Kazanlar bir yakıttaki enerjiyi ısı şeklinde açığa çıkartarak, bu enerjiyi başka bir akışkana aktaran ısı değiştiricilerdir. Enerji gereksinimi birçok sanayi tesisinde olduğu gibi gemilerde de kazan vasıtasıyla sağlanmaktadır. Bu enerji (buhar) yakıt ısıtmada ve tankerlerde kargo türbinini tahrik etmek için kullanılmaktadır. Kazanlar buharlı güç sistemlerinin en önemli elemanıdır. Buharlı güç sistemlerinde verimlilik hem sistemi oluşturan elemanların performansına hemde işletme parametrelerine bağlıdır. İşletme parametrelerindeki değişimin verimlilik üzerine etkileri bilindiği takdirde buharlı güç sistemleri yüksek performans ve verimlilikle çalışacaktır. Bir termodinamik çevrimle iş üreten sistemlere uygulamanın yanında termodinamik açıdan da analiz edilmesi önemlidir.
Bu bölümde, önce buharlı güç sistemlerinin termodinamik analizi yapılarak işletme parametrelerinin verimliliği nasıl etkilediği anlatılacaktır.
1. Buharlı Güç Çevrimleri
Tankerlerde gerek kargo pompalarının tahriki ve gerekse türbo jeneratörlerde elektrik üretimi buharlı güç sistemleri yardımıyla olmaktadır. Buharlı güç çevrimi Rankine Çevrimine göre gerçekleşmektedir. Tersinir Rankine Çevriminin şematik ve T-s diyagramı Şekil-1’de görülmektedir. Basit Rankine Çevrimine göre çalışan buharlı güç sistemi temel olarak kazan, buhar türbini, kondanser ve pompadan oluşur. Çevrim dört aşamadan oluşmaktadır:
1-2: Besleme suyu pompasıyla izantropik sıkıştırma
2-3: Kazanda sabit basınçta sisteme ısı girişi
3-4: Türbinde izantropik genişleme
4-1: Yoğuşturucuda sabit basınçta sistemden atılan ısı
Şekil-1 Basit Rankine Çevrimi ve T-s Diyagramı
T-s diyagramında 1-2-3-4 ile çevrili alan çevrimin net işini vermektedir. Çevrimin Net işi kazandan giren ısı ile kondenserden atılan ısıya eşittir. Rankine çevriminin ısıl verimi ise aşağıdaki şekilde yazılabilir:
Su pompaya 1 halinde (kondenserde yoğuşmuş) doymuş sıvı olarak girer ve kazan çalışma basıncına kadar sıkıştırılır. Yüksek basınçlı kazanlarda istenen basınca çıkmak için pompalar çok kademeli olarak imal edilirler. Basıncı yükseltilen su kazana 2 halinde sıkıştırılmış sıvı olarak girer ve kazandan 3 halinde kızgın buhar olarak çıkar. Kazan, buharın kızgın buhar haline getirildiği kısım olan kızdırıcıyla birlikte, genellikle buhar üreticisi olarak adlandırılır. 3 halindeki kızgın buhar pompayı ya da jeneratörü tahrik eden bir türbinde (kargo türbini ya da türbo jeneratör) genişlerken ya bir kargo pompasını ya da elektrik jeneratörün milini döndürerek iş üretir.
Bu işlem sırasında buharın basıncı ve sıcaklığı azalır ve yoğuşturucuya girmeden önceki hali olan 4 haline gelir. 4 halindeki buhar genellikle yüksek kuruluk derecesine sahip bir doymuş sıvı-buhar karışımıdır. Kuruluk derecesi düşük ıslak buhar türbin kanatlarına zarar verdiği için türbin çıkışına kadar buharın kuruluk değerinin %90’in altına düşmemesi gerekir. Daha sonra buhar yoğuşturucuda deniz suyuna ısı vererek sabit basınçta yoğuşur. Yoğuşturucudan doymuş sıvı olarak çıkan buhar, pompaya girerek çevrimi tamamlar.
Pompanın çektiği gücü azaltmak için buharın yoğuşturulması gerekir. Pompa normal şartlarda zaten buharı basma kabiliyeti yoktur. Ancak biran bunun mümkün olduğunu kabul etsek bile türbin çıkışındaki buharın pompa tarafından basılabilmesi için gerekli güç türbinin ürettiği güce yakın olacaktır. Bu durumda çevrim verimi sıfıra yakın olacaktır. Bunu önleyebilmek için buhar kondenserde soğutularak özgül hacmi küçültülür. Örneğin 50 kPa basınçta doymuş suyun özgül hacmi 0.001030 m3/kg iken doymuş su buharının özgül hacmi 3.146 m3/kg dır. Pompa özgül gücü wp=vdP olduğuna göre doymuş buharın basılması için pompanın çekeceği güç 15 bar işletme basıncında çalışan bir pompadan 3145 kat daha fazla olacaktır. Pompa, buharı doymuş sıvı halinde bastığında ise çekilen güç çevrimin net gücünün %1-2’i mertebesine düşmektedir.
2. Buharlı Güç Çevrimlerinde verim artırıcı yöntemler
Isı makinesi termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek iş üreten makinelere verilen isimdir. Bir güç çevrimine göre çalışan ısı makinelerinde ısıl verimi artırmaya yönelik bütün değişikliklerin arkasında aynı temel düşünce yatmaktadır. Bu düşünce "kazanda iş akışkanına (su) ısı geçişinin sağlandığı ortamın ortalama sıcaklığın yükseltilmesi veya dış ortama ısının atıldığı yoğuşturucudaki iş akışkanından ortalama sıcaklığının düşürülmesi durumunda verim artar" şeklinde özetlenebilir. Başka bir deyişle, çevrime ısı girişi sırasında (Türbin girişinde) ortalama sıcaklığın olabildiğince yüksek, çevrimden ısı atılışı sırasındaysa ortalama sıcaklığın olabildiğince düşük tutulması gerekir. Yüksek sıcaktaki ısıl enerjinin daha büyük bölümü işe dönüştürülebilmektedir. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıktaki enerji daha nitelikli enerji anlamına gelmektedir.
Şekil-2’de görüldüğü gibi bir ısı makinesinde atılan ısı kuyusunun (deniz suyu, hava vb) sıcaklığı sabit iken ısı kaynağının sıcaklığını artırdığımızda ısı makinesinde üretilen iş arttığı için verimde artmaktadır. Tersinir Karnot çevrimine göre çalışan ısı makinesi TH=350 ve TL=303 K sıcaklıkları arasında çalıştığında verim %13,4 iken TH=925 K ve TL=303 K arasında çalıştığında verim %67,2 ye yükselmektedir. Enerjinin niteliği iş gören akışkanın miktarıyla değil sıcaklığıyla ilişkilidir.
Şekil-2. Kaynak sıcaklığına bağlı olarak ısının işe dönüşme oranı
Rankine Çevrimine göre çalışan buharlı güç sistemlerinin verimini artırmanın en etkili üç yöntem şunlardır:
• Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi suretiyle atılan ısının ortalama sıcaklığını düşürmek,
• Kazan basıncının arttırılması suretiyle türbin girişindeki ortalama sıcaklığı yükseltmek,
• Buharın sabit basınçta kızdırılması suretiyle sıcaklığının yükseltilmesi.
2.1 Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi (Ortalama Sıcaklığın düşürülmesi)
Buharlı güç çevrimlerinin verim arttırma yöntemlerinden biri olan yoğuşturucu basıncının düşürülmesi ile ilgili uygulama Şekil-3’de gösterilmiştir. Yoğuşturucu çalışma basıncının düşürülmesi akışkanın da sıcaklığını düşürür. Böylece çevrimden ısı çekilen ortalama sıcaklığın düşürülmesi anlamına gelir. Tabii ki basıncın düşürülme sınırını da soğutan akışkanın o sıcaklıktaki doyma basıncı belirler. Doyma basıncının düşürülebileceği en düşük basınç deniz suyu sıcaklığına bağlıdır. Deniz suyu sıcaklığı arttıkça kondenserdeki basınç deniz suyu sıcaklığına karşılık gelen basınç değerinin altına düşemez. Kondanser basıncı 4 noktasından 4´ noktasına düşürüldüğünde net işin pembe alan kadar arttığı görülmektedir. Basıncın düşmesiyle 2´-2 eğrisinin altındaki alan kadar kazandan akışkana ilave ısı vermek gerekse de yoğuşturucudaki basıncın toplam etkisi net işi artırıcı yönde olmaktadır. Net işteki bu artış çevrim veriminde de artışa neden olmaktadır. Basınç düşürmenin etkisini görebilmek için kazan işletme basıncının sabit tutulduğuna dikkat ediniz. Kondanser basıncı çok düşürüldüğünde ortaya çıkan olumsuzluk türbin çıkışındaki buharın kuruluk derecesinde azalmadır. Ancak bu çözülemeyecek bir problem değildir.
Şekil-3 Yoğuşturucu basıncının düşürülmesi
Kondenser vakumunun düşmesine yeterli buharın ejektöre gitmemesi, deniz suyu sıcaklığının yüksek olması ya da yeterli deniz suyu debisinin sağlanamaması neden olabilir.
2.2 Buharın Kızdırılması (Ortalama sıcaklığın artırılması)
Türbin girişinde iş gören akışkanın ortalama sıcaklığını artırmanın bir yolu kazan basıncı yükseltilmeden buhar dramından çıkan doymuş buharın bir süperhiter vasıtasıyla ısıtılarak kızgın buhar haline getirilmesidir. Buharlı güç çevrimlerinde buharın kızdırılmasının etkisi Şekil-4’deki T-s diyagramında gösterilmiştir. Bu diyagramdaki renklendirilmiş alan net işteki artışı göstermektedir. 3-3’ hal değişimi eğrisi altında kalan toplam alan ise, cevrime fazladan verilen ısıya karşılık gelmektedir. Bu durumda doymuş buhardan kızgın buhara geçiş için çevrime fazladan ısı girişi olmaktadır. Ancak, çevrime ısı giriş sıcaklığı ortalama olarak arttığından, kızdırmanın çevrim üzerindeki toplam etkisi çevrimin ısıl verimini artırıcı yöndedir. Buharın daha yüksek sıcaklıklara kızdırılmasının başka bir olumlu etkisi de T-s diyagramından da görülebileceği üzere, kızdırma sonucu türbin çıkışındaki buharın kuruluk derecesi artmaktadır. 4’ halindeki buharın kuruluk derecesinin 4 halindeki kuruluk derecesinden daha yüksek olduğuna dikkat ediniz.
Şekil-4. Buharın Kızdırılması (Türbin giriş sıcaklığının artırılması)
Buharın Basıncının Yükseltilmesi Suretiyle Ortalama sıcaklığın artırılması
Türbin girişinde iş gören akışkanın ortalama sıcaklığını artırmanın bir diğer yolu da kazan basıncını artırmaktır. Böylece buharlaşmanın gerçekleşeceği sıcaklık da kendiliğinden yükselecektir. Kazan basıncını artırmanın buharlı güç çevrimi üzerindeki etkisi Şekil-5’deki T-s diyagramda görülmektedir.
Şekil-5 Kazan basıncını artırılması
Pembe alanlar kazan basıncının artmasıyla net işteki artışı, gri alanlar ise net işteki azalmayı göstermektedir. Ancak, basınç artışıyla ortalama sıcaklık arttığından, basınç artışı çevrimin ısıl verimini artırıcı yönde etkilemektedir. Türbin giriş sıcaklığının sabit tutulması durumunda çevrimin sola doğru kaydığı ve türbin çıkış sıcaklığındaki kuruluk derecesinin de azaldığına dikkat ediniz. Fakat istenmeyen bu etki Şekil-6 da görüldüğü üzere bir ara ısıtma ile çözülebilmektedir. Şekilden görüldüğü gibi sadece kazan basıncı artırıldığında genişleme kuruluk derecesi düşük olan 4’ noktasında gerçekleşirken ara ısıtma sonucunda kuruluk derecesi daha yüksek olan 6 noktasında gerçekleşmektedir.
Şekil-6 Ara ısıtmalı Rankine çevrimi [1]
Gemilerde Rankine çevrimine göre çalışan tankerlerde kazan basıncı işletme basıncının altına düşürülmemelidir. Aşağıya düşürülmesi durumunda hem buhar türbinin ürettiği güç azalacak hemde buharın kuruluk değeri düşeceği için türbin kanatları mekanik zorlanmalara maruz kalacaktır. Bir sonraki yazımızda örnek uygulama ile çevrim verinin nasıl artırıldığına, nitelikli enerji ile niteliksiz enerji kaybının verim ve yakıt tüketimine etkileri incelenecektir.
Kaynaklar:
[1] Çengel Y. Boles M.,Termodinamik Mühendislik Yaklaşımıyla,5.Baskı,İzmir Güven Yayınevi,2008
[2] Part Retractable Sootblower.http://www.cbpg.com/en/products-solutions-boiler-efficiency-load-boiler-cleaning-systems-special-applications/part. Erişim tarihi: 01.04.2017.
[3] Modern Industrial Assessments: A Training Manual. http://projects-web.engr.Colotate .edu/IAC/pdfs/OIPEA_Modern_Industrial_Assessments_Training_Manual.pdf.Erişim tarihi: 02.04.2017.
[4] A. Bhatia. Improving Energy Efficiency of Boiler Systems,2012. http://www. pdhonline.com/courses/m166/m166content.pdf. Erişim tarihi: 02.04.2017.
[5] Improving Steam System Performance:A Sourcebook for Industry,2004. https://energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/steamsourcebook.pdf. Erişim tarihi: 03.04.2017.