Temel Aşırı Isınma Giderme Teorisi

Aşırı ısınmış buhar, belirli uygulamalarda önemli avantajlara sahiptir; örneğin, enerji santrallerinde türbinleri çalıştırmak için kullanıldığında. Ancak ısıtma uygulamalarında verimli kullanım için buharın aşırı ısınmasının giderilmesi gerekir. Bu eğitim, temel aşırı ısınma giderme teorisi ve hesaplamalarını ele almaktadır.

Aşırı ısınmış buhar, buhar basıncı için doyma sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklıktaki buhardır. Örneğin, 3 bar g basıncındaki buharın doyma sıcaklığı 143.762°C’dir. Bu buhara daha fazla ısı eklenirse ve basınç 3 bar g’de kalırsa, aşırı ısınmış olur. Bu ek ısı, buharın:

• Doyma sıcaklığından yüksek olmasını.
• Doygun buhardan daha fazla enerji içermesini.
• Doygun buhardan daha büyük özgül hacme sahip olmasını sağlar. Bu üç özellik arasındaki ilişkiler iyi belgelenmiştir ve buharın termodinamik özellikleriyle ilgili çoğu metinde bulunabilir. Aşırı ısınmış buhar esas olarak enerji üretim tesislerinde türbinler için tahrik kuvveti olarak kullanılır. Rankine gaz çevriminin incelenmesi, türbinlerin çalıştırılması için aşırı ısınmış buharın doygun buhardan daha termal verimli olduğunu gösterecektir.

Buharın aşırı ısınmasının başka önemli avantajları da vardır:

• Türbin içindeki ıslak buhar, türbin kanatlarında su damlacıklarına ve aşınmaya ve ayrıca artan sürtünmeye neden olur.
• Daha yüksek boru hattı hızları (100 m/s’ye kadar) kullanılabilir. Bu, daha küçük dağıtım boru hatlarının kullanılabileceği anlamına gelir (basınç düşüşü aşırı olmadığı sürece).
• Sürekli çalışan tesisler için aşırı ısınmış buhar, boru tesisatında kondens oluşmayacağı anlamına gelir; bu nedenle yalnızca başlangıçta buhar kapanına ihtiyaç vardır.

Aşırı ısınmış buharın kullanımının bir dizi dezavantajı vardır:

Aşırı ısınmış buhar büyük miktarda ısı enerjisi içerse de, bu enerji üç biçimdedir; su entalpisi, buharlaşma entalpisi (gizli ısı) ve aşırı ısınma entalpisi. Enerjinin büyük kısmı buharlaşma entalpisindedir ve aşırı ısınmadaki enerji daha küçük bir oranı temsil eder. Örneğin, 10 bar a ve 300°C’deki aşırı ısınmış buharı ele alalım:

Su entalpisi = 763 kJ/kg

Buharlaşma entalpisi = 2 015 kJ/kg

Aşırı ısınma entalpisi = 274 kJ/kg

• Aşırı ısınmış buharın ısıtma ortamı olarak kullanılması durumunda ısı transfer katsayısı değişkendir, düşüktür ve doğru bir şekilde belirlenmesi zordur. Bu, ısı transfer ekipmanının doğru boyutlandırılmasını ve kontrolünü zorlaştırır ve ayrıca daha büyük ve daha pahalı bir ısı eşanjörüne neden olur. Aşırı ısınmış buhar doyma sıcaklığına soğutulduğunda, ısı transfer katsayısı dramatik şekilde artar ve buharın tekrar suya yoğunlaştığı sıcaklık sabittir. Bu, ısı transfer ekipmanının doğru boyutlandırılmasını ve kontrolünü büyük ölçüde kolaylaştırır. Doygun buharla ilişkili yüksek ısı transfer katsayılarının varlığı, aşırı ısınmış buhar kullananlardan daha küçük ve daha ucuz ısı eşanjörlerine yol açar.
• Bazı proseste (örneğin, damıtma kolonları) aşırı ısınmış buharla beslendiğinde daha düşük verimlilikte çalışır.
• Aşırı ısınmış buharın daha yüksek sıcaklıkları, daha yüksek dereceli ve dolayısıyla daha pahalı ekipmanın gerekli olabileceği anlamına gelebilir.
• Aşırı ısınmış buharın daha yüksek sıcaklığı hassas ekipmana zarar verebilir. Bu dezavantajlar, aşırı ısınmış buharın termal proses uygulamaları için genel olarak istenmediği anlamına gelir. Ancak, enerji üretimi için aşırı ısınmış buharın üretildiği ve güç üretme döngüsünün belirli bir noktasından bu buharın bir kısmının aşırı ısınmasının giderilmesinin ve ardından proses uygulamaları için kullanılmasının ekonomik anlam taşıdığı sahalar mevcuttur. (Aşırı ısınmış buhar hakkında daha fazla bilgi Modül 2.3’te bulunabilir).

Ayrıca, büyük miktarda atığın kazan için yakıt olarak kullanıldığı sahalar da mevcuttur. Atık miktarı yeterince büyükse, enerji üretimi için aşırı ısınmış buhar üretilebilir.

Bu tür tesislerin örnekleri kağıt yapım ve şeker rafinajı endüstrilerinde bulunabilir.

Proses kullanımı için aşırı ısınmış buharın mevcut olduğu tesislerde, buharın kuru kalmasını sağlamak için aşırı ısınmış buharın tesisin uzak noktalarına dağıtılması mantıklıdır.

Bu, üretim noktası ile kullanım noktası arasında uzun boru hatlarının bulunduğu durumlarda önemli hale gelir.

Temel buhar aşırı ısınma giderme

Aşırı ısınma giderme, aşırı ısınmış buharın doymuş durumuna geri getirildiği veya aşırı ısınma sıcaklığının düşürüldüğü süreçtir. Doymuş durumu geri kazandırmak için kullanılan çoğu aşırı ısınma giderici, doyma sıcaklığına yaklaşan deşarj sıcaklıkları üretir (tipik olarak doyma sıcaklığının en az 3°C üstü). 3°C’nin üzerinde deşarj sıcaklıkları için tasarımlar da mümkündür ve sıklıkla kullanılır. Temel olarak iki geniş aşırı ısınma giderici türü vardır:

• Dolaylı temas tipi - Aşırı ısınmış buharı soğutmak için kullanılan ortam doğrudan temas etmez. Soğutma ortamı olarak daha soğuk bir sıvı veya gaz kullanılabilir; örneğin, çevreleyen hava. Bu tür aşırı ısınma gidericilere örnekler kabuk ve boru tipi ısı eşanjörleridir. Burada aşırı ısınmış buhar ısı eşanjörünün bir tarafına ve daha soğuk bir ortam diğer tarafına beslenir. Aşırı ısınmış buhar ısı eşanjöründen geçerken, buhardan ısı kaybedilir ve soğutma ortamı tarafından kazanılır. Giderilmiş buharın sıcaklığı, üst aşırı ısınmış buhar basıncı veya soğutma suyunun debisi ile kontrol edilebilir. Bu amaçla aşırı ısınmış buhar akışının kontrolü normalde pratik değildir ve çoğu sistem soğutma ortamının akışını ayarlar.
• Doğrudan temas tipi - Aşırı ısınmış buharı soğutmak için kullanılan ortam doğrudan temas eder. Çoğu durumda, soğutma ortamı, buharlaştırılacak buharla aynı akışkandır, ancak sıvı halinde. Örneğin, buhar aşırı ısınma gidericileri durumunda su kullanılır. Tipik bir doğrudan temaslı aşırı ısınma giderme istasyonu Şekil 15.1.3’te gösterilmektedir. Aşırı ısınma giderici çalışırken, aşırı ısınmış buhara ölçülü miktarda su, aşırı ısınma giderici içindeki bir karıştırma düzeni aracılığıyla eklenir. Aşırı ısınma gidericiye girdiğinde, soğutma suyu aşırı ısınmış buhardan ısı emerek buharlaşır. Sonuç olarak, buharın sıcaklığı düşürülür.

Eklenmesi gereken su miktarının kontrolü genellikle aşırı ısınma gidericinin altındaki buharın sıcaklığı ölçülerek yapılır. Giderilmiş buharın ayar sıcaklığı tipik olarak doyma sıcaklığının 3°C üstü olacaktır. Bu nedenle bu tür düzenlemelerde aşırı ısınmış buharın üst basıncı sabit tutulmalıdır.

Aşırı ısınma giderme hesaplamaları

Eklenen su miktarı, buharı istenen sıcaklığa soğutmak için yeterli olmalıdır; çok az su eklenirse buhar yeterince soğutulmaz, çok fazla eklenirse bir ayırıcı ile kurutulması gereken ıslak doymuş buhar üretilir.

Denklem 15.1.1 kullanılarak, enerjinin korunumuna dayanan soğutma sıvısı gereksinimi kolayca ve hızlı bir şekilde belirlenebilir: Örnek 15.1.1 Aşağıdaki Tablodaki koşullar için gerekli soğutma suyu debisini belirleyin:

Çözüm:

Gerekli bilgi, basılı buhar tablolarından elde edilebilir veya enterpole edilebilir; ilgili özdeğerler Tablo 15.1.1 ve Tablo 15.1.2’de gösterilmektedir. Alternatif olarak, Spirax Sarco çevrimiçi buhar tabloları kullanılabilir. Denklem 15.1.1’i karşılamak için gereken bilgi dolayısıyla şudur:

m_dot - body text.jpgs = Aşırı ısınmış buharın kütle debisi = 10 000 kg/h

hs = Aşırı ısınma koşullarındaki entalpi (Buhar tablolarından 10 bar a’da 300°C) = 3 052 kJ/kg

hcw = Soğutma sıvısının entalpisi = 4.2 kJ/kg°C x 150°C = 630 kJ/kg

Giderilmiş koşuldaki entalpiyi hd belirleme:

Buhar tablolarından, 10 bar a’daki doyma sıcaklığı (Ts) 180°C’dir, bu nedenle gerekli giderilmiş koşulda sıcaklık şu olacaktır:

Ts + 5°C = 185°C

10 bar a ve doyma sıcaklığındaki buharın entalpisi ile 10 bar a ve 200°C’deki buharın entalpisi arasında enterpolasyon:

10 bar a’da, Ts’de (doygun buhar tabloları) entalpi = 2 778 kJ/kg

10 bar a’da, 200°C’de (aşırı ısınmış buhar tabloları) entalpi = 2 829 kJ/kg

10 bar a ve 185°C’deki entalpi için enterpolasyon: Son olarak, Denklem 15.1.1’i uygulayarak: Giderilmiş buharın şu debide sağlandığına dikkat edin: 10 000 + 1 208 kg/h = 11 208 kg/h

Sağlanan debi:

10 000 + 1 208 Gereklilik 10 000 kg/h giderilmiş buhar olsaydı, başlangıçtaki aşırı ısınmış buhar debisi basit bir orantısal yöntem kullanılarak belirlenebilir: