Ayırıcılar

‘Islak’ buhar, bir buhar sisteminde düşük verimlilik, erozyon ve korozyon dahil prosest ve bakım sorunlarına neden olabilecek önemli bir endişe kaynağıdır. Ayırıcılar, buhar akışından nemi verimli bir şekilde gidermek için tasarlanmıştır. Farklı türlerin uygulaması ve seçimi burada ele alınmaktadır.

Islak buhar, belirli bir miktar su içeren buhardır ve herhangi bir buhar sistemindeki başlıca endişelerden biridir. Tesis verimliliğini ve ürün kalitesini düşürebilir ve çoğu tesis ve ekipman parçasına zarar verebilir. Dikkatli drenaj ve kondenstoplama çoğu suyu uzaklaştırabilse de, buharda askıda olan su damlacıklarını gidermeyecektir. Bu askıda su damlacıklarını gidermek için buhar boru hatlarına ayırıcılar monte edilir.

Doymuş buhar üretmek için tasarlanmış bir kazanda üretilen buhar doğası gereği ıslaktır. Kuruluk derecesi kazanın türüne göre değişse de, çoğu kabuk tipi buhar kazanı %95 ila %98 arasında kuruluk derecesine sahip buhar üretir. Kazanın ürettiği buharın su içeriği, köpürme ve taşma meydana gelirse daha da artar. Dağıtım borusundan her zaman belirli bir ısı kaybı vardır; bu da buharın yoğunlaşmasına neden olur. Yoğuşan su molekülleri sonunda borunun dibine doğru hareket ederek bir su filmi oluşturur. Bu suyun üzerinden akan buhar, dalgalara dönüşebilecek dalgalanmalar yaratabilir. Dalgaların uçları kırılma eğilimindedir ve kondens damlacıklarını buhar akışına fırlatır. Buharda suyun bulunması bir dizi soruna neden olabilir:

• Su, ısı transferi için son derece etkili bir bariyer olduğundan, varlığı tesis verimliliğini ve ürün kalitesini düşürebilir. Bu, tipik bir ısı değiştirme yüzeyi boyunca sıcaklık profilini gösteren Şekil 12.5.1’de görülebilir.

• Yüksek buhar hızlarında hareket eden su damlacıkları vana oturaklarını ve fittings erozyona uğratacaktır; bu durum çekme etkisi olarak bilinir. Su damlacıkları ayrıca korozyon miktarını da artıracaktır.
• Su damlacıklarının taşıdığı safsızlıklardan boru hattı ve ısıtma yüzeylerinde artan kireçlenme.
• Kontrol vanalarının ve akışölçerlerin dengesiz çalışması.
• Hızlı aşınma veya su darbesi nedeniyle vanaların ve akışölçerlerin arızalanması. Birkaç farklı ayırıcı tasarımı olmasına rağmen, hepsi drenaj ve kendenstoplama ile uzaklaştırılamayan buhar akışında askıda kalan nemi gidermeye çalışır. Buhar sistemlerinde yaygın olarak kullanılan üç tür ayırıcı vardır:

Engel tipi -

Engel veya kanat tipi ayırıcı, akışın ayırıcı gövdesinden geçerken birkaç kez yön değiştirmesine neden olan bir dizi engel plakasından oluşur. Askıda su damlacıkları buhardan daha büyük kütleye ve daha büyük atalet sahiptir; böylece akış yönünde bir değişiklik olduğunda kuru buhar engellerin etrafından akar ve su damlacıkları engeller üzerinde toplanır. Ayrıca, ayırıcının büyük bir kesit alanı olduğundan, akışkan hızında bir azalma olur. Bu, su damlacıklarının kinetik enerjisini azaltır ve çoğu askıdan düşer. Kondens, ayırıcının dibinde toplanır ve buradan bir kendenstop aracılığıyla boşaltılır.

Santrifüj tipi -

Santrifüj tipi ayırıcı, yüksek hızlı santrifüjlü akış oluşturmak için bir dizi kanat kullanır. Buharın hızı, ayırıcı gövdesinin etrafında dönmesine neden olarak daha ağır, askıda suyu duvara fırlatır; buradan ünitenin altına monte edilen bir kendenstopa boşalır.

Koalesans tipi -

Koalesans tipi ayırıcılar buhar yolunda bir engel sağlar. Engeller tipik olarak bir tel örgü peddir (bazen buğu giderici ped olarak adlandırılır); üzerinde su molekülleri yakalanır. Bu su molekülleri birleşme eğilimindedir ve gaz sistemi tarafından daha fazla taşınamayacak kadar büyük damlacıklar üretir. Damlacıkların boyutu arttıkça çok ağırlaşır ve sonunda ayırıcının dibine düşer. Hem koalesans hem de santrifüjlü tip çalışma prensiplerini birleştiren ayırıcılar bulmak yaygındır. İki yöntemi birleştirerek ayırıcının genel verimliliği artırılır.

Ayırıcı verimliliği, buharla taşınan toplam su ağırlığına oranla ayrılan suyun ağırlığının bir ölçüsüdür. Laboratuvar dışında, ayırıcının kesin verimliliğini belirlemek zordur; çünkü giriş kuruluk derecesine, akışkan hızına ve akış desenine bağlıdır. Ancak boru dirseklerindeki erozyon, çekme etkisi ve su darbesi, buhar borularında ıslak buharın varlığının göstergeleridir.

Engel tipi ile santrifüjlü ve koalesans tipi ayırıcılar arasındaki performansın başlıca farklarından biri, engel tipi ayırıcının daha geniş bir boru hattı hız aralığında yüksek verimlilik düzeyini koruyabilmesidir. Santrifüj ve koalesans tipi ayırıcılar tipik olarak 13 m/s’ye kadar hızlarda %98 verimlilik sergiler, ancak bu keskin bir şekilde düşer ve 25 m/s’de verimlilik tipik olarak yaklaşık %50’dir; bu İngiltere’deki üniversite araştirmalarına göre böyledir. Bu araştırma ayrıca, engel tipi bir ayırıcı için verimliliğin 10 m/s ila 30 m/s aralığında %100’e yakın kaldığını kanıtlamıştır. Sonuç olarak, engel tipi ayırıcı, genellikle belirli bir hız dalgalanması derecesinin olduğu buhar uygulamaları için daha uygundur. Ayrıca, boru hattı yetersiz boyutlandırılmışsa ıslak buharın 30 m/s’nin üzerinde hızlarda çalıştığı görülecektir. Bu sorunu gidermenin bir yöntemi, daha büyük boyutlu bir ayırıcı kullanmak ve ayırıcının hemen yukarısındaki boru hattı çapını artırmaktır. Bu, buharın ayırıcıya girmeden önce hızını düşürme etkisine sahip olacaktır.

Örnek 12.5.1

%90 verimliliğe sahip bir ayırıcı, kuruluk derecesi 0.95 olan buhar içeren bir buhar ana hattına takılırsa, aşağı akış kuruluk derecesi ne olur? Başlangıç kuruluk derecesi 0.95 ise, her kilogram (1000 g) buhar şunları içerir:

Orijinal 0.95 kuruluğa göre bir iyileşme olmasına rağmen, buhar hala önemli miktarda su içerecektir.

Engel tipi ayırıcıdaki basınç düşüşü, ayırıcı gövdesi tarafından sağlanan kesit alanındaki büyük artıştan kaynaklanan buhar hızındaki azalma nedeniyle çok düşüktür. Basınç düşüşü tipik olarak aynı nominal çapta borunun eşdeğer uzunluğundan daha azdır. Karşılaştırma olarak, santrifüjlü tip ayırıcıdaki basınç düşüşü biraz daha yüksektir; çünkü santrifüj etkisini oluşturmak için akışkan hızı korunmalıdır. Kritik olmayan uygulamalarda, engel tipi ayırıcılar tipik olarak boru hattı boyutuna göre boyutlandırılır; ancak seçilen boyutun maksimum ayırma verimliliğini sağladığının ve basınç düşüşünün kabul edilebilir sınırlar içinde olduğunun kontrol edilmesi gerekir. Kritik uygulamalarda, uygun verimlilik ve basınç düşüşü sağlamak için ayırıcıyı çalışma basıncına ve debiye göre seçmek daha yaygındır. Santrifüjlü tip ayırıcının boyutlandırılması daha karmaşıktır; çünkü ayırıcıdan geçen hızın yüksek verimlilik düzeyini korumak için uygun olduğundan ve ayırıcıdaki basınç düşüşünün kabul edilebilir olduğundan emin olmak önemlidir. Örnek 12.5.2, tipik bir üretici teknik şartname grafiğinden engel tipi bir ayırıcı seçimini özetlemektedir.

Örnek 12.5.2

Şekil 12.5.5’teki boyutlandırma grafiğini kullanarak, üst akış basıncı 12 bar ve 32 mm boru hattından 500 kg/h buhar geçen bir basınç düşürme istasyonu için uygun boyutta bir ayırıcı seçin. Debi 1000 kg/h’ye iki katına çıkarılsaydı, ayırıcı ne boyutta olmalıdır?

1. Buhar basıncı ve debisinin kesiştiği noktadan A noktasını çizin ve bu noktadan yatay bir çizgi çizin. Bu çizgi tarafından gölgeli alan içinde kesilen herhangi bir ayırıcı eğrisi, neredeyse %100 verimlilikle çalışacaktır.
2. Hat boyutu ayırıcısını, yani B noktasında 32 mm’yi seçin.
3. Herhangi bir boyut için hat hızı, bu kesişme noktasından düşey bir çizgi çekilerek belirlenebilir. B noktasından bu çizgi, hız eksenini 18 m/s’de keser.
4. Ayırıcıdaki basınç düşüşünü belirlemek için, B noktasından uzatılan düşey çizgi C-C çizgisini kestiğinde, yatay bir çizgi çizin. Ardından A noktasından düşey bir çizgi çekin. Kesişme noktası D, ayırıcıdaki basınç düşüşüdür.
5. Bu prosedürü 1000 kg/h debi için tekrarlamak X, Y ve Z noktalarını oluşturur. Y noktasının gölgeli bölgenin dışına düştüğü ve ayırıcının maksimum verimlilikle çalışmayacağı görülmektedir. Burada daha büyük boyutlu bir ayırıcı kullanmak tavsiye edilir; Z noktası ile gösterilen bir DN40 ayırıcı seçilecektir ve W noktasında yaklaşık 0.07 bar basınç düşüşü ile.

Tablo 12.5.1, engel ve santrifüjlü tip ayırıcıların performansındaki önemli farklılıkları özetlemektedir.

Table 12.5.1 Comparison of baffle and centrifugal type separators

Ayırıcının kondens çıkışına, canlı buhar kaybı olmadan kondensin verimli bir şekilde uzaklaştırılmasını sağlamak için uygun bir kendenstop takılmalıdır. En uygun kendenstop türü, anında kondens uzaklaştırmasını sağlayan küre tipi şamandıralı kendenstoptur. Bazı ayırıcılar, kendenstop mekanizmasını ayırıcı gövdesinin içinde barındırır.

Çoğu dikey ayırıcının gövdenin üstünde bir çıkış vardır. Bu, devreye alma sırasında buhar alanından havanın uzaklaştırılmasını kolaylaştıran bir hava tahliye vanası için kullanılabilir.

Yalıtım

Bir ayırıcı yalıtımsız bırakılırsa, ortama maruz kalan geniş yüzey alanı nedeniyle aslında su damlacıklarının oluşumunu tetikleyebilir, bunları ortadan kaldırmak yerine. Ayrıca, ayırıcı yüzeyinden önemli miktarda ısı enerjisi kaybolabilir. Örneğin, 150°C’de buhar içeren ve 15°C ortam sıcaklıklarına maruz kalan bir ayırıcının yalıtılması, yıllık 8600 MJ enerji tasarrufu sağlayacaktır (Yalnızca radyasyona bağlı ısı kaybına dayanarak, durgun hava koşulları ve yılda 8 760 saat çalışma varsayılarak). Bir yalıtım kılıfı takılarak bu ısı kaybı büyük ölçüde azaltılabilir ve enerji tasarrufları, yalıtımın başlangıç maliyetini son derece kısa bir sürede haklı çıkarır. Belirli bir ayırıcıya uyacak şekilde tasarlanmış yalıtım kılıfları kullanılmalıdır; çünkü flanşlı olup olmadığına bağlı olarak ayırıcının şekli yalıtımı zorlaştırır. Standart flanş kapakları gövdeyi açıkta bırakır ve bu nedenle ısı kaybının azaltılmasında sınırlı etkiye sahiptir. En iyi yalıtımla bile, bir üründen tüm ısı kaybını ortadan kaldırmak mümkün değildir. Ayırıcı yalıtımının verimliliği tipik olarak %90’ın üzerindedir. Belirli bir ayırıcı için tasarlanmış bir kılıf kullanmak önemlidir; aksi takdirde yalıtım verimliliği azalır. Doğru yalıtılmış ayırıcılar ayrıca yanıklardan kaynaklanan kişisel yaralanma riskini de azaltır.