Isıtma Havalandırma ve Klima Sistemlerinde Enerji Ekonomisi Dersi 5. Ünite Özet

Kazanlarda Enerji Ekonomisi

Kazanlar çeşitli özelliklere göre sınıflandırılmaktadır.

• Kullanılan malzemeye göre kazan tipleri;
  • Döküm kazanlar ve
  • Çelik kazanlar;
• Isıl akışkanın özelliklerine göre kazan tipleri;
  • Sıcak sulu kazanlar,
  • Kaynar sulu kazanlar,
  • Kızgın yağ kazanları ve
  • Buhar kazanları;
• Yaktığı yakıt tipine göre kazan tipleri;
  • Katı yakıtlı kazanlar,
  • Pelet yakan kazanlar,
  • Sıvı yakıtlı kazanlar,
  • Gaz yakıtlı kazanlar,
  • Çok yakıtlı kazanlar,
  • Atık ısı kazanları,
  • Atık ve çöp yakan kazanlar ve
  • Elektrikle çalışan kazanlar;
• Yanma sonu gazlarının dolaşım durumuna göre kazan tipleri;
  • Alev borulu,
  • Duman borulu,
  • Alev duman borulu kazanlar,
  • Su borulu kazanlar ve
  • Bu iki tipin karışımı kazanlar;
• Geçiş sayısına göre ise kazan tipleri;
  • Tek geçişli,
  • İki geçişli,
  • Üç geçişli ve
  • Dört geçişli kazanlar

olarak sınıflandırılmaktadır.

Baca gazı sıcaklığının daha düşük sıcaklıklara kadar indirilebilmesi sayesinde hem daha fazla baca gazı enerjisinden; hem de yoğuşma enerjisinden yararlanılmıştır.

Kazan çıkış suyu sıcaklığına göre ise kazanlar;

• Normal sıcak sulu kazanlar ve
• Düşük sıcaklıklı kazanlar olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Normal sıcak sulu kazanlar: Kazandan çıkan suyun sıcaklığı 90 °C ve dönen suyun sıcaklığının da 70 °C olması istenirken; yoğuşma teknolojisine uygun olarak çalışabilen düşük sıcaklıklı kazanlarda dönüş suyu sıcaklığı 35-40 °C civarındadır. Düşük sıcaklık kazanlarının yoğuşmalı kazanlara göre en büyük avantajı daha düşük ilk yatırım maliyeti avantajına sahip olmalarıdır.

Yoğuşmalı kazanlar: Duman gazı içindeki su buharının büyük bir kısmının yoğuşması sağlanarak, yoğuşma enerjisinden yararlanacak şekilde tasarlanmış kazanlardır. Mümkün olduğu kadar fazla yoğuşmanın sağlanması amaçlanan kazanlarda yoğuşmanın neden olabileceği korozyon sebebiyle kazan malzemesi seçiminde dikkat edilmelidir. Büyük ve güçlü kazanlarda yüksek verim elde edilmektedir. Yoğuşmalı kazanlarda yoğuşmanın sağlanabilmesi ve yüksek verim elde edilebilmesi için dönüş suyu sıcaklığının 50 °C’nin altında olması gerekmektedir. Aksi takdirde yoğuşma enerjisinden hiç yararlanılamamaktadır.

Kazan İçin Enerji Takibi, Emniyet ve Kontrol Donanımları

Emniyet ve kontrol cihazları yardımıyla kazanlarda hız, sıcaklık, debi, basınç ve kimyasal analiz ölçümleri yapılabilmektedir. Bu sayede kazanlarda kullanılan su, buhar, hava, baca gazı ve yakıt gibi ve yakıtın çeşitli noktalardaki değerleri ölçülebilir. Bu ölçümler sayesinde kazanların emniyetli, verimli, uzun ömürlü ve çevreye zarar vermeden çalıştırılabilmesi sağlanır. Enerji analizine ilişkin değerlendirmeler Sankey diyagramında yerleştirilerek giren enerjinin dağılımı görülmektedir. Ayrıntılı bir enerji taraması için pek çok ölçüm bilgisine ihtiyaç duyulmaktadır.

Kazanlarda kullanılan ve enerji verimliliği açısından en önemli cihazlardan birisi son yıllarda piyasada yaygın olarak bulunan gaz analiz ciharlarıdır.

Gerek sıcak su gerekse buhar kazanlarında emniyet açısından kullanılması zorunlu olan cihaz manometre olarak adlandırılan basınç ölçüm cihazlardır.

Buhar kazanlarında ayarlandıkları basınçta kendiliğinden açılarak kazandaki fazla buharı dışarı atarak kazan emniyetini sağlayan elemanlara emniyet ventilleri denir.

Kazanlardaki su seviyesinin tam ve doğru bir şekilde bilinebilmesi için yerleştirilen emniyet cihazına ise su seviye gösterge cihazı denmektedir.

Enerji yönetimine ve emniyete yönelik ölçüm cihazlarının başında sıcaklık ölçümü gelir. Sıcaklık ölçümünde yaygın olarak kullanılan cihazlardan birisi genişlemeli termometredir.

Kazanlarda Sankey Diyagramı ve Enerji Geri Kazanımı

Sankey diyagramı, enerji giriş ve çıkışı olan tüm cihazlar için çizilen bir diyagram olup, giren enerjinin ne kadarının faydalı enerji olarak kullanıldığını, ne kadarının hangi yollarla atıldığını görmek açısından önemlidir.

Kazanlarda yakıt yoluyla giren enerjinin faydalı kısmı dışında kalan kayıplar için aşağıdaki noktalar ortaya konulabilmektedir:

Kuru baca gazı ile bacadan atılan enerji: Bacadan atılan enerji baca gazının sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. Baca gazının debisi ve sıcaklığı ne kadar fazla ise dışarıya atılan enerji miktarı da o kadar fazladır. Bacadan atılan sıcak duman gazlarından yararlanarak su ısıtmada kullanılan bütün cihazlar ekonomizör olarak adlandırılmaktadır. Ekonomizörler kazan besi suyunun ısıtılması yanında sıcak su üretiminde ve kalorifer kazanlarında dönüş suyu sıcaklığının yükseltilmesinde kullanılır. Bacadan atılan enerjiden yararlanılması için önerilen diğer bir yol da kazana yanma için verilen taze havanın baca gazı ile ısıtılması amacıyla kullanılan ısı geri kazanım cihazları olarak adlandırılan reküperatörlerdir.

Yakıttaki su ve yakıttaki hidrojenle havadaki oksijenin birleşmesi sonucunda ortaya çıkan suyun buharlaşması yoluyla atılan enerji: Yoğuşma teknolojisinden yararlanma yöntemiyle mevcut kazanlara üç sıralı serpantin olarak kıvrılmış borular şeklindeki kondenzasyon kazanı eklenmektedir. Bu uygulama sıcak sulu kazanlarda sonradan eklenen reküperasyon kazanları ile uygulanabildiği gibi, kazanın kendisi daha başlangıçta yoğuşmalı kazan olarak da tasarlanmaktadır.

Kazan yüzeyinden radyasyon ve konveksiyon yoluyla atılan enerji: Bu enerjinin azaltılması amacıyla önerilen en iyi yol kazan cidarının en iyi şekilde yalıtılmasıdır.

Blöf nedeniyle atılan enerji: Dışarıya atılan enerjinin geri kazanılması amacıyla şaş buhardan yararlanma yoluyla atılan enerjinin yaklaşık %80’lik kısmı geri kazanılabilmektedir. Sıcaklık düşmesi sırasında ortaya çıkan ısı enerjisi bir miktar kondensatın buharlaşmasını sağlar. Bu buhara şaş buhar adı verilir ve buhar kullanan sistemlerin verimliliğini arttırarak enerji ekonomisi sağlar.

Yanmamış yakıt nedeniyle ortaya çıkan enerji kayıpları: Yanma bir maddenin tutuşma sıcaklığında havanın oksijeniyle tepkimesi olarak tanımlanmaktadır. Bir kazanda yanma hücresinde iyi bir yanma gerçekleşebilmesi için yakıt-hava karışımının yeterli oranlarda ayarlanması, yeterli ocak sıcaklığının sağlanması ve yeterli yanma zamanının, diğer bir deyişle yeterli ocak hacminin sağlanması gerekmektedir. Eğer yanma için yeterli oksijen verilmiyorsa ürünler arasında karbonmonoksit (CO) ve hidrojen (H) bulunmaktadır. Bu tür yanmaya eksik yanma denilmektedir. Eksik yanma durumunda verilen hava teorik hava miktarından daha azdır.

Kazanlarda Verimi Etkileyen Faktörler

Kazanlar için verim: kazandan alınan enerjinin, yakıt yoluyla kazana verilen enerjiye oranı olarak tanımlanmaktadır.

Kazanlarda çeşitli standartlara göre norm kullanım verimi tanımlanmaktadır. Norm kullanım verimleri kazanların karşılaştırılmasında kullanılan geçerli bir referans değerdir.

Kazanın performansında kazan veriminin yanı sıra brülör verim de önemlidir. Brülör verimi brülör fanının çalışma performansı ile de doğrudan ilintilidir.

Kullanım verimi, kazanın ve brülörün çalışmadığı sürelerde ortaya çıkan bekleme kayıplarının da hesaba katıldığı bir verim olarak tanımlanmaktadır.

İki ve üç geçişli kazanlar:

Son yıllarda üç geçişli kazanların ortaya çıkmasıyla yanma sonu gazların enerjisinden daha fazla yararlanılmaktadır.

Kazanlarda türbülatör kullanımı

Türbülatör uygulamasıyla baca gazındaki enerjiden daha fazla yararlanılarak, baca gazı sıcaklığının düşürülmesine katkıda bulunulduğu gibi türbülatörler ısı aktarımında yüzey alanını arttırmaktan çok ısı aktarım katsayısının arttırılmasına da katkıda bulunur.

Türbülatörler duman borulu buhar ve kalorifer kazanlarında, boruların içinden geçen duman gazı ile boru iç yüzeylerinin daha fazla temas etmesini sağlayarak borudaki ısı aktarımını arttırmaya da katkıda bulunur.

Kazanlarda verimi etkileyen faktörler

Kısaca kazan verimini etkileyen pek çok faktör bulunmaktadır. Bunlar:

• Eksik yanma ve is oluşumu,
• Baca gazındaki su buharı nedeniyle oluşan ısı kaybı,
• Kuru baca gazı nedeniyle olan ısı kaybı,
• Fazla hava, baca gazı sıcaklığı,
• Sürekli baca gazı analizi ve takibi,
• Yakıt cinsi,
• Brülörler,
• Kazan yükü,
• Kazan yüzeyinden olan ısı kayıpları,
• Blöf nedeniyle olan ısı kayıpları,
• Besleme suyu sıcaklığı,
• Yakma havası sıcaklığı,
• İç soğuma kayıpları
• Kazan ve tesisat bakımıdır.

Ölçüm ve Analizlerle Enerji Ekonomisi

Ölçemediğiniz bir şeyi kontrol edemeyeceğiniz için mühendisliğin temel prensiplerinden birisi ölçüm ve kontroldür.

Yakıt izleme ve takibiyle enerji ekonomisi

Yakıt izleme formu oluşturulması ve kullanılması ile baca gazı analizi kazanlardaki enerji tüketiminin takibi ve emisyonların kontrol altında tutulması için kullanılan yaygın yöntemlerdendir.

Isıtma tesisatında ve endüstride kullanılan kazanlarda yakıt tüketiminin sürekli olarak izlenmesi için buhar ve sıcak sulu kazanlar için günlük ve haftalık yakıt izleme formları oluşturulmuştur. Böylelikle aynı kazanlar arasında enerji tüketimleri ile ilgili olarak karşılaştırmalar yapılabilecek ve günlük enerji tüketim değerleri tablo ve grafik haline getirilebilecektir. Bunun sonucunda oluşan verimsizlikler kolayca görülerek gerekli eğitim ve düzenlemeler yapılabilecektir.

Kazanlarda enerji verimliliğini izlemede en yaygın kullanılan yöntemlerden birisi baca gazı analizidir.

Yanma denklemleri incelendiğinde tam yanmada karbon ile oksijen birleşerek karbondioksit (CO²) oluşturup 8113 kcal/kgC enerji açığa çıkarken, eksik yanmada karbon ve oksijen birleştirildiğinde karbonmonoksit (CO) oluşturarak 2467 kcal/kgC enerji açığa çıkmaktadır.

Baca gazı analizindeki;

Oksijen (O²): Hava fazlalık katsayısı nedeniyle verilen fazla havadan kaynaklanmaktadır.

Karbondioksit (CO²): Yakıttaki karbon ile havadaki oksijenin yanmasından ortaya çıkar ve analizlerde yüksek oranlarda bulunması istenmektedir.

Karbonmonoksit (CO): Eksik ve kötü yanmanın bir göstergesidir ve baca gazı analizlerinde istenmeyen bir üründür.

Kükürtdioksit (SO²): Yakıt bileşimindeki kükürdün oksijenle reaksiyonu sonucu ortaya çıkmaktadır. Çevre açısından istenmeyen bir emisyon olan kükürtdioksit doğalgaz kullanımında çok az düzeydedir.

Azot oksit (NOx): Çevreye zararlı emisyonlar açısından istenmeyen bir gazdır. Azot oksit oluşumu, yakıt cinsine, brülör ve kazan tasarımı ile hava fazlalık katsayısına bağlıdır.

Baca gazı sıcaklığı (T): Dışarıya atılan enerji miktarını etkilediğinden düşük olması istenen bir parametredir.

Elektronik kontrol modülü, brülöre gönderilen yakıt, hava girişini ayarlayan yakıt ve hava servo motorlarını kumanda etmektedir. Bu sayede yakıt-hava oranı ayarları çok hassas olarak gerçekleştirilerek optimum şartlarda tam yanma sağlamaktadır. Aynı zamanda kazanda olması gereken sıcaklık ve basınç değerleri belirlenir. Önemli bir diğer modül ise O², CO, CO² değerlerinin sürekli olarak ölçüldüğü ve hafızasındaki mevcut işletme emisyon değerleri ile sürekli olarak karşılaştırıldığı baca gazı analiz cihazıdır.

Yakma yönetim sistemleri, yakıt-hava oranını çok hassas ayarlayarak yakıt ve dış ortam sıcaklığına bağlı olarak tam yanmanın ve sürekliliğin sağlanması ve aynı zamanda kazan yüküne bağlı olarak oransal çalışma ile gereksiz duruşların önlenerek verimli kazan işletiminin sağlanmasıdır. Yakma yönetim sisteminde, emisyon değerleri; trim kontrolü ile yanma ayarı yakıt özelliğinden ve dış hava şartlarından etkilenmeden O², CO, CO² ’ye bağlı üç parametreli olarak sağlanmaktadır.

Yakma yönetim sistemindeki diğer bir modül ise brülöre hava sağlayan vantilatör motoru ile baca aspiratörünün istenen kapasite şartlarına bağlı olarak devirlerinin değiştirilmesiyle sürekli tam kapasitede çalışmalarının sağlandığı frekans kontrol modülüdür.