Pien Process Engineered Efficiency

KIZGIN BUHAR
Hazırlayan: Nuri Ceylan / Makine Mühendisi
Pien Process / www.pienpro.com

Bulunduğu basınca karşılık gelen doymuş buhar sıcaklığından daha yüksek sıcaklığa sahip buhara “Kızgın Buhar” denir.

Suya ısı enerjisi verdiğimizde sıcaklığı yükselir. Bu sıcaklık artışı suyun maruz kaldığı basınca bağlı olarak doyma noktasına(kaynama noktası) kadar devam eder. Bu esnada verilen ısıya duyulur ısı denir. Doyma noktasındaki suyun entalpisi buhar tablolarında hf olarak gösterilir ve doymuş su entalpisi olarak adlandırılır. Ülkemizde entalpi birimi olarak kj/kg veya kcal/kg yaygın olarak kullanılır.

Doyma noktasına ulaşan suya sabit basınçta ilave ısı enerjisi verilmeye devam edildiğinde artık sıcaklık yükselmez ve faz değişimi başlar. Aktarılan enerjiyle orantılı olarak su gaz fazına geçer, kuruluk değeri yükselen bir eğilimle doymuş buhara dönüşür. Doymuş suyun tamamının doymuş buhara dönüşmesi için buharlaşma entalpisi(hfg) kadar bir enerji transferine ihtiyaç vardır. Sabit sıcaklıkta gerçekleşen bu faz değişimi esnasında verdiğimiz ısıya buharın gizli ısısı adı da verilir. Toplam doymuş buhar entalpisi, doymuş su entalpisi ve buharlaşma entalpisinin toplamı kadardır ve buhar tablolarında hg olarak belirtilir.

Doymuş kuru buharın kuruluk oranı(x) ile gösterilir ve buharın kalitesini belirtmek için de kullanılır. Buhar kuruluk oranı, buhar kütlesinin ne kadarının gaz fazında olduğunu gösteren, birimsiz bir değerdir. X=0 su fazıdır. X=1 kuruluk oranı için en yüksek değerdir. Teorik olarak kuru doymuş buhardır ve buhar içerisinde hiç su kütlesi olmadığını belirtir. X=0,95 kuruluk oranı dendiğinde, toplam kütlenin %95’inin doymuş buhar, %5’inin de su olduğu anlaşılır.

Teorik olarak su buharlaştığında içerisinde hiç su kütlesi olmadığı kabul edilmekle beraber pratikte buhar kazanı/jeneratörü çıkışında dahi buhar içerisinde damlacık formunda su kütlesi bulunmaktadır. Dağıtım hatlarının tasarımı ve radyasyon kayıplarının etkisi ile kullanım noktasına gelinceye kadar buhar kuruluk oranı düşmeye devam eder.

Kızgın Buhar Üretimi

Doymuş buhar kuruluk oranı mekanik olarak separatörlerle arttırılabilir. Mekanik yöntemlerle x=1’den daha iyi şartlarda buhar elde etmek yani kızgın buhar elde etmek mümkün değildir.

Termodinamik olarak doymuş buhar kızgın buhar fazına geçebilir. Yüksek basınçtaki doymuş buharın basıncını düşürdüğümüzde düşük basınçta kızgın buhar oluşma ihtimali vardır. Pratikte çoğu zaman gerçekleşmez, gerçekleşse de çok düşük bir kızdırma sıcaklığına çıkılabilir.

Buhar kalitesi, harici ısı enerjisi verilerek korunabilir veya arttırılabilir ki kızgın buhar elde edebilmek için de bu yöntem kullanılır.

Bir buhar kazanında daha fazla yakıt yakılarak kızgın buhar elde edilemez. Böyle bir durumda aktarılan ilave ısı enerjisine bağlı olarak daha yüksek basınç ve sıcaklıkta doymuş buhar elde edilir. Kızgın buhar elde etmek için önce doymuş buhar kazan hacminden(dramdan) alınır. Daha sonra harici bir ısı kaynağından enerji aktarılır. Genellikle kullanılan 2 yöntem mevcuttur. Ya doymuş buhar kazanının sıcak bölgelerinde tekrar dolaştırılarak sıcaklığı arttırılır, ya da harici bir kızdırıcı ünitesinde ısı transferi gerçekleştirilerek kızgın buhar elde edilir.

Doymuş buhar sıcaklığının üzerindeki her sıcaklıktaki buhara Kızgın Buhar denir. Doymuş buharda olduğu gibi basınç ile sıcaklık arasındaki ilişki ortadan kalkar. 10 barg basınçta 185 oC ile 10 barg de 250 oC olan her iki buhar da kızgın buhar olarak adlandırılır. Kızgın buhar özellikleri özel hazırlanmış tablolardan veya molliler diyagramından okunur.

Kızgın buhar içerisinde artık su zerrecikleri yoktur. Bununla birlikte kızgın buhar sıcaklığı, doymuş buhar sıcaklığına yakın ise özellikle radyasyon kayıpları nedeni ile tekrar doymuş buhara dönme ihtimali yüksektir.

Kızgın buharın en yaygın kullanıldığı cihazlar buhar türbinleridir. Hem termal verim hem de emniyetli bir çalışma için bu mecburidir. Buhar içerisinde olması muhtemel su zerrecikleri türbin kanatları üzerinde ciddi erozyon ve deformasyona sebep olduğundan kızgın buhara gereksinim vardır.

İçerisinde su ihtiva etmediği için kızgın buhar hatlarında hız mertebeleri daha yüksek kabul edilebilir. Doymuş buhar hatlarında maksimum 40 m/s olarak kabul edilen buhar hızları, kızgın buhar tesisatlarında basınç kayıp değerleri ve proses ihtiyaçları da dikkate alınarak 70 m/s’ye kadar çıkarılabilir. Bu özellik, kızgın buhar üreten büyük tesislerde ana buhar dağıtım hatlarının kızgın buhar fazında yapılmasını avantajlı hale getirebilir. Kullanım noktalarına yakın yerlerde kızgın buhar şartlandırılarak doymuş buhara yakın özelliklere getirilirler.

Isıtma proseslerinde kızgın buharı direkt olarak kullanmak doğru bir uygulama değildir. Sıcaklığı yüksek olmakla birlikte kızgın buharın ısı transfer katsayısı çok düşüktür. Örneğin suya daldırılmış bir serpantinde kızgın buhar ile ısıtma yapılmak istendiğinde ısı transfer katsayısı yaklaşık 60 W/m2oC iken aynı ısıtma işlemi doymuş buhar ile yapıldığında ısı transfer katsayısı 1200 W/m2oC’a kadar çıkmaktadır. Ayrıca kızgın buhar fazına geçmesi için doymuş buhara aktardığımız enerji, buharlaşma entalpisi ile kıyaslandığında çok düşük kalır.

Bir ısı değiştirici doymuş buhar özelliklerine göre tasarlanıp, kızgın buhar ile çalıştırılırsa ısıl kapasite ve verim düşer, ısıtma süreleri uzar. Kızgın buhar ısı değiştiriciye girdiğinde belli bir ısı transfer yüzey alanı kızgın buharı doymuş buhar fazına geçirmek için kullanılmış olur ve bu yüzeylerden hesaplanandan çok daha düşük bir ısı transferi gerçekleşir.

Bu nedenle kızgın buharın eğer basıncı yüksekse öncelikle basıncı düşürülür, sonrasında buhar şartlandırıcı(de-superheater) üniteleri kullanılarak sıcaklığı doymuş buhar sıcaklığına yaklaştırılır. Kombine basınç düşürme ve şartlandırma vanaları da kullanılabilir. Basınç düşürme ihtiyacı olmayan uygulamalarda direkt daldırma dip şartlandırıcılar tercih edilir.

Buhar şartlandırma işlemi için buhar içerisine su püskürtülür. Sıcak ve şartlandırılmış su olması, buhar kullanan tesislerde hali hazırda bulunması sebepleriyle kondens suyu ilk tercih edilendir. Buhar şartlandırma uygulamalarında kızgın buhar debisi, basıncı, sıcaklığı, püskürtme suyu sıcaklığı ve proses şartları dikkate alınarak hesaplama ve tasarım yapılır. Problemsiz bir çalışma için şartlandırma istasyonunda gerekli tüm donanım bulunmalıdır.

Farklı çalışma prensiplerine sahip desuperheater üretimleri mevcuttur. Yay yüklemeli, değişken kesitli tipler geniş bir çalışma aralığında hassas sıcaklık kontrolü ve yüksek turndown sağlamasından dolayı tercih edilmektedirler.

Püskürtme suyu debi hesaplaması

Pien Process& Engineering - Head Office

Adres       : Petrol İş Mah. Villa Sok. No.23/11 34862 Kartal-Istanbul / Turkey
Telefon    : +90 216 627 09 97
Mobile 1  : +90 532 320 78 80
Mobile 2  : +90 541 647 22 53
E-mail      : pien@pienpro.com