Ş Tipi Kazanlar

Düzen, ısı ve buhar salınım hususları ile basınç ve çıkış sınırlamaları dahil farklı Ş tipi kazan türlerine genel bakış.

Ş tipi kazanlar, ısı transfer yüzeylerinin tamamının bir çelik kabın içinde bulunduğu kazanlar olarak tanımlanabilir. Ş tipi kazanlara aynı zamanda ‘ateş borulu’ veya ‘duman borulu’ kazanlar da denir; çünkü yanma ürünleri kazan borularından geçer ve bu borular çevredeki kazan suyuna ısı aktarır.

Ş tipi kazanlarda, kazan fırınından gelen ısıdan yararlı geçişlerin sayısıyla ilgili olarak birkaç farklı boru düzeni kombinasyonu kullanılır. Şekil 3.2.1a ve 3.2.1b tipik iki geçişli bir kazan konfigürasyonunu göstermektedir. Şekil 3.2.1a, sıcak gazların kazanın dış plakasında refrakter kaplı bir odacık tarafından tersine çevrildiği kuru arkalı bir kazan göstermektedir. Şekil 3.2.1b, sıcak gazların ıslak arkalı kazan konfigürasyonu yoluyla tersine çevrilmesinin daha verimli bir yöntemini göstermektedir. Ters çevirme odacığı tamamen kazanın içinde yer alır. Bu, daha fazla ısı transfer alanı sağlamanın yanı sıra, kazan suyunun fırın ısısının en yüksek olduğu noktada - odacık duvarının ucunda - ısıtılmasına olanak tanır. Yanma gazlarının ters çevirme odacığına girmeden önce düz çelik kazanlarda en az 420°C’ye ve alaşım çelik kazanlarda 470°C’ye soğutulması gerektiğini not etmek önemlidir. Bundan daha yüksek sıcaklıklar, boru uç plakalarında aşırı ısınma ve çatlamaya neden olur. Kazan tasarımcısı bunu dikkate almış olacaktır ve farklı yakıtlar düşünülüyorsa bu önemli bir noktadır. Birkaç farklı Ş tipi kazan geliştirilmiştir ve bunlar şimdi daha ayrıntılı olarak incelenecektir.

Lancashire kazanı

Sir William Fairbairn, 1844’te Trevithick’in tek bacalı Cornish kazanından Lancashire kazanını geliştirdi. Bugün hala çalışır durumda olan çok az sayıda olmasına rağmen, yaygın olarak kullanılmışlardı ve bugün kullanılan sofistike ve yüksek verimli kazanların öncüleriydiler. Lancashire kazanı, genellikle 5 - 9 m uzunluğunda büyük bir çelik kabın içinden geçen iki büyük çaplı fırın borusu olan bacalardan oluşuyordu. Her bacadaki boruların bir kısmı, kazan ısındığında genleşmeyi absorbe etmek ve basınç altında çökmeyi önlemek için olukluydu. Her bacanın girişine, kazanın ön ucuna bir fırın yerleştirilmişti. Tipik olarak, fırın kömür yakacak şekilde düzenlenmiş olup, manuel veya otomatik olarak besleniyordu. Sıcak yanma gazları, fırından büyük çaplı oluklu bacalar yoluyla geçiyordu. Sıcak baca gazlarından gelen ısı, bu bacaları çevreleyen suya aktarılıyordu. Kazan, bacalardan çıkan sıcak gazları kazanın altına ve alt kabuğuna yönlendiren, ikinci olarak kazanın yanlarından bacaya çıkmadan önce geri döndüren bir tuğla ayarında bulunuyordu. Bu iki yan kanal kazanın arkasında birleşerek bacaya besleniyordu. Bu geçişler, sıcak ürün gazları atmosfere salınmadan önce mümkün olduğunca fazla enerjiyi çıkarma girişimiydi. Daha sonra, verimlilik bir ekonomizer eklenerek artırıldı. Üçüncü geçişten sonra gaz akışı, ekonomizerden geçerek bacaya ulaşıyordu. Ekonomizer besleme suyunu ısıtıyordu ve termal verimlilikte iyileşmeye yol açıyordu. Lancashire kazanının dezavantajlarından biri, tekrarlı ısınma ve soğumayla ortaya çıkan genleşme ve büzülmenin tuğla ayarını ve kanalları bozmasıydı. Bu, fırın cereyanını bozan hava sızmasına yol açıyordu. Bu kazanlar, kullanılan büyük miktarda malzeme ve tuğla ayarını inşa etmek için gereken işçilik nedeniyle artık çok pahalıya mal olacaktı. Bu kazanların büyük boyutu ve su kapasitesi bir dizi önemli avantaja sahipti:

• Bir maden vinç motorunun çalıştırılması gibi ani büyük buhar talepleri kolayca tolere edilebilirdi; çünkü kazan basıncındaki düşüş, doyma sıcaklığındaki kazan suyundan bol miktarda flaş buhar salınmasına neden oluyordu. Bu kazanlar muhtemelen elle besleniyordu, bu nedenle kazan basıncındaki düşüşe ve daha fazla yakıt talebine yanıt yavaş olacaktı.
• Büyük su hacmi, buharlaşma hızı büyük ölçüde değişse bile, su seviyesinin değişim hızının nispeten yavaş olduğu anlamına geliyordu. Su seviyesi kontrolü yine manuel olacaktı ve operatör, istenilen su seviyesini korumak için ya giderek hareket eden buhar tahrikli besleme suyu pompasını çalıştırır ya da besleme suyu vanasını ayarlardı.
• Düşük seviye alarmı, su seviyesiyle birlikte inen ve önceden belirlenmiş bir seviyeye ulaşıldığında bir buhar düdüğünün girişini açan basit bir şamandıraydı.
• Buharlaşma hızına göre büyük su yüzey alanı, yüzeyden buharın salınma hızının (m² başına kg olarak ifade edilir) düşük olduğu anlamına geliyordu. Bu düşük hız, yüksek konsantrasyonlarda Toplam Çözünmüş Katılar (TDS) içeren su bile, buhar ve su parçacıklarının ayrılması ve tesise kuru buhar sağlanması için bol fırsat olduğu anlamına geliyordu. Kontrol sistemleri, malzemeler ve üretim teknikleri daha sofistike, güvenilir ve uygun maliyetli hale geldikçe, kazan tesislerinin tasarımı değişmiştir.

Ekonomik kazan (iki geçişli, kuru arkalı)

İki geçişli ekonomik kazan, eşdeğer bir Lancashire kazanının yaklaşık yarısı boyutundaydı ve daha yüksek termal verimliliğe sahipti. Ana yanma odaları olarak görev yapan iki büyük çaplı oluklu fırın bacası içeren silindirik bir dış kabı vardı. Sıcak baca gazları, kazanın arkasındaki iki fırın bacasından bir tuğla ayarına (kuru arkalı) doğru geçiyor ve büyük çaplı fırın bacalarının üstüne yerleştirilen bir dizi küçük çaplı boruya yönlendiriliyordu. Bu küçük çaplı borular, suya büyük bir ısıtma yüzeyi sunuyordu. Baca gazları önden kazandan çıkıyor ve onları bacaya ileten bir çekişli cereyan fanına giriyordu.

Ekonomik kazan (üç geçişli, ıslak arkalı)

Ekonomik kazanın bir başka gelişimi, bugün kullanımda standart bir konfigürasyon olan üç geçişli ıslak arkalı kazanın oluşturulmasıdır (bkz. Şekil 3.2.4). Bu tasarım, malzemeler ve üretim teknolojisi ilerledikçe evrilmiştir: daha ince metal borular tanıtılarak daha fazla boru yerleştirilmesine, ısı transfer hızlarının iyileştirilmesine ve kazanların daha kompakt hale gelmesine olanak tanınmıştır. Üç geçişli, ıslak arkalı, ekonomik kazan için tipik ısı transfer verileri Tablo 3.2.3’te gösterilmiştir.

Paketlenmiş kazan

1950’lerin başlarında, Birleşik Krallık Yakıt ve Enerji Bakanlığı kazan tesislerinin iyileştirilmesi için araştırmaları destekledi. Bu araştırmanın sonucu, üç geçişli ekonomik ıslak arkalı kazan üzerinde yapılan geliştirme çalışmasından kaynaklanan paketlenmiş kazandı. Çoğunlukla bu kazanlar kömür yerine yağ kullanacak şekilde tasarlanmıştı. Paketlenmiş kazan, brülör, seviye kontrolleri, besleme pompası ve tüm gerekli kazan donanımları ve bağlantılarıyla birlikte komple bir paket olarak geldiği için bu adla anılır. Sahanlığa teslim edildikten sonra, çalışır hale gelmesi için yalnızca buhar, su ve üfleme boru tesisatı, yakıt beslemesi ve elektrik bağlantılarının yapılması gerekir. Geliştirme, belirli bir çıkış için kazanların fiziksel boyutları üzerinde de önemli bir etkiye sahip olmuştur:

• Üreticiler, malzemelerden tasarruf etmek ve böylece ürünlerini rekabetçi tutmak için kazanları mümkün olduğunca küçük yapmak istediler.
• Verimlilik, kazanı pratik olduğu kadar küçük yaparak artırılır; kazan ne kadar küçükse ve yüzey alanı ne kadar azsa, çevreye o kadar az ısı kaybolur. Bir ölçüde, yalıtım ihtiyacının evrensel olarak fark edilmesi ve modern yalıtım malzemelerinin yüksek performansı bu sorunu azaltmaktadır.
• Tüketiciler, kazan dairesinin kapladığı zemin alanını en aza indirmek ve böylece diğer amaçlar için kullanılabilir alanı artırmak için kazanların mümkün olduğunca küçük olmasını istediler.
• Daha küçük boyutlu kazanlar (aynı buhar çıkışı için) sermaye maliyeti açısından daha düşük olma eğilimindedir. Tablo 3.2.4 bunu ve diğer faktörleri göstermektedir.

Hacimsel ısı salınımı (kW/m3)

Bu faktör, toplam ısı girişinin kazandaki su hacmine bölünmesiyle hesaplanır. Etkili bir şekilde, maksimum yük altında salınan buhar miktarını kazandaki su miktarıyla ilişkilendirir. Bu sayı ne kadar düşükse, kazandaki enerji rezervi o kadar fazladır. Modern bir kazanın Lancashire kazanına kıyasla rakamının yaklaşık sekiz kat daha büyük olduğunu ve bunun depolanan enerjide benzer miktarda bir azalmaya işaret ettiğini not edin. Bu, modern bir kazanda daha az depolanmış enerjinin mevcut olduğu anlamına gelir. Bu gelişme, kazanı korumak ve talebi karşılamak için hızlı ve uygun eylemlerle yanıt veren kontrol sistemleri sayesinde mümkün olmuştur.

Buhar salınım hızı (kg/m2s)

Bu faktör, saniyede üretilen buhar miktarının su düzleminin alanına bölünmesiyle hesaplanır. Bu sayı ne kadar düşükse, su parçacıklarının buhardan ayrılma ve kuru buhar üretme fırsatı o kadar fazladır. Modern kazanın rakamının yaklaşık üç kat daha büyük olduğuna dikkat edin. Bu, buhar ve su damlacıklarının ayrılması için daha az fırsat olduğu anlamına gelir. Bu, yüksek TDS seviyeli su ile çok daha kötü hale gelir ve verimlilik ve kuru buhar üretimi için hassas kontrol gereklidir. Hızla artan yük dönemlerinde, kazan bir basınç düşüşü yaşayacak ve bu da buharın yoğunluğunun azaldığı ve hatta daha yüksek buhar salınım hızlarının oluşacağı anlamına gelir ve giderek daha ıslak buhar kazandan ihraç edilir.

Dört geçişli kazanlar

Dört geçişli üniteler potansiyel olarak en yüksek termal verimliliğe sahiptir, ancak yakıt türü ve çalışma koşulları kullanımlarını engelleyebilir. Bu tür üniteler düşük talepte ağır fuel oil veya kömürle ateşlendiğinde, yanma gazlarından ısı transferi çok büyük olabilir. Sonuç olarak, çıkış baca gazı sıcaklığı asit çiğ noktasının altına düşebilir ve bacaların ve baca sisteminin ve hatta kazanın kendisinin korozyonuna neden olabilir. Dört geçişli kazan ünitesi ayrıca daha yüksek termal gerilimlere maruz kalır, özellikle ani büyük yük dalgalanmaları olduğunda; bunlar kazan yapısı içinde gerilim çatlaklarına veya arızalara yol açabilir. Bu nedenlerle, dört geçişli kazanlar alışılmadıktır.

Ters alev/kılıf kazan

Bu, geleneksel kazan tasarımının bir varyasyonudur. Yanma odası bir kılıf şeklindedir ve brülör merkezden ateşleme yapar. Alev, yanma odası içinde kendini ikiye katlayarak kazanın önüne gelir. Kılıfı saran duman boruları baca gazlarını kazanın arkasına ve bacasına iletir.

Ş tipi kazanların basınç ve çıkış sınırlamaları

Kazana uygulanabilecek gerilimler ulusal standartlarla sınırlandırılmıştır. Maksimum gerilim bir silindirin çevresinde meydana gelecektir. Buna ‘çember’ veya ‘çevresel’ gerilim denir. Bu gerilimin değeri Denklem 3.2.1 kullanılarak hesaplanabilir: Bundan, çember geriliminin çap arttıkça arttığı çıkarılabilir. Bunu telafi etmek için kazan üreticisi daha kalın plaka kullanacaktır. Ancak, bu daha kalın plakayı yuvarlamak daha zordur ve 32 mm’nin üzerinde plaka kalınlığı ile gerilim giderme işlemi gerekebilir. Kazan üretimindeki sorunlardan biri kabın plakasını yuvarlamaktır. Şekil 3.2.7 ve 3.2.8’de gösterildiği gibi, kazan yapımcılarının merdaneleri plakanın uçlarını kavislendiremez ve dolayısıyla düz bir bölge bırakacaktır:

• Rulman A, eğrilik yarıçapını azaltmak için aşağı ayarlanır.
• B ve C rulmanları, plakayı merdanelerden çekmek için motorludur.
• Merdaneler plakanın uçlarını kavislendiremez Plakalar birleştirilip kaynaklandığında ve kazan basınçlandırıldığında, kabın kesiti dairesel bir şekil alır. Kazan devre dışı bırakıldığında, plakalar ‘yuvarlanmış’ haline geri döner. Bu döngü, kabın kaynaklarından belirli bir uzaklıkta yorulma çatlaklarının oluşmasına neden olabilir. Bu, kazan müfettişleri için bir endişe kaynağıdır ve periyodik olarak tüm kazan yalıtımının kaldırılmasını ve ardından kazan kabı kavisinin doğruluğunu belirlemek için bir şablon kullanılmasını isteyeceklerdir. Doğal olarak, bu sorun, her gece kapatılan ve ertesi sabah yeniden ateşlenen gibi çok fazla döngü yaşayan kazanlarda daha fazla endişe kaynağıdır.

Basınç sınırlaması

Fırın borularından ısı iletimi iletim yoluyladır. Kalın plakanın ince plaka kadar hızlı ısı iletmemesi doğaldır. Daha kalın plaka aynı zamanda daha fazla kuvvete dayanabilir. Bu, alev sıcaklığının 1.800°C’ye kadar çıkabildiği fırın borularında özellikle önemlidir ve şu denge sağlanmalıdır:

• Kazan basıncından kaynaklanan kuvvetlere dayanacak yapısal dayanıma sahip daha kalın plaka.
• Isıyı daha hızlı iletebilen daha ince plaka. Plaka kalınlığını yapısal dayanıma bağlayan denklem Denklem 3.2.1’dir: Denklem 3.2.1, plaka kalınlığı azaldıkça, aynı kazan basıncı için gerilimin arttığını gösterir. Plaka kalınlığını ısı transferine bağlayan denklem Denklem 2.5.1’dir: Denklem 2.5.1, plaka kalınlığı azaldıkça, ısı transferinin arttığını gösterir. Her iki denklemi plaka kalınlığını yansıtacak şekilde dönüştürerek: Herhangi bir kazan için, ısı transfer hızı (q_dot - body text.jpg) artırılırsa, izin verilen maksimum kazan basıncı düşürülür. 18 mm ila 20 mm arasında bir fırın borusu duvar kalınlığı ile bir uzlaşmaya varılır. Bu, Ş tipi kazanlar için yaklaşık 27 bar’lık pratik bir basınç sınırına dönüşür.

Çıkış sınırlaması

Ş tipi kazanlar, tüm yardımcı ekipmanın sabitlendiği paketlenmiş üniteler olarak üretilir. Üretimden sonra, paketlenmiş kazan sahaya taşınmalıdır ve Birleşik Krallık’ta karayoluyla taşınabilen en büyük kazan yaklaşık 27.000 kg/h çıkışa sahiptir. 27.000 kg/h’den fazlası gerekiyorsa, çoklu kazan kurulumları kullanılır. Ancak, bu daha iyi tedarik güvenliği ve geliştirilmiş tesis dönüş oranı avantajı sağlar.

Özet

Bugünün yüksek verimli ve duyarlı Ş tipi kazanı, 150 yılı aşkın bir gelişimin sonucudur:

• Kazan ve brülör tasarımı.
• Malzeme bilimi.
• Kazan üretim teknikleri.
• Kontrol sistemleri. Başarılı ve verimli çalışmasını garanti etmek için kullanıcı şunları yapmalıdır:
• Tesisin koşullarını, ortamını ve talep özelliklerini bilmek ve bu koşulları kazan üreticisine doğru şekilde belirtmek.
• İyi çalışmayı ve bakımı teşvik eden bir kazan dairesi düzeni ve kurulum sağlamak.
• Kazanın güvenli ve verimli çalışmasına olanak tanıyan kontrol sistemleri seçmek.
• Kazanın gerekli basınçlarda ve akış hızlarında tesise kuru buhar sağlamasına destek olacak kontrol sistemleri seçmek.
• Kullanılacak yakıtı belirlemek ve gerekirse yakıt rezervinin nerede ve nasıl güvenli bir şekilde depolanacağını planlamak. Ş tipi kazanların avantajları:
• Tüm tesis, tam bir paket olarak satın alınabilir; temel bir temele sabitlenmesi, su, elektrik, yakıt ve buhar sistemlerine bağlanması ve devreye alınması yeterlidir. Bu, kurulum maliyetlerinin en aza indirildiği anlamına gelir.
• Bu paket düzenleme aynı zamanda paketlenmiş bir Ş tipi kazanın taşınmasının kolay olduğu anlamına gelir.
• Bir Ş tipi kazan, doyma sıcaklığında önemli miktarda su içerir ve dolayısıyla kısa vadeli, hızlı uygulanan yüklerle başa çıkmak için başvurulabilecek önemli miktarda depolanmış enerjiye sahiptir. Bu aynı zamanda bir dezavantaj olabilir; çünkü depolanan sudaki enerji kullanıldığında, rezervin yeniden oluşturulması biraz zaman alabilir.
• Bir Ş tipi kazanın yapısı genellikle basittir, bu da bakımın kolay olduğu anlamına gelir.
• Ş tipi kazanlar genellikle bir fırın borusu ve brülöre sahiptir. Bu, kontrol sistemlerinin oldukça basit olduğu anlamına gelir.
• Ş tipi kazanlar 27 bar’a kadar çalışacak şekilde tasarlanabilir ve üretilebilir olsa da, çoğu 17 bar veya altında çalışır. Bu nispeten düşük basınç, ilişkili yardımcı ekipmanın rekabetçi fiyatlarla kolayca bulunabilir olduğu anlamına gelir. Ş tipi kazanların dezavantajları: Paket prensibi, bir Ş tipi kazanın maksimum çıkışının yaklaşık 27.000 kg/h olduğu anlamına gelir. Daha fazla buhar gerekiyorsa, birkaç kazanın birbirine bağlanması gerekir. Ş tipi kazanların yapımında kullanılan büyük çaplı silindirler, çalışma basıncını yaklaşık 27 bar ile etkin bir şekilde sınırlar. Daha yüksek basınçlar gerekiyorsa, su borulu bir kazan gereklidir.