Buhar Akümülatörleri

Belirli endüstürlerde pik yük taleplerini karşılamak için buhar depolama ihtiyacının tam bir özeti dahil olmak üzere bir buhar akümülatörünün tasarımı, yapısı ve çalışması, ayrıca hesaplamalar.

Buhar akümülatörünün amacı, talep kazanın o anki kapasitesini aştığında buharı serbest bırakmak ve talep düşük olduğunda buharı kabul etmektir. Buhar akümülatörleri bazen modern endüstride az uygulama alanı olan ‘buhar çağı’ndan kalma kalıntılar olarak düşünülür.

Kazan tasarımı

Çağdaş kazanlar, yalnızca 30 yıl önceki muadillerinden önemli ölçüde daha küçüktür. Kazan boyutundaki bu küçülme, kullanıcıların kazanlardan şunları talep etmesiyle gerçekleşmiştir:

Yakıt girdisinden buhar çıkışına kadar daha verimli.
Talep değişikliklerine daha duyarlı.
Daha küçük ve daha az zemin alanı kaplayacak.
Satın alması ve kurulumu daha ucuz. Bu hedefler, günümüzün daha sofistike kontrol/brülör sistemleriyle kısmen karşılanmıştır; bunlar talep değişikliklerine geçmiş yıllardakinden daha hızlı ve daha doğru yanıt verir. Ancak, bir kazanın talep değişikliklerine yanıtı doğa yasalarından da etkilenir; örneğin: ne kadar suyun ısıtılacağı ve brülör alevinden suya ısı transferi için mevcut olan ısı transfer alanı. Yanıt süreleri, belirli bir çıkış için kazanın dış boyutlarının fiziksel olarak küçültülmesi ve ısı transfer alanını artırmak için içlerinin borularla doldurulmasıyla iyileştirilmiştir. Bu, modern kazanın daha az su tuttuğu ve su kilogramı başına ısı transfer alanının daha büyük olduğu anlamına gelir. Bugünkü durumu ele alalım:

Tesisten buhar talebi artar ve kazandaki basınç brülör kontrol ayar noktasına düşer.
Brülör kontrolörü yanma odasını temizler ve brülör ateşlenir.
Büyük ısı transfer alanı ve daha düşük su kütlesi, buhar talebini karşılamak için kazandaki suyu hızla buharlaştırmak için birleşir. Modül 3.7 ‘Kazan Donanım ve Aksesuarları’nda ele alındığı gibi, bir kazanda depolanan enerji doyma sıcaklığındaki suda tutulur. Bir kazanın içindeki su miktarı ne kadar fazlaysa, talep/yük değişiklikleriyle başa çıkmak için depolanan enerji o kadar fazladır. Tablo 3.22.1, 1950’lerin eski bir Lancashire kazanını modern bir paketlenmiş kazanla karşılaştırmaktadır. Modern paketlenmiş kazanın, benzer kapasiteli bir Lancashire kazanında tutulan suyun yalnızca %20’sini içerdiğine dikkat edin. Bundan, modern paketlenmiş kazanda tutulan enerji rezervinin Lancashire kazanının yalnızca %20’si olduğu sonucu çıkar. Bu, modern paketlenmiş kazanın eski bir Lancashire kazanının yapabildiği şekilde pik taleplerle başa çıkamayacağını düşündürür. Ayrıca Tablo 3.22.1’den, modern paketlenmiş kazanın içindeki suyun yüzeyinden ‘buhar salınım hızı’nın 2,7 kat arttığına dikkat edin. Bu, buharın kendisini sudan ayırmak için Lancashire kazanında mevcut olan sürenin yalnızca 1/2,7’sine (%40) sahip olduğu anlamına gelir. Pik talep zamanlarında bu, modern paketlenmiş kazandan ıslak buhar ihraç edildiği ve muhtemelen tasarlandığı çalışma basıncından daha düşük bir basınçta - Modül 3.12 ‘Kazan Suyunda TDS Kontrolü’nde ele alınan - anlamına gelebilir. Buharla birlikte taşınan su kirli olacaktır (yaklaşık 3.000 ppm TDS) ve kontrol vanalarını ve ısı transfer yüzeylerini kirletecektir. Hatta basınç algılama cihazlarında, kondenstoplarda vb. daha küçük orifislerin bazılarını tıkayabilir. Not: Tablo 3.22.1’i oluşturmak için kullanılan bilgiler Thermsave tarafından sağlanmıştır. Geçmişte kazan tasarımlarında uygulanan faktörler hakkında bir fikir vermek için İmparatorluk birimleri de Tabloda gösterilmiştir.

Pik talepler

Herhangi bir proses tesisindeki buhar talepleri nadiren sabittir, ancak dalgalanmaların boyutu ve türü uygulamaya ve endüstriye bağlıdır. Pikler haftada bir kez veya hatta başlangıç sırasında günde bir kez meydana gelebilir. Pik taleplerin neden olduğu en büyük sorunlar genellikle parti proses endüstrileriyle ilişkilidir:

Bira üretimi.
Tekstil.
Kuru temizleme.
Konserve.
Hafif beton blok üreticileri.
Çelik yapım endüstrisinin özel alanları.
Büyük otoklavlı kauçuk endüstrileri. Bu prosesler için pikler ağır ve uzun vadeli olabilir ve saatin kesirleriyle ölçülebilir. Alternatif olarak, yük döngüleri kısa süreli, sık ancak çok yüksek anlık akış hızına sahip piklerden oluşabilir:
Çorap bitirme.
Kauçuk.
Plastik ve polistiren kalıplama.
Buharla soyma.
Hastane ve endüstriyel sterilizasyon. Şekil 3.22.1, her iki durumda da taleplerin neredeyse anlık olduğunu ve piklerin ortalamanın çok üzerinde olduğunu göstermektedir. Kazan tesisine ani bir talebin sonucu, kazandaki basınç düşüşüdür; çünkü kazan ve ilişkili yanma ekipmanı buharı çekildiği hızda üretemez. Pik talepler ve ardından gelen basınç düşüşleri, fabrika üretimi üzerinde oldukça ciddi sonuçlara sahip olabilir. En kötü durumda, sonuç, hızlı kaynatmanın neden olduğu su seviyesinin yükselmesi ve ardından çökmesi nedeniyle bir kazan ‘kilitlenmesi’dir. Bu, seviye kontrolleri tarafından düşük su seviyesi alarmı olarak görülür. En iyi durumda, üretilen buhar ıslak ve kirli olur. Bu, basınç düşüşüyle birleştiğinde şunlara yol açabilir:
Proses sürelerinin artması.
Ürün kalitesinde düşüş, hatta ürünün hasar görmesi veya kaybı.
Buhar ana hatlarında boru tesisatı ve donanımlara zarar veren ve personele potansiyel tehlike oluşturan su darbesi. Kazan tesisleri için pik talepler şunlardan sorumludur:
Daha yüksek bakım seviyesi.
Kazan ömrünün kısaltılması.
Yakıt verimliliğinin düşürülmesi. Bunun nedeni, yanma ekipmanının sürekli olarak düşükten yükseğe ateşleme yapması ve hatta çok düşük talep dönemlerinde kapatılması, ancak birkaç dakika sonra tüm öncesi ve sonrası temizleme soğutma etkileriyle yeniden ateşlenmesidir. Pik taleplerle (ve ardından gelen talep düşüşleriyle) başa çıkmak için birden fazla veya aşırı boyutlu kazanlar kullanılabilir ve bu kaçınılmaz olarak düşük verimliliklere yol açar. Bu noktayı göstermek için şu varsayılabilir:
Ortalama bir buhar kazanı için, kayıpların %1’inden azı kazan kabından yayılan ısıdan kaynaklanır (örneğin: kazanın Maksimum Sürekli Kapasitesinin (MCR) %1’i).
Bir kazan MCR’sinin %50’sini üretiyorsa, radyasyondan kaynaklanan kayıplar üretim hızına göre %2’dir.
Bir kazan MCR’sinin %25’sini üretiyorsa kayıplar, üretim hızının %4’üdür. Ve böyle devam eder, ta ki bir kazan fabrikaya herhangi bir buhar ihraç etmeden sadece basınçta tutulana kadar. Bu noktada, MCR’sinin %1’i, buhar üretim hızına göre %100 kayıptır. Kazan tesisleri pik yükler için boyutlandırılmışsa, ortalama talebe göre aşırı boyutlandırma nedeniyle sorunlar ortaya çıkar. Pratikte, bir kazan düşük talep döneminde kapanabilir. Bunu ani bir talep artışı izlerse ve kazan çalışmıyorsa, bir alarm durumu ortaya çıkabilir. Alarmlar çalacak, kazan kilitlenecek ve buhar kurtarma yavaş ve zor olacaktır. Kısacası, pikler şunlardan sorumludur:
Üretim kaybı.
Ürün kalitesinin düşmesi.
Üretim sürelerinin artması.
Kazandan düşük kaliteli buhar.
Düşük yakıt verimliliği.
Yüksek bakım maliyetleri.
Kazan ömrünün kısaltılması.

Yükleme dengeleme teknikleri

Modern kazanlar, düzgün yüklendiğinde çok verimlidir ve kazan çalışır durumdayken yük artışlarına hızlı yanıt verir. Ancak, geleneksel Ş tipi kazanlar genellikle büyük pik talepleri tatmin edici bir şekilde karşılayamaz ve büyük dalgalanmalı yüklerden korunmalıdır. Kazan tesisini büyük dalgalanmalı yüklerin etkilerinden korumak için sabit bir yük deseni oluşturmaya çalışan çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.

Mühendislik yöntemleri:

Basınç koruma vanaları (ayrıca fazla buhar vanaları olarak da adlandırılır), tesisin temel olmayan kısımlarını izole ederek ve böylece temel tesislere öncelik vererek yük düşürme cihazları olarak kullanılabilir; tipik bir düzenleme Şekil 3.22.2’de gösterilmiştir. Bu yöntemin başarısı yine piklerin şiddetine ve pik geliştiğinde kazanın çalışır durumda olup olmadığı varsayımına bağlıdır. Fazla buhar vanaları ayrıca doğrudan kazana veya Şekil 3.22.3’te gösterildiği gibi fabrikaya giden buhar ana hattına da takılabilir. Ayar basıncı şu şekilde olmalıdır:

Fazla buhar kontrolünün brülör kontrolleriyle karışmasını önlemek için ‘yüksek ateşleme’ kontrol basıncından daha düşük.
Kazandaki basıncı güvenli bir seviyede tutmak için yeterince yüksek. Fazla buhar vanasını boyutlandırma açısından, gereksinim minimum basınç düşüşüdür. Genel bir gösterge olarak, hat boyutunda bir vana düşünülmelidir. İki elemanlı veya üç elemanlı su seviyesi kontrolü. Pikler şiddetli olmadığı ve pik geliştiğinde kazan çalışır durumda olduğu sürece başarılı olabilirler; kazanın ayrıca yeterli kapasiteye sahip olması gerekir. İki elemanlı kontrol, besleme suyu kontrol vanasını konumlandırmak için kazan su seviyesi kontrollerinden ve buhar akış hızından gelen girdileri kullanır. Üç elemanlı kontrol, yukarıdaki iki elemana ek olarak besleme suyu akış ölçüm cihazından gelen bir girdiyi kullanarak gelen besleme suyu akış hızını kontrol eder; sadece besleme suyu kontrol vanasının konumunu değil. (Bu üçüncü eleman, sadece besleme suyu ana hattı olan kazan dairelerinde modülasyonlu seviye kontrolü kullanan kazanlarda uygundur.) Örnek 3.22.1 Bir kazan 5.000 kg/h ‘From and At’ olarak derecelendirilmiştir Yüksek/düşük ateşleme basınç ayarları sırasıyla 11,3/12,0 bar g’dir (12,3/13,0 bar a). Fazla buhar vanası ayarı 11,0 bar g’dir (12,0 bar a).

Yaklaşık 25 m/s hıza dayanarak, 100 mm’lik bir buhar ana hattı seçilecektir.
Standart bir DN100 fazla buhar kontrol vanasının Kvs’si 160 m³/h’dir
Doymuş buhar için aşağıdaki kütle akış denklemi kullanılarak fazla buhar vanasının altındaki basınç (P2) hesaplanabilir: Bu örnekte, düşük ateşleme sırasında kazan basıncı 12 bar g (13 bar a) olarak verilmiştir. Denklem 3.21.2’den tamamen açık fazla buhar vanasından sonraki basıncın 11,89 bar g (12,89 bar a) olduğu hesaplanabilir. Sonuç olarak, basınç düşüşü küçüktür (0,11 bar) ve normal çalışmada önemsizdir. Ancak, basınç 11,0 bar g’ye düşerse, fazla buhar vanası üst basıncı korumak için kapanmaya başlayacaktır. Kontrolördeki orantısal band, vana ayar noktası etrafında ‘avlanma’ yapmayacak kadar dar ayarlanmalıdır. Her iki basınç koruma vanası uygulama yöntemi de kazan tesisine koruma sağlayabilir, ancak proses için daha fazla buhar temel gereksinimini karşılayamazlar.

Yöntemsel yöntemler

Bunlar, örneğin pik yükleri mümkün olduğunca düşük tutmak için proseslerde kademeli başlatmayı içerir. Pikleri düzeltme yöntemi kazan tesisi için faydalı olabilir, ancak üretimi kısıtlayıcı ve zararlı olabilir; basınç koruma vanasıyla hemen hemen aynı etkiye sahiptir. Ancak, yalnızca yöntemsel yöntemler kullanılarak kısa vadeli pikleri düzeltmek imkansızdır. Bireysel proseslerin bu tür pikleri uyguladığı bir fabrikada bunun yük üzerinde dengeleyici bir etkisi olabilir, ancak aynı şekilde, birçok bireysel prosesin eşzamanlı olarak pik yapması da felaketle sonuçlanabilir. Yukarıdaki yöntemler gerekli talep istikrarını sağlamıyorsa, buhar depolama yöntemini düşünmenin zamanı gelmiş olabilir.

Buhar akümülatörü

Pik bir talebi karşılamak için temiz kuru buharı anında sağlamanın en uygun yolu, gerektiğinde ‘serbest bırakılabilmesi’ için buhar depolama yöntemini kullanmaktır. Buharı basınç altında gaz olarak depolamak, normal kazan basınçlarında devasa depolama hacmi gerektirdiğinden pratik değildir. Bu en iyi bir örnekle açıklanır: Bu Modülde daha sonra kullanılan örnekte, 52,4 m³ hacimli bir kap kullanılmaktadır.

Şarj basıncı 10 bar g’dir (özel hacim = 0,177 m³/kg).
Deşarj basıncı 5 bar g’dir (özel hacim = 0,315 m³/kg). Bu parametrelere dayanarak, depolanan ve tesise anında serbest bırakılmaya hazır enerji, 130 kg buhar içinde tutulmaktadır. Bu, suyla dolu bir akümülatöre kıyasla depolanan ve kullanıma hazır enerjinin yalnızca %5,2’sidir. Pratikte buhar üretmenin iki yolu vardır:
Kaynayan suya, geleneksel bir kazanda olduğu gibi dolaylı olarak bir yanma borusu ve brülör aracılığıyla ısı ekleyerek.
Doyma sıcaklığında depolanan suyun basıncını düşürerek. Bu, suda bir enerji fazlalığı yaratır ve suyun bir kısmının buhara dönüşmesine neden olur. Bu olguya ‘flaşlaşma’ denir ve basınçlı suyu depolamak için kullanılan ekipmana buhar akümülatörü denir. Prensip olarak, buhar depolama için iki tür sistem mevcuttur; basınç düşüşlü akümülatör ve sabit basınçlı akümülatör. Bu modül yalnızca birinci türü ele almaktadır. Buhar akümülatörü, özünde kazan(lar)ın enerji depolama kapasitesinin bir uzantısıdır. Tesisten buhar talebi düşük olduğunda ve kazan gerekenden daha fazla buhar üretebildiğinde, fazla buhar basınç altında depolanmış bir su kütlesine enjekte edilir. Zamanla depolanan suyun sıcaklığı ve basıncı artar ve sonunda kazanın çalıştığı basınç için doyma sıcaklığına ulaşır. Talep, kazanın kapasitesini aşacaktır:
Bir yük, kazanın yanıt verme yeteneğinden daha hızlı uygulandığında - örneğin, brülörler söndürülmüş olabilir ve brülörün güvenli bir şekilde ateşlenmesinden önce bir temizleme döngüsünün tamamlanması gerekir. Bu 5 dakika kadar sürebilir ve kazana ısı eklemek yerine, temizleme döngüsü aslında kazan suyu üzerinde hafif bir soğutma etkisine sahip olacaktır. Buna ek olarak, kazan suyunun flaşlaşması su seviyesinin düşmesine neden olacak ve kazan seviye kontrol sistemi bunu otomatik olarak, örneğin 90°C’nde besleme suyu getirerek telafi edecektir. Bu, zaten doyma sıcaklığındaki su üzerinde bir söndürme etkisine sahip olacak ve durumu daha da kötüleştirecektir.
Normalden daha uzun süre boyunca ağır bir talep ortaya çıktığında. Her iki durumda da sonuç, buhar akümülatörünün içinde bir basınç düşüşüdür ve bunun sonucunda sıcak suyun bir kısmı buhara flaşlaşır. Suyun buhara flaşlaşma hızı, depolama basıncının ve beslenen sistemin buhar talep hızının bir fonksiyonudur. Şarj etme Basınç düşüşlü buhar akümülatörü, uygulamaya bağlı olarak %50 ila %90 arasında dolu olan silindirik bir basınç kabından oluşur. Buhar, bir dizi buhar enjektörüyle donatılmış bir dağıtım manifoldu aracılığıyla suyun yüzeyinin altına şarj edilir, ta ki tüm su içeriği gerekli basınç ve sıcaklığa ulaşana kadar. Şarj ve deşarj sırasında su seviyesinin yükselip alçalması doğaldır. Buhar akümülatörü doymuş (veya ıslak) buharla şarj edilirse, kabın radyasyon kayıpları nedeniyle suda küçük bir artış olabilir. Normalde, tahliye edilen buhar kütlesinden biraz daha fazla buhar deşarj edilir. Çalışma seviyesinde bir kondenstop (küre şamandıralı tip) takılır ve seviye sınırlayıcı olarak çalışarak, küçük miktarda fazla suyu kondens dönüş sistemine boşaltır. Ancak, buhar akümülatörü aşırı ısınmış buharla şarj edilirse veya radyasyon kayıpları çok küçükse, buharlaşma nedeniyle kademeli bir su kaybı olacak ve seviye problarının kontrolü altında bir besleme vanası veya pompası, açığı kapatmak için gerekecektir. Deşarj etme Depolanan suyun doyma sıcaklığında olduğu bir buhar akümülatöründe bir basınç düşüşü meydana geldiğinde, flaş buhar kazan kapasitesinin üzerindeki herhangi bir yükün talep ettiği hızda üretilecektir; dolayısıyla aşırı yük durumu karşılanacaktır. Aşırı yükün ardından kazan kapasitesinin altında bir talep geldiğinde, buhar akümülatörü kazandan gelen fazla buhar kullanılarak şarj edilir. Bu şarj/deşarj döngüsü ‘buhar akümülatörü’ adını açıklar ve kazanın sürekli olarak maksimum sürekli kapasitesine kadar çalışmasına olanak tanır. Şarj/deşarj döngüsü Akümülatörün düzgün çalışması için deşarj döneminin başında tamamen şarj edilmiş olması gerekir. Buna izin vermek için iki ana olayın gerçekleşmesi gerekir:

Bir aşırı yük döneminin sonundan bir sonraki başlangıcına kadar, akümülatörde depolanan suyu yeniden şarj etmek için yeterli süre olmalıdır.
Ortalama boşta buhar talebi kazan kapasitesinden (maksimum sürekli kapasite veya MCR) düşük olmalıdır; böylece boşta geçen sürelerde akümülatörde depolanan suyu yeniden şarj etmek için yeterli fazla kazan kapasitesi mevcut olsun. Akümülatörün yeterli kapasiteye sahip olmasını sağlamak için diğer kriterler de önemlidir ve bunlar tasarımda karşılanmalıdır:
Deşarj döneminde gerekli miktarda flaş buhar sağlamak için yeterli su depolanmalıdır. Bu, akümülatör hacminin yeterince büyük olmasını sağlayarak karşılanabilir.
Daha yüksek buhar salınım hızları ıslak buhar üretecektir. Flaş buharın su yüzeyinden salındığı hız ve akış hızı önceden belirlenmiş bir değerin altında olmalıdır. Bu, su yüzey alanının yeterince büyük olmasını sağlayarak karşılanabilir ki bu da akümülatör boyutuna bağlıdır.
Buharlaşma kapasitesi yeterli olmalıdır. Bu, tamamen şarj edildiğinde suyun depolandığı basınca (kazan basıncı) ve akümülatörün deşarj döneminin sonunda çalışacağı minimum basınca (akümülatör tasarım basıncı) bağlıdır. Bu iki basınç arasındaki fark ne kadar büyükse, o kadar fazla flaş buhar üretilecektir.
Akümülatör tasarım basıncı, alttaki dağıtım basıncından yüksek olmalıdır. Bu, alttaki basınç düşürme vanasının (PRV) üzerinden gerekli akışı sağlamak için bir basınç farkı yaratmak için gereklidir. Akümülatör basıncı dağıtım basıncına ne kadar yakınsa, akümülatör o kadar küçük olur ancak bu aynı zamanda PRV üzerinde daha küçük bir basınç farkı verir. Bu, daha büyük bir PRV gerektirir; deşarj döneminin sonunda akümülatörün tasarım basıncında (akümülatördeki minimum basınç) en yüksek aşırı yük talebini geçecek kadar büyük.

Buhar akümülatörünün boyutlandırması

Buhar sistemindeki bir buhar akümülatörü artırılmış depolama kapasitesi sağlar. Buhar akümülatörünün düzgün tasarımı, herhangi bir akış hızının karşılanabileceğini garanti eder. Buhar akümülatörü boyutu için teorik bir sınır yoktur, ancak pratik düşünceler kısıtlamalar getirecektir. Pratikte buhar akümülatörü hacmi, su yüzeyinden uygun bir buhar salınım hızıyla temiz kuru buhar sağlarken izin verilen bir basınç düşüşü ile pik bir talebi karşılamak için gereken depolamaya dayanır. Aşağıdaki Örnek 3.22.2, yatay bir buhar akümülatöründeki buhar kapasitesinin potansiyelini hesaplamak için kullanılmaktadır. Örnek 3.22.2 Kazan: Maksimum sürekli kapasite = 5.000 kg/h Normal çalışma basıncı = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, buhar tablolarından) Brülör anahtarlama diferansiyeli = 1 bar (10 bar g’nin her iki tarafında 0,5 bar) Tesis gereksinimleri: Maksimum anlık aşırı yük = 12.000 kg/h Dağıtım basıncı = 5 bar g Maksimum anlık aşırı yük 12.000 kg/h olmasına rağmen, akümülatörü boyutlandırmak için aşırı yükün ortalama değeri kullanılmalıdır. Bu, akümülatörün gereksiz aşırı boyutlandırılmasını önler. Eşit şekilde, boyutlandırma hesaplamasında ortalama ‘boşta’ yükü belirlemek ve kullanmak da gereklidir. Boşta yük, kazan MCR’sinin altındaki herhangi bir yüktür. Aşırı yükün ve boşta yükün ortalama değerini bulma Mevcut kazan tesisleri için ortalama yükleri belirlemenin üç olası yöntemi vardır:

Deneyime dayanarak tahmin etmek.
Ortalama yükleri ve bunların gerçekleştiği süreleri belirlemek için mevcut kazan buhar çıkış grafiklerini sorgulamak.
Bir buhar metresinin bilgisayarını programlayarak, hem aşırı yük hem de boşta yük dönemlerinde buhar yükünü entegre etmek. Yöntem 1, pahalı bir akümülatör çok küçük kalırsa oldukça pervasız olabilir.

Ancak, kazan tesisi hala tasarım aşamasındaysa, eğitimli bir tahmin tek seçenek olacaktır. Tasarımcının kurulum bilgisinden, maksimum tesis yükü, yük çeşitliliği ve bunların gerçekleştiği süreler hakkında makul bir tahmin vermek mümkün olmalıdır.

Yöntem 2 gerçekleştirilmesi oldukça kolaydır ve makul derecede doğru bir sonuç vermelidir.

Yöntem 3 en doğru sonuçları verecektir ve buhar metresinin maliyeti bir akümülatör projesinin toplam maliyetine göre küçüktür.

Aşağıdaki prosedür, mevcut bir grafik kaydından yük desenine göre ortalama buhar yüklerinin nasıl belirleneceğini göstermektedir. Prosedür, Örnek 3.22.2 için akış desenini gösteren Şekil 3.22.4 üzerine kuruludur.

Buhar akümülatörü kontrol ve donanımları

Aşağıda, bir buhar akümülatörü kurulumu için gerekli ekipmanın bir incelemesi ve uygun ekipmanın boyutlandırılması ve seçimi için bazı yönergeler yer almaktadır. Örnek 3.22.2’deki rakamlar kullanılarak: Kazan: Maksimum sürekli kapasite = 5.000 kg/h Normal çalışma basıncı = 10 bar g Akümülatör: Buhar depolama için gerekli su kütlesi = 65.920 kg (tam şarjlı ve kabın hacminin %90’ı) P1 (kazan basıncı) = 10 bar g (tam şarjlı) P2 (deşarj basıncı) = 6 bar g (tam deşarjlı) Tesis gereksinimleri: Basınç = 5 bar g En büyük ortalama aşırı yük = her 95 dakikada 30 dakika için 10.300 kg/h, bunun 5.000 kg/h’si kazan tarafından sağlanmaktadır. Bu rakamlardan, 65.920 kg suyun 95 dakika içinde 6 bar g’de doyma sıcaklığından 10 bar g’de doyma sıcaklığına ısıtılması gerektiği çıkarılabilir. Boru tesisatı Kazan ile buhar akümülatörü arasındaki boru tesisatı, normal uygulamaya göre 25 ila 30 m/s buhar hızı ve kazanın maksimum çıkışına göre boyutlandırılmalıdır. Örnek 3.22.2 durumunda, bu, kazandan akümülatöre 5.000 kg/h @ 10 bar g kazan Maksimum Sürekli Kapasitesini (MCR) taşımak için bir DN100 boru hattı gerektirecektir. Akümülatörden alttaki PRV’ye kadar olan boru tesisatı, maksimum anlık aşırı yüke ve 20 m/s’yi geçmeyen bir hıza göre boyutlandırılmalıdır. Bu örnekte, 6 bar g akümülatör tasarım basıncıyla DN250 nominal çaplı bir boru gerekli olacaktır. Stop vanası Kazan tepe vanasına ek olarak hat boyutunda bir stop vanası gereklidir. Uygun derecelendirmede, tercihen döküm çelik bir stop vanası uygun olacaktır. Çek valf veya geri dönüşsüz vana Kazanın kasıtlı olarak kapatılması veya belki de kazanın kilitlenmesi durumunda buharın kazana geri akışını önlemek için hat boyutunda bir çek valf gereklidir. Disk tipi bir çek valf uygun bir seçim olacaktır. Fazla buhar vanası Fazla buhar vanası, kazandan akümülatöre akan buhar hızının kazanın kapasitesi dahilinde olmasını sağlamak için gereklidir. Örnek 3.22.1, vananın nasıl boyutlandırılacağını göstermektedir. Pilot çalıştırma, kendinden hareketli fazla buhar vanaları, dar (ve ayarlanamaz) orantısal band kabul edilebilirse daha küçük kurulumlarda kullanılabilir. Pnömatik kontrolör ve kontrol vanası daha büyük kurulumlar için daha uygundur ve ayarlanabilir orantısal band avantajı sunar. Bu uygulama için, uygun çalışma ve kapatma kabiliyetine sahip bir DN100 pnömatik çalıştırma kontrol vanası seçilecektir.

Buhar enjeksiyon ekipmanı

Düzgün boyutlandırılmış bir buhar giriş borusu, Şekil 3.22.6’da gösterildiği gibi su yüzey seviyesinin oldukça altına ve bir buhar dağıtım başlığı/manifold sistemine beslenmelidir. Buhar suya enjekte edilir. Enjektör kapasitesinin kap içindeki basınç arttıkça azalacağını, çünkü enjekte edilen buhar ile kap basıncı arasındaki diferansiyel basıncın azaldığını unutmamak önemlidir. Çok düşük akış hızlarında buhar, buhar giriş borusuna en yakın enjektörlerden çıkma eğiliminde olacaktır. Giriş borusunun(larının) ve manifold sisteminin tasarımı, enjektörlerin yerleşimi ile birlikte, gerçek buhar akış hızından bağımsız olarak akümülatör boyunca eşit buhar enjeksiyonu sağlamalıdır. Enjektörlerden deşarj, çok sıcak su ve buhar, muhtemelen bazı yoğunlaşan buhar baloncukları ile birlikte, çok yüksek hızda olacak, su kütlesinde türbülans ve karışımı teşvik edecektir. Kap duvarlarına doğrudan veya yakın bir yere deşarj etmemelidirler. Bu nedenle açılı kurulum önerilebilir. İdeal olarak, daha eşit dağılıma yardımcı olmak için farklı yönlere de açısallaştırılmalıdır. Şekil 3.22.6’da nominal bir düzenleme gösterilmiştir. Çok uzun kaplarda, iki veya daha fazla giriş borusu kullanılarak daha düzenli bir dağılım elde edilebilir. Bu gibi durumlarda, giriş borularının besleme ana hattından dikkatle manifoldlaştırılmış olması çok önemlidir. Tüm enjektörler, üzerlerinde mümkün olan maksimum sıvı yükünü sağlamak için akümülatörde mümkün olduğunca aşağıya kurulmalıdır. Kabın erozyonunu önlemek için enjektörlerin hafif bir açıyla kurulması da uygun olabilir. Üreticilerin boyutlandırma tabloları buhar enjektörlerinin Kvs değerini verecektir (bkz. Tablo 3.22.2) Tablo 3.22.2’deki verileri kullanarak ve Şekil 3.22.8’e başvurarak, doymuş buhar boyutlandırma grafiği Şekil 3.22.9’un bir özeti:

‘x’ ekseninden 11 bar a’da (10 bar g) sağa doğru yatay bir çizgi çizin, kritik basınç düşüşü çizgisiyle kesişene kadar, nokta (A).
Nokta (A)‘dan grafiğe dikey olarak aşağı bir çizgi çizin, enjektörün Kvs değeriyle kesişene kadar, nokta (B), (Örneğin IM25M enjektörü için Kvs 5,8).
‘y’ eksenine kadar yatay olarak sola bir çizgi çizin, nokta (C). Gösterilen değer enjektörün kapasitesi olacaktır. (Bu örnekte yaklaşık 760 kg/h).

Enjektörlerin boyutlandırılması ve miktarının belirlenmesi

Yukarıdaki çalışma bir enjektör için 760 kg/h kapasite verir; ancak bu yalnızca şarj döneminin başlangıcıyla, yani kap basıncının en düşük ve enjektör kapasitesinin en yüksek olduğu anla ilgilidir. Unutulmamalıdır ki, kapa daha fazla buhar enjekte edildikçe, kap basıncı yükselecek ve enjektörlerin kapasitelerini etkin bir şekilde azaltacaktır, ta ki kap basıncı sonunda kazan basıncıyla eşitlenene ve akış gerçekleşemeyene kadar. Bu nedenle, tek (en yüksek) akış hızını kullanmak pratik değildir; bu örnekte 760 kg/h. Bunun yerine, şarj dönemi boyunca ortalama enjeksiyon hızını bulmak gerekir. Bu, Denklem 3.21.2’yi kullanarak farklı kap basınçlarında akışı hesaplayarak yapılabilir. Bu örnekte, kap basıncı 6 bar g ile 10 bar g arasında değişecektir. Alınan basınç sayısı ne kadar fazlaysa, doğruluk o kadar yüksek olur, ancak genel olarak, kazan ve akümülatör basıncı arasındaki farkın %10’unda artışlar almak güvenilir bir ortalama değer verecektir. Tablo 3.22.3, Kv’si 5,8 olan bir IN25 enjektörü (1”) için hesaplamaları göstermektedir. Toplam 6.076 kg/h akış, giriş sayısına bölünür. Sıfır girişin de dahil edilmesi gerektiğini unutmamak gerekir; dolayısıyla on bir giriş dikkate alınacaktır. 553 kg/h’lik ortalama akış hızının, 759 kg/h’lik maksimum kapasiteden biraz daha düşük olduğu görülebilir. Enjektör sayısını belirlemek için maksimum kapasite kullanılsaydı, yeterli enjektör seçilemezdi. Gerekli enjektör sayısı, buhar akışının tek bir enjektörün tedarik edebileceği miktara bölünmesiyle belirlenebilir. Not: Buhar akümülatörü içinde uygun karışımı sağlamak için bir büyük enjektör yerine birkaç küçük enjektör tercih edilir. Bu boyutlandırma grafiği deneyseldir ve kritik uygulamalar için kullanılmamalıdır

Kabı yeniden şarj etmek için gereken sürenin hesaplanması

Şekil 3.22.4’teki yük desenlerinden, şarj döngüleri arasındaki minimum sürenin 95 dakika olduğu gösterilmiştir. Şimdi kabın bundan daha kısa sürede yeniden şarj edilip edilemeyeceğini kontrol etmek gerekir. Deşarj döneminde kullanılan buhar miktarının 2.650 kg olduğu gösterilmiştir. Yeniden şarj döneminde mevcut olan ortalama fazla buhar akışı, Şekil 3.22.4’ten 2.916 kg/h olarak hesaplanmıştır. Yeniden şarj için gereken süre, deşarj sırasında kullanılan buhar kütlesinin, boşta geçen dönemde akan fazla buhar hızına oranıyla orantılıdır: Gerekli yeniden şarj süresi, 95 dakikalık en kısa aşırı yük döngüsü arasındaki süreden daha az olduğundan, aşırı yük süresi ile yeniden şarj süresi arasındaki denge akümülatör tarafından sağlanabilir.

Bu nedenle, 4 metre çapında 7 metre uzunluğundaki akümülatör boyutu bu özel örnekte yeterli kapasiteyi sağlar.

Basınç göstergesi

Buhar akümülatöründeki basıncı göstermek için uygun aralıklı bir basınç göstergesi gereklidir. İdeal olarak şu şekilde işaretlenmelidir:

Minimum basınç (tesis buhar basıncı).
Maksimum basınç (kazan buhar basıncı).
Kap maksimum çalışma basıncı.

Emniyet vanası

Akümülatörün maksimum çalışma basıncı kazanınkine eşit veya daha büyükse, bir emniyet vanası gerekli olmayabilir. Ancak, kullanıcı daha az belirgin senaryolarla ilgili endişe duyabilir. Örneğin, bir tesis yangını durumunda, akümülatör tamamen şarj edilmiş olsaydı ve tüm girişler ve çıkışlar kapatılsaydı, akümülatördeki basınç yükselebilir. Bir karar vermeden önce sigorta müfettişiyle bir görüşme mutlaka yapılmalıdır. Tüm emniyet vanası kurulumlarında olduğu gibi, deşarj uygun şekilde tahliye edilen yeterli boyutta bir tahliye borusu aracılığıyla güvenli bir alana yapılmalıdır.

Hava tahliyesi ve vakum kırıcı

Buhar akümülatörü soğuktan başladığında, buhar alanı havayla doludur. Bu havanın ısı değeri yoktur, aslında buhar tesisinin performansını olumsuz etkiler (Dalton Yasası’nda gösterildiği gibi) ve ayrıca ısı değişim yüzeylerini örtme etkisine sahiptir. Hava ayrıca kondens sisteminde korozyona neden olacaktır. Hava, basit bir musluk kullanılarak tahliye edilebilir; buhar akümülatörü yaklaşık 0,5 bar’a basınçlandırılana kadar açık bırakılır. Musluğun alternatifi, yalnızca hava tahliye görevini manuel olarak yerine getirmekten (ve dolayısıyla gerçekten yapıldığından emin olmaktan) kurtarmakla kalmayan, aynı zamanda kullanımda kapta biriken diğer gazları tahliye etmede daha güvenilir olan dengeli basınçlı bir hava tahliyesidir. Tersine, buhar akümülatörü devre dışı bırakıldığında, buhar alanındaki buhar yoğunlaşır ve bir vakum bırakır. Bu vakum, kabın dışından basınç uygulanmasına neden olur ve muayene kapılarından hava sızmasına yol açabilir. Bir vakum kırıcı bu durumu önleyecektir.

Tahliye musluğu

Bu vana, bakım ve muayene çalışmaları için kabın boşaltılması için kullanılır. Örnek 3.22.2’deki akümülatör boyutu için bir DN40 vana uygun olacaktır.

Taşma

Şekil 3.22.10’da gösterildiği gibi, entegre termostatik hava tahliyeli bir küre şamandıralı kondenstop takılmalıdır. Gösterildiği gibi kurulduğunda, akümülatör içindeki su seviyesi bu noktanın üzerine çıkmayacaktır; çünkü kendenstop otomatik bir taşma vanası olarak çalışacaktır. Su seviyesi düştüğünde, yani buhar değiştirilenden daha hızlı bir oranda çekildiğinde, kendenstop buharın kaçışını önlemek için otomatik olarak kapanacaktır. Entegre termostatik kapsüllü bir şamandıralı kendenstopun seviye sınırlama cihazı olarak kullanılması, hava tahliyesi avantajı da sağlar. Kendenstop, cam göstergesine yakın kurulmalıdır. Kendenstoptan gelen deşarj, aşırı ters basınç veya kaldırmadan kaçınarak kazan besleme tankına geri yönlendirilmelidir. Şamandıralı/termostatik kendenstop boyutu akümülatörün boyutuna göre değişecektir ve Örnek 3.22.2 için tipik olarak DN32 veya DN40 boyutunda olacaktır.

Su seviyesi göstergesi

Buhar akümülatöründeki seviye değişimi büyük olmayacaktır; çünkü su kütlesinin yalnızca yaklaşık %5’i buhara flaşlaşacaktır, ancak su seviyesini görmenin bir yolu mutlaka gereklidir. Gösterge, buhar akümülatörünün maksimum çalışma basıncında çalışacak şekilde derecelendirilmiş olmalıdır. Ancak, stok tutma ve tesis standardizasyonu açısından, kazanla aynı göstergeyi kullanmanın bazı avantajları vardır. Yalnızca tek bir cam gösterge gereklidir.

Basınç düşürme istasyonu

Deşarja bir basınç düşürme istasyonu takılır. Basınç düşürme vanası alt basıncı korumak için açıldıkça, buhar akümülatöründe bir basınç düşüşü meydana gelir ve suyun bir kısmının buhara flaşlaşmasına neden olur. Basınç düşürme vanası aşağıdaki verilere göre boyutlandırılmalıdır: P1 = Akümülatör basıncı (örnekte 6 bar g) P2 = Tesis basıncı (örnekte 5 bar g) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Akış hızı = Maksimum aşırı yük akış hızı (örnekte 12.000 kg/h) Uygun bir vana artık üreticinin boyutlandırma tablolarından veya Şekil 3.22.9’da gösterilen doymuş buhar boyutlandırma grafiği kullanılarak seçilebilir. DN80’e kadar olan boyutlar için pilot çalıştırma kendinden hareketli bir vana uygun olurken, daha büyük boyutlarda pnömatik çalıştırma kontrol vanası uygundur.

Boru tesisatı

Bu noktada, buhar akümülatörü basınç düşürme istasyonu ile tesis arasındaki boru tesisatının yeterli boyutta olup olmadığını kontrol etmek uygundur. Bu boru normal uygulamaya göre 25 ila 30 m/s buhar hızına göre, ancak tesis basıncındaki buhar akümülatöründen pik akış hızını kullanarak boyutlandırılmalıdır; bu durumda 5 bar g.

Buhar akümülatörlerinin tipik düzenleri:

Şekil 3.22.11, kazan tesisinin ürettiği tüm buharın buhar akümülatöründen geçtiğini göstermektedir. Bu, daha modern ve genellikle tercih edilen düzenlemedir. Şekil 3.22.12’de gösterilen düzenleme geçmişte daha yaygın olarak kullanılmaktaydı ve buhar akümülatörünün buhar ana hattından belirli bir mesafeye yerleştirilmesi gerektiğinde hala kullanışlıdır. Ancak, çek valflerin düzenli olarak kontrol edilmesi gerekir; çünkü ‘tutukluk’ ve ‘sızıntı’ yapan vanaların birleşimi, buharın su yüzeyinin üzerinde buhar akümülatörüne şarj edilmesine yol açabilir ve bu hiçbir fayda sağlamaz. Şekil 3.22.13, kazan basıncında buharın yanı sıra daha düşük basınçta buharın da gerekli olduğu bir düzeni göstermektedir. Bazı proses uygulamaları düşük basınçlı buharı tolere edemez ve buharın her zaman kazan basıncında olması gerekebilir (tipik olarak bir kurutma prosesi için). Eğer pik yük yüksek basınç kullanıcılarından kaynaklanıyorsa, Şekil 3.22.13’teki basınç koruma vanası bir basınç düşüşü algılayacak ve oturumuna doğru modüle edilecektir; böylece yüksek basınç kullanıcıları için yüksek basınçlı buharı koruyacak ve buhar akümülatörünü bu dönemde düşük basınç talebini karşılamaya bırakacaktır. Bu şekilde sistem, buhar akümülatörü aracılığıyla düşük basınçlı dalgalı bir yük besler ve basınç koruma vanasının eylemiyle yüksek basınç yükü için mümkün olan maksimum akış hızı garanti edilir. Şekil 3.22.14’te, kazan normal tasarım basıncında, örneğin 10 bar’da buhar üretir ve buhar, örneğin 5 bar’ı geçmeyen değişken yükler gerektiren tesislere geçer. Basınç düşürme vanası A, kazan başlığı ile tesisdeki dağıtım ana hattı arasındaki basıncı düşürmektedir; 5 bar hattında algılanan basınca yanıt vermektedir. Eğer buhar talebi bu tedarik kapasitesini aşarsa ve düşük basınçlı ana hattaki basınç örneğin 4,8 bar’ın altına düşerse, van B açılmaya başlayacak ve tedariki tamamlayacaktır. Bu, buhar akümülatöründen buhar çeker ve uzun süre boyunca buhar akümülatörü basıncı düşecektir. Van B, dağıtım ana hattındaki alt basınca yanıt verir ve böylece bir basınç düşürme vanası olarak da çalışır. Kapasitesi, buhar akümülatörü için izin verilen deşarj hızıyla eşleşmelidir ve basınç düşürme vanası A’dan daha küçük olacaktır. Van C, kazan basıncına yanıt veren bir basınç koruma vanasıdır. Tesisteki talep azaldığı için basınç yükselirse, basınç koruma vanası C açılır. Buhar daha sonra, kazan basıncının hemen altındaki maksimum basıncına doğru yeniden şarj edilen buhar akümülatörüne kabul edilir. Basınç düşürme vanası B bu anda kapalı olacaktır; çünkü tesis (kısmen kapalı) basınç düşürme vanası A’dan yeterli buhar almaktadır.

Buhar akümülatörleri için pratik hususlar

Baypaslar Herhangi bir tesiste, mühendislik müdürü buhar akümülatörü ve ilişkili ekipman bakım gerektirdiğinde veya arızalandığında en azından asgari bir hizmet sunmaya çalışmalıdır. Bu, akümülatörün vanalarla yeterli ve güvenli bir şekilde izole edilmesini ve belki de talep değişikliklerinin kaçınılmaz olduğu durumlarda kazanı aşırı yükten koruyacak bazı yöntemlerin sağlanmasını içerecektir. Buradaki en bariz çözüm bir yedek basınç koruma vanasıdır.

Sonuç

Buhar akümülatörleri geçmişten kalma eski moda kalıntılar değildir. Gerçekte, hiç de öyle değildir. Buhar akümülatörleri, biyoteknoloji, hastane ve endüstriyel sterilizasyon, ürün test tezgahları, baskı ve gıda üretimi gibi modern endüstrinin yanı sıra bira fabrikaları ve boyahaneler gibi daha geleneksel endüstriler de dahil olmak üzere her yerde kurulmuştur. Modern kazanlar daha küçük hale gelmiştir ve ayrıca küçük su borulu kazanlar, bobin kazanları ve halkalı kazanların kullanımı da artmıştır; bunların hepsi verimlidir ancak sistemin termal kapasitesini azaltır ve onu pik yük sorunlarına karşı savunmasız hale getirir. Buhar akümülatörleri için daha birçok uygulama vardır. Kazan tesisinin nihayet ele alması gereken uzun vadeli pikler için, buhar akümülatörü örneğin pik akış hızının 5 dakikalık miktarını depolamak için kullanılabilir; bu, kazan tesisinin uygun çıkışa güvenli bir şekilde ulaşması için zaman tanır. Buhar akümülatörleri, buharın yoğun olmayan saatlerde üretilebileceği, depolanabileceği ve pik saatlerde kullanılabileceği elektrot veya daldırma ısıtıcılı kazanlarla da kullanılabilir. Olasılıklar sonsuzdur. Özetle, buhar akümülatörü verimli bir araçtır; çünkü bir parti prosesine buhar sağlamak için en uygun maliyetli yolu sunabilir. Teşekkür Spirax Sarco, tarafından sağlanan yardım ve bilgiler için teşekkür eder: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG