Buhar Tüketimi Tahmin Yöntemleri

Akış ve akışsız uygulamalar için buhar gereksinimlerinin nasıl hesaplanacağı. Isınma, ısı kayıpları ve çalışma yükleri dahil.

Bir buhar sistemi için optimum tasarım büyük ölçüde buhar tüketim hızının doğru bir şekilde belirlenip belirlenmediğine bağlı olacaktır. Bu, boru boyutlarının hesaplanmasına olanak tanırken, kontrol vanaları ve buhar konaanstoptları gibi yardımcı ekipmanlar en iyi sonuçları verecek şekilde boyutlandırılabilir. Tesisin buhar talebi bir dizi farklı yöntem kullanılarak belirlenebilir: Hesaplama

Bir tesis ekipmanının ısı transferi denklemlerini kullanarak ısı çıkışını analiz ederek, buhar tüketimi için bir tahmin elde etmek mümkün olabilir. Isı transferi kesin bir bilim olmasa da ve birçok bilinmeyen değişken olabilir, benzer uygulamalardan önceki deneysel verileri kullanmak mümkündür. Bu yöntem kullanılarak elde edilen sonuçlar genellikle çoğu amaç için yeterince doğrudur. Ölçüm

Buhar tüketimi, akışölçerleme ekipmanı kullanılarak doğrudan ölçümle belirlenebilir. Bu, mevcut bir tesis için buhar tüketimi hakkında nispeten doğru veriler sağlayacaktır. Ancak, hâlâ tasarım aşamasında olan veya çalışır durumda olmayan bir tesis için bu yöntem çok işe yaramaz. Termal kapasite

Termal kapasite (veya tasarım kapasitesi), üreticiler tarafından sağlandığı gibi, bireysel bir tesis ekipmanının plakasında sıklıkla görüntülenir. Bu kapasiteler genellikle beklenen ısı çıkışını kW olarak ifade eder, ancak kg/h olarak gerekli buhar tüketimi önerilen buhar basıncına bağlı olacaktır. Beklenen ısı çıkışını değiştirebilecek herhangi bir parametredeki değişiklik, termal (tasarım) kapasitesi ile bağlı yükün (gerçek buhar tüketimi) aynı olmayacağı anlamına gelir. Üreticinin kapasitesi, bir ekipmanın ideal kapasitesinin bir göstergesidir ve bağlı yükle eşit olmak zorunda değildir.

Çoğu durumda, buhardaki ısı iki şeyi yapmak için gereklidir:

1. Üründe bir sıcaklık değişikliği yaratmak, yani bir ‘ısıtma’ bileşeni sağlamak
2. Ürün sıcaklığını doğal nedenlerle veya tasarımla ısı kaybedildiğinde korumak, yani bir ‘kayıp’ bileşeni sağlamak. Herhangi bir ısıtma sürecinde, ‘ısıtma’ bileşeni ürün sıcaklığı yükseldikçe azalır ve ısıtma bobini ile ürün arasındaki diferansiyel sıcaklık düşer. Ancak, ısı kaybı bileşeni ürün sıcaklığı yükseldikçe ve kaptan veya boru hattından çevreye daha fazla ısı kaybedildikçe artar. Herhangi bir zamandaki toplam ısı talebi bu iki bileşenin toplamıdır. Bir maddenin sıcaklığını yükseltmek için gereken ısı miktarını belirlemek için kullanılan denklem (Denklem 2.1.4, modül 2’den), çeşitli ısı transferi süreçlerine uygulanacak şekilde geliştirilebilir.

Orijinal formunda bu denklem, tüm süreç boyunca toplam ısı enerjisi miktarını belirlemek için kullanılabilir. Ancak, mevcut formunda ısı transferi hızını hesaba katmaz. Isı transferi hızlarını belirlemek için, çeşitli ısı alışverişi uygulama türleri iki geniş kategoriye ayrılabilir: Akışsız tip uygulamalar

burada ısıtılan ürün sabit bir kütle ve bir kabın sınırları içinde tek bir partidir. Akış tipi uygulamalar

burada ısıtılan bir akışkan sürekli olarak ısı transferi yüzeyi üzerinde akar.

Akışsız tip uygulamalarda proses akışkanı, bir kabın sınırları içinde tek bir parti olarak tutulur. Kabın içinde bulunan bir buhar bobini veya kabın etrafındaki bir buhar ceketi, ısıtma yüzeyini oluşturabilir. Tipik örnekler arasında Şekil 2.6.1’de gösterildiği gibi sıcak su depolama kaloriferleri ve pompalanabilmesi için ısı gerektiren viskoz bir yağla doldurulmuş büyük dairesel çelik tanklar olan yağ depolama tankları yer alır. Bazı süreçler katıların ısıtılmasıyla ilgilidir; tipik örnekler arasında lastik presleri, çamaşır ütüler, vulkanizatörler ve otoklavlar yer alır.

Bazı akışsız tip uygulamalarda, proses ısınma süresi önemsizdir ve göz ardı edilir. Ancak, tanklar ve vulkanizatörler gibi diğerlerinde, sadece önemli değil, aynı zamanda genel süreç için kritik olabilir.

Aynı ısı enerjisi miktarını gerektiren ancak ısınmak için farklı süreler gerektiren iki akışsız ısıtma sürecini ele alalım. Isı transferi hızları farklı olurken, toplam transfer edilen ısı miktarları aynı olurdu.

Bu tür uygulamalar için ortalama ısı transferi hızı, Denklem 2.1.4’ün Denklem 2.6.1’e değiştirilmesiyle elde edilebilir:

Örnek 2.6.1

Bir akışsız uygulamada ortalama ısı transferi hızının hesaplanması. Bir miktar yağ, 10 dakika (600 saniye) içinde 35 °C’den 120 °C’ye ısıtılmaktadır. Yağın hacmi 35 litre, özgül ağırlığı 0,9 ve o sıcaklık aralığında özgül ısı kapasitesi 1,9 kJ/kg °C’dir. Gerekli ısı transferi hızını belirleyin: Standart Sıcaklık ve Basınçta (STP) suyun yoğunluğu 1 000 kg/m³ olduğundan

Denklem 2.6.1, ısıtılan madde katı, sıvı veya gaz olsun uygulanabilir.

Ancak, faz değişikliği olduğunda ısı transferini hesaba katmaz. Buharın yoğunlaşmasıyla sağlanan ısı miktarı Denklem 2.6.2 ile belirlenebilir:

Bu nedenle, Denklem 2.6.3 ile buhar tüketiminin ısı transferi hızından belirlenebileceği ve tersi de geçerlidir.

Bu aşamada ısı transferinin %100 verimli olduğu varsayılırsa, buharın sağladığı ısı, ısıtılacak akışkanın ısı talebine eşit olmalıdır. Bu daha sonra, sağlanan ve gereken ısı enerjisinin eşitlendiği bir ısı dengesi oluşturmak için kullanılabilir:

Örnek 2.6.2

400 kg gazyağı içeren bir tank, 4 bar g buhar kullanılarak 20 dakika (1 200 saniye) içinde 10 °C’den 40 °C’ye ısıtılacaktır. Gazyağının o sıcaklık aralığında özgül ısı kapasitesi 2.0 kJ/kg °C’dir. 4.0 bar g’de hfg 2 108.1 kJ/kg’dır. Tank iyi yalıtılmıştır ve ısı kayıpları ihmal edilebilir.

Bazı akışsız tip uygulamalarda, parti sürecinin uzunluğu kritik olmayabilir ve daha uzun bir ısınma süresi kabul edilebilir olabilir. Bu, anlık buhar tüketimini ve gerekli tesis ekipmanının boyutunu azaltacaktır.

Tipik örnekler arasında Şekil 2.6.2’de görülen gövde ve tüp ısı eşanjörleri (aynı zamanda depolamasız kaloriferler olarak da adlandırılır) ve ısıtma sistemlerine veya endüstriyel süreçlere sıcak su sağlayan plaka ısı eşanjörleri yer alır. Bir diğer örnek, buharın sürekli olarak geçen havaya ısısını bıraktığı bir hava ısıtıcı bataryasıdır.

Şekil 2.6.3, sabit bir ikincil akışkan akış hızına sahip bir ısı eşanjöründeki tipik bir sıcaklık profili sağlar. Yoğunlaşma sıcaklığı (TS) ısı eşanjörü boyunca sabit kalır.

Akışkan, giriş vanasındaki T1’den ısı eşanjörünün çıkışındaki TS’ye ısıtılır.

Sabit bir ikincil akış hızı için, gerekli ısı yükü (Q̇) ürün sıcaklık artışıyla (ΔT) orantılıdır. Denklem 2.6.1 kullanılarak:

Ortalama buhar tüketimi

Bir proses ısı eşanjörü veya ısıtma kaloriferi gibi bir akış tipi uygulamanın ortalama buhar tüketimi, Denklem 2.6.7’de gösterildiği gibi Denklem 2.6.6’dan belirlenebilir.

Ancak ortalama ısı transferinin kendisi kütle akışından, özgül ısından ve sıcaklık artışından hesaplandığından, Denklem 2.6.7’yi kullanmak daha kolaydır.

Örnek 2.6.3

3 bar g’de kuru doygun buhar, 1,5 l/s sabit hızda akan suyu 10°C’den 60°C’ye ısıtmak için kullanılır. 3 bar g’de hfg 2 133.4 kJ/kg ve suyun özgül ısısı 4.19 kJ/kg °C’dir Denklem 2.6.7’den buhar akış hızını belirleyin: 1 litre suyun kütlesi 1 kg olduğundan, kütle akış hızı = 1,5 kg/s

Başlangıçta, giriş sıcaklığı T1, tam çalışma yükünde beklenen giriş sıcaklığından daha düşük olabilir ve bu daha yüksek bir ısı talebine neden olur. Isınma süresi süreç için önemliyse, ısı eşanjörünün bu artan ısı talebini sağlayacak şekilde boyutlandırılması gerekir. Ancak, akış tipi tasarım hesaplamalarında ısınma yükleri genellikle göz ardı edilir, çünkü başlatmalar genellikle sık değildir ve tasarım koşullarına ulaşmak için geçen süre çok önemli değildir. Bu nedenle ısı eşanjörünün ısıtma yüzeyi genellikle çalışma yükü koşullarına göre boyutlandırılır.

Akış tipi uygulamalarda, sistemden olan ısı kayıpları ısıtma gereksiniminden önemli ölçüde daha az olma eğilimindedir ve genellikle göz ardı edilir. Ancak, ısı kayıpları büyükse, ısıtma yüzey alanı hesaplanırken ortalama ısı kaybı (çoğunlukla dağıtım boru hattından) dahil edilmelidir.

Isınma ve ısı kaybı bileşenleri

Herhangi bir ısıtma sürecinde, ısınma bileşeni ürün sıcaklığı yükseldikçe azalır ve ısıtma bobini boyunca diferansiyel sıcaklık düşer. Ancak, ısı kaybı bileşeni ürün ve kap sıcaklıkları yükseldikçe ve kaptan veya boru hattından çevreye daha fazla ısı kaybedildikçe artar. Herhangi bir zamandaki toplam ısı talebi bu iki bileşenin toplamıdır. Isıtma yüzeyi yalnızca ısınma bileşeni dikkate alınarak boyutlandırılırsa, sürecin beklenen sıcaklığına ulaşması için yeterli ısı olmayabilir. Her iki bileşenin ortalama değerlerinin toplamına göre boyutlandırılan ısıtma elemanı, normalde uygulamanın genel ısı talebini karşılayabilmelidir. Bazen, örneğin çok büyük toplu yağ depolama tanklarında, tutma sıcaklığını gerekli pompalama sıcaklığından daha düşük tutmak mantıklı olabilir, çünkü bu tank yüzey alanından olan ısı kayıplarını azaltacaktır. Şekil 2.6.4’te gösterildiği gibi bir çıkış ısıtıcısı gibi başka bir ısıtma yöntemi de kullanılabilir.

Isıtma elemanları, tanka uzanan ve yalnızca yakın çevredeki yağın çekilip pompalama sıcaklığına ısıtılacak şekilde tasarlanmış bir metal kılıf içine yerleştirilmiştir. Bu nedenle ısı, yalnızca yağ çekildiğinde talep edilir ve tank sıcaklığı düşürüldüğü için yalıtım genellikle ortadan kaldırılabilir. Çıkış ısıtıcısının boyutu, toplu yağın sıcaklığına, pompalama sıcaklığına ve pompalama hızına bağlı olacaktır.

Açık tepeli proses tanklarına malzeme eklenmesi de termal talebi artıracak bir ısı kaybı bileşeni olarak değerlendirilebilir. Bu malzemeler daldırıldığında bir ısı lavabo gibi davranacak ve ısıtma yüzey alanı boyutlandırılırken dikkate alınmaları gerekir. Uygulama ne olursa olsun, ısı transferi yüzeyinin hesaplanması gerektiğinde, ilk olarak toplam ortalama ısı transferi hızını değerlendirmek gerekir. Bundan, tam yük ve başlatma için ısı talebi ve buhar yükü belirlenebilir. Bu, kontrol vanasının boyutunun bu iki koşuldan herhangi birine göre ayarlanmasına izin verecektir.