Evsel Isıtmada Kullanılan Gaz Yakıtlı Cihazlarda Gaz/Hava Kontrolleri ve Uygulamaları
Geçmişten günümüze, iç mekanların ısıtılması ve sıcak su temini için gerekli ısı enerjisinin elde edilmesinde kullanılan ana yöntem; yakıt olarak nitelendirilen maddelerin yakılmasıdır.
Bilindiği gibi yanma, yanıcı maddelerin oksijenle reaksiyona girerek ısı enerjisi açığa çıkardığı oksidasyon işlemidir. Metan, oksijenle reaksiyona girerek karbondioksit ve su oluşturur. Günümüzde, evsel kullanım için üretilen ısı enerjisi genellikle gaz yakıtlı ısıtma cihazlarıyla sağlanır. Sistemin tüm çalışma koşulları içinde çalışma süresi boyuncaki yanma verimliliği; ısıtıcı cihazların performansını, ısıl verimliliğini, yanma sonucu ortaya çıkan emisyon hacmini ve cihaz güvenliğini etkiler. Yanma odasına yakıt ve hava akışının doğru oranda ayarlanması, reaksiyonun etkin bir şekilde kontrol edilebilmesi için gereklidir. Ayarlama işlemi esnasında otomatik olarak güç değiştirebilen cihazlarda bu oran, tüm çalışma aralığı boyunca, sistem karateristiğine bağlı olan hassaslıkla sabit tutulmalıdır. Son zamanlara kadar birçok düşük güçlü gazlı ısıtma cihazında, yanma havasına katılan gaz akışının yarattığı vakum temeline dayanan (Venturi tüpü prensibi) bu fonksiyon, brülörü güvenceye alır. Gaz akışı (dolayısıyla güç) azaltıldığında, hemen hemen sabit olan hava/yakıt oranını korumak için içeri çekilen hava miktarı azalır. Bu sistem, Venturi sistemlerin olanaklarını aşan güçlerde, modülasyon aralığı ve hassasiyeti karşılamak için geliştirilen daha karmaşık uygulamaların ortaya çıkışına kadar geçerliliğini sürdürdü. Daha büyük güçlerde, yanma verimini düzenleyecek modülasyon ayarı ve hassasiyetini karşılamak üzere yeni cihazlar geliştirildi. Bunlar, gaz/hava oranını cihazın bütün değişim aralığı boyunca gerekli hassaslıkta sabit tutabilme kapasitesine sahip gaz/hava kontrollü sistemler olarak tanımlanır.
Evsel Isıtmada Kullanılan Gaz Yakıtlı Isıtıcıların Gelişimi
Otomatik gaz/hava kontrollerinin yaratılmasına sebep olan teknik sebepleri açıklamak için, gaz yakıtlı ısıtma cihazlarının teknolojik gelişimi, yakıt olan gazın ve havanın akışlarının düzenlenmesi bakımından kısaca tanımlanacaktır. Bu tanımlamanın başlangıç noktası, ısıtma suyu ve sıcak su üretim fonksiyonlarını bir arada yapan, doğal çekişli, kombi tipi güç ayarlamalı cihazlardır . Bu cihazda gaz akışı, otomatik gaz akışını düzenleyici bir aygıtın entegre edildiği, elektrik sinyali ile kumanda edilen, Çok Fonksiyonlu Kontrol (Multifunctional Control -MFC) (1) ile ayarlanmaktadır. Yanma için gerekli havanın (birincil hava) çoğunluğunun girişi, brülörün Venturisi tarafından taşınmaktadır. Geri kalan hava (ikincil hava), yanma odasının içinde doğal akımların oluşturduğu basınç düşüşü sayesinde alevlerin etrafındaki bölgeye çekilir.
Tanımlanan Venturi sistemi, cihazın taleplerine uygun düşecek şekilde, gücün düşmesi durumunda karışım oranının hemen hemen sabit kalmasını sağlar.
Bir sonraki aşamada, doğal hava akımının yeterli kalmadığı durumlar için cebri yolla hava akışı sağlayan sabit hızlı fanlar sisteme dahil edildi. Bu, oda içi ortam havasını gözeten, sızdırmazlığın söz konusu olduğu durumlar için cihazların çalışmasını sağlar.
(1) Çok fonksiyonlu kontrol: Fonksiyonlarından bir tanesi açma/kapama valfi olan, tek bir gövdede bütünleşik iki yada daha fazla fonksiyonlu kontrol cihazı
Gaz/hava oranı yukarıda anlatılan yöntemle aynı şekilde ayarlanır. Bu tür cihazlarda, gücü azaltarak gaz/hava oranını düşürmeye yönelik eğilim, sadece Venturi sistemin esas karakteristiğinden dolayı değil, aynı zamanda düşük ikincil hava ihtiyacı karakteristiğinin kaybındandır. Çünkü fan hem düşük hem de yüksek güçte hemen hemen aynı miktarda hava nakleder.
Daha sonraki gelişmeler önkarışımlı brülörlerin (havanın ve yakıtın yakıcıya ulaşmadan tamamen karıştırıldığı yakıcılar) kullanılması ve fanın egzoz kısmından ısı değiştiricisinden yukarı akan hava kısmına kaydırılmasıdır.
Bu yenilikler birbirlerini etkileyerek bir taraftan çevre kirliliğine yol açan salımların azalmasını sağlarken diğer taraftan, verimlilik bütün güç değişim aralıkları boyunca düzenli yanma yönünden iyileştirilmiştir. Bu yenilikler, yoğuşmalı cihazların yayılması ile ivmelenmiştir.
Bu gereksinimler, Venturi sisteminin olanaklarını genişletmiş ve bunun sonucu olarak, alternatif gaz/hava oranı ayarlama sistemleri tasarlanmıştır. Bu sistemler için gerekli olduğu için, gaz ayarlama mekanizmasına ek olarak hava ayarlama mekanizması eklenmiştir. Ayrıca, elektronik sinyal vasıtasıyla otomatik hız değiştiren fanlar getirilmiştir.
GAZ/HAVA oranı kontrolleri
Gaz ve havayı ayrı ayrı ayarlayan iki komponent, oran sabitini koruyabilecek kapasiteye sahip bir kontrol sistemi tarafından kontrol edilmelidir.
Uygun otomatik kontrol için en direkt yöntem, bir parametresi ayarlanmış büyüklük, diğer parametresi ayarlanacak büyüklük olan bir ayarlama devresi yapılandırmaktır.
Bu sistemi yapmak için ciddi anlamda iki konstrüksiyon metodu vardır: Bir tanesi, ayarlanacak büyüklüğün uygun bir sensör ile ölçülerek öngörülmesi ve bir sinyal aracılığıyla ayarlanmış büyüklüğü (elektronik gaz/hava oranı kontrolü) kontrol altında tutan elektronik karta aktarılmasıdır .
Diğer metot ise ayarlayıcı devrenin, çok fonksiyonlu kontrole entegre edilmesidir. Bu durumda, çok fonksiyonlu kontrol, olağan fonksiyonlarına ek olarak, pnömatik sinyal vasıtasıyla hava akışını ölçmek ve sonuç olarak tasarım oranına (pnömatik gaz/hava kontrolü) uygun olarak brülöre giden gaz basıncını değiştirmek için kullanılır. Bu yolla, bütün çalışma şartlarında oran, planlanan değerde tutulur. Bu tür cihazlar yaygın olarak “Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrolü” olarak adlandırılır ve günümüzde hemen hemen değişken fan hızı olan bütün cihazlara takılır.
Çok Fonksiyonlu Gaz/Hava Kontrolü Operasyonu
Basitleştirmek adına, doğrudan tutuşturma aparatının, hava sinyal amplifikatörlü gaz/hava çok fonksiyonlu kontrolü ile donatıldığını düşünelim. Amplifikatörsüz tip aşağıda dikkatle gözden geçirilecek olan basit bir türdür. Şekil 4’te görülen şematik çizim, bunu tariflemektedir.
Birinci faz, EV1 ve EV2 solenoid valflerini açan elektronik kontrol tarafından başlatılır. Bu noktada, basınç düşme sinyali ΔPa = (P+)-(P-), (P+ ve P- sırasıyla, hava giriş kanalındaki kısıcı aygıttan geçen, akışa ters yöndeki ve aynı yöndeki basınçlardır) diyaframa (a) iletilir. ΔPa sinyali, Bernoulli kanunundan türetilen ilişkiye uygun olarak havanın hacimsel akışına bağlıdır.
Denklem 1’de A, kısılma cihazının yapısal karakteristiğinin bir fonksiyonu olan kısılmış alanı ve ρa havanın yoğunluğudur.
Bağlantı (b) vasıtasıyla diyafram (a), kuvveti, gaz çıkış basıncının servo devresiyle bütünleşik olan diyaframa (c) iletir. P+ basıncı da aynı diyaframa (c) aktarılır, böylece kuvvetlerin denge şartı yazılır.
Denklem 2’de Pg gaz çıkış basıncını gösterir. R değeri ise iyi bilinen kaldıraç prensibine uygun olarak esnek parçanın dayanma noktasının (e) pozisyonu ile belirlenir. R değeri üreticinin yapılan uygun aralıktan kullanıcı tarafından ihtiyaçları doğrultusunda seçilir.
P+ değeri ile düşürülen gazın çıkış basıncı ile ΔPa vakumu arasındaki ilişki hemen hemen doğrusaldır. Şekil 5 bu ilişkiyi, yükseltme faktörü R’nin çeşitli değerleri için grafiksel olarak göstermektedir.
Şimdi gazın P+ basınç odası içindeki alanı A1 olan püskürtücüden boşaltıldığını düşünelim, gaz akışı Denklem 3’teki hale gelecektir.
Pg’nin yerine konulması ile püskürtücü giriş formunun fonksiyon ifadesi Denklem 4’teki gibi elde edilir.
Bu noktada, yakıt/yanıcı karışım hacimsel oranını elde edebiliriz.
Sabitlerin oranı sabitken, Gaz/hava çok fonksiyonlu kontrolü gaz/hava oranını herhangi bir Pa sinyali için sabit kalmasını sağlar. Diğer bir deyişle karışım oranının, hava/baca borularında kısmi tıkanıklık ya da eşanjör ve/veya yakıcıdaki basınç düşüşü artması halinde yakıcıya ulaşan hava miktarını değiştirir, böylelikle dış etkilere rağmen hava akışının bütün değişim aralığı boyunca sabit kalması sağlanır. Basit bir hesaplama yaparak, gazın P- basıncında oda içine akıtılması durumunda da oranın sabit kaldığını buluruz.
Ayarlamalar
Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrol ünitesinin iki adet ana ayarlama fonksiyonu vardır. Bunlar; sıfır ayarlama ve oran ayarlamadır.
Valf üreticileri, kullanıcı ayarları için ayar vidasını sağlamakta ve cihazı ayarlamaktadırlar.
Verimlilik
Gelişimdeki ana evrimsel çizgilerden birisi ısıl verimin artma yönünde olmasıdır. Bu durum müşterilerin gaz tüketiminin azalması yönündeki beklentilerini ve yasal gereksinimleri karşılayabilmektedir.
Örnek olarak, ayarlama aralığı % 40-100 olan fan destekli bir cihaz referans olarak alındı ve bu ayarlama aralığında iki farklı durumda verim modeli analiz edildi. Birinci model, havanın hiç ayarlanmadığı, hava miktarının bütün ayarlama aralığı boyunca esasen sabit kaldığı (sabit hızlı fan) durumu betimler. Diğer taraftan ikinci model, yakıcının gücünün bütün ayarlanma aralığı boyunca gaz/hava oranını sabit tutan Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrolün vasıtasıyla, hava ayarlama uygulamasının bulunduğu durumu varsaymaktadır (Şekil 8).
İlk cihazda, gücün düşmesine bağlı olarak iki farklı eğilim vardır: Eğilimlerden bir tanesi, sıcak akışkan kütlesinin bir birimi için ısı geçiş alanının artması nedeniyle verimin artmasıyla sonuçlanırken, diğer taraftan ikincisinde, bacadan ısı kaçaklarının artmasına sebep olan hava fazlalığının artışına bağlı olarak verim düşme eğilimidir. İkinci cihazda, hava fazlalığı Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrol sayesinde sabit tutulur ve nihai sonuç verimdeki hatırı sayılır artış olur.
Kirletici Yayılımlar
Gazlı cihazların kullanımında, standartların değindiği kirletici maddeler karbon monoksit ve nitrojen oksitlerdir. Bugünkü ön karışımlı yakıcılar, çok düşük seviyelerde kirletici yayılımına izin veren teknolojik seviyeye ulaşmışlardır. Bu seviyeler, son derece sınırlayıcı Avrupa kalite ve standart gereksinimleri ile uyumludur. Bu sonuçlar, karmaşık ve doğru çalışmalara dayanmaktadır ve çok dengeli bileşime sahip brülör karışım havası kullanımını gerektirmektedir (Şekil 9). Bundan dolayı, gaz/hava oranı kontrolünün bu ihtiyaçları kusursuz şekilde karşılayacağı açıktır.
Kurulumdaki Değişkenlik
Fan destekli cihazların kurulumundaki en önemli problemlerden birisi hava/baca borularının uzunluğundan ve yerleşiminden ortaya çıkmaktadır. Hava/baca dolaşımının direnci kurulum karakteristiğinin bir fonksiyonudur. Gaz/hava kontrolü olmayan fan destekli cihazlarda, hava akışının, akışın ayrılması ya da eklenmesi durumundaki akışa karşı olan dirençlere uygun olarak düzeltilmesi gereklidir ya da fan hızı, elle (mümkün olduğu durumlarda) ayarlanmalıdır. Gaz/hava Çok Fonksiyonlu Kontrole sahip cihazlarda bu tür problemlerin üstesinden gelinir, çünkü kontrol ünitesi gaz akışını o an hazır olan hava akışına uydurur. Böylece bütün durumlarda ve bütün boru uzunluklarında yanma için istenen karakteristiği sağlar.
Güvenlik
Fan destekli cihazların, herhangi bir sebeple (engel ya da başka nedenlerle) ve herhangi bir zamanda hava akışının mutlak minimum değerin altına düşmesi durumuna karşı, cihazı koruma önlemi olarak, cihazın hava akış kontrolüyle (çoğunlukla bir basınç anahtarıyla) donatılması gereklidir.
Gaz/hava Çok Fonksiyonlu Kontrole sahip cihazlarda, hava akışının azaltılması ile, alev noksanlığı yüzünden aparatının cihazı kapattığı düşük güç seviyesine kadar yanmanın istenildiği gibi kaldığı durumlarda, hava akış kontrolü gerekli olmayabilir.
Gelecekteki Gelişmeler
Hava sinyalinin aralığının genişlemesi
Son zamanlarda geliştirilen cihazlarda görülen eğilim güç ayarlama aralığının yükseltilmesi doğrultusundadır. Bunun birçok sebebi vardır fakat bunlar çevrimi, istenen gücün cihaz tarafından sağlanan minimum güçten düşük olduğu zaman meydana gelen bir operasyon tipi, olabildiğince düşürme ihtiyacı olarak toparlanabilir. Bu azaltma cihazın toplam veriminin geliştirilmesine ve düşük çalışma sayıları sayesinde bileşenler üzerindeki gerilme sınırlarına imkan tanır. Bu azalma aynı zamanda genellikle başlangıç evresinde yüksek yüksek olan yayılımları azaltır ve sıcak akan su düşük miktarlarda tüketildiğinde, suyun sıcaklığının ayarlanmasında gelişme sağlar.
Daha geniş ayarlama aralığı, gittikçe yüksek hassaslık seviyeleri doğrultusunda geliştirilen Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu kontrollerinin daha hassas olması talebinin yansımasıdır.
Yanma Kontrol Sistemi
Yukarıda tanımlanan gaz/hava oranı ayarlama sistemi, havanın ve gazın istenen oranda karışım elde etmek için ayarlandığı açık bir döngüdür. Fakat işlemin son kısmındaki operasyon sonuçları kontrol edilmemektedir. Doğru geri beslemeler elde etmek ve böylece kontrol çevirimini kapatmak için çeşitli yenilikler tasarlanmakta ve yapılmaktadır. Yanma işleminin sistem çıkışındaki kontrolüne dayanan yeniliklerin arasında en iyi bilineni, kontrol aracı olarak baca içerisinde oksijen miktarını ölçen ve cihazın kontrol kartına sinyal gönderen bir sensör kullanılmasıdır. Eğer bu parametre olması gereken değerden saparsa, Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrolüne bağlı mekanizma, oksijen miktarı istenen değere gelene kadar, gaz basıncını otomatik olarak ayarlar. Bu sistem, aynı zamanda yanmayı sürekli olarak izlemesi nedeniyle bariz bir avantaja sahiptir, eğer aynı gaz ailesinden ise cihazın gaz yakıttaki herhangi bir değişikliğe otomatik olarak adapte olabilmesini sağlar.
Bu araçlardaki ana problemler, cihazın ortalama ömrü ile karşılaştırıldığında çalışma süresinin kısa olması, sensörlerin ve kontrol sistemlerinin fiyatıdır. Günümüzde, mevcut yanma prosesinden ters akış yönünde ölçülen parametreler vasıtasıyla geri beslemeye olanak tanıyan alternatif sistemler üzerinde çalışılıyor.
Elektronik gaz/hava kontrolleri
Yanma işleminin kontrolü ile ilgili diğer bir örnek, hava akışı ölçümünün Çok Fonksiyonlu Kontrolün içindeki sistem tarafından yapılmadığı, bunun yerine ölçümün, çıkışında cihazın kontrol kartına elektriksel sinyal gönderen otonom bir sensör tarafından yapıldığı sistemlerdir. Elektronik kontrol sistemlerinin Gaz/Hava Çok Fonksiyonlu Kontrol pnömatik sistemiyle kıyaslandığında sundukları avantajlar; tamamen elektriksel sinyal üretebilme ve sonra bu sinyalleri işleyebilme imkanı, doğrusal olmayan gaz/hava ilişki karakteristiğine imkan tanıması, maksimum gücün nominal değere otomatik ayarlaması, v.b.
Bu kontrollerin ana sınırı, hassaslık açısından performansları ile ilişkilidir. Aslında, mevcut Çok Fonksiyonlu Kontrollere bütünleşik elektriksel dış basınç ayarlayan araçların hassaslığının pnömatik gaz/hava kontrollerinin hassaslığından daha düşük olduğu hatırlanmalıdır. Bu sınırlama yanma kontrolünün dahil edilmesiyle aşılabilir.
Sonuçlar
Evsel ısıtma cihazları için yeni geliştirilen Çok Fonksiyonlu Kontrol bileşeni, gaz/hava oranının daha doğru ve etkin ayarlanmasına yönelik katkıda bulunmaktadır. Günümüzde Avrupada yaygın olarak kullanılmaktadır. Yanma kontrolü ve ayarlama sistemleri, ayrıca evsel ısıtma cihazlarının evriminde önemli bir adımı temsil etmektedir. Bu araçlar yakın gelecekte daha fazla yaygınlaşacaktır.
