Buharın Kullanım Alanları ve Buhar Kazanları
Buharın ısıl kapasitesi, aynı kütle ve sıcaklıktaki suyun ısıl kapasitesine göre 6 kat daha fazladır. Bunun sebebi, buhar oluşabilmesi için yüklü miktarda buharlaşma enerjisinin gerekmesi ve buhara aktarılan bu enerjinin yoğuşma ile tekrar açığa çıkmasıdır. Buna örnek olarak suyun kaynatılması verilebilir. Bir çaydanlık içerisindeki suyun buhar haline getirilebilmesi için ocak üzerinden ısı alımı oldukça uzun sürer. Bu süre içerisinde aktarılan enerji sadece buharlaşma için kullanılır, suyun veya buharın sıcaklığı değişmez (normal basınçta 100 °C) .
Bunun sonucu olarak buhar ısı taşıyıcı olarak oldukça avantajlıdır: Aynı miktarda ısı enerjisinin aktarılması için suya oranla sadece altıda bir oranda kütle hareket ettirilmesi yeterlidir.
Buharın kullanım alanları
Su buharı endüstriyel üretimin çoğu alanlarında enerji ve kimyasal madde taşıyıcısı olarak kullanılır. Endüstride su buharının yaygın kullanım alanları; kâğıt ve inşaat malzemeleri üretimi, rafineriler, ilaç ve gıda endüstrisi olarak sıralanabilir. Ayrıca buhar türbinleri tahrik edilerek elektrik üretiminde, kauçuk ürünlerin vulkanizasyonunda ve ambalajların sterilizasyonunda buhar kullanılır.
Buharın tipik kullanım alanları:
– Buhar türbinleri
– Buharlı ısıtma sistemleri
– Kimyasal prosesler
– Gıda endüstrisinde (meyve suyu, makarna, peynir ve sütlü mamuller üretimi ile büyük fırınlar), ayrıca sterilizasyonda da kullanılmaktadır.
– Gübre endüstrisi
– Kauçuk ürünlerinin vulkanizasyonu
– Sterilizasyon amacı ile ilaç endüstrisinde
– İnşaat malzemeleri endüstrisi
– Kâğıt endüstrisi
– Rafineriler
- Ahşap işlenmesi (ahşap şekillendirme)
Endüstriyel amaçlı su buharı üretimi ve bunun kullanımı, suyu ısı taşıyıcı akışkan olarak kullanan sıcak sulu ısıtma sistemlerine göre belirli noktalarda oldukça farklıdır. Özellikle yüksek kapasitelerde yüksek basınçlı buhar üretimi, sistemlerin özel bir şekilde donatılmasını gerektirmektedir. Su soğuk bir ortamda ısıtılarak buhar haline getirildiğinde, gaz şeklindeki suyun bir kısmı yoğuşarak çok küçük damlacıklar oluşturur. Su buharı bu küçük parçacıklarla gaz halindeki görünmeyen sudan oluşur. Bu karışım ıslak buhar olarak tanımlanmaktadır .
T-s diyagramında ıslak buhar aralığı 374 °C ve 221,2 bar’daki kritik noktaya kadar erişmektedir.
Bu sıcaklığın üzerinde su buharı ve sıvı halindeki suyun yoğunlukları, artık birbirlerinden farklı değildir ve bu sebepten bu durum “kritik nokta üstü” olarak tanımlanır. Bu durum buhar kazanı uygulamaları için uygun değildir. Kritik nokta üstü suyun kimyasal özellikleri çok agresiftir. Kritik noktanın altındaki su buharı ise “kritik değildir” ve sıvı halindeki su ile denge halindedir. Su tamamen buharlaştıktan sonra ısıtılmaya devam edilirse buharlaşma sıcaklığının üstüne çıkılır ve “kızgın buhar” oluşur. Bu haldeki buharda su damlacıkları bulunmaz, fiziksel bakımdan gaz halindedir ve gözle görülemez. Islak ve kızgın buhar arasındaki sınır bölge “doymuş buhar” ya da “kuru buhar” olarak adlandırılır. Su buharı ile ilgili birçok tablodaki çoğu değer bu durumdaki buharı tanımlar.
Yoğuşma ve buharlaşma gecikmesi
Buhar soğutulduğunda ve çiğ noktasına ulaşılınca tekrar doymuş buhar haline döner. Doğrudan gaz halinden katı hale geçişte (yeniden süblimasyonda) bu nokta donma
noktası olarak tanımlanır. Buhar yoğuşmadan çiğ noktasının altına kadar soğutulduğunda, daima aşırı doyma meydana gelir. Bunun sebebi toz ya da buz partikülleri gibi kondensasyon tetikleyicilerinin olmamasıdır. “Karşı yönde” ise buharlaşma gecikmesi oluşabilir: İçinde toz partikülleri veya hava kabarcıkları
olmayan su kaynamadan da buharlaşma noktasının üstünde bir sıcaklığa kadar ısıtılabilir. Sallantılar gibi en küçük bozucu etkiler dahi karışım etkisi yaratır ve buharlaşma gecikmesi olarak adlandırılan sıvı ve buhar hallerinin patlarcasına birbirlerinden ayrılması olayı meydana gelir.
Su buharının tehlikeleri
Çok az miktarda buhar, çok fazla miktarda ısı ve enerji taşıyabilir. Bu sebepten buhar kazanı ve boru hatları gibi buhar taşıyan donanımlarda oldukça yüksek bir tahribat potansiyeli mevcuttur. Endüstriyel uygulamalarda kullanılan normal bir buhar kazanı kapalı bir kaptır. Bu da, buharın atmosferik basınçtan daha yüksek bir basınç altında oluşması demektir. Atmosfer basıncında bir litre sudan 1700 litre buhar elde edilirken, 7 bar basınç altında elde edilen buharın hacmi ise 240 litreye düşer. İçinde buhar bulunan bir tankın kapağı açıldığında oluşan ani hacimsel genleşmenin ne kadar tehlikeli olduğu kolayca anlaşılabilir. Yüksek sıcaklık ve basınçtaki buharın hasarlı bir borudan dışarıya sızması (“kızgın buhar” halinde) gözle görülmez ve uzun bir buhar akımı oluşturabilir. Bu buhar akımı ölümcül yanıklara ve haşlanmaya sebep olabilir.
Buhar kazanı
Buhar kazanı, atmosferik basınçtan daha yüksek bir basınçta buhar basıncı üretmek için kullanılan kapalı bir kaptır. Buharın bu şekilde “hapsedilmesi” ile basınç ve böylece buharlaşma sıcaklını yükselir. Bu şekilde üretilen buharın ısıl kapasitesi de yüksek olur . Kazan tipleri yapılarına veya kullanılan yakıt cinsine göre ayrılırlar. Buhar kazanları yapı gruplarına, buhar kapasitelerine ve izin verilen işletme basınçlarına göre tanımlanır. Büyük kapasitelerdeki yüksek basınçlı buhar kazanları genelde iki farklı yapıya sahiptir: Su borulu kazan ve alev-duman borulu kazan (bu kazan büyük su hacimli kazan olarak da tanımlanır). Su borulu kazanda içinde su bulunan boruların dışından ısıtma gazi akar. Bu yapıdaki kazanlar genelde yaklaşık 30 bar’a kadar olan buhar jeneratörleri veya 300 bar’a kadar olan su borulu kazanlardır. Bu yükseklikteki basınç denerleri alev-duman borulu kazanlarda prensip olarak mümkün değildir. Bu kazanlarda duman gazları etrafı su ile çevrilmiş olan borulardan akar . Bu kazanların maksimum işletme basınçları, boyutlarına göre, 25 bar’a kadardır ve saatte 25 ton buhar üretebilirler. Alev-duman borulu kazanlarla, endüstriyel üretim prosesleri tarafından istenen koşulların büyük bir kısmı güvenli ve ekonomik olarak yerine getirilir. Bu yapıdaki kazanlarda alçak basınçlı buhar da (1 bar’a kadar) üretilebilir.
Viessmann Özel üretim kazanlar
Atık ısı kazanı
Atık ısı kazanları doymuş buhar üretimi için, yanma işlemlerinde oluşan baca gazlarındaki veya endüstriyel proseslerdeki sıcak tahliye havasındaki atik ısıyı kullanırlar. İki farklı tipte atık ısı kazanı mevcuttur:
– Ek yakma sistemi olmayan atık ısı kazanları (AHK): Burada doymuş buhar üretimi için sadece baca gazları/tahliye havası kullanılır.
– Atık ısıdan yararlanan kızgın su veya buhar kazanları: Bunlar normal yakıt sistemli fakat ilave olarak atık ısıdan yararlanan kazanlardır.
Kızgın buhar kazanları
Endüstriyel uygulamaların çoğu buhar parametrelerinden özel taleplerde bulunmaktadır. Bazı proseslerde doymuş buhar basıncı ile elde edilebilenden daha yüksek bir sıcaklıkta buhar istenir. Bu durumda buharın daha fazla ısıtılması gerekmektedir. Viessmann bunun için Vitomax 200 HS kazanın ikinci ve üçüncü duman gazı geçişi arasına monte edilebilen bir kızdırıcı mevcuttur. Bu çözümle doymuş buhar sıcaklığının yaklaşık 50 K üzerinde sıcaklığı olan buhar üretilebilir.
*Kaynak: Viessmann Mesleki Yayınlar CD’si
