Buhar Kalitesi

Buhar, kullanım noktasında doğru miktarda, doğru basınçta, temiz, kuru ve hava ile diğer yoğuşmayan gazlardan arınmış olarak bulunmalıdır. Bu eğitim bunun neden gerekli olduğunu ve buhar kalitesinin nasıl sağlandığını açıklar.

Doğru buhar miktarı

Herhangi bir ısıtma prosesi için, yeterli bir ısı akışının sağlanması amacıyla doğru miktarda buhar bulunmalıdır. Benzer şekilde, ürün bozulması veya üretim hızı düşüşü olmaması için doğru akış hızı da sağlanmalıdır. Buhar yükleri düzgün hesaplanmalı ve borular istenen akış hızlarını elde etmek için doğru boyutlandırılmalıdır.

Doğru buhar basıncı ve sıcaklığı

Buhar, kullanım noktasına gerekli basınçta ulaşmalı ve her uygulama için istenen sıcaklığı sağlamalıdır, aksi takdirde performans etkilenecektir. Boru tesisatı ve boru hattı yardımcılarının doğru boyutlandırılması bunun sağlanmasını garanti edecektir. Ancak, manometre istenen basıncı doğru bir şekilde gösterse bile, buhar hava ve/veya yoğuşmayan gazlar içeriyorsa karşılık gelen doyma sıcaklığı mevcut olmayabilir.

Hava ve diğer yoğuşmayan gazlar

Başlangıçta buhar besleme hatlarında ve ekipmanda hava mevcuttur. Sistem bir önceki kullanımda saf buharla doldurulmuş olsa bile, buhar kapanışta yoğuşur ve hava oluşan vakum tarafından çekilir. Buhar sisteme girdiğinde, havayı drenaj noktasına veya buhar girişinden en uzak nokta olan uzak noktaya doğru itecektir. Bu nedenle, yeterli hava tahliye kapasitelerine sahip buhar konaanstoptlar bu drenaj noktalarına takılmalı ve otomatik hava tahliye vanaları tüm uzak noktalara takılmalıdır. Ancak, herhangi bir türbülans varsa buhar ve hava karışacak ve hava ısı transfer yüzeyine taşınacaktır. Buhar yoğuşurken, ısı transferine bir bariyer olarak işlev gören bir hava yalıtım tabakası yüzeyde kalır.

Buhar ve hava karışımları

Hava ve buhar karışımında, havanın varlığı sıcaklığın beklenenden daha düşük olmasına neden olacaktır. Gaz karışımının toplam basıncı, karışımdaki bileşenlerin kısmi basınçlarının toplamından oluşur. Bu, Kısmi Basınçlar Kanunu (Dalton Kanunu) olarak bilinir. Kısmi basınç, her bir bileşenin karışımınkiyle aynı hacmi kaplaması durumunda uyguladığı basıncı ifade eder:

Not: Bu bir termodinamik ilişkidir, bu nedenle tüm basınçlar bar a cinsinden ifade edilmelidir.

Örnek 2.4.1

Hacimce ¾ buhar ve ¼ havadan oluşan bir buhar/hava karışımını düşünün. Toplam basınç 4 bar a’dır.

Bu nedenle buhar, görünür basıncı 4 bar a olmasına rağmen sadece 3 bar a etkin basınca sahiptir. Karışım beklenen 144 °C doyma sıcaklığı yerine yalnızca 134 °C sıcaklığa sahip olacaktır.

Bu olgu sadece ısı eşanjörü uygulamalarında (ısı transferi hızının sıcaklık farkı artışıyla birlikte arttığı) değil, aynı zamanda bir üründe kimyasal veya fiziksel değişiklik elde etmek için minimum sıcaklığın gerekebileceği proses uygulamalarında da önemlidir. Örneğin, bir sterilizatörde bakterileri öldürmek için minimum sıcaklık zorunludur.

Buhar ve kondens döngüsündeki diğer hava kaynakları

Hava, çözelti halinde kazan besleme suyu ile birlikte sisteme de girebilir. Atmosfere maruz kalan takviye suyu ve kondens, atmosferik havanın ana bileşenleri olan azot, oksijen ve karbondioksiti kolayca emecektir. Su kazanda ısıtıldığında, bu gazlar buharla birlikte serbest kalır ve dağıtım sistemine taşınır. Atmosferik hava hacim analizine göre %78 azot, %21 oksijen ve %0,03 karbondioksit içerir. Ancak, oksijenin çözünürlüğü yaklaşık olarak azotun iki katıyken, karbondioksitin çözünürlüğü oksijeninkinden yaklaşık 30 kat daha fazladır! Bu, kazan besleme suyunda çözünmüş ‘havanın’ çok daha büyük oranlarda karbondioksit ve oksijen içereceği anlamına gelir: her ikisi de kazanda ve boru tesisatında korozyona neden olur. Besleme tankının sıcaklığı, çözünmüş bu gazların sıcaklık artışıyla azalan çözünürlüğü nedeniyle atmosfere geri salınabilmeleri için tipik olarak 80 °C’den düşük olmayan bir sıcaklıkta tutulur.

Çözünmüş karbondioksit konsantrasyonu, harici su arıtma aşamasında takviye suyunun demineralizasyonu ve deaerasyonu ile de minimumda tutulur. Sudaki çözünmüş gaz konsantrasyonu Henry Yasası kullanılarak belirlenebilir. Bu, belirli bir sıvı hacmi tarafından çözülebilen gaz kütlesinin gazın kısmi basıncıyla doğru orantılı olduğunu belirtir. Ancak bu, sıcaklık sabitse ve sıvı ile gaz arasında kimyasal reaksiyon yoksa geçerlidir.

Buharın temizliği

Boru duvarlarında bulunan pul tabakaları, eski buhar sistemlerinde pas oluşumundan veya sert su bölgelerinde karbonat birikintisinden kaynaklanabilir. Buhar besleme hattında bulunabilecek diğer kir türleri, boru tesisatı ilk kurulduğunda sistemde kalmış olabilen kaynak cürufu ve kötü uygulanmış veya fazla conta malzemesini içerir. Bu parçacıklar, boru dirseklerinde ve buhar konaanstoptları ile vanaların küçük ağızlarında aşınma oranını artıracaktır. Bu nedenle, iyi bir mühendislik uygulaması olarak Şekil 2.4.2’de gösterildiği gibi bir boru hattı filtresi takılmalıdır. Bu, her buhar konaanstoptunun, akışölçerin, basınç düşürücü vananın ve kontrol vanasının yukarı akışına kurulmalıdır.

Buhar A girişinden delikli ekran B’ye doğru akar ve C çıkışına ulaşır. Buhar ve su ekranı kolayca geçerken, kir tutulacaktır. D kapağı çıkarılabilir ve ekranın çekilip düzenli aralıklarla temizlenmesine olanak tanır.

Buhar hatlarına filtre takıldığında, kondens birikintisi ve su darbesi sorununu önlemek için yan yana monte edilmelidir. Bu yönelim aynı zamanda maksimum filtre ekran alanını akışa maruz bırakacaktır. Isı transfer yüzeyinde de ısı transferine ek bir bariyer olarak işlev gören bir pul tabakası bulunabilir. Pul tabakaları genellikle şunlardan birinin sonucudur:

• Kazan işletme hatası, safsızlıkların kazanda su damlacıklarıyla taşınmasına neden olur.
• Kazan dairesinde yanlış su arıtması. Bu tabakanın birikme hızı, kazan çalışmasına dikkat edilerek ve nem damlacıkları uzaklaştırılarak azaltılabilir.

Buharın kuruluğu

Yanlış kimyasal besleme suyu arıtması ve pik yük dönemleri, primerleme ve kazan besleme suyunun buhar ana hatlarına taşınmasına neden olabilir ve bu da kimyasal ve diğer malzemenin ısı transfer yüzeylerine birikmesine yol açar. Bu birikintiler zaman içinde birikerek tesisin verimliliğini kademeli olarak azaltacaktır. Buna ek olarak, buhar kazandan çıkarken boru duvarlarından olan ısı kaybı nedeniyle bir kısmının yoğuşması gerekir. Bu borular iyi yalıtılmış olsa bile, bu süreç tamamen ortadan kaldırılamaz. Genel sonuç, tesise ulaşan buharın nispeten ıslak olmasıdır ve buharla taşınan nem damlacıkları, özellikle hızlar yüksekse boruları, fittings ve vanaları aşındırabilir. Buhardaki su damlacıklarının gerçek buharlaşma entalpisini azalttığı ve ayrıca boru duvarlarında ve ısı transfer yüzeyinde pul oluşumuna yol açtığı daha önce gösterilmiştir. Buharın içindeki su damlacıkları, buhar yoğuştuğu zaman oluşan suyun dirençli filmine de katkıda bulunarak ısı transferi süreci için başka bir bariyer oluşturur. Buhar hattındaki bir separatör, buhar akışında taşınan nem damlacıklarını ve ayrıca borunun dibine çökmüş kondensi uzaklaştıracaktır. Şekil 2.4.3’te gösterilen separatörde, buhar gövdeden akarken yönünü birkaç kez değiştirmeye zorlanır. Bölmeler daha ağır su damlacıkları için bir engel oluştururken, daha hafif kuru buharın separatörden serbestçe geçmesine izin verilir. Nem damlacıkları bölmelerin altına akar ve bir buhar konaanstoptuna separatörün alt bağlantısından boşaltılır. Bu, kondensin sistemden tahliye edilmesine izin verecek ancak herhangi bir buharın geçmesine izin vermeyecektir.

Su Darbesi

Buhar, borudaki ısı kayıpları nedeniyle yoğuşmaya başladığında, kondens duvarların iç tarafında damlacıklar oluşturur. Buhar akışında sürüklenirken, bir film halinde birleşirler. Daha sonra kondens, filmin kalınlaşmaya başladığı borunun dibine doğru çökelir. Buhar boru hattı boyunca kondens damlacıklarının birikmesi, sonunda Şekil 2.4.4’te gösterildiği gibi bir su tıkacı oluşturabilir ve bu tıkaç boru hattı boyunca buhar hızında (25 - 30 m/s) taşınacaktır.

Bu su tıkacı yoğundur ve sıkıştırılamaz ve yüksek hızda hareket ederken önemli miktarda kinetik enerjiye sahiptir.

Termodinamik yasaları, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, sadece farklı bir forma dönüştürüleceğini belirtir. Engellendiğinde, muhtemelen borudaki bir dirsek veya ‘T’ parçası tarafından, suyun kinetik enerjisi basınç enerjisine dönüşür ve engelleyiciye bir basınç şoku uygulanır. Kondens de düşük noktalarda toplanacak ve kondens tıkaçları buhar akışı tarafından sürüklenerek vanalara ve boru fittingslerine doğru ileriye doğru fırlatılabilir.

Bu düşük noktalar, yetersiz boru desteği veya kırık bir boru askısı nedeniyle olabilen sarkmış bir ana hattı içerebilir. Su darbesinin diğer potansiyel kaynakları, konsantrik redüktörlerin ve filtrelerin yanlış kullanımı veya buhar ana hattındaki bir yükselişten önce yetersiz drenajı içerir. Bunlardan bazıları Şekil 2.4.5’te gösterilmiştir. Su tıkacının engelleyici arasındaki çarpışmanın neden olduğu gürültü ve titreşim su darbesi olarak bilinir. Su darbesi, boru hattı yardımcılarının ömrünü önemli ölçüde azaltabilir. Şiddetli durumlarda fittings neredeyse patlayıcı bir etkiyle kırılabilir. Sonuç, kırık noktasından canlı buhar kaybı olabilir ve tehlikeli bir durum yaratabilir. Buhar boru tesisatının kurulumu Blok 10, Buhar Dağıtımı’nda ayrıntılı olarak ele alınmaktadır.