Maale KAZANLARDA EKSERJĐ ANALĐZĐ Arş. Gör. Kemal ÇOMAKLI * Prof. Dr. Bedri YÜKSEL ** Atatür Üniversitesi Mühendisli Faültesi Maine Müh. Böl. ERZURUM email: (*) comali@atauni.edu.tr (**) byusel@atauni.edu.tr Özet Termodinamite, tersinmezliler, enerji dönüşümü sırasında oluşan düzensizlilerden aynalan matadır. Đç enerji, ısı enerjisi ve imyasal enerji, düzensizlilerin ço olduğu enerji türleridir. Bu enerjilerin dönüşümü sırasında, enerjinin önemli bir ısmı tersinmezlilere, yani ullanılmayan enerji olara harcanmatadır. Yanma olayları bu enerjilerin bütününü apsadığından azanlardai tersinmezliler büyü boyutta olmatadır. Bundan dolayı azanlarda ullanılabilirli, yani eserji analizi olduça önem arz etmetedir. Bu çalışmada, fueloil yaan bir azanda eserji analizi yapılara azanda yanma sırasında meydana gelen tersinmezliler hesaplan mıştır. Arş. Gör. Kemal ÇOMAKLI 1994 yılında KTÜ MühMim Faültesi Maine Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. 1997 yılında Atatür Üniversitesi Fen Bilimler Enstitüsü Maine Müh. Anabilim Dalı Enerji Bilim dalında yüse lisansını ta mamladı. Halen aynı üniversitede dotora eğitimine devam eden Çomalı Atatür Üniversitesi Mühendisli Faültesi Maine Mühendisliği Bölümünde Arş.Gör. olara çalışmatadır. Đlgi alanları, yenilenebilir enerji aynaları, enerji tasarrufu, termal sistemlerde eser ji analizi. Prof. Dr. Bedri YÜKSEL 1977 yılında Karadeniz Teni Üniversitesi Mü hendisli Mimarlı Faültesi Maine Mühendisliği Bö lümü'nden mezun oldu. 197778 yıllarında T.C Kara yolları Genel Müdürlüğünde çalıştı. 1980 yılında Ata tür Üniversitesinde Araştırma görevlisi oldu. 1984 yılında dotorasın tamamladı. 1994 yılında doçent, 1999 yılında Profesör oldu. 9 yıl süreyle Maine Mü hendisliği Bölüm Başanlığını, 8 yıl süre ile de Mes le Yüse oulu Müdürlüğü yaptı. Halen Erzurum Mesle Yüseoulu Müdürlüğünü yapmatadır. Enerji eonomisi, yeni ve yenilenebilir Enerji ayna ları, tesisat alanlarında çalışmalarını sürdürmetedir. 1. Giriş Dünya nüfusunun artması ve toplumların hızla sanayileşmesiyle birlite, fosil aynalı enerji tüetimi de hızla artmıştır. 1800 li yıllar da dünya enerji tüeti minin %5 ini fosil ay nalar oluştururen gü nümüzde bu oran %90 lar seviyesindedir. Fosil yaıt tüetimindei bu hızlı artış hem ay na sorununu hemde önemli çevre problemlerini de gündeme getir miştir. Bu durum, bilim adamlarını enerjinin daha verimli ullanılmasını araştırmaya, hüümetleri ise enerji politialarını yeniden gözden geçirmeye yöneltmiştir. Bu gerçe, enerji dönüşüm sistemleri nin yeniden değerlendirilmesine ve enerji aynalarının masimum verimde ullanılması için yeni yöntemler geliştirilmesine neden olmuştur. Sınırlı rezervlere sahip olan dünyada, enerji ta lebini azaltma için enerjiyi verimli ullanma geremetedir. Özellile enerji tüetimi yüse olan tesislerde, enerjinin verimli ullanılması, enerji maliyetini düşüreceği gibi, ayıp enerjiyi geri azanma için yapılan sistemlerin maliyetlerini de en aza indirmiş olacatır. Ayrıca fosil yaıt yaılan sistemlerde ener ji dönüşümü sırasında, çevreye atılan zararlı emis yonların minimum mitarda olması çevreyi de daha az irletecetir. Enerji dönüşüme uğraren çeşitli süreç lerden geçer. Bu süreçler termodinami anunlarına göre incelenir ve enerji dönüşüm sistem leri buna göre boyutlandırılır. Bunun için enerjinin orunumunu ifade eden Termodinamiğin I. Kanunu ile birlite, sis temlerdei ullanılabilir enerji mitarını da belirleyebilme için, araştır macılar Termodinamiğin II. Kanununa göre de sistemleri incelenmeye alırlar. Özellile bir enerji sisteminin yapabi TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / KasımAralı 2002 33 leceği masimum yararlı iş, genellile analiz edilir ve sistemin ullanılabilirliği buna göre belirlenir. Bir sistemin ullanılabilirliği, enerji dönüşüm sı E = E ph E 0 (2)
rasında meydana gelen tersinmezlilere bağlıdır. Tersinmezliler, sistemin iş yapma yeteneğini azaltacağından, sistemlerde tersinmezlilerin az olması istenir. Buradan anlaşılacağı üzere, enerjinin anca bir ısmı ullanılabilmetedir. Enerjinin ullanılabi len ısmı "Eserji" olara adlandırılır ve Termodinamiğin II. Kanunu ile açılanır. Tersinmezliler, enerji dönüşümü sırasında oluşan düzensizlilerden dolayı meydana gelmetedir. Đç enerji, ısı enerjisi ve imyasal enerji, düzensizlilerin ço olduğu enerji türleridir. Bu enerjilerin dönüşümü sırasında, enerjinin önemli bir ısmı tersin mezlilere, yani ullanılmayan enerji olara harcanmatadır. Yanma olayları, bu enerjilerin bütününü apsadığından, azanlardai tersinmezliler büyü boyutta meydana gelmetedir. Bunun için azanlarda ullanılabilirli, yani eserji analizi olduça önem arz etmetedir. Ülemizde tüetilen enerjinin büyü bölümü, termal sistemlerde harcanmatadır. Termi santrallerde, sanayide, onutlarda ve diğer alanlarda ihtiyaç duyulan ısı enerjisi, azanlarda yaılan yaıtlardan elde edilmetedir. Özellile enerjimizin % 34 ünü ul lanan onutların ısınma ihtiyacı tamamen azanlar yoluyla sağlanmatadır. Bundan dolayı ısı elde et me için ullanılan azanların, enerji tasarrufu ve hava irliliği açısından incelenmesi, tasarlanması ve ullanılaca sisteme uygun azan ve yaıt türü seçilmesi gereir. Bu çalışmada fueloil yaan bir azanda enerji ve eserji analizi yapılara azanda yanma sırasında meydana gelen tersinmezli he saplanmıştır. Bir sistem için eserji dengesi; molar formu ise e = ee ph 0 (3) şelinde ifade edilebilir. Đdeal gazlar için fizisel eserji: P e ph C p e (T T0 ) RT 0 ln (4) P 0 burada; C p e, Eserjeti ısı apasitesi olup T sıcalığının bir fonsiyonudur. Đdeal gaz arışımları için imyasal eserji e 0 : e = n T x i e 0 i RT0 x i lnx i (5) i i burada n T, gazın toplam hacmini, x ise i gazının hacimsel oranını göstermetedir. 1. Kazanlarda Eserji Analizi Bilindiği gibi azanlar, içerisinde yaılan yaıtın yanma enerjisini, sistemde iş gören aışana a tarma için ullanılan elemanlardır. Yanma sonu cunda oluşan ısının tamamı aışana atarılama matadır. Isının bir ısmı azanın yüzeylerinden, diğer ısmı ise baca gazı ile atmosfere atılmatadır. Kullanılamayan ısının büyülüğü, azan verimini etileyen önemli parametredir. Dolayısı ile yaıt tüetimi de verime bağlı olara değişmetedir. Bu ne denle azanların verimliliği, hem enerji açısından hem de eserji açısından incelenmesi gereir. E g E ç = E Q W I (1) giren çıan şelinde yazılır[1]. Burada; E: eserji, W: iş, I: tersinmezli için ullanılan sembollerdir. Bir madde için eserji ise ( ineti ve potansiyel eserjiler ihmal edilere) Yaıt ve hava azana, T 0, P 0 şartlarında girdi ğinde, eserji denlemi aşağıdai gibi yazılır[1]. E KYSÇ = (E E SG ) E KK E KB I (6) buradan azanda meydana gelen tersinmezli ise I E KY (E E SÇ SG ) E E KK KB (7) 34 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / KasımAralı 2002 Baca gazı eserjisi E KB : Aşağıda verilen bağıntılardan hesaplanır. E KB = E Kim. E Fiz. (10) Translation Error. No Dis File E Kim. = n T e 0 (11) e 0 = x e 0 RT0 x lnx (12)
Şeil 1. Kazanın şemati gösterimi şelinde hesaplanabilir. Yaıt eserjisi E KY : E KYy = m fhu (8) Hu yaıtın alt ısı değeri (J/g), f ise yaıt eserjisinin alt ısıl değere oranıdır. Bu değer, yaıtların imyasal bileşimlerinden hesaplanır ve petrol türevi yaıtlar için 1.04 ile 1.08 arasında değişir. Bazı ya ıtlar için f değerleri Tablo1 verilmiştir. Tablo 1. Bazı yaıtlar için f değerleri[1] Yaıt f = e Y / Hu Ko 1.05 Farlı tip ömürler 1.061.10 Odun 1.151.30 Fueloil tipleri 1.041.08 Doğal gaz 1.04 ± %0.5 Kazan yüzeylerinden olan eserji ayıpları E KK : T 0 E = Q Y (1 ) (9) T Y burada Q Y azan yüzeylerin çevreye olan ısı ayıplarını göstermetedir. Genellile %1 civarında bir değer alınmatadır [2]. T Y ise azan yüzey sıcalığıdır. E Fiz. n e Fiz, (13) n e Fiz, = (T 2 T 0 ) n C e P, (1) Yuarıdai denlemlerde; n baca gazı hacmini, e 0 her bir gazın standart imyasal eserjisini, x gazların hacimsel oranlarını, C e P her bir gazın baca gazı sıcalığına teabül eden eserjeti ısı apasi tesini göstermetedir.ir. Sıca suyun eserjisi (E SÇ E SG ): E SÇ E SG = m S (h SÇ h SG0 ) T (s SÇ s SG ) T SÇ (15) = m S C p (T SÇ T SG0 ) T C p ln T SG şelinde hesaplanır. Kazanın enerji ve eserji verimleri: Kazanın enerji verimi; m(t S C p SÇ T SG ) h I = (16) m Y Hu Eserji verimi ise E SÇ E SG h II = y = (17) E KY bağıntıları ile hesaplanır. 2. Örne Hesaplama Bir uygulama örneği olara; yılda 100 000 g fu TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / KasımAralı 2002 35 eloil (Hu = 42250 J/g) yaan bir alorifer azanı için yuarıdai hesaplar yapılmıştır. Kazan giriş suyu ve çıış suyu sıcalıları uygulamada yaygın ullanılan sıcalılar olan sırası ile (ortalama) 65 C ile 85 C seçilmiştir. Kazan yüzeylerinden olan ısı ayıpları mitarı ise daha öncei çalışmalardan el de edilen değerler doğrultusunda %1 olara alın mıştır [2]. Hesaplamalar hava fazlalı atsayısının altı değeri için yapılmıştır. (HFK=1.05, HFK=1.10, HFK=1.3, HFK=1.5, HFK=1.7, HFK=1.9). HFK nın ii değeri için baca gazı mitarları ve hacimsel oranları Tablo 2 de verilmiştir. Baca gazı sıcalığı ortalama 160 C alınmıştır. Hesaplarda hacimsel oranı ço üçü olan baca gazları diate dışarı atılmatadır. Böyle durumlarda ise esi yanma ayıpları oluşur. Bunun için azanlarda e si yanma ve baca ayıplarının en üçü değerle rinde çalışılmalıdır. Yanma olayları sırasında mey dana gelen tersinmezlilerden ve ısının suya atarımındai tersinmezlilerden dolayı eserji verimi azanlarda düşü çımatadır. Ayrıca baca gazı e serjisinden yararlanılamaması bunun bir diğer nedenidir. Tablo 4. Kazanda enerji ve eserji değerleri HFK=1.3 HFK=1.9 8 8
alınmamıştır. Baca gazları için standart imyasal eserjiler ile baca gazı sıcalığına göre Eserjeti ısı apasiteleri Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 2. Baca gazı bileşenleri HFK=1.3 HFK=1.9 Bileşen n(mol) x (%) n(mol) x (%) CO 2 7000 11.09 7000 7.7 H 2 O 5500 8.72 5500 6.05 SO 2 31.25 0.0049 31.25 0.0034 O 2 2920 4.62 6814 9.64 N 2 47626 75.5 62266 76.57 Tablo 3. Baca gazlarının e 0, C e p değerleri [1] e 0 C e p (T=160 C) J/mol J/mol CO 2 20140 7.44 H 2 O(g) 11710 5.91 SO 2 303500 7.65 O 2 3970 5.22 N 2 720 5.20 4. Sonuç Bu verilere göre azan için enerji ve eserji he sapları yapılmış ve sonuçlar Tablo 4, Şeil 1 ve Şeil 2 verilmiştir. Hesaplanan değerlerden görül düğü gibi, hava fazlalı atsayısının artması ile ve rimlerde önemli ölçüde düşüş görülmetedir. Dola yısıyla azan verimini doğrudan etileyen etmenlerden biri yanma havasıdır. Fazla hava mitarının artması, yanmaya arışmayan havanın ısıtılara ba cadan dışarı atılması sonucunu ortaya çıarmata, bu da baca ayıplarını artırmatadır. Esi hava verilmesi durumda ise yaıtın bir ısmı yanmadan Q B (J) 2.46x10 8 3.50x10 8 Q S (J) 3.99x10 9 3.89x10 8 Q K (J) 4.22x107 4.22x107 E KB (J) 1.72x10 8 1.75x10 8 E KS (J) 5.73x10 8 5.58x10 8 E KK (J) 1.63x10 6 1.63x10 6 I (J) 3.73x10 9 3.74x10 9 h (%) 94.5 92.1 y (%) 12.79 12.46 9 6 9 5 Şeil 2. Enerji veriminin HFK ile değişimi Optimum hava fazlalı atsayısı yaıt türüne, azan tasarımına ve işletme parametrelerine bağlıdır. Bundan dolayı termal bir sistem uruluren sisteme göre azan, azana göre yaıt yaıta göre HFK seçilmelidir. Örneğin fueloil yaan bir azan için HFK 1.11.3 arasında değişmetedir[3].yapılan incelemeler sonucunda görülecetir i; bir ço sis temde gereğinden fazla hava ile çalışılmatadır. Bunun sonucunda hem hava geresiz yere ısıtılıp atmosfere atılmata, hem de yaıt tüetiminin art ması sonucu çevre irliliği ve eonomi girdilerde artmatadır. 36 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / KasımAralı 2002 1 3. 2 0 1 3. 0 0 Şeil 3. Eserji veriminin HFK ile değişimi Tablo1. Yaıtın ütlesel analizi [4] c h o n S % % % % % 0.84 0.11 0.02 0.02 0.01 5.Kaynalar [1]. Kotas, T.J., 1995, The exergy method of ther mal plant analysis. Krieger publishing [2]. Aaya, E., 1995, Kazan bacalarındai ısı ayıplarının belirlenmesi. Termodinami şubat sayısı sayfa 4748 [3]. Borat, O., Balcı, M., Sürmen A., 1992, Yan ma bilgisi. Teni eğitim vafı yayınları. [4]. Terzioğlu, T., 1997, Kazanlarda yanma verimi ve çevre irliliğine etisinin incelenmesi. Y.Lisans tezi, Atatür Ün. Fen Bil. Enst. [5]. Onat, K., 1990, Kullanılabilir enerji aybının azaltılması. Temodinamiğin Đinci anunu Çalışma Toplantısı, Erciyes Üni. 291 [6]. Cornelisen, R.L., 1997, Thermodynamics and sustainable development. Enschede Nether lands. DÜZELTME Tesisat Mühendisliği Dergimizin 71. sayısında, Doç. Dr. Olcay KINCAY, Doç. Dr. Recep ÖZTÜRK ve Ma. Müh. Ali Metin YÜCEL in Ülemiz Enerji Bütünlemesinde Termi Enerji Santralleri adlı maalesindei 6. Tabloda bulunan Fueloil sütunundai değerler yapılan bir hata neticesinde Dieseloil için de aynen terarlanmıştır. Aşağıda Tablo
Fueloil sütunundai değerler yapılan bir hata neticesinde Dieseloil için de aynen terarlanmıştır. Aşağıda Tablo 6 nın düzeltilmiş hali verilmiştir. Tablo 6. 2000 Yılında Fueloil ve Dieseloil Yaan TES in Ana Özellileri. Özelliler Net Üretim (GWh) Ünite Sayısı I. Ünitenin Çalışma Tarihi Toplam Kurulu Gücü (MW) Yüleme Fatörü (%) Yaıt Mitarı (ton/yıl) Alt Isıl Değer (w/g) Özgül Isı (MJ/MJ) Özgül Yaıt (g/wh) Ortalama Isıl Verim(%) Birim Maliyet Bürüt (cent/wh) Net Kısa Yaıt Analizi (ağırlı) (%) Ambarlı 3.820,8 5 1967 630 73,5 96.637,9 40.193 2.685 252,9 37,2 3,88 4,08 Karbon 8186 Sülfür 24 Nitrojen 02 Sodyum 3,5 ppm Sediment 0,5 ma. Fueloil yaan TES Hopa 184,0 2 1973 50 56,3 67.302 40.193 3.808 365,8 26,3 6,54 7,02 Hidrojen 1013 Su 01 Osijen 02 Kül 0,1 max Vanadyum 185 ppm Aliağa C.C. 852,7 6 1975 180 62,6 216.912 43.124 2,96 254,4 33,8 16,60 17,08 Karbon 8186 Sülfür 1,0 max. Kül 0,01 max. Dieseloil yaan TES Engil G.T. 7,3 1 1996 15 7,2 2.944 43.124 4,70 403,3 21,3 28,58 29,24 Osijen 1,0 Hidrojen 012 Baca Gazı Emisyonları SO 2 (g/mwh) NO x Toz 20,23 2,03 1,31 29,26 2,94 1,90 0,51 2,21 0,51 2,21 Çevresel Etileri MDC a Önleme Olanağı FGD b a MDC: Meani toz tutucu b FGD: Baca gazı üürt arıtma tesisi Kayna: TEAŞ, 2000a; Anon, 2000b; Anon, 2002. TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ / KasımAralı 2002 37