Bir önceki yazımızda gemilerde buharlı güç sistemlerinin Rankine Çevrimine göre iş gördüklerini belirtmiştik. Bu yazımızda işletme şartlarının ve nitelikli ısı kaybının verimlilik üzerine etkileri örneklerle açıklanmıştır.

Özellikle tanker sınıfı gemilerde buhar sistemlerinde enerji verimliliği önem kazanmaktadır. Güç çevrimlerinde enerjinin miktarı kadar niteliği de önemlidir. Hatta niteliğin nicelikten daha önemli olduğunu belirtmemiz gerekir. Nitelik kavramını doğru anladığımızda enerji verimliliğinin önemini daha iyi kavramış olacağız. Bunu öğrendiğimizde, niteliği yüksek enerjinin kaybının önlenmesi niteliği düşük enerji kaybının önlenmesinden çok daha önemli olduğunu da öğrenmiş olacağız. Şekil-1 de görüleceği üzere yüksek sıcaklıktaki ısıl enerjinin daha büyük bir bölümü işe dönüşebilmektedir. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıktaki enerji daha nitelikli enerji anlamına gelmektedir.

Şekil-1.Enerjinin Sıcaklık artışına bağlı nitelik artışı ve kaynak sıcaklığına bağlı ısının işe dönüşme oranı (TL=303 K)

Bir çevrim gerçekleşiyor ise ısının işe çevrilme oranı niteliği artırır. İş, ısıdan değerli bir enerji türüdür. Isının bir kısmı işe dönüştürülebilirken, işin tamamı ısıya dönüştürülebilmektedir. 1000 K sıcaklığındaki bir kaynaktan (örn. kazan) 300 K sıcaklığındaki bir ısı kuyusuna (örn. atmosfer, deniz) 100kJ ısı aktardığımızda, sadece ısı geçişi olur. Ancak, ısı geçişi tersinir bir makinede iş yaparak 300 K sıcaklığındaki aynı ısı kuyusuna (deniz, atmosfer) aktarıldığında aktarılan ısının %70 işe dönüşür. Gerçek makinelerin tersinir olmadığını hatırlatalım. Ancak, tersinir makinelerde gerçekleşen olayların gerçek makine çevrimleriyle aynı yönde etki yaptığını da hatırlatmakta fayda vardır. Bunu bir örnekle somutlaştıralım.

Soru: YILDIZ-1 tankerinde İdeal Rankine çevrimine göre çalışan bir kargo ünitesinin türbinine buhar 2 MPa basınç ve 300 ˚C sıcaklıkta girmekte ve kondenserde 75 kPa basınçta yoğuşturulmaktadır. Bu ünitenin verimini (a) verilen koşullar altında, (b) Kondanser basıncı 10 kPa’ya düştüğünde c) Türbin girişindeki buhar 300˚C yerine 500˚C sıcaklığa kızdırılması durumunda belirleyin.

 

Çözüm: Buhar kazandan ilk iki şıkta 20 bar basınç,300 C ve 500 C de çıkmaktadır. 20 bar daki doymuş buhar sıcaklığının 212,4 0C olduğu dikkate alındığında 300 C ve 500 C sıcaklığındaki buharın kızgın buhar olduğunu, ancak türbinde iş üretimi esnasında (genişleme) 75 kPa ve 10 kPa da ıslak buhara dönüştüğüne dikkat ediniz. Türbin çıkışında buharın ıslaklık derecesi arttıkça kanatlar için sorun oluşturabileceği, türbin çıkışında kuruluk derecesinin artırılması için buhar sıcaklığının bir süperhiter vasıtasıyla ısıtılması gerektiği hatırlanmalıdır. 

Tablo-1 incelendiğinde, aynı kazan basınç ve buhar sıcaklığında sadece kondenser basıncı 75kPa dan 10 kPa a düşürüldüğünde verim %23,5 den %31,3 e yükselmiştir. Buradan, çevrimde soğutucu olarak deniz suyu kullanılıyorsa deniz suyu sıcaklığının verimliliğe etki eden önemli bir parametre olduğunu anlıyoruz. 

Tablo-1. Kazan çıkış basınç ve sıcaklığı ve kondenser basınç değerine göre verim değişimi

Kondenser basıncının pinch point adı verilen, soğutucu sıcaklığının üzerinde olması gerekir. Örneğin soğutucu sıcaklığı 50 C de ise, basıncı 10 kPa a düşüremezsiniz. Yoğuşma gerçekleşmez. Bu durumda yoğuşma basıncının yükseltilmesi gerekir. Buda çevrim veriminin düşmesine neden olur. Mevcut bir sistemde kondanser basıncı yükseliyorsa (etkin soğutma yok ise, kondanser tıkalıysa, vakum üretilemiyorsa), verim düşeceği için yakıt tüketimi artacaktır.

Türbin girişindeki sıcaklık artışının da buharlı güç çevriminin verimini artırdığı görülmektedir. Kazanlarda ısı geçişi süperhiter ve kazan boruları üzerinden hem radyasyon hem de taşınım yoluyla gerçekleşmektedir. Kazan yanma sıcaklığı ne kadar yükselirse yükselsin eğer gaz tarafı ve su tarafında ısı iletimini azaltacak faktörler (kışır ve kurum oluşumu) oluştuğunda buhar sıcaklığı düşecektir. Bu nedenle kazan ıslahının düzenli yapılarak kışır oluşumunun önüne geçilmesi gerekir. Aynı şekilde gaz tarafta oluşan kurumlar için düzenli olarak “kamin” olarak adlandırılan kurum temizleme işleminin yapılması gerekir. Kurum ve kışır oluşumunun en bariz göstergesi baca gaz sıcaklığının artmasıdır. 

Buhar kaçaklarının çevrim verimi üzerine etkileri
Enerjinin niteliğinin iş gören akışkanın miktarıyla değil sıcaklığıyla ilişkili olduğunu öğrendik. Nitelikli enerji üretmek için daha fazla enerji(yakıt) harcanmaktadır. Dolayısıyla sistemde dolaşan enerjinin nitelikli (yüksek sıcaklık) kısmındaki kayıplar düşük nitelikli (düşük sıcaklık) kısmına göre çok daha fazla verim kaybına dolayısıyla daha fazla yakıt harcamına neden olurlar. Gemilerde işletme esnasında buhar kaçaklarının nerede olduğu enerjinin niteliğiyle ilgilidir. Örneğin kazan-türbin arasındaki sıcaklık nitelik olarak en yüksek enerji kalitesine sahiptir. Bu nedenle bu bölgede meydana gelecek buhar kayıplarının minimum seviyede tutulması gerekir. Bu bölgedeki kaçaklar sadece su kaybına değil aynı zamanda güç kaybına neden olduklarından yakıt sarfiyatı da önemli ölçüde artar. 

Şekil-2.Buharlı güç çevriminde nitelikli ve düşük nitelikli enerji kayıp bölgeleri

Örnek 8.2. STAR-1 tankerinde İdeal Rankine Çevrimine göre çalışan bir kargo ünitesi türbinine  =1 kg/s debideki buhar 2 MPa basınç ve 350 ˚C sıcaklıkta girmekte ve kondenserde 75 kPa basınçta yoğuşturulmaktadır. Kazanda kullanılan yakıtın alt ısıl değeri 42000kJ/kg dır. İşletme esnasında a) Kazan-Türbin arasında %10 buhar kaybı, b) Türbin çıkışı kondanser arasında %10 buhar kaybı c) Hem kazan-türbin arasında hemde türbin çıkışında %10 buhar kaybı d) Aynı hesabı kondanser basıncı 10 kPa için performans kayıplarını normal çevrime göre karşılaştırınız. Buhar kayıplarının kondenserde 10 0C sıcaklıktaki fit suyu ile tamamlandığını kabul ediniz.

Çözüm
Kabuller: 
a) Yanma verimi  olduğu ve ısı girişi ile yakıt harcamı arasındaki ilişki 
 = formülüyle hesaplanmıştır. 

b) Türbin giriş sıcaklığı tüm durumlarda 350 0C alınmıştır.

Tablo-2 Kondanser basıncının 75 kPa için çevrim performans değerlerindeki değişim

Tablo-3 75 kPa kondanser basıncında eşdeğer net güç değerlerine göre performans değerlerindeki değişim

Tablo-4 75 kPa kondanser basıncındaki eşdeğer net güç değerine göre 10 kPa kondanser basıncındaki performans değerleri.

Tablo-5 Eşdeğer net güç için kondanser basıncındaki değişimin yakıt sarfiyatına etkisi

Değerlendirme: Nitelikli enerjinin kaybedilmesi çevrim verimini ve dolayısıyla yakıt sarfiyatını olumsuz etkilemektedir. Buhar türbinindeki güç kaybı türbin girişinde kaybedilen buhar yüzdesine eşittir. Ancak aynı orandaki buhar kaybı türbin çıkışında meydana geldiğinde bunun verime etkisi %1’ler mertebesindedir. Türbin giriş sıcaklığı sabit tutulduğu için türbin çıkışındaki buhar kaybı daha soğuk fit suyu ile tamamlandığı için kazan giriş sıcaklığı düşmektedir. Kazan buhar sıcaklığını aynı sıcaklığa çıkarmak için daha fazla yakıt yakmak zorunda kalmaktadır. Verimdeki küçük düşme sıcaklığı düşen fit suyunu ısıtmak için harcanan ilave yakıttan kaynaklanmaktadır. Kondanser basıncındaki vakumun düşmesi yakıt sarfiyatını da önemli ölçüde etkilemektedir. Tersinir ideal Rankine Çevrimine göre çalışan kargo sisteminde basınç 10 kPa dan 75 kPa a çıkması ve türbinin hem giriş hemde çıkışında aynı anda kayıp olmasının yakıt sarfiyatını toplam %25’ e varan oranda artırmaktadır.

Özetlemek gerekirse, Rankine çevrimine göre çalışan bir buharlı güç sisteminde verim kaybını minimum seviyede tutmak için buhar kaybının yüksek sıcaklık ve basınçlı bölgelerden olmamasına ve kondanser basıncının tasarım değerlerinden aşağıya düşürülmemesi gerekir.   

Kaynaklar:
[1] Parlak A.,Enerji Verimliliği, Gemi Mühendisliği Uygulamalarıyla,2018, Istanbul
[2] Çengel Y. Boles M.,Termodinamik Mühendislik Yaklaşımıyla,5.Baskı, İzmir Güven Yayınevi,2008
[3] A. Bhatia. Improving Energy Efficiency of Boiler Systems,2012. http://www.pdhonline.com/courses/m166/m166content.pdf. Erişim tarihi: 02.04.2017.
[4] Improving Steam System Performance:A Sourcebook for Industry,2004. 
[5] Erdem,H.H., Termal ekipmanlarda enerji verimliliği İstanbul enerji verimliliği merkezi enerji verimliliği kurs notu,7-8 Nisan 2015.
[6] Bakır, B., Kazanlarda Enerji Verimliliği. http://deneysan.com/Content/images /documents/ey-06_8321397.pdf. Erişim tarihi: 03.04.2017.
[7] Mehdi Mehdizadeh, Scaling in Boiler Tubes, Detection and Prevention Methods, 2015,https://www.linkedin.com/pulse/scaling-boiler-tubes-detection-prevention-methods-mehdi-mehdizadeh.Erişim tarih:02.04.2017
[8] ICOM, Energy Association,The Treatment of Water for Shell Boilers,1994. http://byworth.co.uk/wp-content/uploads/2015/06/ICOM-The-Treatment-of-Water-for-Shell-Boilers.pdf. Erişim tarihi:03.04.2017.
[9] Energy Efficiency Best Practice Guide Steam, Hot Water and Process Heating Systems.http://www.sustainability.vic.gov.au/services-and-advice/business/ener gy-and-materials-efficiency-for-business/resources-and-tools/energy-efficiency/ energy-efficiency-best-practice-guidelines. Erişim tarihi: 08.01.2017 
[10] Paul Dockrill, Frank Friedrich, Boilers and Heaters: Improving Energy Efficiency, Federal Industrial Boiler Program Natural Resources Canada CANMET Energy Technology Centre, 2001.