Buhar Enjeksiyonuyla Tank ve Tekne Isıtma

Doğrudan buhar enjeksiyonu, ısı transferi için daha düşük sıcaklıktaki bir sıvıya buhar kabarcıklarının boşaltılmasını içerir. Bu eğitim, prosesi ve kullanılan yöntemleri, ilgili ısı transferi hesaplamaları dahil açıklamaktadır.

Doğrudan buhar enjeksiyonu, daha düşük sıcaklıktaki bir sıvıya bir dizi buhar kabarcığının boşaltılmasını içerir. Buhar kabarcıkları yoğuşur ve ısılarını çevredeki sıvıya verir. Isı, buhar ile sıvı arasında doğrudan temas yoluyla transfer edilir, dolayısıyla bu yöntem sadece seyreltme ve sıvı kütlesinde artış kabul edilebilir olduğunda kullanılır. Bu nedenle, ısıtılan sıvı genellikle sudur. Doğrudan buhar enjeksiyonu, bir kimyasal reaksiyonun gerçekleştiği çözeltileri ısıtmak için nadiren kullanılır, çünkü çözeltinin seyreltilmesi reaksiyon hızını düşürür ve verimliliği azaltır. Doğrudan buhar enjeksiyonu, endüstride kazan besleme tankı ısıtması için en yaygın kullanılan yöntemdir. Bu yöntem genellikle basitliği nedeniyle seçilir. Isı transferi yüzeyi veya konaanstopt seti gerekmez ve kondens dönüş sistemini düşünmeye gerek yoktur.

Buhar tüketimi hesaplamaları

Doğrudan buhar enjeksiyonu sırasında, ısı dolaylı ısı alışverişinden farklı bir şekilde transfer edilir. Isı bir yüzey boyunca transfer edilmediğinden ve buhar ısıtılan proses akışkanıyla serbestçe karıştığından, buhardaki kullanılabilir ısı miktarı farklı bir şekilde hesaplanmalıdır. Bu Denklem 2.11.1 kullanılarak bulunabilir:

Denklem 2.11.1, buhar enjeksiyonunun buharlaşma entalpisinin (veya gizli ısının) tamamını ve buhardaki sıvı entalpisinin bir oranını kullandığını gösterir. Kullanılan sıvı entalpisinin gerçek oranı, enjeksiyon sürecinin sonundaki suyun sıcaklığına bağlıdır.

Dolaylı ısıtma ile doğrudan buhar enjeksiyonu arasındaki en büyük farklardan biri, proses akışanının hacminin (ve kütlesinin) buhar eklendikçe enjekte edilen buhar miktarı kadar artmasıdır. Bir diğer fark, bir buhar bobinine buhar akış hızı hesaplanırken bobindeki basıncın dikkate alınmasıdır, ancak buhar enjeksiyonu için kontrol vanasından önceki basınç dikkate alınır. Bazı durumlarda (sıvı yüzeyi tahliye borusu seviyesinde değilse), bu enjektör üzerindeki sıvı yükünü zaman ilerledikçe artıracaktır. Ancak bu artış muhtemelen küçük olacak ve hesaplamalarda nadiren dikkate alınır.

Isı transferi hızını etkileyen faktörler

Denklem 2.11.1’de, buhar tüketimi hızı doğrudan ısı gereksinimiyle ilişkilidir. Buhar enjeksiyon sistemi, tüm koşulların maksimum ısı transferine uygun olacak şekilde tasarlanmadıkça, buhar kabarcıkları basitçe sıvının yüzeyini yarabilir ve atmosfere kaçabilir; buhardaki ısının bir kısmı atmosfere kaybolur ve suya olan gerçek ısı transferi hızı beklenenden daha az olur. Daldırılmış bir bobin durumunda, ısınma döneminin başlangıcındaki maksimum ısı transferi hızı, kontrol vanasından ve ilgili boru hattından geçmesine izin verilen maksimum buhar akış hızına ve bobin yüzey alanının izin verdiği maksimum ısı çıkışına bağlı olacaktır. Doğrudan buhar enjeksiyonu sırasında, ısınma döneminin başlangıcındaki maksimum ısı transferi hızının kontrol vanasından ve boru veya enjektörün kendisinden geçen maksimum akış hızına bağlı olması beklenebilir. Ancak, yukarıda ima edildiği gibi, aşağıdakiler gibi diğer faktörlere de bağlı olacaktır:

• Buhar kabarcığının boyutu Bir buhar kabarcığının yoğunlaşması, kabarcığın yüzeyi boyunca olan ısı transferine bağlı olacaktır. Buhar kabarcığının tamamen yoğunlaşmasını sağlamak için yüzey alanı/hacim oranı mümkün olduğunca büyük olmalıdır. Daha küçük kabarcıkların birim hacim başına daha büyük yüzey alanı olduğundan, çok küçük kabarcıklar üretmek arzu edilir. Kabarcık ortaya çıktığında (buhar borusu ile buharın suya boşaltıldığı nokta arasındaki) diferansiyel basınç da buhar kabarcığının boyutunu etkileyecektir. Buharın özgül hacmi basınç azaldıkça artar, bu nedenle basınçtaki bir düşüş, buhar kabarcığı sıvıya kaçarken boyutunu artıracaktır. Buhar kabarcığı çok küçük bir delikten yayılıyor olsa bile, buhar basıncı yüksekse kabarcık boyutu önemli ölçüde artabilir. Sonuç olarak, sparge borusundaki daha düşük basınç daha iyidir.
• Enjeksiyon noktası üzerindeki sıvı yükü Enjeksiyon noktası üzerindeki sıvı yükü bir ters basınç yaratacak, böylece diferansiyel basınç buhar basıncından daha az olacaktır. Sıvı yükü büyükse ve sparge borusundaki buhar basıncı düşükse, oluşan kabarcıkların boyutunun minimumda tutulması için basınçta çok küçük bir değişiklik olabilir. Enjeksiyon noktası üzerinde daha büyük bir sıvı yükü, buhar kabarcıklarına yüzeye ulaşmadan önce yoğunlaşmaları için maksimum fırsat verecektir.
• Kabarcığın hızı Enjeksiyon noktasındaki kabarcığın hızı da buhar basıncı ile sıvı yükü arasındaki farka bağlı olacaktır. Bu diferansiyel basıncı mümkün olduğunca düşük tutmak arzu edilir, böylece kabarcık hızları da mümkün olduğunca düşük olur ve kabarcıklar yüzeye ulaşmadan önce yoğunlaşmaları için maksimum süre verilir.
• Sıvının sıcaklığı Buharın yoğunlaşma hızı, buhar ile ısıtılan sıvı arasındaki sıcaklık farkıyla doğrudan orantılıdır. Tüm ısı transferi süreçlerinde olduğu gibi, ısı alışverişi hızı sıcaklık farkıyla doğrudan orantılıdır. Sıvı sıcaklığını doğru bir şekilde kontrol etmek ve uygulama için gereken minimumda tutmak her zaman tavsiye edilir, böylece maksimum ısı transferi hızı sürdürülür ve enerji israfı olmaz.

Bu basitçe tankın içine monte edilmiş, deliklerin uçtan bakıldığında düzenli aralıklarla (tipik olarak saat 4 ve saat 8 pozisyonları) delinmiş, boru boyunca eşit aralıklarla ve ucu kapatılmış bir borudur. Buhar, borudan küçük kabarcıklar olarak deliklerden çıkar ve bunlar ya planlandığı gibi yoğunlaşır ya da sıvının yüzeyine ulaşır (Şekil 2.11.1’e bakın).

Sparge boruları yapımı ucuz ve kurulumu kolaydır, ancak yüksek düzeyde titreşim ve gürültüye neden olma eğilimindedir. Çok daha etkili bir yöntem, düzgün tasarlanmış bir buhar enjektörü kullanmaktır.

Örnek 2.11.1 - Buhar enjeksiyonuyla bir su tankını ısıtmak için buhar yükünü belirleyin

Bu hesaplamalar (adım 1 ila 5), ısı kayıpları açısından Örnek 2.9.1 ve 2.10.1’e dayanmaktadır, ancak tank zayıf asit çözeltisi yerine su (cp = 4.19 kJ/kg °C) içermekte ve su bir buhar bobini yerine buhar enjeksiyonuyla ısıtılmaktadır. Adım 1 - Denklem 2.6.1 kullanılarak 12 000 kg suyu 2 saat içinde 8°C’den 60°C’ye ısıtmak için gereken enerjiyi bulun:

Buhar kontrol vanasına 2.6 bar g’de beslenmektedir. Ortalama buhar akış hızını hesaplamak için, bu basınçtaki buharın toplam entalpisini (hg) belirlemek gerekir. Tablo 2.11.1’den (buhar tablolarından bir özet) 2.6 bar g’de buharın toplam entalpisinin (hg) 2733.89 kJ/kg olduğu görülebilir.

Tablo 2.11.1 Buhar tablolarından özet

Adım 2 - Denklem 2.11.1 kullanılarak suyu ısıtmak için ortalama buhar akış hızını bulun:

Adım 3 - tank malzemesini (çelik) ısıtmak için ortalama buhar akış hızını bulun. Örnek 2.9.1’den, tank malzemesi için ortalama ısı transferi hızı = Q̇(tank) = 14 kW Tank malzemesini ısıtmak için ortalama buhar akış hızı, Denklem 2.11.1 tekrar kullanılarak hesaplanır:

Adım 4 - ısınma sırasında tanktan olan ısı kayıplarını telafi etmek için ortalama buhar akış hızını bulun. Örnek 2.9.1’den:

Suyun ve tank malzemesinin sıcaklığındaki yükselişe buharın sıvı entalpisinin katkıda bulunacağını kabul etmek mantıklı olsa da, buharın sıvı entalpisinin radyasyondan kaynaklanan tanktan olan ısı kaybına nasıl katkıda bulunacağını kabul etmek daha zordur. Bu nedenle, ısı kayıpları için kullanılan buharı hesaplayan denklem (Denklem 2.11.2) yalnızca atmosfer basıncındaki buhardaki buharlaşma entalpisini dikkate alır.

Adım 5 - Buhar enjeksiyonuyla bir su tankını ısıtmak için buhar yükünü belirleyin. Toplam ortalama buhar akış hızı aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Buhar enjeksiyonu sistemlerinde son sıvı kütlesinin soğuk sıvı kütlesine eklenen buhar kütlesine eşit olduğunu hatırlamak önemlidir.

Bu örnekte, süreç 12 000 kg su ile başlamıştır. Gerekli 2 saatlik ısınma süresi boyunca buhar 569 kg/h hızla enjekte edilmiştir. Sıvının kütlesi bu nedenle 2 saat x 569 kg/h = 1 138 kg artmıştır. Sıvının son kütlesi: 12 000 kg + 1 138 kg = 13 138 kg Ek 1138 kg kondens yaklaşık 1 138 litre (1.138 m³) hacme sahiptir ve su seviyesini de artıracaktır:

Açıkça, proses tankının bu artışı karşılamak için başlangıç su seviyesinin üzerinde yeterli alana sahip olması gerekir. Güvenlik için, buhar enjeksiyonunun söz konusu olduğu durumlarda tank yapımına her zaman bir taşma dahil edilmelidir.

Alternatif olarak, proses gereksinimi 12 000 kg kütleye sahip olarak bitirmek olsaydı, sürecin başlangıcındaki su kütlesi:

Sparge borusuna daha etkili bir alternatif Şekil 2.11.3’te gösterilen buhar enjektörüdür. Enjektör soğuk sıvıyı çeker ve enjektör içinde buharla karıştırır, ısıtılmış sıvıyı tanka dağıtır.

Enjektör gövdesinin mühendislik tasarımı, basit sparge borusundan daha sofistikedir ve daha yüksek basınçlarda buharın kullanılmasına izin verir. Enjektör gövdesi içinde türbülanslı bir bölge oluşturulur ve bu, nispeten yüksek basınçlarda bile buhar ve sıvının tam karışımının gerçekleşmesini sağlar. Bu, sıvıyı karıştırma ve dolaştırma etkisine sahiptir, böylece tank boyunca sıcaklık tabakalaşması veya soğuk noktalar olmadan sabit bir sıcaklık sürdürülür.

Bu enjektörler sparge borularından daha kompakt olduğundan, tanka daldırılacak nesnelerle herhangi bir müdahaleden kaçınılabilir. Sparge borularından daha sağlam ve genellikle daha sessizdirler, ancak doğru kurulmazlarsa hala gürültü sorunları yaşanabilir.

Noises pertaining to steam injectors

When using high pressure steam injectors three distinct noise levels are produced under the following conditions:

• Normal running Where steam pressures at the injector inlet are above 2 bar g, the noise produced during normal running conditions can be described as a soft roar. Noise is caused by the condensation of steam inside the discharge tube, as it mixes with recirculating water drawn through the holes into the casting body. Under normal conditions the discharge from the injector tube is approximately 10 °C hotter than the incoming water. This type of noise increases with steam pressure, water temperature and the number of injectors, but it is rarely objectionable at steam pressures below 8 bar g. Although strong circulation of the tank contents occurs at pressures above 8 bar g, little vibration should be experienced.
• Incomplete condensation This is characterised by a soft bumping noise and is sometimes accompanied by heavy vibration. It occurs when the liquid temperature is too high (usually above 90 °C). When the liquid is too hot the injector becomes less efficient and a proportion of the steam escapes from the discharge tube. At higher steam pressures, condensation of the steam may cause vibration, which is not recommended for atmospheric tanks. However, in cylindrical pressure vessels of a robust design, this may not cause any problems.
• Low flowrates When the steam pressure at the inlet to the injector falls below 1.5 bar g, a distinctive crackling can be heard. Under these conditions steam is unable to give up its enthalpy of evaporation before it leaves the injector tube. At low flowrates the steam is travelling at a lower velocity than in the other modes of operation, and collapsing steam bubbles are found on the body casting and in the connecting pipework, inducing cavitation. This noise is often considered objectionable, and may be found if the steam injector system has been oversized. Noise may also be caused by poor installation of the injector. The sides of a rectangular tank may be made from fairly flexible panels. Connecting an injector to the middle of a flexible panel may induce vibration and noise. It may often be better to mount the injector nearer the corner of the tank where the structure is stiffer.

Example 2.11.2

Based on data from Example 2.11.1, propose a steam injection system. Required steam injection rate = 569 kg/h The steam injection pressure = 1.0 bar

Table 2.11.2 Typical steam injector capacity chart

The largest injector (IN40M) has a capacity of 400 kg/h at 1.0 bar, so this application will require:

Ideally, because of the low pressures involved, the injectors would be installed at opposite ends of the tank to give good mixing.

An alternative would be to use higher pressure steam. This would allow the use of just one, smaller injector, reducing costs and still providing good mixing.

Alternative method of calculating injected steam load

The previous method used in this Module to calculate the mean steam flowrate requires the mean heat load to be calculated first. This is depicted by Equation 2.11.1:

If the mean heat transfer rate is not known, another method can be used to determine the mean steam flowrate. This requires the use of a heat balance as described below.

It should be noted that both methods return exactly the same result, so whichever is used depends upon the user’s choice. Calculating the mean steam flowrate by means of a heat balance A heat balance is considered where the initial heat content in the water plus the heat added by the steam equals the final heat content. The heat balance equation for the water in the tank is shown in Equation 2.11.3:

Mass of steam to be injected

The mass of steam to be injected can be determined more directly from Equation 2.11.4, which is developed from Equation 2.11.3.

Example 2.11.3

Consider the same conditions as that in Example 2.11.1.

Conducting a heat balance on the water in the tank by using Equation 2.11.4:

Conducting a heat balance on the tank material

The heat losses from the sides of the tank and the water surface are the same as previously calculated, that is 24 kg/h.

This is the same result as that obtained previously in this Module from Equations 2.11.1 and 2.11.2, and proves that either method can be used to calculate the mean steam flowrate to heat the tank and its contents.