Kendenstop Seçim Örneği

Bir ısı eşanjörü uygulaması için durma/stall hesaplaması ve kondens uzaklaştırma çözümünün seçilmesine yönelik tam olarak çalışılmış bir örnek.

Örnek 13.4.1 Kendenstopun seçilmesi Bir fabrika, proses suyunu 10°C’den 80°C’ye 1 L/s (1 kg/s) devir daim edecek ve 293 kW’lık bir tasarım yükü verecek şekilde, nominal 4 bar g’de çalışan bir su/buhar ısı eşanjörüne ihtiyaç duymaktadır. Proses, minimum ısı yükünün tam ısı yükünün %60’ında oluşmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu, gelecekte yük artışı olmayan kalıcı olarak çalışan bir proses hattıdır. İki tedarikçiye ısı eşanjörü sağlaması istenir. Seçim için aşağıdaki bilgiler önemlidir:

• Tedarikçi ‘X’, 4 bar g’de buharla ve 1 L/s su akışıyla çalışırken 2 m² ısıtma alanına, 2.500 W/m² °C’lik ‘U’ değerine ve 350 kW’lık nominal güce sahip bir ısı eşanjörü sağlayabilir.
• Tedarikçi ‘Y’, 4 bar g’de buharla ve 1 L/s su akışıyla çalışırken 293 kW’lık tasarım ısı yüküne daha uygun daha küçük bir ısıtma alanına sahip bir ısı eşanjörü sağlayabilir. ‘U’ değeri 2500 W/m² °C’dir.
• Isı eşanjörü kondens hattı, havalandırmalı bir toplayıcıya giden yolda düşüş yapan bir kondens dönüş borusuna 5 metre yükselecek ve toplam 0,5 bar g’lik bir arka basınca sahip olacaktır. Not: Atmosferik basınç altındaki bir metrelik su kolonu, kolonun dibinde yaklaşık 10 kPa veya 0.1 bar g basınç uygulayacaktır. Kondens deşarj hattındaki herhangi bir kaldırma, kondens sistemindeki herhangi bir basınca ek olarak, hatta tutulan kondens kolonundan kaynaklanan statik bir kaldırma uygulayacaktır. Her iki ısı eşanjöründen de herhangi bir çalışma yükü koşulunda uygun kondens uzaklaştırılması için kendenstopu seçmek ve boyutlandırmak için sistem çalışma koşullarını belirlemek gereklidir.

Uygun kondens uzaklaştırması için aşağıdaki soruların yanıtlanması gerekir:

(A) Normal çalışma sırasında durma/stall oluşacak mı?

(B) Hangi yükte durma/stall oluşacak?

Tasarım koşulundaki uygulama ısı yükünü kontrol edin.

Isı transferi akış hızı denkleminden (Denklem 2.6.5): Tedarikçi ‘X’i ele alalım 2 m² ısıtma alanına sahip 350 kW’lık bir ısı eşanjörü. Bu tasarım ısı yükünde bu ısıtıcıdaki buhar boşluğu basıncı ne olacaktır? Öncelikle 2 m²’lik bir ısıtma alanı için LMTD’yi (ΔTLM) belirlemek gereklidir.

Denklem 13.2.1’den: Buhar tasarım sıcaklığı artık Denklem 2.5.5 kullanılarak hesaplanabilir: Bu doyma sıcaklığı 0,45 bar g’lik bir buhar basıncına eşittir. Bu basınç 0,5 bar g’lik arka basınçtan düşüktür ve sistem kalıcı olarak duracaktır/stall yapacaktır.

Bu durumda, bir şamandıralı buhar kendenstopu takılsa, kondens kalıcı olarak ısı eşanjörünü su basar, seviyesi yük değişimlerine göre modüle edilir. İkincil çıkış sıcaklığı dalgalanma eğiliminde olacağından çalışma performansı tatmin edici olmayabilir ve ısı eşanjörü korozyon nedeniyle erken arızalanabilir.

Sistem kalıcı olarak durma/stall koşullarında çalışıyorsa, şamandıralı buhar kendenstopu bu uygulama için yanlış bir seçimdir ve bunun yerine bir pompa-kendenstopu takılmalıdır. Tedarikçi ‘Y’yi ele alalım Üreticinin tasarım koşuluna en uygun ısıtma alanını boyutlandırması için, çalışma tam yükünü karşılayacak minimum ısıtma alanını bulmak gereklidir. Öncelikle 4 bar g’lik bir buhar boşluğu basıncına (TS = 152°C) sahip ısı eşanjörü için nominal LMTD’yi belirlemek gereklidir.

Denklem 2.5.5’ten: Standart serisinden tedarikçi ‘Y’, spesifikasyonu 1,198 m²’lik bir ısıtma alanı ile karşılayan bir plakalı ısı eşanjörü sağlayabilir. Bu fazla boyutlandırılmıştır (yaklaşık %5) ve bu nedenle tam yük çalışma koşulunda buhar basıncı 4 bar g’den az olacaktır.

Pratikte, ısı eşanjörleri en az %10 fazla kapasitede belirlenir. Bu nedenle, buhar kendenstopu cihazını seçmeden ve boyutlandırmadan önce çalışma buhar basıncı (belirtilen normal çalışma basıncı değil) her zaman belirlenmelidir. Saygın üretici bu bilgiyi veya en azından ısıtma alanını, ‘U’ değerini ve ısı çıkışını sağlamaya istekli olmalıdır. Bu verilerden, nominal LMTD hesaplanabilir ve ardından çalışma basıncı bulunabilir.

1,198 m²’lik ısıtma alanına sahip ısı eşanjörü için LMTD’yi bulun: Bu doyma sıcaklığı tasarım koşulunda 3,4 bar g’lik bir buhar basıncına eşittir. Bu basınç sabit 0,5 bar g’lik arka basınçtan fazla olduğundan, sistem tam yükte durmayacaktır/stall yapmayacaktır.

Tam yükteki buhar akış hızı (ṁs) nedir?

Buhar kütle akış hızı, tam yükte 3,4 bar g olan ve 2122 kJ/kg’lık bir buharlaşma entalpisi olan buhar boşluğu basıncına bağlı olacaktır.

Denklem 2.8.1’den: TDC nedir? Artık sistemin hangi ısı yükünde duracağını/stall yapacağını bulmak gereklidir. Bunu yapmak için, tasarım koşullarından bu ısı eşanjörü için TDC’yi hesaplamak gereklidir.

Denklem 13.2.2’den: Durma/stall koşulu Durma/stall anında, buhar boşluğundaki basınç 0,5 bar g’lik arka basınca eşit olacaktır.

0,5 bar g’deki buharın doyma sıcaklığı 111,6°C’dir.

Denklem 13.2.4’ten giriş sıcaklığı bulunabilir: Durma/stall anındaki ısı yükü nedir? Isı transferi akış hızı denkleminden (Denklem 2.6.5): Kendenstop cihazının seçimi, minimum ısı yükünün durma/stall yükünden yüksek veya düşük olup olmadığına bağlı olacaktır.

Minimum yük, 293 kW’lık tam yükün %60’ı olarak belirtilmiştir, bu nedenle:

Minimum yük = 0,6 x 293 kW = 176 kW

Durma/stall yükü = 138 kW

Minimum yük durma/stall yükünden büyük olduğundan, sistem asla durmayacaktır/stall yapmayacaktır. Bu nedenle, her zaman pozitif bir diferansiyel basınç olacağından, bir şamandıralı buhar kendenstopu takmak pratiktir.

Ancak, şamandıralı buhar kendenstopu hem tam yükü hem de minimum yükü taşıyacak şekilde boyutlandırılmalıdır ve bu nedenle her iki koşuldaki buhar akışlarını ve karşılık gelen buhar boşluğu basınçlarını hesaplamak gereklidir.

Öncelikle minimum yükteki ikincil giriş sıcaklığını hesaplamak gereklidir. Bu Denklem 13.4.1 kullanılarak tahmin edilebilir: Minimum yük koşulu

Denklem 13.2.3’ten:

Bu 176 kW’lık minimum yükteki buhar sıcaklığıdır ve 1,0 bar g’lik bir buhar basıncına eşittir. Kondens basıncı 0,5 bar g’dir. Minimum yükteki şamandıralı buhar kendenstopu boyunca diferansiyel basınç dolayısıyla 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar’a eşittir.

176 kW’lık minimum ısı yükündeki buhar akış hızı (ṁ (min)) nedir?

Minimum buhar akış hızı, 2201,1 kJ/kg’lık buharlaşma entalpisine sahip 1,0 bar g olan buhar boşluğu basıncına bağlı olacaktır.

Denklem 2.8.1’den: Bu sistemin durmayacağı/stall yapmayacağı belirlendiğinden, şamandıralı buhar kendenstopu uygundur. Artık maksimum 3,5 bar’lık sistem diferansiyel basıncına kadar çalışacak bir şamandıralı buhar kendenstopu boyutlandırmak ve geçirmek gereklidir …

a) 3,4 bar g - 0,5 bar g = 2,9 bar g’lik diferansiyel basınçla 498 kg/s’lik tam yük.

b) 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar g’lik diferansiyel basınçla 288 kg/s’lik minimum yük.

Şamandıralı buhar kendenstopu boyutlandırma grafiğinden (Şekil 13.4.1) görülebilir ki, bir DN25 (1”) FT14-4.5 her iki koşulu da karşılayacak ve seçilebilir. Ancak, minimum ısı yükü durma/stall yükünden düşük olsaydı, bir pompa-kendenstopu seçilmek zorunda kalınacaktı.

Kendenstop cihazlarının seçilme yöntemleri Modül 13.8, ‘Durma/stall’ı önlemenin pratik yöntemleri’nde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.