Basınçlı Deaeratörler

Kazan besleme suyundan gazların uzaklaştırılması gerekliliği ve basınçlı deaeratörün çalışması, ayrıca hesaplamalar.

Kazan besleme suyundan gazlar neden uzaklaştırılmalıdır

Oksijen, sıcak su deposu (hotwell) tanklarında, besleme hatlarında, besleme pompalarında ve kazanlarda korozyonun ana nedenidir. Karbon dioksit de mevcutsa pH düşük olacak, su asidik eğilim gösterecek ve korozyon hızı artacaktır. Tipik olarak korozyon, metal kaybı fazla olmasa bile kısa sürede derin nüfuziyet ve perforasyona yol açabilen çukurlaşma (pitting) türündedir.

Çözünmüş oksijenin ortadan kaldırılması kimyasal veya fiziksel yöntemlerle sağlanabilir, ancak daha çok her ikisinin birleşimiyle gerçekleştirilir.

Korozyonu azaltmak için temel gereksinimler, besleme suyunun pH değerini 8,5 ila 9’un altında tutmamak (karbon dioksidin bulunmadığı en düşük seviye) ve tüm oksijen izlerini uzaklaştırmaktır. Tesisten kondensin geri dönüşü, kazan besleme suyu arıtması üzerinde önemli bir etkiye sahip olacaktır - kondens sıcaktır ve zaten kimyasal olarak arıtılmıştır, bu nedenle ne kadar çok kondens geri dönerse, o kadar az besleme suyu arıtması gerekir.

Havaya maruz kalan su oksijenle doyabilir ve konsantrasyon sıcaklıkla değişir: sıcaklık ne kadar yüksekse, oksijen içeriği o kadar düşüktür.

Besleme suyu arıtmasının ilk adımı, oksijeni uzaklaştırmak için suyu ısıtmaktır. Tipik olarak bir kazan besleme tankı 85°C ila 90°C’nde çalıştırılmalıdır. Bu, yaklaşık 2 mg/litre (ppm) oksijen içeriği bırakır. Atmosferik basınçta bu sıcaklıklardan daha yüksek sıcaklıklarda çalıştırma, doyma sıcaklığına yakınlık ve besleme pompasında kavitasyon olasılığı nedeniyle zor olabilir; besleme tankı kazan besleme pompasının çok yukarısına kurulmadıkça.

Bir oksijen giderici kimyasalın (sodyum sülfat, hidrazin veya tanin) eklenmesi kalan oksijeni uzaklaştırır ve korozyonu önler.

Bu, Birleşik Krallık’taki endüstriyel kazan tesisleri için normal arıtma yöntemidir. Ancak, boyutları, özel uygulamaları veya yerel standartları nedeniyle kullanılan kimyasal miktarını azaltması veya artırması gereken tesisler mevcuttur. Kimyasal arıtma miktarını azaltması gereken tesisler için basınçlı deaeratör kullanmak yaygın bir uygulamadır.

Basınçlı deaeratörün çalışma prensipleri

Bir sıvı doyma sıcaklığındaysa, içindeki bir gazın çözünürlüğü sıfırdır; ancak sıvının tamamen deaere edildiğinden emin olmak için güçlü bir şekilde karıştırılması veya kaynatılması gerekir.

Bu, bir deaeratörün üst bölümünde, suyun mümkün olduğunca küçük damlacıklara bölünmesi ve bu damlacıkların bir buhar atmosferiyle kuşatılmasıyla gerçekleştirilir. Bu, yüksek bir yüzey alanı/kütle oranı sağlar ve buhardan suya hızlı ısı transferine olanak tanır; su hızla buhar doyma sıcaklığına ulaşır. Bu, çözünmüş gazları serbest bırakır ve fazla buharla birlikte atmosfere tahliye edilirler. (Bu gaz ve buhar karışımı doyma sıcaklığından daha düşüktür ve tahliye vanası termostatik olarak çalışır.) Deaere edilen su daha sonra kabın depolama bölümüne düşer.

Depolanan suyun üzerinde gazların tekrar absorbe edilmesini önlemek için bir buhar tabakası korunur.

Su dağıtımı

Gelen su, su yüzey alanını kütle oranına göre en üst düzeye çıkarmak için küçük damlacıklara ayrılmalıdır. Bu, su sıcaklığını yükseltmek ve deaeratör kubbesi (veya üst bölüm) içindeki çok kısa kalma süresinde gazları serbest bırakmak için gereklidir.

Suyu küçük damlacıklara bölmek, kubbenin buhar ortamı içinde kullanılan yöntemlerden biriyle gerçekleştirilebilir. Her su dağıtım türüyle ilişkili avantajlar ve dezavantajlar vardır, ayrıca maliyet etkileri de söz konusudur. Tablo 3.21.1 en önemli faktörlerin bazılarını karşılaştırır ve özetler:

Kontrol sistemleri

Su kontrolü Kabın depolama bölümündeki su seviyesini korumak için modülasyonlu bir kontrol vanası kullanılır. Modülasyonlu kontrol, sabit çalışma koşulları sağlamak için gereklidir; çünkü aç/kapa su kontrol sistemiyle nispeten soğuk suyun ani girişi basınç kontrolü üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir ve deaeratörün talep değişikliklerine hızlı yanıt verme yeteneğini etkileyebilir. Modülasyonlu kontrol gerektiğinden, kapasitans tipi bir seviye probu gerekli su seviyesi analog sinyalini sağlayabilir. Buhar kontrolü Bir modülasyonlu kontrol vanası buhar beslemesini düzenler. Bu vana, kabın içinde bir basınç korumak için bir basınç kontrolörü aracılığıyla modüle edilir. Hassas basınç kontrolü çok önemlidir çünkü deaeratördeki sıcaklık kontrolünün temelidir, bu nedenle hızlı hareket eden, pnömatik olarak çalıştırılan bir kontrol vanası kullanılacaktır. Not: Pilot çalıştırma basınç kontrol vanası daha küçük uygulamalarda kullanılabilir ve yükün yeterince sabit olacağı garantili olduğunda kendinden hareketli membran çalıştırma kontrol vanası kullanılabilir. Buhar enjeksiyonu, üst bölümün tabanında ve suyun ters yönünde (karşı akış) veya yanlardan su akışını keserek (çapraz akış) gerçekleşebilir. Buhar hangi yönden gelirse gelsin, amaç suyu gerekli sıcaklığa yükseltmek için buhar ve su akışları arasında maksimum karıştırma ve temas sağlamaktır. Buhar, deaeratör kubbesi içinde iyi bir buhar dağılımı sağlamak için bir difüzör aracılığıyla enjekte edilir. Gelen buhar ayrıca şunları sağlar:

Gazları hava tahliyesine taşıma aracı.
Deaere edilen depolanmış suyun üzerinde gerekli buhar tabakası. Deaeratör havalandırma kapasitesi Önceki Modüllerde, tipik besleme suyu sıcaklıkları yaklaşık 85°C olarak belirtilmiştir; bu, atmosferik basınçta çalışan havalandırmalı bir kazan besleme tankı için pratik bir maksimum değerdir. Ayrıca 85°C’ndeki suyun 1.000 kg su başına yaklaşık 2,3 gram oksijen içerdiği ve buhar sistemlerinde büyük hasara neden olanın oksijen olduğu bilinmektedir; bu iki ana nedenden dolayıdır. Birincisi, boruların ve cihazların iç yüzeylerine tutunarak oksitler, pas ve kireç oluşturur; ikincisi, karbon dioksit ile birleşerek genel olarak metali aşındıran ve demiri çözen karbonik asit oluşturur. Bu nedenle, kazan besleme suyunun kazana girmeden önce oksijenin uzaklaştırılması faydalıdır. Ş tipi bir kazandan doymuş buharla beslenen düşük ve orta basınçlı tesisler, atmosferik deaeratörlü (yarı deaeratör olarak adlandırılır) dikkatle tasarlanmış bir besleme tankı ile sorunsuz çalışacaktır. Kalan oksijen izleri kimyasal yollarla uzaklaştırılır ve bu, bu tür buhar tesisleri için genellikle ekonomiktir. Ancak, yüksek basınçlı su borulu kazanlar ve aşırı ısınmış buhar işleyen buhar tesisleri için, kazan suyundaki oksijen seviyesinin çok daha düşük tutulması hayati öneme sahiptir (tipik olarak milyarda yediden az - 7 ppb); çünkü çözünmüş gazlardan kaynaklanan saldırı hızı daha yüksek sıcaklıklarla birlikte hızla artar. Bu kadar düşük oksijen seviyelerine ulaşmak için basınçlı deaeratörler kullanılabilir.

Besleme suyu atmosferik bir besleme tankında 100°C doyma sıcaklığına ısıtılırsa, suda tutulan oksijen miktarı teorik olarak sıfır olacaktır; pratikte ise az miktarda oksijenin kalması muhtemeldir. Ayrıca, havalandırmalı bir besleme tankından buhar kaybının oldukça yüksek olacağı ve ekonomik olarak kabul edilemez olduğu da bir gerçektir ve bu, basınçlı deaeratörlerin tipik olarak 20 bar g üzerinde çalışan daha yüksek basınçlı tesisler için tercih edilmesinin ana nedenidir.

Basınçlı deaeratör genellikle 0,2 bar g’ye eşdeğer 105°C doyma sıcaklığında çalışacak şekilde tasarlanır ve bir miktar buhar hala kısılmış bir havalandırma aracılığıyla atmosfere kaybolacak olsa da, kayıp havalandırmalı bir besleme tankından çok daha az olacaktır.

Tahliye edilmesi gereken yalnızca oksijen değildir; diğer yoğuşmayan gazlar da aynı anda reddedilecektir. Bu nedenle deaeratör, havanın diğer bileşenlerini, başta azot olmak üzere, belirli bir miktar buharla birlikte tahliye edecektir. Bu nedenle, sudan hava reddetme hızının 1.000 kg su başına 2,3 gram oksijenden biraz daha yüksek olması gerekir. Aslında, atmosferik koşullarda 80°C’ndeki suda bulunan hava miktarı 1.000 kg su başına 5,9 gramdır. Bu nedenle, gerekli 2,3 gram oksijenin salındığından emin olmak için 1.000 kg su başına 5,9 gram hava reddedilmesi gerekir. Bu hava, su yüzeyinin üzerindeki buzdaki buharla karıştığında, deaeratörden reddedilmesinin tek yolu eşzamanlı buhar salınımıdır.

Salınması gereken buhar/hava karışımı miktarı, Dalton’un kısmi basınçlar yasasının ve Henry yasasının etkileri dikkate alınarak tahmin edilebilir.

Bir deaeratör kurulumunun fizibilitesini ele alalım. Kurulumdan önce, kazan tesisi 80°C’nde çalışan havalandırmalı bir besleme tankından besleme suyu ile beslenmektedir. Bu, her 1.000 kg besleme suyunun 5,9 gram hava içerdiği anlamına gelir. Önerilen deaeratör, 105°C doyma sıcaklığına karşılık gelen 0,2 bar g basınçta çalışacaktır.

Bu nedenle, tüm havanın deaeratördeki sudan uzaklaştırılacağını varsayalım. Buna göre, tahliye vanasının 1.000 kg besleme suyu kapasitesi başına 5,9 gram havayı reddetmesi gerekir.

Sudan salınan havanın su yüzeyinin üzerindeki buharla karıştığını göz önünde bulundurun. Deaeratör çalışma basıncı 0,2 bar g (1,2 bar a) olmasına rağmen, buhar/hava karışımının sıcaklığı yalnızca 100°C olabilir. Bu nedenle, Dalton yasasından:-

Deaeratördeki buhar alanı saf buharla dolu olsaydı, buhar basıncı 1,2 bar a olurdu. Buhar alanının gerçek sıcaklığı 100°C olduğundan, buharın neden olduğu kısmi basınç yalnızca 1,013 25 bar a’dır.

Yoğuşmayan gazların (hava) neden olduğu kısmi basınç, bu iki rakam arasındaki farktır = 1,2 - 1,013 25 = 0,186 75 bar a. Ancak:

Deşarj sıcaklığını doğru bir şekilde ölçmenin kolay bir yolu olmadığı için;
Deaeratör ve atmosferik basınç arasında yalnızca küçük bir basınç farkı olduğu için;
Tahliye hızları çok küçük olduğundan, …deaeratör tahliye borularında otomatik bir havalandırma mekanizması nadiren karşılaşılan bir durumdur; görev genellikle manuel olarak ayarlanmış bir küresel vana, iğne vana veya orifis plakası tarafından gerçekleştirilir. Ayrıca deaeratörün temel amacının gazları uzaklaştırmak olduğunu unutmamak önemlidir. Bu nedenle, bir kez ayrıldıktan sonra bu gazların mümkün olan en kısa sürede ve yeniden karışıma fırsat verilmeden önce tahliye edilmesi hayati öneme sahiptir. Teori, deaeratör kapasitesinin tonu başına 22,4 gram buhar/hava karışımı gerektiğini öne sürse de, pratikte bunu izlemek veya başarılı bir şekilde düzenlemek imkansızdır. Bu nedenle, pratik deneyime dayanarak, deaeratör üreticileri güvenli tarafta kalmak için 1.000 kg/h deaeratör kapasitesi başına 0,5 ila 2 kg buhar/hava karışımı arasında bir tahliye hızı önerme eğilimindedir. Bu konuda deaeratör üreticisinin tavsiyesinin alınması önerilir. Tahliye hızını kontrol etmenin tipik bir yolu, kısmen açık konumda sabitlenebilen uygun basınç derecelendirmesinde bir DN20 buhar görevi küresel vana kullanmaktır.

Basınçlı deaeratör için tipik çalışma parametreleri Aşağıdaki bilgiler tipik olup, herhangi bir gerçek kurulum, tesisin bireysel gereksinimlerine uygun olarak bir dizi şekilde değişebilir:

Çalışma basıncı genellikle yaklaşık 0,2 bar (3 psi) olacaktır ve bu 105°C (221°F) doyma sıcaklığı verir.
Kap, kazanın tam yükte 10 ila 20 dakikalık su depolamasını içerecektir.
Deaeratöre su besleme basıncı, nozulda iyi dağıtım sağlamak için en az 2 bar olmalıdır.
Bu, tesisteki kondenstoplarda bir ters basınç veya pompalı kondens dönüşü ihtiyacını ima eder.
Basınç kontrol vanasına buhar besleme basıncı 5 ila 10 bar aralığında olacaktır.
Deaeratördeki maksimum dönüş oranı yaklaşık 5:1 olacaktır.
Prosesden bu oranın altındaki akış hızlarında, nozul veya sprey tipi su dağıtıcılarla iyi atomizasyon sağlamak için yeterli basınç olmayabilir.
Bu, ünitede birden fazla kubbe ile aşılabilir. Kubbe toplam kapasitesi kazan kapasitesine eşit olacak, ancak bir veya daha fazla kubbe düşük talep dönemlerinde kapatılabilir.
Başlangıç koşulları için kabın depolama alanında ısıtma gerekebilir; bu bobin veya doğrudan enjeksiyon yoluyla olabilir.
Ancak, basınçlı deaeratör takılması en muhtemel tesis türü sürekli çalışma halinde olacak ve operatör, ara sıra soğuk başlangıç sırasındaki düşük performansı kabul edilebilir bulabilir. Kap tasarımı, malzemeleri, imalatı, yapısı ve sertifikasyonu tanınmış bir standarda uygun olacaktır; örneğin: Birleşik Krallık’ta standart PD 5500’dür. Deaeratördeki ısı dengesi tipik olarak (ancak her zaman değil) gelen su sıcaklığında 20°C’lik bir artışa göre hesaplanmıştır. Deaeratöre 85°C’nde su beslenmesi normaldir. Gelen su sıcaklığı bundan önemli ölçüde yüksekse, ayarlanan basıncı elde etmek için gereken buhar miktarı daha az olacaktır. Bu, buhar vanasının kısılacağı ve buhar akış hızının buhar nozulunda uygun dağılımı sağlamak için çok düşük olabileceği anlamına gelir. Bu, çok yüksek bir kondens yüzdesi geri döndüğünde, uygun deaerasyonun gerçekleşmesi için bazı alternatif eylemlerin gerekebileceğini düşündürebilir. Bu durumda, deaeratör ısı dengesi farklı parametreler kullanılarak hesaplanabilir veya deaeratör daha yüksek bir basınçta çalışabilir.

Maliyet ve gerekçelendirme

Maliyet Bir deaeratör çalıştırmakla ilişkili ek bir enerji maliyeti yoktur ve tesise ihraç edilen maksimum buhar miktarı, deaeratör olsun veya olmasın aynıdır; çünkü besleme suyu sıcaklığını artırmak için kullanılan buhar daha yüksek kazan çıkışından gelir. Ancak:

Deaeratörden bir miktar ısı kaybı olacaktır (bu, uygun yalıtım ile en aza indirilir).
Besleme tankı ile deaeratör arasındaki transfer pompasının çalıştırma maliyeti vardır.
Tahliye edilen yoğuşmayan gazlarla bir miktar buhar kaybolur. Gerekçelendirme Basınçlı deaeratör seçilmesinin başlıca nedenleri şunlardır:
Kimyasal kullanmadan oksijen seviyelerini minimuma (< milyarda 20 parça) indirmek. Bu, kazan besleme sistemindeki korozyonu ortadan kaldırır.
Kimyasallar açısından maliyet tasarrufu sağlanabilir - bu argüman, akış hızlarının yüksek olduğu ve kazan besleme suyunda düşük TDS seviyelerinin (< 1.000 ppm) korunması gereken büyük su borulu kazanlarda giderek daha geçerli hale gelir.
Kazan suyunun oksijen içeriğini kontrol etmek için eklenen kimyasalların kendileri de üfleme gerektirir. Bu nedenle kimyasal eklemeyi azaltarak/ortadan kaldırarak, üfleme hızı azaltılacak ve ilişkili maliyet tasarrufları sağlanacaktır.
Buharın ürünle doğrudan temas ettiği durumlarda kontaminasyonu önlemek için, örneğin: gıda maddeleri veya sterilizasyon amaçlı.

Deaeratör ısı dengesi

Doğru sistem tasarımını sağlamak ve buhar besleme vanasını boyutlandırmak için, deaeratörü ısıtmak için ne kadar buhar gerektiğini bilmek önemlidir. Bu buhar, besleme suyunu deaeratör kurulumundan önceki olağan sıcaklıktan, çözünmüş oksijeni gerekli seviyeye indirmek için gereken sıcaklığa ısıtmak için kullanılır. Gerekli buhar akış hızı, kütle/ısı dengesi yoluyla hesaplanır. Kütle/ısı dengesi, besleme suyundaki başlangıçtaki ısı miktarının, enjekte edilen buharın kütlesiyle eklenen ısının, besleme suyundaki son ısı miktarı artı işlem sırasında yoğunlaşan buharın kütlesine eşit olması prensibiyle çalışır. Denklem 2.11.3 bu amaçla kullanılan kütle/ısı dengesi denklemidir.