Hava Tahliye Teorisi

Havanın etkisi

Hava buharla karışır ve onunla birlikte akarsa, hava cepleri buharın yoğuştuğu ısı transfer yüzeylerinde kalacaktır. Yavaşça, ince bir tabaka Şekil 11.12.1’de gösterildiği gibi bir yalıtım battaniyesi oluşturur ve ısı transferini engeller. Hava, düşük iletkenliği nedeniyle yaygın olarak yalıtıcı olarak kullanılır (örneğin, modern pencerelerde kullanılan çift cam, sadece arasında yalıtıcı bir hava tabakası olan iki cam katmandan oluşur). Benzer şekilde, hava buhar borularından ısı kaybını azaltmak için kullanılır. Çoğu yalıtım malzemesi, fiberglas, mineral yün veya polimer tipi malzeme matrisi içinde milyonlarca mikroskobik hücresinden oluşur. Hava yalıtıcıdır ve katı malzeme sadece onu konumunda tutar. Benzer şekilde, bir ısı transfer yüzeyinin buhar tarafındaki bir hava filmi, ısı akışına direnç gösterir ve ısı transfer hızını azaltır.

Havanın termal iletkenliği 0,025 W/m °C iken, su için karşılık gelen rakam tipik olarak 0,6 W/m °C, demir için yaklaşık 75 W/m °C ve bakır için yaklaşık 390 W/m °C’dir. Yalnızca 1 mm kalınlığındaki bir hava filmi, yaklaşık 15 metre kalınlığındaki bir bakır duvar kadar ısı akışına direnç sunar! Havanın ısı eşanjörünün içinde düzgün bir film olarak bulunması olası değildir. Daha olası olan, havanın yoğunlaşan yüzeye yakın konsantrasyonunun daha yüksek ve daha uzakta daha düşük olmasıdır. Bununla birlikte, ısı akışına olan direncini göstermeye çalışırken, bunu homojen bir tabaka olarak ele almak uygundur. Hava buhara eklendiğinde, belirli bir hacimdeki karışımın ısı içeriği aynı hacimdeki saf buhardan daha düşüktür, bu nedenle karışım sıcaklığı düşer. Kısmi Basınçların Dalton Kanunu şunu belirtir: ‘Buhar ve hava karışımında, toplam basınç, her gazın toplam hacmi tek başına işgal ettiğinde uygulayacağı kısmi basınçların toplamıdır.’ Örneğin, 2 bar (mutlak) basınçta bir buhar/hava karışımının toplam basınç hacimce 3 kısım buhar ve 1 kısım havadan oluşuyorsa: Havanın kısmi basıncı = ¼ x 2 bar a = 0,5 bar a Buharın kısmi basıncı = ¾ x 2 bar a = 1,5 bar a Karışımın toplam basıncı = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar g) Basınç göstergesi 1 bar g basınç gösterecektir ve gözlemciye karşılık gelen bir sıcaklık olan 120°C ima edecektir. Ancak, karışımdaki buhar miktarından kaynaklanan kısmi basınç yalnızca 0,5 bar g’dir (1,5 bar a) ve yalnızca 112°C sıcaklık sağlar. Bu nedenle, havanın varlığı çift etkiye sahiptir:

• Tabakalaşma etkisi yoluyla ısı transferine direnç sunar.
• Buhar alanının sıcaklığını düşürerek, ısı transfer yüzeyi boyunca sıcaklık gradyanını azaltır. Genel etki, ısı transfer hızını kritik bir prosesin gerektirdiğinin altına düşürmektir ve en kötü durumlarda, gerekli nihai proses sıcaklığına ulaşılmasını bile engelleyebilir. Birçok proseste, bir üründe kimyasal veya fiziksel bir değişiklik elde etmek için minimum bir sıcaklık gerekir, tıpkı bir sterilizatörde minimum bir sıcaklığın gerekli olması gibi. Havannın varlığı özellikle sorunludur çünkü basınç göstergesinin yanıltmasına neden olur. Bundan, sıcaklığın basınçtan çıkarılamayacağı sonucu çıkar.

Sistemdeki hava

Hava, başlangıçta buhar borularında ve buhar ekipmanlarında bulunur. Sistem saf buharla doldurulmuş olsa bile, yoğuşan buhar bir vakum oluşturur ve kapatma sırasında havayı borulara çeker.

Hava, besleme suyunda çözünmüş olarak da sisteme girebilir. 80°C’de su, hacminin yaklaşık %0,6’sı kadar havayı çözebilir. Oksijenin çözünürlüğü yaklaşık olarak azotun iki katıdır, bu nedenle suda çözünen ‘hava’, atmosferik havadaki dörde bir oranının aksine, yaklaşık iki kısım azota bir kısım oksijen içerir. Karbondioksit daha yüksek çözünürlüğe sahiptir, yaklaşık olarak oksijenin 30 katı.

Kazan besleme suyu ve atmosfere maruz kalan kondens, bu gazları kolayca absorbe edebilir. Su kazanla ısıtıldığında, gazlar buharla birlikte serbest kalır ve dağıtım sistemine taşınır. Kazan ‘tamamlama’ suyu tamamen tuzdan arındırılmadığı ve gazı giderilmediği sürece, genellikle su arıtma proseslerinin kimyasal değişiminden çözünür sodyum karbonat içerir. Sodyum karbonat, kazanla bir dereceye kadar serbest bırakılabilir ve yine karbondioksit oluşur.

Daha yüksek basınçlı kazanlarda, besleme suyu genellikle kazana pompalanmadan önce bir gaz gidericiden geçirilir. En iyi gaz gidericiler, suda oksijen seviyelerini milyonda 3 parçaya (ppm) düşürebilir. Bu artık oksijen daha sonra kimyasal arıtma ile ele alınabilir. Ancak, bu miktarda oksijen, kimyasal arıtmanın göz ardı ettiği yaklaşık 6 ppm azotla birlikte olacaktır. Kazan, saatte 10.000 kg buhar üreten orta boyuttaysa, saatte yaklaşık 10.000 litre su kullanır ve bu da 60 cm³ azot üretir. Bu, sistemden uzaklaştırılmazsa, zamanla ısı transferi üzerinde önemli bir etkiye sahip olacak şekilde birikecektir.

En iyi fiziksel ve kimyasal arıtma bile, biraz işlenmemiş yoğuşturulamaz gazın buharla birlikte kazandan çıkmasına izin verecektir. Sıklıkla şüphelenilmeyen hava, buhar sistemlerinde sanılandan daha yaygındır ve hem çıkışın sınırlanmasının hem de ekipman korozyonunun nedenidir.

Hava belirtileri

1. Herhangi bir buharla ısıtılan ekipmanın çıkışında kademeli düşüş.
2. Kondensde hava kabarcıkları.
3. Korozyon. Buhar sistemlerinden havanın uzaklaştırılması en önemli konudur. Aşağıdaki sayfalar, hava tahliye vanalarının uygulanmasını tartışarak bu konuyu ele almaktadır.

Hava tahliyesi

Hava tahliyesinin en verimli yolu otomatik bir cihazla yapılandır. Buharla karışan hava, karışım sıcaklığını düşürür. Bu, bir termostatik cihazın (dengeli basınç veya bimetalik prensibe dayalı) buhar sistemini tahliye etmesini sağlar. Bir kabın buhar alanına (Şekil 11.12.3) veya bir buhar ana hattının ucuna (Şekil 11.12.4) takılan bir hava tahliye vanası, hava mevcut olduğunda açılacaktır. Maksimum hava uzaklaştırması için, tahliye mümkün olduğunca serbest olmalıdır. Tahliyeyi güvenli bir konuma taşımak için genellikle bir boru takılır; bu tercihen hava serbest bırakılmasını kısıtlayabilecek ve ayrıca korozyonu teşvik edebilecek bir kondens dönüş hattı olmamalıdır. Bir hava tahliye vanası bir kondenstopu atlayarak takıldığında (Şekil 11.12.5), hava tahliye edildikten sonra bir kondenstop gibi davranacaktır ve zaman zaman kondens tahliye edebilir. Bu gibi durumlarda, hava tahliye vanasının kondenstoptan sonra kondens hattına yeniden bağlanması gerekir.

Bir kondenstoptan kondens tahliye hattı yüksek seviyeye yükselirse, su dolu hat kondenstopu ve hava tahliye vanasına ters basınç uygular. Hava tahliye vanasının havayı tahliye etme yeteneği azalır, özellikle başlangıçta. Bu, hava tahliye vanası bir kondenstota dahil edildiğinde eşit şekilde geçerlidir. Uygulama buhar alanının şekli ve buhar girişinin konumu, havanın büyük çoğunluğunun kondens çıkışından çıkması anlamına geldiğinde, kondenstoptan ve hava tahliye vanasından gelen tahliye hatlarının yüksek seviyeye yükselmemesi tercih edilir.

Hava tahliye vanasının konumu

Bir serpantin veya kabın nispeten küçük bir kesit alanı olduğunda, buhara verilen buhar bir piston gibi davranacak ve havayı buhar girişinden uzak bir noktaya itecektir. Bu ‘uzak nokta’ genellikle hava tahliye vanası için en iyi konumdur. Şekil 11.12.6’da gösterilen şekle sahip bir buhar kullanıcısı durumunda, havanın bir kısmı, kondenstopta veya bir bypass’ta havayı işleme için yapılan provizyona bağlı olarak kondens çıkışından geçecektir. Havannın kalan kısmı, gösterildiği gibi birikerek, ısıtma yüzeyinde bir soğuk nokta oluşturabilir. Ünite eşit olarak ısınmaz ve bazı ekipmanlarda, çamaşır ütüleyicilerinin yatakları gibi, bozulmaya neden olabilir. Bir hava/buhar karışımı aynı basınçtaki saf buhardan daha yoğun olduğundan, alçak konumdaki kondenstopta hava tahliye kapasitesi sağlamak genellikle yeterlidir. Ancak, kondenstopun çalışma modu, kondensin kondenstopu girişinde bir su contası oluşturduğu ve bazen havanın kondenstota ulaşmasını engellediği anlamına gelir. Herhangi bir kondens seviyesinin üzerindeki buhar alanına bağlı otomatik bir hava tahliye vanası düşünme ihtiyacı olabilir. Genellikle, Şekil 11.12.6’daki gibi buhar alanının üst kısmına bağlamak uygun ve yeterince etkilidir. Bununla birlikte, aynı boyuta ve şekle sahip ancak farklı buhar giriş konumlarına sahip iki buhar alanı durumunda, hava tahliye vanasının konumu farklı olabilir. Şekil 11.12.7 ve Şekil 11.12.8’de, kondens kabın altından drene olur, ancak alt buhar girişiyle başlangıçta hava, üstteki uzak noktaya itilme eğiliminde olacaktır. Üstte bir hava tahliye vanası konumlandırmak en iyisi olabilirken, bir yüzer-termostatik kondenstop kabın dibinde biriken artık havayı işleyecektir.