Buhar Kazanları MAKİNE MÜHENDİSLİĞİNE GİRİŞ Ders 5 Bazı temel bilgiler: Su, 1 atm lik basınç altında 100 C de buharlaşır ve hacmi büyük ölçüde artar. Meydana geldiği su ile dengede olan buhara doymuş buhar denir. Yrd. Doç. Dr. Yüksel HACIOĞLU Sıcaklığın düşmesi durumunda doymuş buhar derhal yoğunlaşır yani su halini alır. Doymuş buharın ısıtılmasına devam edilirse buharlaşma ve hacmin artması hiçbir su zerresi kalmayıncaya kadar devam eder. Bu buhara kuru buhar denir. 2 Buhar kazanlarının çeşitleri Doymuş buhar, kuru buhar haline gelinceye kadar sıcaklık sabit kalır. Kuru buharın ısıtılmasına devam edilirse sıcaklık ve hacim artar ve kızgın buhar elde edilir. Buhar kazanlarında suyun buharlaştırılması için katı (kömür), sıvı (fuel-oil) ve gaz (doğal gaz) yakıtları kullanılır. Yanma sonucu yakıtların kimyasal enerjisi ısı enerjisine dönüştürülür ve bu enerji kazanın su kısmına iletilerek suyun sıcaklığı yükseltilir. En geçerli sınıflandırma yanma sonucu meydana gelen gazlar ile su arasındaki ısı iletimine dayanan sınıflandırmadır. Bu bakımdan kazanlar alev veya duman borulu ve su borulu olmak üzere ikiye ayrılabilirler. Duman borulu kazanlarda yanma gazları bir takım borulardan geçerek, boruların çevresinde bulunan suyu ısıtır ve buharlaştırır. Su borulu kazanlarda ise tersine, su borulardan geçer ve ısıyı boruların çevresinde bulunan gazlardan alır. 3 4
buhar çıkışı Buhar kazanlarının teknik bakımdan değerlendirilmesi üretilen buhar miktarı, etkin alan, verim, ocak yüklenmesi gibi faktörlere göre yapılır. Alev borulu buhar kazanı Hava ve yakıt girişi Yanma odası Su boruları Su borulu buhar kazanı Su girişi baca Bunlardan en çok üretilen buhar miktarı ve etkin alan kullanılır. Üretilen buhar miktarı, kazanın bir saatte ürettiği buhar miktarıdır ve kg/saat veya ton/saat olarak ifade edilir. Bu değer basınç ve sıcaklığa bağlıdır ve bu değerlerle birlikte verilmelidir. Etkin alan, sıcak gazlardan suya, ısı enerjisinin iletildiği alandır ve m² olarak ifade edilir. 5 6 Su borulu buhar kazanlarında su dolaşımı doğal veya suni olabilir. Doğal dolaşım, suyun soğuk ve sıcak yoğunluk farkına dayanarak olur. buhar çıkışı Su girişi Alev veya duman borulu kazanların su hacimleri büyük ve ısınma süreleri uzundur; ayrıca oldukça büyük yer kaplarlar. Alev borulu kazanlarda boruların çapları büyüktür ve sayıları bir veya ikidir. Bu kazanların hacimlerinin fazla olmasından dolayı yük değişimlerinde kısa sürede etkilenmezler. Suni dolaşım, bir pompanın yardımıyla gerçekleşir. Hava ve yakıt girişi baca Temizlenmeleri kolaydır ve bu nedenle kalitesi yüksek olmayan su kullanılabilir. Yanma odası Su boruları 7 8
Isı değiştiricileri Su borulu kazanlar, duman borulu kazanlara göre ısınma süreleri kısa ve aynı değerdeki kazan gücü için çok daha az yer kaplarlar. Bu nedenle sanayide büyük miktarda buhar gereksinimlerini karşılamak için kullanılırlar. Ancak su borulu kazanlar, su hacimlerinin az olması nedeniyle yük değişimlerine daha hassastırlar. Borularının temizlenmesi daha zordur ve bu nedenle kaliteli su kullanılır. Isı değiştiricileri (eşanjör), bir cidarla ayrılmış ve aralarında sıcaklık farkı bulunan iki akışkan arasında ısı iletimini sağlar ve böylece sıcaklığı daha yüksek olan akışkanı soğutur ve sıcaklığı düşük olanı ısıtır. Bu nedenle ısı değiştiricileri ısıtma ve soğutma için kullanılır. Akışkanların birisi su diğeri gaz, her ikisi su veya her ikisi gaz olabilir. Akış aynı veya ters yönlü olabilir. 9 10 Malzeme olarak yüksek basınç ve sıcaklık olan yerlerde alaşımlı çelikler ve normal şartlarda ısı iletim katsayısı yüksek olan bakır veya pirinç kullanılır. Isı değiştiricilerinde önemli problemlerden birisi korozyon, ikincisi ise su kullanıldığı durumda boruların taşla kaplanmalarıdır. Çeşit olarak boru tipi ve plakalı eşanjörler mevcuttur. Plakalı tipte ısı iletim yüzeyinin arttırılması amaçlanmaktadır. Boru tipi ısı değiştiricisi (eşanjör) Plakalı ısı değiştiricisi (eşanjör) 11 12
ve kazandan oluşan bir kalorifer sistemi İdeal Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Çevrimi: Ilık ortam Soğuk su hattı Sıcak su hattı Kazan pompa 1 2 : isantropik (adyabatik ve tersinir) sıkıştırma 2 3 : yoğuşma 3 4 : genişleme 4 1 : buharlaşma Q L : Soğutulan ortamdan çekilen ısı Q H : Isıtılan ortama verilen ısı W g : Verilen iş 3 4 Kısılma vanası Q H Yoğuşturucu Buharlaştırıcı Q L Soğutulan ortam Kompresör 2 1 W g 13 14 Pompalar Yoğuşturucu Kısılma vanası Buzdolabı Kompresör Buharlaştırıcı 3 4 Kısılma vanası Ilık ortam Q H Yoğuşturucu Buharlaştırıcı Q L Soğutulan ortam Kompresör 2 1 W g Tulumba adını da taşıyan pompalar verilen mekanik enerjiyi basınç şeklinde hidrolik enerjiye dönüştürür. Su çıkış ağzı Bu enerji ile sıvı alt tarafta bulunan bir depodan üst tarafta bulunan başka bir depoya gönderilir. Buradan belirli bir şebeke içinde ihtiyaç olan yerlere dağıtılır veya yararlı bir iş yapılır. Su emiş hattı Su Basma kolu Piston kolu Silindir Piston Tek yönlü kapak Sızdırmazlık contası Tek yönlü kapak 15 Bir çeşit su pompası olan ve elle çalışan tulumba 16
Pompalarda çevre basıncı önemli bir rol oynamaktadır. Sıvı, emme deposundan pompaya kadar çevre basıncının etkisiyle ulaşmaktadır. Basma deposu Üst seviye Burada pompa yalnızca sıvının pompaya girmesini kolaylaştıran emme borusunun pompaya girişinde bir hava boşluğu (vakum) oluşturmaktadır. Sıvının emilmesi için tek koşul pompadaki hava boşluğunun, çevre basıncından daha düşük olmasıdır. Çevre basıncı hava (atmosfer) veya başka bir ortamın yarattığı basınç olabilir. Basma borusu Pompa Alt seviye Emme deposu Çek valf Emme borusu Hava (çevre) basıncı Filtre Basma yüksekliği Emme yüksekliği Toplam basma yüksekliği 17 Pompaların çalışma ilkesi 18 Pistonlu pompalar Pompalarda önemli olan belirli bir basıncı meydana getirmek ve bu basınçla sıvıyı belirli bir yüksekliğe basmaktır. Bu nedenle pompaların basıncı genellikle metre su sütünü (mss) olarak verilmektedir. Gerek pompanın gerekse çevre basıncının basma yüksekliği sürtünme kayıplarından etkilenmektedir. Pistonlu pompalar bir silindir ve bunun içinde hareket eden bir pistondan meydana gelirler. Emme subapı silindirin içerisine doğru açılır ve sıvıya sadece dışardan silindir içine girme imkanı verir. Manivela Piston Biyel Sızdırmazlık elemanı Çıkış çek-valfi Giriş çek-valfi Sürtünme kayıpları, sıvının boruların iç cidarları ile sürtünmesinden, dirsek, valf ve musluklarda sürtünme ve direnç kayıplarından meydana gelir. Basma subapı silindirin dış kısmına doğru açılır ve sıvıya silindir içinden dışarıya çıkma imkanı verir. Subaplar çek-valf şeklindedir ve tek yönde akma imkanı verirler. Hidrolik direnç adını da taşıyan sürtünme kayıpları basma yüksekliğini azaltmaktadır. 19 20
Piston sola doğru (alt ölü nokta) hareket ederken silindir içerisinde basıncın düşmesine neden olan hava boşluğu (vakum) oluşur. Görüldüğü gibi pistonlu pompanın iş çevrimi emme ve basmadan meydana gelir. Bunlardan sadece basma sırasında sıvı basıldığına göre sürekli bir debi elde edilemez. Böylece çevre (hava) basıncının etkisi altında emme deposundaki sıvı emme subapını açar ve silindir içerisine emilir. Piston basma strokunda sağa doğru (üst ölü nokta) hareket ederken oluşan basınç artışı emme subapının kapanmasına ve basma subapının açılmasına neden olur ve böylece sıvı basma deposu veya şebekeye basılır. Sürekli debi elde etmenin yöntemlerinden biri pistonlu pompaları tandem şeklinde çalıştırmaktır. Pistonlu pompalar kendi kendine emmeye başlayabilen, hidrolik verimleri yüksek, yüksek basınç meydana getiren ancak tek başlarına sürekli debi oluşturamayan pompalardır. 21 22 Eksenel Pistonlu Pompa Radyal Pistonlu Pompa Pistonlar bir silindir bloğun içerisine radyal olarak yerleştirilirler. Pistonlar eğik bir çalıştırma plakasına bağlıdırlar. Pistonlar eksantrik mil ile hareket ettirilirler. Plakanın dönmesiyle bir piston alt taraftan üst tarafa geçişinde emme strokunu; üst taraftan alt tarafa geçişinde basma strokunu gerçekleştirir. 23 24
Dönel pompalar Dişli Pompa Dişli çarklı pompalar, kapalı bir gövde içerisinde bulunan ve birbirini kavrayan iki dişli çarktan meydana gelir. Döndüren dişli Paletli Pompa Gövdeye göre eksantrik konumda olan, rotor üzerindeki kanallarda radyal hareket edebilen paletler mevcuttur. Dişli çarktan biri motor miline bağlanır, bununla birlikte döner ve serbest olarak yerleştirilen diğer dişliyi döndürür. Dönme sırasında emme tarafında kısmi bir vakum oluşur ve sıvının pompaya girmesini sağlar. Dişlilerin dönmesiyle sıvı basma tarafına doğru sürüklenir ve buraya geldiğinde dışarıya basılır. Döndürülen dişli Rotorun dönmesi sırasında oluşan merkezkaç kuvvetleri paletleri dışarıya savurur ve uçlarını gövdeye dayanmaya zorlar. Böylece rotorun dönmesi sırasında pompa içerisinde genişleyen ve tekrar daralan ayrı ayrı hücreler oluşur. Genleşme durumunda hücrelere sıvı emilir, daralma sırasında bu sıvı dışarıya basılır. 25 26 Kompresörler Santrifüj pompa Bir gövde ve kanatlardan oluşan bir çarktan meydana gelmektedir. Çark gövdeye göre eksantrik yerleştirilmektedir. Çarkın merkez kısmından eksenel olarak giren sıvı, çarkın kanatları taraından döndürülür ve merkezkaç kuvvetlerin etkisi altında çark ile gövde arasındaki boşluğa fırlatılır. Burada dairesel bir yörünge takip ederek basma ağzından çıkar. Basınçları ve hidrodinamik verimleri düşüktür. Emme borusunda vakum yaratamadığı için pompanın besleme deposunun su seviyesinin altına yerleştirilmesi veya başlangıçta pompa gövdesinin su ile doldurulması gerekir. Kompresörler; herhangi bir işte kullanılmak üzere gazları düşük basınçtan yüksek basınç haline getiren makinelerdir. İlke olarak çalışma prensipleri aynı olan pompa ile kompresör arasındaki fark, gazların sıvılara göre sıkıştırılabilir ve yoğunluklarının çok daha düşük olmalarından ileri gelmektedir. Sıkışma sırasında gazların basıncı ve sıcaklığı artar, genleşmede ise basıncı ve sıcaklığı azalır. Bu nedenle kompresörden çıkan basınçlı hava, iş makinesinde genleşir, basıncı ve sıcaklığı azalır ve önlem alınmazsa bir kısmı su damlacıkları şeklinde yoğuşur. 27 28
Pistonlu Kompresör Pistonlu pompalarda olduğu gibi pistonlu kompresörlerde de iş çevrimi emme ve basma olmak üzere iki kademeden meydana gelir. Dönel kompresörler Paletli kompresör Santrifüj kompresör Vidalı kompresör 29 30