlar sıralanabilir:

• İç parçaları paslanmaz çelik malzemeden üretildiği için korozyon ve aşınmaya karşı dayanaklıdır. Bundan dolayı da uzun ömürlüdür.
• Karşı basınçtan etkilenerek sistemde aşırı kondens birikmesine neden olmazlar.
• Hava ve yoğuşmayan diğer gazları tahliye edebildiğinde, sistemin çabuk ısınmasını sağlarlar.
• Elektrostatik buhar kapanları özellikle yoğuşmayan gazların buhar ortamından tahliye edilmesi için kullanımı çok uygundur.
• Basınç dengeli kapsül bulunduğu için koç darbesine karşı dayanıklıdır.

Kondens miktarının hesaplanması buhar sistemleri için çok büyük bir öneme sahiptir.

Buhar kapanı genel olarak kullanım yerine göre ana buhar hattında, proses hattında, ısı değiştiricilerinde, kurutma silindirlerinde, buharlı fırınlarda, sabit kazanlarda, buharlı radyatörlerde ve buharlı konvektörlerde bulunabilmektedir.

• Ana buhar hattı, buharın taşınmasında kullanılan ana tesisat hattıdır.
• Proses hattı, cihaza ana buhar hattını bağlayan hattır.
• Sistemde ısı değiştirici kullanıldığında sistemde kullanılacak olan buhar kapanı kondens tahliyesini en iyi şekilde yapmalı ve fazla havayı da sistemden dışarı atacak özellikte olmalıdır.
• Kurutma silindirleri, hızlarına, çaplarına ve kondens toplama şekillerinde göre çeşitli tiplerde bulunmaktadır.
• Sabit kazanların buhar basınçları diğer kazan tiplerine göre daha yüksektir.
• Buharlı fırınlarda, kondens ve hava tahliyesinin iyi bir şekilde yapılması gerekmektedir.

Buhar hatlarında dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta ise kondens toplamadır. Kondensin uygun bir tesisat aracılığı ile kazan besleme suyu tankına gönderilmesi buhar sisteminin verimli ve ekonomik olarak işletilmesini sağlar. Buhar kapanı kontrol sistemine, buhar kapanının arızalanmaması ve enerji tasarrufu için ihtiyaç vardır. Degazör, korozif gazları ayıran bir cihazdır. Buhar kazanlarında kullanılır.

Buharlı Sistemlerde Enerji Ekonomisi

Buhar Kazanına Döndürülmesi Sakıncalı Görülen Kondens Suyundan Geri Isı Kazanımı

Bir buhar tesisinin verimi kondesin ne kadar iyi toplandığına bağlı olarak değişmektedir. Ancak bazı prosesler sonucu kondenste kirlenmeler meydana gelir ve bundan dolayı kondens suyu sisteme geri verilemez. Örneğin bir fuel-oil tankının buharla ısıtma tesisinde serpantindeki delinmeler nedeniyle kondens suyuna yağ veya yakıt karışması endişesiyle kondens suyu dışarı atılmak zorunda kalmıştır. Dışarı atılan bu kondens suyunun ısı enerjisinden farklı yollarla yararlanılabilir.

Flaş Buhardan Yararlanma

Buharın doyma sıcaklığında, kondensat (yoğuşmuş buhar) ortaya çıkar. Kazan blöfü veya kondensat daha düşük bir basınçta alındığı zaman, sıcaklığı düşük basınçtaki doyma sıcaklığına kadar düşebilir. Sıcaklık düşüşüne bağlı olarak açığa çıkan ısı enerjisi, bir miktar kondensatın buharlaşmasına sebep olur. Bu buhar flaş buhar olarak adlandırılır. Buhar kullanan sistemlerde enerji verimliliğini artırmanın yollarından biri de flaş buharın kullanılmasıdır. Kondens tankına gelen kondensattan bu noktada flaş buhar olarak yararlanılmadığı takdirde, bu buhar kondens tankının havalık borusundan dışarıya kaçar. Bu kayıp yaklaşık olarak yoğuşan suyun %5-15’i kadardır. Bu değere buhar kapanı kaçakları da eklenirse toplam miktar daha da artar. Kaybın önüne geçmek için kondens borusu, kondens tankına girmeden önce araya bir flaş buhar ünitesi yerleştirilir ve buhar bu ünitede ayrıştırılır.

Buhar Kazanlarında Yüzey ve Dip Blöfünden Isı Geri Kazanılması

Besleme suyu içerisinde bulunan sülfat, klorit, karbonat kökenli malzemeler, kazan içerisinde erimiş ve süspansiyon hâlinde bulunur. Belirli bir süre boyunca biriken bu malzemeler belli bir değeri geçtiği zaman kazan içerisinde bulunan suyun yüzeyinde çalkalanma ve köpürmeye neden olur. Köpük içerisindeki bu maddeler, buhar aracılığıyla taşınarak buharın kullanıldığı cihazların ve armatürlerin yüzeyinde birikir. Maddelerin birikmesi sonucunda cihazlar fonksiyonlarını yapamaz hâle gelir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için kazan yüzeyinde bulunan köpük, üst blöf vanası açılarak alınır. Bunun sonucunda köpükle birlikte bir miktar sıcak su da dışarıya alınmış olur. Yapılan bu işlem blöf olarak isimlendirilir. Blöf sırasında suyun özelliğine bağlı olarak %1-3 mertebesinde verim kaybı oluşur. Ancak ısı geri kazanım sistemlerini kullanarak dışarıya atılan enerjisinin %70-75’ini geri kazanmak mümkündür.

Kazan Isıtma Sistemlerinde (Su Tarafında) Biriken Kazan Taşının Enerji Tüketimi Üzerindeki Etkisi

Taş oluşumu kazan ısıtma yüzeylerinde istenmeyen bir durumdur. Yüzeyde oluşan kazan taşı duman gazından suya ısı transferini zorlaştırır ve gazın, enerjisinin bir kısmını suya vermeden dışarıya atılmasına sebep olur. Kazan taşının 1 mm kalınlığa ulaşması sonucunda verimde %1’lik bir kayıp meydana gelir. Normal yanma sonucunda kazandan ayrılan duman gazlarının sıcaklığı normal şartların üzerine çıkarsa baca gazı sıcaklığındaki her 20°C’lik artış %1’lik bir verim kaybına neden olur. Kazan yüzeyinde oluşan taş, bu bölgede ısı yığılmasına neden olacağından dolayı metal sıcaklığını istenmeyen seviyelere çıkarabilir.

Ekonomizer Kullanımı ile Enerji Ekonomisi

Baca gazı sıcaklığının yüksek olmasından dolayı yanma verimi %90 seviyelerine düşmektedir. Yüksek sıcaklıklarda atılan bu gazlardan yararlanmak amacıyla ekonomizer kullanılır. Kazanın üçüncü geçişinden sonrasına ekonomizer yerleştirilir. Baca gazının enerjisi kazan besleme suyunun ısıtılmasında kullanılır. Yani kazana verilmeden önce, besleme suyu bir ön ısıtmadan geçirilmiş olur ve bu durum ciddi miktarlarda enerji tasarrufu sağlar.

Buhar Basıncı ve Basınç Seçiminin Enerji Tüketimi Üzerindeki Etkisi

Buharın ihtiyaçtan daha yüksek bir basınçta üretilmesi; daha fazla buhar tüketilmesinin yanında, basıncın artması nedeniyle hem yüzeylerden hem de buhar kaçıran deliklerden daha fazla kaybın meydana gelmesine neden olur.

Buhar Sistemindeki Boru Boyutlandırmasının Enerji Tüketimi Üzerindeki Etkisi

Buhar sistemlerinde, istenilen verimin alınmasında, buhar boyutlandırılması çok önemli bir yere sahiptir. Doğru boyutlandırılmamış olan buhar borusu, son kullanıcıya yeterli miktarda ve sıcaklıkta buhar ulaştıramayacaktır. Bu nedenle sistem verimli çalışmayacaktır. Buhar dağıtım borularının boyutlandırılması, sistemin çalışma basıncına da bağlıdır. Boru çaplarının gereğinden büyük seçilmesinin iki önemli sakıncası vardır:

• Geniş çaplı borunun yüzey alanı da geniş olacağı için, birim uzunluk başına düşen ısı kaybı daha fazla olacaktır. Bu durum daha fazla buharın yoğuşmasına ve enerji kaybına neden olacaktır.
• Daha geniş çaplı boru hatlarının kurulması, destek ve bağlantı elemanlarının maliyetini artıracaktır.

Buhar Kullanımında Enerji Tasarrufu ve Problemsiz Kullanım İçin Öneriler

Buhar kazanlarında üretilen buhar, kazandan ayrıldığında bünyesinde bulundurduğu ısı enerjisini dışarı verme arzusundadır. Burada amaç, buharın sahip olduğu ısı enerjisinin, kullanım noktasına ulaşmadan önce mümkün olan en az ısı kaybına maruz kalmasını sağlamaktır.