TÜRKİYE'DE İMAL EDİLEN SOBALARIN ISIL VERİMLERİ Ö. Ercan ATAER Abuzer K. ÖZSUNAR Gazi Üni.Mak.Müh.Bölümü 1. GİRİŞ Konutların ısıtılmasında kullanılan sobaların enerji ekonomisi ve çevre yönünden uygun bir yanmayı sağlayacak, şekilde imali ve işletilmesi oldukça önemlidir. Ülkemizde konutların büyük çoğunluğu soba ile ısıtılmaktadır. Türkiye'de enerji üretiminin büyük bir bölümü linyitten sağlanmaktadır ve üretilen enerjinin yaklaşık yarısı konutların ısıtılmasında kullanılmaktadır. Bu nedenle enerji ekonomisi yönünden sobaların incelenmesi büyük önem taşımaktadır. Sobalarla ilgili standart (TS 4900) Mayıs 1986'da yayınlanmıştır. Bu standarta göre minimum soba ısıl veriminin %70 olması gerekmektedir [1]. Ancak bu standartın uygulanması henüz zorunlu hale getirilmemiştir. Sobaların ısıl verim testleri enerji ekonomisi ve çevre sorunları açısından uygun bir yanma sağlayacak soba tasarımı ve işletme verilerinin saptanmasında oldukça önemlidir. Isıl verim testlerinde iki yöntem uygulanmaktadır. Bunlar dolaysız (direk) ve dolaylı /indirek) yöntemdir [1. 2]. Bugün Türkiye'de soba imal eden çok sayıda imalatçı kuruluş vardır. Bu sobalardan bazılarının konstrüktif özelliklerinin belirlenmesi konusunda bir çalışma Sanayi ve Teknoloji Bakanlığınca yapılmıştır [3]. Bazı resmi kuruluşlarca klasik linyit sobası, kovalı linyit sobası ve odun sobasının ısıl verimlerinin belirlenmesi için TS 4900 ve DİN 18892'ye uygun olarak deneyler yapılmıştır. Bu deneylerden dolaylı yöntem kullanılarak elde edilen klasik linyit sobaları için 68, kovalı linyit sobaları için 68 ve odun sobaları için 21 test sonucu toplanmış ve bu ölçümlere basit istatistik yöntemler uygulanmıştır. 2. DENEYSEL YÖNTEM Bu çalışmada resmi kuruluşlarca TS 4900 ve DİN 18892'ye uygun olarak ve dolaylı yöntem kullanılarak elde edilen linyit, kovalı linyit ve odun sobalarının ısıl verim testlerinin sonuçları kullanılmıştır. Dolaylı yöntem linyit ve odun sobalarına uygulanırken alttan yakma tekniği, kovalı linyit sobalarına uygulanırken de üstten yakma tekniği uygulanır. Her iki teknikde de sobalarda yaklaşık bir saat süre ile sürekli yanma sağlandıktan sonra oluşan tutuşturma koru üzerine, yanma ısı gücü sobanın 4 saat süre ile yanmasını sağlıyacak miktarda yakıt ile yüklenir. Deney TS 4900'de belirtilen şartlara uygun olarak hazırlanır ve sürdürülür. Deney boyunca 10'ar dakika ara ile baca gazı sıcaklığı, baca gazı analizleri, deney odası sıcaklığı ve sistem ağırlığı ölçümleri alınır. Deney sonunda yanma artıkları alınarak tartılır ve içerisindeki yanmamış karbon oranı belirlenir. Baca gazı sıcaklığı 100 C'ün altına düşünceye kadar deneye devam edilir. Dolaylı yöntemde sobanın yararlı ısısı sobanın ısıl kayıpları kullanılarak belirlenir. Baca gazları duyulur ısı kaybı C-C 9r r H2 + r H2O Qg=[ c + pm ] (1) C (T9 -T~) P 0,536 (PCQ>+PCO) 100 bağıntısı kullanılarak hesaplanır. Bu bağıntıdaki C r ağırlık cinsinden deney sonundaki kül ve diğer artıklardaki karbon miktarının yüklenen yakıt miktarına oranıdır ve yaklaşık olarak - 91
Cr-bR/100 (2) ifadesinden hesaplanır. Denklem (1)'deki diğer parametreler semboller kısmında açıklanmıştır. Baca gazlarındaki eksik yanma kaybı, baca gazları ile birlikte yanmadan dışarıya atılan CO ve H 2 oranına bağlı olarak C-C q,»3020p (C o +H2 ) < 3 > 0,536 (Pcos+Pco)* 100 bağıntısından hesaplanır. İzgara altına dökülen ve yanma sonunda sobada veya yakıt kovasında kalan kül ve diğer artıklardaki yanmış karbonun neden olduğu ısı kaybı, Q a = 80bR/100 (4) ifadesinden hesaplanır. Sobanın toplam ısı kaybını baca gazları duyulur ısı kaybı, baca gazları eksik yanma kaybı ve artıklardaki yanmamış yakıt kayıpları oluşturur. Dolayısıyle toplam ısı kaybı, Qt-Qg + Qb + Qjj (5) şeklinde ifade edilir. 8u ifade deki Q g, Q D ve Q a deney boyunca alınan verilerden sırasıyla Denklem (1), (2) ve (3) kullanılarak hesaplanan ısıl kayıpların ağırlıklı ortalamasıdır. Sobanın ısıl verimi, n = Hu (6) bağıntısı kullanılarak hesaplanır. Bu ifade deki H u yakıtın alt ısıl değeridir. Tutuşturmada kullanılan oduna ait ısıda Denklem (6) da H u ya ilave edilir. Kömürün tutuşturulmasında kullanılan kuru odun miktarı deneylerde 1 kg'dan fazla olmaması gerekir. Sobaların ısıl verimlerinin incelenmesi konusunda bir çalışma Sanayi ve Teknoloji Bakanlığınca yapılmıştır [3]. 3. İSTATİKSEL YÖNTEM İlk aşamada, toplanan soba verimi test sonuçlarının frekans grafiklerinin çizilmesi amaçlanmıştır. Her üç çeşit soba için ısıl verim test sonuçları %3 aralıklarla gruplandırılmış ve Her " i " aralığı için göreli frekans, f (n,) f(tlj) = n i n (7) bağıntısından hesaplanmıştır. Bu bağıntıdaki n her soba türü için toplam test sayısı ve ni'de belirlenen aralıklardaki test sayısıdır. ikinci aşamada, her üç soba türü için n adet test sonucu kullanılarak Standard sapma, a (r\) - 92 -
c(fj) (8) Vn bağıntısından hesaplanmıştır. Bu bağıntıdaki o n o- ( )o a n-1 (9) ifadesinden hesaplanmıştır. Denklem (9)'daki o a gerçek sapmadır. Standard sapmanın duyarlılığı, başka bir deyimle o (rı)'da beklenen hata o(n) ola (vfl 0 L J Vn-2 (10) bağıntısı kullanılarak belirlenmiştir. Soba verim testi sonuçlarından istatistik analizoe dikkate alınmaması gerekenler Chauvenet kriteri kullanılarak belirlenmiştir. Bu kritere göre eğir i. test sonucu [i-2l(ßj)]<1/2n (11) eşitsizliğini sağlarsa bu test sonucunun analizde dikkate alınmaması gerekir. Bu bağıntıdaki I (ß j) normal hata fonksiyonunun integralidir ve '?» A*"» ifadesi ile tanımlanır. Denklem (11) deki ß j ßi = (nj-n m )/o, (13) bağıntısı kullanılarak hesaplanır., Her üç soba türü için elde edilen test sonucu dağılımlarının Normal (Gaussian) dağılımı olup olmadığı başka bir deyişle gelişi güzel olmayan hata kaynaklarının kontrolü amacıyla test sonuçlarına Chi - Kare testi uygulanmıştır. Bu testin uygulamasında N X?= E fn 0 -n e -ı K-iL-^-iJ (14) büyüklüğü hesaplanmıştır. Bu bağıntıdaki n o gözlenen deney sonuçlarının sayısı ve ne'de beklenen sonuçlarının sayısıdır. Diğer taraftan N toplam deney sayısıdır. Denklem (14)'den de görüleceği gibi X 'nin büyük değerlerinde daha çok deney sonucu beklenen değerden sapma gösterecektir. Şekil 4 kullanılarak % olarak olasılıkların hesaplanabilmesi için serbestlik derecesi Pin belirlenmesi gerekir. Serbestlik derecesi F-N-k < 15 > 93 (12)
bağıntısından hesaplanır. Bu bağıntıdaki k formülasyondaki limit sayısı ve N toplam durum sayısıdır. Chi - Kare testi eldeki deneysel sonuçların kabul edilen dağılımla nasıl uyum sağladığını gösterir. Şekil 4'de görüldüğü gibi x 2 nin değerinin sıfıra yaklaşması durumunda beklenen dağılımla ölçülen dağılım birbirinin benzeri olacak ve x arttıkça uyum azalacaktır. Diğer taraftan olasılığın 0,05 < P < 0,90 aralığında beklenen dağılımla ölçülen dağılımın uyum içerisinde olduğu kabul edilir (4). 4. SONUÇLAR Resmi kuruluşlardan klasik linyit sobası için 68, kovalı linyit sobası için 68 ve odun sobası için 21 deney sonucu toplanmıştır. Bu deney sonuçları %3 ısıl verim aralıklarına ayrılmış ve Denklem (7) kullanılarak göreli frekans grafikleri çizilmiştir. Çizimler klasik linyit sobası, kovalı linyit sobası ve odun sobası için sırasıyla Şekil 1, 2 ve 3"de verilmiştir. Bu şekillerde her sütun üzerinde verilen değerlerden üstteki o aralıktaki ölçüm sayısı ve alttaki göreli frekans değeridir. Başlangıçta deney sonuçlarının dağılımlarının Gaussian dağılımı olduğu varsayılarak ortalama sapma ve standard sapmadaki hata hesaplanmıştır. Bu değerler, Denklem (8) ve (10) kullanılarak sırasıyla standard sapma ve standard sapmadaki hata hesaplanmıştır. Bu değerler, Denklem (11) ile verilen Chauvenet kriterinde kullanılarak istatistik analizde ihmal edilmesi gereken deney sonuçları belirlenmiştir. Bu işlem sonunda kovalı linyit sobalarına ait deney sonuçlarında bir tanesi ihmal edilmiştir. Bu durumda kovalı linyit sobaları için ortalama değer, standard sapma ve standard sapmadaki hata yeniden hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar Tablo i'de verilmiştir. Tabloda görüldüğü gibi klasik linyit sobasının ortalama ısıl verimi %42,5 ± 1,5, kovalı linyit sobasının ortalama ısıl verimi %55,3 ± 1,2 ve odun sobasının ortalama ısıl verimi %26,7 ± 1,8 olarak hesaplanmıştır. 2 Deneysel sonuçların dağılımının Gaussian dağılımına uyup uymadığı X testi ile kontrol edilmiştir. Bunun için veriler göreli frekans grafiğinin çiziminde olduğu gibi her soba türü için %3'iük ısıl verim aralıklarına ayrılmıştır. Uygulamada toplam ölçüm sayısı ve ortalama değer ile standard sapmanın toplam limit sayısını belirlediği kabul edilerek her üç soba tipi için limit sayısı k, 3 alınmıştır. Denklem (14) kullanılarak hesaplanan x değerleri, klasik linyit sobası, kovalı linyit sobası ve odun sobası için sırasıyla Tablo 2, 3 ve 4'de verilmiştir. Tablolarda görüldüğü gibi her ısıl yerim aralığı için x değeri hesaplanmış ve bu değerler toplanarak her soba tipi için toplam x değeri hesaplanmıştır, x değeri klasik linyit sobaları için 19,11, kovalı linyit sobası için 33,99 ve odun sobası için 7,12'dir. Tablo 2, 3 ve 4'de görüldüğü gibi, toplam durum sayısı, N klasik linyit sobası, kovalı linyit sobası ve odun sobası için sırasıyla 17,18 ve 11, diğer taraftan Denklem (15) kullanılarak serbestlik dereceleri de sırasıyla 14, 15 ve 8 olarak belirlenmiştir. 2, Her soba tipi için hesaplanan x ve F değerleri kullanılarak Şekil 4'den olasılık, P hesaplanmıştır. Klasik linyit sobası, kovalı linyit sobası ve odun sobası için olasılıklar Şekil üzerinde sırasıyla A, B ve C noktaları ile gösterilmiştir. Olasılık klasik linyit sobası için %30, kovalı linyit sobası için %2 ve odun sobası için %50 olarak belirlenmiştir. Hesaplanan bu değerlere bakıldığında %30 ve %50 olasılık değerleri oldukça büyüktür. Olasılığın 0,05 < P < 0,98 aralığında olduğu klasik linyit sobası ve odun sobası için deneysel sonuçların dağılımlarının Gaussian dağılımına uygun olma olasılığı büyüktür. Dolayısıyle bu iki soba tipi ile ilgili sonuçların Normal dağılımından sapmalarının önemli olduğu söylenemez. Diğer taraftan kovalı odun sobası için toplanan deneysel sonuçların Gaussian dağılımı olma olasılığı oldukça küçüktür. 5. SONUÇLARİN İRDELENMESİ Gaussian dağılımı olduğu varsayılarak, toplanan deney sonuçlarından klasik linyit sobasının ortalama ısıl verimi %42,4 ± 1,5, kovalı linyit sobasının ortalama ısıl verimi % 55,3 ± 1,2 ve odun sobasının ortalama ısıl verimi %26,7 ± 1,8 olarak hesaplanmıştır. Chi - kare testi uygulanarak dağılımların Normal olup olmadığı kontrol edilmiştir. Kovalı linyit sobası ile ilgili deney '- 95 -
- 96 -
Şekil 3. Odun sobası için göreli frekans grafiği. sonuçlarının Normal olma olasılığının küçük, klasik linyit ve odun sobaları ile ilgili deney sonuçlarının Normal dağılımdan sapmalarının önemli olmadığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar Türkiye'de imal edilen klasik linyit ve odun sobalarının ısıl verimlerinin standartda (TS 4900) belirtilen %70 ısıl verimin çok altında olduğunu göstermiştir. Düşük soba ısıl verimleri, ülkemizdeki soba imalatının önemli ölçülerde gelişigüzel bir şekilde sürdürüldüğünü göstermektedir. Bu düşük ısıl verimli sobaların yerine %70 veya daha yüksek ısıl verimli sobaların kullanılmasının ulusal ekonomiye katkısı büyük olacaktır. Bu nedenle sobalarla ilgili standart zorunlu hale getirilmeli ve yüksek ısıl verimli sobaların tasarımı üzerinde çalışılmalıdır. - 97 -
98 -
2 Tablo 4. Odun sobası için X 'nin hesaplanması n 0 15,5 18,5 21,5 24,5 27,5 30,5 33,5 36,5 39,5 42,5 ' CO ß 3,170 1,328 0,973 0,616 0,260 0,096 0,492 0,808 1,165 1,521 1,887 oo l(ß) 0,49900 0,40791 0,33323 0,23105 0,10257 0,04062 0,17400 0,29045 0,37799 0,43586 0,46974 0,50000 Al(ß) 0,09109 0,07468 0.102İ8 0,12848 0,06195 0,13338 0,11645 0,08754 0,05787 0,03388 0,30260 "e 1.91 1,57 2,15 2,70 1,30 2,81 2,45 1,84 1,22 0,71 0,64 n 0 3 3 2 3 1 2 2 3 1 1 0 (n o -n e ) 2 n e 0,62 1,31 0,01 0,18 2,22 1.16 0,08 0,73 0,04 0,13 0,64 X 2 = 7,12 SEMBOLLER b Ağırlık cinsinden kül ve diğer artıklardaki karbon oranı (%) C Ağırlık cinsinden deney yakıtının karbon oranı (%) C r Ağırlık cinsinden deney sonundaki kül ve diğer artıklardaki karbon miktarının yüklenen yakıt miktarına oranı (%) c p Kuru baca gazları özgül ısısı (kcal/nm 3 C) F Serbestlik derecesi H u Yakıt alt ısıl değeri (kcal / kg) k Limit sayısı N Toplam deney sayısı n Deney sayısı n e Beklenen ölçüm sayısı n 0 Gözlenen ölçüm sayısı Pco 2 Hacim cinsinden baca gazındaki CO 2 oranı (%) Pco Hacim cinsinden baca gazındaki CO oranı (%) Q a Kül ve diğer artıklarda yanmamış yakıt kaybı (%) Q 3 Baca gazları ndaki eksik yanma kaybı (kcal / kg) Q t Toplam ısı kaybı (kcal / kg) R Ağırlık cinsinden kül ve diğer artık miktarının yüklenen yak«ıt miktarına oranı (%) rn Ağırlık cinsinden deney yakıtındaki hidrojen oranı (%) r H 2 o Ağırlık cinsinden deney yakıtındaki su oranı (%) Tg Baca gazı sıcaklığı ( C] TS Deney odası sıcaklığı ( C) ' t] Isıl verim T m Ortalama ısıl verim o Standard sapma KAYNAKLAR 1. " Sobalar, Katı Yakıt (Kömür) Yakan ", Türk Standardı, TS 4900, Mayıs 1986. 2. " Daverbrand - Heizensätze für feste Brennstoffe ", Deutsch Norm, April 1985. 3. ' Türkiye'de İmal Edilen Bazı Soba Tiplerinin Konstrüktif Özelliklerinin ve Genel Isıl Verimlerinin Tesbiti Üzerine Etüd ", Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Bilim ve Teknoloji Genel Müdürlüğü, Ankara, Temmuz, 1981. 4. Holman, J. P., " Experimental Methods for Engineers ", 2nd ed., McGraw - Hill Book Company, New Pork, 1966. 5. Mood, A. M. and Graybill, F. A., " Introduction to the THeory of Statistics ", 2nd ed., McGraw - Hill Book Company, New York, 1963.. 99.