Tank ve Teknelerin Enerji Tüketimi

Tank ve teknelerde sıvıların ısıtılması, proses endüstrilerinde önemli bir gerekliliktir. Farklı kullanımlara sahip birçok tank tipi vardır. Isı gereksinimlerinin belirlenmesi, ısı transferi ve ısı kaybı hesaplamalarının tümü bu eğitimde ele alınmaktadır.

Tanklarda sıvıların ısıtılması, süt ürünleri, metal işleme ve tekstil endüstrileri gibi proses endüstrilerinde önemli bir gerekliliktir. Su, sıcak su hizmeti sağlamak için ısıtılabilir; alternatif olarak, bir kimyasal reaksiyon dahil olsun ya da olmasın, bir sıvının üretim sürecinin bir parçası olarak ısıtılması gerekebilir. Bu tür prosesler, kazan besleme tanklarını, yıkama tanklarını, evaporatörleri, kaynatma tavalarını, bakır kazanları, kalendriyaları ve yeniden kaynatıcıları içerebilir.

Açık ve kapalı tanklar çok sayıda proses uygulaması için kullanılır: Kazan besleme tankları

Kazan besleme tankı, herhangi bir buhar üretim sisteminin merkezindedir. Kazanı beslemek için dönen kondens ve işlenmiş takviye suyunun bir deposunu sağlar. Suyun ısıtılmasının bir nedeni, 100 °C’de (teorik olarak) 0 ppm oksijen ile kazana giren oksijeni azaltmaktır. Kazan besleme tankları normalde 80 °C ile 90 °C arasında çalıştırılır. Sıcak su tankları

Sıcak su, endüstride bir dizi proses için gereklidir. Genellikle ısıtma ortamı olarak buhar kullanan basit, açık veya kapalı tanklarda ısıtılır. Çalışma sıcaklığı uygulamaya bağlı olarak 40 °C ile 85 °C arasında herhangi bir yerde olabilir. Yağ alma tankları

Yağ alma, işlemeden sonra ve ürünün son montajından önce metal yüzeylerden birikmiş gres ve soğutma yağının uzaklaştırıldığı süreçtir. Bir yağ alma tankında malzeme, bobinlerle 90 °C ile 95 °C arasında bir sıcaklığa ısıtılan bir çözeltiye daldırılır. Metal işlem tankları

Metal işlem tankları, bazen tekne olarak adlandırılır, bir dizi farklı süreçte kullanılır:

• Kireç tabakası veya pası uzaklaştırmak.
• Yüzeylere metalik bir kaplama uygulamak. İşlem sıcaklıkları tipik olarak 70 °C ile 85 °C arasında değişir. Yağ depolama tankları

Ortam sıcaklıklarında pompalanamayan yağları tutmak için depolama tankları gereklidir; örneğin kazanlar için ağır yakıt yağı. Ortam sıcaklıklarında, ağır yağ çok koyudur ve pompalanabilmesi için viskozitesini azaltmak üzere 30 °C - 40 °C’ye ısıtılması gerekir. Bu, tüm ağır yağ depolama tanklarının pompalamayı kolaylaştırmak için ısıtma ile donatılması gerektiği anlamına gelir. Proses endüstrilerinde kullanılan ısıtma tankları

Isıtma tankları bir dizi proses endüstrisi tarafından kullanılır, Tablo 2.9.1’e bakın.

Tablo 2.9.1 Isıtma tanklarını kullanan proses endüstrileri

Bazı uygulamalarda proses akışkanı çalışma sıcaklığına ulaşmış olabilir ve tek ısı gereksinimi duvarların katı yüzeylerinden olan kayıplardan ve/veya sıvı yüzeyinden olan kayıplardan kaynaklanıyor olabilir.

Bu Modül, tankların enerji gereksinimlerini belirleyen hesaplamaları ele alacaktır: aşağıdaki iki Modül (2.10 ve 2.11) bu enerjinin nasıl sağlanabileceğini ele alacaktır. Bir proses akışkanı tankının veya teknesinin ısı gereksinimini belirlerken, toplam ısı gereksinimi bir dizi anahtar bileşenden bazılarını veya tamamını içerebilir:

1. Proses akışkanı sıcaklığını soğuktan çalışma sıcaklığına çıkarmak için gereken ısı.
2. Kap malzemesini soğuktan çalışma sıcaklığına çıkarmak için gereken ısı.
3. Kaptan atmosfere katı yüzeyden kaybedilen ısı.
4. Atmosfere maruz kalan sıvı yüzeyden kaybedilen ısı.
5. Proses akışkanına daldırılan soğuk maddelerin absorbe ettiği ısı. Ancak, birçok uygulamada yukarıdaki bileşenlerin yalnızca bazıları anlamlı olacaktır. Örneğin, tamamen kapalı iyi yalıtılmış toplu yağ depolama tankı durumunda, toplam ısı gereksinimi neredeyse tamamen sıvının sıcaklığını yükseltmek için gereken ısıdan oluşabilir. Maddeler 1 ve 2, sıvının ve kap malzemesinin sıcaklığını yükseltmek için gereken enerji ve madde 5, proses akışkanına daldırılan soğuk maddelerin absorbe ettiği ısı, Denklem 2.6.1 kullanılarak bulunabilir. Genel olarak, veriler doğru bir şekilde tanımlanabilir ve dolayısıyla ısı gereksinimi hesaplaması basit ve hassastır.

Maddeler 3 ve 4, kap ve sıvı yüzeylerinden olan ısı kayıpları Denklem 2.5.3 kullanılarak belirlenebilir.

Ancak, ısı kaybı hesaplamaları çok daha karmaşıktır ve genellikle birkaç varsayıma dayanan ampirik verilere veya tablolara dayanmak zorundadır. Buna göre ısı kaybı hesaplamaları daha az doğrudur.

Kaptan katı yüzeyden atmosfere olan ısı kaybı Yalnızca yüzey ile ortam havası arasında sıcaklık farkı olduğunda ısı transferi gerçekleşir. Şekil 2.9.1, çıplak çelik düz yüzeylerden ortam havasına ısı transferi için bazı tipik toplam ısı transfer katsayıları sağlar. Tankın altı ortam havasına maruz kalmıyorsa, zeminde düz bir şekilde konumlandırılmışsa, bu ısı kaybı bileşeninin ihmal edilebilir olduğu düşünülür ve güvenle göz ardı edilebilir.

• 25 mm yalıtım için U değeri 0,2 faktörüyle çarpılmalıdır
• 50 mm yalıtım için U değeri 0,1 faktörüyle çarpılmalıdır Şekil 2.9.1’de sağlanan toplam ısı transfer katsayıları yalnızca ‘durgun hava’ koşulları içindir.

Tablo 2.9.2, bir hava hızı hesaba katılıyorsa bu değerlere uygulanması gereken çarpma faktörlerini gösterir. Ancak, yüzey iyi yalıtılmışsa, hava hızı maruz koşullarda bile ısı kaybını %10’dan fazla artırmayacaktır.

Tablo 2.9.2 Hava hareketiyle ısı transferi üzerindeki etki

1 m/s’den düşük hızlar korunaklı koşullar olarak düşünülebilirken, 5 m/s hafif bir esinti (Beaufort ölçeğinde yaklaşık 3), 10 m/s taze bir esinti (Beaufort 5) ve 16 m/s orta şiddetli bir fırtına (Beaufort 7) olarak düşünülebilir.

Toplu yağ depolama tankları için, Tablo 2.9.3’te verilen toplam ısı transfer katsayıları kullanılabilir.

Tablo 2.9.3 Yağ tankları için toplam ısı transfer katsayıları

Su tankları: su yüzeyinden atmosfere olan ısı kaybı Şekil 2.9.2, su yüzeyinden olan ısı kaybını hava hızı ve yüzey sıcaklığı ile ilişkilendirir. Bu çizelgede ‘durgun’ havanın 1 m/s hızı olduğu, açık havada korunaklı konumlardaki tankların yaklaşık 4 m/s hızları dikkate alındığı, açık havada maruz konumlardaki tankların ise yaklaşık 8 m/s hızlarla dikkate alındığı düşünülmektedir. Bu çizelge, toplam ısı transfer katsayısı birimleri W/m² °C yerine W/m² cinsinden ısı kaybını sağlar. Bu, bu değerin ısı transferi hızını sağlamak için yüzey alanı ile çarpılması gerektiği anlamına gelir, çünkü su-hava sıcaklık farkı zaten dikkate alınmıştır. Şekil 2.9.2’de gösterildiği gibi su yüzeyinden olan ısı kayıpları havanın neminden önemli ölçüde etkilenmez. Pratikte karşılaşılması muhtemel tüm nem aralığı eğrinin kalınlığı ile kapsanır. Ancak grafik, 15,6 °C hava sıcaklığı ve %55 hava nemi ile ısı kayıplarını ele alır. Bunlardan farklı koşullar Spirax Sarco web sitesindeki Mühendislik Destek Merkezi’nden hesaplanabilir. Çizelgeden ısı kaybını belirlemek için su yüzey sıcaklığı üst skaladan seçilmelidir. Daha sonra, (kalın) ısı kaybı eğrisine dikey olarak aşağı doğru bir çizgi çizilmelidir.

İç mekan tankları için, kesişim noktasından sol ölçeğe yatay bir çizgi çizilmelidir. Dış mekan tankları için, istenen konuma (korunaklı veya maruz) kadar sola veya sağa yatay bir çizgi çizilmelidir. Daha sonra dikey olarak aşağı doğru bir çizgi, alt ölçek üzerindeki ısı kaybını ortaya çıkaracaktır. Çoğu durumda, sıvı yüzeyinden olan ısı kaybı en önemli ısı kaybı elemanı olma eğilimindedir. Pratik olduğunda, ısı kaybı, yalıtım sağlayan bir ‘örtü’ görevi gören polistiren kürelerin bir tabakasıyla sıvı yüzeyinin örtülmesiyle sınırlandırılabilir. Şekil 2.9.2’deki grafikte tasvir edildiği gibi tanklar dışarıda maruz konumlarda olduğunda, ısı kayıplarını azaltan herhangi bir çözüm daha da önemli hale gelir.

Örnek 2.9.1

Şekil 2.9.3’te gösterilen tank için belirleyin: Kısım 1. Başlatma sırasında gerekli ortalama ısı transferi hızı. Kısım 2. Çalışma sırasında gerekli maksimum ısı transferi hızı.

• Tank yalıtımsız ve açık tepelidir ve bir fabrika içinde beton zemin üzerinde konumlandırılmıştır. 3 m uzunluğunda, 3 m genişliğinde ve 2 m yüksekliğindedir. Tank toplam yüzey alanı = 24 m² (taban hariç). Tank/havadan ısı transfer katsayısı, U1 = 11 W/m² °C. Tank, su ile aynı yoğunluğa sahip (1 000 kg/m³) zayıf bir asit çözeltisinin (cp = 3,9 kJ/kg °C) 2/3’ü ile doludur
• Tank 15 mm yumuşak çelik plakadan imal edilmiştir. (Yoğunluk = 7 850 kg/m³, cp = 0,5 kJ/kg °C)
• Tank gün aşırı kullanılır, çözeltinin 2 saat içinde en düşük kabul edilen ortam sıcaklığı olan 8 °C’den 60 °C’ye çıkarılması ve gün boyunca o sıcaklıkta kalması gerekir.
• Tank sıcaklığına ulaştığında, tank taşmadan her 20 dakikada bir 500 kg çelik madde daldırılacaktır. (cp = 0,5 kJ/kg °C

Kısım 1 - Başlatma sırasında gerekli ortalama ısı transferi hızını belirleyin Q̇M (başlatma)

Kısım 1.2 Denklem Tank malzemesinin ısıtılması Q̇M (tank)

Kısım 1.3 Tank kenarlarından ısı kayıpları Q̇M (kenarlar)

Kısım 1.4 Sıvı yüzeyinden ısı kayıpları Q̇M (yüzey)

Kısım 1.5 Toplam ortalama ısı transferi gereksinimi Q̇M (başlatma)

Kısım 2 - Çalışma yükünü belirleyin, yani çalışma sırasında gerekli maksimum ısı transferi hızı Q̇(çalışma)

Çalışma koşullarında, sıvı ve tank (A1 ve A2, sayfa 2.9.6) zaten çalışma sıcaklığına ulaştığından, ısıtma bileşenleri = 0. Çalışma koşullarında, sıvı ve tanktan olan ısı kayıpları (A3 ve A4) daha büyük olacaktır. Bunun nedeni, sıvı ve tank sıcaklıkları ile çevre arasındaki farkın daha büyük olmasıdır. Maddenin sıvıya daldırılması sürecin açıkça amacıdır, bu nedenle bu ısı yükü hesaplanmalı ve çalışma yükü ısı kayıplarına eklenmelidir.

Kısım 2.1 Tank kenarlarından ısı kayıpları

Kısım 2.2 Sıvı yüzeyinden ısı kayıpları Q̇(yüzey)

Kısım 2.3 Tankta daldırılan çelik maddelerin ısıtılması Q̇(madde)

Kısım 2.4 Toplam ortalama ısı transferi gereksinimleri Q̇(çalışma)(Çalışma yükü)

Çalışma enerji gereksiniminin (59 kW) başlatma enerji gereksiniminden (367 kW) önemli ölçüde az olduğuna dikkat edin. Bu tipiktir ve mümkünse başlatma süresi uzatılabilir.

Bu, maksimum enerji akış hızını azaltma etkisine sahip olacak ve kazan üzerindeki talebi dengeleme ve sıcaklık kontrol sistemi üzerindeki talebi azaltma avantajlarına sahip olacaktır. Sürekli çalışacak tanklar için, genellikle yalnızca çalışma gereksinimlerinin hesaplanması gerekir, yani Kısım 2 hesaplamaları.