ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
AKIġKAN YATAK KAZANLI BĠR BUHAR TESĠSĠNĠN MODELLENMESĠ VE KULLANILABĠLĠR
ENERJĠ ANALĠZĠ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Mak. Müh. Koray ÖZDEMĠR
NĠSAN 2006
Anabilim Dalı : MAKĠNA MÜHENDĠSLĠĞĠ Programı : ISI - AKIġKAN
ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
AKIġKAN YATAK KAZANLI BĠR BUHAR TESĠSĠNĠN MODELLENMESĠ VE KULLANILABĠLĠR
ENERJĠ ANALĠZĠ
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Mak. Müh. Koray ÖZDEMĠR
(503031118)
NĠSAN 2006
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 20 Mart 2006 Tezin Savunulduğu Tarih : 20 Nisan 2006
Tez DanıĢmanı : Prof.Dr. Nurdil ESKĠN (Ġ.T.Ü.)
Diğer Jüri Üyeleri : Prof.Dr. Ġsmail Cem PARMAKSIZOĞLU (Ġ.T.Ü.) Prof.Dr. Cem SORUġBAY (Ġ.T.Ü.)
ÖNSÖZ
Kömürü yüksek verimli ve temiz yakma olanağı sağlayan akışkan yataklı tesisler ülkemizde gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada Yıldız Kazan A.Ş. tarafından Ekoten A.Ş. adlı bir tekstil fabrikasına kurulan akışkan yatak, skoç kazan ve ekonomizerden oluşan bir buhar santralinin modellemesi, birinci ve ikinci kanun analizi yapılarak bu tür tesislerin tasarımında ve işletme şartlarının değerlendirilmesinde kolaylık sağlanmıştır. Bu çalışmanın konuyla ilgilenenlere faydalı olmasını diliyorum.
Beni bu konuda çalışmaya sevk eden, bilgisi ve engin tecrübeleriyle bana yol gösteren kıymetli tez danışmanım Prof.Dr. Nurdil Eskin’ e teşekkürlerimi sunarım. Tesis ile ilgili teknik verileri kullanmama izin veren Yıldız Kazan A.Ş., oluşturulan modelin doğrulanması aşamasında yapılan ölçümler sırasında kolaylık gösteren Ekoten A.Ş.’ ye ve çalışmalarım sırasında fikirlerine danıştığım değerli büyüğüm Yrd.Doç.Dr. Erhan Böke’ ye teşekkür ederim. Yüksek lisans eğitimim sırasında, manevi destekleri ile daima yanımda olan aileme de teşekkürü borç bilirim.
ĠÇĠNDEKĠLER
KISALTMALAR ... vii
TABLO LĠSTESĠ ... viii
ġEKĠL LĠSTESĠ ... x
SEMBOL LĠSTESĠ ... xii
ÖZET ... xvii
SUMMARY ... xviii
1. GĠRĠġ ... 1
2. AKIġKAN YATAKLI KAZAN ĠLE BUHAR ÜRETEN TESĠSĠN ĠNCELENMESĠ ... 3
2.1 Tesisi Meydana Getiren Ana Elemanlar ... 3
2.2 Akışkan Yataklı Kazan ... 7
2.2.1 Akışkan Yatak İçinde Isı Taşınım Katsayısının Hesaplanması ... 10
2.2.1.1 Aktif Yatakta Isı Taşınım Katsayısının Hesaplanması ... 10
2.2.1.2 Serbest Bölgede Isı Taşınım Katsayısının Hesaplanması ... 11
2.2.2 Isı Değiştirici Yüzeyler ... 11
2.2.2.1 Yatay Isı Değiştiricileri ... 12
2.2.2.2 Düşey Isı Değiştiricileri ... 13
2.2.3 Enerji Dengesi ... 19
2.2.3.1 Aktif Yatak Enerji Dengesi ... 20
2.2.3.2 Serbest Bölge Enerji Dengesi ... 21
2.3 Duman Borulu Tek Geçişli Skoç Tipi Kazan Modeli ... 23
2.3.1 Kabuller ... 23
2.3.2 Isı Geçiş Katsayıları ... 23
2.3.2.1 Duman ile Doymuş Su Arasındaki Isı Geçiş Katsayısı ... 23
2.3.2.2 Skoç Kazan İç Yüzeyi ile Oda Havası Arasındaki Isı Geçiş Katsayısı ... 26
2.3.3 Enerji Dengesi ... 27
2.4 Toz Toplayıcı Siklon ... 29
2.5 Ekonomizer ... 29
2.5.1 Ekonomizer Isı Geçiş Katsayıları... 30
2.5.1.1 Duman Gazı ile Su Arasındaki Isı Geçiş Katsayısı ... 30
2.5.1.2 Ekonomizer ile Çevre Arasındaki Isı Geçiş Katsayısı ... 32
2.6 Baca ... 36
2.6.1 Isı Geçiş Katsayısı ... 36
2.6.2 Baca Enerji Dengesi ... 37
2.7 Basınç Kaybı ... 38
2.7.1 Hava Emiş Bölümü (Kısım 1) ... 40
2.7.2 Besleme Havası Fanı ile Akışkan Yatak Arası (Kısım 2) ... 41
2.7.3 Akışkan Yatak (Kısım 3) ... 42
2.7.4 Akışkan Yatak ile Skoç Kazan Arası (Kısım 4)... 44
2.7.5 Skoç Kazan( Kısım 5) ... 44
2.7.6 Skoç Kazan ile Siklon Arası (Kısım 6) ... 45
2.7.7 Siklon (Kısım7) ... 45
2.7.8 Siklon ile Ekonomizer Arası (Kısım 8) ... 45
2.7.9 Ekonomizer (Kısım 9) ... 46
2.7.10 Ekonomizer ile Aspiratör Arası (Kısım10) ... 47
2.7.11 Baca (Kısım 11) ... 47
3. KULLANILABĠLĠR ENERJĠ ANALĠZĠ ... 48
3.1 Kullanılabilir Enerjinin Tanımı ... 49
3.1.1 İş ve Isı ile Kullanılabilir Enerji Geçişi... 50
3.1.2 Akış ile Kullanılabilir Enerji Geçişi ... 50
3.2 Akışkan Yataklı Kazan ile Buhar Üreten Tesisin Kullanılabilir Enerji Analizi ... 53
3.2.1 Akışkan Yatak İçin Kullanılabilir Enerji Analizi... 54
3.2.1.1 Kömürün Standart Kimyasal Kullanılabilir Enerjisi ... 54
3.2.1.2 Yataktan Atılan Katı Maddelerin Kullanılabilir Enerjisi ... 54
3.2.1.3 Aktif Yatakta Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 55
3.2.1.4 Serbest Bölgede Kullanılabilir Enerji Analizi ... 57
3.2.2 Skoç Kazan için Kullanılabilir Enerji Analizi ... 59
3.2.3 Siklon için Kullanılabilir Enerji Analizi ... 61
3.2.4 Ekonomizer için Kullanılabilir Enerji Analizi ... 62
3.2.5 Baca için Kullanılabilir Enerji Analizi ... 64
3.2.6 Verim... 65
3.2.6.1 Akışkan Yatak Verimi ... 66
3.2.6.2 Skoç Kazan Verimi ... 67
3.2.6.3 Ekonomizer Verimi ... 68
3.2.6.4 Tesisin Toplam Verimi ... 69
4. BĠLGĠSAYAR PROGRAMI... 71
5.1 Kullanılan Kömür Kimyasal Bileşimi ... 78
5.2 Yapılan Ölçümler ... 79
5.3 Tesis Çalışma Verileri ... 80
5.4 Gaz Sıcaklığı ve Üretilen Buhar Miktarının Karşılaştırılması ... 81
5.5 Baca Gazı Emisyon Değerlerinin Karşılaştırılması ... 84
5.6 Tesiste Basınç Değişimi ... 85
6. SONUÇLAR VE TARTIġMA ... 86
6.1 Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin İncelenmesi ... 86
6.1.1 Akışkan Yatak ... 86
6.1.1.1 Akışkan Yatak Birinci Kanun İncelemesi ... 86
6.1.1.2 Akışkan Yatak İkinci Kanun İncelemesi ... 88
6.1.2 Tesis ... 90
6.1.2.1 Tesiste Birinci Kanun İncelemesi ... 90
6.1.2.2 Tesiste İkinci Kanun İncelemesi ... 93
6.2 Buhar Basıncının Değişiminin İncelenmesi ... 95
6.2.1 Akışkan Yatak ... 95
6.2.1.1 Akışkan Yatak Birinci Kanun İncelemesi ... 95
6.2.1.2 Akışkan Yatak İkinci Kanun İncelenmesi ... 97
6.2.2 Tesis ... 98
6.2.2.1 Tesis Birinci Kanun Analizi ... 98
6.2.2.2 Tesis İkinci Kanun Analizi ... 100
6.3 Çevre Sıcaklığının Değişiminin İncelenmesi ... 101
6.3.1 Akışkan Yatak ... 101
6.3.1.1 Akışkan Yatak Birinci Kanun İncelemesi ... 101
6.3.1.2 Akışkan Yatak İkinci Kanun İncelemesi ... 103
6.3.2 Tesis ... 104
6.3.2.1 Tesis Birinci Kanun Analizi ... 104
6.3.2.2 Tesis İkinci Kanun Analizi ... 106
6.4 Farklı Kömür Cinslerinin Değerlendirilmesi ... 106
6.4.1 Akışkan Yatak ... 107
6.4.1.1 Akışkan Birinci Kanun İncelemesi ... 107
6.4.1.2 Akışkan Yatak İkinci Kanun İncelemesi ... 109
6.4.1.3 Akışkan Yatakta Kükürt dioksit Emisyonu ... 110
6.4.2 Tesis ... 110
6.4.2.1 Tesis Birinci Kanun Analizi ... 110
6.4.2.2 Tesis İkinci Kanun Analizi ... 112
6.5 Sonuçlar... 112
EK ... 117 ÖZGEÇMĠġ ... 120
KISALTMALAR
AY : Akışkan Yatak
TABLO LĠSTESĠ
Sayfa No
Tablo 2.1 : NL=10 veya Daha Fazla Sıradan Oluşan Düzgün Sıralı bir Boru Demeti
Üzerindeki Akışta Denk. (2.76) da Gösterilen Sabitler (Incropera ve
DeWitt, 2001). ... 31
Tablo 2.2 : Kr, Reynolds Düzeltme Katsayısı ... 40
Tablo 3.1 : Bu Çalışmada Seçilen Standart Referans Hal ... 53
Tablo 5.1 : Kömür Kimyasal Analizi ... 79
Tablo 5.2 : Hız ve Sıcaklık Ölçmek için Kullanılan Probun Özellikleri ... 79
Tablo 5.3 : Baca Gazı Analiz Cihazının Özelikleri ... 80
Tablo 5.4 : On iki Saatlik Gündüz Vardiyasında Ölçülen Değerler ... 82
Tablo 5.5 : Sıcaklıkların ve Buhar Miktarının Karşılaştırılması için Tablo 5.4 ün Özetlenmesi ile Elde Edilen Akışkan Yatak Çalışma Şartları ... 83
Tablo 5.6 : Tesisten Alınan Sıcaklık Ölçümleri ile Model Sonuçlarının Karşılaştırılması ... 83
Tablo 5.7 : Emisyon Karşılaştırması için Yatak Çalışma Şartları ... 84
Tablo 5.8 : Skoç Kazan Çıkışında Ölçülen Baca Gazı Emisyon Değerleri ile Model Sonuçlarının Karşılaştırılması ... 85
Tablo 6.1 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin Tesisteki Sıcaklıklara Etkisi ... 91
Tablo 6.2 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin Tesisin Birinci Kanun Verimine Etkisi ... 92
Tablo 6.3 : Tesisin İkinci Kanun Veriminin Hava Fazlalık Katsayısına göre Değişimi ... 93
Tablo 6.4 : Hava Fazlalık Katsayısının 1.3 Değeri için Tesis Elemanlarında Gerçekleşen Tersinmezlik Miktarı ve Oranı ... 94
Tablo 6.5 : Buhar Basıncı Değişiminin Tesisteki Sıcaklıklara Etkisi ... 99
Tablo 6.6 : Buhar Basıncı Değişiminin Tesisin Birinci Kanun Verimine Etkisi .. 100
Tablo 6.7 : Tesisin İkinci Kanun Veriminin Buhar Basıncına göre Değişimi ... 101
Tablo 6.8 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin Tesisteki Sıcaklıklara Etkisi ... 104
Tablo 6.9 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin Tesisin Birinci Kanun Verimine Etkisi 105 Tablo 6.10 : Tesisin İkinci Kanun Veriminin Çevre Sıcaklığına göre Değişimi .... 106
Tablo 6.12 : Kömür Cinsinin Değişiminin Tesisteki Sıcaklıklara Etkisi ... 111 Tablo 6.13 : Kömür Cinsinin Tesisin Birinci Kanun Verimine Etkisi ... 112 Tablo 6.14 : Tesisin İkinci Kanun Veriminin Kömür Cinsine göre Değişimi ... 112 Tablo E.1 : Havanın Termodinamik Özeliklerinin Sıcaklıkla Değişimi için
Bağıntılar ... 117 Tablo E.2 : Doymuş Suyun Sıvı(s) ve Buhar(b) Hali Termodinamik Özeliklerinin
Sıcaklıkla Değişimi için Bağıntılar ... 117 Tablo E.3 : Bazı Maddelerin 298.15 K Sıcaklık ve 1 atm Basınçtaki Özgül Isı,
Entalpi, Mutlak Entropi ve Gibbs Fonksiyonu Değerleri ... 118 Tablo E.4 : Bazı Maddelerin Farklı Sıcaklıklardaki Özgül Isı, Entalpi, Entropi ve
Gibbs Fonksiyonunun Hesaplaması için Gerekli Katsayılar ... 119 Tablo E.5 : Bazı Maddeler için 298.15 K Sıcaklık ve 1atm Basınçta Standart Molar
ġEKĠL LĠSTESĠ
Sayfa No
ġekil 2.1 : Akışkan Yataklı Kazan Kullanarak Buhar Üreten Tesisin Enerji
Santralinin Şematik Yerleşimi ... 6
ġekil 2.2 : Akışkan Yatak ve Yardımcı Sistemleri ile Skoç Kazan ve Siklonların Yerleşimi ... 7
ġekil 2.3 : İncelenen Akışkan Yataklı Kazan ... 9
ġekil 2.4 : Düşey Isı Değiştiricilerin Akışkan Yatak İçinde Yerleşimi ... 15
ġekil 2.5 : Modelde Düşey Isı Değiştiricilerinin Aktif Yatak İçinde Yerleşimi.... 15
ġekil 2.6 : Modelde Düşey Isı Değiştiricilerinin Serbest Bölge içinde Yerleşimi 19 ġekil 2.7 : Aktif Yatak Enerji Dengesi ... 20
ġekil 2.8 : Serbest Bölge Enerji Dengesi ... 22
ġekil 2.9 : Skoç Kazan içinde Sıcaklık Değişimi ... 24
ġekil 2.10 : Skoç Kazan için Enerji Dengesi ... 27
ġekil 2.11 : Boru Demetinde Boru Dizilişleri ... 30
ġekil 2.12 : Ekonomizerde Enerji Dengesi ... 34
ġekil 2.13 : Bacada Enerji Dengesi ve Sıcaklık Değişimi ... 37
ġekil 2.14 : Tesis Kısım Numaraları ... 40
ġekil 2.15 : Kanal Kısımlarındaki Fitinglerin Numaralandırılması ... 40
ġekil 2.16 : Serbest Bölgede Herhangi bir i Kompartmanı için Basınç Değişimi ... 43
ġekil 3.1 : Aktif Yatakta Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 55
ġekil 3.2 : Serbest Bölgede Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 58
ġekil 3.3 : Skoç Kazanda Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 59
ġekil 3.4 : Siklonda Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 61
ġekil 3.5 : Ekonomizerde Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 63
ġekil 3.6 : Bacada Kullanılabilir Enerji Dengesi ... 64
ġekil 3.7 : Tesisin Toplam Verimi için Belirlenen Kontrol Hacmi Sınırı ... 69
ġekil 4.1 : Hazırlanan Bilgisayar Programının Akış Diyagramı ... 77
ġekil 5.1 : Kurulu Tesisten Akışkan Yatak ve Skoç Görünüşü ... 78
ġekil 5.2 : Kurulu Tesisten Siklon, Ekonomizer ve Baca Görünüşü ... 78
ġekil 5.3 : Ölçümler ile Modelden Elde Edilen Sıcaklıkların Karşılaştırılması .... 83
ġekil 6.1 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin, Akışkan Yatağın Birinci Kanun Analizine Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 87 ġekil 6.2 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin, Akışkan Yatağın İkinci Kanun
Analizine Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 89 ġekil 6.3 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin Tesis Değerlendirme
Noktalarındaki Sıcaklık Değerlerine Etkisi ... 91 ġekil 6.4 : Hava Fazlalık Katsayısı Değişiminin Tesiste Üretilen Buhar Miktarına
Etkisi ... 92 ġekil 6.5 : Hava Fazlalık Katsayısının 1.3 Değeri için Tesis Elemanlarında
Gerçekleşen Tersinmezlik Oranları ... 94 ġekil 6.6 : Buhar Basıncı Değişiminin, Akışkan Yatağın Birinci Kanun Analizine
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 96 ġekil 6.7 : Buhar Basıncı Değişiminin, Akışkan Yatağın İkinci Kanun Analizine
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 98 ġekil 6.8 : Buhar Basıncı Değişiminin Tesis Değerlendirme Noktalarındaki
Sıcaklık Değerlerine Etkisi ... 99 ġekil 6.9 : Buhar Basıncı Değişiminin Tesiste Üretilen Buhar Miktarına Etkisi 100 ġekil 6.10 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin, Akışkan Yatağın Birinci Kanun Analizine Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 102 ġekil 6.11 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin, Akışkan Yatağın İkinci Kanun Analizine
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 103 ġekil 6.12 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin Tesis Değerlendirme Noktalarındaki
Sıcaklık Değerlerine Etkisi ... 104 ġekil 6.13 : Çevre Sıcaklığı Değişiminin Tesiste Üretilen Buhar Miktarına Etkisi
... 105 ġekil 6.14 : Kömür Cinsi Değişiminin, Akışkan Yatağın Birinci Kanun Analizine
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 108 ġekil 6.15 : Kömür Cinsi Değişiminin, Akışkan Yatağın İkinci Kanun Analizine
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 109 ġekil 6.16 : Kömür Cinsinin Değiminin, Akışkan Yatakta SO2 Emisyonuna
Etkisinin Yatak Yüksekliği Boyunca Gösterilmesi ... 110 ġekil 6.17 : Kömür Cinsinin Tesisteki Sıcaklıklara Etkisi ... 111
SEMBOL LĠSTESĠ
A : Alan, m2
Bo : Bond sayısı
Ckd : Yüzeylerdeki birinkilerden kaynaklana direnç katsayısı, m2K/W
cp : Sabit basınçtaki özgül ısı, kj/kgK
Ç : Islak çevre, m D, d : Çap, m
E& : Birim zamandaki kullanılabilir enerji, kW kay
E& : Birim zamandaki kayıp kullanılabilir enerji miktarı, kW su, y,g,i
E& : Yatay su boruları ile i kompartımanına birim zamanda giren kullanılabilir enerji, kW
su, y
E& : Yatay su boruları ile taşınan kullanılabilir enerji miktarı, kW su,d
E& : Düşey su boruları ile taşınan kullanılabilir enerji miktarı, kW Qçev
E& : Çevreye olan ısı geçişinden kaynaklanan kullanılabilir enerji geçişi, kW
su,bes
E& : Skoç kazana beslenen suyun kullanılabilir enerji miktarı, kW e : Isı yayma oranı, birim kütle için kullanılabilir enerji, kJ/kg, kJ/kmol e : Molar kullanılabilir enerji, kJ/kmol
G : Boru içindeki kütlesel akı, kg/m2s g : Gibbs fonksiyonu, kj/kg
Hu : Yakıtın alt ısıl değeri, kj/kg
h : Isı taşınım katsayısı, W/m2K; Entalpi kj/kg
hL : Sadece sıvı akışı durumunda boru içindeki ısı taşınım katsayısı,
W/m2K
hsb : Suyun buharlaşma ısısı, kj/kg
k : Isı iletim katsayısı, W/m2K
kewo : Akışkan yatak iç duvar yüzeyinin dt/2 kalınlığında taneciklerle
kaplanması durumunda etkin ısı iletim katsayısı, W/mK
L : Uzunluk, m
MA : Moleküler ağırlık, kg/kmol m& : Kütlesel debi, kg/s
at,i
m& : Serbest bölgede i. kompartmandan atılan katı madde debisi, kg/s e
m& : Yoğun faz katı madde debisi, kg/s w
m& : Kabarcıklarla yukarı taşınan katı madde debisi, kg/s
Nboru-d : Düşey boru sayısı
NL : Ekonomizerde akış yönündeki boru sırasının sayısı
NK : Akışkan yataktaki kompartman sayısı NKA : Alt yataktaki kompartman sayısı Nu : Nusselt sayısı
n& : Molar debi, kmol/s u
n& : Kömürden açığa çıkan uçucu madde debisi, kmol-u.m./s
,
gaz NK
n& : Serbest bölge çıkışındaki gaz debisi, kmol/s
P : Basınç, kPa
Pr : Prandtl sayısı
Q& : Birim zamanda olan ısı geçişi, kW kay
Q& : Yataktan birim zamanda olan ısı kaybı, kW r
Q& : Yatakta kimyasal reaksiyonlarla birim zamanda açığa çıkan enerji, kW
su,ay
Q& : Akışkan yatakta suya geçen toplam enerji, kW su-çev
Q& : Düşey su borularından birim zamanda çevreye olana ısı geçişi, kW su-d
Q& : Yataktan birim zamanda düşey su borularına olan ısı geçişi, kW su,eko
Q& : Ekonomizerde suya geçen toplam enerji, kW su,skoç
Q& : Skoç kazanda suya geçen toplam enerji, kW su-y
Q& : Yataktan birim zamanda yatay su borularına olan ısı geçişi, kW yat-çev
Q& : Yataktan birim zamanda çevreye olan ısı geçişi, kW q : Isı akısı, W/m2
qc : Kok yanma ısısı, kJ/kg
qCO : Karbon monoksit yanma ısısı, kJ/kg
qu : Uçucu madde tam yanma ısısı, kJ/kg
qu,CO : Uçucu madde kısmi yanma ısısı, kJ/kg
R : Isıl direnç, m2K/W Ra : Rayleigh sayısı Re : Reynolds sayısı
Rkir : Kirlilik direnci, m2K/W
s : Entropi, kJ/kg K T : Yatak sıcaklığı, K
Td : Buharın doyma sıcaklıklğı, K
U : Hız, m/s
U0 : Yatak işletme hızı, m/s
Ueko,y : Ekonomizerde gaz ile çevre havası arasındaki ısı geçiş katsayısı,
W/m2K
Utop,d1 : Alt yatakta yatak ile düşey su boruları arasındaki toplam ısı geçiş
katsayısı, W/m2
K
Utop,d2 : Alt yatakta düşey su boruları ile çevre havası arasındaki toplam ısı
geçiş katsayısı, W/m2
Utop,d3 : Alt yatakta yatak ile çevre havası arasındaki toplam ısı geçiş
katsayısı, W/m2
K
Utop,sub : Ekonomizerde gaz ile su arasındaki toplam ısı geçiş katsayısı,
W/m2K
Utop,uy1 : Serbest bölgede yatak ile düşey su boruları arasındaki toplam ısı
geçiş katsayısı, W/m2
K
Utop,uy2 : Serbest bölgede düşey su boruları ile çevre havası arasındaki toplam
ısı geçiş katsayısı, W/m2
K
Utop,uy3 : Serbest bölgede yatak ile çevre havası arasındaki toplam ısı geçiş
katsayısı, W/m2
K V& : Hacimsel debi, m3/h
W& : Birim zamanda yapılan iş, kW maks
W& : Birim zamanda elde edilebilecek maksimum iş, kJ stoker,mot
W& : Stoker motorlarının çektiği güç, kW
Xc : Kompartmandaki katı tanecikler içinde kokun kütlesel oranı, kg/kg
Xi : Kömürün içindeki i bileşenin mol oranı
Xkül : Kompartımandaki katı tanecikler içindeki külün kütlesel oranı
Xtt : Hesaplama parametresi
x : Isı değiştiriciler içindeki buharın kuruluk derecesi xay,g : Isı değiştiricilere girişte suyun kuruluk derecesi
y,i : Gaz karışımındaki i gazının mol oranı, kmol/kmol
Z : Kompartman yüksekliği, Deniz seviyesinden olan yükseklik, m
ALT ĠNDĠSLER
0 : Referans hal
asp : Aspiratör fanı ay : Akışkan yatak
BG : Baca gazı
b : Su buharı
bc : Boru cidarları arasındaki mesafe, m bh : Besleme havası boru : Boru buhar : Su buharı c : Kok taneciği ç : Çıkış çev : Çevre DB : Duman borusu
d : Düşey ısı değiştirici boruları de : Dağıtıcı elek
dıĢ : Dış
duv : Duvar
e : Yoğun faz
e-k : Emiş kanalı
eko : Ekonomizer
f : Serbest bölge, gaz filmi fan1 : Besleme havası fanı fiz : Fiziksel
g : Giriş
gaz : Gaz karışımı
hava : Hava
ID : Isı değiştirici
iç : İç
katı : Katı
kıs-i : Basınç kaybı hesabında kullanılan i. kısım
kim : Kimyasal
kn : Kinetik
koll : Ekonomizer kollektörleri
köm : Kömür
maks : Maksimum
malz : Yatak malzemesi
NK : Akışkan yatağın son kompartmanı oda : Kazanın bulunduğu oda
pomp : Skoç kazan besi suyu pompaları pt : Potansiyel
r : Işınım
ref : Refrakter malzeme s, sıvı : Sıvı halde su siklon : Siklon skoç : Skoç kazan
sub : Ekonomizer su boruları
t : Tanecik
taĢ : Taşınım
tesis : Tesis
UM, u : Uçucu madde uy : Üst yatak
y : Yüzey, yatay ısı değiştirici boruları yal : Yalıtım
yan : Yanan
yk : Yalıtımsız kanal
YUNAN ALFABESĠ
: Isı yayılma katsayısı, m2/s
: Hacimsel ısı genleşme katsayısı, K-1
P : Basınç farkı, kPa
T : Sıcaklık farkı, K
w : Yatak içinde kabarcık boşluk oranı
: Boşluk oranı
w : Duvar yüzeyinde dt/2 kalınlığında oluşan tabakanın boşluk oranı : Kok yanması için mekanizma faktörü
: Küresellik faktörü
w : Duvar yüzeyinde, tanecik ile yüzey arasındaki gaz film kalınlığının tanecik çapına oranı
: Verim
: Isı iletim katsayısı, W/mK
: Dinamik viskozite, kg/m s
: Kinematik viskozite, m2/s
AKIġKAN YATAK KAZANLI BĠR BUHAR TESĠSĠNĠN MODELLENMESĠ VE KULLANILABĠLĠR ENERJĠ ANALĠZĠ
ÖZET
Bu çalışmada; kömürün verimli ve temiz bir şekilde yanmasını sağlayan, İzmir ili Torbalı ilçesinde faaliyet gösteren, 12000 kg/h buhar kapasiteli akışkan yataklı bir buhar üretim tesisin ısıl modellemesi yapılmıştır. Tesis; yanmanın ve ısı geçişinin gerçekleştiği akışkan yatak, buhar üretiminin yapıldığı ve yine ısı geçişinin gerçekleştiği skoç kazan ve kazan besi suyunun ısıtıldığı ekonomizerden oluşmuştur. Ayrıca yardımcı eleman olarak fanlar, pompalar, siklon ve baca modele dahil edilmiştir.
Sistemi oluşturan elemanlarda ve sistemin genelinde kullanılabilir enerji analizi yapılmış, oluşan tersinmezliklerin yerleri ve büyüklükleri tespit edilmiştir.
Hazırlanan modelin doğruluğu; tesiste yapılan sıcaklık, baca gazı emisyonu ve buhar debisi ölçümleri ile kontrol edilmiştir. Modelin; sistem sıcaklık, baca gazı emisyon ve buhar debisi değerlerini sırasıyla en fazla %3.03, %14.02 ve %4.03 hata ile tanımlayabildiği görülmüştür.
Geçerliliği gösterilen modele uygun olarak hazırlanan bilgisayar programı sayesinde hava fazlalık katsayısının, elde edilmek istenen buhar basıncının, çevre sıcaklığının ve kömür cinsinin değişiminin sistemin birinci ve ikinci kanun verimine olan etkisi incelenmiştir.
Hava fazlalık katsayısının %55 arttırılması ile aktif yatak sıcaklığı %11, tesis için tanımlanan birinci ve ikinci kanun verimleri ise sırasıyla %5.1 ve %5.2 azalmıştır. Üretilen buhar miktarı birinci kanun verimine bağlı olarak %5.1 azalmıştır.
Üretilen buhar basıncının 12 bar yerine 4 bar olması durumunda aktif yatak sıcaklığı ve tesis için tanımlanan ikinci kanun verimi sırasıyla %1.5 ve %16.7 azalmış fakat birinci kanun verimi ve üretilen buhar miktarı %2.2 artmıştır.
Çevre sıcaklığının 20oC arttırılması yatak sıcaklığını %0.8, birinci ve ikinci kanun
verimini %1.3 arttırmıştır. Üretilen buhar miktarı birinci kanun verimine bağlı olarak %1.3 artmıştır.
Kömür cinsinin etkisi, ısıl değerleri sırasıyla 20285 ve 15976 kj/kg olan Orhaneli ve Tunçbilek linyitlerinin yatağa beslenmesi ile incelenmiştir. Orhaneli yerine Tunçbilek kömürü kullanılması durumunda yatak sıcaklığı ve üretilen buhar miktarı sırasıyla %14.4 ve %26.8 artmıştır. Tesis için tanımlanan birinci ve ikinci kanun verimleri değişmemiştir. SO2 emisyonu ise Orhaneli ve Tunçbilek linyitleri için %6
referans oksijene göre sırasıyla 4744.6 mg/m3
ve 5422.7 mg/m3 elde edilmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda işletmeye daha verimli çalışma koşulları için öneriler
MODELING AND EXERGY ANALYSIS OF A FLUIDIZED BED COAL COMBUSTOR THERMAL SYSTEM
SUMMARY
In this study, a model is developed for a 7.7 MW capacity steam plant established in Torbalı, İzmir. It involves a fluidized bed, a waste heat boiler and an economizer as subsystems. Also fans, pumps, cyclone and chimney are also considered through the analysis as auxiliary systems in the thermal plant.
The exergy analysis of the whole system and subsystems has been evaluated by considering the available energy balance. In this analysis the amount of irreversibility occurred in the system are determined at each location.
Simulation results are compared with the test results obtained from the measurements at several locations in the system and good agreement is observed. These measured values are the temperatures at three levels in the fluidized bed coal combustor and boiler, economizer exit temperatures as well as flue gas composition at the boiler exit and steam flow rate. The maximum error observed in temperature values and steam flow rate is about 3.03 % and 4.03 % respectively. Through the developed and validated model; effects of excess air, steam pressure, environmental temperature and coal type on first and second law efficiency of the subsystems and overall system are investigated.
Fluidized bed coal combustor temperature, first and second law efficiencies decrease 11 %, 5.1 % and 5.2 % respectively, as the excess air increases 55 % from the theoretical value. Also steam flow rate decreases 5.1 %.
Fluidized bed coal combustor temperature and system second law efficiency reduce 1.5 % and 16.7 % respectively as the steam pressure changes between 4 bar and 12 bar. On the other hand, first law efficiency and steam flow rate increases 2.2 % at the same operating conditions.
As the surrounding temperature varies between the values of 25 oC- 45 oC; fluidized bed coal combustor temperature, system first and second law efficiencies are getting higher values and they increase 0.8 %, 1.3 %, 1.3 % respectively.
Effects of coal type on fluidized bed coal combustor temperature and efficiencies of system are investigated for Orhaneli and Tunçbilek coals. As Tunçbilek lignite feeds to the fluidized bed combustor instead of Orhaneli lignite, combustor temperature and steam flow rate increase 14.4 % and 26.8 % respectively. It is observed that the coal type does not affect considerably the first and second law efficiencies of the system. On the other hand, SO2 emissions in the stack gases changes to the value of
4744.6 mg/m3 and 5422.7 mg/m3 for Orhaneli and Tunçbilek coals respectively. Some suggestion on system operational conditions has been recommended to get more efficient system as a result of the presented study.
1. GĠRĠġ
Petrol rezervlerindeki azalmadan dolayı bütün dünyanın gözünü çevirdiği kömür en ucuz ve yaygın bulunan enerji kaynağıdır. Kömür elektrik üretiminde, demir-çelik ve çimento imalatında, endüstriyel proseslerde buhar üretmek ve ısınma amacı ile kullanılır. Kömürü istenen çevre emisyon değerlerinin altında, verimli ve ekonomik olarak yakmanın en önemli yolu akışkan yataklardır.
Akışkanlaştırma 19. yüzyılda öne sürülmüş, ilk patent 1922 yılında Almanya’ da alınmış, 1926’ da ise kömürün bu tür yataklarda yanması uygulamaya konulmuştur. 1940’ lardan sonra petrokimya endüstrisinde doğan darboğazlar, akademik ilgiyi bu tür yakma üzerine çekmiştir. Böylece kütle transferi, ısı transferi, hidrodinamik kavramlar konusunda ilk veriler birikmiştir (Güven ve diğ., 1988). 1960’ dan sonra ise akışkan yataklar ticari olarak uygulamaya konulmuştur. Son yıllarda büyük bir aşama gösteren akışkan yatak teknolojisi ülkemizde de uygulama alanı bulmaktadır. Genellikle üstün nitelikli bir yakıcı olan akışkan yatak, düşük kaliteli kömür yakmada kullanışlı olmaktadır. Akışkan yatakta %85’ e varan oranlarda kül içeren kömürler, karmaşık ve pahalı püskürtme işlemlerine gerek kalmadan yakılabilmektedir. Yakıt, akışkan yataklarda 700-900 oC gibi düşük sıcaklıklarda ve
hızlı karışmanın olduğu ortamda yanarak homojen sıcaklıklı bir yanma oluşturur. Yatağın ısı kapasitesi yüksek olduğu için, ısı girdisinde yapılacak değişikliklere sistemin tepkisi yavaştır. Bu nedenle sıcaklık kontrolünün çok hassas olması gerekmez. Homojen sıcaklık ve yüksek ısı kapasitesi kontrol kolaylığı sağlar. Yatak içerinde yüksek ısı geçiş katsayısı nedeniyle ısı geçiş yüzeyi % 30-40 daha azdır. Akışkan yataklarda yüksek ısı geçiş katsayılarının elde edilmesinin nedeni ısı çeken yüzeylerin yatak materyali içerisine daldırılmış olmasıdır.
Akışkan yatakta yanma, kum ya da kül gibi yanıcı olmayan ortamda meydana geldiğinden, yatağa verilen kömürün çok küllü olması yanmayı etkilemez. Böylece yüksek oranda kül ve yanıcı olmayan maddeler içeren ısıl değeri 1200 kcal/kg’ a kadar düşen kötü nitelikli kömürler yakılabilmektedir.
Düşük yanma sıcaklığı azot oksitlerin oluşmasını önlemekte ve NOx emisyonu diğer
uygulanan sistemlerden daha düşük olmaktadır. Baca gazları ile yayılan SO2’ nin
neden olduğu hava kirliliği, yatağa kireç taşı veya dolomit katılarak kolayca ve çok etkili bir şekilde kontrol edilebilmektedir.
Akışkan yataklı kazanlarda baca gazı çıkış sıcaklığı yüksek olduğu için baca gazının enerjisinden faydalanmak için çeşitli tipte ısı değiştiricilerin akışkan yatakla beraber kullanılmasını zorunlu kılar.
Bu çalışmada, akışkan yataklı kazanı içine alan, ilave olarak tek geçişli skoç kazan ve ekonomizer gibi elemanlar içeren İzmir ili Torbalı ilçesinde faaliyet gösteren 12000 kg/h buhar kapasiteli bir endüstriyel buhar üretim tesisin termodinamik modellenmesi yapılmıştır.
Ayrıca sistemi oluşturan elemanlarda ve sistemin genelinde kullanılabilir enerji analizi yapılmış, oluşan tersinmezliklerin yerleri ve büyüklükleri tespit edilmiştir. Bu sayede sistemde iyileştirilmeler yapılabilmektedir. Termodinamiğin ikinci kanunun getirdiği sınırlamalar birinci kanun ile beraber ele alınırsa daha kapsamlı analizler yapılabilmektedir.
Hazırlanan modelin doğruluğu; tesiste yapılan sıcaklık, baca gazı emisyonu ve buhar debisi ölçümleri ile kontrol edilmiştir. Modelin; sistem sıcaklık, baca gazı emisyon ve buhar debisi değerlerini sırasıyla en fazla %3.03, %14.02, %4.03 hata ile tanımlayabildiği görülmüştür.
Geçerliliği gösterilen modele uygun olarak hazırlanan bilgisayar programı sayesinde hava fazlalık katsayısının, elde edilmek istenen buhar basıncının, çevre sıcaklığının ve kömür cinsinin değişiminin sistemin birinci ve ikinci kanun verimine olan etkisi incelenmiş, ortaya çıkan sonuçlar doğrultusunda işletmeye daha verimli çalışma için öneriler getirilmeye çalışılmıştır.
2. AKIġKAN YATAKLI KAZAN ĠLE BUHAR ÜRETEN TESĠSĠN ĠNCELENMESĠ
Bu bölümde, akışkan yataklı kazan kullanarak buhar üreten bir tesisi meydana getiren cihazlar tanıtılmakta ve bu sistemin modellenmesi açıklanmaktadır.
2.1 Tesisi Meydana Getiren Ana Elemanlar
Bu çalışmada ele alınan akışkan yataklı kazan kullanarak buhar üreten tesisin enerji santralinin şematik ve boyutlandırılmış yerleşimi sırasıyla Şekil 2.1 ve Şekil 2.2 de verilmektedir.
a. İlk Ateşleme Sistemi (1);
Sistem soğuk durumda iken kazana yol vermek için motorin ile çalışan ve hava kutusuna monte edilen bir brülör vardır. Akışkan yatak sıcaklığı belirli bir sıcaklığa eriştikten sonra yanma hücresi içine kömür sevkıyatı yapılır ve brülör devre dışı bırakılır. Brülör, ihtiyacı olan havayı birincil hava fanından temin eden, tam kapalı hermetik tipte imal edilir. Hava kutusunun üzeri lüleli dağıtıcı elek ile kapalıdır. Hava fanından verilen hava, dağıtıcı elekteki lülelerde hızı arttırılarak ve homojen olarak yanma hücresine geçmektedir.
b. Hava Fanı (2);
Akışkan yatağı akışkanlaştırmak ve yanma için gerekli havayı temin eder. Santrifüj tipindedir ve doğrudan motora kaplinlidir.
c. Akışkan Yatak ve Isı Değiştiriciler (3);
Akışkan yataklı kazanlarda hareket eden bir ızgara sistemi yoktur. Katı yakıt, kül ve kömür karışımından meydana gelen ortamda, bir hava yastığı üzerinde yanmaktadır. Kazanın yanma odası döşemesi, havanın ocak içine girmesini sağlayan lülelerin yerleştirildiği dağıtıcı elek olup, özel bir malzemeden imal edilmektedir. Kömür ve kül karışımını askıda tutmak ve lüzumlu yakma havasını temin etmek üzere özel bir taze hava fanı tesis edilir. Fan, hesaplanmış olan belirli değerleri karşılayacak
kapasitede imal edilir. Fan tarafından kazana basılan hava miktarı, yatak sıcaklığına, çekilen buhar miktarına ve birim zamanda kazana sevk edilen kömür miktarına bağlı olarak PLC kontrolü ile ayarlanır.
Düşey ısı değiştiriciler (su duvarları), dip kollektörlerden çıkıp üst kollektöre bağlanan su borularından oluşmaktadır.
Yatay ısı değiştiriciler, iki uçtaki kollektörlere bağlı borular kümesinden oluşmaktadır.
Lüleli dağıtıcı elek üzerindeki yan duvarlar ve hava kutusunun iç yüzeyleri refrakter tuğla ile kaplanmaktadır.
d. Duman Borulu Tek Geçişli Skoç Tipi Kazan (4);
İki ayna arasındaki duman borularından oluşmaktadır. Ön ve arka aynalar basınca dayanımı artırmak için bombeli imal edilmiştir. Yanma hücresinden çıkan sıcak gazlar bu kazandan geçerek siklon filtreye gider. Sistemin besi suyu kontrolü ve buhar çıkışı bu kazan üzerinden yapılmaktadır.
e. Siklon (Toz Toplayıcı) (5);
Toz toplayıcı, parçacıkları ayırmak için merkezkaç kuvveti ilkesi ile çalışan bir ayrıştırıcıdır. Baca gazındaki toz parçacıkları ayrıştırmak ve ekonomizer ömrünü arttırmak için ekonomizerden önce yerleştirilmiştir.
Toz toplayıcıda toz yüklü baca gazları silindirik üst bölüme teğet olarak girerler ve siklondan aşağı spiral bir yoldan konik şekilli alt bölüme gelirler. Tozlar, merkezkaç kuvvetinden ötürü siklon duvarlarına doğru hareket eder ve siklon duvarlarının oluşturduğu sürtünmeyle yavaşlar. Bu parçacıklar konik kısmın alt tarafında hava akımından ayrılıp kül deposuna düşer.
f. Ekonomizer (6);
Kazandan çıkan yüksek sıcaklıktaki baca gazları ekonomizerden geçtikçe ısılarını suya verirler. Bu sayede besi suyu 20 oC kadar ısıtılarak, duman gazındaki ısıdan maksimum mertebede faydalanmak hedeflenmiştir.
g. Baca Gazı Aspiratörü (7);
Akışkan yataklı yakma mahallinde teşekkül eden duman gazlarını bacaya vermek ve yanma noktasından aspiratörün emiş klapesine kadar siklon ve kanallarda yeterli
vakumu temin etmek üzere bir aspiratör kullanılır. Aspiratör akışkan yatak sıcaklığında meydana gelecek yanma odası basınç dalgalanmalarını karşılayacak ve istenilen değerlerde tutacak şekilde hız kontrol cihazı ile çalıştırılmaktadır.
h. Kül Alma Sistemi (8);
Kül, lüleli dağıtıcı elek altında birinci geçiş sonundaki duman kutusundan ve siklon altından alınır. Lüleli dağıtıcı elek altından alınan kül 010 mm olup, yatak yüksekliğinin maksimuma çıkması halinde operatör tarafında tahliye edilir. Diğer yerlerden alınan kül çok ince taneli ve uçucu olması sebebiyle ıslatılarak alınır. i. Kömür Hazırlama Ünitesi (9);
Akışkan yataklı kazanda tane iriliği istenilen ölçülere getirilmiş olan kömür parçacıkları yakıldığından, kömürü 28 mm. boyutlarına düşürecek olan dış kömür hazırlama ünitesi bulunur. Bu ünite stoker, vibromotor, konveyör sistemi, elek, kırıcı ve elevatörden oluşur. Hazırlanan kömür, kazan kömür stokerine otomatik beslenir. Kazan kömür stokerinde yeterli seviyede kömür dolduğu zaman bu ünite otomatik olarak durur.
1. Brülör 7. Baca Gazı Aspiratörü 13. Kazan Besleme Pompası 2. Birincil Hava Fanı 8. Kül Alma Sistemi 14. Kondens Pompası 3. Akışkan Yatak ve Isı D. 9. Kömür Besleme(Stoker) 15. Dönüş Kollektörü 4. Skoç Kazan 10. Baca 16. Gidiş Kollektörü 5. Siklon 11. Kondens Tankı
6. Ekonomizer 12. Degazör
Şekil 2.1 Akışkan Yataklı Kazan Kullanarak Buhar Üreten Tesisin Enerji Santralinin Şematik Yerleşimi
Şekil 2.2 Akışkan Yatak ve Yardımcı Sistemleri ile Skoç Kazan ve Siklonların Yerleşimi
2.2 AkıĢkan Yataklı Kazan
Kömürü yakmanın birçok yolu arasında akışkan yatak yakıcılar en cazip yöntemlerden birisidir. Akışkan yataklı kömür yakıcılarının, çalışma şartlarının irdelenmesi, yakıcıların tasarım ve verilerinin incelenmesi maksadı ile bugüne kadar çeşitli deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bir yanma ortamında akışkan ve katı taneciklerin akışkan yatak içindeki davranımlarının anlaşılması ve verime tesir edecek tasarım ve çalışma şartlarının geliştirilmesi deneysel olarak elde edilen sonuçların sistematik bir şekilde incelenmesi ile mümkündür. Bu bakımdan uygun modelin geliştirilmesi akışkan yatakların hidrodinamik ve ısıl analizi için oldukça
önemlidir. Akışkan yatak kömür yakıcısının modellenmesi, yatağı meydana getiren gaz ve katı iki fazın davranımlarını ayrı ayrı ele alıp birbirlerine olan etkilerini incelemeyi gerektirir.
Bu çalışmada ele alınan akışkan yataklı kazan kabarcıklı akışkan yatak tipindedir. İncelenen akışkan yatak dikdörtgenler prizması şeklinde olup, yatak taban kesiti 1920×3760 mm ve yüksekliği 7000 mm’ dir (Şekil 2.3). Akışkan yatak içindeki akış modellenirken, 4 ay ay ay A D Ç (2.1)
biçiminde tanımlanan eşdeğer hidrolik çap bağıntısı kullanılmıştır. Burada Aay ve Çay sırasıyla akış kesit alanı ve ıslak çevredir.
2000
Kabarcıklı akışkan yatakların hidrodinamik ve ısıl davranımı, genellikle bu sistemleri karakterize eden ve kabarcık olarak adlandırılan gaz kümelerinin hareketleri ile şekillenir. Bu tip yataklar incelenirken, aktif yatağı taneciklerin az veya hiç bulunmadığı kabarcıklarla dolu “Kabarcık Fazı” ile gaz tarafından akışkanlaştırılan taneciklerin bulunduğu “Yoğun Faz” (veya “Sürekli Faz”) olmak üzere iki farklı faza ayırmak mümkündür. Aktif yatakta taneciklerin ve gazın bu fazlardaki hareketleri yapılan çeşitli teorik ve deneysel çalışmalarla açıklanmaya çalışılmıştır.
Bu çalışmada kullanılan akışkan yatak, Eskin, N. tarafından hazırlanmış olan kabarcıklı akışkan yatak modeli kullanılarak incelenmiştir. Modelde akışkan yatak bir dizi disk şeklindeki yatay kompartmanlara bölünmüştür. Modelin detayları ve çözüm metodu literatürde mevcuttur (Eskin, 1990).
2.2.1 AkıĢkan Yatak Ġçinde Isı TaĢınım Katsayısının Hesaplanması
Bu çalışmada ele alınan akışkan yataklı kazan içinde yerleştirilmiş yatay ve düşey ısı değiştiriciler kullanılmaktadır. Aktif yatak ve serbest bölgede gazlardan ve taneciklerden bu ısı değiştiricilerine olan ısı geçiş miktarlarının hesaplanabilmesi için toplam ısı geçiş katsayılarının bulunması gerekmektedir. Aktif yatak ve serbest bölgede yatak içi ısı taşınım katsayısı bu bölgelerin hidrodinamik özelliklerinden dolayı farklılıklar gösterir. Dolayısıyla ısı taşınım katsayısını iki bölge için ayrı ayrı ele alınmalıdır.
2.2.1.1 Aktif Yatakta Isı TaĢınım Katsayısının Hesaplanması
Aktif yatakta ısı taşınım katsayısı, ısı değiştiricilerin yüzeyinin kabarcık fazı veya yoğun fazla temas etmesine bağlı olarak değişir. Bu durum;
( yüzeyde kabarcık olması) w ( yüzeyde yoğun fazolması) /(1 w)
h h h (2.2)
ile ifade edilir. Burada w, akışkan yatakta kabarcık oranıdır. Literatürde bu konuda
geniş bir şekilde bilgi verilmektedir (Kunii ve Levenspiel, 1991). Çalışmada gözönüne alınan yatak malzemesi büyük çaplı taneciklerden oluştuğu için aktif yatakta ısı taşınım katsayısı hay,i,
, , 0 2 (1 ) 0.05 o ew ay i r i w p gaz gaz t k h h c U d (2.3)
8 4 4 , , , , 5.67 10 1/ 1/ 1 i ID y r i t ID y i ID y T T h e e T T (2.4)
1
(1 ) / 1/ 3 o ew w gaz w t w t gaz k k k k k (2.5) 0.2106 4 0.3953( / ) 10 / 10 w k kt gaz k kt gaz (2.6) ifadeleri ile verilmiştir (Kunii ve Levenspiel, 1991). w ise ktı/kgaz oranına bağlıolarak Denk. (2.6) da verilen deneysel bağıntı ile elde edilmiştir. Bu çalışmada
kt/kgaz oranı 19.23 alınmıştır.
2.2.1.2 Serbest Bölgede Isı TaĢınım Katsayısının Hesaplanması
Serbest bölgede yüksekliğe göre değişen yoğunlukta fakat kompartman için homojen olarak dağılmış tanecikler vardır. Isı taşınım katsayısının akışkan yataklarda yüksek olmasını sağlayan taneciklerin yoğunluğu yatak yüksekliği boyunca azaldığı için ısı taşınım katsayısı da bu yoğunluk azalmasına paralel olarak azalma gösterir. Serbest bölgede herhangi bir i. kompartmanında ki ısı taşınım katsayısı huy,i,
, , 0 ( ) exp( / 2) ( ) f uy i r taş f i z r taş h h h a z h h h (2.7)
ifadesi ile elde edilir (Kunii ve Levenspiel, 1991). Burada gaz ışınımı ve gaz taşınımının toplamı (hr+htaş), yatak çıkışında hiç katı madde olmaması durumu göz
önüne alınarak hesaplanır. hzf=0, serbest bölge başlangıcındaki taşınım katsayısı, zf,i
alt yataktan itibaren olan i. kompartman yüksekliği ve a ise ve yatak içindeki tanecik dağılımını temsil eden ve U0 işletme hızına ve tanecik çapına bağlı olarak bulunan
deneysel bir katsayıdır. Böylece serbest bölgede ısı taşınım katsayısı, tanecik yoğunluğundaki azalmaya bağlı olarak üstel bir azalma göstermişolur.
2.2.2 Isı DeğiĢtirici Yüzeyler
Akışkan yatakta ısı değiştiriciler yatak içinde yatay ve yatak duvarlarında düşey olmak üzere iki şekilde yerleştirilmiştir. Skoç kazandan doymuş su olarak akışkan yatak alt kolektörüne gelen suyun bir kısmı yatay ısı değiştiricilerinden geçerken
diğer kısmı da düşey ısı değiştiricilerinden geçmektedir. Akışkan yataktan suya enerji geçişi bu ısı değiştiriciler vasıtası ile yapılmaktadır.
2.2.2.1 Yatay Isı DeğiĢtiricileri
Yatay ısı değiştiriciler, alt yatağa 10 cm aralıkla ve dört sıra halinde, her sırada da on dört adet boru olacak şekilde, akışkan yataklı yakıcının uzun kenarı boyunca yerleştirilmişlerdir. Boru iç ve dış çapı sırasıyla Dy,iç= 53 mm, Dy,dış= 60 mm ve boru
uzunlukları Ly= 3760 mm dir.
Su, yatay ısı değiştiriciye skoç kazandan doymuş sıvı halinde girmektedir. Akışkan yataktan suya boru uzunluğu boyunca ısı enerjisi geçmekte ve boru içinde iki fazlı akış meydana gelmektedir. Su yatağı terk ettikten sonra da bir kolektörde toplanarak skoç kazana geri gönderilir. Skoç kazana dönüşte, borularda buhardan dolayı tıkanma olmaması için su hiçbir zaman tamamen buharlaştırılmamalıdır yani kuruluk derecesi birden küçük olmalıdır.
Yatay ısı değiştiriciler, modeldeki kompartmanların da yatay olmasından dolayı bir kompartman içinde yer almaktadırlar. Dolayısıyla suya sabit kompartman sıcaklığında ısı geçişi olmaktadır. Yatay ısı değiştiricilerden bir bölümünü kapsayan herhangibir i. kompartmanı için boru iç tarafında ısı taşınım katsayısı, yatay borularda iki fazlı akış için hy,iç,i,
0.67 0.6 4 , , 1.85 , 10 1/ , , y iç i L y y tt y i h h Bo X (2.8) sb y y y h G q Bo (2.9) 4 . 0 , , , (Pr) 023 . 0 s s y iç y iç y s y L G D D k h (2.10) 1 . 0 5 . 0 9 . 0 , , , , 1 s b s b i y i y i y tt x x X ifadeleri ile bulunur (ASHRAE, 1997a). Bu denklemlerde kullanılan termofiziksel özellikler, skoç kazan buhar basıncına karşılık gelen doyma sıcaklığında alınmıştır.
Yatay Isı DeğiĢtiriciler Ġçin Toplam Isı GeçiĢ Katsayısının Hesaplanması
Yatay ısı değiştiriciler, yatak içerisinde bulundukları için toplam ısı geçiş katsayısı hesaplanırken boruların dışındaki ısı taşınım direnci, boru malzemesi ve et kalınlığına bağlı olarak boru ısı iletim direnci, boru içinde iki fazlı akış durumuna göre hesaplanmış ısı taşınım direnci ve kirlilik direnci Rkir,y göz önüne alınarak
hesaplanır. Isı geçiş katsayısı boru dış yüzey alanına ( Ay,dış)göre hesaplanmıştır.
, , , , , , , , , , , , , 1 1 1 ln 2 top y i y dış y dış y dış kir y i y dış y
ay i boru y iç y iç i y iç
U D D D R D L h k D h D (2.11)
Burada kirlilikten olan ısı direnci
, , ( , , , ,) kir y i kd y iç i y dış i R C R R (2.12) iç y i iç y i iç y A h R , , , , , 1 , , , , , 1 y dış i ay i y dış R h A (2.13) , , , , , y iç y iç y y dış y dış y A D L A D L
bağıntıları ile ifade edilir. Ckd yüzeylerdeki birikintilerden gelen kirlilik direnç
katsayısıdır ve kirliliğin derecesine göre takdir edilir. Ckd = 1.1–1.4 civarında
değerler alır (Onat ve diğ.,1988). 2.2.2.2 DüĢey Isı DeğiĢtiricileri
Düşey ısı değiştiricileri, Şekil 2.4 te görüldüğü üzere akışkan yataklı kazanın tüm çevresi etrafında, kazan yüksekliği boyunca yükselen 88 adet borudan oluşmuştur. Boru iç ve dış çapı sırasıyla Dd,iç= 42.4 mm, Dd,dış= 50 mm ve boru uzunlukları Ld
=7500 mm dir. Alt yatak yüksekliği boyunca düşey borular ile kazan, kalınlığı Lref =
120 mm olan ateş tuğlası ile ayrılırken üst yatakta bu ateş tuğlası bulunmayıp akışkan yatak içindeki gazlar ile boru dış yüzeyi temas halindedir.
Su, düşey ısı değiştiriciye skoç kazandan doymuş sıvı halinde girmektedir. Akışkan yataktan suya boru uzunluğu boyunca ısı enerji geçmekte ve boru içinde çift fazlı akış meydana gelmektedir. Borular düşey olarak yerleştirildiği için yatak yüksekliği
boyunca farklı sıcaklıklardaki kompartmanlardan ısı çekilmektedir. Dolayısıyla herhangi bir i kompartmanının giriş hali, (i-1) nci kompartmanın çıkış halidir.
Düşey borularda iki fazlı akış durumunda ısı taşınım katsayısı herhangi i kompartmanı için hd,iç,i
0.67
, , 4 , , , ,içi 0.74 Ld di 10 1/ ttdi d h Bo X h (2.14) sb d i d i d h G q Bo , , (2.15) 4 . 0 , , , Pr 023 . 0 s s d iç d iç d s d L G D D h (2.16) 1 . 0 5 . 0 9 . 0 , , , , 1 s b s b i d i d i d tt x x X (2.17)ifadeleri ile bulunur (ASHRAE, 1997a). Bu denklemlerdeki termofiziksel özellikler, skoç kazan buhar basıncına karşılık gelen doyma sıcaklığında hesaplanmıştır.
a. Aktif Yatakta DüĢey Borular Ġçin Toplam Isı GeçiĢ Katsayısının Hesaplanması
Alt yatakta düşey boruların akışkan yatak iç kısmına bakan kısmı refrakter tuğlayla arka kısmı ise ısı yalıtımı için taş yünü ile kaplanmıştır. Bu durumda herhangi bir i kompartmanında; akışkan yatak iç yüzeyinden düşey borular içinden geçen soğutucu akışkana olan ısı geçişi Qsu-d,i, borular içindeki soğutucu akışkandan çevreye olan ısı
geçişi Qsu-çev,i ve boruların arasındaki bölümden dış ortama olan ısı geçişi Qyat-çev,i
olmak üzere üç adet ısı geçişi gerçekleşir. Gerçekleşen ısı geçişlerinin modellemesi, Şekil 2.5 e göre yapılmış ve üç adet ısı geçiş katsayısı hesaplanmıştır.
Yataktan suya olan ısı geçişinde Qsu,d,i; akışkan yatak ile refrakter malzeme
arasındaki ısı taşınım direnci, refrakter malzeme ve boru iç yüzeyindeki kirlilik direnci Rkir,d1, boru et kalınlığına ve malzemesine bağlı ısı iletim direnci ve boru
içindeki akışkanın ısı taşınım dirençleri göz önüne alınarak toplam ısı geçiş katsayısı
Şekil 2.4 Düşey Isı Değiştiricilerin Akışkan Yatak İçinde Yerleşimi Isı Yalıtımı Düşey Borular Refrakter Malzeme Qsu-d,i Qsu-çev,i Qyat-çev,i
2 1 , 1, , , , , , 1, , , , , , , 1 2 1 1 ln ln 2 2 top d i y d dış d dış d dış d dış kir d i d dış i
ay i ref y boru d iç d iç i d iç
U
D
D D D D
R D Z
h k D k D h D
ile hesaplanır. Burada kirlilikten kaynaklanan ısıl direnç,
, 1, ( , , , ,)
kir d i kd d iç i ref d i
R C R R (2.19) i iç d i iç d i iç d A h R , , , , , , 1 , i d i ay i d ref A h R , 1 , , , 1 (2.20)
bağıntıları ile ifade edilir. Ckd yüzeylerdeki birikintilerden gelen kirlilik direnç
katsayısıdır ve kirliliğin derecesine göre takdir edilir. Ckd = 1.1 – 1.4 arasında
değerler alır (Onat ve diğ.,1988). Isı geçiş alanları ise boru içinde Ad,iç,i ve refrakter
yüzey üzerinde Ad1 ,i olmak üzere Denk (2.21) ile verilmiştir.
i iç d i iç d Z D A 2 , , , , Ad i1, Dd dış, Zi (2.21)
Sudan çevreye olan ısı geçiş katsayısı Utop,d2,i de benzer şekilde Ad,iç,i alanı esas
alınarak ve Şekil 2.5 göz önünde tutularak,
5 4 , 2, , , , , , , 2, , , , , 1 1 1 ln ln 2 4 4 2 top d i y d iç d dış d dış d dış d iç kir d i i
d iç i boru d iç yal y oda d dış
U D D D D D D R Z h k D k D h D
bulunur. Kirlilikten kaynaklanan ısıl direncin hesabında sadece boru içindeki kirlilik direnci göz önüne alınarak
, 2, kir d i kd R C , , , , 1 d iç i d iç i h A (2.23)
ile ifade edilir. Boru cidarları arasındaki mesafe bc olmak üzere yataktan çevreye
doğrudan olan toplam ısı geçiş katsayısı Utop,d3,i, boru cidarları arasında kalan alan
bc
A esas alınarak,
(2.18)
3 5 1 3 , 3, , , , 1 1 1 ln ln 2 2 top d i y y bc bc kir bc i bc i
ay i ref y yal y oda
U D D R Z h k D k D h (2.24)
ifadesi ile hesaplanır. Refrakter yüzey üzerinde bc mesafesi için kirlilik direnci , , kir bc i R , , , , , 1 kir bc i kd ay i bc i R C h A (2.25) i bc i bc Z A , (2.26)
ifadeleri ile hesaplanır. Denk. (2.22) ve Denk. (2.24) te kazan yüzeyindeki doğal taşınım katsayısı hoda nın hesaplanmasında dikey levhalar üzerinde geçerli olan, tüm RaL sayılarını kapsayan Churchill ve Chu’ nun önerdiği doğal taşınım bağıntısı
kullanılmıştır (Incropera ve DeWitt, 2001).
2 27 / 8 6 / 1 Pr / 492 . 0 1 387 . 0 825 . 0 L L Ra Nu (2.27) 3 , ( ay y oda) L g T T L Ra (2.28) L oda ay Nu k h L (2.29) , 2 ay y oda f T T T (2.30)Denk. (2.27-29) da havanın özelikleri Denk. (2.30) ile hesaplanan film sıcaklığında hesaplanır.
b. Serbest Bölgede Toplam Isı GeçiĢ Katsayısının Hesaplanması
Düşey ısı değiştiricileri alt yatağın devamı olarak serbest bölgede yükselirler. Fakat serbest bölgede boruların akışkan yatak tarafında refrakter malzeme bulunmamaktadır. Bu durumda üst yatakta ısı geçişi herhangi bir i kompartmanı için tıpkı alt yatak gibi yataktan düşey borular içinden geçen soğutucu akışkana Qsu-d,i,
soğutucu akışkandan çevreye Qsu-çev,i, ve yataktan çevreye olan ısı geçişi Qyat-çev,i
olmak üzere üç yolla gerçekleşir. Isı geçişinin modellemesi Şekil 2.6 ya göre yapılmış ve üç adet ısı geçiş katsayısı hesaplanmıştır.
Serbest bölge ile düşey borulardan geçen su arasındaki ısı geçiş katsayısı Utop,uy1,i Ad,dış,i esas alınarak,
, 1, , , , , , 1, , , , , , 1 1 1 ln 2 4 top uy i d dış d dış d dış d dış kir uy i i
ay i boru d iç d iç i d iç
U D D D D R Z h k D h D (2.31)
ifadesi ile hesaplanır. Burada kirlilikten olan ısı direnci
, 1, ( , , ) kir uy i kd d iç d dış R C R R (2.32) , , , , , , 1 d iç i d iç i d iç i R h A , , , , , , 1 d dış i ay i d dış i R h A (2.33) , , , , 2 d iç i d iç i i D A Z , , , , 2 d dış d dış i i D A Z (2.34)
bağıntıları ile ifade edilir. Ckd yüzeylerdeki birikintilerden gelen kirlilik direnç
katsayısıdır ve kirliliğin derecesine göre takdir edilir.
Sudan çevreye olan ısı geçiş katsayısı Utop,uy2,i de benzer şekilde Ad,iç,i ve Şekil 2.6
göz önünde tutularak, 5 4 , 2, , , , , , , 2, , , , , 1 1 1 ln log 2 4 4 2 top uy i y
d iç d iç d dış d iç d iç
kir uy i
d iç i boru d iç yal y oda d dış
U D D D D D D R Z h k D k D h D
ile bulunur. Kirlilikten kaynaklanan ısıl direncin hesabında sadece boru içindeki kirlilik direnci göz önüne alınarak
, 2, kir uy i kd R C , , , , 1 d iç i d iç i h A (2.36)
ile ifade edilir.
Qsu-d,i
Qsu-çev,i
Qyat-çev,i
bc
Şekil 2.6 Modelde Düşey Isı Değiştiricilerinin Serbest Bölge içinde Yerleşimi Boru cidarları arasındaki mesafe bc olmak üzere yataktan çevreye doğrudan olan
toplam ısı transfer katsayısı Utop,uy3,i, Abc,i alanı esas alınarak,
5 3 , 3, , 1 1 1 log 2 top uy i y bc bc bc i uy i yal y oda U D R Z h k D h (2.37)
ifadesi ile hesaplanır. Borular arsındaki bc mesafesi için kirlilik direnci Rbc,
i bc i uy kd bc A h C R , , 1 (2.38) i bc i bc Z A , (2.39)
ifadeleri ile hesaplanır. Denk (2.35) ve (2.37) de kullanılan hoda değeri Denk.
(2.27-30) dan elde edilir. 2.2.3 Enerji Dengesi
Akışkan yataklarda CO oksidasyonu ile kok ve uçucu maddelerin yanması ile açığa çıkan enerji, yatak sıcaklığını arttırır. Aktif yatak ve serbest bölgede bulunan ısı değiştirici yüzeylerle yataktan ısı çekilerek yatak sıcaklığının kül erime sıcaklığına kadar çıkmasına, yatağın yapıldığı malzemenin dayanıklılığı açısından sıcaklık profilinde farklılaşmalara ve çevre için zararlı NOx emisyonlarının yükselmesine
engel olunmaya çalışılır. Bu nedenle akışkan yataklarda sıcaklığın artmasına izin verilmez. Bu çalışmada ele alınan akışkan yataklı kazan ısı değiştirici yüzeylerine ait parametreler Eskin N. tarafından geliştirilmiş olan modelin enerji dengesine dahil edilmiştir.
2.2.3.1 Aktif Yatak Enerji Dengesi
Aktif yatakta enerji dengesi, herhangi bir i kompartmanı için Şekil 2.7 göz önüne alınarak
, 1 , 1 , , , , 1 , , , , , , , , 0
& & & & & & & & & &
gaz i katı i su y g su d i gaz i katı i su y i su d i yat çev i r i
Q Q Q Q Q Q Q Q Q Q (2.40) yazılabilir. , & çev i Q , 1 & katı i Q , & katı i Q , 1 & gaz i Q , & gaz i Q , & r i Q , , , & su y g i Q Q&su y i, , , , 1 & su d i Q , , & su d i Q
Şekil 2.7 Aktif Yatak Enerji Dengesi
Aktif yatakta hem yatay ısı değiştiricileri hem de kazan duvarlarında dikey olarak yerleştirilmiş düşey ısı değiştiricileri bulunmaktadır.
Aktif yataktan yatay ve düşey ısı değiştiricilerle yataktan çekilen ısılar;
, , , , , , ( )
su y i boru y i y iç top y i i d
Q N A U T T & (2.41) , , 1, , 1, ( ) su d i boru d d i top d i i d Q N A U T T & (2.42)
, , , , 3, ( ) yat çev i boru d ref bc i top d i i oda
Q& N A U T T (2.43)
olarak ifade edilir. Td, sistemden elde edilmek istenen buhar basıncında suyun doyma
sıcaklığıdır.
Bu ifadelerin model enerji dengesine ilavesi ile herhangi bir i kompartmanı için
, 1 , 1 1 , , , , , , 1 , 1 , 1 , 1 1 , , , , , , , , , , , , , & & & & & & & & & & & & & &
katı i e i i katı i w i e i p gaz i gaz i i katı i w i p gaz i gaz i i yan i c b u i u köm köm i g e u i u CO CO i CO su y i su d i yat çev i
c m T c m m c n T c m c n T
m q n q c m T n q n q Q Q Q
aktif yatak enerji dengesi elde edilir.
Skoç kazandan akışkan yatağın ısı değiştirici borularına ulaşan doymuş sıvı halindeki suya akışkan yataktan aktarılan enerji, su zaten doyma sıcaklığında olduğu için hemen buhar üretimine sebep olmaktadır. Bu durumda kompartmanda suyun sıcaklığı değişmemekte, bunun yerine oluşan buharın kuruluk derecesi (xi)
değişmektedir. Yatay borulardaki su için enerji dengesi;
, , ( , , ) , , , , ( )
su y i sb y i ay g boru y i y dış top y i i d
m& h x x N A U TT (2.45)
ve düşey ısı değiştirici borularındaki su için enerji dengesi;
, ( , , 1) 1, , 1, ( ) , , , 2, ( )
su d sb d i d i boru d d i top d i i d d iç i top d i i oda
m& h x x N A U T T A U T T (2.46) ifadeleri ile hesaplanmıştır. Burada xay,g akışkan yatak girişindeki suyun kuruluk
derecesidir. Yatay ısı değiştiricilerin tümünde giriş koşulu olarak xay,g= 0 olarak
alınmıştır. Düşey ısı değiştiricilerinde ise herhangi bir i kompartmanının giriş hali (i-1). kompartmanın çıkış halidir ve sadece birinci kompartmana giriş koşulu xay,g= 0
dır.
2.2.3.2 Serbest Bölge Enerji Dengesi
Aktif yatak enerji dengesine benzer şekilde, serbest bölge için enerji dengesi, Şekil 2.8 da verilen serbest bölge kompartmanı için
, 1 , 1 , , 1 , , , , , , 0
& & & & & & & &
gaz i katı i su d i gaz i katı i su d i yat çev i r i
Q Q Q Q Q Q Q Q (2.47)
olarak yazılmıştır.
