DOπALGAZ. Hasan GÜNDOπMU ÜRETM ARITMA TA IMA TESSAT VE ENERJDE KULLANIMI

Transkript

1 Hasan GÜNDOπMU DOπALGAZ ÜRETM ARITMA TA IMA TESSAT VE ENERJDE KULLANIMI

2 DOπALGAZ ÜRETM ARITMA TA IMA TESSAT VE ENERJDE KULLANIMI K.Bakanlığı Yayın Kodu: 076, ISBN: Not: Ticari maksatla, izinsiz kısmen veya tamamen çoğaltılıp, yayınlanamaz.

3 ÇNDEKLER Sayfa I DOĞALGAZ: KAYNAĞI, FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ 8. Doğalgazı Tanıyalım. Temiz Yakıt ve Enerji Kaynağı Olarak Doğal Gaz. 3. Enerji Kaynaklarının Geleceği. 4. Doğalgazın Kökeni ve Oluşumu 5. Gazların Genel Özellikleri II GAZ YASALARI VE TERMODİNAMİK. Genel Tanımlar ve Gaz Yasaları. Isıl Kapasite 3. Basınç Hacım İşi 4. Termodinamiğin Birinci Yasası 5. Adiyabatik Proses 6. Kinetik Enerji Denklemi Ve Özgül Isı 7. Isıl Değerin Tespit Edilmesi 8. Doğalgazın Isıl Değerinin Hesaplanması 9. Viskozite Ve Akışa Etkisi III DOĞALGAZ ÜRETİM VE ARITMA TESİSLERİ 73. Üretim İstasyonları. Kuyubaşı Kurulumu, Separatörler, Emniyet, Ölçüm 3. Serbest Su Ayırıcılar (FWNKD) 4. Separatörler Gaz Kapasitesi 5. Yüksek Basınçlı Separatörün Gaz Kapasitesi 6. Separatörler Sıvı Faz Kapasitesi IV GAZ KURUTMA SİSTEMLERİ 85. Sistemin Tanıtımı. Filtreli Separatör 3. Kurutma Kuleleri 4. Tuz Banyolu Isıstıcı ve Yeniden Kazanım 5. TEG Sistemi 6. Slikajel Kurutma Sistemi 7. Kompresör Güç Hesabı 3

4 V BORU HATLARI 96. Akış Olayına Uygulanan Korunum Yasaları. Mekanik Enerji Denge Denklemi 3. Weymouth Gaz Akış Formülü 4. Pandhandle Akış Formülü 5. Metrik Birim Sisteminde Akış Formülleri 6. Düşük basınç hatlarında kullanılacak formül 7. L/D: Boru Çapında Eşdeğer Uzunluk 8. Gaz Boru Hattı Tasarımı (Örnek) 9. Basınca Göre Hatların Sınıflandırılması 0. Boru Hatlarının Temizliği :Pig Atma Ve Pig Alma VI BORU HATLARI TASARIMI VE BASINÇ DÜŞÜRME İSTASYONLARI 39. Tasarım Basıncı. Sıvı Taşıma Hatları Tasarım Basıncı 3. Gaz Taşıma Hatları Tasarım Basıncı 4. Gaz ve Sıvı Taşıma Hatları 5. Tasarım Sıcaklığı 6. Et Kalınlığı Sıra Numarası 7. Uygulanabilir Gerilim 8. Boruların Bükülebilme Yarı Çapları 9. Ulusal ve Uluslararası Standartlar 0. Boru Hattı Çapının Belirlenmesi. Sürtünme Basınç Kaybı. Ekonomik Çap 3. Uzunluk : L 4. Sivri Kuvvetlerin Etkin Olduğu Noktalar 5. Karışık Bağlantılı Hatlar 6. Hat Tasarımında İş Programı ve Malzeme Seçimi 7. Doğalgaz Hat Tasarıında Bilinmesi Gerekenler 8. PE Boruların Kullanılması 9. PE Borularda Aranan Özellikler 0. PE Boruların Döşenmesinde Dikkat Edilecek Hususlar. PE Borulama İşinde Dikkat Edilecek Hususlar. Deprem Olasılığının Göz önüne Alınması VII ENSTRUMANTASYON. Emniyet Kontrol Vanası: EKV. Filtreler (F) 3. Basınç Düşürücüler 68 4

5 4. Regülatörler 5. Düz Geçiş Hatları (By Pass lines): 6. Pilot ve Hava Regülatörleri 7. Akış Ölçerler 8. Basınç Emniyet Vanaları VIII DOĞALGAZ ARZ VE TALEP DENGESİ VE GAZ STOKLAMA TESISLERİ 8. Doğal Gaz Tüketiminde Dalgalanmalar. Boru Hatlarının Gaz Stoklanması Amacıyla Kullanılması 3. Eski Gaz üretim Kuyularının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması 4. Su Rezervuarlarının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması 5. Tuz Mağaralarının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması 6. Sıvılaştırılmış Doğal Gazın Depolanması 7. Sıvılaştırılmış doğalgazın Taşınması IX YAKITLAR VE KARŞILAŞTIRILMASI 5. Katı Yakıtlar. Sıvı Yakıtlar 3. Gaz Yakıtlar 4. Doğalgazın Hammadde Olarak Sanayide Kullanılması 5. Doğalgazın Başka Kullanım Alanları 6. Doğal Gaz ile Başka Yakıtların Karşılaştırılması 7. Doğalgaza Geçişte Göz Önünde Bulundurulacak Hususlar 8. Isıtma Sistemleri ve Seçenekler 9. Solunabilir Hava (Hava Standartları) X DOĞALGAZLI KALORİFER KAZANLARI 34. Yapıları Ve Çeşitleri. Yakıtlarına Göre Kazanlar 3. Yakıt Çeşidine Göre Karşılaştırma 4. Konvektif Isı İletimi 5. Işınım Yoluyla Isı Transferi 6. Isıtma Sistemlerinin Tasarımıyla ilgili TS'ler 7. Su Borulu Kazanlar 8. Kapasite Belirlemede Göz Önüne Alınacak Durumlar 9. Buhar Veya Sıcak Su Kazanlarının Ortak Tasarım Ölçütleri 0. Kazanlarda Verim XI BRÜLÖR ÇEŞİTLERİ 50. Brülör Ve Çeşitleri. Brülörlerin Yapıları 5

6 3. Doğalgaz Brülörleri 4. Yakıt Basıncına Göre Brülörler 5. Fanlı Brülörler 6. Wobbe İndeksi 7. Sıvı Yakıtlı Kazanlarda Yapılacak Değişiklikler XII YANMA OLAYI VE ISI POMPALARI 63. Yanma Olayı ve Hava/Yakıt Oranı. Yanma Hızı ve Alev Sıcaklığı 3. Isı Pompaları XIII ISI TRANSFERİ 83. İletim Yoluyla Isı Transferi. Konvektif Isı İletimi 3. Işıma Yoluyla Isı İletimi 4. Termal Direnç, Genel Isı Transfer Katsayısı 5. Isı Değiştiriciler 6. Isı Değiştiriciler Tasarımında Logaritmik Ortalama Sıcaklık (LMTD) Yöntemi 7. Kabuklaşma direnci (fouling) XIV KONUT VE İŞ YERLERİNDE DOĞALGAZ PROJE VE TESİSAT 33. Sulu Isıtma Sistemleri Ve Uygulama Örnekleri. Isı Transfer Birimleri 3. Isı Transfer Birimlerinin Tasarımında Yapılan Kabuller 4. Sistemin Belirteçleri 5. Isı Transferinin Belirlenmesi 6. İçeri Sızan Havanın Isıtılması İçin Ek Isı 7. Isı Kayıplarının Hesaplanması 8. Doğal Gazlı Su Isıtıcıları 9. Doğalgazlı Birleşik Isıtıcılar (Kombiler) ve Kat Kaloriferleri 0. Kat Kalorifer Sistemi ve Isı Yalıtım Hesapları. Kombili Kat Kalorifer Projesi (Örnek). Sıvıların Daldırılmış Yanmayla Isıtılması XV KOROZYON OLAYI VE MALZEME SEÇİMİ 368. Giriş. Korozyon Çeşitleri 6

7 3. Korozyon Oluş Biçimleri 4. Korozyon Olayı ile İlgili Özet Bilgiler 5. Sudaki Korozyonu Etkileyen Durumlar 6. Korozyon Hızının Belirlenmesi XVI EKLER 385 Ek- 003 VERİLERİNE GÖRE DÜNYA DOĞALGAZ KAYNAKLARI Ek- 003 VERİLERİNE GÖRE DOĞALGAZ TÜKETİMİ Ek 3- DOĞALGAZ HESAPLARIYLA İLGİLİ FORMÜLLER EK 4 - BAZI FİZİKSEL SABİT DEĞERLER EK 5- ALFABETİK BİRİM ÇEVİRME TABLOSU EK-6 MATEMATİKTEN SEÇMELER KAYNAKLAR 439 7

8 I. BÖLÜM DOĞALGAZIN KAYNAĞI, FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ. Temiz Yakıt ve Enerji Kaynağı Olarak Doğal Gaz Ankara, İstanbul, Bursa, İzmir gibi büyük şehirlerimizin 970 ve 980 li yıllarında yaşayanlar, hava kirliliğinin ne kadar tehlikeli boyutlara ulaştığını anımsayacaklardır. Öyle ki, sabahları, ağaç altlarında kuş ölülerine bile rastlamak olasıydı. İnsanlar sokaklarda maskelerle dolaşır olmuştu. Doğal gazlı yaşama, İstanbul, Ankara ve Bursa başta olmak üzere, Türkiye 987 lerde geçti, o tarihten günümüze kadar, doğal gaz dağıtım işi hızla devam etti, hatta 006 nın sonuna doğru kasaba ve köylere kadar hatlar çekildi, bu kapsamda, Konya, Kayseri, Erzurum ve civar iller, doğal gaza kavuştu. Günümüzde, Artvin,Şırnak, Hakkari ve ufak beldeler dışında doğalgaza kavuşmayan yerleşim yeri kalmamıştır diyebiliriz. Adı geçen bu illere de 08 yılı içinde doğalgaz bağlanacağı yetkililerce ifade edilmiş olmaktadır. Doğal gazın konutsal ısınmada kullanımı ile kazanılan yaşamsal iyileşmeler kısaca şöyle: Büyük şehirlerin kış aylarında görülen hava kirliliği tarihte kaldı, Ucuz ve konforlu bir ısıtma sistemi ile konutlar ısıtıldı, Teknolojiden yararlanılarak otomatik ısıtma sistemleri kuruldu, Kazan daireleri, kömürün tozundan, kurumundan kurtularak daha modern ve temiz hale geldi, Kapıcıların bilgi ve becerisine bağlı olarak çalıştırılan merkezi ısıtma sistemleri artık doğal gazla otomatik olarak çalışır hale getirildi, Isınmada, yakıt depolama gereksinimi ortadan kalktı, Önceden tüm kışlık yakıtı temin etme ve satın alma külfeti kalmadı, Doğal gazın havadan hafif olması nedeniyle kazan dairesi çatıya kurulabilmektedir, Doğal gaz kendi başına zehirli gaz değildir, ancak yanma artıkları, CO ve Nox ler zehirlidir, Doğal gazın ancak hava ile olan belli orandaki karışımı patlayıcıdır. Kapalı bir yerdeki doğal gazın ortamdaki doğal gazın hava ile yaptığı karışım %5 ile %5 arasında olursa, patlayıcıdır, patlaması için de mutlaka kıvılcım çıkarıcı bir etmenin varolması gerekir. 8

9 Merkezi ısıtmayı sağlayan akıllı, verimli otomatik kazanlar hem ufak, hem de yüksek ısı kapasitelidirler, o nedenle eski kömür ve fueloil kazanları gibi kaba ve büyük değillerdir. Çağdaş yaşama uygun, kullanımı kolay olan doğal gaz, uygun standartlar uygulanmadan yapılan tesisatlarla çok tehlikeli ve öldürücü olabilir. Özellikle gaz sızıntısına olanak verebilecek bağlantı ve birleşmeler, standarda uygun malzeme ve işçilik kullanılarak yapılmalıdır.. Tükenebilir Enerji Kaynaklarının Geleceği Enerji konusunda, bir zaman sonra dünyanın mutlaka bir krizle karşılaşacağı varsayımları, öngörüleri, hesapları geçmişte olduğu gibi günümüzde de yapılmaktadır. Bilim adamları, özellikle, bugünkü çağdaş dünyanın oluşumunda katkısı olan tükenebilen kaynakların nasıl olsa bir gün mutlaka bitiş noktasına geleceklerini düşünmektedirler. Gerçekten petrol, kömür, doğal gaz, madenler yeraltından çıkarılan ürünlerdir. Bunlar milyonlarca yıllık bir oluşumun sonucunda varolmuşlardır. Oysa gelişen dünyada, nüfus artmakta, buna paralel olarak gereksinimler artmakta, bilim ilerlemekte, daha çok teknoloji üretilmekte, giderek daha çok hammadde kullanılmaktadır. Böylece, daha çok petrol, kömür, doğal gaz, madenler üretilmekte ve tüketilmektedir. Bu tür kaynakların hızlı bir şekilde üretilmesi 00 yıl gibi kısa bir süreyi içermektedir. Bilim adamları, geleceği açıkça ifade etmek gerekirse, pek parlak görmemektedirler. Bugün kullandığımız kömür, petrol ve doğal gaz gibi kaynakların yok olduğu bir dünyanın düşlenmesi bile ürkütücüdür. Ama, gerçek olan odur ki, her geçen gün bu kaynaklar azalmaktadır, bir sonraki kuşak belki son petrol ile son doğalgazı kullanan olacak ve daha şiddetli enerji savaşlarını yaşayacaktır. Türkiye, etrafı petrol üreten komşularla, Suriye, Irak, İran ile çevrili olduğu halde, petrol ve doğalgaz kaynaklarına, komşuları kadar sahip değildir. Günlük toplam ham petrol ihtiyacı 600 bin varil dolayındadır, bunun 47 bin varili iç piyasadan, yaklaşık bin varil/gün Tpao tarafından, 554 bin varili dış alımla karşılanmaktdır. Buna göre ülke enerji ihtiyacının %8 kadarı iç kaynaklardan karşılanmakta kalanı yurtdışından alınmaktdır. Günümüz koşullarında, Ortadoğu da patlayan enerji kaynaklı savaşlar, Rusya ve ABD nin bölgeyi paylaşma pazarlıkları, Amerika nın İran a karşı iki de bir ortaya çıkan tehditkâr tavrı,, Hindistan ve Çin gibi büyüyen ve gelişen ekonomiler, Nijerya da terör eylemleri nedeniyle petrol sahalarının emniyetle işletilememesi ve başka siyasi olaylar petrol fiyatını varil başına her ne kadar yukarı çekmemiş olsa da, 08 sonuna doğru ham petrol fiyatının $80/varil olabileceği ifade edilmektedir. 9

10 Diğer yandan doğalgazın tüketimi tüm dünyada hızla artmaktadır. Türkiye de son yıllarda ivmeli bir artış söz konusudur, yap işlet devret enerji santralleri doğalgazla elektrik üretmektedir. Doğalgazın fiyatı da petrol fiyatlarının artışına paralel olarak artmaktadır. Dünya Enerji Konferansında (WEC:World Energy Conference) bilim adamları, gelecekte enerji kaynaklarının ne durumda olacağı hakkında öngörülerde bulunarak, "Enerji kaynaklarının oluşumu, ömrü ve sonunda çaresiz tükenişi hakkında öngörülerde bulunmuşlardır. Buna göre, günümüzde, henüz fosil kaynaklı enerji kıtlığının yaşanmadığı, fakat 030 ve sonralarında, fosil kaynaklı enerjinin keşfedilmiş sahalarda bitme noktasına geleceği, aramaların off-shore, kutuplar gibi bakir alanlara kayacağı bu nedenle üretim maliyetinin kat kat artacağı, bilinen fosil kaynaklı enerji sahalarını elde turtmak isteyen emperyal ülkeler arasında enerji savaşlarının devam edeceği öngörülmektedir. Bunun yanısıra, gelecekte, uzay keşifleri ve yeni enerji kaynaklarının bulunması gibi gelişmeler insanlık için umut olmaya devam edecektir. Kaçınılmaz olarak tükenebilen enerji kaynaklarının içinde, kıtlığı görüleceklerden ilki hidrokarbonlar (HC) olacaktır. Bu durumdan ilkin herhalde, Batının Endüstrileşmiş dünyası etkilenecektir. Şu soru akla gelebilir, "Acaba birgün Dünya son damla petrol ile son gram uranyum kalıntısıyla karşılaşacak mı?" Bilim insanları, o kadar karamsar olmak istemiyorlar. Dünyanın ekonomik sistemi, kendini yenileyecek ve yaşamaya devam edecek fakat daha pahalı bir yaşam ve gelecek içinde. Fakat, dünya, bugünün enerji ikliminin rüzgarları içinde geleceği hazırlayamaz, ekonomik davranmaz, alternatif enerji kaynaklarının bulunmasına yönelik değişik politikalar üretemezse, bugünkü bilgi sınırları içinde gelecek kuşakların karşılaşabileceği korkunç durumu göz önüne getirmek bile insanı ürkütmektedir. Gelecekte enerji kıtlığı olacağı kesindir, bu yüzden, nüfusu daha da artmış olan dünyada enerji paylaşımı nedeniyle bitmeyen savaşlarla kaos yaşanacağı söylenebilir. Artık günümüzde olduğu gibi gelecekte de, savaşların görünür nedenleri ne olursa olsun, temel nedenleri dünya enerji kaynaklarının paylaşımı olacaktır. Sözgelimi Financial Times 8 Ocak 003 sayısında, Irak savaşının nedenleri üzerinde durulurken, savaşın Orta Doğu Petrollerine sahip olmak amacıyla çıkartıldığı vurgulanmaktadır, bu gerçeği artık sıradan insanlar da bilmektedir. Özellikle Avrupa ve ABD petrol kaynaklarının insan ömrüne göre çok kısa bir süre içinde tükeneceği varsayımı yapılmaktadır. Oysa İran da 53 yıl, Suudi Arabistan da 55 yıl, Birleşik Arap Emirlikleri nde (BAE) 75 yıl, Kuveyt te 6 yıl, ABD nin göz diktiği Irak ta ise 50 yıldan daha uzun bir süre petrol üretiminin olabileceğine işaret edilmekte ve bu nedenle ABD nin Kitle İmha Silahlarını (KİS) bahane ederek Irak a saldırdığı artık bilinen bir gerçektir. Bu 0

11 yolla Orta Doğu Petrollerini kontrol altına almayı hedeflemiştir. Çünkü günümüzde petrol krizi nedeniyle, bu bölgeler aç kurtlar sofrasına dönmüştür. Diğer yandan, ABD, İngiliz, Alman kökenli dev şirketler yoluyla, enerji paylaşımı, Kafkaslarda, Azerbaycan ve Gürcistan da ve Orta Asya da Kazakistan ın bakir petrol yatakları üzerinde devam etmiş BP, Exxon Mobil, Chevron ve Texaco gibi ABD ve İngiliz kökenli petrol şirketleri, Azerbaycan, Kazakistan ve Irak, petrol üretim amaçlı büyük yatırımlar yapmışlardır. Irak, petrol zenginliği bakımından dünyanın ikinci büyük ülkesidir ve dünya toplamının % ne sahip olduğu ifade edilmektedir. Ayrıca dünyanın bilinen doğal gaz kaynaklarının da % sine sahiptir. Gelecekte de Irak ın en önemli petrol ihraç eden ülkelerin başında olacağı sanılmaktadır. Üretimin,8 milyon varil/ gün den, yıllar içinde 6 milyon varil güne çıkacağı varsayılmaktadır. Ayrıca, kuyular oldukça sığdır, yani m lerden, çok düşük sondaj masrafıyla açılan kuyulardan dünyanın en ekonomik petrolü üretilmektedir ve kuyu başı maliyet varil başına,5 dolar kadar, dünyanın başka bölgelerinde, kuyu başı maliyet 0 dolar düzeyinde olursa buna ekonomik gözüyle bakılır. Şimdi bu konuda Hürriyet yazarlarından Enis Berberoğlu nun, 3 Ekim 004 tarihli yazısına bakalım:... Carter Doktrini, dünya petrol bölgelerinin emniyeti açısından ABD askerinin savaşacağını öngörür. Özetle, ABD petrol uğruna can vermeye/kan dökmeye hazır. Nihayet uyanan dev Çin, 75 milyar dolarlık ticaret fazlasıyla petrole derin açlık duyuyor. Dünya enerji piyasası bu rekabette 0 yıl sonrasını öngörmeye çalışıyor. Bu gün Çin de kişi başına petrol tüketimi, 7 varil. Aynı rakam ABD de 8 varil, Japonya ve Güney Kore de 7 varil. Yani Çin in on katı kadar. Türkiye de kişi başına, varil düzeyinde. 3,6 milyar nüfusu barındıran Asya kıtasında petrol tüketimi, 95 milyon nüfuslu ABD den düşük ama bu böyle devam edebilir mi? İşte petrol fiyatlarının geleceği açısından kritik soru bu! Eğer Çin ve bugünkü petrol tüketimi kişi başına varilden az olan Hint ekonomileri aynı hızla büyüyeceği göz önüne alınırsa, talepleri tam ikiye katlanacak. Bu senaryodan petrol fiyatlarının yakın gelecekte tekrar sıçrama yapması işten bile değildir. İçinde bulunduğumuz zaman içinde henüz petrol ve doğal gaz enerji kaynaklarının sona erdiği veya hemen sona ereceği paniği yaşanmazken bile dünya enerji kaynaklarına şimdiden sahip olmak için savaşlar yapılıyor ve bu yüzden insanlar öldürülüyorsa ki bu durum dünyanın kapital devleri için hiç de önemli değildir, gelecekte, bu kaynakların yokluğu durumunda dünyanın bu nedenle çıkacak savaşlar nedeniyle ne hale geleceğini düşünmek bile insanı korkutuyor.

12 Başka enerji kaynakları ki bunlar; rüzgar, güneş, hidrolik, deniz dalgası ve bunlarla üretilen elektrik, yenilenen enerji kaynakları sınıfına girmektedir. Ancak, yaygınlığı ve büyüklüğü dikkate alınınca, petrol ve doğalgaz kadar etkin olamayacakları açıktır. Bununla birlikte, petrol ve gaz kaynaklarının ömrünü uzatamaya katkılarının olacağı söylenebilir. Gerçek olan şudur ki, zaman içinde oluşan madenler, kömür, petrol ve gaz, hazıra dağ dayanmaz misali, üretildikçe bir süre sonra bitecektir, bunun beklenen son olduğunu bilim insanları bilmekte ve insanlığı alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesi konusunda şimdiden uyarmaktadır.. 3 Doğalgazın Kökeni ve Oluşumu.3. Giriş Fosil yakıtlar sınıfına giren katı (kömür), sıvı (petrol) ve gaz (doğal gaz), yerin binlerce metre derinliklerinde birikintiler arasında (sedimentation) kalan organik maddelerin milyonlarca yıl süren bozunumları sonucunda oluşmuşlardır. Basınç ve sıcaklık, fosilleşmiş hayvan ve bitki artıklarını havasız ortamda, bugün kömür, petrol, doğal gaz diye bilinen "biçimler"e dönüştürmüştür. Doğal gaz, içerisinde büyük oranda metan bulunduran petrol gazlarının karışımından oluşmaktadır. Binlerce yıl önce de doğal gaz, insanlar tarafından bilinmekteydi. Sözgelimi, ateşe tapanların sönmeyen "kutsal ateş"leri, kaya kovuklarından yeryüzüne kendiliğinden çıkmış ve her nasılsa (yıldırım gibi) alev almış olan doğalgazdan başka bir şey değildi. İlk defa 8 de Amerika'da Fredonia (New York) sahasında ekonomik amaçla keşfedilen doğalgaz yakın çevrede ocak gazı olarak kullanılmıştır. Doğalgazın endüstride geniş çapta enerji kaynağı olarak kullanılması ve bu amaçla keşfedilmesi, üretilmesi 975 lerde başlayan "petrol krizi"nden sonra olmuştur. Kitabın son bölümünde, dünyada doğal gaz konusu ilgilenenler için ayrıntılı bilgi verecektir. Günümüz bilgileriyle söylenebilir ki, Rusya başta olmak üzere, Türkmenistan, İran, Cezayir doğal gaz kaynakları bakımından en zengin ülkelerdir..3. Petrol ve Doğal Gaz Rezervuarları Bu bölümde, doğal gazın yer altında oluşumu ve kapanlarda birikmesi anlatılmaktadır. Konu petrol mühendisliği kapsamındadır, petrol mühendisliğinde kullanılan formüllerin çoğunda, İngiliz birim sistemi yer alır. Denemelere dayanılarak geliştirilen pek çok formül özgün yapıları gereği, İngiliz birim sistemiyle ortaya çıkarılmış ve kullanımda da bu birimler

13 petrol mühendisliğinde alışılagelmiş olan birimlerdir. Konuya yabancı olanlar, birim çevrim tablolarını kullanarak, aynı formülleri metrik birimle ifade edebilirler. Hidro karbon bileşikleri yerin derinliklerinde, oluşum koşullarında basınç ve sıcaklık durumlarına, karışımlarına bağlı olarak gaz, sıvı, sıvı + gaz fazlarında bulunabilirler: Hafif (HC) hidro karbonlar olan Metan (CH 4 ), Etan (C H 6 ), Propan (C 3 H 8 ), Bütan (C 4 H 0 ) gibi gazlar genellikle rezervuar koşullarında petrolle dokunum halinde (associated gas) ya da ondan bağımsız (non associated gas) olarak veya petrolün içinde erimiş halde (solution gas) bulunurlar. Şekil. Gaz ve petrolün yeraltında depolanması P.T (basınç, sıcaklık) koşullarında, petrolden ayrılan hafif hidrokarbonlar tepe gazını oluşturur. Tepe gazı bulunduran rezervuarlardan doğal gaz üretimi yapılabilir, ancak gaz üretimi arttıkça, rezervuar basıncı düşer, sıvı faz (petrol) içinde orijinal rezervuar basıncında erimiş halde bulunan hafif HC lar ayrılmaya başlar, fakat bunlar, tepe gazını oluşturanlardan daha ağırdırlar. Petrolün içinde erimiş halde olupta petrolle birlikte yeryüzüne çıkarılan gaz çözülmüş gaz (solution gas) olarak adlandırılır. Yeryüzünde erimiş gazı petrolden ayırmak için belirli P,T (Basınç, sıcaklık) koşullarında ve belli sıvı seviyesinde çalışan ayrıştırıcılar (separatörler)'a gereksinim duyulur. Büyük kapasiteli gaz rezervuarları, sıvı fazla (petrol) dokunum halinde olmayan, tamamen gaz içeren doğal gaz rezervuarlarıdır. 3

14 Petrol ve doğal gazın kökeni, binlerce yıl önce yer altında, basınç ve sıcaklık koşullarında, fosilleşmiş olan bitki, hayvan artıkları ile mikroorganizmalardır. Dönüşümde ısı, bakteriler, düşük veya yüksek sıcaklık rol oynamıştır. Yüksek sıcaklık altında, fosilleşmiş organik maddelerden deney yoluyla petrole benzer bileşikler elde edilmiştir. Fakat, bu bileşiklerin bilinen petrol bileşiklerinden farklı oldukları görülmüştür. Ayrıca, yer altındaki hareketler, yanma olayları, magma fışkırması, kızgın erimiş kayaların rezervuar kayaçlarını etkilemeleri ve benzeri karmaşık olaylar zinciri, petrol ve türevlerinin oluşmasında etkili olmuşlardır. Petrol sözcüğü, etimolojik bakımdan, taş yağı ya da mineral yağ anlamına gelir. Çünkü petrol veya doğal gaz kayaç gözeneklerinde bulunur. Bu tür kayaçlara "rezervuar kayacı" denir. Bir rezervuar kayacının bazı özellikleri şunlardır: Kayaç sıvı ya da gaz tutabilecek kapasiteye (porosite: gözeneklilik) ve akışkanın hareket edebileceği geçirgenliğe (permeabilite: geçirgenlik) sahip olmalıdır. Yeterli kapasiteye sahip olsa bile geçirgenliği yoksa, bu tür kayaçlardan üretim yapılamaz. Geçirgenlik, gözenekler arası geçitlerin varolmasına bağlıdır. Etkin gözeneklilik ve geçirgenlik yeterli olmalıdır. Etkin gözenekler, içlerinde HC bulunduran gözeneklerdir. Etkin geçirgenlik de üretim kuyusuna akışkanın gelmesine katkıda bulunan geçitlerdir. Gözeneklilik sınırı, genellikle % 5 ile % 30 arasında değişir. Kayaç tümel (global) hacmi 00 m 3 olsun, eğer % 30 gözenekliliğe sahipse, 30 m 3 sıvı ya da gaz bulundurabilecektir. Etkin gözeneklilik net sıvı içerikli gözenek hacımıdır. Kayacın akışkan geçirgenliği (permeabilite), "darcy" birimiyle ifade edilir. Darcy, 86'da yaptığı bir deneyle, gözenekli ortamdaki akış miktarını tanımlayan kendi adıyla anılan formülü bulmuştur. Darcy formülüne göre, A kesit alanlı L uzunluğundaki silindir biçimli gözenekli ortamda, giriş basıncı P, çıkış basıncı P ise, Q debisinin ifadesi şöyledir: ( P P ) ka b a Q l Q = k = µ µ l A P Şekil. Geçirgen ortamda Darcy akışkan denklemi P = P P, basınç farkı (din/cm ) l = l alınabilir, gözenekli ortamın uzunluğu (cm) A = Gözenekli ortamın kesit alanı (cm ) m = Akışkanın viskozitesi (din s/cm ) k = Gözenekli ortamın geçirgenliği (darcy) 4

15 Q = Akış miktarı, debi (cm 3 /s) İki çeşit geçirgenlik kavramı vardır: - Etkin geçirgenlik - Göreli geçirgenlik. Etkin geçirgenlik gözenekli ortamın, su, petrol veya gazla % 00 doymuşluğuna bağlı olarak laboratuvarda yapılan testlerle elde edilir. Göreli geçirgenlik, kısmen doymuş kayacın, % 00 doymuş kayaç geçirgenliğine oranıdır. Suya göre göreli geçirgenlik Gaza göre göreli geçirgenlik kw krw = k: % 00 su ile doymuş kayaç k geçirgenliği (etkin) k g k rg = k: % 00 gaz ile doymuş k kayacın etkin geçirgenliği ko Petrole göre göreli geçirgenlik kro =, kw, kg kısmen suya veya gaza doy-muş k kayacın geçirgenlikleridir. Petrolün göreli geçirgenliği için de aynı ifadeler geçerlidir. k formülüne, ilgili birimler konursa, k nın biriminin l = boyutunda m veya cm olduğu görülür. CGS birim sistemiyle cm = darcy değerinde geçirgenliği ifade eder. Darcy formülü her ne kadar viskoz (koyu) akışkanlara uygulanmakla birlikte, gözenekli geçirgen ortamlardaki gaz akışları için de geçerlidir. Ayrıca, Darcy formülünün türevleri boru hatları akışlarında da kullanılmaktadır. Aşağıda verilen formüller Darcy formülünden türetilmişlerdir. lq h l = 660 f veya P = 43,5 fl rq /d 5 (ft = 44 in ) 5 d h l l d = statik akışkan yüksekliği, ft = Hat uzunluğu, ft = Hat çapı, inch q = Akış basınç ve sıcaklığında akış miktarı, debi, ft 3 /s DP = Basınç farkı psig r = Yoğunluk lb/ft 3 (m = 3,8 ft, kg = 4,536 lb, m 3 =35,8 ft 3 ) hl ( ft) P( psi) dönüşümü şöyledir : 5

16 660 f lq d 5 lb ft ( ft) ρ 3 ft 44in = 43.5 f lq ρ 5 d ft q 660 katsayısının elde edilişi 660 = ϑ ye ve d(ft) d(inç) s A dönüşümünden elde edilir. Örtü ve kapan kayacı Sıvı veya gaz fazındaki HC ların yerin binlerce m derinliklerinde alttan ve üstten hapseden rezervuar kayaçlarında kalabilmeleri için, yapının "kapan" özelliğinde olması gerekir. Akışkanın göçmesini, ya da kaçmasını engelleyen örtü kayacı, gözenekli rezervuar kayacından çok düşük geçirgenliğe sahip olmalıdır, bu çeşit kayaçlar killi, şeylli (shale), sıkı, gözeneksiz, çatlaksız olmalıdır. Bu tür yapıya sahip olan gözenekli ortam, petrol ve gaz deposu olmaya uygundur. 6

17 Şekil.3 Antiklinal (Hörgüç) yapıların katmanları Gaz rezervuarlarında genellikle metan yer alır. Hafif hidrokarbonlardan etan, propan, bütan ve başka gazlar bulunur. Fakat bunların miktarları oldukça azdır. Doğal gaz hacmini 00 birim olarak tanımlarsak bilinen çoğu doğal gaz kompozisyonlarına göre bunun 75 birim ile 5 birim arasını metan, 5 birim ile 5 birim arasını diğer hafif HC'lar ile başka gazlar oluşturur. 859'da Drake adında bir girişimci tarafından Amerika'nın Pensilvanya eyaletinde kazılan ve adına Drake kuyusu denen petrol kuyusunun derinliği sadece m (= 69 ft) iken petrole rastlanmıştır. Petrol ve gaz kuyularının derinlikleri binlerce metre ile ifade edilir. Örneğin Oklahoma'da, Beckham denen yerde gaz üretim kuyusunun derinliği 7495 m (5584 ft) dir. Bilindiği gibi yerin derinliklerine gidildikçe sıcaklık artar. Rezervuar sıcaklığı, gaz ya da petrolün varolduğu derinlikteki sıcaklıktır. Yerin derinliğine inildikçe sıcaklık artışı 0,0064 C /m ile 0,03936 C /m arasında değişmektedir. Soru: 3000 m. derinlikteki bir kuyuda rezervuar sıcaklığı ne olur? (Sıcaklık gradiyenti TGr = 0,03936 C /m alınacak) Çözüm: T D = T o + D (T Gr ) T D = Derinlikteki sıcaklık, C T o = Yeryüzündeki sıcaklık, T o = 0 C olsun. 7

18 D T Gr = 3000 m = Sıcaklık gradiyenti, = 0,03936 C /m T D = 0 C + [3000 m (0,03936 C /m)] = 38 C Rezervuar basıncı, ilgili derinliğe kadar olan katı, sıvı ve gaz yüklerinden ortaya çıkar. Rezervuar basıncının doğru hesaplanabilmesi için, o derinliğe kadar olan katmanların, kayaçların ve bu kayaçlarda bulunan akışkanların ayrı ayrı yapılarını, çeşitlerini bilmek gerekir. Kuyu dibi basınçlarının, kuyu dibine indirilen aletlerle ölçülmesinde veya hesaplama yöntemiyle bulunmasında, sıcaklığın dikkate alınması gerekir. Sıcaklık arttıkça petrolün ve özellikle gazların yoğunluklarında azalma olur, başka ifadeyle hacımca artış olmaktadır. Statik akışkanın basıncı : P = ρgh formülünden hesaplanır. Burada P : Basınç, (P a ), ρ : Yoğunluk (kg/m 3 ) h : Akışkan yüksekliği, m g : 9,80 m/s Örnek: 50 m yüksekliğindeki bir su değirmeninde tabanda, değirmen çarkını çeviren çarkın kandına düşen basınç nedir? Çark kandının su çarpan kısmının yüzey alanı 0.05 m olursa bu kanat üzerine uygulanan kuvvet ne olur? ρ = 000 kg/m3 h = 50 m P kg m kg N 000 *50m *9.80 = = m s ms m = N N bar = = 4.9 bar eder. m m Kuvvet Hesabı: F = P* A = * 0.05 = 7350N = 749kk N= 0.0 kg-kuv 0.0 kk ( kg-kuv kk 8

19 .3.3 Petrol ve Gazın Yer Altında Göç ve Birikimi Hidrokarbonların oluştuğu kaynak kayaçlar; yukarıda sözü edilen kapan yapısına sahip olmazlarsa, onların içinde oluşan HC'lar "rezervuar" olma özelliğine sahip yapı buluncaya kadar göç ederler. "Kaynak kaya", P.T koşullarında, organik maddelerin HC dönüşümün ortaya çıktığı ortamdır. Akışkan özelliği kazanan ve genellikle su ile birlikte yar alan HC'lar, bulundukları yerden yer çekimi ivmesinin ve jeolojik olayların etkisiyle daha düşük basınçlı bölgelere göç ederler, yollarında, kapan yapısına sahip bir kayaç yer alırsa orada toplanıp birikmeye ve "rezervuar" oluşturmaya başlarlar; hazne kayaç olan rezervuar kayaç içinde de, yoğunluklarına göre ikincil ayrışma olur. Şekil.4 Petrolün göç etmesi Hafif hidrokarbonlar sıvı fazdan ayrılarak, kayacın yapısına göre, üstte gaz konisini oluştururlar. Akışkanlar yoğunluklarına göre üstten aşağı doğru dizilirler: Amerika'da 970'lerde 74 petrol, 38 gaz sahası üzerinde yapılan inceleme, sahaların ekonomik üretim yaşlarının 4 87 yıl arasında olduğunu göstermiştir. Petrol sahalarının ortalama ömürleri 46, gaz sahalarınınki 39 yıl olarak belirlenmiştir. Her iki tür sahanın yarı ömürleri ise (Rezervuarın yarısı) 6'şar yıl olarak bulunmuştur. İncelemeye alınanların % 'inin yarı ömürlerinin 0 yıl ve daha az, % 5'nin de 0 yılı aştığı hesaplanmıştır. Bir 9

20 sahanın keşfinden itibaren tepe değer üretim miktarına ulaşması petrol sahalarında yıl, gaz sahalarında yıllık süreyi bulmuştur. Sahaların genelde % 3'ü 5 yıl içinde tepe üretim değerine ulaşmıştır. (Bak: Kaynak No.) Şekil.5 Emme-basma pompa (Sucker Rod ) ile petrol üretimi Şekil.6 Süreksiz katmanlı ikincil rezervuar kayacı (stratigrafik yapı) 0

21 Şekil.7- Stratigrafik birincil yapı, dengesiz kırılmış kapan kayacı Şekil.8 Kubbeleşmiş tuz depolanması (Dome)

22 .. Genel Tanımlar ve Gaz Yasaları II. BÖLÜM GAZ YASALARI VE TERMODİNAMİK. Buhar dışında sıkışabilen akışkanlar gaz terimi ile ifade edilir. Moleküler yapıları şöyle sıralanabilir: a) Moleküllerden meydana gelmişlerdir. Soygazlar dışında çift atomlu moleküllerden oluşurlar. b) Moleküller arası bağ yoktur, her molekül bağımsızdır. c) Bulundukları kabı doldururlar. d) Molekülerin hızları ortalama 00 m/s (NK'da) dir. e) Gaz basıncı, gaz moleküllerinin kabın duvarına çarpmaları sonucu ortaya çıkar. f) Bulundukları kabın içinde eşit oranda (homojen) dağılırlar. g) Saydamdırlar (Hava içinde her şeyi görebiliriz, çünkü hava saydamdır.) h) Yoğunlukları küçüktür. ı) Gazlar normal durumda elektriği ve ısıyı iletmezler. i) Moleküller birbirleriyle çarpışırlar ve kabın duvarına çarparlar. Çarpışma elastiktir. j) Sıkıştırılabilirler. k) Gaz molekülleri küreseldir. m) Bütün gazlar, normal şartlarda ideal gaz yasasına uyarlar. n) Oda sıcaklığında herhangi bir gazın ortalama çarpışma hızı: 5 3x0 ϑ ort cm / s dir. M A l) Mutlak sıcaklık noktası : T = 0 K veya 73 C Bu sıcaklık noktasında molekül hareketi yoktur, teorik olarak

23 nrt V = gereğince gaz hacmi sıfır olmuştur (T = 0 K ). P Ayrıca gazın kinetik enerjisi de sıfırdır. Kinetik enerji formülü şudur: 3nRT 3R 3 KE = = T = kt k = nn N A A R N A Bu formülde T = 0K olursa KE = 0 olur.. PVT değişkenleri ile kurulan denkleme "durum denklemi" denir. İdeal gazların davranışları durum denklemi ile ifade edilir. Durum denklemi Avagadro yasasını tanımlar: 3. Bir ideal gazın k = C p /C v oranı sabittir: (C p C v = R) 4. Yarı ideal gazlar, durum denklemine uymakla birlikte, özgül ısıları sadace sıcaklığa bağlılık gösterir. Yarı ideal (semi perfect) gazların özgül ısıları C = A + BT n + CT m +... şeklinde ifade edilir. A, B, C, n,m = sabit sayılar, T : sıcaklık. 5. Doğal gaz, renksiz, havadan hafifi ve kokusuzdur. İçerisinde yabancı gazlar, özellikle kükürt bileşikleri bulundurmayan doğal gaz, "kokusuz" dur. Fakat, "kokusuz" doğal gazın varlığı insanlar tarafından hissedilemeyeceği için çok tehlikeli olabilir. O nedenle, doğalgaz tüketiciye arz edilmeden önce, kükürt kökenli maddelerle kokulandırılır. Parlak alev çıkararak yanar, hava ile karışımı patlayıcıdır. Kapalı ortamlarda doğalgazın hava içindeki hacmi % 5 ile % 5 arasında bulunursa patlayıcı olmaya müsait bir karışım ortaya çıkar. Patlamanın olabilmesi için bir tutuşturucunun varolması gerekir. Tutuşturucu, alev çıkaran her şey olabilir. Bunlar şöyle sıralanabilir. Kibrit alevi Çakmak alevi veya kıvılcımı Çekiçle sert bir taşa veya metale vurulduğunda ortaya çıkan kıvılcım. 3

24 Metallerin birbirlerine sürtünmesiyle ortaya çıkan kıvılcım Elektrik kontağında ortaya çıkan kıvılcım Maden ocakları kapalı ortamlardır. Bu ocaklardaki hava, yukarıda verilen hacimsel oranlarda metan gazı bulundurursa, "Grizu Patlaması" olarak bilinen ve yüzlerce maden işçisinin ölümüne yol açan patlama olayı meydana gelir. Ancak, yukarıda işaret edildiği gibi patlamanın olabilmesi için kıvılcım şeklinde bir tutuşturucunun varolması gerekir. Maden ocaklarında tel kafesli lambaların işlevi, hava içindeki metan gazını sürekli yakarak, karışımın tehlikeli boyutlara ulaşmasını önlemektir. Gaz kaçağını gözlemek ve önlem almak için, iç mekanlardaki tesisat sisteminde, gaz detektörlerin kullanılması ilerde doğabilecek patlama buna bağlı olarak yangın tehlikesini önleyecektir. Doğalgaz, hidrokarbon gazların karışımını ifade eder ancak esas olarak metan (CH 4) ağırlıklıdır, az miktarda etan (C H 6) ve propan (C 3H 8) gazları yer alır. Her doğal gaz H S, CO, H O, azot helyum gibi başka akışkanları da içinde bulundurabilir. Doğal gaz, ıslak, kuru ve "acı" gibi terimlerle betimlenir. Islak gaz etan, propan, bütan gibi metan serisi hafif gazların yanında, ağır hidrokarbonlardan bir kısmını da içerir. Kuru gaz ise, büyük oranda metan, önemsiz oranlarda etan, propan, bütan gibi gazlardan oluşur. Acı gaz, içerisinde H S (Hidrojen sülfür) bulunduran gazdır. Doğal gaz, genellikle % 70 metan gazının yüksek oranda bulunmasına bağlıdır. % 95 % 98 metan içeren doğalgaz oldukça temiz ve kaliteli sayılır. Değişik kuyulardan üretilen doğal gazlar değişik kompozisyonlara sahiptirler. Tablo. Doğalgaz karışımına örnek: Karışımdaki gaz % Mol Karışımdaki gaz % Mol Metan (CH 4 ) 9,5 n Pentan (C 5 H ) 0,7 Etan (C H 6 ) 3,6 Hekzan (C 6 H 4 ) 0,7 Propan (C 3 H 8 ),37 Heptan ve ağırları,4 i Bütan (C 4 H 0 ) i 0,3 Karbondioksit (CO ) 0,00 4

25 n Bütan (C 4 H 0 ) n 0,44 Hidrojen sülfür (H S) 0,00 i Pentan (C 5 H ) 0,6 Azot (N ) 0,00 Toplam 00,00 dır. Karışımda H S olmadığından, bu doğal gaz "tatlı" olarak bilinir. Metanın mol ağırlığı 6 Karışımda metanın mol % si 9,5 olduğuna göre doğal gazın mol ağırlığı ne olur? M M CH 4 y i = 0,95 = M a = M M a a 6 0,95 = 7,53 Doğalgaz normal olarak açık zincirleme bağlı parafin hidrokarbonlardan oluşmaktadır. Karışımda, kapalı hidrokarbonlar (aromatikler de) bulunabilir. Açık zincir ve kapalı zincir ifadeleri, moleküllerin yapısıyla ilgilidir. Örneğin, metan, etan, propan, bütan, pentan açık zincir bağlı "parafin" bileşiklerdir. Siklo propan, siklo hekzan, benzen, kapalı zincir bağlı "aromatik" bileşiklerdir. Doğalgazın içinde, kaliteyi bozan gaz ve sıvılar; üretim istasyonlarında ayrılır. Doğalgazdan ayrılması gerekenler, H S, CO, sülfür bileşikleri (merkaptan), su buharı, azot, helyum, pentan ve daha ağır hidrokarbonlardır. H S (Hidrojen sülfür) zehirleyici; CO (karbondioksit) boğucu gazlardır. Su buharı ısıl değeri düşüren etkendir. Ayrıca, her üç akışkanda, tek tek veya birlikte korozyona yol açarlar. 6. Soygazlar dışındaki gazlar doğada iki atomlu olarak bulunurlar. Bütün gazların bir molü normal koşullarda,4 l lik hacıma sahiptirler. Monoatomik gazlarda C v = 3/ R ve ideal gazlarda C p = Cv + R eşitliği geçerlidir. 7. Gaz molekülleri rast gele hareket ederler ve Newton'un hareket yasasına uyarlar. 8. Tek bir molekülün hacmi ihmal edilebilir küçüklüktedir. 9. T den T sıcaklığına kadar genleşen gazın hacmi V = V [ + a (T - T)] formülü ile bulunur. Düşük sıcaklıklarda a = 0,00366/C 0. Verilen, P ve T de, ideal veya gerçek gaz tarafından işgal edilen hacım kütlesiyle orantılıdır. 5

26 6

27 . Düşük yoğunluktaki tüm gazlar için R = 8,34J/molK =,986 Cal/mol K.. Ortalama hız karesinin karekökü ϑ rms = ϑ ort = P 3 ρ P = ρϑ xort = ρϑ 3 ort Bu ifadelerde P basınç (atm), ρ yoğunluk (kg/m 3 ), ϑ ort ortalama hız (m/s). Gazların ϑ rms hızları, 0 C ve atm basınçta yoğunluklarına göre değişir. 3. Gazların kinetik enerjileri sıcaklığa bağlı olarak ifade edilebilir. Bir mol gazın kinetik enerjisi mϑ = 3 kt (t = 0 K de molekül hareketi yoktur.) n : Mol kütlesi (kg) T : Sıcaklık (K) k : Boltzmann sabiti, genel gaz sabiti (R) nin Avagadro sayısı (N A)na bölümüdür. N : Molekül sayısı n : Mol sayısı N A : Avagadro sayısı = 6,0 x 0 3 molekül/mol ϑ rms : Hız karesinin karekök ortalaması n mol gazın veya N mol gazın kinetik enerjisi Bolltzman Sabiti k = R N A 3 3 NkT = nrt =,373J / molk = =,38 x0 3 6,0x0 molekül / mol 8 3 PV J / molekülk Örnek: T = 0 C de Ne gazının kinetik enerjisini bulalım. 7

28 ϑ rms =584 m/s M w=0 kg/kmol Çözüm: 3 Mϑ rms = (0)(584) = 340x0 j / kmol 000 ne bölünürse 340 j/mol elde edilir. 4. İdeal gaz Boyle (67 69) yayası: P, V değişken, T sabit P V = PV =P V PV =C (Sabit) P V Tablo.3 Bazı gazların doğrusal hareket kinetik enerjileri ve ϑ rms hızları (kaynak.8) 5. İdeal gaz Charles (746 83) ve L.Gay Lussac ( ) yasası: (V, T değişken, P değişmez tutuluyor): 8

29 V V T = T T V T = V T V = C (Sabit) 6. Hacim değişmez, P, T değişken tutulursa P T T T T = = = C P T P P P V: Hacım, P: Basınç T: Sıcaklık, C: Sabit oransal sayı 7. Avagadro sayısı (N A = 6,0 x 0 3 molekül/mol) herhangi bir maddenin bir mol ünde bulunan molekül sayısıdır. Bir başka ifadeyle M N A =, M: Mol ağırlığı, m i molekülün ağırlığıdır. m i Normal koşullarda (P o = atm, T o = 0 C); mol gazın hacmi:,4 L dir. V mol =,4 L/mol, İngiliz birim sisteminde mol gaz (P = 4,7 psi, T = 60 F) 379 SCF dir. V mol = 379 SFC/lb mol 6 molekül N A = 6,0x0 ( Avrupa birim sisteminde) kmol 6 molekül N A =,733x0 (İngiliz birim sisteminde) lb mol 8. Genel ideal gaz yasası: Boyle, Gaylussac/charle, Avagadro yasalarının birlikte ifadesidir. m PM PV = nrt n = ve yoğunluk ρ = v RT M w Burada m: Gazın kütlesi, M w : Mol kütlesi, örneğin, 90 g metan 5 mol dür n = 80 g/6g mol = 5 mol 9. ideal olmayan gaz denklemi : Tüm gazlar değişik koşullarda ideal gaz yasalarından sapma gösterirler. Deneyler sonucunda sapma oranı belirlenir. Deneysel yoldan 9

30 bulunan sapma sayısı, durum denklemine konarak, gerçek gazın davranışı ideal gaz denklemiyle ifade edilir. Sapma sayısının ifadesi: Z V = dir. Buradan gerçek gaz denklemi PV = ZnRT olur nrt / P ve yoğunluk PM ρ = w ile bulunur. Z: Sıkıştırılabilirlik faktörü. ZRT İdeal gaz yasasından sapmayı doğrultmak için kullanılan bir başka terimde yüksek sıkıştırılabilirlik katsayısı (Super compressibility factor) dır. Bu terim, yüksek basınçlı gaz hesaplarında kullanılır. Yüksek sıkıştırılabilir katsayısı ile sıkıştırılabilirlik katsayısı arasında şu ilgi vardır; nrt Z = PV = ( F ) ( ) F PV pv F pv : Yüksek sıkıştırılabilirlik katsayısı literatürde tablo halinde verilmiştir. Z : Sıkıştırılabilirlik katsayısı deneysel yoldan bulunur. P ve T ile gaz kompozisyonuna bağlıdır, grafiklerden elde edilebilir. 0. Gerçek gazların davranışları Van der Waals, Redlik Kwong (R K) denklemleriyle de ifade edilir. Van der Waals denklemi ( P + a )( V b) = RT a ve b korelasyon sabitleri Redlich Kwong denklemi P /ϑ, RT V b T = 0, 5 a ( V + b) 30

31 . Herhangi bir gazın mol ağırlığı: w ( G y )( 8 97) = M w N Ami M =, = (m i : Molekül ağırlığı). Bir gazın göreli yoğunluğu (NK:Normal koşullarda) P G y = 8, 97 3

32 3. EMR yaklaşımı ile mol ağırlığının bulunması (Bak, kaynaklar:6) EMR = [(n )/(n + 0,4)] (M/ ρ ) ( ρ : g/cm 3 ) 4. Normal hidrokarbonlar için EMR EMR =, ,793 M + 0, (M) (EMR, M, n için bak Madde 37) 5. Kritik basınç ve sıcaklığa göre indirgenmiş basınç ve sıcaklık P r, T r : İndirgenmiş basınç ve sıcaklıklar P c, T c : Kritik değerler P, T : Herhangi bir basınç, sıcaklık değerleri Kritik sıcaklığın üstünde ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın gaz sıvıaştırılamaz. Tam kritik sıcaklıkta, gazı sıvılaştıran basınca kritik basınç denir. Örneğin, metanın kritik sıcaklığı 8,55 C, bu noktada metanı sıvılaştıran basınç 46 bar mutlak. Eğer metan gazı sıcaklığı 75 C olsa ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın sıvılaştırma gerçekleştirilemez. 6. Gaz karışımının Vizkozitesi: µ m = µ y i y i i M M 7. Gaz karışımının mol ağırlığı: M = y M a i i Tanımlar bölümün sonunda verilmiştir. 8. Gaz karışımının göreli, kritik basınç ve sıcaklığı i i P pc = yi xi, T pc = yitci Bu konuda Thomas Harkinson ve Phillips yaklaşımı: (Bak kaynaklar: 6) 3

33 P pc = 709,604 58,78 G y T pc = 70, ,344 Bu yaklaşımlar, HC dışı gaz oranı % 7 yi aşmadığı veya % 3 H S + % 5 N + % 9 HC gazları içeren gaz karışımları için geçerlidir. 9. Gaz karışımının indirgenmiş basınç ve sıcaklıkları P pr = P/P pc, T pr = T/T pc 30. Özgül ısılar C v U P =, C p = C p = Cv + R T T v p Özgül ısılar oranı C k = C p v 3. Kısmi basınçlar yasası (Dalton yasası): Karışımdaki her gaz, hacım kabında sadece kendisi olduğunda uygulayacağı basınç kadar bir basınç uygular. Toplam basınç, karışımdaki gazların basınçlarının toplamına eşittir. Karışımdaki bir gazın basıncı, kısmi basınç olarak tanımlanır: Kısmi basınçlar mol oranları ile şöyle ifade edilir. P = P + P + P t A B C P = n A RT V + n B RT V + n C RT V = RT V ni = RT n V n i P i = Pt = ni P y t i P A, PB, P C, basınçları A, B, C gazlarının kısmi basınçlarıdır. n A, n B, n C de A, B, C gazlarının mol sayılarıdır. yi : Mol yüzdesi 33

34 Örnek : yi = 0,056 P t = 0 atm. Pi =? Çözüm : p i = (yi)(pt) = (0,056)(0) pi = 0,56 atm 3. Gazlarda basınç hacım ilişkisinin genel denklemi: PV n = C (sabit say ) n = ise PV = C (Boyle yasası), iso termal değişim n = k ise PV k = C k = C p /C v, adiyabatik değişimler n = 0 ise P = C 3 Basınç değişmiyor. n = V = Hacim değişmiyor. C n İdeal gazın politropik değişiminde P (V) n = P (V ) n ilişkisi vardır. < n < k dır ve özgül ısı C n = C v (n k)/n ) dir. Burada C v sabittir. Havanın sıkıştırılmasında kullanılan formül: T /T = (V /V ) n = (P /P ) (n )/n 33. Adiyabatik (isentropic) işlemlerde, basınç, hacım, sıcaklık arasındaki ilişkiler veya ideal gazın Otto devri: 34

35 35 k k P P T T / =, k V V P P =, k V V T T = 986 C k k 986 C C C C k p p p v p,, = = = 0,55 < G y < ve T = 50F 66 C için doğal gazlarda 38 G 738 k y,, log = 'de verilen ilişkinin gerçek gazlara uygulanışı: ( ) = P P T T k k Z / ( ) = P P Y k k / 35. Gazların sıkıştırılmasında ortaya çıkan güç: ( ) = P P T T 3 07P k k W k k Z o o /, k = Özgül ısılar oranı (k = C p /C v ) P o = Standart basınç 4,73 psia ( atm) T o = Standart sıcaklık 50 R (60 5,5 C) P = Emiş basıncı, psia P = Çıkış basıncı, psia Z = Emiş gazının sıkıştırılabilirlik faktörü

36 36. ( Q )( H ) k QR HP = = T 550 k 550 k k HP = 0,00436 ( Q P ) ( Y ) k =,4 alınmıştır. HP = Beygir gücü (Horse power) Q = Debi lb/s (İ.B.S) Q = Debi, ft 3 /s ( Y ) İ. B. S HP = 0,053 ( Q P ) (Y) H = Adibayatik akışkan yükseltisi (elevasyon) ft (İ.B.S) İ.B.S : İngiliz birim sistemi R = Genel gaz sabiti 544 ft/lbmol mol R) Y P = P ( k ) / k P =Basınç, psia Formüllerde Yer Alan Harfli ifadelerin Anlamları :, Bu karşılaştırmada, propanın daha verimli olacağı görülmektedir. a,b z r T T c : Korelasyon sabitleri : Sıkıştırılabilirlik faktörü : Yoğunluk, P, V, T, R ın birimlerine bağlı : Herhangibir sıcaklık (K, R) : Kritik sıcaklık (K, R) T r : İndirgenmiş sıcaklık, birimsiz, ( ) M, Mw : Mol ağırlığı, (g/mol, kg/mol, lb/mol) G, G y : Göreli yoğunluk( ) EMR : Eykman denkleminden elde edilen, molekül ışık kırımı n (EMR formülünde) : Sodyum elementinin sarı ışık çizgisi D nin kullanılması ile "refractometer" aletinde sıvı ya da gazların ölçülen kırılma indisi 36

37 μ m : Gaz karışımının viskozitesi, (C p, Pa.s, lbm/ft s, ct) cp = 0,0 dyn s/cm = 0,00 Pa s = 0,00067 lbm/ft s ct = 0,0 cm /s =,0 x 0 6 m /s μ i : Karışımdaki i. gazın viskozitesi, örneğin, karışımda 0 değişik gaz varsa i =...0 a kadar olacaktır. y i : Karışımdaki i. gazın mol yüzdesi M i y i= Örneğin, % 85 metan gazı içe- M a 6 ren bir gaz karışımında metan için y i = 0,85 dir veya y i = = 0, 85olur. M M i M a :Karışımdaki i. gazın mol ağırlığı, eğer, metan sıralamada. gaz ise M = 6 olacaktır. : Gaz karışımının göreli mol ağırlığıdır ve bu, her gazın karışımdaki yüzde miktarları ile mol ağırlıklarının çarpımlarının toplamını ifade eder. P pc : Yalancı veya gaz karışımının kritik basıncıdır, mol yüzdeleri ile her gazın kendi kritik basınçlarının çarpımlarının toplamını ifade eder. T pc : Yalancı sıcaklık veya gaz karışımının kritik sıcaklığıdır, mol yüzdeleri ile her bir gazın kendi kritik sıcaklıklarının çarpımlarının toplamını ifade eder. P ci : Karışımdaki, i. gazın kritik basıncıdır. : Karışımdaki i. gazın kritik sıcaklığıdır. T ci r pr T pr C v : Gaz karışımının indirgenmiş yalancı veya göreli basıncıdır. : Gaz karışımının indirgenmiş yalancı veya göreli sıcaklığıdır. : Sabit hacimde özgül ısı (kj/kmol K, Btu/lb mol R) U : iç enerji, (bir sistemin), (kj/kmol,btu/lb mol) H : Enthalpi (sistemin),(kj/mol, Btu/lb mol) k : Özgül ısılar oranı ( ) P : Beygir gücü (h p ) H Q : Adiyabatik yükseklik (m), : kg/s Q : ft 3 /dk (ft 3 = /35,8 m 3 ) R bağlıdır. : Genel gaz sabiti genel gaz denklemindeki değişkenlerin birikimlerine a 37

38 PV R = (İdeal gaz), nt RV R = (Gerçek gaz ) ntz Tablo.3 Genel gaz sabiti R nin birimleri Gaz denklemlerinde yer alan P.V.T.R arasındaki ilişkiler P V T R bar l K 83,4 (bar)(l)/(kmol((k) bar m 3 K 0,0834 (bar)(m 3 )/(kmol)(k) MPa m 3 K 0,0083 (MPa)(m 3 )/(kmol)(k) kpa m 3 K 8,34 (kpa)(m 3 )/(kmol)(k) kg/cm m 3 K 0,08478 (kg/cm )(m 3 )/(kmol)(k) Psia ft 3 R 0,73 (psia)(ft 3 )/(lb mol)( R) lb/ft ft 3 R 545 (psfa)(ft 3 )(lb mol)( R) N/m m 3 K 834 j/kmol K 38

39 . Isıl Kapasite (Isı Taşıyabilme).. Isı Isı, çevre ile sistem arasında sıcaklık farkından dolayı birbirlerine transfer olabilen enerji çeşididir. Termodinamik denklemlerde, sisteme verilen ısının işareti pozitif, alınanınki negatiftir. Formül sembolü Q, birimi Kalori veya Btu (British Thermal Unit) dir. kalori; g suyun sıcaklığını 4,5 C dan 5,5 C e çıkarmak için gereken ısı miktarıdır. Btu: pound suyun sıcaklığını 63 F dan 64 F'a çıkarmak için gereken ısı miktarıdır. Isı maddenin yoğunluk gibi iç özelliği değildir. Maddeye verilebilen ve ondan alınabilen bir olgudur. Sıcaklık ile ısı ayrı kavramlardır: Sıcaklık, sıcak ve soğuk nesneleri ayırma duyusudur. Isı ile ilgili birimler 000 cal = kcal = 3,968 Btu = 486J Btu = 5 Cal = 777,9 ft lb = 055J Btu/lb =,36 j/g = 0,646 W h/kg Btu/lb-mol =,36 j/mol Btu/lb F = 4,868 j/g K Btu/lb-mol-F = 4,868 j/mol K cal/lb = 9,44 j/kg Btu/h = 0,9307 W Btu/h ft = 3,5449 W/m Btu/h ft F = 5,6786 W/m K Uyarı : Bu birimlerde, lb, kütleyi ifade etmektedir. Isı ile ilgili mühendislik hesaplarında Btu ve jül birimleri yaygın olarak kullanılır. Gazların akışları, prosesleri ve kontrol altında tutulmalarına ilişkin tasarımlarda termodinamik yasalardan yola çıkılır. 39

40 ... Isı Taşıyabilme Her maddenin ısı kapasitesi değişiktir. Aynı ısı miktarını, kütleleri aynı, değişik iki maddeye uygulasak, kazandıkları sıcaklıklar farklı olacaktır. DQ kadar bir ısı miktarı alan maddenin sıcaklığında DT kadar artış olacaktır. Isı kapasitesi Q C = T Ne ısı kapasitesi ne özgül ısı sabit tutulabilir. Normal oda sıcaklığında ve bu sıcaklığın çevresinde özgül ısı değişmez kabul edilebilir. Örneğin, suyun özgül ısısı, 0 00 C arasında ancak % değişir. Suyun özgül ısısı c = cal/g C = Btu/lb F Yukarıdaki özgül ısı formülünden bir maddenin ısı alma veya verme miktarı: Q = mc T formülünden hesaplanabileceği görülmektedir. Örnek: 0 kg suyun sıcaklığını 80 C artırmak için ne kadar ısıya gerek vardır? Çözüm: Q = cal g C o ( 0000g) ( 80 C) = 80000cal 80kcal o =.3 Basınç Hacım İşi Gazların sıkıştırılabilen akışkanlar olduğunu biliyoruz. Bir silindir içinde bulunan gazı T sıcaklığından T sıcaklığına çıkaracak kadar ısıtırsak, moleküller arası çarpışmalar artacağından, gaz DK kadar kinetik enerji kazanacaktır. Gazı tutan piston artan hacim nedeniyle yukarı itilerek kaldırılacaktır. Gaz sabit basınç altında hacim değişimine uğramış ve pistonu x P V kadar iş yapmış olmaktadır. kadar öteleyerek ( ) 40

41 Şekil.3 Basınç-hacım ilişkisi Gazın çevre (piston) üzerine yaptığı iş: ( PA) X = P( V) W = F X = dir. W : Gazın genleşme ile yaptığı iş, J F : Piston yüzeyi (A) ne uygulanan kuvvet (F = PA) P : Pistonun gaz üzerine uyguladığı sabit basınç (N/m ) x : Pistonun yer değiştirmesi, m A : Piston yüzey alanı (m ) V : Artan hacım (m 3 ), V = A( X) dir. Örnek: Çözüm: A = 0,0 m W = P (A X) P =,035 x 0 5 N/m W = 0,35J W =? 4

42 . 4 Termodinamiğin Birinci Yasası Sistemimiz gazın kendisi olsun ve onu çeviren her şey çevreyi oluştursun. Sisteme Q kadar ısı verelim ve sistemden W kadar iş alalım. Sistemi hangi yolla ısıtırsak ısıtalım ve sistemden (gazdan) hangi yolla iş alırsak alalım Q W değeri değişmez. Bu aynı bir noktaya (Datum) göre durum enerjisine sahip bir taşın h kadar bir yükseklikten son denge durumuna V i hızı ile atılmasına benzer. Taşı ister eğik atın, ister düşey atın son noktada sahip olacağı kinetik enerji aynıdır: Q W değerine sistemin iç enerjisindeki değişme denir. U = Q W U: iç enerji değişimi.5 Adiyabatik Proses Sistem ile çevre arasında ısı alış verişi yoksa, böyle olaylara adiyabatik proses denir. Isı alışverişinin önlenmesi iyi bir sızdırmazlıkla sağlanabileceği gibi, proses öyle anlık olurki, ısı değişimine yeteri kadar zaman kalmaz. Çevreyle ısı değişimi olmadan işlem başlamış ve bitmiş olabilir. Bu durumda: Q = 0 alınır ve U = Q olur. Adiyabatik olgulara örnekler: Buharlı makinelerde, buharın silindirde genleşmesi (Buharlı lokomotifler, buhar türbinleri) İçten yanmalı motorlarda sıcak gazın genleşmesi Dizel motorlarda havanın sıkıştırılması Bu olaylarda, proses öyle hızlı meydana gelir ki, gaz ya da buharın çevreye ısı vermesine veya çevreden ısı almasına yeterli zaman olmaz. Bu şekilde çalışan motorlar ideal olanlardır. Gerçekte, az da olsa adiyabatik prosesten sapmalar olacaktır..6 Kinetik Enerji Denklemi Ve Özgül Isı Bir ideal gaz molekülü elastik küre olarak algılanabilir. Moleküller arası çarpışmanın elastik olduğunu, böylece, çarpışan kürelerde herhangi bir bozunmanın ortaya çıkmadığı varsayılır. İdeal gaz moleküllerinin sadece kinetik enerjiye sahip olduğunu belirtelim. Daha 3 önce de belirttiğimiz gibi bir molekülün doğrusal kinetik enerjisi kt dir. Buna göre, bir 4

43 mono-atomik (tek atomlu) N moleküllü ideal gazın içi enerjisi 3 3 U = NkT = nrt dir. Bu formülden anlaşılacağı gibi, gazın kinetik enerjisi basınç ve hacimden bağımsız olarak sadece sıcaklığa bağlıdır. Bu sonuca göre, gazların özgül ısılarının sıcaklıkla ifade edilebileceğini söyleyelim. Gazların özgül ısıları, molar ısı kapasiteleri olarak tanımlanır. Önce verilen gaz ısıtma örneğini anımsayalım. Üzeri sürtünmesiz hareket edebildiği varsayılan bir pistonla kapatılan silindir içindeki gazın sıcaklığı T den T ye çıkarılırken DT kadar artış göstersin ve gazın kazandığı ısı DQ olsun, bu arada, gaz pistonu Δx kadar yukarı itecektir ve böylece ΔW kadar iş yapmış olacaktır. Bu ifadeler termodinamiğin birinci yasasına uyacaktır. Q = U + W + W U = Q W Şekil.4 Gazların özgül ısılarının basınç hacım ilişkisine bağlı olması 43

44 İtilen pistonu eski konumuna getirmek için piston üzerine yeni ağırlıklar eklenirse, gazın hacmı sabit tutulmuş olacaktır. Sistem sabit hacim altında ΔT kadar sıcaklık artışına sahip olacaktır. İlk şeklde, gaz P, V, T verilerine sahiptir, ikincide ΔT kadar sıcaklığı artırılan gazın hacmi ΔV kadar artmaktadır. Burada p sabit tutulmaktadır. Üçüncüde ise, ikincideki durumun ΔP basınç artışıyla değiştirilmesi ve ilkinde sahip olunan hacime düşürülmesidir. üçüncüdeki durumda hacim sabit tutularak ΔT kadar sıcaklık artırılmaktadır. Hacim sabit iken gazın aldığı molar ısı şu formülle bulunur: C v U = T V, n mol gaz için C v U = n T Bu durumda hacım değişiminden dolayı iş olmamaktadır. n mol gazın sabit hacımde aldığı ısı miktarı: V olur. U = Q = nc v T Şimdi, ikincideki duruma bakalım. Burada hacım değişimi var ve P sabitken, n mol gaz için: veya C p Q = n T p H = n T Çünkü ΔQ = ΔH entalpi değişimidir. p Tablo.4 Düşük basınçlarda havanın Cp değerler or oc Btu/lbm o R k Akustik hız (m/s) 00 ( 7,7) 0,39-00,9,40 49,5 00 ( 6,) 0,39-00,5,40,8 300 ( 06,6) 0,39-00,5,40 58, ( 5,) 0,393-00,9,40 99, ,44 0, ,,40 334,6 44

45 , ,, ,55 0,46-0,5, , , 0,434-09,,39 4, ,66 0,458-09,, , 000-8, 0, ,8,38 469, ,33 0, ,4,368 5, ,44 0,6-093,, , ,55 0,67-8,3, ,66 0,75-40,,336 69, ,77 0,773-64, ,88 0,83-77,7,3 68, ,848-9,4,37 70, , 0,878-04,9,33 737, , 0,905-6,3, , ,33 0,99-6,3, , ,44 0,95-35,,303 85, ,55 0,969-43,3 839, ,66 0,986-50,,98 863, ,77 0,300-56,5,96 886, ,88 0,305-6,3,94 908, ,44 0,307-86,,87 03, ,34-34,6,8 07,9 Nm 3 hava =,78 kg veya havanın yoğunluğu ρ h =,78 kg 3 (NK da) m Btu J o lbm R kg K çevrilişi: Btu 055J x o lbm R Btu lbm x o 0,4536 K o R x 0,5555 o K J kj = 486 = 4, 86 kg K kg K Hava % O +%79 N Pratik mühendislik hesaplarında kullanılan yüzdeler M w = 8,97 9, T c = 40,6, P c = 37,64 x 0 5 Paskal (mutlak) Tablo.5. Bazı gazların molar özgül ısı kapasiteleri (T = 0 C) 45

46 Cp Cv Gazlar (cal/mol-k) (Cal/mol K) Cp Cv k = Cp/Cv NH3 8,8 6,65,5,3 CH6,35 0,30,05,0 Polyatomic SO 9,65 7,5,5,9 CO 8,83 6,8,03,30 Cl 8,9 6,5,4,35 N 6,95 4,96,99,40 Diatomik O 7,03 5,03,00,40 H 6,87 4,88,99,4 Ar 4,97,98,99,67 Mono atomik He 4,97,98,99,67 Asetilen (C H )..,6 Hava (% 78 N + % 0 O + % Başka).,40 Metan.,3 Azotdioksit (NO )..,30 İdeal gazlarda C p Btu Cv = R =,986 = 8,34J / mol K =,986Cal / mol K o lbm F Btu lbm o F = 4,86 J / mol K, cal = 4,86J olduğunu anımsayalım. C p : Sabit basınçta, molal ısı kapasitesi C v : Sabit hacımda Havanın 400 R ve alt sıcaklarda sabit basit özgül ısı kapasitesi C p : 0,39 Btu dir. o lbm R 46

47 İdeal gazlarda C C R bağıntısının elde edilmesi p v = nc T + P V = nc T v p P V = nr T olduğundan bağıntıda yerine konursa, nc T + nr T = nc T yazılır. v Her terim n T ile bölünürse p C + R = elde edilir. v C p Tablo.6 Gazların atm. basınç altında sıcaklığa bağlı olarak molar özgül ısıları Gaz Sembol o C ( Btu mol R) Oksijen O, T T p / Sıcaklık aralığı ( R) Azot N 9,47 3,47x0 T Karbonmonoksit ( ) ,05 T 4000, T T 000 CO 9,46 3,9x0 T 3 3 +,6 x0 T 6 +,07 x0 T Hidrojen H 0,578T 0 5, T ( ) 0,578T 0 T , _ 0, T

48 Su H O ,86 + T t Karbondioksit CO 6, 6,53x0 T 3 +,4x 0 T Metan CH 4 ) 4, + 8, x 0 3 T T Etilen CH 4 6,0 + 8,33 x 0 3 T Etan C H 6 6,6 + 3,33 x 0 3 T Etilalkol C H 6 O 4,5 +, x 0 3 T Metil alkol CH 4 O,0 + 6,67 x 0 3 T Benzen C 6 H 6 6,5 + 8,9 x 0-3 T 50 0 Oktan C 8 H 8 4,4 + 53,3 x 0 3 T Hava % O +~ 79 N M w = 9 8,4 x (Bak, kaynaklar 0).7 Isıl Değerin Tespit Edilmesi Birim ağırlıkta ya da birim hacımdaki bir maddenin NK'da tamamen yanması halinde ortaya çıkacak olan ısı miktarına yanma ısısı veya ısıl değer denir. Metrik birim sisteminde NK olarak 5 C oda sıcaklığı ve atm. basınç kabul edilirken İngiliz birim sisteminde NK olarak 60 F 5,5 C) ve 4,70 psi kabul edilir. Katıların ısıl değerleri genellikle birim ağırlıklarının gazların ısıl değerleri birim hacimlerinin verdiği ısılar olarak belirlenir. Çünkü gazlar hacimce, katılar ağırlıkça daha kolay ölçülürler. 48

49 Bir gazın veya bir gaz karışımının yanma ısısı başka ifadeyle ısıl değeri kimyasal yanma denkleminin reaksiyon ısısından elde edilebilir. Bir kimyasal reaksiyon çevresinden ısı alarak gerçekleşiyorsa buna endotermik (içe ısı alan) olay, dışa ısı vererek gerçekleşiyorsa buna ekzo termik (dışa ısı veren) olay denir. Bir reaksiyonun net ısısı, ürünlerin formasyon ısılarından, girenlerin formasyon ısıları çıkarılarak bulunur. Doğal gaz, % 98'lere yakın Metan gazı içeriyorsa doğalgaz, yaklaşık bir değer elde etmek için, tamamen metan gazından meydana geldiği varsayılarak, metanın ısıl değeri, % 98 metan içerikli doğalgazın ısıl değeri olarak kabul edilebilir. Isıl Değerler Alt değeri kcal/m 3 Üst ısıl değeri kcal/m 3 Stokiyometrik yanma ısısı (Reaksiyon ısısı) kcal/m 3 Metan SSCB doğalgazı Önce, ısıl değerin kalorimetre ile deneysel yoldan nasıl bulunduğu konusunda bilgi verelim. Yanma sonucu ortaya çıkan ürünler referans sıcaklığına kadar soğutulur ve bu soğuma sırasında, soğuyan ürünlerden alınan ısı ölçülür. Bu ölçülen ısı miktarına üst ısıl değer denir. Üst ısıl değerde, ürünler arasında meydana gelen suyun kondens oluncaya kadar verdiği ısı da hesaba katılır. Alt ısıl değer ise, suyun kondens olmadığı bir sıcaklığa kadar ürünlerin soğutulmasıyla elde edilen ısı miktarıdır. Alt ısıl değer tespit edilirken, su, buhar gazında bulunur. Şurası da açıkça bilinmeli ki, hidrojen içeren tüm yanıcı maddelerin yanmaları sonucunda ortaya çıkan ürünler arasında su bulunur. Çünkü, yanma olayı oksijen gazı ile gerçekleştiğinden, H + O H O formülü gereğince su meydana gelecektir. Metanın yanma denklemi üzerinde duralım. m 3 metan gazı yandığında ne kadar ısı açığa çıkar sorusunun cevabını bulmaya çalışalım. CH 4 (g) + O (g) CO (g) + H O(g) 49

50 Denklemden anlaşıldığı gibi mol metan gazını yakmak için mol oksijen gazı gereklidir. Oysa mol hava içinde /5 mol oksijen vardır. mol oksijen gazı kaç mol hava içinde bulunur? Bu sorunun cevabı basit bir orantıyla elde edilir: mol havada /5 mol oksijen olursa x mol oksijen olur x = = x5 = 0mol hava / 5 mol metan gazı 0 mol hava ile yanarak mol karbondioksit ve mol su buharı meydana getirecektir. Aynı şekilde, m 3 metan gazı, 0 m 3 hava ile yanarak m 3 karbondioksit gazı ve m 3 su buharı oluşturacaktır. Yanma olayına girenlerin ve ürünlerin miktarlarını m 3 birimiyle ifade ettikten sonra, yanma olayı sırasında verilen ve alınan ısıların ne olacaklarını belirtelim. Yanma olayının reaksiyon ısısı, ürünlerin standart reaksiyon ısısı, ürünlerin standart enthalpilerinden, girenlerin enthalpileri çıkarılarak bulunur. 0 0 H r = n h (Ürünler) n h ( Girenler) p r 0 r Yukardaki kimyasal olayın reaksiyon ısısı H 0 r = 9,759 kcal/mol g = 9759 kcal/kmol Reaksiyon ısısının dışa yani çevreye verildiğini (ekzotermik) belirtmek için, ısı değeri önüne işareti konur; böylece çevre ( burada oda)nin ısı kazandığı, buna karşı, sistemin (burada soba ocak, ısı kaynağı ) ısı kaybettiği anlatılmış olur. Reaksiyon ısısını birim hacimdeki ısıl değer olarak belirtmek için aşağıdaki çevirmeler yapılır. NK da m 3 metan gazının ısıl değeri: İdeal gaz denklemi P = kg/cm n = mol PV = nrt 50

51 kg R = 0,0834 cm 3 m kmol- K T = 5 C (= = 98 K) V =? Bu veriler yerlerine konursa 000 mol gaz 4,36 m 3 hacminde bulunur veya mol gaz 0,0477 m 3 'dür. kcal mol 9,759 x = 774,58 kcal/m mol 3 0,0477 m 3 cal = 4,8J olduğundan 774,58 3 kcal/m = 3,359 3 MJ/m Yukarıdaki ifadeyi Btu/ft 3 birimiyle ifade etmek için aşağıdaki işlemler yapılır. ideal gaz denklemi P = 4,73 psia n = mol PV = nrt R = 0,73 T = 0 C = (0 x,8 + 3) = 58 R Veriler denklemde yerlerine konursa V = 384,6 ft 3 bulunur. Aslında T = 50R alınırsa ki bu sıcaklık 60 F'a karşılık gelir. O durumda V = 379 ft 3 olur, fakat, kimyasal reaksiyonlarda, verilen reaksiyon ısı değerleri, 5 C' deki formasyon enthalpi değişimlerinden hesaplandığı için, ideal gaz denkleminde oda sıcaklığı olarak 5 C temel alınmıştır. Yukarıdaki verilere göre (T = 5 C = 58 R) lb mol gaz = 384 ft 3 hacme sahiptir cal mol - g x 453g mol lb - mol Btu x x = 897 Btu/ft lb - mol ft 5 cal 3 Sonuç: m 3 Metan gazın alt ısıl değeri ~ 3,55 MJ/m 3 ft 3 Metan gazının alt ısıl değeri ~ 897 Btu/ft 3 T = 60 F alınsa idi, V = 379 ft olacak ve o durumda ft 3 metanın alt ısıl değeri fi 909,5 Btu/ft 3 olacaktı. 5

52 Tablo.7. Bazı Hidro-karbon Gazların Üt Isıl Değerleri 5 C [60 F] ve P = 0 k P a [4,7 psia] Gaz Btu/ft 3 MJ/m 3 Metan 00 39,8 Etan ,79 Propan 58 97,9 izo Bütan 356 6,6 n Bütan 364 6,9 izo Pentan ,6 n Pentan ,9 Hekzan ,9 Heptan ,0 Btu 5 cal 35 ft cal kcal Çevirme: 00 x x = = 8908, 3 Btu ft m m m 3 Gaz akış hattına bir yoğunluk ölçer monte edilerek, geçen gazın yoğunluğu sürekli ölçülebilir. Bu veri ile doğal gazın ısıl değeri hesaplanabilmektedir. Çünkü, doğal gazın ısıl değeri, göreli yoğunluğunun doğrusal işlevi olarak ifade edilebilmektedir. Standart koşullarda, İngiliz birim sistemine göre: P = 4,73 psia, T = 60 F'da doğal gazın std ft 3 nin üst ısıl değeri şu bağıntı ile hesaplanabilmektedir: Btu/ft 3 = 57,5G + 44 Burada: ρ g G = Göreli gaz yoğunluğu (hava =.0) G = ρ ρ g = Gaz yoğunluğu ρ h = Havanın yoğunluğu (Gaz yoğunulğunun P.T sinde) h 5

53 NK (Normal koşullar) da, M g = Gazın mol ağırlığı M h = Havanın mol ağırlığı M g G = dır. M h Soru: Göreli yoğunluğu 0,65 olan doğal gazın ısıl değerini verilen pratik formülden hesaplayın. Çözüm: H = 57,5G + 44 = 57,5 (0,65) + 44 = 65,47 Soru: Metan gazının ısıl değerini bulunuz? Çözüm: M g 6 Metanın göreli yoğunluğu G = = = 0, 55 M 8,97 H = 57,5G + 44 = 57,5 (0,55) + 44 = 008 Btu/ft 3 h 3 Btu/ft Orifismetreli gaz ölçümünde, gazın hacmi yerine ısıl değeri ölçülmek istenirse; orifisli gaz ölçümün formülüne G' faktörü konur. ',5 G faktörü = 0,0575 G + 0,0044 G 0,5 Orifismetre ile gaz ölçümün temel formülü: Q = C h ' h w P f Burada: Q h = Std; ft 3 /saat(scfh), normal koşullarda (NK) h w P f = Orifis plakasının iki yüzü arasındaki basınç farkı, inch su = Statik basınç, psia 53

54 Sıvı, buhar ve gaz akış ölçümlerinde C'in değeri ayrı ayrı hesaplanır: Sıvılarda Buharda C ' = C ' F b xf ' Gazlarda C = F xf tg xf = F xf xf xy b b s ph r xf r th xf g xf y xf tf xfr xyxf pv Fg nin formülünde G faktörü kullanılırsa, orifis metreli hacim ölçümü, ısı ölçümüne çevrilmiş olur. Gaz ölçümünde C'in formülünde yer alan Fg gaz göreli yoğunluğu G nin tersinin kareköküne eşittir: F g = G = G 0,5 Orifis formülünde St ft 3 /h yerine Btu/h ölçülmek istenirse ' = = ' ' 0,5 F g değeri C'in formülüne konması gerekir. G G " C = F b xf pb xf tb xf ' g xf y xf tf xfr xyxf pv ' Q = C " h w P f (Btu/h) Wobbe indeksi: Wobbe numarası, brülör kullanmada yakıt kalitesini karşılaştırmakta kullanılır. Eğer, iki yakıtın Wobbe sayıları arasındaki fark ± % 5 içinde ise, brülör başında aynı ısıyı vereceklerdir ve birbirlerinin yerine kullanılabilirler. Wobbe İndeksi = GHV 0,5 G GHV = Yakıtın üst ısıl değeri, Btu/ft 3 (MJ/m 3 ) G = Göreli yoğunluk 54

55 Soru: Metan gazı ile propan gazının brülör başında aynı verimliliği verip vermeyeceklerini karşılaştırın? Çözüm: Metanın yoğunluğu ρ m= 0,04 lb/ft 3 (60 F de) Propanın yoğunluğu Havanın yoğunluğu ρ p = 0,7 lb/ft 3 (60 F de) (O + N ) r h = 0,0764 (60 F de) Metanın göreli yoğunluğu G m = r m /r h = 0,04/0,0764 = 0,55 Propanın göreli yoğunluğu G p = r p /r h = 0,7/0,0764 =,53 Metanın üst ısıl değeri GHV = 00 Btu/ft 3 Propanın üst ısıl değeri GHV = 58 Btu/ft 3 00 Metan için Wobbe No = = 36, 88 0,55 58 Propan için Wobbe No = = 034, 74,53 Propan Wobbe No>Metan Wobbe No Propan daha kaliteli yakıt oluyor..8 Doğalgazın Isıl Değerinin Hesaplanması, Fuel oil ile karşılaştırılması I. Gaz Miktarının Belirlenmsi Bir petrol üretim sahasında, gaz ve petrol düşük basınçlı seperatör (ayraç) den geçirilerek ayrıştırılmaktadır. Ayracın çalışma basıncı bar(g), sıcaklık 30 C 45 C dir. Bu koşullarda ölçlen gaz debisi : Q = Std ft 3 /gün Üretilen petrolden ayrılan gaz miktarı, laboratuvar analizleri ile bilinen gaz petrol oranı (GOR : Gas Oil Ratio) na bağlı olarak değişir. Yapılan GOR analizlerine göre, yüzey koşularında (P = atm, T = 5,5 C varil = 4 scf ft 3 (4 scf ft 3 =, std m 3 ) doğalgaz ayrışması olmaktadır. Yukarda, ölçüm miktarı verilen doğalgazın elde edilebilmesi için günlük petrol üretiminin 8000 varilden daha fazla olması gerekmektedir. Yüzey koşullarında petrolden ayrışan gaz, rezervuarda, petrol içinde çözülmüş (solution) halde bulunan gazdır. 55

56 Seperatörler, belli basınç ve sıcaklık koşullarında çalışan, gaz fazını sıvı fazdan ayıran ayraçlardır. Petrolden ayrışan gaz tekrar genleştirici ikinci hacım kabından geçirilerek, kendisiyle taşınan sıvı hidrokarbonlardan ayrılır. Daha temiz gaz elde etmek için filtrasyonlu separatörler kullanılabilir. Gazın kullanılacağı yerde, ısınma, sıcak su ve mutfak için en az SCF (~4857 m 3 ) gaza ihtiyaç olduğu tespit edilmiştir. II. Gaz Analizi : Separatör çıkışından alınan gaz numunesi, bar 5,5 C de Gaz kromotografi cihazı ile analiz edilmiştir. Analiz sonuçları aşağıda tabloda verilmiştir. Karışımı oluşturan Gazlar ( atm ve 5 C) % (y) Mw Karışımdaki Mol ağırlığı C5 ve C6 0,40 7,46 + 8,7 0,633 izobutan 0,7 58,0 0,46 Normal bütan 0,0 58,0 0,6 Normal pentan 0,0 7,46 0,44 Karbondioksit ,76 Etan.87 30,068 0,869 Oksijen 0,55 3,00 0,760 Azot 6,67 8, Metan 75,90 6,00,440 Propan Eser 00.0 Ma = 0,769 Havanın mol ağırlığı = 9 56

57 Gaz petrol ayracında, ayrıştırılan doğal gazın, analiz verilerine göre hesaplanan göreli ağırlığı (Sp. Grv) Özgül ağırlık (Sp. Grv) = 0,699 0,70 III. Kalorifik Değerin Hesaplanması : Karışımdaki Yanıcı gazlar Gaz ın % si C5 + C6 0,4 0 izo bütan 0,7 Normal bütan 0, 0 Normal pentan 0, 0 Etan,8 7 Metan 75, 90 Tam yanmada Isıl Değer Toplam ısıl değerdeki payı (Btu/Sch, 5,5 oc) ,06 356, 364 6, , , ,59 Isıl Değer (Btu/Sch, 5,5 o C de ) 888,08 Birim çevirme: Btu kcal 3 Scf m Btu 5 cal kcal 888,08 x = 3,79 Scf Btu Scf kcal kcal GH = 3,39 = 788 = Scf m kcal kg 57

58 Bir yakıtın gerçek kalorifik değeri kalorimetre ile bulunmakla birlikte, yukarıdaki hesap yöntemiyle de, analiz verilerinin doğruluğu derecesinde en yakın sonuç elde edilebilir. Değişik API derecelerine göre Fuel oil ısıl değerleri Fuel oil API (60 F) Isıl Btu/lb değer (GHv) Yoğunluk lb/gal Total Isıl değer kcal/kg ,37 033, , , , , , ,75 Doğal Gazın Fuel oil Eşdeğeri Eşdeğer doğal gaz kg Fuel oil kg m 3 ft 3 0API,7054,39 46,98 0API,7496,354 47,390 30API,7864,386 48,39 40API,867,406 49,0 I ton fuel oilin eşdeğer gaz miktarını bulmak için değerler 000 ile çarpılması gerekir. Örnek : ton 0 API fuel oil 309,4 std. m 3 dir. Binanın günlük gaz ihtiyacının 489 m 3 olacağı öngörülürse: Günlük ısı miktarı = Isıl değer x Gaz debisi 58

59 kcal 3 Günlük Isı Miktarı = 788 x 489 m /gün = kcal/gün 3 m Btu kcal /gün x = Btu/gün 0,5 kcal Btu 50 x 0 6 Btu / gün Aynı ısı miktarını elde etmek için fuel oil miktarı : Örnek: 0 API fuel oil kcal gün kg x 033,64 kcal Tablo.8 ORGANİK İNORGANİK BİLEŞİKLERİN KRİTİK DEĞERLERİ VE YOĞUNLUKLARI Element ya da Bileşik Kritik Basınç P c Kritik Sıcaklık T c Yoğunluk lbs/ft 3 60 F psia bar (mutlak) F C Asetik asit, CH3 CO OH Aseton, CH3 CO CH3 35 Asetilen, CH ,069 59

60 Hava, O +N Amonyak, NH Argon, A Benzen,C6H Butan, C4H Karbondioksit, CO Karbonmonoksit, CO Karbontetraklor, CCl4 83 Klor, Cl Etan, CH Etilalkol, CH5OH Etilen, CH = CH Etileter, CH5 O CH5 95 Flor, F izo-bütan, (CH3) CH CH3 34 izo-propilalkol, CH CHOH CH3 35 Metan, CH Metilalkol, H CHOH Azot, N Azot monoksit, NO ,

61 Oktan, CH (CH)4 CH3 96 Oksijen, O Pentan, C5H Fenol, C6H5OH Fosgen, COCl Propan, C3H PropilenCH3 = CH CH3 Dondurucu, CCl3F Dondurucu, CHClF Sülfürdioksit, SO Su, HO Helyum, He 33,, Heptan, 394 7, C7H4 88 3,0 400 Hidrojen H 99 8, Hidrojen klor, HCl ,0 4,6 0,005 0,097 Tablo.9 BAZI GAZLARIN Mw, VE GÖRELİ YOĞUNLUKLARI Kimyasal Adı ve Formülü Mw Yoğunluk Havaya Göre Özgül Ağırlığı Gaz Formülü Mol Ağırlığı kg/m 3 lb/ft 3 Hava : 6

62 Asetilen C H 6,036,73 0,073 0,9 Hava (% 79 N +%0 O +% başka)8,97,90 0,0806,000 Amonyak NH 3 7,03 0,7598 0,0474 0,596 Karbondioksit CO 44,0,963 0,5,59 Klor Cl 70,94 3,638 0,974,486 Etilen C H 4 8,05,604 0,0786 0,975 Hidrojen H,06 0, ,0056 0,0695 Metan CH 4 6,04 0,75 0,0446 0,544 Azotmonoksit NO 30,008,3388 0,0836,0366 Azot N 8,06,499 0, ,967 Oksijen O 3,000,477 0,0895,053 Kükürtdioksit SO 64,066,858 0,784,638 Hidrojen sülfür H S 34,066,54 0,096,900 Örnek: Yoğunluk hesapları ile ilgili bazı işlemler: Mutlak yoğunluk bir de göreli yoğunluk tanımları vardır. Genellikle katı ve sıvıların yoğunlukları suyun, gazların yoğunlukları da havanın mutlak yoğunluğuna göre ifade edilir, bu şekilde ifade edilen yoğunluğa göreli (Rölatif ) yoğunluk denir. Göreli yoğunluk M G = M g h = ρ ρ g h Hidrojen sülfürün göreli yoğunluğu: 6

63 G y 34,066 8,54 ( H S) =, 9 = Göreli yoğunluğu bilinen bir gazın yoğunluğunu bulmak: a) Metrik birimleriyle: kg kg ρ( H S) = ρh x G y ( H S) =,90 x,9 =, m m b) İngiliz birimleriyle: lb lb ρ( H S) = ρ h x G y ( H S) = 0,0806 x,9 = 0, ft ft c) Gaz denkleminden yoğunluğun hesaplanması: PM ρ = w RTZ Sıvılar Tablo.0 Sıvıların Viskozitesi T ( ) η (mp) Gazlar T ( ) η (μpa) alkol, etil 0, hava 5 7,9 alkol, izopropil 0,4 hydrogen hidrojen 0 8,4 alkol, metil 0 0,59 helyum (gaz) 0 8,6 kan azot 0 6,7 etilen glikol 5 6, oksijen 0 8, etilen glikol 00,98 freon -5 0,74 karmaşık malzemeler T ( ) η (Pa s) freon 0 0,54 kalafatlamak freon +5 0,4 cam, oda sıcaklığında freon (soğutucu) -5? cam, gerilme noktasına

64 freon (soğutucu) freon (soğutucu) 0? cam, tavlama noktası ,0 cam, yumuşama gliserin 0 40 cam, çalışma 0 3 gliserin cam, erime 0 helyum (sıvı) 4 K 0,00333 bal 0 0 cıva 5,55 ketçap 0 50 süt 5 3 domuz yağı yağ, sebze, kanola 5 57 melas 0 5 yağ, sebze, kanola hardal 5 70 yağ, sebze, mısır 0 65 fıstık ezmesi yağ, sebze, mısır 40 3 ekşi krema 5 00 yağ, sebze, zeytin şurup, çikolata yağ, sebze, zeytin. 40? şurubu, mısır 5-3 yağ, sebze, soya fasulyesi yağ, sebze, soya fasulyesi 0 69 şurubu, akçaağaç katran petrol, makine, ışık 0 0 sebze kısalma 0 00 ağır petrol, makine, yağı, motor, SAE 0 yağı, motor, SAE 0 yağı, motor, SAE

65 yağı, motor, SAE propilen glikol 5 40,4 propilen glikol 00,75 su 0,79 su 0,00 su 40 0,65 P: Basınç, bar, M w: Gazın mol ağırlığı, T: Sıcaklık K, R: Gaz sabiti Tablo. Bazı Gazların Viskoziteleri Viskozite (mikropaskal saniye µpa.s) Formül Molekül Adı 00 K 00 K 300 K 400 K 500 K 600 K Hava Ar Argon BF 3 Bor triflorür ClH Hidrojen klorür F 6S Kükürt hekzaflorür (P= 0) H Hidrojen (P= 0) D Döteryum (P= 0) H O Su D O Döteryum oksit He Helyum (P= 0) Kr Kripton (P= 0) NO Nitrit oksit

66 8.8 N Azot (P= 0) N O Nitroz oksit Ne Neon (P= 0) O Oksijen (P= 0) O S Kükürt dioksit Xe Ksenon (P= 0) CO Karbon monoksit CO Karbondioksit CHCl 3 Kloroform CH 4 Metan CH 4O Metanol C H Asetilen C H 4 Etilen C H 6 Etan C H 6O Etanol C 3H 8 Propan C 4H 0 Bütan C 4H 0 İzobütan C 4H 0O Dietil eter C 5H Pentan C 6H 4 Hekzan Tablo.0 Tablodaki Gazların viskozitesi (µ) değerleri ): 00 kpa ( atm basınç) içindir..9 Viskozite Ve Akışa Etkisi Viskozite akışkanın akışa karşı gösterdiği bir dirençtir. Moleküller veya parçacıklar birbirlerine çarparak, birbirlerine sürterek, birbirlerinin üzerinden kayarak geçerler ki bu olgular akışkanın, kendi içinde gelişen varolan sürtünme kayıplarına yol açar. Akışın bir tabakası diğeri üzerinden kayarken aralarında sürtünmeden oluşan bir kayma kuvvet oluşur; bu kuvvetin tabakanın alanına bölümü, kayma gerilimi (Shear Stress) verir. İşte bu gerilimin tabaka birim uzunluk hız değerine (hız gradiyenti) bölümü viskozite denen akışkan direncini ya da "akmazlık" değerini verir. Sıvıların viskozitesi basınçla değişmez, sıcaklıkla azalır. Gazların viskozitesi basınçla azalır, sıcaklıkla artar. Petrol ve benzeri viskoz akışkanlarda, 66

67 sürtünme olayı özellikle akışkan tabakaları arasındaki kayma dirençlerine (N) bağlıdır. Viskozitenin en çok kullanılan birimleri aşağıdadır. MKS birimleriyle viskozitenin birimi: Paskal basınç birimindeki kayma geriliminin (S) hız S gradiyentine ( hızın birim uzunluğa düşen payına, V/L ) bölümünden elde edilir. V / L MKS CGS Mutlak viskozite Mutlak viskozite N µ = m m / sn : = N sn / m m din cm / sn µ = : = din sn / cm cm cm Viskozite Birimlerinin Birbirlerine Çevrilmesi: ν m = 0,00T s S.U ν= 0,000007t s 0,0094/t s ν = 0,00T,03 / T S.F ν= Yaklaşık /0 S.U m F F ν m : Metrik birimde kinematik viskozite, cm /s T s : Saybolt Universal, saniye T F : Saybolt Furol, saniye ν = İngiliz biriminde kinematik viskozite, ft /s S.U = Saybolt Universal Engler ν= 0, t e 0,00403/t e Redwood ν= 0, t F 0,0085/t r S.F = Saybolt Furol. Yaklaşık S.U'in /0 nuna eşittir. : S.U viskozite birimi, saniye. t s t e t r : Engler viskozite birimi, saniye. : Redwood viskozite birimi, saniye. 00 cp = poise = din-sn/cm = g/cm-sn= 0, N-sn/m Cp = 0 g/cm -sn = 0 N -sn/m = kg/m -sn 67

68 Cst = Cp/g = cm /sn = 0 m / sn 0 C deki suyun mutlak viskozitesi cp = 0 poiz (poise) dir. Mutlak viskozitenin, ilgili sıvının yoğunluğuna bölümü dinamik (kinetamik) viskoziteyi verir. Birimi "stoke" (stok) dur. MKS Kinematik viskozite = µ ν = ρ N sn kg = / 3 m m g g CGS Kinematik viskozite = ν = / cm sn cm 3 = = m cm / sn / sn 00 Cst (centi stoke) = Stoke (st) = cm /s = 0 4 m /s 0 C deki suyun viskozitesi Cst = 0 stoke dur. I.B.S de viskozite: (IBS i ingiliz Birim Sistemi) Cp lbm/ft s çevrilişi: Cp = 0 g x cm sn 30,48 cm = 6,784 x 0 4 lbm/ft sn olur. 453g Veya Cp = 089 x 0 8 lb -sn ft Petrol viskozitesini bulmanın pratik yolu 30 API dan daha büyük API dereceli (Göreli G 0,88 Log m = a (0,035)( API) formülü ile bulunabilir. Burada: a: Sıcaklığa bağlı katsayı (Bak : kaynaklar 6) C a 38,05 68

69 54,83 0 4,5 API = = 3, 5 Göreli ağğırlı 7,55 88, API : American Petroleum Institute Uyarı : a'nın değerleri verilen sıcaklıklar dışında sapma gösterebilir, çünkü a'nın değerleri ile sıcaklk arasında doğrusal ilişki yoktur. Gazların Viskozitesi: Aşağıdaki formül, karışık bir gazın viskozitesini bulmaya yarar. Yalnız, karışımdaki gazların viskoziteleri tek tek bilinmelidir. µ m ( i y i M i ) ( y M ) µ = i i Burada: m m = Gaz karışımının viskozitesi m i = Karışımdaki gazlardan her birinin viskozitesi (i =,,3...n) y i = Karışımdaki gazın % desi, % 0 gibi M i = Her bir gazın mol ağırlığı Örnek: T = 5 C P = atm y i (%) µ i M i Gaz i =...3 i =...8 M i i =...3 ( µ y M ) CO 85 0,0 44 6,63 0,0676 N 0 0,06 8 5,9 8,464 x 0 3 CH 4 5 0,00 6 4,00 x 0 3 i i i 69

70 µ m = 0,0780 ( µ i yi M i ),0x0,85x ,06x0,0 x 8 + = ( y M ) ( 0, , ,05 6) i i 0 0,00x0,05 6 µ 0, ,36744 m = = 0,06959 Tablo.0 ile şekil.9 birlikte kullanılarak bazı gazların değişik viskoziteleri bulunabilir. Tablo ve grafiklerin kullanılışı şöyledir.. ilgili gazın X Y değeri alınır.. Şekil 3 de X Y noktası elde edilir. Bu nokta ile ilgili sıcaklık noktasından bir doğru çizilir. Bu doğrunun düşey eksenini kestiği noktada okunacak değer ilgili sıcaklıkta o gazın viskozitesidir. 3. Bulunan viskozite, şekilden bulunan düzeltme faktörü k ile çarpılarak basınca göre düzeltilir. Örnek: Metan gazının T = 00 F, P = 00 psi deki viskozitesi nedir? ) X = 9,9 Y = 5,5 T = 00 F P = 00 psi ) Şekilde, X ve Y değerleri ile, bulunan nokta; 00 F, kesecek şekilde bir doğru ile birleştirilir. Bu doğru aynı zamanda, viskozite sütununda bir noktadan geçer. µ = 0,0 Cp 3) Bulunan viskozite basınca göre düzeltilir. Önce, P r, T r bulunur. 70

71 P P r = = 0,3, P c T T r = =,63 k = 3,5 T c Metan: Pc = 673 psi,, Tc= 7 F } m c = m.k = 0,0 x 3.5 = cp Tablo. Bazı Gazların Viskozite Abağına ilişkin x, y Değerleri (Şekil.9 ile Birlikte Kullanılacak) No x y No x y Asetik asit 7,7 4,3 9 Freon 3,3 4,0 Aseton 8.9 3,0 30 Helyum 0,9 0,5 3 Asetiln 9,8 4,9 3 Hekzan 8,6,8 4 Hava,0 0,0 3 Hidrojen,,4 5 Amonyak 8,4 6,0 33 (3H + N), 7, 6 Argon 0,5,4 34 Hidrojen bromit 8,8 0,9 7 Benzn 8,5 3, 35 Hidrojen klor 8,8 8,7 8 Bromin 8,9 9, 36 Hidrojen siyanür 9,8 4,9 9 Bütan 9, 3,7 37 Hidrojen iyod 9,0,3 0 Butilen 8,9 3,0 38 Hidrojen sülfat 8,6 8,0 Karbondioksit 9,5 8,7 39 İyod 9,0 8,4 Karbondisülfit 8,0 6,0 40 Cıva 5,3,9 3 Karbon monoksit,0 0,0 4 Metan 9,9 5,5 7

72 4 Klor 9,0 8,4 4 Metil alkol 8,5 5,6 5 Kloroform 8,9 5,7 43 Nitrik oksit 0,9 0,5 6 Siyanojen (Cynojen) 9, 5, 44 Azot 0,6 0,0 7 Siklo hekzan 9,,0 45 Nitrosil klor 8,0 7,6 8 Etan 9, 4,5 46 Azot oksit 8,8 9,0 9 Etil asetat 8,5 3, 47 Oksijen,0,3 0 Etil alkol 9, 4, 48 Pentan 7,0,8 Etil klor 8,5 5,6 49 Propan 9,7,9 Etil eter 8,9 3,0 50 Propil alkol 8,4 3,4 3 Etilen 9,5 5, 5 Propilen 9,0 3,8 4 Florin (Florine) 7,3 3,8 5 Sülfürdioksit 9,6 7,0 5 Freon 0,6 5, 53 Toluen 8,6,4 6 Freon, 6,0 54,3,3 Trimetilbüan 9,5 0,5 7 Freon 0,8 5,3 55 Su 8,0 6,0 8 Freon 0, 7,0 56 Xenon 9,3 3,0 Örnek : Gaz P : CO = atm T = 50 C m =? Çözüm : Şekil 3.9 de, x y nin kesim noktasından ilgili sıcaklığa doğru çizilir. Doğrunun viskozite eksenini kestiği nsokta aranan viskozite değerini verir. Bulunan viskozite Æ m = 0,05 cp 7

73 III. BÖLÜM DOĞALGAZ ÜRETİM VE ARITMA TESİSLERİ 3. Üretim İstasyonları Yer altından üretilen ham doğal gaz akıntısı içinde, istenmeyen katı, sıvı, gaz fazlarında bazı maddeler yer alabilir. Katı ve sıvı haldeki maddeler ya derhal kuyu başı separatörlerinde ya da istasyon separatörlerinde dibe çöktürülerek ayrılırlar. Sıvı faz içinde, su ve ağır hidrokarbonlar bulunur. Separatörden alınan doğal gaz henüz arıtılmış değildir, içerisinde, ısıl kapasiteyi düşüren CO gazı, su buharı ve zehirleyici özelliği olan H S gaz bulunabilir. Bu gazların her doğal gazın bünyesinde yer alması söz konusu olmamakla birlikte, bu tip gazları içermeyen temiz bir gaza sahip olmak da büyük şans sayılır. Çünkü, H S, CO, su buharı içeriklerini ayırmak büyük yatırımlarla kurulan tesislerde gerçekleştirilebilir. Özellikle H S ve CO ayırma üniteleri, korozyon etkileri nedeniyle, çok pahalı olan paslanmaz çelikten inşa edilirler. Gaz akışı içeriğinde bulunabilecek su buharının üst düzeyi hacimce ppm (= cm 3 /m 3 )i aşmamalıdır. Gazın sıcakılğı su buharının çiğlenme noktasına kadar düşürüldükten sonra, yoğunlaştırıcı (knock out drum) ya alınır. Burada, su ve ağır hidro karbonlar dibe çöktürülür. Bu yöntemle henüz ayrıştırılamayan su buharı, içerisine suya karşı ilgisi fazla olan, su zerreciklerini bünyesinde toplayan alüminyum yapraklarla doldurulmuş veya suya karşı aktif ilgisi olan maddelerle doldurulmuş olan ve molekül eleği anlamında "molecular sieve" denen kurutma kulelerinden geçirilir. Propan, bütan, pentan, hekzan gibi ağır hidro karbonlar eğer istenirse, sıvılaştırmanın ilk evresinde, seçilecek, P ve T noktasında kolayca ayrılabilir. Çünkü, bu hidro karbonların normal kaynama noktaları metanınkinden yüksektir. Ayrıştırılan etan ısıtmada yakıt olarak kullanılır. Yüksek kaynama noktasına sahip, etan ve daha ağır hidrokarbonların doğal gazdan ayrılması, LNG nin belirli bir ısıl değere sahip olmasını da sağlar. Metanın kaynama noktası ve yanma ısısı etan ve daha ağır hidrokarbonlarınkinden düşüktür. Doğal gazın içinde CO içeriği en fazla hacimce 50 ile 50 ppm (50 cm 3 /m 3 50 cm 3 /m 3 ) arasında olabilir. CO ayrışmasında amin prosesi yaygın olarak kullanılır. Glikol kulesine benzer şekilde imal edilen bir kule içine hız kesici plaka demetleri ve dolgu malzemesi konur, gaz kulenin altından verilir, gaz yukarı çıkarken, kule tepesine yakın yerden dökülen amin türevlerinden biri aşağı iner, bu ters akış sırasında, belirli bir DP ve T sıcaklığında, doğal gaz içindeki CO ve H S gibi gazlar amin tarafından tutulur, kule tepesinden temiz doğal gaz elde edilir. doğal gazdan CO ve H S ayırmada kullanılan aminler şunlardır: 73

74 MEA: Mono etanol amin DEA: Di etanol amin TEA: Tri etanol amin Proses, amin ile CO, H S ve su arasında meydana gelen kimyasal bir olaya dayanır. Olayda, amin, karbonat, bikarbonat, hidro sülfat şeklinde bileşiklerin oluşmasına yol açar. Bu bileşikler, aminle birlikte, kule altından alınarak, yeniden kazanım (regenaration) ünitesine gönderilir. Aminin yeniden kazanımı, ısıtma, ters reaksiyon ve asid gazların distillasyon kulesinde sıyrılması gibi işlemleri kapsar. doğal gaz ve diğer gazlar içerisindeki su buharı şeklindeki nemin gazdan ayrılması aktif su emiciler (absorbent) in kullanıldığı dehidrasyon (su alma) proseslerinde gerçekleştirilir: Aktif su emici sıvılar şunlardır. Tablo 3. Aktif su emiciler Aktif su emici sıvı İyi yanları Kötü yanları TEG: Tri Etilen Glikol (Trie ethylene Glycol) Lityum Klor Kalsiyum klor Katılaşmaz Çalışma sıcakılğında S, O, CO e karşı kararlı Yüksek derecede hidros kopik (aktif su emici) % 99 oranında yeniden kazanılması kolay. Gaz tarafından taşımacılığı az Yüksek su emiş kapasitesi Düşük korozyon Kolayca hidrolize olmaz. Ucuz Yapılması kolay İlk alınış fiyatı yüksek Hafif hidrokarbonların var olduğu ortamda köpükleşme eğilimi gösterir. Köpük kırıcı kullanmak gerekebilir. Pahalıdır. çerisinde bazı maddeler korozyona yol açabilmektedir. Petrolle emülsiyon yapar Elektriksel korozyona yol açar. Çökelmesi halinde H S çökelmesine yol açar. 74

75 Dietil Glikol DEG (Diethylene Glycol) % 0 30 MEA + % DEG + % 5 0 Su karışımı Kararlı Çökelip katılaşmaz. Normal çalışma sıcaklığında S, O ve CO karşı kararlı. Yüksek su emici (hygroscopic) Gaz tarafından taşınırlığı çok az CO 'i H S'u ve suyu derhal üzerine alır. Glikol, aminin köpükleşme eğilimini düşürür. Prosesin bir devrinde gazı arıtır ve su içeriğini alır. TEG'den biraz fazla gaz tarafından götürülebilir. % 95 in üstünde çözelti elde edilemez. TEG'den çiğ noktası düşü mü daha az. İlk alış fiyatı yüksek. TEG den daha fazla gaz tarafından taşınırlığı var. H S'lü gaz dehidrasyonu proseslerinde kullanımı sınırlı. Geri kazanım prosesle rinde, yüksek sıcaklıkta korozyon yapar. Çiğ noktası stabilitesi sınırlı ve TEG den daha az Şekil:3.- Doğalgaz sahası kuyubaşı kurulumu 75

76 Şekil:3.- Doğalgaz sahası örnek kuyubaşı kurulumu, şematik görünüm GENEL MALZEME DÖKÜMÜ a) Pipes, A 06 Gr B, CS, sch 40, BE b) Flanges, WN, CS, RF A 05, B6.5, ANSI 300 c) Valve Ball, API-6D, Body A6 Gr. WCB, Trim RPTFE, WN, RF Flanged, ANSI 300, d) Valve Gate, API-6D, Body A05, CR ST trim, WN,RF Flanged, ANSI 300 e) Valve Globe, ANSI B 6-34, Body Gr WCB, CR ST trim, WN, RF Flanged, ANSI 300 f) Valve Check, Swing Type, API-6D, Body A05/ A6 GR WCB, trim stellited, WN, RF Flanged, ANSI 300, g) Bolt &Nuts, Bolt A93 Gr.B7, Nut, A94.Gr.H, stdr. B-8. h) Gasket, sprial wound flexitalic, ANSI 300, RF, ANSI B 6.5 i) Elbow, 90o, BW, LR, A 05, CS, Sch 40, j) Tee, BW, LR, A 05, CS, Sch 40, k) Reducer, BW, A 05, CS, Sch 40, 3. Kuyubaşı Kurulumu, Separatör, Emniyet, Ölçüm Hidro-karbonların karısımından olusan petrol ve dogal gaz çagımızın en önemli enerji kaynaklarındandır. Petrol ve dogal gazın kullanılabilir hale getirilmesi için yabancı maddelerden ayrılması gerekir. Genellikle petrol ve dogal gazın içinde yabancı maddeler olarak kum benzeri katılar, serbest veya emülsiyon seklinde su, hidrojen, azot, karbondioksit, hidrojen sülfür ve sülfür bilesikleri gibi gazlar bulunabilir. Separatörler genis anlamda, Petrol veya dogal gazı, sıcaklık, seviye ve basınç kontrolleri altında, yabancı maddeler den ayırmakta kullanılan basınçlı kaplardır. 76

77 Şekil 3.3 Tipik üçfazlı separatör sistemi LC:Seviye kontrolü (Level Control) LT:Seviye sinyal verici (Level Tarnsmitter) PC: Basınç kontrolü (Pressure Control) PT: Basınç sinyal verici (Pressure transmitter) PV: Basınç kontrol vanası (Pressure Control Valve) LV: Seviye kontrol vanası (Level Control Valve) Proses ekipmanları olan separatör, basınçlı kaplar ve diğer donanımların tasarımları için geliştirilmiş hesaplama yöntemleri üzerinde durulacaktır. Uygulanmış hesaplar ve örneklemeler aşağıda verilmiştir. Bu örneklerde 000 Bbl/gün, 4500 bbl/gün petrol akışkanı içindeki su ve gaz içeriklerini ayırmakta kullanılan 77

78 separatörler ve basınçlı kaplar yer almaktadır. Hesaplamalarda, gaz miktarı 3 MMSCFD ile,5 MMSCFD arasında değişiyor. Separatörler ve basınçlı kaplar, üç fazlı olarak tasarlanmıştır: su+petrol+gaz Serbest su ayırıcı basınçlı tank, aslında, uzun bekleme süreli kocaman bir separatör olarak tanımlanabilir. İşlevi, petrol içinde bulunan serbest suyu ayırmaktadır. İçinde, akış düzenleyicilerin bulunması gerekir. Tam akışkan giriş kapısında, hız kesici ve yönlendirici levha bulunmalıdır. Ayrıca, çıkışta, akışın konikleşmesini ve gazın sıvı ile kaçışını önlemek için boşaltım yavaşlatıcı yer almalıdır Bu iki elemana, İngilizce metinlerde, "moment breaker ve vortex breaker " adları verilir. Akışkanın içeri girdikten sonra çıkıştan dışarı çıkıncaya kadar yaklaşık bir saat veya daha fazla süre geçmesi bu ekipmanların en önemli özelliklerinden biridir. Serbest suyun ayrılmasında en önemli faktör "bekleme" süresidir. FWKO : Serbest Su Ayırıcının Farklı Boyutlarda Tasarlanması Q (bbl/d) Di (inch) D i (m) Leff (ft) Leff (m) L s-s (m) T T (min.) , , , , İlk iki sırada yer alan FWKO kapları, günlük 000 bbl/d petrol üretimini işleyebilecek kapasiteye sahiptir. FWKO : 4500 bbl/g Petrol Üretim İstasyonu için Farklı Tr ye Göre Farklı Boyutlarda Yapılması Q (bbl/d) Di (inch) D i (m) Leff (ft) Leff (m) L s-s (m) T T (min.) , , , ,5 7, Serbest su ayırıcı da, petrol bünyesinde sıvı fazında olan su ayrılır, ayrılan suya serbset su denir, tankta dinlenme süresine bağlı olarak etkin ayrım sağlanır. Ancak buhar fazındaki suya ki nem olarak da ifade edilebilir, nemin ayrılışı daha karmşık operasyon gerektiri, yüzey 78

79 gerilim kırıcı emülsiyon kimaysalı kullanılır, çok hassas ayrım istenmediğinde dikey separatörlerde etkin su fazı ayrışması olur. Separatöre emülsiyon ilave edilebilir. Tablodan görüleceği gibi, "bekleme süresi" ne kadar uzun olursa, boyutlar o kadar büyümektedir. Ancak iyi bir ayrışma için bekleme süresinin uzun olması tercih edilir. Burada bir saat ile 0 dk arasında değişmektedir. Dikkat edilirse, ilk sırada çap büyük seçilmiş ama boy daha kısadır. Çap aynı olduğu halde boyda yaklaşık iki kat artış olursa, bekleme süresinde % 50 kadar artış olmaktadır 3.3 SERBEST SU AYIRICI ( FWNKO) TASARIMI Veriler ve uygulanabilir formül L i L eff D = T Q 0.7 Geometrik Hacim Heasbı (Bbl): W L ( T T ) V = 440 Estimate retention time T r (min.) 60 Estimate liquid flow rate Q bbl/d 4500 Calculate Di Leff (sqr inch-ft) Diameter Di (inch) 90 Power of Di (inch ) 800 Calculate Leff (ft) 3, V : Dibe çökme Hacimi (Settling volüme)(bbl) Sıvı akış hesabı Q bbl/d W L: Sıvı Kapasitesi) Bbl/d (liquid capacity) Bekleme süresi hesabı T r (min.) T T : Bekleme süresi (Retention time) (dk) Dibe çökelme hacimi (Settling volüme) (Bbl) 4500 bbl/gün KAPASİTELİ SERBEST SU AYIRICI (FWKO DRUM ) BOYUTLAMA HESABI Q (bbl/d) Di (inch) Leff (ft) T T (min.) V,STT.VOL.( Bbl) ,5 0 6,5 79

80 , bbl/gün PETROL KAPASİTELİ (FWKO DRUM ) BOYUTLAMA HESABI Q (bbl/d) Di (inch) Leff (ft) T T (min.) V,STT.VOL.( Bbl) , , SEPARATÖR GAZ KAPASİTE HESABI Sıvı seviyesi yarıya kadar ayarlanmış separatörün gaz kapasitesi, gazın separatör içinden geçiş süresi sırasında gazdan ayrılan damlacıkların sıvı faz arayüzeyine düşüşü için istenen zamana göre hesaplanır. L eff Di = ( T )( Q (4)( K ) P g ) r L i L eff D = T Q 0.7 Veriler: Öngörülen gaz akış miktarı Qg (MMSFD) 3 T Sıcaklık, o R ( o F+460)

81 Faktör K grafikten S gp op/t (in o R) 0,5 S g gazın özgül ağırlığı 0,59 P op çalışma basıncı (psia) 00 Çalışma sıcaklığı (psia) 04,7 Gaz sapma faktörü Z,( T,P de grafikten ) 0,987 Çalışma sıcaklığı o F 77 Sıvı yoğunluğu, (kg/m 3 ) 898 Gaz yoğunluğu,(kg/m3) 0,767 Separatör çapı D i (in.) 90 Sıvı geçiş süresi (T r, min) 0 Günlük petrol üretimi (İşlenişi)(Bbl/d) 000 Sıvı çökelmehacmini hesapla (sqr in.-ft) 748,574 Çökelme hacmi için etkin sıvı geçiş uzuluğunu hesapla L eff (ft),6406 Tepeden tepeye uzunluğu hesapla Ls-s (ft)(seam-to-seam) 8, Örnek:Petrol+Gaz+su Üç FazlıSeparatör Tasarımı: 3.5 Yüksek BasınçLI Separatörün Gaz Kapasitesi Yarıya kadar sıvı çökelmeli yatay separatör, Gaz geçişi için sıvı faz üzerindeki boşluk. Sıvı çökelmenin hacmi separatörün yarıhacmidir. Q = A( K s )( D) ( P Ts Z P s T ρ l ρ g ρ g / Not: Bu fomül ile bilinenler yerine konarak bilinmeyen bir parametre hesaplanabilir. HEASP TAPLOSU Birimler yukarıda tanımlanmışr A K S D Z P P S T S T 8 0, , , ,

82 8 /Z D P/P S T S/T [(ρ l - ρ g)/ρ g] /, , ,8756, , ,8756 A KS D D /Z P T PS P/Ps TS SEP 0, , SEP 0, , SONUÇ (Çapları Değişik iki separatörün gaz kapasite hesapları) Sonuçlar: Q (Std m 3 /gün) SEP ,5 SEP , SEPERATÖR SIVI FAZ KAPASİTESİ HESABI Parametreler Çökelme süresi (T, Retention, dk) 0 Petrol akış miktarı, günlük (Wl, Bbl/d) 000 Dakika/gün (dk) 440 Sıvı çökelme Hacmi (V, Bbl) 66.7 Çökelme hacmi (m 3 ) 7,78 Seçilen uzunluk (L, m) Separatör çapını hesapla (D,m)? Hesaplanan Separatör Gövde Çapı (m)

83 Alttaki formüle veriler konarak separator çapı hesaplanır ve işaretlenen sonuç elde edilir API o ile Sıvı Yoğunluğu Hesabı V440 Wl = t Wl ( t) π V = = D L V D = Lπ ρ o = xρ = x6.4 = 0.95 o w API D(inch) L (ft) 3.8 D(inch) std 0 L(ft) std 3.5 Separatör Çapı Alttaki Formül ile de Hesaplanabilir t 0.7 rql D = Leff / Veriler Değerler Separatör saç plakalarının esneme direnci (S. psi) 5000 Separatör kazanının yarı çapı (R, inch) 4 Radyografik teste gore kaynak bağının etkinliği, ( E, 0.80) 0.8 Plaka kabuk kalınlığını Hesapla (t, inch) =? Eliptik separatör başlarının kalınlığı Hesapla,(t, in.) =? Gövde ve eliptik başların plaka kalınlığı (t, cm)

84 Separatör baştanbaşa uzunluğu (L,m) 7 Sep.Kazan çapı (D, cm) 3 Boş separator gövdesinin ağırlığını Hesapla (W, kg) =? Separatör Mekanik Yapısıyla İlgili Hesap Formülleri: W = 5DtL t = SE PR 0.6 P t = PD SE 0.P Metalik Gövde Ağırlığı Çekilme Direnci (Tensile Strenght) Gövde Saç Plaka Kalınlığı 84

85 IV. BÖLÜM GAZ KURUTMA SİSTEMLERİ 4. Sistemin Tanıtımı Katı alumina kurutucu madde iki dikey silindir içine doldurularak kurulan kurutucu system TEG sistemine alternative gaz kurutma sitemidir. Aşağıdaki birimlerle birlikte çalışır: Girişte bir filtreli separator Bir rejenerasyon birimi Bir ısıtıcılı tuz banyosu Bir soğutucu 4. Filtreli Separatör Filtreli separator silica jelin katı, serbest sıvı maddelerden kirlenmesini ve tıkanmasını önlemek için kullanılır. 4.3 Kurutma Kuleleri Doğal gazın kurutulmasında TEG birimine alternative kurutucu system, silica jel yataklı iki kurutma kulesinden oluşan yapıdır. Kulelerden biri devrede iken diğeri, emilen sıvı fazdan temizlenir, solenoid vanalı control vanalrı ile sırayla devreye girer çıkarlar. Solenoid vanaların açılıp kapanma süresi zaman ayarlı sviçlerle olur. Ancak, süreler ve doyuma ulaşma, temizlik, gaz miktarına, kulelerin büyüklüğüne, ve dolayısı silica jel miktarına bağlı olarak değişir. Sistemin tasarımı bunu kapsar. Gaz, kulenin tepesinden aşağı inerken silika jel tanecikleri arasından yavaşlayarak akar. Silikajel, fiziksel olarak sülfürük asit ve sodium silikat bileşenidir ve yapısal olarak su emici (hydroscopic) maddedir. İstenen sıcaklık ve basınç verilerine gore tasarım yapılabilir. Halihazır kuyular için, m3/g ve 00 psig, 36 x 3 m dikey konumlu kule sistemi yeterlidir. Gaz geçiş hızı,66 m/s ideal hız sınırları içindedir. 85

86 4.4 Tuz Banyolu Isıtıcı ve Yeniden Kazanım Tankı Isıstıcı yüke geçme/geçmeme durumlarına göre aç/kapa konumunda çalışır. Isınan gaz kule tepesinden aşağı akarken, kurutucu taneciklere turunmuş su zerreciklerin buharlaşmasına neden olur. Su buharı ile birlikte soğutucuya giden gaz burada suyun yoğunlaşması ile suyu bırakarak yeniden kazanım kazanına döner. Isıstıcı sıcaklığı 00 C üzerindedir. Isıtıcıdaki tuun işlevi, ateş borularını yüksek fırın sıcaklığından korumaktır. TEG birimine alternatif gaz kurutma sistemi, dikey silindirik yapı, benzer yapıda içinde silika jel tepsileri olan su ve nem alıcı Dehidratör-Separatör sistemi, separasyon ve dehidrasyon işlevini birlikte yapmaktadır. Alttan kuyu gazı doğrudan girmekte ve tepeden temiz kuru gaz alınmaktadır. Nem alma düzeyi, çalışma basıncına ve iç yapıya bağlıdır. Nem alma ölçüsü, 0,7 lb/mmscf den 9 lb/mmscf bir aralığa sahiptir. ( lb/mmscf= ppm, 07 lb/mmscf=4,7 ppm, 9 lb/mmscf=89 ppm nem olarak su içeriği) Ayrılan sıvı faz alttan otmatik direyinle alınmakta. 4.5 TEG Sistemi Şekil:4.- Gazın içindeki buhar fazındaki nemi almak için kurulan glikollü sistemin şematik görünümü 86

87 Şekil 4. TEG sisteminde, gazdan su buharı (nem) alınışı Gaz yolu ve glikol çevrimi akış yön işaretleri ile şekilde gösterilmiştir. Gazdaki nemi bünyesine alan glikol, kirlenmiş olarak Glikol Dip Kaynatıcıya gider, burada kaynama sıcaklığı suyun buharlaşma sıcaklığına ulaşınca, glikol içindeki su buharlaşır ve Buharlaşma kulesinden atmosfere atılır. Temizlenen glikol, ısıs değiştiricide, kuleden gelen kirli glikolü ön ısıtma yaparak pompa ile tekrar kuleye verir. Bu çevrim operasyon süresinnce devameder. Zamanla buharlaşan su ile zerre halinde glikol havaya uçar, çevrimdeki glikolü kontrol eden glikol besleme tankındaki seviye kontrolü, azalan glikol miktarını otomatik olarak sisteme katar. Glikollü Gaz Kurutma Sisteminde Esas Ekipmanlar:. Giriş gaz temizleyici separatörü (Gas scrubber). Glikol kulesi (Glycol Contactor) 3. Glikol kaynatıcı (Glikolün gazdan aldığı suyu buharlaştırmak için kullanılan dip kaynatıcı, glikolün gazdan aldığı suyun buharlaştırılmasına ve glikolün temizlenip tekrar kuleye kazandırılmasına yarar. (Reboiler) 87

88 4. Su buharı, atımkulesine verilir, atmosfere atılır, buharla gelen glikol dibe çöktürülür ve sisteme verilir (Flash drum).6 Slikajel Kurutma Sistemi Şekil:4.3- Doğalgaz nem alıcı gaz kurutucu, çift kule slikajelli sistem şeması Slikajel, su ve nem emici özelliğinden dolayı gaz içindeki nemin alınmasında kullanılır ve glikol kimyasal bileşenine göre daha ekonomiktir. Boncuk şeklinde ufak taneler halinde, kurutma kulelerine belli miktarlarda doldurulur. Gaz kulelere otomatik kontrol vanaların açılıp kapanışına göre girer ve çıkar. Kulenin biri gaz kurutma evresinde iken diğer kuledeki slikajel nemden temizlenir. Bu devri daim operasyondur. Kontrol vanaların açılıp kapanması, zaman ayarlı solenoid vanalar vasıtası ile gerçekleştirilir. Sistemin düzgün çalışması, sürekli kontrol ve bakım gerektirir. Kurutma evresinde olan kuledeki slikajel bünyesine emerek aldığı su ile kirlenmiş olduğundan, süreyle soğutma yoluyla temizlenme evresine girer. Devam eden döngüde, temizlenmiş kule devreye girer, diğeri soğutulur. Operasyon döngüsü böyle sürer gider. 88

89 Gazın nemden arınması boru hattının ömrü bakımından önemlidir. Boru hattına verilmeden önce soğutucu kulelerden geçirilerek içinde kalan nemin de alınması gereklidir. Düşük basınç, yüksek sıcaklıkta gazın nem taşıma kapasitesi artar. Boru hattında soğuduğu yerlerde hidrat formasyonu ortaya çıkar, bu da korozyona yol açar. Bu nedenle gazdan su ve nemin alınması gereklidir. Şekil:4.4- Doğalgaz nem alıcı, gaz kurutucu, çift kule slikajelli sistemin detayı 89

90 Tablo 4. Yüksek su çekme (hygroscopik) özelliği olan glikollerin bazı fiziksel özellikleri Etilen Glikol EG Dietilin Glikol DEG Tri etilen Glikol TEG Formül C H 6 O C 4 H 0 O 3 C 6 H 4 O 4 M w 6, 06, 50, T k (kaynama noktası) 760 mm Hg, C 97 44,87 85,5 5 C, buhar basıncı mm Hg 0, 0,0 0,0 5 C de özkütle g/cm 3,,3,9 Donma noktası, C Akış direnci (Viskozite) 5 C, C p 6,5 8, 37,3 Yüzey gerilimi, 5 C din/cm Işık kırma indeksi, 5 C,430,446,454 Özgül ısı, 5 C 0,58 0,55 0,53 Parlama noktası, C Yanma noktası, C

91 Örnek : Linde sistemiyle metan gazını (CH4) sıvılaştırma operasyonu. Tasarım Verileri : Sistem... : Linde Sıvılaştırılacak gaz... : Metan (CH4) Gazın sisteme giriş sıcaklığı... = 7 C Gazın sisteme giriş basıncı... = atm Sıkıştırma basıncı... = 68 atm. 70 bar da soğutulan gazın sıcaklığı... = 7 C Sıvılaştırılmış gazın basıncı... atm Separatörden ayrılan sıvılaşmamış gaz basıncı... = atm Separatörden dönen ve ısıtılan gazın sıcaklığı... = 4 C (Soğuk separatör gazı yüksek basınçlı gaz ile çapraz geçiş yaparak ısı almakta ve kompresör girişine 4 C sıcaklıkla dönmektedir.) Isı değiştirici (exchanger)nin çevreden aldığı ısı... = 58,3 j/kg Dolaşımda bulunan metan gazı (dönen gaz)... = kg Şekil 4.5- Sıvılaştırma sisteminin basit şematik görünümü Yukarıda verilere göre : 9

92 a) Prosesin verimliliği b) Prosesin her basamağında oluşan iş (enerji) ısı transferi nedir? ) Sıkıştırma ve soğutma basamaklarında ısı tranfseri genel enerji denklemi kullanılarak hesaplanır. Kinetik ve potansiyel enerji değişimleri ihmal edilmektedir. Q = H + W s = (H H ) H Ş Adiyabatik proseste Q = 0 (Isı transferi) W s = H = (H H ) olur. H : Gazın sisteme girerken sahip olduğu enthalpi H : Sıkıştırma sonunda sahip olunan enthalpi H : Metanın basınç enthalpi grafiğinden elde edilen enthalpi H : 955,788 x 0 3 j/kg H = 888,75 x 0 3 j/kg H =,04 x 0 6 j/kg Sıkıştırma soğutma basamaklarındaki ısı transferi Q = (888,75 x ,788 x 0 3 ),04 x 0 6 Q =,0979 x 0 6 j/kg ) Prosesin bütünü için ideal enerji: W id = (T o )[( m l)(s 5 ) + (m g )(S 7 ) S ] [(mg)(h s ) + ( m l)(h 7 ) H ] m l = 0,0605 kg m g = 0,9359 kg H 7 = 949 x 0 3 J/kg T o = 7 C + 73 = 300K S = 7,086 x 0 3 J/kg K H = 955,788 x 0 3 J/kg S 5 = 0,367 x 0 3 J/kg K S 7 = 7,065 x 0 3 J/kg K H 5 = 4, x 0 3 J/kg 9

93 3) İdeal enerji W id = (300)[(0,0605)(0,367) + (0,9395)(7,065) 7,086] x 0 3 [(0,065)(4,) + (0,9395)(949,5) 955,788] x 0 3 W id = 7.57 x ,38 x 0 3 W id = 66,69 x 0 3 j/kg İngiliz biriminde ifadesi: 3 66,69x0 j Btu x kg 055 0,453 kg x j lbm = 8,6 Btu lbm 4) Açığa çıkan ısı enerjileri (ısı transferi) a) Açığa çıkan ısı enerji genel formülü: W L = W id W s = T dh = TdS + VdP H = o S Q = T o TdS + S H V dp H nin eşiti WL formülünde yerine konursa : + V dp + F W L = T o S T ds + F T o T değişken olursa T W L = F (T o = T yani değişken ise); T o sabit bir değer ise o S TdS 0 olur. + WL = To S T ds F olur. (F ihmal edilebiliyor ve = TdS Q ) W L = T o S Q = (300)(4,79 x 0 3 7,086 x 0 3 ) + (,0979 x 0 6 ) W L = j/kg = 65,79 Btu/lbm b) Isı değiştiricide açığa çıkan ısı: 93

94 W L = (T o )[(m g)(s 7 S 6 ) + (S 3 S )] Q K W L = 300 [(0,9395)(7,6659 4,949) x 0 3 +(3,4 4,79)x0 3 ] 58,3 = 5, x ,5 = 46,377 x 0 3 j/kg c) Genleşme vanasında açığa çıkan ısı: Formül: W s = W id SW L W L 3 = (T o )(S 4 S 3 ) Q = (300)(4,665 3,4) x = 47,x0 3 J/kg W id = 66,69 x 0 3 J/kg W L = (+384,690 x 03 J/kg) W L = (+46,377 x 03 J/kg) W L 3 = (+47, x 03 J/kg) + W s = 04,896 x 0 3 J/kg d) Şaft veya ekipman motor gücü; W s : W s = W id SW L W s = 66,69 x 0 3 S(384, , ,) x 0 3 W s = 04,896 x 0 3 J/kg 94

95 4.7 KOMPRESÖR GÜÇ HESABI Power Cal. Qs Sm3/d C Boyutsuz 0,353 0,353 Z Boyutsuz 0,958 0,958 η Boyutsuz 0,700 Ti R 530,00 530,00 q Sm3/s 7,0 55,56 Psuct bar 35,00 50,00 Psuct kpa Pd bar 4 4 Pd kpa Gaz Özkütle 0,57 0,57 Hava Mol 9,00 9,00 Hava Yoğunluğu kg/m3 (Ps, Ts),, Gaz Mol 6,53 6,53 Hava Yoğunluğu kg/m3 (Ps, Ts) 0,64 0,64 k Boyutsuz,7,7 r Boyutsuz 0, 0, Pd/Ps (Pd/Ps) r (Pd/Ps) r - Power (kw) 3,543,309 0, ,74,480,3 0,3 45, ,677 (hp) (. Kompresör) Kompresör Gücü : 9 098,59 (hp) (. Kompresör) hp = 0,745 kw, Not: Formüle konan veriler tabloda işaretli Kompresör Gücü : 3 P= 35 bar P= 4 bar A A P= bar 95

96 V. BÖLÜM RM A BORU HATLARI 5..0 Akış Olayına Uygulanan Korunum Yasaları Akış olaylarının incelenmesi ve çözümlenmesinde üç temel yasa dikkate alınır: 5.. Kütlenin Korunumu Borularda akışın kararlı durumda olduğu kabul edilir. Kararlı durumda, belirli bir noktada belirli bir kesit alandan geçmekte olan akışkanın basınç, sıcaklık ve hızında zamana bağlı olarak değişme olmaz. Bu durumda, hat üzerinde belli bir noktada: dp dt = dt dt = dv dt = 0 durumu varsa, akış kararlıdır. Kararlı akışta, kütlenin korunumu esastır ve sisteme giren madde miktarı ile sistemden çıkan madde miktarı teorik olarak eşittir. Buna göre, kararlı akış olayında, sistemin herhangi bir noktasında madde birikimi veya kaçağı söz konusu olamaz. Maddenin korunum yasasını veren ve "sürerlik" (continuity) denklemi olarak bilinen denklem: Varsayımlar m = m ρ q = ρq m = m ρ A ϑ = ρ Aϑ m = Enerjinin korunumu: 96

97 Bir sisteme verilen ısı ile o sistemden alınan iş arasındaki ilişki J.P.Joule tarafından. Termodinamik yasası olarak ortaya konmuştur. Kapalı bir sistemin iç enerjisindeki değişim, sisteme verilen ısı enerjisi ile sistemden alınan mekanik enerjinin elde edilmesi şeklinde tanımlanır. Kapalı bir sistemde E k = E p = 0 olacağından. Termodinamik yasası U = Q - ( W) du -dq-dw şeklinde ifade edilir. Giriş ve çıkışı olan bir boru hattı parçası açık bir sistemdir, akışkan sisteme u hızı ile girer, u hızı ile sistemden çıkar. Akışkanın hareketindeki değişim kinetik enerji değişimine bunun yanı sıra yer çekimi ivmesinin pozitif veya negatif etkisi de potansiyel enerji değişimine yol açar. Şekil 4. de, sistem enerji değişimleri incelenmektedir. Şekil 5. Kararlı akış prosesi Kapalı akış kütlenin sabit kaldığı akıştır. Burada varsayım: ( m = m = ρ V A = ρ V ) A 97

98 Sistem: Bütünden ayrılan, gerçek yada düşsel olarak sınırları çizilmiş, kontrol altında tutulan her şey olabilir. Şekilde giriş ve çıkışı belirlenmiş bir boru hattı sistemi yer almaktadır. Sistemin enerji denklemi: U: İç enerjideki değişimi U = U U E k : Kinetik enerji değişimi E p : Potansiyel enerji değişimi E k ϑ = g E p = g/gc Z c Q: a) Sisteme verilen ısı işareti pozitif (+Q) b) Sistemden alınan ısı işareti negatif ( Q) W: a) Sistemden alınan iş (+W) (Türbin) b) Sistem üzerine yapılan iş ( W) (Pompa ve kompresör) olması gerektiğini ortaya koyar. ( PV) = E = E = W = 0 U = Q ve ya du dq Olur. k p s = du = dq = n C v dt (Sabit hacim) n: Mol sayısı, C v : Molar ısı kapasitesi Akış olaylarında akışkanla çevre arasında PV işi meydana gelir. Bir akışkanın bir noktadan başka bir noktaya akabilmesi için V hacmindeki akışkanın A kesit alanlı yolda P basıncı ile ötelenmesi gerekir. Bu da, basınç hacim işinin oluşmasına yol açar. Eğer (PV) kadar enerji farkı varsa, akışkan yoluna devam edecektir. (PV) = 0 olması halinde hareket yok demektir. Bu açıklamadan da anlaşılacağı gibi, akış halinde olan her akışkanın H kadar bir enthalpi farkına, duruma göre, kinetik, potansiyel enerjilere sahip olması gerekmektedir. Sistemin enthalpi değişimi sabit basınç altında yapılan işi ve bu işin oluşmasını sağlayan ısı enerjisini ifade eder. Örneğin sistem içinde gaz bulunduran bir silindir ile P basıncına sahip 98

99 piston tertibatı olsun. Sabit basınç altında, silindir içindeki gazın sıcaklığı T den T ye çıkarılacak şekilde ısıtılırsa, gaz genleşir, pistonu yukarı iter ve piston V hacmi kadar bir yer sağlamak için yer değiştirir, yapılan iş (P V) kadar olur. Sistem (gaz) e verilen ısı Q = C vdt Çevre üzerine yapılan iş dw = PdV I. Termodinamik yasası du = Q dw = C v dt PdV Enthalpi değişimi dh = du + d(pv) Sabit basınç enthalpi değişimi dh = du + d(pv) Sabit basınçta gaz genleşmesi du + PdV = dh = C p dt = dq Şimdi iki noktayı birbirinden ayırmak gerekir:. Akışkanın hareket halindeki proseslerine uygulanan termodinamik formül: H = Q W şeklindedir ve enthalpi değişimini ifade eder. ( Burada E = E = F 0 varsayılıyor.) k p. Akışkanın durgun (statik) haldeki proseslerine (basınçla sıkıştırma, genleşme gibi) uygulanan termodinamik formül: U = Q W şeklindedir ve iç enerjideki değişimi ifade eder. Örneğin, bir tankın içindeki akışkanın atmosferik koşullarda genleşmesi ve sonra büzülmesi iç enerjideki değişim sonucunu doğurur. Enthalpi, "durum" fonksiyonudur ve akışkanın bulunduğu durumu belirleyen noktalara (P, T) göre belirli bir değere sahiptir. Bir akışkan türü için, deneysel yollardan, P,T,V gibi verilerle enthalpi değerleri hesaplanarak tablo ve grafik şeklinde düzenlenebilir. Akış kalorimetresi bu tür deneylerde kullanılan aletlerdendir. 99

100 Şekil 5. Akış kalorimetresi Kalorimetre ile Enthalpi Değişimi ( H) nin Deneysel Yolla Bulunması:. E E 0 varsayılıyor. k p. ve noktaları arası (ısıtıcı) sistem olarak seçilmektedir. Sistemin içinde şaft işi olmadığından W s = 0 3. Sistemin enerji değişimini belirleyen denklem = H H Q şeklinde olacaktır. H = Genellikle kalorimetrede, ısı banyosunun sıcaklığı 0 C de tutulur. Su için 0 C deki enthalpi H = 0 alınır. Bu durumda H = Q dur. Q, sisteme verilen ısıyı, W sistemden alınan işi ifade etmektedir. Isı transferi, sıcaklık farkının varolmasını gerektirir. İş, sıcaklıkla ilgisi olmadan, sistemden sisteme veya çevre ile sistem arasında transfer olabilen bir enerjidir. 00

101 Girişte çevrenin sistem üzerine yaptığı iş: V W = P A = P V Girişte akışkan (sistem) W enerjisine sahip A Çıkışta sistemin çevre üzerine yaptığı iş: V W = PA = PV Çıkışta, akışkan W enerjisine sahip A İş terimi ile ifade edilen sistem (akışkan)ın girişte, çıkışta ve sistem bünyesinde, ortaya çıkan işlerin toplamını ifade eder. Çevre tarafından yapılan işin işareti negatif ( ) sistem tarafından çevre üzerine yapılan işin işareti pozitif (+) tir. Bu tanıma göre, sistemin içinde, girişte ve çıkışta meydana gelen işlerin toplamı: 0

102 U + E k + E p = Q W W nin eşiti yerine yazılırsa: = Q W s P V + P V = Q W c c S (PV) ϑ g U + (PV) + + Z = Q Ws elde edilir. g g U + (PV) + E = Q Enthalpi değişimi: p W s H = U + (PV) olduğundan enerji denklemi H + E + E = Q W şeklini alır. k p s Sistemde türbin yerine pompa veya kompresör kullanılırsa W s nin işareti pozitif (+) olacaktır Mekanik Enerji Denge Denklemi Isı transferinin bir çeşit enerji transferi olduğu ve ısının mekanik işe dönüşebildiği, olayın, enerjinin korunum yasasına uyduğu Carnot (83) ve Joule (840 45) tarafından yapılan deneyler sonunda doğrulanmıştır. Bu çalışmalardan önce, akış olayı, mekanik enerji terimleriyle ifade edilmekteydi. Burada: P V : Çevre (akışkan) tarafından sistem girişine uygulanan basınç hacim işi W s : Sistem tarafından çevre (türbin) üzerine yapılan iş. P V : Sistem tarafından çevre üzerine çıkışta yapılan basınç hacim işi. Uyarı : Sistem kayıpsız (F = 0) olarak tasarlanıyor. Mekanik enerji denklemi: Net enerji = P V W P V = P V (W P V ) E n s s + 0

103 Enerji kaybının yok sayıldığı ideal akış olayında, net enerji (E n ), akışkanın kinetik (DE k ), potansiyel ( E p olmalıdır. ) ve sıkışma ( ) E n = E k + E p P dv İdeal sistem. P dv şeklinde ortaya çıkan enerji değişimlerine eşit Gerçek akış olaylarında her zaman sürtünme ve ısı kaybı şeklinde enerji kayıpları meydana gelir. Bu nedenle, net enerji, kinetik, potansiyel, sıkışma şeklinde ortaya çıkan enerji değişimleri yanında, genel olarak sürtünme şeklinde ortaya çıkan kayıp enerjiyi de karşılaması gerekir. Bu nedenle, denklemin sağ yanına kayıp enerji terimi F konur. Gerçek akış olayının mekanik enerji denklemi: E n E E = P V k k + E + E W p p s P V = E P dv + PV P dv + PV = k + E p ( W + F) P dv + F P V = W s s F = ( W + F) s Burada, F, sisteme geriye dönmeyecek şekilde kaybolan enerjiyi (irreversible) göstermektedir. F = 0 ise enerji türü geriye dönüşlü (reversible) F 0 ise enerji tu ru geriye do nu şsüz (irrevesible) Geriye dönüşlü enerjide, çevre ile sistem arasında ortaya çıkan enerji transferi farkı sıfır olur. Fakat, geriye dönüşsüz enerjide, sürtünme kayıpları gibi kayıplar; yararlı iş haline dönüştürülemeyen ve sisteme geri kazandırılamayan kayıp enerjileri ifade eder. Sisteme giriş çıkışta ortaya çıkan basınç hacim işi (PV) şeklinde ifade edilebilir. Tam bir diferansiyel denklem olan (PV) nin integral şekli: d(pv) P dv + V dpdir. = Son ifade, mekanik net enerji denkleminde yerine konursa. 03

104 P dv + V dp P dv + E k + E p = ( W + F) s V dp + E k + E p = ( W + F) s Kayıp enerjiyi içine alan gerçek akış mekanik enerji denklemidir. Gerçek akış mekanik enerji denklemi ile gerçek akış termodinamik enerji denklemi birbirlerine eşit olmalıdır. Kayıp enerji F'in belirtilmesi: ( W + F) = 0 V dp + E k + E p + s Mekanik enerji denklemi H + E + E + W Q 0 Termodinamik enerji denklemi k p s = V dp + E k + E p + ( W + F) = H + E + E + W Q s k p F = H V dp - Q elde edilir. Görüldüğü gibi, kayıp enerji F, sistemin enthalpi değişimi ile sisteme verilen ısının ve sistemden alınan işin farkına eşittir. H = U + P dv + V dp olduğundan F = U + P dv - Q şeklini alır. Sıvı akışlarında (dv = 0) F = U Q = T ds - Q Adiyabatik sıvı akışlarda F = U = T ds İzotermal adiyabatik sıvı akışlarda F = 0 (reversibl) 04

105 İzotermal gaz akışlarda = P dv Q F Adiyabatik gaz akışlarda F = U + P dv = T ds İzotermal adiyabatik gaz akışları F P dv Geriye dönüşlü (reversible) akışlarda F = 0 Ş (Kayıpsız sistem) F = H V dp Q 0 = H V dp - Q den = P dv + Q Kayıpsız sistemin mekanik enerji denklemi H = Sistemde pompa, kompresör, türbin gibi sisteme enerji veren veya sistemden enerji alan bir ekipman yoksa W s = 0 olacaktır. H = P dv + E + E = 0 olacak, ideal kayıpsız bir sistemin enerji denklemi kinetik k ve potansiyel enerji değişimleriyle ifade edilecektir. p Şekil 5.3 Pompa destekli sıvı taşıyan boru hattı bölümü. 05

106 Basit bir sıvı akış sisteminde, pompa ve boru hattı yer almaktadır. Yukarıda verilen sistem kayıpsız ise F = 0 olacak ve DE k E 0 alınarak, teorik minimum pompa işi P W = ν dp olacaktır. s P Minimum pompa işini elde etmek için, νdp yi hesaplamadan önce P nin değeri belirlenmelidir. Pompa çıkış basıncı P, ve 3 noktalar arasındaki akış denklemi kullanılarak bulunabilir. ve 3 arasında ısı değiştirici ve iş makinesi olmadığından Q = W 3 = 0 lacaktır. Sistemin ve bu noktalar arasında sürtünme kayıp enerjisi (F) nin varolacağı (irreversible) hesaba katılarak, genel enerji denklemi yazılır: H = P dv + ν dp dir ve sıvılarda dv = 0 olacağından H yerine sadece V dpyazılır. ν dp + E + E = F Geriye dönüşsüz (irreversible) sıvı akış enerji denklemi, k W s = Q = 0 Bu denklemin açılımı: (Şekil 4.3) p P3 ϑ3 ϑ g ν dp + + ( Z3 Z ) = F şeklindedir. g g P c c Burada: V : Özgül hacim (=/r), m 3 /kg P : Basınç (P : Pompa çıkış basıncı, P 3 : Sistem çıkış basıncı; N/m Z 3, Z : Referans alınan tabana göre yükseklikler, m g c : (kg m/kgf s ) yer çekimi ivme faktörü, SIU de değeri 'dir. 06

107 F : ve Æ noktalar arasında ortalama birim kütle sürtünme kayıp enerjisi, J/kg. Terimler birim kütleye düşen enerji birimine sahiptirler. (J/kg) ϑ : Hız, m/s Problemin çözümü içni, u u 3 hızların ortalaması ve Z, Z yükseltileri ile P 3 çıkış basıncının, ayrıca akışkan yoğunluğunun bilinmesi gerekir. F, boru boyutarı, akışkan nicel özellikleri ile ayrı bir yoldan hesaplanabilir. Sürtünme enerji kayıbı aşağıdaki formülden bulunur: Burada: ϑ ϑ df = f dl F = df = f dl g D g D c veya L ϑ F = f dir. D g F : Sürtünme nedeniyle ortaya çıkan kayıp enerji (J/kg) f : Moody grafiğinden elde edilecek sürtünme faktörü Fanning grafiği kullanılırsa f = 4f f olduğu bilinmelidir. (f f : Fanning sürtünme faktörü) L : Boru hattının belli bir bölümünün uzunluğu, m D : Boru çapı, m g c : (kg m/kgf s ) F P ye çevirmek için akışkanın yoğunluğu ile çarpmak yeterlidir. c c P f = f L ϑ D g c N m ( ρ) P = ( ρ)( F) f ρ: Yoğunluk, kg/m 3 Sürtünme faktörü f in Moody, veya Fanning grafiğinden bulunabilmesi için Reynold sayısının bilinmesi gerekir. Reynold sayısı, boru ve akışkan nicel değerlerine bağlıdır. Reynold Sayısı: R e Dϑoρ = µ 07

108 Re: Raynold sayısı ( ) D: Boru çapı, m ϑ o: Akışkan ortalama hızı, m/s m: Akışkan viskozitesi, (kg/m s) Sistemin basınç denklemi: ( 0 Pompa, Q = 0, F 0) W s Pompa basıncı sürtünme kayıpları ile menfi statik basıncı karşılanmasında kullanılıyor. Akış olabilmesi için P nin pozitif olması gerekir. Örnek: Tank A'daki su tank B'ye pompalanmaktadır. Sistemin verilerine göre enthalpi değişimini ve ikinci tanktaki sıcaklığı bulunuz. Tank A'daki suyun sıcaklığı 93 C dir. Bir ısı değiştiriciden geçerek soğutulmaktadır, soğutulan su tank B'ye alınmaktadır. 08

109 Şekil 5.4 Bir pompaj istasyonu Veriler : Akışkan = su, ρ= 95,88 kg/m 3 Pompa Gücü (PG) = H p T = 93 C Q h =,357 m 3 /sa (Debi: Birim zamanda akış miktarı, burada saatteki akış) Z = 5,4 m (Pompa çıkışı ile akış çıkış noktası arasındaki yükseklik farkı, kod farkı) Q ısı =,53 x 0 9 J/sa (Sistemden alınan ısı) H =? T =? Çözüm: Birim kütleye ısı transferi: m = (Q h ) x ( ρ) = (,357)(95,88) m = 08 kg/sa (Kütlesel akış debisi) Birim kütle ısısı: 09

110 9 Qısı 3 m,53x0 / sa = = 33,96x0 08kg / sa J / kg Pompa gücü PG = Hp = (685 x 0 3 j/sa) = 5370 x 0 3 j/sa Pompa gücünün birim kütleye düşen enerji ifadesi : W s 5370x0 = 3 j/ sa 08kg / sa = 496,j/ kg W s 'nin işareti negatifdir.) g g 9,8 Potansiyel enerji Z = ( 5,4m) = 49,5j/ kg c Sistemin genel enerji denklemi yazılır ve H çekilir. ϑ H + g c + g g c Z = Q g g ( W) H = Q ( W) ( Z) c Bulgular işaretleri ile birlikte yerlerine yazılır. W = W s = 496, H= ( 33,96x0 3 ) ( 496,) 49,5 ( 33,96x0 j / kg) H = 3 Suyun 93 C deki enthalpisi, buhar tablosundan 390,790x0 3 j/kg (93356,46 cal/kg) = 93,356 cal/g = 67,799 Btu/lbm) olarak bulunur. H = H H dir. H, T deki (93 C) enthalpidir. 0

111 T 'deki H enthalpisi: H = 33,6x0 3 j/kg dır. H= H H = H 390,790 x 0 3 = 33,6 x 0 3 olacağından 3 H = 57,90x0 j/ kg = 37,55 cal/g Suyun enthalpi tablosundan bu değere karşılık gelen sıcaklık T = 38,5 C olarak bulunur. Birimler: N = kg-m/s kcal = 000 cal = 3,968 Btu kcal/kgc = Btu/lb F = cal/g C = 4,8680 j/g K Btu/lbmol F = 4,868 j/mol K cal = 4,86j J = N-m = 0,388 cal Btu = 055 j = 5 Cal = 778 ft lbf Hp(BG) = 0,746 kw = 685 kj/sa = 545 Btu/sa kw =,34 Hp = 3600 kj/sa = 34 Btu/sa m 3 = 35,8 ft 64 gal varil (Bbl) = 4 gal = 0,59 m 3 gal (US) = 3,7857 x 0 3 m 3 = 0,35 ft 3 ft 3 = 7,54 gal = 0,086 m 3 Not: s: saniye, sa : saat Örnek: Bir santrifüj pompa ile 6,3x0 3 m 3 /s debiyle su basmaktadır. Pompa emiş basıncı,378x0 5 N/m, çıkış basıncı 3,789x0 5 N/m dir. Pompa operasyonu adiyabatik (Q = 0) dir. Suyun pompaya giriş sıcaklığı 5,55 C, çıkış sıcaklığı 5,75 C dir. Verilere göre, sürtünme enerjisini karşılaması gereken pompa enerjisi ne olur? Çözüm: Basamak-:

112 Akış enerji denklemi yazılır. H + E k + E p = Q ( W) Pompa giriş çıkışı adiyabatik koşullara sahip Q = 0 Pompa giriş çıkışında yükseklik farkı yok E p = 0 Basamak-: Sistemin termodinamik enerji denklemi yukarda ki şartlara göre yazılır. H + E k = (W) W = W s (Pompa işi) alınarak ( W) ( W s ) = +W s yazılır. Basamak-3: Sistemin mekanik enerji denklemi tekrar düzenlenir. ν dp + E = F + k W s Enthalpi değişimini belirlemek için, suyun pompaya giriş ve çıkış durumlarını bilmek gerekir. ki durum dikkate alınır: ) Su sabit basınçta 5,55 C den 5,75 C ye kadar ısıtılmakta ) Sabit sıcaklıkta; basınç,378x0 5 N/m den 3,789x0 5 N/m ye çıkarılmakta. İlk durumdaki enthalpi değişimi: kcal o Suyun Cp = H = C ( T T ) = ( )( 0, C ) kg C 0 p 3 = 0, kcal kg H = 837,J/kg İkinci durumdaki enthalpi değişimi: ( ) H İzotermal akışta = U + PV U =0, sıvılarda dv = 0 V: Özgül hacim, kg/m 3 H 3 5 ( PV) = V P = V( P P ) = ( x0 )( 3,789,378) x = 0

113 H =,4 x 0 J/kg Pompa giriş çıkışına ilişkin sistemin enerji denklemini yeniden yazalım: H + E = W E 0 (Kinetik enerjide değişme olmamaktadır.) k k = H = H + H Pompadan istenen net enerji: j j H = + Ws H + H = + Ws = 837, +,4x0 = 078, kg kg j kg Termodinamik denkleminden bulunan W s nin değeri, mekanik enerji denklemine konarak sürtünme kayıp enerji bulunur. F = + W s V(P P ) F = 078, (x0 3 ) (3,789,378) x 0 5 j F = 837, kg Sürtünme basıncı P f kg = ρf = m j x837, kg Jul birimi : (N-m) ile ifade edildiğinden, (j) birimi yerine (N-m) konursa aşağıdaki basınç birimi (Paskal ) elde edilir. P = 8,37x0 f 5 N m Weymouth Gaz Akış Formülü: Weymouth yatay akış denklemi şu varsayımlar için geçerlidir. 3

114 . Kinetik enerji değişimi ihmal edilmektedir.. Akış izotermal ve kararlı (steady state) kabul edilir, 3. Akışın yatay (dümdüz boruda) olduğu varsayılır. 4. Çevreyle ısı alış verişi yoktur. 5. Gaz tarafından çevre üzerine iş yapılmamaktadır. Varsayımları dikkate alarak, genel enerji denkleminden elde edilen ve sürtünme enerjisinin basınç hacim işiyle ifadesi olan sonuç formülü yazalım: P ν dp = f P 0 ϑ dl gd Özgül hacim ve hız genel gaz denklemine göre ifade edilir. Özgül hacim Göreli yoğunluk ZRT ν = = ρ PM M G = = 9 G 9 Hız Qs ϑ = A QsPs TZ Q = PT s QPTs ϑ = AP TZ s πd Silindirik borunun kesit alanı A = 4 Bir saatte alınan hızın ifadesi bir saatteki debiyle eşleniktir. ϑ Q h T P 4 = 3600 Ts P s D π ( Z) ϑ = std ft/h ( std m/sa) ν ve ϑ yukarıdaki formülde yerlerine konur. 4

115 P ZRT dp = f P ggp gd Q h 3600 T Ts P Ps 4 π D ( Z) L dl 0 Birimlerin seçilmesi İngiliz Birim Sistemi Metrik SI Birim Sistemi R = 0,73 (psi)(ft 3 )/ lbmol)(r) =0,0834 (bar)(m 3 )/(kmol)(k) P = lb/ft lb/in = [Psi] lb/ft = 44 lb/in =bar L = ft mil(miles) mil = 580 ft =m D = ft inch ft = in =m g = 3,7 ft/s =9,8m/s Yukarıda verilen birimler kullanılarak formül yeniden yazılır. P 0,73ZT (44) dp = gg P P P P P ZRT 0,73ZT P dp = (44) dp = 53,89 dp P ggp gg P P P P P =,55434 T fg 5 D ( T)( Z) ( Q ) 4Q htps Z 3600Ts πp ( 580) P fg Q L htps Z 53,89 dp =,55434 dl 5 P P ZT Ts P D 0 Seçilen İngiliz birimlerine göre formülün bu basamaktaki son durumu : s s f x3,7 h L 0 dl D / 5 L dl 0 Basıncın integrali alınırsa: P P ( P ) = - ( P P ) = ( P P ) P P dp = olur. P Denklem basınç kaybını verecek şekilde yazılır. 5

116 ( ) (,55434) P P = Ps fg 5 53,89 T s D ( T)( Z) ( Q ) ( L) Ps fg ( P P ) = ( 0, ) ( T)( Z) ( Q ) ( L) 5 T s D Debiyi verecek şekilde düzenlenirse Q h = 0, T P s s ( P P ) fgl Z D 5 h h Sonuç : Weymouth formülü elde edilir. Bu formül pratikte gaz boru hatları basınç düşümü hesaplarında kullanılır. Q h = Ts ( P ) ( ) P 3,3 P s fgl Z D 5 0,5 Formülde Q h, birim saatteki gaz akış miktarını ifade etmektedir. Yukarıda elde edilen Weymouth formülü yatay hatlardaki gaz akışı basınç düşümü hesabına uygundur. Yatay olmayan hatlar için formüldeki P basınç terimi e s terimi ile çarpılmalıdır. s = GDH/TZ e =.78 e s = e GDH/TZ H = Hat üzerinde seçilen noktalar arasındaki yükselti (Elevasyon) farkı ( Aynı terim entalpi için de kullanıldığından karıştırılmamalıdır.) Yatay olmayan hatlar için Weymouth denklemi: 6

117 Q h = s Ts ( P ) ( ) e P 3,3 P s fgl Z D 5 0,5 şeklini alır. Bu formülden bulanacak basınç düşümü, DP s ile DP f i içermektedir. Weymouth, sürtünme faktörünü çapın fonksiyonu olarak şu şekilde ifade etmetedir. 0,03 f = / 3 D f nin eşiti denklemde yerine konursa: 0,5 K = 3,3x = 8,056 olur. 0,03 Bulunan katsayı yerine konarak, Weymouth denkleminin yatay hatlarda kullanılan f nin yeralmadığı formül elde edilir. Q h 0,5 ( P P ) 8 / 3 Ts = 8,056 D... (SCF/h) Ps GL Z Qd SCF/gu n biriminde debiyi elde etmek için katsayı 4 ile çarpılır. Q d 0,5 ( P P ) 8 / 3 Ts = 433,344 D... (SCF/gün) Ps GL Z Weymouth'un yatay olmayan hatlarda, boru hattının etkin uzunluğu L e kullanılır. L e, basınç ölçüm istasyonları arasındaki hattın profiline bağlıdır ve şu formülle bulunur. L e s e = s L s e + L s + s 3 e s 3 L s n e s n L n s, s, s3...sn, H, H, H 3... H n elevasyon farklarına bağlı olarak bulunur. s = 0,0375 G H / (TZ0) 7

118 s = 0,0375 G H / (TZ0) s = 0,0375 G H3 / (TZ0) sn = 0,0375 G Hn / (TZ0) n s = s + s + s s n 3 n Hattın giriş (P) ve çıkış (P basınç noktaları arası n parçaya bölünerek yukarda gösterildiği gibi s, s,s3 hesaplanır ve buradan eşdeğer uzunluk hesaplanır. L e s n e = s n L n s ve Le nin bulunan değerleri Weymouth formülünde yerlerine konur. Q h = 0,5 s Ts ( P ) ( ) e P 3,3 Ps f GTZ o L e D 5 0, Pandhandle Akış Formülü Sürtünme faktörü f in formüle ediliş şekillerine göre A ve B olarak iki formül geliştirilmiştir. B formülü uzun hatlar için daha uygun görülmektedir. Her iki formülde yatay hatlarda sürtünme basınç kaybı hesaplarında kullanılır. a) Pandhandle denklemi,a (yatay akış) T Q = 435,87 P b b,0788 0,5394 0,4604 ( P P ), 68 TL Z G D Sürtünme faktörü QG f 5 D 0,46 b) Panhandle denklemi, B (Yatay akış) 8

119 T Q = 737 P s s,0 0,5 0,4604 ( P P ), 53 TLZ o G 0,96 Sürtünme faktörü f 0,5 G QG 6,7 D D 0,096 Pandhandle Ve Weymouth Formüllerinin Karşılaştırılmaları Pandhandle B nin, uzun ve büyük çaplı hatlarda doğruya en yakın sonucu verdiği bilinmektedir. Weymouth formülü, kısa toplama hatlarında basınç kayıplarının hesaplanmasında kullanılır. Weymouth formülünün bir üstünlüğü ölçüm noktaları arasındaki yükseklik (elevation) farkından doğan akışkana özgül basınç yükselişini (head pressure) dikkate almış olmasıdır. Panhandle denklemi, uzun yatay akışlar için uygundur, fakat yükseklik farklarından doğan basınç kayıp ya da kazanımlarını (head pressure) hesaba katmamaktadır. Bu nedenle uzun bir boru hattı profili çıkarılarak profilden yükselti değişim noktaları işaretlenir, böylece hat parça parça bölünerek Weymouth denklemine uygun uzunluklar elde edilir. Bunu yaparken ölçüm noktalarındaki yükselti farkları da s (DH = Elevasyon farkı) formülünde yerine konur. Her hat parçası için bulunan basınç kayıpları toplanır. H = 0 ise s = 0 e s = olacaktır. Panhandle A ve B formüllerinde sürtünme faktörü ile ilgili iki yaklaşım vardır. Her ikisinde de sürtünme faktörü (GQ/D) nin belirli bir katsayı ve üste bağlı olarak bulunacak değerle hesaplanmaktadır. Fark, katsayı ve üstlerden kaynaklanır. Formül B "değiştirilmiş" Panhandle denklemi olarak bilinir ve uzun hatlarda kullanılır. Formül A f QG 5 D 0,46 0,5 0,09 QG Formül B 6,7 kabulleri yapılmıştır. f D Weymouth, Panhandle (A/B) formülleri birimleri, şöyledir : 9

120 İngiliz Metrik Q d : Standart koşullarda gaz akış miktarı scf/gün m 3 /gün Q h : Standart koşullarda gaz akış miktarı scf/h m 3 /sa P s : Standart mutlak basınç Psia bar P : Mutlak akış basıncı Psia bar T : Akış sıcaklığı R K L : Hat uzunluğu Mil m Z a : Gaz sıkışma katsayısı (ortalama) G : Göreli gaz yoğunluğu K : Sabit çarpanların çarpım sonucu E : Hat verimlilik oranı scf : Standart cubic foot: Standart ft 3 d=d : Boru çapı inch cm Z, Z o : Ortalama sıkıştırılabilirlik faktörü H : Yükselti (Elevasyon) farkı ft m Not: Yukarda elde edilen formüllerin metrik birimlerle kullanılması halinde katsayılar dikkate alınmaz ve eğer boru çapı m yerine cm veya mm ile ifade edilirse, bu çevrime dikkat etmek gerekir. Boru Hattı Verimlilik Değerleri Hat tipi Gazın sıvı içeriği (gal/mmscf) Gazın sıvı içeriği m 3 /MM std. m 3 Kuru gaz sahası 0, 0,033 0,9 Muhafaza boru (casing) gazı 7, 0,954 0,77 Gaz ve kondensat ,99 0,60 E Metrik Birim Sisteminde Akış Formülleri Hız değişiminin ihmal edildiği, kararlı bir gaz akışında, çevre veya sistem üzerine bir iş oluşumu yoksa ve izotermal koşulda akışın devam ettiği varsayılıyorsa, bu tür akışlarda, basınç kaybı elevasyon değişimleri ve sürtünme nedeniyle ortaya çıkar. Gaz akışında, 0

121 elevasyon değişiminin yol açacağı statik basınç kaybı da ihmal edilecek kadar azdır. Bu ifadeler konu başında yer almaktadır. Burada bu açıklamalara ilişkin genel ifadeyi yazalım: P L νdp = H + f P 0 ϑ0 dl H 0 gd ve ν = ZRT PM = ρ dir. Özgül hacim ve yoğunluk arasındaki ilgiyi anımsayın: ν = ρ Birim alandan geçen kütle akışı m k W = πd / 4 kg/s m Birim alandan geçen kütlenin hacim birimiyle ifadesi ve akış hızı: ϑ o 4W 4WZRT = = πd ρ πd PM m s ϑ o v ve Ortalama hızın karesi ile özgül hacim çarpılırsa 4W = πd 4W = ρ πd ϑ o yerlerine konursa ZRT PM

122 P P P ν dp = dp = ν P P P PM ZRT L dp = f 0 6w π D 5 gd dl P 6w P dp = f P π D 4 gd ZRT L dl M 0 P 8w ZRT L P dp = f dl 5 P gm D π 0 8w ZRT L 8w ZRT ( P P ) = f dl = f L gmπ D 5 0 gmπ D 5 W = kg/s (Kütlesel debi) R = 847 kg m/kg mol.k (Genel gaz katsayısı) P,P= kg/m (Basınç) T = K (sıcaklık) L = m (uzunluk) M = kg/kmol (mol ağırlığı) g = 9,8 m/s (Yerçekimi ivmesi) D = m ( Boru çapı) Örnek: Aşağıdaki verilere göre boru hattı çıkışı basıncı P ne olur?: W =,5 kg/s (Kütlesel debi) R = 847 kg m/kg mol.k (Genel gaz katsayısı) T = 80 K (sıcaklık) g = 9,8 m/s (Yerçekimi ivmesi) P = kg/m = 4,5 kg/cm (Basınç) P =? kg/m (Basınç) L = 3000 m (uzunluk) M = 7 kg/kmol (mol ağırlığı) D = 0, 5 m ( Boru çapı)

123 Z f = 0,98 Sıkıştırılabilirlik faktörü = 0,05 Sürtünme katsayısı ( ) ( 6)(,5 ) ( 0,98)( 847)( 80)( 3000) P P = ( P P ) = ( 9,8)( 7)( 3,46 ) ( 0,5) = , = P P = 4364 kg/m =,436 kg/cm P P = 4,5 kg/cm =,064 kg/cm,436 kg/cm 5.6 Düşük basınç hatlarında kullanılacak formül: Q = 3550K h GL Burada Q = scf/h (standart ft 3 /h biriminde gaz debisi) h = Basınç düşümü, inch su G = Göreli gaz yoğunluğu (Hava = ) L = Hat uzunluğu, ft d = Boru iç çapı K nın değeri boru iç çapına bağlıdır. 5 d K = 3,6 / d 0,03d + + 0,5 Orta basınç hatlarında kullanılacak formül: 3

124 4,8, 8 ( P P ) D / Q = 48600x0 G νl Burada: Q = Nm 3 /h(normal m 3 /h biriminde gaz debisi) P P = kpa (Basınç) D = mm (Hat çapı) L = km (Hat uzunluğu) G v = Viskoziteye göre düzeltilmiş gaz göreli yoğunluğu 5.7 L/D: Boru Çapında Eşdeğer Uzunluk Düzgün ve yatay bir boru hattında basınç kaybı pek fazla olmaz. Gerçekte basınç kaybına yol açan yapı ve bağlantılar; vanalar, dirsekler, bükülmeler, eğrilikler ve keskin dönüşlerdir. Ayrıca engel tipi tıpalar ile çap düşürücülerde, orifis ve benzeri ölçü araçlarında basınç kaybı ortaya çıkmaktadır. Sayılan bu bağlantı elemanlarında ortaya çıkan basınç düşümleri, tablo ve grafiklerden elde edilecek L/D boru çapındaki eşdeğer uzunluklar ile K direnç değerlerine göre hesaplanır. Boru hattının keskin giriş çıkışlar ile, aniden çap büyümesi ve küçülmelerinde, akışa karşı gösterilen direnç. K = f L D K, sürtünme direnç katsayısı olarak bihinir. Örneğin: Boru hattı keskin köşeli giriş : K = 0,5 Boru hattı keskin köşeli çıkış: K =,0 Giriş çıkış: K =,5 L/D: Vana ve dirseklerin boru çapı birimindeki eşdeğer uzunlukları tablolardan alınabilir. Örneğin: 45 STD dirseğin L/D = 6 4

125 Kelebek vana L/D = 40 U dönüş yapan bir boru bükümünün L/D si, şekil deki grafiğin kullanılmasıyla elde edilir. Keskin Giriş ve Çıkışlar: Şekil 5.5 Akış yoluna köşeli giriş ve çıkışların direnç katsayıları (K) a) Keskin köşeli b) Akış girişine köşeli giriş c) Hafif yuvarlatılmış d) Konik giriş ve e, f,) Keskin köşeli ve hafif keskin köşeli çıkışlar Örnek: 70 dönüş yapan bir borunun L/D si nedir? (70 dönüşün göreli (relative) yarı çapı 90 dönüşünki ile aynı.) Göreli yarıçap, bükülme yarı çapı r nin boru çapı d ye oranıdır. (Bak. Şekil 4.) Kullanılacak formül: L D = R + b ( n ) R + t R Burada: L D : Dönüşün toplam boru çapında eşdeğer uzunluğu R t : Bir tek 90 lik dönüşün eşdeğer uzunluk toplam direnci R : Bir tek 90 lik dönüşün eşdeğer uzunluk direnci R b : Bir tek 90 lik dönüşün eşdeğer uzunluk eğim direnci 5

126 n : 90 lik dönüşlerin sayısı Göreli yarı çapı r g ile gösterelim ve r g = olsun. Şekil 4. de r g yatay eksende belirlenir; R t R, R b değerlerine karşılık gelen L/D ler elde edilir. Bu yol izlenerek bulunan değerler şöyledir. R t = 34,5 (90 lik dönüş direnci) R = 8,7 R b = 5,8 ve n = 70/90 = 3 dür, bunlar yukarıdaki formülde yerlerine konursa boru çapında eşdeğer uzunluk bulunur. L = 34,5 + (3 )(8,7 + 5,8/) = 97,7 D Tablo 5. Boru Çapına Göre Vana ve Fittinglerin Eşdeğer Uzunlukları (L/D) "Globe" Vana VANALARIN AÇIKLIK ORANI Tip Açıklamalar / ½ ¼ ¾ - Dil: Oval küt uçlu, Sivri kanat tipi 450 Mil: Hareketi akış yoluna dik Hat ile yaptığı q = Hat ile yaptığı q = 45 y Şeklinde "Gate" Vana Sürgülü (Gate) Vanalar Dili kama, disk, çift disk, tapa şeklinde olabilir

127 Çek vanlar (Tek yönlü açılan vanalar) Açısal (angle) Vanalar Kelebek Vanalar (Butterfly) (D 8 in) D 6 in U biçimli geriye dö nüşler Fittingler Dil kanat şeklindedir. Tek yönde çalışır. Hat basıncıyla 90 lik dönüş yaparak açılır. Basınç yoksa yay hareketi ile kapanır. Eğimli yerde, kendi ağırlığı da kapanışa yardım eder. a) Eski kanat tipi dili olanlar b) Açık yollu kanatlılar (Clearway) c) "Globe" kalkış ve duruşlar d) Açısal vana gibi kalkış inişler e) Küresel tipli olanlar a) Oval küt uçlu (plug) dil b) Sivri, kanat tipli dil Kanat dilin hareketi Çek vananınkine benzer hareket mille iletilir. Dil: Kanat tipi a) 90 STD dirsek b) 45 STD dirsek c) 90 "Street" dirsek d) 90 "Street" dirsek e) 45 "Street" dirsek f) Köşeli 90 dirsek Açılma sı için gereken minimum basınç düşümü 0,5 psi 0,5 psi psi psi,5 psi Açıklama: 7

128 /: Tam açık /: Yarım açık /4: Çeyrek açık 3/4: Üç çeyrek açık Şekil 5.6 Boru hatları bağlantı elemanları ve L/D oranları (Fittingler) 8

129 Şekil 5.7 Çeşitli boru bağlantı parçaları() 9

130 Şekil 5.7 Çeşitli boru bağlantı parçaları() 30

131 Şekil 5.8 Vanalar () Şekil 5.9 Geriye kapalı vana (Check Valve) ve boru hattı filtreleri 3

132 Şekil 5.0- Çeşitli vana ve parçaların eşdeğer düz boru uzunlukları abağı 3

133 Şekil 5.- Moody Sürtünme faktörü grafiği 5.8 Gaz Boru Hattı Tasarımı (Örnek) Elde bulunan 4" lik ve - 7/8" lik boruların doğal gaz boru hattında kullanılarak değerlendirilmeleri istenmektedir. Boru hattı verilerine göre, boruların basınç düşümü bakımından uygun olup olmadıkları üzerinde durulmuş, çeşitli alternatifler sunulmuştur. Veriler : Q (maks, min) = SCF/gün, SCF/gün ( SCF = 35,8 m 3 ) P = atm G = 0,70 (Hava =,00) 33

134 Tort 0 C (68 F = 58 R) L 7 km (4,3505 mil) Ld = 7,03 km (4,369 mil), kullanılacak dirseklerle birlikte eşdeğer uzunluk. Zort 0,988 (P = atm, T = 0 C) Ps = atm mutlak Ts = 5,5 C (=60 F) Hattın 3 km lik bölümünde 4" sch 40 boru, 4 km lik bölümünde 7/8" tubing kullanılması düşünülmektedir. Basınç düşümü hesabında, ufak çaplı ve kısa düz, boru hatlarına uygun olan Weymouth formülü kullanılmıştr. Weymouth denklemi; Q d Ts P P = 433,49 P s GTLZ o 0,5 8 / 3 ( D) Hattın tamamının 3" seçilmesi halinde debi ve basınç düşümü : L = 4,369 mil Boru : 3" sch40, iç çapı 3,068" Seçenekler : Q (SCF/gün) P (Psia) Psa P Psig DP(psi) ,7,6 6,5 3,43 34

135 ,7 36,0,47 8, ,7 38,75 4,0 5,95 Hattın tamamının 4" sch 40 borudan inşa edilmesi halinde debi ve basınç düşümü seçenekleri şöyledir : Q (SCF/gün) P (Psia) Psa P Psig DP(psi) ,7 6,95, 7, ,7 3,4 8,5, ,7 7,80 3,07 6, ,7 3,39 6,66 3, ,7 34,3 9,59 0, ,7 36,74,0 7, ,7 38,75 4,0 5, ,7 43,37 8,64,3 Borular : 4 sch 40 boru ID = 4,03" 7/8" sch80 tubing ID =,44" P P = ( G)( T)( L)( Z ) o 433,49 Q ( T / P )( D) Hattın, bölümünde basınç düşümü : s d s 8 / 3 Q = SCF/gün ve SCF/gün L =,8739 mil 35

136 d = 4,03" (Anma dış çapı Ş OD = 4") P =? Weymount denkleminden elde edilen sonuçlar: Q= std. m 3 (Scf/gün) 635,8 (0000) 488, 59 (70000) P =atm (psi),0408 (30),0408 (30) P =atm (psi),97(9) 3,0 (9,44) P=atm (psi) 0, 0680 ( ) 0,038(0,56) Hattın. Bölümünde basınç düşümü : L L = d d = 7 /8 (=,44 ) Weymount denkleminden elde edilen sonuçlar: Q= std. m 3 (Scf/gün) 635,8 (0 000) 5668, 93 (00 000) 488, 59 (70 000) P =atm (psi),0408 (30 ),0408 (30 ),0408 (30 ) P =atm (psi) 0,857 (,6 ) 0, 547 (8,05 ),49 (6,9) P=atm (psi),855 ( 6,36), 493 (0,) 0,89 (,7 ) 4" sch 40 boru hattı çekilmesi halinde minimum gaz miktarlarında ve minimum separatör basıncında basınç düşümleri : Doğalgaz ve Fuel Oil Karşılaştırılması : Minimum fuel oil ihtiyacı 3,6 ton Günlük fuel oil gideri 603,7 USD ton fuel oil eşdeğeri gaz 4698 SCF ton 3,6 gün x67,7 $ ton 36

137 3,6 ton fuel oil eşdeğeri gaz 663 SCF Günlük minimum gaz geliri 66,85 USD Hat maliyeti (işçilik + boru fiatı) USD Maliyetin geriye dönüş süresi : 6,9 gün Hat maliyeti ortalama boru fiyatının 0 USD/m olduğu müteahhitlik giderinin de boru maliyeti kadar olacağı kabul edilerek hesaplanmıştır. Hesapta hat 7 km kabul edilmiştir. 5.9 BASINCA GÖRE HATLARIN SINIFLANDIRILAMSI Taşıma hatları, yüksek basınç karbon çelik borulardan inşa edilir. Hat basıncı, iletim uzaklığına, debiye ve çapa bağlı olarak değişir. Hat başından uygulanan basınç, hat boyunca, belli debideki gazı, belli uzaklığa kadar öteleyebilecek basınçtır. Bu basınç, çıkıştan istenen basınçla, sürtünme kayıpları ve potansiyel kayıp ya da kazanımlarıyla saptanır. Genel uygulamada taşıma hatlarının basıncı 70 bar 00 bar arasında bulunmaktadır: Hatları basınçlarına göre şöyle kümelendirmek olasıdır : Doğal gaz ana hatlarda ve dağıtım hatlarında uygulanan basınçlar: - Yüksek basınç hatları (70 bar 00 bar) Dış hatlar - Orta basınç hatları (5 bar 40 bar) Şehir giriş hatları 3- Orta düşük basınç hatları (4 bar 5 bar) Dağıtım hatları 4- Düşük basınç hatları (0,3 bar 4 bar) Bağlantı hatları 5- Kullanıcı giriş hatları (7 mb 300 mb) Konutsal hatlar 5.0 Boru Hatlarının Temizliği :Pig Atma Ve Pig Alma Pig atımı ile boru hatlarının temizlenmesi, hat bakımnın bir parçasıdır. Birçok nedenle pig atımı uygulanır. Eğer boru hattında su birikintisi oluşuyorsa, korozyondan korumak için suyun süpürülüp atılması gerekir. Özellikle boru hatlarının çukur noktalarında su birikintisi olur, bu noktalar hızlı korozyona maruz kalabilir. Ayrıca katıların boru hattının çukur veya dönüş noktalarında birikebilir. Aralıklı pig atımı ile temizlik yapmak, boru hattı basınıç düşümünü önler. Pig atım işleminde, pig atım kovanı sistemden ilgili vanaların kapatılmasıyla ayrılır. Kovanın içinde sıvı ve benzeri kalıntılar varsa, boşaltım vanaları açılarak hazırlık yapılır. 37

138 Kovanın içinde sıfır basınç olmalıdır. Pig, burun kısmı düzgün bir şekilde girecek şekilde kovanın içine sürülür. Pig içeri konduktan sonra, kapak sızdırmazlık contası dikkatle temizlenir, gerekirse yağlanır ve kovan kapağı kapatılır. Alt boşaltım vanaları da kapatılır. Kovanın vent vanası açıkken, kovan doldurma vanası açılarak içeri öteleme akışkanı alınır. Kovanın dolumu tamamlandıktan sonra, vent vanası kapatılır, kovan basınçlandırılır. Ayrım vanası açılarak basınçlandırmaya devam edilir. Pig, kovandan boru hattına geçmeye başladığında, dolum vanası kapatırlır, ana vana açılır, aynı zamanda ayrım vanası da kapatılır ve bu durumda ana hat vanası tam açılarak sistemdan verilen basınçla pig ötelemesi yapılır. Pig, boru hattının çıkış noktasına, pig alım kovanına gidinceye kadar ötelenir. Bu operasyon ile pig boru hattının içini sıvı, katı ve tortulardan temizlemiş olur. Şekil 5.- Pig atım kovan 38

139 Şekil 5.3- Pig alım kovanı Pig Alma İş Sırası Pig boru hattı boyunca, öteleme basıncı ile yol alırken, boru hattının içini temizler, pig alma kovanına ulaştığında, pig geldi işaretçisi, mekanik olarak çıkış yapar veya ıslık şeklinde sesli sinyal verir. Pig, boru hattının son ucuna ulaştığında, pig alma kovanı, sistemeden izeole edilir, bu ayırma vanasının kapatılması ile sağlanır. Kovanın boşaltma vanaları açılarak sıfır basınç okununcaya kadar kovan boşaltılır. Ayrıca vent vanaları ile de içindeki gaz tamamen dışarı atılır. Bu işlemler tamamlandıktan sonra, kovanın kapağı dikkatlice açılarak pig dışarı alınır. Boru hattı pig alım naoktasına pigin varış zamanı D Boru hattı çapı 8 inç V Boru hattı hacmı 649 m 3 L Boru hattı uzunluğu 0 km Q Debi 850 m 3 /h t Pig varış zamanı 45 dk P Öteleme basıncı barg 39

140 VI. BÖLÜM DOĞALGAZ BORU HATLARI TASARIMI VE BASINÇ DÜŞÜRME İSTASYONLARI 6. Tasarım Basıncı: Tasarım basıncı, borunun karşılaşabileceği iç ve dış basınçlar dikkate alınarak hesaplanan en büyük basınçtır. Bir borunun en yüksek çalışma basıncı olarak da ifade edilen tasarım basıncı, borunun çapına, et kalınlığına ve malzemenin gerilme direncine, fabrikasyon özelliklerine bağlıdır. 6. Sıvı Taşıma Hatları Tasarım Basıncı : Su ve petrol gibi sıkıştırılamayan akışkanları taşıyan boruların tasarım basınçları Barlow formülü ile hesaplanabilir. Bu formülde sıcaklığın etkisi dikkate alınmamıştır. S A, minimum gerilme basıncıdır. Sıcaklık etkisinin dikkate alınmadığı gaz hatları için de geçerlidir. S PD E = P SAt buradan t = te D A = PD AS 6.3 Gaz Taşıma Hatları Tasarım Basıncı : A E ANSI B "Gaz Transmission And Distribution Systems 98" kodunda sıcaklık faktörünü içeren metal boru hatları formülü ile plastik gaz hatları formülü yer almaktadır. Gazın sıcaklıkla genleşeceği dikkate alınarak sıcaklk faktörünü içeren formülün gaz boru hatları dizayn basıncı tespitinde kullanılması tercih edilmelidir. StE P = FxC T ( Gaz boru hatlarının metal boruları tasarım basıncı) D Sp tr P = ( Gaz boru hatlarının plastik boruları tasarım basıncı) D t Uyarı: Et kalınlığı ve tasarım basıncı formüllerinde geçen S ve S A farklı kavramlardır. S: Tanımlı en düşük verim mukavemeti (Specified Minimum field Strength), psi S A : İzin verilebilir mukavemet (Allowable Strength), psi 40

141 Belirli malzeme kompozisyonu ve fabrikasyon yöntemi ile imal edilen borular; Laboratuvar deneylerinde "mukavemet testi"ne tabi tutulurlar. Test sonucunda, borunun bozunmaya uğramadan önceki basınç noktası (yield point) tespit edilir. Bu noktaya kadar verilen basınç malzemede bozunma yapmaz, malzeme "elastik" özelliğini korur, basınç kalkınca boru eski haline dönebilir. Boru çeşitlerine göre, SMYS'ler imalatçı tarafından verilir. (Tablo 5.4) S A izin verilebilir en büyük çalışma mukavemet basıncıdır. 0. r 0.3 alınabilir. 6.4 Gaz ve Sıvı Taşıma Hatları (ANSI/ASME B Baskısı): Yukarıda a ve b maddelerinde, yer alan metal boru hatları dizayn basınç formülleri dışında, ANSI B "Petroleum Refinery Piping" kodunda aşağıdaki iki formülden birinin kullanılması da mümkündür. S AtE P = D ty PD t = S ( E + P ) A y + C Bu formülün seçilmesinde D/t > 4 koşulu aranmalıdır. Y "ferritic" çelik borular için sıcaklık faktörüdür. Yüksek sıcaklıkta çalışacak boru hatlarının basınç dizaynında bu formülün kullanılması tercih edilmelidir. Diğer formül "Lame denklemi" diye bilinir. Boru et kalınlığını bulmaya göre düzenlenmiş olan Lame formülü: t = D SE P SE + P Basınç dizayn formüllerinden hesaplanan et kalınlığı t nin değerine göre, boru malzemesi seçiminde dikkat edilmelidir. Şöyle ki: t D/6 veya (P/S A E) ise, boru malzemesi seçiminde yorulma (fatique), bozunma ve ısıl etkiler göz önünde bulundurulmalıdır. Semboller Ve Anlamları: P: İç tasarım basıncı (Dizayn basıncı, en kötü çalışma koşulları dikkate alınarak seçilir. Bir anlamda, son dayanım basıncıdır. Psi (kp a ) 4

142 S: Tanımlı en düşük verim tazyiki, SMYS, psi (Specified Minimum Yield Strength), psi (kpa), bak. tablo 5.4 d: İç çap, in. D: Nominal boru dış çapı, in. (mm), bak, tablo 5. t: Nominal boru et kalınlığı, in.(mm) F: Yapısal tip dizayn faktörü. Yapı tipleri A,B,C,D diye ayrılır buna göre: Tip A için F = 0.7 Tip B için F = 0.60 Tip C için F = 0.50 Tip D için F = 0.50 E: Yanal bağ faktörü Dikşsiz borular için E =.00 Elektrik füzyon kaynaklı ASTM A34 boru için E = 0.80 sprial kaynak A içi E = 0.80 Dip veya kök (Butt) kaynak ASTM A53 ve API 5L borular için E = 0.60 C : Korozyon payı C T : Sıcaklık faktörü: T( F) C T T( o F) C T 50, , , , ,867 Y: "Ferricit" çelik boruların sıcaklığa bağlılık faktörü. Yüksek sıcaklıkta çalışacak boru hatlarında kullanılır. T(F/ C) Y T( F/C ) Y 900/48 0,4 050/566 0,7 950/50 0,5 00/593 0,7 000/538 0,7 50/6 0,7 t D/6 ise Y = d/(d + d) eşitliği kullanılabilir. 4

143 S A : Tanımlı müsade edilebilir gerilim, psi, (kp a ) S p : "Termosetting" (ısıl işlem) plastik boru mukavemeti, psi (S p değerleri tablo 5.5'den alınabilir) Genel anlamda, her metal borulama sistemi servis koşulları dikkate alınmadan 50 F ile + 50 F arasında en düşük 0 psig lik tasarım basıncına sahip olabilmelidir. Bu değerler temel değerlerdir. Fuel gaz borulama sisteminde, binalarda ve evlerde çalışma basıncı 0 psi geçmemelidir. (0 670 mb) Yukarıdaki formüllerden de anlaşılacağı gibi, iç tasarım (dizayn) basıncı, seçilen et kalınılğa, SMYSye, yanal bağ ve yapı tipi faktörleri ile boru çapına bağlıdır. Ayrıca, yüksek sıcaklıkta çalışacak petrol ya da sıvı taşıma hatları ile, 50 F den 450 F a kadar sıcaklıkta çalışacak gaz hatlarında, sıcaklık faktörünün dizayn basıncını etkilediği gözden uzak tutulmamalıdır. 6.5 Tasarım Sıcaklığı: Normal çalışma ortamında beklenen metal sıcaklığıdır. 0 F, + 50 F arasındaki metal sıcaklıklarında tasarım (design) ve gerilim basınçları (design stress) nı değiştirmeye gerek yoktur. Bununla birlikte bazı malzemeler, sıcaklık bandının düşük bölümüne uygun özellikler taşımayabilir. Düşük atmosferik sıcaklıklar için uygun malzeme seçimi yapılmalıdır. Yukarıdaki formüllerden biri ile hesaplanan et kalınlığı aşağıda sıralanan nedenlerden dolayı artırılabilir. a) Korozyon payı b) Diş açma c) Bükülmeden dolayı oluşabilecek inceleme d) Nominal et kalınlığı için yapım hatası toleransı. 6.6 Et Kalınlığı Sıra Numarası (*) E.K.S Numarası Amerikan boru kodu formülüne dayanır. Özellikle basınçlı sistemlerde kullanılacak borular için bilinmesi gereken bir niceliktir. E.K.Sn.N = (Schedule Number) = (P/S A ) 000 Burada: P = Çalışma iç basıncı (psig) Ş bar = 4,504 psig S A = Çalışma sınır gerilimi (Allowable stress) 43

144 000 = Kesirli sayıyı tam sayı yapmak için konmuştur. Sıcaklık sınırı: 90 < T < 650 C (*) (Sch No: Schedule Number) Örnek: P = 000 psig S = psig E =.00 S.N =? Çözüm: S A = 0.7 x S.E = 0.7 x S A = 500 psi 000 S.N = (P/S A ) x 000 = x 000 = 79 boru sch 80 olmalıdır. 500 S.N (schedule) dizisinde, boru ağırlıkları bazı harflerle ifade edilir. STD: Standart ağırlıklı boru HX: Ekstra ağırlıklı boru XXH: ki kat ekstra ağırlıklı boru 6.7 Uygulanabilir Gerilim (*) Konu 5. deki et kalınlığı formüllerinde geçen ve S A harfi ile gösterilen nicelik, boru ve tubinglerin uygulanabilir gerilimidir. S A : Verilebilir gerilim basıncı, psi E: Kaynak bağ faktörü (Weld Joint Factor) S: Tanımlı, minimum verim direnci (yield strength), psi 0.7: Dizayn faktörü (*)(Allowable Stress) S A Örnek: Aşağıdaki verilere göre kullanılacak borunun et kalınlığı ne olmalıdır? Boru malzemesi: API 5L Gr. B, dikişsiz 44

145 Min. S = E =.00 P i = 300 psig T = 08 F (C T =.00, T < 50 F) D = " Sınıf lokasyon için F = 0.7 PD 300x t = = = 0,073 in (,8 mm) SEFC x35000x0,7x,00 T Sıcaklık faktörünü içeren diğer formülü ile aynı sonucun bulunması: T < 900 F Y = 0.4 SA = 0.7 E S = 500 psi PD 300x t = = = 0,074 in S ( E + PY) ( 500x, ,57x0,4) A 6.8 Boruların Bükülebilme Yarı Çapları: Aşağıdaki tablo soğuk işlem boru büküm yayı yarı çap değerlerini vermektedir. D N = Nominal (adıl) çap (Fabrikasyon çapı) 45

146 Yukarda ki verilerden açıkca görülmektedir ki, en az bükülebilme yarı çap uzunluğu borunun nominal çapının,5 katına eşittir. Boruları bükmeye girişmeden önce et kalınlıkları belirlenmelidir. Bükülen borunun, büküm yerinin kesit alanı korunabilmelidir. Göçüklük, yamukluk gibi bozunmalar olmamalıdır. Boru çapı, herhangi bir noktada, nominal çapın %.5 den daha fazla düşürülemez. Soğuk bükümlerde her iki ucundan itibaren m'lik tanjantlar geçirilebilmelidir. Eğme veya bükme işlemi, bükülecek parçanın iki ucuna kuvvet uygulanarak yapılır. Her iki uçtan uygulanan ters yönlü döndürme momenti, homogen bir borunun, bu uclardan eşit uzaklıkta, merkezde bükme kuvveti uygular. Bükülmeye karşı gösterilen direnç, uygulanan kuvvet, uzunluk ve kesit modülü ile ilgilidir. 6.9 Ulusal ve Uluslararası Standartlar: ASME: "Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII. Div. ANSI: B Terminology for Pressure Relief Devices DIN 98: Verbindugs stücke für Feuerunganlagen, Rohre, Rohrknie und Rohrbogen aus Metall, für Abgase. DIN 69: Nahtlose kreisformige Rohre aus unlegierten Stahlen für besondere Anforderungen, technische liefer bedingungen. ) Türk Standartlar Enstitüsünün Konuyla lgili Standartlardan Bazıları TS 754: Kalorifer kazanları İşletme, Muayene, Bakım ve Tasarım Kuralları TS 7363: Doğalgaz Bina iç tesisat projelendirme ve Uygulanan Kurallar TS 83: Petrol Endüstrisinde Kullanılan Terimler Ve Tanımlar Sıra No 3: Hat Borusu (Petrol) ve Tabii Gaz Taşımasında Kullanılan) 6.0 Boru Hattı Çapının Belirlenmesi: Genel Durumlar:. İstenen debi, Q, istenen çıkış basıncı P ile çıkıştan alınabilmelidir.. Hattın herhangibir noktasındaki basınç düşümü dizayn basıncına ulaşmamalıdır. 3. Optimum boru çapı, basınç düşümü ve boru maliyetine bağlıdır. Korozif olmayan sıvılarda, optimum hız 3 m/sn arasındadır. Korozyon yapıcı sıvılarda glikol, asit amin gibi, izin verilebilecek hız, 0,7,0 m/sn olmalı ki, erozyon ve korozyon minimum düzeyde tutulabilsin, özellikle karbon çelik borularda korozyon olayına dikkat edilmelidir. 4. Herhangibir hat içinde, akış basıncına karşıt olan ve yenmeye çalışan, giderek akışın durmasına yol açan basınç sürtünme basıncıdır. Hat başından verilen enerji sürtünme basıncını yenmeye çalışır. Bunun yanında akış yer çekimine karşı, yüksek bir yere taşınıyorsa, ayrıca o iş için de enerji gereklidir. Dolayısı ile, hat başından verilen enerji, yatay olmayan bir hat için, eğer giriş çıkıştan düşük yerde ise, bir yandan sürtünme basıncını 46

147 yenmeye bir yandan da, akışkanı istenen debide, istenen noktaya götürmek için kullanılacaktır. 6. Sürtünme Basınç Kaybı Yatay bir hat için, basınç kaybı sürtünmeden dolayı ortaya çıkacaktır. Çapın büyükülğünü sürtünme kaybına bağlı olarak bulmak için, sürtünme basınç düşümü bilinmelidir. P f = f f L D ϑ g c 3f f LQ ρ = 5 π D g c ϑ Q = A Boru Çapı : D 5 3f f LQ = P π g f c 8fLQ ρ = P π g f c ρ Burada f f = Fanning sürtünme faktörü f = Moody sürtünme faktörü Bu formülün gaz hatlarındaki basınç düşümü ve çap belirlenmesinde kullanılması için, r ve Q nun veya J nin akış basınç ve sıcaklığındaki değerlerini bulmak gerekir. Basınç ve sıcaklığın sıvı yoğunluğu üzerinde dikkate değer bir değişme yapmaz. Gaz yoğunluğu ise, basınç ve sıcaklıkla önemli ölçüde değişir. Gazların Genel özellikleri adlı bölümde herhangi basınç ve sıcaklıktaki gaz yoğunluğunun nasıl bulunacağı anlatıldığından burada tekrarlanmyacaktır. 6. Ekonomik Çap : D Boru hattı çapının etkin olduğu veriler: 47

148 Burada: Metrik İngiliz :Artış : Düşüş ρ: Yoğunluk kg/m 3 lb/ft 3 D : Çap m ft Q : Debi m 3 /s ft 3 /s ϑ : Hız (P, T de) m/s ft/s L : Hat uzunluğu m ft g c : Yer çekimi ivmesi faktörü m/s ft/s BF: Birim uzunluğunda D çapındaki TL/m TL/ft borunun döşeme maliyeti ile birlikte birim fiatı f: Sürtünme faktörü P f : Sürtünme basıncı kg/m lbf/ft Bir boru hattının ekonomik çapı, amortismanlı yatırım maliyeti ile optimum işletme maliyetinin toplamına bağlı olarak, saptanır. Toplam maliyet birim zamana veya birim üretime düşen miktar şeklinde TL/m 3, TL/varil, TL/yıl veya TL/gün gibi ifadelerle belirtilebilir. Bu toplam maliyetle minimum (ekonomik) çap arasında yapılan korelasyonlar sonucunda aşağıdaki ampirik formül elde edilmiştir. 48

149 Ekonomik Çap Birimler: 0,45 m De = A (*) 0,3 ρ Metrik Katsayı A 8,85, Ekonomik çap D e cm in İngiliz Kütlesel akış m kg/sa lb/sa Yoğunluk (*) (Bak: kaynaklar 6) 6.3Boru Hattı Uzunluğu ρ kg/m 3 lbft 3 Hattın uzunluğu işin hacmini ve maliyetini belirler. Kesin uzunluk, hat güzergahının gerçek ölçümü ile bulunur. Topografik haritalardan yararlanmak suretiyle, harita üzerinden hat uzunluğunu hesaplamak mümkündür. Fakat, dere, tepe geçitleri içeren bir hattın uzunluğu ölçme ile sağlıklı bir şekilde elde edilir. 6.4 Sivri Kuvvetlerin Etkin Olduğu Noktalar:. Değişik Basınçlı iki hattın Birleşmesi: Her ne şekilde olursa olsun, ister vana yoluyla, ister kaynak bağlantı halinde yüksek ve düşük basınçlı iki hat bir noktada birbirlerine bağlanacaksa bağlantılarda kullanılacak malzemeler yüksek basınç hattının malzemesine uygun olmalıdır. Şöyle ki, farklı basınçta çalışan iki kat bağlandıklarında, hatları ayıran vana en kötü çalışma ortamında kalacaktır. Bir hat bir ekipmanın daha yüksek basınç koşullarında çalışan bir parçasına bağlanırsa ekipmandan hattı ayıran vana en az ekipmanın çalışma basıncına dayanır nitelikte olmalıdır. Aralarındaki borulama da operasyon koşullarına en azından dayanabilmelidir.. Dönüşlere uygulanan statik ve Dinamik Basınç Kuvvetleri: Uzun bir boru hattı, pek nadir dümdüz ve dosdoğru gider. Bazı yerlerde ya istenen yönden ya da arazinin yapısından dolayı dönüşler yapar. Bu dönüşler borunun bükülebilme elastik sınırı içinde ise orada boru bükülerek geçilir, eğer bu sınırı aşacak dönüş gerekiyorsa o durumda dirsekler kullanılır. Bükülebilirlik boru çapına ve malzemesine bağlıdır. Bakır boru veya tubing çelik boruya göre daha kolay bükülür. ç Basınçtan Dolayı Ortaya Çıkan Basınç Kuvveti Kapalı vana ve kör flanjlar üzerine: 49

150 Basınç kuvveti = P x A Dönüşler ve dirsekler üzerine θ Basınç kuvveti = Sin ( PA) Hız basıncının uyguladığı kuvvet θ ρqϑ Dinamik kuvvet = Sin g c Toplam basınç kuvveti = Statik + Dinamik: F t θ ρqϑ = Sin + PA g c Q = ϑa yazılabilir. θ ρϑ A F t = Sin + PA olur. g c Terimlerin Açıklanması: P : Statik durumdaki akışkanın boru hattı iç duvarına uyguladığı basınç, Örnekler: N/m, (lbf/ft ) A : Boru kesit alanı, m, (ft ) θ : Dirsek veya bükülenborunun dönüş açısı. Açı, bükülmeden önceki boru ekseni ile büküldükten sonraki boru veya dirsek ekseni arasındadır. g c : Nicelik olarak yerçekimi ivmesine eşit çevirme faktörü (SIU de gc = ) Q ϑ : Akış miktarı m 3 /sn,(ft 3 /s) : Ortalama hız, m/sn, (ft/s) ρ : Yoğunluk, kg/m 3, (lb/ft 3 ) F : Kuvvet N, (lbf) Örnek : Kör flanj üzerine uygulanan kuvvetin bulunması. D i = 8" ( 8 x,54 = 0,3 cm) 50

151 P = 500 psi (03 bar = 500 x0,0703 = 05,465 kg/cm ) θ = 0 kg F = PA = 05,465 cm ( π) 0,465 cm F = = 3469,5 kg (76480,3lb) Örnek : Aşağıda tablo halinde verilen verilere göre 30 ile dönüş yapan borunun dönme noktasına uyguladığı toplam kuvvetin bulunması? θ Q x 0 ft / g m / g 3 0MMSCF/gün= = 5,74 ft / s = 3,806 m / s s/g s/g 3 P 5000 lb/ft =34,7 psi,4 kg/cm ρ 0. lb/ft 3,758 kg/m 3 D 0" 5,54 cm A ft 3,46 x 6,9 cm =506,708 cm 0 x 0 / ϑ =? 0,545ft 6 Q 3,8 m / s =, ft/s ϑ = = = 64,74 m/s A 0, m 3 Dönüş noktasında dönüşün açısına bağlı olarak basınç ve hız (statik + dinamik) basınç kuvveti değerinin toplamı: θ ρϑ A F = Sin + PA g c o ( ) ( ) 536 θ 30 o π Sin = Sin = Sin 5 = = 0,68 = 0, 5

152 F o 30 0,() x0,545 = Sin x0,545 3,7 = 448 lbf Metrik birimlerle: Şekil 6. - Basınç ve hızdan dolayı eğme noktasında ortaya çıkan reaksiyon Basınç kuvvetinin hesabında kullanılan iç basınç, P i : a) P > ( Pm + Pv) b) P i > P test P m : Maksimum çalışma basıncı P v : Vuru (surge) basıncı (varsa) Yukarıdaki örneklerde görüldüğü gibi akışkanın boru dönüşlerine veya vana, orifis plakası gibi kısıtlayıcı ya da kapayıcılara iç basıncın büyüklüğü ile belirgin bir şekilde artan bir kuvvet uygulanmaktadır. Vana dilleri (plug inner valve) ve kör flanjlarla, orifis plakaları ya da dirsekler bu kuvvetlere dayanabilir malzemeden seçilmelidir. Dönüş yerleri dış desteklerle desteklenmelidir. Boru desteklerinin aralıklarının en fazla ne kadar olabileceğine ilişkin öneriler 5

153 kg f = (kg) (9,8 m/s ) = 9,8 N lbf = 0,453 = 4,4439 N Tablo 6. Boru Destek Aralıkları Nominal bor çapı (inch) / /3 3/ Aralık (ft) Karışık Bağlantılı Hatlar Hat Bağlantıları ile Elektrik Devre Bağlantılarında Benzerlikler Uygulamada değişmez çaplı tek bir hat sistemi oldukça azdır. Özellikle proses borulamada akış toplama ve dağıtma bağlantılarında karmaşık yapılar kullanılır. Çapları değişik olan boruların arka arkaya bağlanması seri (sıralı) bağlantı sistemine girer. Bu bağlantıda, akış miktarı değişmez, fakat basınç kayıpları çap büyülüklerine göre az veya çok olabilir. Seri bağlı elektrik devresi ile benzeşme kurulabilir. Seri bağlı değişi çaplı hatlar : Elektrik Akışkan Akım Debi I = I = I = I 3 Q = Q = Q = Q 3 Gerilim Basınç V = V + V + V 3 DP f = DP f + DP f + DP f3 Direnç Direnç V V = I I V + I V + I 3 3 R = R + R + R 3 Pf C Q = C P Q f K = K + K + K3 + C P Q f + C 3 P Q 3f 3 Şeki 6. Seri bağlı hatlarda elektrik bağlantı özdeşliği Seri bağlı sistemde akış aynıdır, fakat basınçlar değişir. Bu nedenle basınçlar her değişik çaplı boru bölümü için ayrı ayrı hesaplanır. 53

154 Paralel bağlı hatlarda durum yukarıdakinin tersinedir. Şekil 6.3 Paralel bağlı hatlarda elektrik bağlantı özdeşliği Eğer, çap ve uzunluklarda değişme varsa o zaman basınç düşmüş olarak en büyük basınç düşümü DP f olarak kabul edilir. V : Gerilim düşümü P f : Basınç düşümü Karışık Bağlantılarda Q, P, L/D ve L Çap ve Uzunlukları 54

155 Bağlantı Debi ve Basınç Düşümü Şekil 6.4 Değişik çaplı boruların seri ve paralel bağlantıları 55

156 Tablo 6 : Eşdeğer çap ve uzunluk formülleri (Bak: Kaynaklar 6) Örnek: Aşağıda verilen seri bağlı boru hattının eşdeğer uzunluğun ve eşdeğer çapın Clinedinst yaklaşımına göre bulunması. Şekil 6.5 Değişik çaplı boruların seri bağlantıları 56

157 a) 6 lik eşdeğer hat uzunluğu? L L L L 6" 6" 6" t " 6 = 000 " = ( 0,5) + 500( 0,75) = 000( 0,035) + 500( 0,37305) = 6, ,9575 = L " + Bunun anlamı şu: L e " 5 " 6" " 8 m 5 = 6, , = 38,458 m m, m, m uzunluğundaki hat boyunca oluşan basınç düşümü, eğer hattın tamamı 6 olsaydı, eşdeğer basınç düşümü sadece 38,458 m de ortaya çıkacaktı. Başka ifadeyle, eşdeğer hat uzunluğu hesabı, basınç değişik çaplı borularda basınç düşümünün anlaşılmasına ve böylece boru hattı çapının seçilmesine yardım eder. b) " Hat ile eşdeğer hat uzunluğu? L L L " eq " eq = ( ) + 500(,5) = 900( 3) + 500( 7,59375) = ,63 = 40.90,63 t = L " = 900 " 6 " + L eq" 5 " " " 8 5 m = ,63 = 4.90,63 m Sonuç: Aynı basınç kaybına, ufak çaplı borularda daha kısa mesafede rastlanırken, geniş çaplı borularda daha uzun mesafe de rastlanacaktır. Bu da boru maliyeti ile basınç kaybının karşıtlığını göstermektedir. Başka ifade ile 6 ve 8 yerine lik hat kullanılsaydı, 6 lik hatta 39,458 m de karşılaşılan basınç kaybın hatta 4,9063 km de yani daha uzun hatta oluşacaktır. P f = f a L D e" " ϑ ρ = f g b L D e6" 6" ϑ ρ g Eşdeğer uzunluklar, sürtünme basınç kaybının ekonomik yoldan hangi çaptaki boruyla karşılanabileceğinin kısa yoldan çözümüne ve aynı zamanda pompa seçimine ışık tutar. 57

158 6.6 Hat Tasarımında İş Programı ve Malzeme Seçimi. Boru hattının döşeneceği ve geçeceği yerler büyük ölçekli ( /5000) haritalar üzerinde işaretlenir.. Döşenecek hattın profili çıkarılır. Profilde, dönüş noktaları "some" kazıkları ile işaretlenir. Profilden alınan bilgiler, kullanılarak basınç düşümü hesaplanır. En yüksek ve en düşük basınç noktaları belirlenir. Hattın basınçlandırılması gereken noktalarına, gazlarda kompresör, sıvılarda pompa kurulur. Basınç kayıplarının hesaplanması ile ilgili bilgiler ve kullanılacak formüller bu konunun başında ve devamında anlatılmıştır. 3. Kanal açma işinde kullanılacak ekipmanlar belirlenir. Kanalın kaya, toprak harfiyat miktarları ve m 3 maliyetleri tahmini olarak hesaplanır. Kanal genişliği ve derinliği, hat çapına ve zemine göre saptanır. 4 Basınç düşümüne, debiye, akışkan cinsine göre boru tipi belirlenir. Boru malzemesi, ASTM, ANSI, DIN ve TS 6047 standartlarına göre seçilebilir. TS 647 ye göre borular: A5, A, B x 4, x 46, x 5, x 56, x 65, x 70, x 80 şeklinde sınıflanmıştır. Boru çapı, debi miktarı ve basınç kaybı dikkate alınarak belirlenir. Borunun malzemesinin seçiminde korozyon olgusu ön plana geçer. Bu kitabın son konusunda korozyon hakkında özet bilgi verilmektedir. Ayrıca, akışkan cinsine göre boru malzemesi seçiminde kolaylık sağlayacak tablolar yer almaktadır. Boruların tanımında yer alan belirteçler, genellikle şunlardır: Standardı, dikişli, dikişsiz oluşu, dikiş kaynağı tipi (Elektrik kaynağı, tozaltı kaynağı, Gaz metal ark kaynağı gibi) Sch No'su (0, 30, 40, 80, 0...gibi) Çapı (inch, cm, mm) Et kalınlığı (mm, inch) Malzemesi: Karbon çelik (CS), paslanmaz çelik (SS), alaşım çelikler; plastikler (PE: Polietilen) ve boru malzeme kompozisyonu: % olarak karbon (C), Fosfor (P), Kolombiyum (C b ), Titan (T), Mangan (M n ), Kükürt (S), Vanadyum (V), Kurşun (Pb), Çinko (Z n )...vb. Çekme, kopma, akma gerilimleri kgf/cm (psi) Bağ tipleri: Kaynak ağızlı, dişli, soket tipi olarak üç çeşit olabilir. Proses borulamada yüksek basınçlarda kaynak bağ kullanılır. 58

159 6.7 Doğalgaz Hat Tasarıında Bilinmesi Gerekenler. Boru hattı uzunluğu (m). Kullanılacak çaplara göre metraji (Örneğin, Bulgaristan Ankara doğalgaz hattının 308,3 km si, 36 inch, 485 km. 6 inch borulardan döşenmiştir.) 3. Kullanılacak dirseker (90 LR, SR veya 45 LR, SR tipler LR: Long radius, SR: short radius) 4. Kaynak elektrotlarının miktarı ve tipi belirlenmeli, 5. Boru hattının basınç düşüm profilinin çıkarılması (En yüksek ve en düşük basınç düşüm noktalarının saptanması, ön basınçlandırma (booster) pompasının (sıvılarda) ve kompresörün (gazlarda) kurulup kurulmayacağı tespit edilmesi, 6. Basınç, sıcaklık, akış ölçüm aletlerinin, firma, model, adetleri, ölçme kapasitelerinin ve ölçüm birimlerinin belirlenmesi. Bağlantı şemalarının çıkarılması, 7. Güvenlik aygıtlarının saptanması: Basınç kurtarım vanaları (PSV: Pressure safety Valve), kontrol vanaları, basınç anahtarları (PSH: Pressure Switch High). Emniyet vanaları çıkış kapasitelerinin hesaplanması. 8. Kanal harfiyatının m 3 olarak tahminen hesaplanması, kanal açma, boru döşeme, kaynaklama ve kanal kapatma ile test işlerinin maliyetlerinin çıkarılması 9. Kaya harfiyatında kullanılacak dinamit miktarının saptanması, bu iş için yerel yönetimlerden izin alınması. 0. Mühendis, usta, kaynakçı, izoleci gibi elemanların seçilmesi ve gerekirse iş için önceden eğitimesi.. Hat işletmeciliğinin nasıl olacağının belirlenmesi:. Herşey operatörler tarafından çalıştırılıp durdurulabilir (manual system) 3. Yarı otomatik sistem (Vanaların bazıları otomatik bazıları operatör tarafından çalıştırılabilir.) 4. Tam otomatik (Tüm ekipmanlar, birbirleriyle lojik bağlantılı olarak çalışabilirler. Operatör gözlemcidir. Arıza durumunda müdahele eder) 5. Tam otomatik uzaktan kumandalı sistem (Elektro pnömatik bilgisayar kontrol sistemidir. Bir vananın açılıp kapanması km'lerce öteden yapılabilir.) Böyle tam otomatik, uzaktan kumandalı sistem SCADA kısaltmasıyla ifade edilmektedir. 6. SCADA : Bu kısaltma, veri toplama, değerlendirme ve kontrol etme anlmına gelen ngilizce sözcüklerin baş harfleridir. 7. (SCADA : System of Controlling And Data Aqusition) 6.8 PE Boruların Kullanılması Fransız gaz endüstrisinin doğal gazla tanışması 950 nin başlarına kadar gider; taşıma ve dağıtma sistemlerinin hızlı gelişmesinin nedenlerinden biri de böylesine bir geçmişe sahip olmakla ilgilidir. 59

160 Dünyadaki birçok gaz şirketleri gibi, Gaz de France (GdF) da orta basınç gaz dağıtım borulama sistemlerinde yıllarca polietilen borular kullanmaktadır. GdF, ortabasınç gaz dağıtım hatlarında elektro fuzyon tekniğini kullanmakta önderlik etmiştir. PE gaz borulama metal ve döküm demirden yapılan dağıtım ağından daha pratik, daha ucuz olmaktadır. GdF bağlamada elektrik fuzyon tekniğini 0 yılı aşkın kullanmaktadır. GdF 9000 elemanla 8,7 milyon müşteriye hizmet vermekte ve 4750 mil taşıma, mil dağıtım ağının işletmeciliğini yapmaktadır. Gaz taşıma sistemi, kent giriş istasyonuna kadar 70 bar basınçla doğal gazı getirmektedir. Orta basınç C dağıtım ağına gelen gaz,buradaki basınç ayar istasyonuna alınmakta ve basıncı 9 bar'a düşürülmektedir. Buradan 9 bar ile alınan gaz, orta basınç B dağıtım ağına gönderilmektedir. B istasyonuna gelen gazın konutlara verilecek bölümü regülasyon istasyonunda 4 bar'a düşürülmektedir. Endüstriyel işletmelere verilecek gaz 9 bar basınçla, regülasyona tabi tutulmadan bu iş merkezlerine dağıtılmaktadır. PE boruların çalışma basınçları sıvılarda 9,86 kg/cm gazlarda 3,95 kg/cm dolayında bulunmaktadır. B regülasyon ve dağıtım istasyonundan alınan gaz konutlarda kullanılmak üzere tekrar bir regülasyona tabi tutularak 0 5 mb basınca düşürülmektedir. Böylece konutlara alınan doğal gazın basıncı 0 5 mb. civarında olmaktadır. GdF dağıtım ağının yıllık büyüme oranı % 3 dür; orta basınç B hatları dışında, büyüme oranı kadar artan yeni ağların % 85 i PE borulardan oluşmaktadır. Tüm dağıtım hatlarının % 0 si PE'dir. 30 yıl içinde, bu ağ yaklaşık mil'e çıkacak ve % 80 PE malzeme içerecektir. GdF'ın düşük basınç ağı orta basınç tekniği kullanılarak döşenmiş olan 600 mil PE borudan meydana getirilmiştir. Orta basınç ağı yılda % 6,8 artarken düşük basınç ağı %.7 lik küçülme olmaktadır. GdF, sistemde % 75 i ara bağ (coupling) olmak üzere, milyon elektro füzyon birleştirme (joint) yapmıştır. GdF, 960 larda, dağıtım ağını yenileştirme çerçevesinde, plastik boru kullanmaya karar vermiştir. 974'lere kadar müşteri servis hatlarının PE borulaması yapılamamıştır. 979 lardan itibaren, Orta ve düşük basınçlı borulama ağlarında PE kullanılmıştır. GdF, gaz dağıtım ağlarının çok önemli işlevleri nedineyle, PE boru ve fitting üretici firmaların laboratuvar araştırma sonuçlarına göre malzeme üretmelerini şart koşmaktadır. 6.9 PE Borularda Aranan Özellikler. Taşınma ve döşenmelerinin kolay olması. Makaraya sarılabilmeleri, kırılmadan, çatlamadan bükülebilmeleri, böylece, dirsek (elbow) kullanmaya gerek kalmaması 3. Ağır olmamaları, yoğunluk bakımından 930 kg/m kg/m 3 arasında olması 60

161 4. Laboratuvar deneylerinde: a) Kırılabilme alt sınır sıcaklığı 94 F a yakın olmalıdır. b) Oda sıcaklığında (73 C) koparmaya yönelik çekme deneyinde kopma uzaması % 00 ü bulmalıdır. c) Oda sıcaklığında çekme gerilimi minimum 3 bar olmalıdır. d) Laboratuvarda, kimyasal maddelere karşı direncinin ortam sıcaklıklarından etkilenmemesi, icten patlatma (bursting) basınç büyüklüğünün saptanması gibi deneylerin yapılması istenir. Uygulanan PE füzyon teknik için: Kaynakçıların yetiştirilmesi; Kaynakların kalite testlerinin her kademede yapılması gerekir. Çevre sıcaklığı 5 F ( 9,5 C ) ile 5 F (46.C ) arasında olmalıdır. Elektro fuzyon, elektrik kaynağı olarak da bilinir. Alın kaynağı ve soket tipi kaynakla PE boruların birleştirilmesi sağlanır. Kaynaklama işi şöyle yapılmaktadır: PE malzeme, elektrik akımının geçtiği bir metal ile eritilmektedir. Metal tel, fitting içinde yataklanmakta, kaynaklanacak boruların uçlarını birbirlerine bağlamaktadır. Parçalar soğutularak bir araya getirilir, bu işlem yapılırken gönyelenir ve istenen pozisyonda tutulur. Kaynak yerinde gerilme olmadığı için, ihmal düzeyinde bile, boru ya da fitting hareketi ortaya çıkmaz. içinde direnç telleri bulunan parça kaynak makinesinın akımı ile içten ısıtılır, aynı zamanda dıştan da direnç yoluyla ısıtılan boru, parçaya yapıştırılmış olur. Kaliteli birleştirme (joint) için tam olan erimiş malzemenin basınç ve sıcaklığı, kaynak içinde kullanılan elektriksel parametreler ile fittinglerin geometrisine bağlıdır. Bu parametreler laboratuvarda belirlenir. Elektro fuzyon fittingler, 8 in arası borularda kullanılmaktadır. Bu fittingler enjeksiyon yöntemiyle kalıplara dökülmüş, arabağlar (couplers), Tee'ler, dirsekler çap düşürücüler, tıkaçlar (plug), musluk (tapping) " tee"leri vb dir. Tüm bunlar 4 bar lık ortabasınç B sisteminde ve düşük basınç ağlarında kullanılmak için üretilmişlerdir. Plastik boru hatlarının tasarımında kullanılacak formül: P = S p tr/(d t) (Bak; Bölüm V, prgf:5. ve S p değerleri için bak: Tablo 5.5) Kaynak makineları elle çalışır (manual) veya otomatiktir. Kaynak gerilimi ve akımı fitting çeşidine ve sıcaklığa göre değiştirilebilmelidir. Elektrofüzyon kaynak makinesi, PE boru parçalarını yumuşatılarak birbirlerine bağlar. Kaynak edilecek parça üzerine kollar takılır, akım (~ 48A), gerilim (35 4 V) ve bunlara bağlı olarak güç ayarlanır. Makine üzerinde çalıştırma düğmeleri ve ikaz ışıkları bulunu. Kaynaklama gücü,8kw kw arasında değişir. 6

162 Büyük çaplı boru işlerinde özel araçlar gerekebilir. Kazıyıcılar (Scraper) Kesiciler Gönyeler ve pozisyonerler 4 in.den büyük borularda, ovallaştırmayı yapacak araçlar, PE boruların elektrofüzyon yoluyla istenen nitelikte kaynaklanabilmeleri için şu işlemleri yerine getirmek gerekir. Kaynak ağzının temiz ve aynı ölçüde olacak şekilde hazırlanması Kaynak işinin hizalanması, boru veya fittinglerin, kaynak bağ yerlerine tam kavuşmaları, stenen ölçüde elektrik gücünün kullanılması, bunun için, fittinglerin tipi, elektrik kaynak parametrelerinin değerlerinin belirlenmesi gerekir. Otomatik proses GdF tarafından kullanılmaktadır. Kaynak makinesi, yukarda işaret edilen isteklere uygun olarak ayarlandığından, nasıl bir fitting, nasıl bir kaynak isteniyorsa, makine otomatik olarak o kuşallarda çalışacak konuma getirilmektedir. Böylece, kaynak işi makine tarafından, kaynakçı hatalarından bağımsız olarak yapılmaktadır. Diğer bir kaynaklama yöntemi de, birleştirilecek parçaların önce yapışkanlık sağlayacak kadar (00 30C ) ısıtılması ve bu anda basınçla birbirlerine yapıştırılark kaynaklanmasıdır. GdF, tarafından PE boruların ilk kullanıldığından beri, makaraya sarılmış halde uzun boruların bozunuma uğramadan, çekilerek hat yatağına yatırılabilmeleri ve böylece döşeme işinin çelik borulara göre daha kolay hale gelmesi ilgiyi çeken bir uygulamadır. Bununla birlikte küçük çaplı borular uzun bir süre bu kolay hat döşeme işinin dışında kalmıştır. 6 in'e kadar boruları makaraya sarılmış halde kullanabilmek için GdF önce özel araç ve gereçler geliştirmiştir. PE boruların makaraya sarılı halde kullanılabilmeleri ve makaraya sarılabilmeleri, onların gerilme sınırları dolayısı ile makaranın çapı ile ilgilidir. Bir makaranın dış çapı kara yolu trafik yasasıyla belirlenen köprü altı geçit yüksekliği ve yolda işgal edilecek genişlikle belirlenir; buna göre makaranın çapı 4, m. yi geçemez. Bu çaptaki bir makaraya in lik 00 ft (m = 3,8 ft) uzunluğundaki boru sarılabilmektedir. Buna karşılık, 6" lik borudan sadece 85 ft boru taşınabilir. Makaraya sarılmış boru, kanal kenarına, bir ucundan çekilerek indirilir; indirme işi yapılırken, makarayı taşıyan araç yavaş yavaş ilerler. Uzun PE borular, düşük basınç sistemleri için uygun olmaktadır, çünkü, uzun bir süre müşterinin gazını kesmeksizin, boru değiştirme işlemi tamamlanmaktadır. Bu şekilde hat döşeme, bilinen çelikboru kullanma işinden % 50 daha tasarruflu olmaktadır. ABD'de plastik polietilen boru kullanılmaktadır. 988'de yenilenen ve yeniden döşenen 5000 mil ( 609 km) boru hattının yaklaşık 880 mil bölümü plastik borudandır. 989'da döşenmiş olan 5670 mil uzunluğundaki ağın 3600 mil dolayındaki bölümü de gene PE dir. 6

163 PE borular petrol kökenli plastik malzemelerdir, bu nedenle darbelere karşı metal borular gibi dayanıklı değildirler. Bu özellikleri gözönüne getirilerek, hat döşeme, taşıma, istifleme işlerinde metal bağlar (tel halat, zincir v.s) kullanılmamalıdır. Metalik tutma bağlama gereçleri yerine, urgan, kayış, plastik şerit türü malzemeler seçilmelidir. stifleme ve uzun süre depolama yerleri güneş ışığı almamalıdır. Eğer açıkta istiflenmeleri gerekirse, karbonsiyahi (TS6834) veya boya ile boyanarak ultraviyole ışınlara karşı direnci artırılır. Petrol türevi plastikborular (PE) doğal yapıları gereği yanıcıdırlar. Aşırı sıcak ortamda bozunurlar. Bozunma sıcaklık sınırları normal çevre kanalları, sıcak su, buhar hatlarının geçtiği kanallardan bağımsız olmalıdır. Yangın tehlikesi nedeniyle bina içi tesisatlarda PE boruları kullanılmaz. PE boruları 30 C lerde başlar ve 00 C de akıcı olduğu için, boru duvarına ateşle yaklaşmamak gerekir. PE türü plastiklerin bazı genel fiziksel özellikleri şöyledir: Çok iyi yalıtkandır (Oda sıcaklığında özdirençleri 0 4 MW m) Özgül ısıları 0,45 cal/g C Boyca genleşme katsayıları,3 x 0 4 m/m C x 0 4 m/m C ABD'de 989 planında, 0509 mil'lik ana taşıma hatları ile 30 mil'lik servis hatları tmamen plastik borulardan meydana getirilmiştir. Plastik borunun seçilmesi nedenleri arasında, hafif oluşu, kaynakçı kullanmadan bağlanabilmeleri kolay kolay bozunmamaları ve kimyasal korozyondan etkilenmemeleridir. Akışkanın asidik ve bazik etkilerine karşı duyarsızdırlar. Korozyo-na uğramadıklarından ömürleri uzundur. Bununla birlikte bazı deterjanlara karşı hassas oldukları belirlenmiştir. Bu nedenle temizlik işlerinde ve basınç testlerinde deterjan türü maddeler kullanılırsa, iş bitiminden sonra derhal silinmelidir. Plastik borular, çelik borulara göre, dış etkilere karşı daha dayanıksızdır. Örneğin, gömüldüğü yerin az bir erozyona uğraması halinde o noktadan geçecek olan ağır bir vasıta tarafından ezilebilir. Bu nedenle, montaj sırasında, üçünçü şahıslardan hattın korunması gerektiği göz önünde tutulmalıdır. Kanalın doldurulması sırasında, büyük kaya ve kütlelerin boru üzerinde dengesiz yük oluşturacak şekilde bulunmamasına özen gösterilmelidir. 6.0 PE Boruların Döşenmesinde Dikkat Edilecek Hususlar Polietilen (PE) borulama işi özel bilgi ve teknik gerektirir. Kanalın hazırlanmsı,yatak ve örtü malzemesinin seçilmesi, bağlantıların yapılması, kaynak işi, çelik borulardakinden oldukça farklıdır. PE boruların montajında dikkat edilmesi gereken hususlar, bu alanda yapılan inceleme ve deneyimlerin sonuçlarına dayanmaktadır. 63

164 PE borularda görülen bozunmalar ve arızalar: Üçüncü şahısların eşitli faaliyetlerinden, Kötü bağlantı tekniklerinden ve füzyon sırasında yabancı maddelerin kaynak bölgesine girmesinden. Çatlak oluşmasından. Kötü montajdan ve uygun olmayan örtü toprağından, Isıl büzülmeden Çatlak oluşum direncinin düşüklüğünden ortaya çıkabilmektedir. 950 lerden beri PE gaz borulama sistemleri üzerine dikkatler toplanmış ve en az 50 yıl bozunmaya uğramadan kalabilecekleri hesabı yapılmıştır. Borunun sağlam kalabildiği sürede içinde bulunduğu ortam ve çalışma basıncı önemli etkendir. Değişik basınçlara göre boru ömrünün saptanması Hidrostatik tabanlı tasarım olarak adlandırılır. PE borular, esnek yapıya sahip oldukları için kanala döşenmleri sorun yaratmaz, ayrıca kimyasal ve biyolojik etkenlere karşı direnç gösterirler. PE borular termoplastik malzemelerdir, defalarca eritilip tekrar eski biçimlerine getirilebilirler: Oysa termo setting yöntemle imal edilenler, eritildikten sonra tekrar eski biçimlerine sokulamazlar. PE borularda yavaş yavaş büyüyen yarıkların oluşması zamanla bu yarıkların boruyu kullanılmaz hale getirmesi karşılaşılan en büük problem olmaktadır. Bu çatlak veya yarıklar boru üzerine binen gerilimler nedeniyle meydana gelmktedir. Gerilimler, sıkışma, kaya bindirmesi, ısıl büzülme ve toprak oturmsı gibi nedenlerden dolayı ortaya çıkmaktadır. Gerilim oluşturucu etmenler ortadan kaldırılırsa, boru duvarında yarılma ve çatlama gibi benzeri bozunlar ortaya çıkmayacağından, boruların ömrü uzatılmış olacaktır. Ayrıca, PE boru malzemesinin reçinesi 980lerden sonra, yavaş gelişen çatlamayı önlemeye yönelik olarak iyileştirilmiştir. Reçine ne kadar nitelikli olursa olsun, boru montajında kanala indirme, yataklama ve örtme gibi işlemlerde belli teknikler uygulanmalıdır. 6. PE Borulama İşinde Dikkat Edilecek Hususlar. Plastik borular yere gelişigüzel konmamalıdır. Her çeşit plastik boru sivri ve keskin şeylerle yaralanabilir. Çelik borular gibi aşınmaya karşı dirençli değildirler. Boru duvarı üzerinde meydana gelen çizikler, yaralar; çekme, eğme işlemleri sırasında gerilimlerin toplanmasına ve boru duvarında zayıf noktaların oluşmasına yol açarlar, öyle ki borular zamanla bu noktalardan kaçırır duruma gelir. Boru boyutunda değişmeyi göze almadıkça yok edilmeleri olanaksız olan gerilim toplayıcılar, bu noktalarda, boru duvarını zayıflatırlar. 8" ve daha büyük boruların montajında durum o kadar kritik değildir. Fakat, yere indirmede ve çekme ya da yuvarlama sırasında, sivri taşlardan korumak gerekir. 64

165 . Yarık ve kesiklerin derinlikleri boru et kalınlığının % 0 nuna varmış ise, yaralı kısım kesip atılmalıdır. Boru üzerine binen yükler, borunun en zayıf noktaları olan yarık ve çiziklerde toplanırlar. Öyleki, boru bu noktalardan kopar veya patlar. Uzun ömürlü borulama isteniyorsa, montaj sırasında, boruların yüzeyleri dikkatle inelenmeli, tamir edilmesi gerekenler ayrılmalıdır. 3. Eğmenin yarı çapı, boru çapının 0 ktını aşmamalıdır. Bu ölçü, uzun araştırma ve deneyler sonucunda bulunmuştur. Yarı çap ne kadar küçülürse, gerilimin etkin olduğu alan da o kadar küçülür öyle ki, boru daha küçük çaplı eğmelerde, momentin etkin olduğu noktada büzülerek ezikliğe uğrar. Ayrıca şurasını da unutmamak gerekir üzerinde bağ parçası (fitting) bulunan boru, bulunmayandan daha zor bükülür ve daha büyük yarıçapa sahip olur. Bükme sırasında ezilen, çatlayan borular tamir edilmeden kullanılmamalıdır. R: Maksimum bükülebilme yarıçapı, D boru çapı. Şekil 6.6 Boruların bükülebilme yarı çapları 4. PE borulamada yatak ve örtü toprağının seçimine dikkat edilmelidir. Yatak toprağı, borunun altına döşenen ince kum veya benzeri malzeme olmalıdır. Kesinlikle sivri ve keskin taş parçacıkları, dişli çakıl taşları bulunmamalıdır. 65

166 Şekil 6.7 Boru kanalı ve dolgu malzemesi Uygun olmayan yatak ve örtü toprağı kullanılmazsa, borunun ömrü yavaş ilerleyen yarılma türü bozunmalardan dolayı azalır. boru altı, üstü ve yanları kesici, delici taşlardan arındırılmış, mil veya ince kumla doldurulmuş olmalıdır. Boru altı en az 7,5 cm 0 cm kalınlığında ince kum serilmiş yatak olmalıdır: Örtü ve yatak malzemesi,biyolojik maddeler içermemelidir. Örtünün kalınlığı, sivri taş ve benzeri maddelerden boruyu koruyacak kadar olmalıdır. Boruya yakın kaylar ya yok edilmelidir ya da kayma ve düşmeleri önlenmelidir. Kapatılan kanalın örtüsü, normal çevre sertliğine erişinceye kadar sıkıştırılmalıdır. Boru üzeri örtü malzemesi 5 m kalınlığa erişince, iyice sıkıştırılmalı ve bu her 5 cm kalınlıkta tekrarlanmalıdır. Örtü toprağının kalınlığı,5 cm den az olmamalıdır. 5. PE boruların döşenmiş olduğu kanal bölgesinde, toprak çökmsi, kayması veya kaya düşmesi gibi yerel olaylarla, üçünü şahısların verebilecekleri zararlar gömlek borularla karşılanmaya çalışılır. Boru eklenti yerleri, dirsek bağlantıları, gömlek borular içine alınabilir. Burada dikkat edilecek nokta, gömlek borunun içine yerleştirilen PE boru tam merkezlenmeli ve çevresi uygun bir malzemeyle aynı sertlikte sıkıştırılarak doldurulmalıdır. 6. Boru kanalında ortaya çıkabilecek ısı değişimleri, tüm diğer malzemelerde olduğu gibi PE borularda da genleşme ve büzülmelere yol açar: Isıl uzama katsayısı çeliğinkinden 0 kat daha fazladır (,49 mm/mc ) Uçları serbest halde olan boru ile iki ucundan bağlanmış boruların büzülmeleri arasında fark vardır. Bağlı borunun uçlarında çapın büyüklüğü ile değişen çekme kuvveti oluşmaktadır. Bu da, uçlardan geriye doğru büzülmeyi önlemektedir. 66

167 PE boruların, kanal sıcaklık değişimlerinden uzama kısalma bakımından etkilenmemeleri için, kanal içine hafif yılansı döşenmeleri önerilmektedir, böylece ısıl etkilerin neden olacağı gerilimler yok edilebilecektir. PE boruların döşenmesi, kaynaklanması ve testleri ile ilgili TS standartları TS No K o n u l a r ı 5583 PE borular ve bağlama elemanları, iç basınçta sızdırmazlık deneyi 6834 PE plastikler Karbon siyahi boyama işlemi 684 PE boru ve soket tipi 77 PE boru boyut ve toleransları 779 Yüksek yoğunluklu PE borular ve bağlantı elemanların akışkanlara karşı kimyasal dirençleri 783 PE Plastik borular Dış çap kontrolleri 7484 İç çapları kontrollü PE borular 5584 PE borular Bağlantıları ve sızdırmazlık testleri 6. Deprem Olasılığının Göz önüne Alınması 987 Martında hazırlanan bir rapora göre ABD'nin 5 yıl içinde doğu bölgelerinde deprem olabileceği ve ulusal enerji iletim sistemini felce uğratabileceği tahminleri yapılmıştır. Amerikan Association of Engineering Societies, Washington, D.C tarafından, 00 yıllarına doğru doğu bölgelerinde yerlerde 6 şiddetinde bir depremin olabileceği ileri sürülmüştür. Bu ve benzeri tahminler insanları hazırlıklı olmaya yöneltmektedir. Aynı şekilde Türkiye de de bazı uzmanlar, İstanbul dolaylarında, hafif şiddette olacağı sanılan depremlerin yaşanabileceğini ileri sürmüşlerdir. Depreme karşı özellikle enerji ve doğal gaz sistemlerini korumak amacıyla yapılacak problem taramada şunları göz önüne almak gerekir: Petrol, doğalgaz hat güzergahları ve rafineri ürünlerinin depolanacağı bölgeler tespit edilirken, deprem olasılığının göz önüne alınması, Boru hatları arasındaki bağlantı sistemlerinin yerleri ve bunların değiştirilebilirlikleri, Ne gibi acil tamir araç gerecinin bulunması gerektiği 67

168 Yedek malzemelerin miktarı, taşınması ve montajın da kolaylık bakımından, nerede nasıl kullanılacağı hakkında programlanması, parçaların kodlanması Şiddetli bir depremin, enerji hatları ile boru hattı sistemlerini tahrip edeceğinin bilinmesi gerekir. Özellikle derem kuşağına düşen bölgelerde, depremlerin merkez üstleri olmaya müsait görülen ve tahmin edilen noktalarda, boru hatları inşası yapılırken, deprem sırasında anlık ortaya çıkacak kuvvetleri, toprak, kaya gibi gevşek malzemelerin hat üzerine koyabilecekleri göz önüne alınmalıdır. Kaynaklık çelik boruların, deprem kuvvetlerine dayanıklı oldukları tespit edilmiştir. Özellikle elektrik ark kaynağı ile yapılan bağlar oldukça güvenilir görülmektedir. Gömülü borular; deprem sırasında sadece yüzey yarılmaları ve toprak kaymaları nedeniyle zarar görmüşlerdir. 6 şiddetindeki bir depremin, boru hattı merkez üstüne rastlamadıkça, hatta zarar vermeyeceği belirtilmektedir. 97 de San Francisco'da, 8, şiddetindeki bir depremin, oradaki boru hattını, toprak kayması ve yerin hareketi nedeniyle hasara uğratmıştır. ABD'de, Kuzeydoğu'da yaklaşık, doğalgazın % 40'nı taşıyan hatların Güney Karolina sismik bölgesinden, % 60nın da Mississipi vadisinden geçtiği, 7 şiddetindeki bir depremin bu hatlara hasar verebileceği ileri sürülmektedir. Ekim 989'da merkez üstü, San Franciscodan 50 mil ötede, San Andreas Fault (San Andreas Fayı) boyunca yer alan bir deprem, öğleden sonra saat 5:04 de meydana gelmiş ve doğal gaz dağıtım hatlarını etkilemiştir.gaz kullananlar derhal elektrik ve gaz hatlarını kapatmışlardır. Bu durumlarda, gazın otomatik olarak kapatılması gerekir. Bu nedenle, şehir içi gaz dağıtım ağında ve ayrıca yüksek basınç hatlarında aralıklı olarak, otomatik kapatma vanalarının kullanılması yararlı olur. Örneğin, açık arazide veya şehir içinde, hat patlayınca, o hat boyunca anormal basınç düşümü olacaktır, işte böyle bir durumda, basınç düşümü durumunda otomatik olarak kapanan vanalar kullanılmalıdır. Kaliforniya'da, aynı depremden zarar gören ikinci büyük gaz şebekesinin tamiri için, 00 servis elemanı günde 8 saat, olmak üzere, haftanın 7 günü çalışmıştır. Zamanında, müşterilerine gaz verebilmek için Pasific Gas And Electric Co adlı şirket bütün gücüyle çalışmış, bu arada emekli olan işçilerden dahi yararlanmak zorunda kalmıştır. 68

169 VII BÖLÜM ENSTRUMANTASYON 7. Emniyet Kontrol Vanası: EKV Ölçüm istasyonunun küresel yapıda emniyet giriş vanasıdır. Bu vana, elle kapatılıp açılabilmelidir. Fakat vananın asıl görevi hattı otomatik açıp kapamaktır. İstasyonun basınç emniyetini sağlamakta kullanılan bu vana, pnömatik hidrolik kumandayla çalışan tipten seçilebileceği gibi, diyafram yay tertibatlı pnömatik tahrikli de seçilebilir çok yüksek basınç hatlarında hidrolik tahrikli vanalar tercih edilmektedir. çinde yağ bulunan iki adet silindirik tüp vana gövdesine paralel olarak dikey konumda yerleştirilmişlerdir. istasyona giren gaz basıncı, çalışma noktası (set basıncı)ndan daha yüksek olursa, solenoid vana, basınç kontrol aleti veya basınç anahtarından gelen kumanda sinyali ile açılır. Bu anda, solenoid vana (SOV) dan basınçlı gaz, içinde yağ bulunan silindirlere gönderilir. Yağ vana gövdesindeki piston üstüne basınç uygular ve vananın açılıp kapanmasını sağlar, vananın asıl görevi hat basıncını kontrol etmektir. istasyon hat basıncı normale döndüğünde, SOV kapanır ve yağ tüplerindeki basınçlı gaz blöf edilir. EKV nin pistonu üzerindeki basınç kalkınca, yay hareketi ile piston yukarı kalkar, EKV açık konuma gelir. PIC: Göstergeli Basınç Kontrol Cihazı (Pressure Indicator Controller) PIC, pnömatik bir kontrol aygıtıdır. Genellikle, 0 psig (.4 bar) besleme basıncı ile 3 5 psig (0.. bar) çıkış basınçları bulunur. Çalışma noktası elle ayarlanabilir. Diyelim ki, ölçüm istasyonunun giriş basıncı 50 barg de tutulacak. Basınç 50 barg üstüne çıkarsa, EKV yukarda anlatıldığı gibi, PIC nin kumanda sinyali ile kapanır. Çok yüksek basınçlarda (80 00 bar) EKV nin operatör gözetiminde, giriş,çıkış taraflarında eşit basınçlar oluşacak şekilde açılıp kapatılmasında yarar vardır. Şekil 7. - Basınç düşürme ve ölçüm istasyonu 69

170 EKV nin yangeçiş hattı (by pass line), arıza durumlarında gaz kesimine gerek kalmadan bakım işlerinde işe yarar. EKV yerinden sökülüp bakıma alınsa bile istasyona yangeçiş hattından gaz verilebilir. 7. Filtreler (F) Ölçüm istasyonlarında, girişlerde en azından bir filtre aygıtının bulunması, tortu ve sıvı ayrılmasını sağlar. Yüksek debili gaz hattında bulunacak olan bir filtre, ölçü ve kontrol aletlerini de bünyesinde bulundurmalıdır. Filtrenin birikintilerle dolarak geçişe izin vermemesi basınçlı hatlarda oldukça tehlikeli bir durumdur. O nedenle, sıvı seviye kontrolü bu kontrol aleti ile otomatik boşaltım yapacak bir kontrol vanası, yüksek seviye uyarı anahtarı (LSH: Level Switsch High) ve ayrıca istasyon giriş vanasını (EKV) kapatacak çok yüksek seviye anahtarı (LSHH:Level Switsch High High) bulunmalıdır. Bu iki anahtarın çalışıp çalışmadıkları aralıklı kontrol altında tutulmalıdır: Şekil 7. Boru hattı filtre çeşitleri Filtrenin çalışma noktası (LN), LIC (Level Indıcator Controller) üzerinde değiştirilebilir. Örneğin, sıvı birikim seviyesi, filtre hacminin % 5 30 na ayarlanırsa, LV (Level valve) seviye kontrol vanası, filtre içindeki sıvı seviyesini % 5 30 düzeyinde tutmaya devam edecektir. Seviye elemanı LE (Level Element) dalgıç tipi bir yüzeç olabilir. Seviye transmiter LT (Level Transmitter), genelde 0,, barg sinyal) çıkış basıncı ile seviye durumunu LIC ye bildirecektir. 70

171 Filtre bağlantısında, çok yüksek seviye anahtarı LSHH (Levil Switch High High) ile yüksek seviye anahtarı LSH (Level Switch High) önemli görevlere sahiptir. LSH nin işlevi, otomatik boşaltma sisteminin bulunmasına karşın, herhangi bir nedenle, çalışma noktasının üzerinde sıvı birikiminin var olduğunu ışıklı veya sesli sinyal ile operatöre duyurur. Çok yüksek seviye anahtarı ise, seviye yükselmesine karşı önlem alınmadığı durumda, son çare olarak giriş vanasını kapatarak istasyonu devreden çıkarır. Filtre üzerinde yer alan basınç farkı göstergesi (DPI) operatöre filtrenin katı maddeyle tıkanma durumuna geldiğini işaret edebilir. deal durumda DPI sıfır basınç farkını gösterir. Normal çalışmada, DPI göstergesi 0,5 barı geçmemelidir. Filtrenin içindeki elemanların tiplerine göre filtreler değişir. Tel örgü kafes içine alınmış kartuşlu filtrelerden başka, içiçe geçmiş tüplerden oluşan siklon tipi filtreler yaygın olarak kullanımda yer almaktadırlar. Filtre gaz debisi, toplam gözenek alanı ile gaz geçiş hızı çarpılarak bulunabilir. Filtre seçiminde Boru hattının çalışma ve tasarım basıncı Boru hattı debisi Korozyon olasılığı Akışkanın sıvı ve katı madde içeriği göz önüne alınmalıdır. Doğalgaz hatlarında, filtre, 5 mikron (mm = 0 4 cm) çapındaki sıvı ve katı tanecikleri tutabilmelidir. Filtre elemanları, akışı kesmeden değiştirilebilmelidir: Katı tanecikler dipten alınabilmelidir. 7.3 Basınç Düşürücüler: İstasyonun kurulmasındaki amaç, basınç düşürmektir. Filtre, ısıtıcı gibi ekipmanlar, regülatör öncesi alınan önlemlerdir. Filtre, regülatör sonrasında yoğuşarak toplanabilecek sıvı fazı ayırarak korozyon olgusunu önler. 7

172 Yüksek basınçlı gazın, daha düşük basınçlı ortama geçiş yapması, aniden, sıcaklık düşüşüne neden olur. Pratik bir yaklaşım olarak vana veya Orifis gibi kısıtlayıcıdan geçerek basıncı düşürülen gazın sıcaklığındaki düşme:,7 F/psi olarak alınabilir. Çevresinden ısı alarak genleşen gaz, çevrenin soğumasına, hatta karlanmasına ve dahası buzlanmasına yol açar. Bu durum gazın basıncını düşüren regülatörün gövdesinde ve ona bağlı parçalarda meydana gelir. Donan hat veya vana kolay kolay çözülmez, vana dili olduğu yerde kilitlenir kalır. Aşırı soğuyan ve buzlanan vana parçaları, aşırı büzülme genleşmeden dolayı zarar görürler. 7.4 Regülatörler : Yağ ağırlıklı ya da pilot kumandalı olabilirler. 4. Yaylı Regülatörler : Yay: İstenen çıkış basıncına göre ayarlanır. Çıkış basıncı, yay kuvvetinden az olursa, yay diyaframı kaldırır ve vana açılır. Pilotlu regülatörlerde, çıkış basıncındaki minimum basınç değişimleri vanaya iletilir. Regülasyon, seri bağlı iki pilotlu regülatör ile yapılmaktadır. Regülatörler, diyaframlarına uygulanan basınç farkına bağlı olarak açılıp kapanmaktadırlar. Regülatör sonrasından alınan basınçlar, üstten verilerek, kapatma yönünde etkileme yapılırken, pilottan alınan sinyal ile açma yönünde etkileme yapılmaktadır. Eğer, gaz çıkış basıncı düşükse vana açılacaktır. Regülatör diyaframına binen yükler şematik olarak şöyle gösterilebilir: Ana Regülatör: Q debisine sahip yüksek basınçlı akışkanı daha düşük basınca indiren vanadır. Kontrol vanaları ve regülatörlerin birim basınç düşümünde, birim zaman içinde geçirebildikleri akışkan miktarları C v olarak bilinen akış kapasiteleri ile tanımlanır. C v İngiliz 7

173 birim sistemine göre, psi basınç düşümünde, dakikada geçen galon biriminde su miktarıdır. C v = 5 olan bir vana, dakikada, psi basınç düşümünde 5 galon su geçirir. C v nin genel formülü C v = Q/ DP/G şeklindedir. Q = gpm (Gal/dk) su miktarı DP = Akış kısıtlayıcı (vana orifis..vb) ya düşen basınç, psi C v = Vananın akış kapasitesi G = Göreli yoğunluk Akış kısıtlayıcının çıkışından alınan P basıncı, giriş basıncının 0,55 katına eşit olmaya başladığında kritik basınç halini alır P k = 0,55xP. Akışkanın kritik hıza sahip olup olmadığı, P k = P k + k /(k ) formülünden de hesaplanır. Gazlar için geliştirilmiş C v formülleri, akışın kritik üstü ve kritik altı oluşuna göre şöyledir: Q GT. Kritik hızın üstünde P < 0,55P C v = 834C P f. Kritik hızın altında P Q = Gaz debisi SCFH C v = Vana akış kapasitesi C f = Kritik akış faktörü > 0,55P C G = Göreli yoğunluk (hava = ) T = Akış sıcaklığı, R P = Giriş basıncı, psia P = Çıkış basıncı, psia v Q GT = 360 P ( P P ) P k = Kritik hız basıncı P k = 0,55 x P Düşük basınç gaz regülatörlerinin P hesabında kullanılan formül: 73

174 Q P = P = 0,05βρ D P = Basınç düşümü mb Q = 5 C ve atm. de debi m 3 /saat D = Çap, mm r = Gaz yoğunluğu (NK da) kg/m 3 k = Özgül ısılar oranı (k = Cp/Cv) C v ve C vana imalatçı kataloglarında yer almaktadır. G, T, P, P ve Q değerleri bilinen akışkanın basıncını istenen DP de geçirecek vananın C v si hesaplanır, buna göre sipariş yapılır, veya akışkan özellikleri ve istenen P i vana firmasına bildirilerek, seçim firmaya bırakılır.. Monitör Regülatör: Ana regülatörün yedeği sayılır. Herhangi bir nedenle ana regülatör arızalanırsa, monitör tabir edilen regülatör devreye girer. kinci regülatörden daha üst bir basınca ayarlandığı için, normal çalışma durumunda hemen hemen "ayarlama hareketi" yapmaz, ayarlandığı açıklıkta kalır. Fakat ana regülatör sürekli açma kapama yönünde "ayarlama" yapmak durumundadır. 7.5 Düz Geçiş Hatları (By Pass lines): Tasarımcının gerek görmesi halinde, işletme sırasında kritik eleman durumunda olacak, kontrol vanaları, regülatörler, akış ölçüm elemanları, ısıtıcılar gibi ekipmanların dışından ikinci bir akış hattı geçirilir. Noktalı çizgilerle gösterilen yangeçiş (bpass) hatları öneri mahiyetindedir. Bakım ve onarım sırasında, akışın bir süre kesilmesi sorun olmayacaksa, yangeçiş hatlarına gerek görülmez. 7.6 Pilot ve Hava Regülatörleri: Pilot, regülatör çıkış basıncını ayar basıncına göre kontrol altında tutan bir ön kontrol aletidir: Çakış basıncı P o yu sabit tutmaya çalışır. Hava regülatörü olarak ifade edilen ufak regülatörler pilotların besleme havasını temin ederler. Pilot yayı öyle ayarlanır ki, ana ve monitör regülatör istenen çıkış basıncını verecek şekilde çalışırlar. 7.7 Akış Ölçerler: stasyonun çıkışında, nereye ne kadar gaz verildiğinin bilinmesi en önemli konulardan biridir. Ölçüm biriminde akış olgusunu sezen (sensor), sinyali çeviren (Transmitter) okuyucu veya gösterici (Recorder, indicator) üçlüsü bulunur. Sezgi veya duyargalar iki genel kümede toplanabilirler. Hattın uygun bir yerinde basınç farkı oluşturan ve hat içine yerleştirilen aygıtlar vardır, bu aygıtların oluşturduğu basınç farkı mekanik veya elektro-mekanik aletlerle akış verisine dönüştürülürler. Hat içine yerleştirilen akış ölçüm elemanları aşağıda sıralanmıştır. 74

175 . Basınç farkı oluşturma esasına dayananlar: a) Orifis plakaları b) Nozullar c) Wenturi tüpleri d) Dirsekler e) Diskler f) Pitot tüpleri. Başka tür değişkenlerin algılanmasına dayanan akış ölçerler: a) Hızın algılanması ve magnetik alan oluşturulması (türbin metreler) b) Isı farkı (RTD lerin kullanılması) c) Ses hızının algılanması (Ultrasonik akış ölçerler) d) "Çevrimli" akışın algılanması (Vorteksler) Yukarıda çeşitleri sıralanan akış sezgi elemanlarının akış yolunda algıladıkları "bozucu etki", bir iletici tarafından gösterge veya kaydedici alete gönderilir. Akış değeri, aletin yapısına bağlı olarak mekanik veya elektronik olarak verilir. Orifis plakasının oluşturduğu DP, plakanın iki yanından alınarak körüklü ileticiye verilir. Burada, körüklerin büzülme genleşme hareketleri bir döner mil tarafından kaleme verilir. Grafik kağıdı 4 saatlik turunu tamamlarken kalem, DP miktarına bağlı körüklerin hareketleriyle, zig zag çizgiler çizer. Kalibresi yapılmış kağıt üzerinden, orifis katsayısı C kullanılarak akış miktarı hesaplanır. Q = Akış miktarı C = Orifis çıkış katsayısı h = Basınç farkı P f = Akış basıncı Q = C hp f Endüstride, gaz ölçümü, artık elektro-mekanik ve elektronik aletlerle yapılmaktadır. Gazlar sıkıştırılabilen akışkanlar olduğu için, basınç ve sıcaklık değişimlerine göre anlık hacim değişmelerinin ölçülmesi gerekir. Böyle bir ölçüm biriminde, basınç, sıcaklık, akış birlikte anlık olarak ölçülür ve genel gaz denklemine göre mikro-işlemciler tarafından hacimsel veya kütlesel debiler hesaplanır. Anlık geçişler (rate) ile toplam geçişler (Totalizer) aynı sayaçta, LCD (Liquid Cristal Display) üzerinde gösterilir. Gelişmiş elektronik akıllı sayaçlar, bilgisayar sistemiyle çalışır. Veriler, uzaktan, merkesikontol odasına gönderilir. 75

176 Sahada güneş pilleri ile enerjisağlanır. Örnek bir akış ölçüm bağlantısı şematik olarak aşağıda verilmiştir. Şekil 7.4 Elektronik gaz ölçümü Bu şekilde; TE : Sıcaklık sezgi elemanı: RTD ler, iki metalliler; özel akışkanlı kılcal tüple PE : Basınç sezgi elemanı: Bourdan tüpü, körük, diyafam... vb. FE : Akış sezgi elemanı : Orifis plakası, nozul, pitot tüp, Wentüri tüpü Vorteks PT : Basınç sinyal iletici (Pressure Transmitter) TT : Sıcaklık sinyal iletici (Temparature Transmitter) FT : Akış sinyal iletici (Flow Transmitter) FQI : Akış sayacı (Flow Quantity Indicator totalizer) Akış ölçüm elemanı montajında, eleman öncesi ve sonrası hat düzgünlüğünün verilen standartlara uyması gerekir, bu duruma özellikle dikkat etmek gerekir. Bir akış bozucu elamandan ne kadar uzağa monte edilecekleri imalatçı kataloglarında belirtilmiştir. Örnek: FE elemanı orifis 7.8 Basınç Emniyet Vanaları (PSV) : Borularda ve genel olarak hacim kaplarında anlık basınç yükseliminden ekipmanların zarar görmemesi için, mekanik yay yüklü vanalar kullanılır. Özellikle, buhar kazanlarında, 76

177 separatörlerde kullanılmaları standartlarca şart koşulmaktadır. Yaylı vanalarda, ayar cıvatalı milin yayı sıkıştırması veya gevşetmesi ile yapılır. API standard 56 ya göre Flanşlı Basınç Emniyet Vanalarının İsimlendirilmesi D orifice E Orifice F Orifice G Orifice H Orifice J Orifice K Orifice L Orifice M Orifice N Orifice P Orifice Q Orifice R Orifice T Orifice 0.0 sq.in 0.99 sq.in sq. in sq. in sq.in.87 sq.in.838 sq.in.853 sq.in sq.in sq.in sq.in.05 sq.in 6.00 sq.in 6.00 sq.in Orifis alan hesabı alttaki formüllerden biriyle yapılır. Burada, A: Etkin dışa atış alanı, inç kare (sq.in) W: Vananın içinden geçip dışarı atılan, debi, lb/h T: Mutlak sıcaklık, o R Z: Gaz sapma faktörü, F:Özgül ısılar oranı (Cp/Cv) C d: Vana imalatçısı kataloğunda yer alır, vana dışatım kat sayısı, P: Vana giriş basıncı (Ayar basıncı+üst basınç+ Atmosferik basınç) K v: Viskozite düzeltme katsayısı (,00<K v>0,00) M:Gazın mol ağırlığı V:Akış, scfm 77

178 K b:üst basınç düzeltme katsayısı G:Gaz özgül ağırlığı (Mg/Ma) standart basınçve sıcaklıkta (4,7 psia, 60 o F) Qv = Akış scfm, F = Özgül ısılar oranı (Cp/Cv) düzeltme faktörü (,04<F>0.00) P =Giriş basınç ayarı ( Set Pressure + Üst basınç + Atmosferik) psig, P = Çıkış basıncı, psig, CD = Dış atım katsayısı, imalatçı firmadan G:Gaz özgül ağırlığı (Mg/Ma) standart basınçve sıcaklıkta (4,7 psia, 60 o F) Örnek: W = lb/h (Sistemin gaz kapaistesi), T = 83 of (460+83=543 or), Z =0.96 (P=75 psig, T = 83 of), F =347 (F=(Cp/Cv) Basınç emniyet vanasının ayar basıncı: 97,5 psia, eğer basınçlı kabın (Separatör) basıncı 97,5 psia geçmeye başlarken vana otomatik açılır, fazla basınç dışarı atılır. M = 4.4 (CO gas), Kv =.00, 78

179 Vananın Orifis Alan Hesabı Vana yukardaki orifis alan listesine göre A alanı, M (3,60 inç) ve N (4,34 inç) arasında M<A<N : 3,6<3,8<4,34, bu durumda vana seçimi, büyük alanlı orifis olan N orifistir ve flanş bağlantısı 4 (Giriş)/6 (Çıkış) basınç sınıfı ANSI 50 yeterli olur. 79

180 Proses Kontrol Sisteminde Temel Cihaz ve Vanalar İsimlendirme, genel uygulamada, elemanların İngilizce adlarının birinci ve ikinci gerekirse üçüncü harfleri alınarak yapılır. PE : Pressure Element, PI:Pressure Indicator, TC: Temparature Controller, FV: Flow Valve, Le: Level Element. Gibi Basınç Sıcaklık Akış Seviye Duyarga Elemanı PE TE FE LE Gösterge PI TI FI LI Kontrol PC TC FC LC Kontrol Vanası PV TV FV LV 80

181 Kontrol Vanaları (PV,TV,FV,LV), gaz ve petrol veya başka akışkan proseslerinde kullanılan en önemli ekipmanlardandır. Kontrol vansının kimliği sıvılar için C v, gazlar için C g değeridir. Vana üretici firma kataloglarında her vananın C, Cg, Cv değerleri bulunur Debinin ağırlık birimiyle ifade edilmesi halinde 347 p W=,06 d pc g Sin derece C p Debinin hacim olarak ifade edilmesi halinde, P Q SCFH=C g P Sin GT C P Buradan C g çekilirse, P =Giriş basıncı, (psia) P= Basıncın düşümü (psi) G= Gaz göreli yoğunluğu (hava=,0) C = Gaz akış katsayısının, sıvı akış katsayısına oranı (=Cg/Cv) W=Gaz debisi (Ib/sa) dı= Gaz giriş yoğunluğu (Ib/ft 3 ) Ib= 0,453 kg = 35,8 psi= 0, bar bar=4,504 psi Örnek: P =000 psig=04,7 psia P=600 psi 8

182 Q=0 MM SCFH G=0,65 T=60 F (T=60+460=50 R) C =30 (Katalogdan seçilen) Çözüm: 8

183 VIII. BÖLÜM DOĞAL GAZ DAĞITIMINDA ARZ VE TALEP DENGESININ SAĞLAN- MASI VE GAZ STOKLAMA TESISLERİ 8. Doğal Gaz Tüketiminde Dalgalanmalar Ev ve binalarda ısınmak amacıyla kullanılan gaz miktarı oldukça fazladır. Isınma amacına yönelik olarak tüketilen gaz miktarında yazdan kışa büyük oynamalar olur. Yaz aylarında kalorifer kazanları, sobalar söndürülür; dolayısı ile gaz ihtiyacında önemli bir düşme olur. Bu olayın tersi, kış aylarında yaşanır. En soğuk aylarda, gaz tüketimi tepe noktasına ulaşır. Böylece gaz tüketim grafiğinde yaz ayları vadileri kış ayları tepeleri oluşturur, başka ifadeyle, yazları talep azalır, kışları artar. Kış ortalarında artan gaz gereksinimini karşılamak için, kullanılan yöntemlerden birisi gaz sahalarından daha çok gaz alarak boru hattını beslemektir. Gaz dağıtım şirketi kışın artan ihtiyacın karşılamak yazın da azalan ihtiyaçtan dolayı artık gaz durumuna gelen fazla gazı depolamak zorundadır. Doğal gaz tüketimi, bu bakımdan elektrik, su tüketimi gibi belli düzeyde seyretmez. Gaz dağıtım şirketlerinin işi, sadece boru hattı döşeyerek müşterinin evine ve iş yerine gaz vermekle bitmez, hem döşenen hattın sorunsuz çalışmasından, hem gazın ölçülmesinden, hem de ihtiyaç fazlası gazın depolanmasından sorumludur. Kışın gaz hatları tam kapasite ile çalışmak durumunda kalırken, yaz aylarında bu kapasite çeyreğe ya da yarıya düşer. Bu durum, sistemin verimsiz çalışması sonucunu doğurur. Boru hattı şirketleri sistemlerinin, tam kapasiteyle çalışmasını arzu ederler. Yaz aylarında, ihtiyaç fazlası gibi görünen gazı, daha ucuz fiyatla fabrikalara ve endüstri kuruluşlarına satarlar. Kış aylarında, ısınma amacına yönelik gaz ihtiyacı artınca, fabrikalara verilen gaz kesilir veya azaltılır. Fabrikalar da, kömür ve fuel oil kullanımına dönerler. Bu şekilde, doğal gazın, tüketiciler arasında devirli kullanılması bazı yararlar sağlar, şöyle ki: Doğal gazın depolanmasına gerek kalmaz. Fabrikalar yazları daha ucuz enerji kullanmış olurlar. Gaz dağıtım ve boru hatları şirketi ya da şirketleri her mevsim gaz satmış olacaklarından işletme sorunlarıyla karşılaşmazlar. Kışın, fuel oil ve kömürün fabrikalarda kullanılmasıyla, doğal kaynaklar, dengeli tüketilmiş olur. Ne var ki, yaz ve kış aylarında doğal gaz tüketiminde inişlerin ve çıkışların önlenmesi kolay olmaz. Bu sorun doğal gaz kullanan ülkelerin tümünde bulunur. Doğal gaz kullanılan ülkelerin çoğunda, kış aylarında artan ihtiyacı karşılamak için yaz aylarında ihtiyaç fazlası gazı çeşitli yöntemlerle depolarlar. En iyi depolama yöntemi, doğal 83

184 gazı yer altına basmaktır. Fakat bunun için hem uygun bir "kapan kayacına sahip rezervuar yapı" olacak hem de bu yapı kullanım yerine yakın bulunacaktır. Gaz depolama yöntemleri şöyledir: a) Boru hatlarında depolamak b) Yeraltında, aküfere (Yeraltı su içerikli rezervuar kayacı) depolamak. c) Doğal gazı propan içinde çözülmüş olarak depolamak. d) Doğal gazı sıvılaştırılmış şekliyle (LNG) depolamak. Değişik depolama sistemlerinde depolama birim fiyatları 974 dolarıyla şöyledir. (Bak kaynaklar ) Tükenmek üzere olan rezervuarlara depolama:... $ 0,70/m 3 $,75/m 3 Su tabakasında depolama:... $,88/m 3 Tuz formasyonlarında depolama:... $ 5,00ğm 3 LNG olarak depolama:... $ 460/m 3 Propan içinde çözülmüş olarak depolama:... $ 30/m 3 0 barda boru hattında depolama :... $ 700/m 3 Şekil 8. Yaz ve kış aylarında doğal gaz tüketiminde dalgalanma. Üst eğri boru hattı, alt eğri stok gazı grafikleridir. Bütün yıl boyunca doğal gaz kullanımının boru hattı ve stok gaz grafikleri birbirlerini tamamlayan sinüs eğrilir şeklindedir. Yaz aylarında, bir miktar gaz boru hattından alınarak 84

185 depolanır. Depolama şekli yukarıda belirtildiği gibi değişik olabilir. Kış aylarında artan ihtiyacı karşılamak için stoktan boru hattına çekiş yapılır. şehirlerde doğal gaz kullanımı günün her saatinde aynı olmaz. Gece ile sabah 6 arası en düşük sabah 7 den öğleden sonra 4 e kadar sabahki tüketimin yaklaşık iki katı, öğle sonrası 6 7'de tüketimin tepe noktasına erişmesi. Doğal gaz tüketim verilerinin zamansal grafikleri, stok kapasitesinin belirlenmesi bakımından yararlıdır. Veriler, günlük, haftalık, aylık grafikler halinde hazırlanabilir. Birçok ülkede, boru hattı şirketleri, ilk bahar ve yaz aylarında, kış hazırlıklarına başlarlar. Bu hazırlıklar şöyledir: Bakım Stoklama Ölçme Gaz kontrol İletişim Bir işletmenin başarı anahtarı bakımdır. Boru hattı bakımının en uygun zamanı yaz aylarıdır. Bakımda, vanalar; ölçü aletleri, kompresörler, separatörler, ısıtıcılar, kontrol aygıtları yerlerinde veya atölyede ele alınıp incelenirler, test edilirler. Her makinenin ve parçanın bakımı değişiktir. Genel olarak bir bakımda şunlar yapılır: Yerlerinden sökülemeyecek olanlar, oldukları yerde. a) Temizlenirler, b) Korozyon bakımdan incelenirler, c) Hareketli parçaları yağlanır. d) Fonksiyonel teste tabi tutulurlar. Bu tip makine veya yapılar, büyük vanalar; kompresörler, ısı değiştiriciler, pompalar v.b. dir. Yerlerinden sökülüp atölyeye alınabilecek olanlar, ölçü ve kontrol aletleridir. a) Temizlik, yağlama yapılır. b) Test ve kalibre edilirler. Bu arada, vana ve benzeri aygıtların elektriksel ısı kabloları kontrol edilir. Regülatörler ve pnömatik kontrol vanaları ya işlevsel teste tabi tutulurlar ya da atölyeye alınarak yatakları temizlenerek, gerektiğinde, aşınan yatak ağızları alıştırılır (Honlama). Basınç emniyet vanalarının testleri mutlaka gereklidir. Bu vanalar, atölyede, işletme basınç ve sıcaklığındaki proses akışkanıyla test edilirlerse en sağlam iş yapılmış olur. Boru hatlarının bakım ve testleri gerekebilir. Yaz aylarında azalan gaz tüketimi, bir kaç hattı devreden çıkarmaya olanak verebilir. Düzgün hatlar, tasarım basıncının,5 katı diğer hatlar, katı basınçla basınçlandırılarak test edilirler. Hat içinde katı ve sıvı 85

186 birikintilerinden kuşkulanılırsa, pig atılarak temizlik yapılır. Pig hava ya da proses gazı ile ötelenmelidir. Müşteri hatlarındaki sıvı birikintilerini sürekli gözlemek amacıyla, bu hatlar üzerine "çiğ noktası" (dew point) ölçü aleti monte edilmesinde yarar vardır. Ağır kış koşullarında, sık sık tamir bakım sorunlarıyla karşılaşmak için, bakım test ekibinin yaz aylarında tam yol çalışması gerekmektedir. 8. Boru Hatlarının Gaz Stoklanması Amacıyla Kullanılması Boru hattı şebekesi, geçici olarak, artan gaz ihtiyacını karşılamakta kullanılabilir. Kompresör istasyonları arasındaki ara hatlar 0 bardan 70 bar'a kadar basınçlandırılarak boru hatlarının bu bölümleri gaz depoları olarak kullanılabilir. Yalnız, bu şekilde depo edilen gaz, kış aylarında ortaya çıkacak olan artan ihtiyacın tümünü karşılayamaz. Boru hattına depo edilen gaz, günün ya da haftanın ihtiyaç sivriltilerine cevap verir. Bu bakımdan, hattaki basınç inişli çıkışlı olacaktır. Bir boru hattının stoklama kapasitesini belirleyebilmek için, değişken basınç koşullarında hattın toplam kapasitesini verecek bir bağıntının bulunması gerekir. Hattan gaz çekilişinin en az düzeyde tutulduğu zamanlarda, hat basıncı yükselecektir. Dolayısı ile çıkış basıncı tepe değerine ulaşacaktır. Bu koşullar altında çalışan bir hattan sağlanan gaz miktarı, günlük akış debisi ile en az akış debisi arasındaki farktır. Aynı şekilde, hattan gaz çekişinin fazla olduğu zamanlarda, hat basıncı, sabit debide en az düzeydedir. Böylece, kısa sürelerde, depolama görevini yaparak, gaz arzındaki tepe ve çukurları düzlemeye çalışmaktadır. Boru hattının müşteriye çıkış noktalarına basınç kontrol vanaları koymak suretiyle gaz akışındaki dalgalanmalar önlenir. Dağıtım istasyonlarından sabit basınç altında tüketiciye verilecek gaz ancak otomatik kontrol yoluyla gönderilmelidir. Weymouth denkleminin, değişken akış koşullarında boru hattı kapasitesinin belirlenmesinde kullanılması: Basınç farkı karelerine göre düzenlenirse: 86

187 Herhangi bir basınç: [ KL ] 0, 5 P = + P dl uzunluğundaki dv hacmi dv = 580dLA 580 ft mil = mil x = 580 ft = 609 m mil Boru kesit alanı: Çap D in πd A = 4 biriminde verilirse ft (in ft ) x 44 in πd = (ft 4x44 biriminde alan A : ) = 545,4 x 0-5 D (ft ) Çap D in biriminde verilirse m A = 545,4 x 0-5 D (ft m ) 0,764 (ft biriminde ) = alan A : 50,66 x 0-5 D ( m ) NK'da dv hacmi dv= Hattın belli bir bölümünü ifade eder, (m 3 ) dl= Hattın belli bir uzunluğunu ifade eder (mil) A= D (in) çapındaki hattın kesit alanı, m biriminde dv = PT s 3 ( 609 dla) ( std.m ) P T L boyundaki hattın hacmi L ATs V = dv = 609 P T A: m 0 s b L 0 PdL 87

188 T: K P: atm L: mil ( Eğer mil uzunluk birimi yerine doğrudan m kullanılırsa, 609 m/mil çevirme sayısı ortadan kalkar, formül SI birimine göre yalınlaşır.) P nin eşitini bulmak için bx + a dx = bx + a 3b 3 ( ) ( ) integral kuralı uygulanıyga : Elde edilen hacim formülünde L 'nin 0 ve L değerleri yerlerine konur. V = V = AT s s P T ATs P T s 3K 3K ( KL + P ) - ( 0 + P ) ( KL + P ) 3/ 3K P 3 3/ 3 3 ( KL + P ) 3/ P ( m ) ATs V = 3 Ps KT Hattın birim uzunluğuna düşen, basınç farkları karesi: P K = P L K nın ve A nın değerleri elde edilen sonuç formülünde yerlerine konursa: V = ( 0,54) P s D s ( P P ) T L P P T L L + P 3 - P 3 ( m ) 88

189 Formülün başına C birim çevirme sayısını koyarsak formülü genelleştirmiş oluruz. Aşağıda tabloda SI ve İngiliz birimlerinin kullanımına göre C nin değerleri verilmiştir. V = D TsL P P ( C) P + P P T s P + P V D T L P C SI m 3 m K m atm 0,54 İngiliz ft 3 in o R mil psi 9, Weymourth formülünden türetilen 9, katsayılı İngiliz birimlerinin ve SI birimlerinin kullanıldığı formüler değişken akış koşullarında, boru hattı kapasitesini verirler. Burada: Formülde çok veya az akış koşullarını ayırmak için : Şeklinde yazılarak formülün hangi koşula, uygulanacağı belirtilmiş olur. 89

190 Soru: Boyutları D = 0 in, L = 30 mil olan boru hattından ortalama akış koşullarında günde 35,3 MMSCF(= m 3 ğ/ün) doğal gaz 3,5 bar ( 50 psia) çıkış basıncıyla verilmektedir. En düşük akış miktarı 7MMSCF (= m 3 /gün) dür. Gaz göreli yoğunluğu 0,60 ve standart koşullar T s = 5 (~ 60 F), P s =,035 bar'dır. Az akış (Gaz talebinde düşüş) koşullarında, hat başı basıncında bar lık artış olması halinde boru hattı kapasitesi ne olur? Çözüm: a) P basıncının hesaplanması (Z o= 0,94 alınacak) Q h T = 8,06 P s s ( P P ) D GLTZ o = 8, , ,33 = 358,37 6/3 0,5 6/3 ( P ( 50) ) 0 ( 0,6)( 30)( 50)( 0,94) 0,5 0,5 0,5 [ P 500] ( P 500) 465, 5 = ( 465,7) P = 6 878, ,57 P 500 = = P = 9 378,57 b) Az akış koşulları (Talep az iken)nda ortalama debi: Q or Q = + Q 35,3 + 7 = 3 Qo =,5 MMSCFD ( Nm / g) 90

191 Az akış koşullarında (Düşük talep), P basıncı bar arttığına göre ' P = P + bar = 3,9 + = 34,5 bar Az akış koşullarında ortalama debi de hat çıkış basıncı ne olacaktır? Veriler Weymouth denklemine konur ve P ', hesaplanır. P ' nin bulunmas ı: = 4 (50) 4,7 ( 8,06) ' [( 497,37) P ] 0, = 3 3,66 7,734 = = ' ( 497,34) ( P ) 0,5 ' ( 497,34) ( P ) ( 0) ( 0,6)( 50)( 30)( 0,90) 6 / 3 ' ' ( 497,34) ( P ) ( P ) = = Aşağıda boru hattının akış koşullarına göre giriş çıkış basınçları şematik olarak gösterilmiştir. 0,5 9

192 c) Az akış koşullarındaki boru hattı hacmi V V ' ' ' D Ts L = 9,0 Ps T = 9,0 ' ' ' ' P P ( P + P ) ( 0) ( 50)( 30) ( 4,7)( 50) V = 69 05,98 SCF = ' ' P + P 497,4 + 45,88-3 ( 76 77,0 Nm ) d) Normal akış koşullarında boru hattı hacmi V = 9,0 ( 0) ( 50)( 30) ( 4,7)( 50) ( 468, ) V = ,56 SCF ( =5 555,08 Nm 3 ) ( 497,4)( 45,88) 497,4 + 45,88 ( 468,37)( 50) - 468,

193 e) Boru hattının değişken basınçlar ( P miktarı ' P, ' P P ' 3 V = V V V = , 67 SCF (3 708,48 Nm 7..3 Boru Hattı Gaz Dolum Hacim Hesabı ) altında stok edebildiği gaz ) V = D Ts L P P ( C) P + P P T s P + P 6" Satış Hattı Dolum Kapasiyesi C D (in) D (m) Ts (K) T (K) Ps (atm) P (atm ) P (atm) 0,54 6 0,54 88,5 88,5 0,5 0, ,5, ,5 0, ,5, ,5 0, ,5,5 0,5 0, ,5, ,5 0, ,5, ,5 0, ,5, ,5 0, ,5,5 0 0 L (m) V (m3)

194 " Satış Hattı Dolum Kapasiyesi C D (in) D (m) Ts (K) T (K) Ps (atm) P (atm) P (atm) L (m) V (m3) Toplam (m3) 6" ve " 0,54 0, ,5 88, ,54 0, ,5 88, ,5 4 0, ,5 88, , ,304 88, 5 88, ,54 0, ,5 88, ,54 0, ,5 88, ,54 0, ,5 88, ,54 0, ,5 88, Açıklamala r:. Gaz dolumu ve hat sıcaklığı 5,5 C de. Hattın tam dolumunda P ve P (Hattın her iki ucundaki basınçlar eşit). Değişen şartlara göre (Basınç ve sıcaklık ) hesap yenilebilir. Gaz Akışı Otomatik Devresi Şekil 7. Değişken debi ve basınç koşullarının otomatik olarak sağlanması 94

195 Doğal gaz tüketiciye ulaştırırken, işletme koşullarının yetersizliğinden dolayı ortaya çıkacak sorunlar olmamalıdır. Gaz dağıtım sistemi otomatik olarak yönlendirilmelidir. Besleme hattı gaz talebine uygun olarak kapasitesini artırmalı veya düşürmelidir ki, böylece, iniş ve çıkışlar düzlenmiş olsun. Şeklin açıklanması: P basıncı ile kompresör besleme tankı (V)na alınan gaz, basıncı yükseltilerek L, D boyutlarına sahip boru içine basılacaktır. P basıncı, gazı L boyunca ötelemeyecek kadar düşükse, bir C kompresörü ile basıncın P 'e çıkarılması gerekir. C kompresörü, sürtünmeye karşı P basıncına kadar düşmüş basıncı P 'e yükselten ara kompresör olabilir. Eğer, P basıncı hattı besleyebilecek kadar yüksek ise o durumda C kompresörüne gerek olmaz. Örneğin, doğal gaz kuyuları, boru hattını yüksek basınçla devamlı besleyebilirlerse, hat üzerine bir kompresörün konmasına gerek kalmaz. Bu durum, gaz kuyularının tüketim bölgelerine yakın olduğu yerlerde geçerli olabilir. Fakat pratikte, gaz kuyuları ile tüketim bölgeleri arasındaki uzaklıklar kilometrelercedir ve gaz basıncı, sürtünme, elevasyon farkı (yer çekimi etkisi) gibi nedenlerle düşebilir. Bu yüzden hat üzerine, uygun aralıklara basınç kuvvetlendirici kompresörler monte etmek zorunlu hale gelir. Kompresör çıkışı PIC B ile basınç kontrol altında tutulur. P basıncı hat tasarım basıncını aşmamalıdır. PIC B kontrol aygıtı, yan geçiş (by pass) kontrol vanasına kumanda eder. L hattındaki basınç, P çalışma basıncını aşınca vanayı açtırarak gazın girişe verilmesini sağlar. Böylece hat basıncı P düzeyinde tutulmaya çalışılır. Eğer hat çıkışından gaz alınmazsa, hat geriye (başa) doğru basınçlanabilir. Bunu önlemek için, fazla gelen gaz, bir başka kontrol vanası ile stoklamaya verilebilir. PIC A kontrol aygıtı, kompresör giriş basıncının üstündeki gazın stoklamaya ayrılmasını sağlayacaktır. Hat çıkışında elektronik akış ölçeri ve kontrolü bulunmaktadır. FIC göstergeli akış kontrol aygıtı olarak tüketici bölgesine (bölgelerine) giden gazı ölçtüğü gibi akış kontrolü de yapmaktadır. FIC, tüketicinin talebine bağlı olarak kontrol vanasının açılmasını sağlayacaktır. Eğer, az gaz isteniyorsa vanayı kapatmaya, çok gaz isteniyorsa açmaya çalışacaktır. Günün bazı saatlerinde gaz talebi az olabilir. Örneğin geceleri, boru hattı geriye doğru şişebilir. Fakat akşam saatlerine doğru artan talebi karşılamak için boru hattında yedeklenen gaz tüketicinin hizmetine sunulur. Durumu bir örnekle belirtelim: FICI nin çalışma noktası: Nm 3 /sa PIC B nin çalışma noktası: 3 bar mutl. 95

196 PIC A nın çalışma noktası: 3 bar mutl. Bu çalışma noktaları sadece örnek olsun diye verilmiştir. Gerçek değerler, tasarım verilerine, işletme koşullarına göre değişir. Bu sistemde, koşulları belirleyen aygıt FIC olacaktır. FIC nin çalışma noktası en çok gaz tüketimine göre seçilmiştir. FIC nin çıkış kontrol sinyaline göre gaz debisinin nasıl değişeceğine bakalım. Önce FIC nin çalışması konusunda kısa bilgi verelim. FIC, akış elemanı FE'nin sağladığı akış sinyalini alır. FE, herhangi bir açıp elemanı olabileceği gibi, delikli plaka (orifis) veya türbin olabilir. FIC, ayrıcı, PT ve TT den gelen basınç ve sıcaklık değişim sinyallerini de algılamaktadır. Böylece, gaz denkleminde, P, T, Z den debiyi (Q) hesaplamaktadır. Bu işlevi yerine getirebilmesi için FIC nin elektronik bir aygıt olması gerekir. FIC nin kontrol mekanizması, akış miktarına göre vananın açılır kapanmasını sağlayacaktır. Vananın, normal haldeki konumuna göre FIC nin ters yada doğru orantılı sinyal üretmesi istenir, bu durum tümüyle tasarıma (design) bağlıdır. Örneğin, vana üzerinde hiç bir kumanda sinyali yokken açık mı olmalı ya da kapalı mı olmalı? Bu, tasarımcının sistemin tamamını göz önüne alarak seçmek zorunda olacağı bir konumdur. Vana ya açık ya kapalı konumda olacaktır. Başka seçenek yoktur. tasarımcı şunu göz önüne alır. FIC arızalandığı ya da elektrikler kesildiği an, vana hangi konumda kalmalıdır? Tam açık kalırsa ne olur, tam kapalı kalırsa ne olur? Elektriklerin kesilmesi, hat üzerinde bulunan tüm aygıtları durma noktasına getirecektir. Öyle ise, vana da kapalı kalsın denebilir ve tasarımcı, normal halde kapalı vana (NC: Normally Close) vana seçebilir. Vana normal halde kapalı ise, kumanda sinyali ile açılacaktır. Böyle bir vana, artan akışla doğru orantılı olarak üretilen sinyal ile çalışacaktır. Çalışma noktasına göre sinyal düzeyi, akış miktarı şöyle olacaktır: Elektronik Pnömatik Vana sinyal sinyal konumu (FT) (FIC) (FY) Açıklamalar 4 ma 3 psi kapalı talep yok 8 ma 6 psi % 5 açık % 5 talep ma 9 psi % 50 açık % 50 talep 6 ma psi % 75 açık % 75 talep 0 ma 5 psi % 00 açık % 00 talep FIC nin çalışma noktası en yüksek gaz tüketimine göre seçileceğinden, müşterinin gaz talebi arttıkça, boru hattından besleme yapılacak, talep azaldığında vana kapanmaya yönelecektir. FIC nin ürettiği elektronik sinyal P/I çevirici ile pnömatik sinyale çevrilebilir ve 96

197 diyaframlı kontrol vanalar çalıştırılabilir. Çizilen sistemde FIC nin içinde veya ona ek olarak ma basınç çevirici olduğu varsayılmıştır. Değişken basınç, akış koşullarında, gaz tüketimi ve stoklamayı otomatik olarak yapacak sistem, kitabın yazarı tarafından bir örnek olarak tasarlanmıştır. Başka tür seçeneklerin olması mümkündür. Sistemin tam otomatik çalışması için, stoklamaya alınan gazın, artan talebi karşılamak için tüketim hattına otomatik olarak akış yapması sağlanabilir. Böylece sistem tüketim hattı ile stoklama arasında kapalı bir devre haline gelecektir. 8.3 Eski Gaz üretim Kuyularının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması Uzun süreli talep artışlarını karşılamak için daha büyük hacimde gaz stoklamak gereklidir. Gaz dağıtım şirketleri doğal gaz satan yabancı ülke şirketleri ile yılda şu kadar gaz satın alacağım şeklinde bir anlaşma yaptıkları için, en azından anlaşmada yer alan miktardaki gazı satın almak durumundadırlar. Seçilen gaz miktarı öngörülen talepleri karşılayacak kadar olmalıdır. Böyle bir anlaşma ile gaz satın alan bir şirket, yaz ve kış, müşterilerine istedikleri kadar gazı verebilmek için dağıtım ve stoklamayı sıkıntı yaratmayacak şekilde yapmalıdır. Ayrıca gaz tüketimi, aydan aya yıldan yıla artabilir. Kış aylarında talep fazlalığından gaz yetersizliği, yaz aylarında da talep azlığından dolayı gaz fazlalığı olacaktır. Aylarca sürecek böylesine bir talebi yazdan depolanan gazla karşılamanın yolları bulunmalıdır. Gaz tüketimindeki dalgalanmalar sadece yaz ve kış aylarında görülmez. Günlük, haftalık, aylık olarak da değişir. Gaz tüketimindeki dalgalanmaların nedenleri ve zaman dilimleri şöyle özetlenebilir. Günlük Dalgalanmalar Haftalık Dalgalanmalar Yıllık Dalgalanmalar Vakit Konutlar İşyerleri Vakit Konutlar İşyerleri Mevsim Genel Talep Gece Düşük Minimum Hafta içi Orta Yüksek Kış Yüksek Sabah Yüksek Yüksek Hafta sonu Yüksek Düşük Yaz Orta Akşam Yüksek Orta Baharlar Orta Öğle Orta Orta Yeraltına, gaz stoklamada en büyük sorun, gazın enjekte edilebilecek yapıyı bulmaktır. Bu yapı, kullanım bölgelerine yakın olmalıdır; aksi halde, boru hattı maliyetleri ile ekonomik olmaktan çıkar. Doğal gaz, gözenekli ve geçirgen yapıya sahip doğal kayaçlara, kum rezervuarlarına enjekte edilebilir. Bu yapılar tükenmiş petrol ve gaz rezervuarları olabilir. Rezervuar suyu içeren kayaçlar (aküfer)a da gaz stoklamak olasıdır. 97

198 Birçok gaz rezervuarları genellikle dört sıradan oluşurlar. a) Kalıntı gaz (Kurtarılamayan gaz) b) Enjekte edilen yatak gazı c) Devirli gaz d) Kullanılmayan gaz "Kalıntı gaz" olarak ifade edilen gaz, gaz üretim sahalarında, rezervuarda kalan üretilemeyen "rezervuar terk gazı" dır. Terk gazına sahip bir stoklama rezervuarına sahip olmak oldukça yararlıdır. Çünkü az bir yatak veya taban gazı ile rezervuarı doyurmak yeterli olabilir. Terk gazı ya olur, ya olmaz, fakat varolması stoklama işini kolaylaştırır. "Devirli gaz", rezervuarda belli bir hacimde her zaman üretime hazır olan gazdır. Bu gazı üretebilmek için rezervuarın en azından bir "P" basıncına sahip olması gerekir. Bu basınç, "terk gazı, "yatak gazı" ve "kullanılmayan gaz" ile sağlanacaktır. 98

199 Yatak veya taban gazı rezervuarı P basıncına kadar çıkaran gazdır. Kalıntı gaz yoksa, yani tamamen gaz içermeyen bir kapan varsa, bu kapan kayacına belirli miktarda gaz dışardan kompresörle basılır. D derinliğinde, h yüksekliğinde, r yarıçapındaki rezervuar P basıncına ulaşıncaya kadar gaz ile şişirilir. Bu gaz daha sonra basılacak gaz için doğal basınç olacaktır. Kullanılmayan gaz, yedekte kalan gazdır, fakat aşırı tüketimde bu gaz da çekilmiş olabilir. Devirli gaz, rezervuara enjekte edilen ve zamanı gelince geri üretilen gazdır. Bu gaz, yaz aylarında, rezervuara basılır ve kış aylarında, geri üretilir. Böylece, gaz dağıtım sisteminde denge tutturulmuş olur. Basma işi, kompresörle gerçekleştirilerek, P basıncındaki rezervuar P' basıncına ulaşıncaya kadar gazla doyurulur. Kuyu, kışın üretime çevrilir, basma hattı kapatılır, kuyudan alınan gaz P' basıncından P basıncına düşünceye kadar boru hattını beslemeye devam eder. 99

200 Şekil 8.3 C) Gaz stoklama rezervuarı ve üretim/enjeksiyon kuyusu Gaz stoklanmasında kullanılabilecek yapılar şöyledir: Tükenen petrol ve gaz kayaçları Su içerikli kayaçlar (Aquifer) Maden mağaraları Erimiş tuz mağaraları Kömür madeni mağaraları Atom bombasıyla açılan mağaralar Yukarıda sayılanların içinde en uygun olanları doğal olarak zaten var olan petrol ve gaz rezervuarlarıdır. Ekonomik olmaktan çıkmış veya azalmış petrol ve gaz rezervuarları hazır halde gaz depo yerleridir. Türkiye'de eğer gaz depolama olayı gündeme gelirse, Trakya da 00

201 Hamiabad doğal gaz sahası bu amaçla kullanılabilir. Çünkü, ana boru hattı, Trakya'dan geçerek Anadolu ya ulaşmaktadır. Gaz stoklamaya uygun bir yapı: Artan gaz tüketimini destekleyecek yeterlikte hacme sahip olmalıdır. Stoklama kayacı, gözenekli, geçirgen olmalıdır. Gazın, göz etmesini, kaçmasını, basınç kaybına uğramasını önlemelidir; öyle ki, hazne olan kayacın üstü geçirimsiz kubbemsi bir yapı, kapan kayacı (Cap rock) ile korunmalıdır. Yatay sığ bir katman yerine, düşey yönde kalın bir katman olursa daha çok gazın depolanmasına olanak verir. Jeolojik kapan şeklinde olmalı ve gazın yanlardan yatay yönde kaçmasına izin vermemelidir. Taban suyuna sahip olmamalıdır, eğer bu kaçınılmazsa, su rezervuarda kontrol altında tutulabilmelidir. Sıvı halde hidrokarbonları içermemelidir. Bazı durumlarda, rezervuardaki su, stok edilen gazın üretiminde işe yarayabilir. Taban suyu, gazın kaçmasını önleyeceği gibi, gaz geri üretime alınırken, alttan öteleme hareketi yapar ve rezervuar basıncının düşmesini önler. Bir çok gaz sahası, gaz stoklama amacına, çok büyük hacimleri nedeniyle uygun değildirler. Çünkü böyle rezervuarları P basıncı kazandırabilmek için tahminlerin ötesinde "taban gazı basmak gerekir. Bu nedenle, her gaz rezervuarı, doğal gaz stoklamasında kullanılamaz. T = Rezervuar sıcakılğı, R T s = Yerel standart sıcaklık, 50 R (=60 F = 5,5C ) Z = Ideal gazdan sapma faktörü GIP in değerini, Nm 3 olarak hesaplamak istenirse: A B P T,, GIP P T :m : m :bar : K : Nm 3 GIP = Ahφ PT s ( - Sw ) Ps TZ olur. 0

202 GIP, rezervuarda bulunabilecek toplam gazı ifade etmektedir. Bununla birlikte, geliştirilmiş stoklama projelerinde, bu gazın ancak % 50 si, tepe gereksinimlerini karşılar. Geriye kalan % 50 yatak (taban) gazı olarak yerinde kalır. Taban gazı, normal devirli gaz basma çekme aşamasında üretilmez ama, rezervuarın heterojen yapısına bağlı olarak, terk etme sırasında % 0 den % 75 e kadar kısmı alınabilir. Gaz stok rezervuarlarının tasarım basınçları 0,097 bar/m (0,43 psi/ft) den 0,76 bar/m (0,5 psi/ft) arasında bir basınç gradiyentini karşılamalıdır. 0,5 psi/ft'e çıkması, tuzlu su yoğunluğunun,0 den, g/cm 3 değişmesidir. 000 m derinlikteki bir stok rezervuar için tasarım basıncı: bar 0,76 x000 m = 7,6 bar = 705,6 psi olabilir. m Stoklamaya uygun gaz rezervuarlarının olmadığı yerlerde, başka tip stok rezervuarları gündeme gelir. Terk durumuna gelmiş petrol rezervuarları, gaz stoklamaya uygun olabilirler. Stoklanacak gazın hacmi dikkate alınarak rezervuar kapanı seçilir. Doğal gaz basılarak bir yandan üretim yapılır, böylece, üretilemeyecek durumdaki petrol, basılan gazın ötelemesiyle kazanılır. Gaz basımına ve geri üretimine devam edilerek, gözeneklerden petrol süpürülür. Bu yöntemle, hem gaz depolanır hem de üretilemeyen petrol çıkarılır. Fakat bu tür rezervuarların kullanılışı, yer üstünde gaz petrol ayırma sistemlerinin kurulmasını gerektirir. Yeraltı stoklama tekniği, özellikle gaz ve petrol üretim sahalarında, artık tükenmeye yüz tutmuş terk edilmiş veya edilecek rezervuara gaz basılmayla başlanır. Kayaç gözenekleri doğal gaz ile doldurulurken, pompa, yoluyla üretilemeyen petrol de emilir. Böylece, önce taban gazı sağlanır ve petrol rezervuarı doğal gaz deposuna çevrilmiş olur. Artık üretim yapmayan eski gaz rezervuarları da en iyi doğal gaz depoları olabilirler. Yeraltı stoklamasının bazı ölçütleri: Doğal gaz rezervuarlarında kullanılan her türlü kavram, yöntem, öngörüler ve uygulamalar, stoklama amacıyla kullanılacak rezervuar için de geçerlidir. İrdelenecek veriler şöyle sıralanabilir: Stok kapasitesi Tasarım basıncı Basma ve çekme süresince basınç hacim ilişkisi. Normal koşullarda akış debisi En düşük ve en yüksek (peak) debi Bu verilerin irdelenmesi, stok yeri olarak seçilen rezervuarın amaca uygunluğuna bağlıdır. P basıncında taban gazı daima rezervuarda kalacaktır. Taban gazının üstündeki gaz üretilecektir. 0

203 Su ve petrol rezervuarlarının gaz stok rezervuarı olarak kullanılması işlemi daha karmaşıktır. Herhangi bir gaz rezervuarında bulunan gaz verilen şu formülle hesaplanır: Burada: GIP = P s T s de yerinde gaz miktarı, Std ft 3 (Standart koşullar, P s T s ) A = Rezervuarın alanı, acre ( acre = ft ) = 4046,9 m ) h = Ortalama rezervuar kalınlığı (yüksekliği) ft (m = 3,8 ft) Vg φ = Ortalama kayaç gözenekliliği φ = = % V V V g = Gözenek hacmi V= Kayaç hacmi S w = Gözeneklerdeki ortalama su yüzdesi P = Rezervuar basıncı, psia P s = Yerel standart basınç, deniz yüzeyinde, 4,7 psia Yerüstü sistemleri: Kuyubaşı ısıtıcılı separasyon düzeneği Sıvı toplama tankları ve pompaları Separatörler Gaz basımı petrolle birlikte geri üretimi devam ettikçe, süpürme olgusunun etkisiyle, giderek daha temiz gaz alınmaya başlanır. Ayrıca, rezervuarın, gaz kapasitesi de artar, çünkü, petrolün çıktığı gözenekler gaz ile dolmaya başlar. 9.4 Su Rezervuarlarının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması Terke hazır petrol ve gaz rezervuarlarının olmadığı ya da gaz kullanım yerlerinden çok uzaklarda yer almaları dolayısı ile ekonomik yönden uygun bulunmadıkları durumlarda yeraltı su içerikli kayaçlara başvurulur. Böyle yapıların, üstten ve alttan basılacak gazı kaçırıp kaçırmayacakları test edilir. Açılacak inceleme kuyuları ile yapının jeolojik özellikleri belirlenir. Haznenin gözenekliliği, geçirgenilği, hacimsel kapasitesi, kapan kayaçlarının 03

204 geçirimsizlik durumları elde edilir. Yapının özellikle kubbemsi (dome) olması ve aküfer (su kayacı)in her yandan geçirimsiz katmanlarla sınırlanması istenir. Su rezervuarı (Aküfer) nın saptanmasında, jeo fizikçiler, yeryüzü bulgularından, maden yapı haritalarından, su kuyularının verilerinden, gaz petrol araştırma kuyu verilerinden ve jeofizik verilerden yararlanırlar. Bir kapanın varlığı saptandığında, dikkatler; kubbeyi örten örtü kayacına yönelir ve gazı kaçırmayacak kadar geçirimsiz olup olmadığının belirlenmesi amacıyla testler yapılır. Kazılan inceleme kuyusundan alınacak kayaç örnekleri Laboratuarda gaz geçirimsizliği bakımından testlere tabi tutulur. Örtü kayacı geçirimsiz ve hazne kayacı hem gözenekli hem geçirimli bulunursa, böyle bir yapı doğal gaz stoklamaya elverişli görülebilir. Ayrıca, inceleme kuyusunun açılması sırasında, örtü kayacının üstünden ve altından alınacak su örnekleri benzerlik göstermezse, örtü kayacının sızdırmaz olduğu varsayılabilir. Bununla birlikte, kayaç örnekleri Laboratuarda gaz ile test edilmelidirler. Örtü kayacının su çekimi veya gaz enjeksiyonu ile test edilmeleri rezervuarın gerçek yapısı hakkında bilgi verecektir. Böyle bir testte, üç kuyu açılır. a) Örtü kayacının üstündeki formasyona inen kuyu b) Su testinde adet su çekme adet gözlem kuyusu olmak üzere adet kuyu, gaz testinde adet enjeksiyon kuyusu, adet gözlem kuyusu olmak üzere adet kuyu su rezervuarı (aqifer)na kazılır. 04

205 Şekil 8.4 Örtü kayacın geçirimsizliğinin belirlenmesi amacıyla yapılan su testi. Su testinde, su, hazneden dışarı çekilir. Bu iş yapılırken diğer kuyularda su seviyesi gözlenir. Örtü kayacının üstündeki formasyona inen kuyu içindeki su seviyesinde değişme olmaması, örtü kayacının geçirimsizliğini gösterir. Yalnız, bu testte dikkat edilecek husus, ΔZ nin oldukça ince tabaka olarak bırakılmasıdır. Kuyular yan yana olacak ve DZ oldukça sığ tutulacaktır. Gaz enjeksiyonu yolu ile örtü kayacı şöyle test edilir. Su hazne kayacına açılan kuyudan gaz basılır, biri örtü kayacının üzerine, diğeri hazne kayacına iner. İki kuyudaki su seviyeleri gözlenir. Eğer, geçirimsizlik varsa, örtü kayacının üstündeki kuyu su seviyesinde değişme olmayacaktır. Kuyuların derinlikleri 500 m. den 700 m. lere kadar olabilmektedir. 05

206 Şekil 8.5 Gaz enjeksiyonu yolu ile örtü kayacının geçirimsizlik testi Gaz enjeksiyonu aşamalı olarak başlatılır. Su haznesi kayacı (aquifer) nın orijinal basıncı üzerine 7 3 bar lık gaz basılır, bu sırada, örtü kayacının üstündeki formasyona kazılan kuyu içindeki su seviyesi gözlenir, eğer gaz kaçağı yoksa bu seviyede değişme olmaz. Su haznesine inen diğer gözlem kuyusunda, seviye yükselmesi gözlenmelidir, ayrıca bu kuyudan basınç bilgisi de elde edilebilir. Gaz basma testinde, basınç gradiyenti 0,47 bar/m den az tutulmalıdır. Daha doğrusu, 0,43 bar/m yi aşmamalıdır. Su haznesi kayaçların doğal gaz stoklamasında kullanılması durumunda, bu hazneye basılacak gaz, önce serbest suyu sonra gözeneklerdeki suyu öteleyerek kendine yer açacaktır. Gazın dağılımı, homojen bir kayaçta, iç içe geçen küreler şeklinde tasarlanabilir. Iç küre, tamamen doğal gazdan oluşurken, bu küreyi çevirin ikinci küre, su ve gazı birlikte içeren iki fazlı bir yapı özelliğini gösterir. En dış küre ise, ötelenmiş yoğun su tabakası durumunda olacaktır. Su haznesi kayaçların doğal gaz stok haznesi olarak kullanılması durumunda: Gaz enjeksiyon kuyusu veya kuyuları 06

207 Gaz enjeksiyon kompresörü veya kompresörleri Gözlem kuyusu veya kuyuları. Gazın geri üretiminde, gazla birlikte gelebilecek serbest suyun veya su buharının ayrılması için üretim separatörü... ve benzeri yapıların bulunması gereklidir. Doğal gazın içinde varolabilecek su buharı gazın ısıl değerini düşürür, çünkü, gaz yakılırken bir miktar ısı, suyun buharlaşıp uçması için harcanır. Bu nedenle, geri üretilen gazın oldukça "kuru" olması için, sisteme bir su emici glikol kulesi eklenebilir. Glikol, su zerreciklerini bünyesine alan etilen türevi bir bileşiktir. TEG (Triethylene Glycol) kısaltmasıyla gösterilir. 8.5 Tuz Mağaralarının Doğal Gaz Deposu Olarak Kullanılması I. Dünya Savaşı sırasında, Almanya'da, ilk defa, bir tuz kayacında eritme yöntemiyle açılan mağara, hidrokarbon deposu olarak kullanılmıştır. O zamandan beri, tuz kayaçlarının eritilmesiyle açılan mağaraların, Kanada, ABD ve Danimarka gibi ülkelerde depo olarak kullanılması gerçekleştirilmiştir. Tuz mağaralarına sıvı hidrokarbonları (Etilen, propan) depolamak pratik bir yöntem haline gelmiştir. Bir tuz mağarasının açılması, kontrollü olarak, içme suyunun, tuz kayacına basılması ve eritilen tuzun ikinci bir kuyu ile yeryüzüne çıkarılması ile gerçekleştirilir. Yeraltı tuz mağaralarına doğal gaz depolama tekniğine Danimarka örneğini verelim. Konuya girmeden önce, bu ülkede doğal gaz üretim ve tüketim durumlarına kısaca değinelim. Danimarka'da doğal gaz, diğer Avrupa ülkelerine göre henüz yeni bir enerji kaynağıdır. 979 yılında, Danimarka Parlamentosu, doğal gazın kullanımıyla ilgili kararı alır. Danimarka gaz sahalarından 984 den itibaren üretim yapılmaya başlanır. 979 da, Dansk Naturgas ve Danish Underground Consortium arasında, A,P. Moller, Shell ve Texaco'nun ortaklıkları da sağlanarak 5 yıl süreli, milyar m 3 debiyle, toplam 55 milyar m 3 (,9 Tft 3 ) doğal gaz için anlaşma yapılır. Danimarka gaz iletim sistemi şunlardan oluşuyor: Kuzey denizinde, Duc Tyra denilen yerden, batı sahilinde Nybro'daki gaz işleme tesislerine kadar 37 mil'lik boru hattı. Nybro'daki gaz işletmeleri. Doğudan batıya, kuzeyden güneye, Danimarka'yı saran ölçme ve ayar istasyonlarını içeren taşıma hatları Boyutları 30 in 0 km olan ve 40 bar'a kadar basınçlandırılabilecek boru hattının doğal gaz deposu olarak kullanılması. Bu hattın depo olarak kullanım kapasitesi, yaklaşık 7 milyar m 3 /yıl dır. 07

208 Nybro'daki gaz işletmesi, basınç düşürme ve ölçüm istasyonları ile H S, su ayırma ünitelerini, H S yakma bacasını içermektedir. Gaz arıtma ünitesinin kapasitesi, 0,9 milyon m 3 /gün dolayındadır. Hidrojen sülfürsüz gaz kapasitesi milyon m 3 /gün dür. 600 km'lik kara boru hattı (deniz boru hatları da var) Maksimum 80 bar lık tasarım basıncına sahiptir. Doğuda, Danimarka gaz iletim hat sistemi, İsveç sistemine, güneyde Alman Sistemine bağlanır. İletim hatları boyunca 36 adet ölçme ve kontrol istasyonu yer alır. Bu istasyonlarda, basınç 80 bar'dan 40 veya 9 bar'a düşürülür ve kokulandırma yapılır. Gaz, bölgesel dağıtım şirketlerine teslim edilmeden önce ölçülür. Konunun başında da belirtildiği gibi, Danimarka, gaz stoklama yerleri, Jutland'ın kuzeyinde bulunan tuz mağaralarıdır. Buralarda, 6 7 adet tuz mağarası, gaz deposu olarak hizmet vermektedir. Ayrıca, Kopenhak'ın batısında, Stenlille'de, su haznesi kayaçları (aquifer) da gaz depolamaya hazır yerlerdir. DUC (Danish Underground Consortium) nin ileriye yönelik planı,,5 milyor m 3 /yıl gaz debisinin iletim hatlarıdır. Bununla birlikte, Danimarka'da, beklenen gaz talebinin 3,5 milyar m 3 /yıl olacağıdır. Danimarka sistemi, Kuzey Denizinde, Duc n elindeki, gaz kaynakları ile Batı Alanya'ya bağlantılı acil durum kaynaklarına sahiptir. Bu nedenle, müşterinin herhangi bir zamandaki artan talebini karşılamak için depolama sistemlerine gerek duyulmuştur. Danimarka gaz pazarında, konutsal kullanım için, 900 milyon m 3 /yıl, bölgesel ısıtmalar için 600 milyon m 3 /yıl ve endüstri için 800 milyon m 3 /yıl dır. Pazarın en büyük payı kış aylarında tepe değerine varan, ısınma amaçlı gaz miktarına ayrılır. Gaz kullanımında, yaz ve kış aylarında ortaya çıkan vadi ve tepeleri düzlemek için, dağıtıcı şirketlerle bazı tüketiciler arasında, talebin çok arttığı zamanlarda, başka enerji kaynaklarının kullanılması konusunda anlaşma yapılmış, böylece, gaz arzında düzgünlük sağlanmaya çalışılmıştır. Tabi, sadece bu şekilde yapılan bir tepe düzlemesi (peakshaving) yeterli olmamıştır. İte, bu nedenle, tuz mağaralarına kış aylarında gaz depo edilmesi yaz aylarında o gazın geri üretilerek kullanılması gündeme gelmiştir. Kuzey Jutland'da L.Torup denilen yerde bir tuz mağarası açılması için, Birch ve Krogboe adlı firma ile anlaşma yapılmıştır. 979 yılında işe başlanmış, 990 yılına kadar, 00 m den 500 m. derinliklerde açılan 6 tuz mağarasının toplam hacimsel kapasiteleri 600 milyon m 3 olmuştur, bu miktarın ancak 300 x 0 6 m 3 ü geri üretilir gaz olacaktır. Diğer kısmı taban gazı veya rezervuar enerji gazı olarak hizmet edecektir. Tuz mağarasının gaz basıncı derinliğe bağlı olarak 60 bar ile 80 bar arasında olmaktadır. Tesiste enjeksiyon ve geri üretim için, birer adedi yedek birer adedi çalışır durumda olmak üzere iki çift kompresör yer almaktadır. 08

209 Gaz geri üretim tesislerinde, gazın su içeriğinden arındırılması (Dehydration TEG sistemi) başka sözle kurutulması, ölçülmesi ve basıncının düşürülmesi gibi işlemler yer alır. Danimarka'daki tuz mağaralarının açılmasında Limfjord, Hyarbeceh Fjord denilen yerden sağlanan su ile yapılmıştır. Su, kuyudan, yeraltı tuz kayacını eritmek amacıyla pompalanmış ve sonra eriyen tuzla birlikte geri çekilmiştir. Bu yöntemle, bir tuz mağarasının açılması için iki yıl gibi uzun bir süre harcanmıştır. L Torup denilen sahadaki tuz kayacı formasyonu kubbemsi (dome) bir yapıya sahiptir. Stok kapasite, açılabilecek ek mağaralarla, milyar m 3 (35.3 milyar ft 3 ) kapasiteye olabilecektir. Tuz mağaraları dışında, Danimarka'da, su hazne kayaçlarının da, Stenlille denilen yerde, gaz deposu olarak kullanılmaya müsait oldukları belirtilmişti. Stenlille denilen yer, Kopenhak'ın 60 km. batısında bulunmaktadır. Burada, yaklaşık 500 m. derinlikte, 300 m. kalınlığında, üzeri geçirimsiz kil tabakasıyla örtülmüş, gözenekli geçirgen su haznesi kayacı (aquifer) başka ifadeyle su rezervuarı yer almaktadır. Bu sahada, sismik araştırmalar yapılmış ve 6 araştırma kuyusu açılmış, pompaj testleri ile örtü kayacının geçirimsizliği test edilmiştir. Donsk Naturgas şirketi, Stenlille'deki su rezervuarından, geri üretilir gaz miktarının milyar m 3 olabileceğini öngörmektedir ve in kışlarında, ocak ortalarına kadar, ılık geçen Danimarka'da, günlük gaz ihtiyacı doğrudan Kuzey Denizi'nden sağlanmıştı. Bununla birlikte, sert kış mevsimlerinde devreye alınması zorunlu görülen, tuz mağarasındaki gaz depoları işletmeye açılmış ve böylece bir üretim denemesi gerçekleştirilmiş, Kuzey Denizi'nden yapılan üretim kısılmış, önceki soğuk yılların sıcaklık verileri ile gaz talepleri dikkate alınmış. Birçok test yapılmış ve depo, Kuzey Denizi'ndeki platformlar ve gaz arıtma tesislerindeki montajlar sırasında, tekrar gaz enjeksiyonu ile doyurulmuştur. Testler sonucunda, Kuzey Denizi'ndeki tesislerin veya gaz arıtma tesislerinin arızalanarak devre dışı kalmaları halinde, Danimarka'nın doğal gaz talebinin, depo edilen gazın geri üretimiyle karşılanabileceği anlaşılmıştır. 09

210 Şekil larda tamamalanan L. Troup daki 6 adet tuz mağarasının gaz depolama kapasitesi 600 x 0 6 m 3 olduğu hesaplanmıştır. 0

211 Şekil 8.7 Yer altında kubbeleşen tuz birikintilerinin eritilerek tuz mağaralarının oluşturulması veya bu yolla doğal olarak oluşan mağaraların gaz deposu olarak kullanılması Tuz mağarasının yıl boyunca açılması başka ifadeyle eritilmiş tuzun yeryüzüne çıkarılması sırasında, ortalama 5 C lık yıkama suyu kullanılmasıyla, normalde 50 C olan mağaranın sıcaklığı 8 C'ye düşürülmüştür. Bu sıcaklığın, 0 yıl içinde tekrar 50 C dolayına çıkaracağı tahmin edilmektedir. 8 C lık eriyik tuz mağaranın tabanında bırakılmıştır. Mağara hazır hale geldikten sonra, kuru doğal gaz enjekte edilmiş ve tabi suyu kendi üzerine olan gazın tuz sıcaklığına kadar soğumuş olacağı açıktır. Geri üretimde, soğutulmuş doğal gaz içerisindeki nemle birlikte, boru hattında hidratların oluşmasına yol açabilecektir kış süresince, geri üretilebilen gaz maksimum 7 milyar m 3 /gün den 8 milyor m 3 /gün (50 MM ft 3 /gün den 8 MMft 3 /gün) debiyle, gaz deposunun kısa süre besleme yapabileceği fakat daha az üretim debileriyle daha uzun süre gaz verebileceği belirlenmiştir. Mağara tabanında daha soğuk eriyik tuz ile basılan gazın dokunumunu önlemek için opanol gibi kimyasal maddeler enjekte edilir, böylece, geri üretilecek gazın borularda hidrat oluşturması önlenmek istenmektedir. Diğer bir yöntem de, üretim arazisinin dibine ve çevresine glikol veya metanol basmak olmuştur. Bu çalışmalar, gaz deposundan çekilen gazın, boru hatlarında hidrat yaparak, boru hattı arızalarına ve işletme problemlerine yol açmasını önlemektir. Tuz mağaralarından doğal gaz üretimi sıvı hidrokarbon üretiminden farklıdır. LPG (Liquified Petroleum Gas) tuz depolarında, geri üretim, tabana tuzlu su basılarak ve LPG ı ötelenerek yapılır. Depo tabanından su ile yukarı doğru ötelenen LPG, kubbemsi yapının üst noktasına delinen kuyu yoluyla geri üretilir. Doğal gaz tuz mağaralarında, gaz geri üretimi, taban gazı ile sağlanır. Doğal gaz geri üretiminde, boru hattında hidratlaşmayı önlemek ve kuru bir gaz elde etmek için, yüksek ve düşük basınç separatörlerinde kademeli olarak serbest su alınmalıdır. Su buharını mümkün olan en düşük düzeye indirmek için gaz glikol kulesinden geçirilmelidir. 8.6 Sıvılaştırılmış Doğal Gazın Depolanması Doğal gazın sıvılaştırılması prosesinde tasarımcıyı en fazla düşündüren konulardan biri, elde edilen LNG nin nerede ve nasıl depolanacağıdır. Çünkü, bu iş büyük yatırım ister, hatta, sıvılaştırma prosesi yatırımından bile fazla olan bir yatırım. LNG stok tesislerinde aranan birinci özellik "güvenlik"tir. LNG depolama tesisi tasarımında ele alınacak konuların sırası şöyledir. Güvenlik

212 Yatırım maliyeti Öngörülen bakım giderleri LNG'ye çevreden olabilecek ısı transferi Yukarıdaki maddeler bir bir incelendikten sonra hangi tip stoklama tesisinin daha ekonomik olacağı yargısına varılır. Depolama Olanakları:. Dondurulmuş Yeraltı Havuzları : Dondurulmuş yeraltı havuzları veya oyukları LNG depolamasında kullanılmaktadır. Yapıları şöyledir: Önce bir veya birkaç boru iç içe geçmiş olarak, açılacak havuzun iki yanına dikey yönde indirilir. Sonra, bu borulardan dondurucu madde geçirilir. Boru veya borular ile çevre toprağı 3m ile m arasında yatay yönde doldurulmuş olur. Çevresi doldurulmuş olan yer, havuz şeklinde açılır. Toprak donmuş olacağı için, çukur veya havuz açılırken, yıkılma olmaz, yanlardan açılan çukura su gelmez. Bu açılan çukur bir yer altı tankı gibi görev yapar. Şekil 8.7 Dondurulmuş yeraltı havuzu Yeraltı havuzuna LNG ilk defa bırakılırken, "buharlaşma" nedeniyle havuz içi soğutulur. Çatı derhal kararlı bir sıcaklığa ulaşır, fakat çevre sıcaklığının kararlı hale gelmesi için yıllar gerekebilir. Çünkü donmuş yeraltı toprağının termal iletkenliği oldukça düşük olacaktır. Bu

213 da, LNG nin dondurulmuş bir kapta saklanmasına benzer bir şekilde, yıllarca yeraltı havuzunda sıvı kalmasını sağlayacaktır. Dondurulmuş yeraltı LNG havuzlarının bulunduğu yerler: Carlstal (New Jersey) Arzew (Cezayir) New Jersey yeraltı havuzu 50,3m çapında, 35,6m derinliğinde olup kapasitesi 6968,38 m 3 LNG dir. Cezayir'de, Camel tarafından işletilen Arzew havuzu 37, m çapında, 35,06 m derinilğinde olup kapasitesi 3860 m 3 LNG dir.. Beton Tanklar Beton tanklar, çok büyük hacimlerde LNG nin depolanması için yer üstüne veya yeraltına inşa edilmiş, kubbeli dairesel havuzlardır. LNG endüstrisinde gömülmüş LNG tankların kullanılması daha yaygındır. 3

214 Şekil 8.8 Yeraltı beton tankına örnek Beton duvarlar, yatay ve düşey yönde dairesel konumda döşenmiş çelik tellerle desteklenmiştir. Duvarın tepesinde ve tabanında kayıcı bağlantılar, tankın termal genleşmesiyle ortaya çıkabilecek hareketine izin vermek içindir. Tepe bağlantı teflondur ve taban bağlantıda teflon ve çelik teldendir. Tankın iç yüzeyi 30 cm, tavanı 30 cm kalınlığında, poliüretan maddeyle yalıtılmıştır. LNG ince bir film tabaka ile yalıtıcı maddeden ayrılır, onunla temas etmez. Tabandaki yalıtıcı maddenin yüzmemesi için bastırılmıştır ve ayrıca alüminyum çerçeve, tankın her iki tarafından yaylarla tutturulmuştur. Sıvı fazdan uçarak buharlaşan gaz, kompresörlerle tekrar sıkıştırılarak yeniden sıvılaştırılır. Tank içinde normal operasyon basıncı 4 inch sudur ve sistem atmosferik koşullara göre diyaframlı vanalarla atmosferik koşullara göre dengede tutulur. 3. İki Kat Metal Duvarlı Tanklar Yer üstüne kurulan bu tür tanklardan biri önceki konularda anlatılan beton duvarlı tanktır, diğeri ise, iç içe geçirilmiş iki tanktan oluşan ve iki duvarlı olarak bilinen tanktır. Metal tankların kurulacağı yerin seçiminde, zemin sertliği önem kazanır. Örneğin beton halkalı tankların zemine uygulayacakları basınç 0,9 ile,4 bar g arasında olabilir. En iyi zemine, bir metal tank halkasının yapabileceği basınç,9 bar'ı aşmamalıdır. 4

215 Bilindiği gibi LNG stoklama işinde, ısı yalıtımının önemi büyüktür. Öyle ki, sistemin başarısı, yalıtımın etkisine bağlıdır. Çift duvarlı LNG tanklarında kullanılan yalıtım maddelerinin kimyasal bakımdan ilgisiz (inert), inorganik (organik olmayan) yanmayan bir madde olmalıdır. İşte bu sayılan özelliklere sahip olan madde perlittir. Perlit içerisinde hapsedilmiş su bulunduran volkanik camsı kayaçlardır. 8,6 C ye kadar ısıtıldıklarında, ham perlit parçaları genleşerek beyazlaşırlar. Isıtılan camsı kayaçtaki su, gözeneklerden çıkarak buharlaşır. Geriye kalan bal arısı peteğine benzeyen süngersi yapı oldukça hafiftir ve termal yalıtım için ideal malzeme olur. Döşenmiş perlitin kalınlığı, sistemin içinden meydana gelecek ısı transferinin derecesini etkileyecektir. Tankın içine akacak ısı, LNG den ayrılacak buhar fazının miktarını belirleyecektir. İki kat duvarlı metal tankın yapısal nitelikleri şöyledir: Tankın iç duvarı alüminyum ile % 9 nikel çelikten, dış duvar düşük dereceli (karbon çelik) metalden yapılmıştır. mal edilen tankın ısı yalıtımı LNG şeklindeki gaz 60C de muhafaza edebilmelidir. Örneğin San Diego Gas ve Kaliforniya'da Chula Vista'daki Electrik Co tesisindeki metal tank 785 m 3 geometrik hacme sahiptir. ç duvar % 9 nikel çelikten, dış duvar A 83 C karbon çeliktendir. ki duvar arası 90 cm dir ve bu ara perlitle doldurulmuştur. ç duvarın dış yüzeyi 5 cm. kalınlığında fiber cam elyaf ile kaplanmıştır. Metal duvarlar arasında, yalıtıcı maddenin boşluklarını dolduran kuru azot gazı yer almaktadır. 5

216 Şekil 8.9 İki kat metal duvarlı LNG tankı Tank tabanı öyle tasarlanmıştır ki, tank yükü, tabanın her noktasına aynı oranda biner, böyle bir durumda iç kabuk yükten dolayı etkilenmektedir. Tankın iç basıncı, vent sistemiyle 0,0344 bar g de dengede kalmaktadır. Kaçak ısıdan dolayı, LNG gazından buharlaşma gazına geçme miktarı günlük % 0,078 veya daha az olmaktadır. Tesisin tasarımında, deprem tehlikesine karşı 0, g lik bir emniyet payı kullanılmıştır. Yangına karşı söndürme suyuna ek olarak, sodyum bikarbonat sistemi de bulunmaktadır. LNG stoklama tesislerinin maliyetleri ve ekonomik durumları karşılaştırılırlarsa, şunu söyleyebiliriz, hangi yöntem kullanılırsa kullanılsın varil ve daha az kapasiteli tesislerin birim hacim maliyetleri daha büyük hacimli tesislerin birim hacim maliyetlerinden yüksektir. Duvarların dondurulmuş yeraltı havuzları genelde daha hesaplı olmaktadır. Fakat bununla birlikte, yer üstü, iki kat duvarlı metal tanklar da yaygın olarak kullanılmaktadır. 0.7 Sıvılaştırılmış doğalgazın Taşınması Taşıma işi üç şekilde yapılır. 6

217 Kara yolunda tankerlerle taşıma Boru hattı ile taşıma Deniz tankerleri ile taşıma Kara yolu Taşımacılığı Sıvılaştırılmış hidrojen, azot, oksijen gibi gazlar eskiden beri çeşitli vasıtalarla metal tüpler içinde kara yoluyla taşınmaktadır. doğal gaz kullanan bölgeler arasında, bir yerdeki sıvılaştırma tesisinde elde edilen sıvı doğal gaz, başka bir bölgeye nakledilerek orada yeniden gazlaştırıldıktan sonra dağıtım ağına verilir. doğal gaz kullanımında zaman zaman ortaya çıkan küçük boyuttaki dengesizlikler giderilebilir. Boru Hatları ile LNG Taşımacılığı Bu yöntem, genellikle deniz aşırı ülkelerden tankerlerle taşınan LNG nin kullanım bölgesine kadar sıvı halde nakliye ihtiyacından doğar. Boru hattı yoluyla LNG taşımanın bazı iyi yanları şunlardır: a) Yüksek yoğunluğa sahip olduğundan, göreli olarak sıkıştırılamaz akışkanlar sınıfına girer (su... gibi) ve bu nedenle gaz fazında iken gerekli olan basma gücünden daha az güce gerek vardır. Aynı basınç düşümünde, LNG için gerekli olan güç, gaz fazında gerekli olanın Ğ0'u kadar olmaktadır. b) Aynı miktardaki gazın taşınması için, daha küçük LNG boru hattı gerekir, çünkü, birim hacimde daha fazla gaz bulunmaktadır. c) Boru hattı LNG stoku gibi hizmet edebilecektir. d) Sıvı haldeki gaz, boru çevresindeki toprağı dondurduğu için, çökme ve yıkılmaları önleyebilir. LNG nin boru hatları yoluyla taşınması özel tasarım, emniyet ve malzeme gerektirir. Boru malzemesi olarak pahalı alaşımlar kullanılır. Örneğin % 9 nikelli 606 T6 alüminyum alaşım ve 304 paslanmaz çeliğin kullanılması yaygındır. Boru döşeme işinin en gerekli ve önemli olanı, ısı yalıtım malzemesinin doğru seçimi ve istenen fonksiyonu yerine getirecek şekilde boru çevresine sarılmasıdır. Ayrıca boru hattının belli noktalarında, gaz fazına geçen bir miktar LNG nin tekrar sıvılaştırılması gerekebilir. 3 Deniz Tankerleri ile LNG Taşımacılığı Tüketimin az, üretimin çok olduğu deniz aşırı ülkelerdeki doğal gaz, tüketimin bol olduğu sanayileşmiş ülkelere, deniz yoluyla LNG olarak taşınır. İlk LNG deniz tankeri 958 ekiminde tamamlanmış ve ilk olarak 8 Ocak 959'da 00 ton sıvı metan gazını Meksika körfezinden alıp, Atlantik'te 5000 mil yol aldıktan sonra 0 Şubat 939'da Londra yakınındaki Canvey İsland'a varmıştır. LNG deni tankerlerinin tasarım ölçütleri şöyledir: 7

218 LNG nin düşük sıcaklıkta olması, tank yapımında pahalı malzemenin özel alaşımların kullanılmasını zorunlu kılar. Membranlı tanklarda, paslanmaz çelik veya "invar" kullanılırken, diğer tanklarda alüminyum veya % 9 nikel çelik kullanılmaktadır. (İnvar: % 35 nikelli çeliğe verilen isim). Serbest tanklar, ısı değişimlerinden daha çok etkilenecekleri için, mekanik olarak çok iyi desteklenmeleri gerekir. Membranlı tank tasarımında, esneklik çok önemlidir. LNG kazanı, ısıl değişimlerin etkisiyle ortaya çıkabilecek genleşme ve büzülmelere karşı gelebilecek sağlamlıkta olmalıdır. Tankerler normal atmosferik basınçta, LNG yi 65 F ye kadar koruyabilmelidirler. Deniz tankerleri ile LNG taşımacılığının yapıldığı ülkeler Cezayir'de Arzew LNG gazı ilk defa 963 de İngiltere'ye taşınmaya başlamıştır. Alaska'dan Japonya'ya LNG taşınmasına kullanılan membran tipi tankların malzemesi invar (% 35 nikel çelik) dir. Deniz tankerleri ile LNG taşıma işi, oldukça risklidir. O nedenle güvenlik konusu tank tasarımında birinci planda ele alınır. Sıcaklık değişimleri, sistemin genleşip büzülmesine yol açar. Dış yapı karbon çeliktir genellikle ve bu malzeme, düşük sıcaklıklarda kırılgan olduğundan oldukça yetersizdir. İkinci sorun, aniden, okyanus sularına LNG nin dökülmesiyle LNG su karışımının patlama tehlikesi yaratmasıdır. Patlama olayı, büyük sıcaklık farkından dolayı, su içine dökülen LNG nin kaynamaya başlaması, genleşmesi sonucunda ortaya çıkar. 8

219 IX. BÖLÜM YAKITLAR VE KARŞILAŞTIRILMASI 9. Katı Yakıtlar a) Odun b) Kömür Çeşitleri c) Maden kömürü a) Odun Tutuşma sıcaklığı 0 C 300 C olan odunun ısıl değeri, içindeki su miktarına bağlıdır. Çünkü su içerikli odunda, ısının bir kısmı, suyu buharlaştırmak için gitmektedir. Aşağıdaki formül herhangi bir odunun yaklaşık ısıl değerini vermekte kullanılabilir. Q = H [ 00 (%su )/( 7) ] [ 00 + (%su )] Q = Isıl değer H = Kuru odunun yanma ısısı Kuru odunun su yüzdesi sıfır olacağından Q = H olacaktır. Kuru odun ısıl değeri H = 8750 Btu/lb = 4867,5 kcal/kg, % 80 nem içeren odunun ısıl değeri H = 973,5 kcal/kg dır. Odun yakıt olarak kullanıldığı gibi, mobilyacılıkta ve inşaatta kereste, kağıt endüstrisinde ham medde olarak kullanılır. Tutuşma sıcaklığı 50 0 C olan odun kömürü de bir çeşit Katı yakıttır. Tablo 9. Odunun nem içeriğine bağlı olarak ısı değerleri % Nem Isı değeri (kcal/kg) ( ~ )W n /W o , , W n : Odundaki suyun ağırlığı W o : Kuru (nemsiz) odunun ağırlığı 9

220 b) Kömür Çeşitleri. Meta Antrasit: Yüksek karbon miktarına sahiptir. Zor ve yavaş yanar. Yakıt olarak pek tutulmaz.. Antrasit: Parlak siyahidir, sert bir yapıya sahiptir. Tutuşturulması zordur; kısa, dumansız mavi alevle yanar, bu kömür türü ısınmada yaygın olarak kullanılır. 3. Düşük Dereceli Antrasit: antrasitten daha yumuşaktır ve daha kolay yanar. Mavi, kısa alevli vardır. 4. Bitumin türü kömürler: Uçucu oluşlarına göre, sınıflara ayrılırlar. Genelde ısınmada kullanılırlar. Uçuculuk arttıkça, içindeki nem, hidrojen, oksijen miktarları artar, kaliteleri, içerdikleri hidrojen, oksijen, nem miktarları oranında düşer. 5. Linyitler: Kahverengiden siyaha varan renklerde olurlar. % 35 %45 arasında nem içerirler. Bu nedenle ısıl değerleri düşüktür. Tutuşma sıcaklıkları C arasındadır. Kömürden nemi atabilmek için, kömürün 04 ile 0 C ye kadar sıcaklığını artırmak gerekmektedir. Bir Katı yakıtın net kalorifik değeri Dulong's formülü ile hesaplanmaktadır. Bulunan değere tümel (gross) kalorifik değerdir. O Btu / lb = 4544C + 6,08 H S 8 kcal / kg O = 0, C + 6,08 H S 8 Burada, C, H, O ve S karbon, hidrojen, oksijen, sülfürün ağırlık bakımından % delerini ifade etmektedirler. 6. Kok : Kömür gibi karbon içerikli maddelerin distillasyonu ile elde edilen bir yakıttır. İçerisindeki uçucu maddeler alındığı için yüksek kalorifik değere sahiptir. Tutuşma sıcaklığı C arasında yer alır. Tablo 9. Kömür çeşitlerinden bazılarının kalorifik değerleri 0

221 Yaklaşık % Kalori değeri Kömür çeşidi Nem Uçucu Sabit Kül cal/kg Meta-antrasit Antrasit Bituminler Linyit 3, 4,3,6 5, 36,8,6 5, 0,6 30,4 7,8 65,3 8,0 79,3 37,3 9,5 8,9 9,6 7,5 6,8 5, Örnek: Linyit kömürünün ısıl değerini Btu/lb biriminde bulalım. C = %40,6 = 0,406 H = %6,9 = 0,069 H = 4544 O = %45,5 S = %0,9 = 0,009 0,45 8 Btu lb ( 0,406) + 6,08 0, ( 0,009) Btu/lb, J/kg, kcal/kg Birimleriyle Ifade Edilmesi : H = 674 Btu lb 055 j x x Btu Btu H = lb H = 5,7MMJ / kg j Btu lb 0,453 kg x lb kg Btu H = 0, = 374 kcal/kg lb 9. Sıvı Yakıtlar Bunlar gaz yağı, motorin, fuel oil, benzin gibi hidrokarbon tabanlı Yakıtlardır. Hemen hepsi petrol ve türevlerinden oluşur. Petrol ürünlerinin basınçlı oksijen bombası içinde yakılması ile ısıl değerleri belirlenir. Yanmaz maddeleri içermeyen petrol tabanlı bir sıvı yakıtın, sabit hacim üst ısıl değer hesaplama formülü;

222 Q v = (G) Burada: Q v = Üst ısıl değer, Btu/lb ( BtuĞlb = 0,5569 kcal/kg) ρ o o G = 60Ğ60'F da göreli yoğunluk Sp.Grv = G = (60 F / 60 F) Not: 60 o F yerine 5,5 o C de yazılabilir. Sabit basınç alt ısıl değer hesaplama formülü Q p = Q v 90,8 H (Btu/lb), H =,6 5 G ρ s Tablo 9.3 API derecesine göre petrol ürünleri (Yağları)nın ısıl değerleri API Yoğunluk Üst ısıl değer Alt ısıl değer (60 F) kg/m 3 Q v (kcal/kg) Q p (kcal/kg) ,6 9757, ,6 9974, , 05, ,7 096, ,9 043, ,4 053, ,7 0580, ,3 0669,6 0 API dereceli petrol ürünün ağırlığı suyunkine eşittir: ρ ρ Suların göreli yoğunluğu G = Gazların göreli yoğunluğu G = G = ρ ρ s Göreli (relative) yoğunluk hesaplanırken yoğunlukların aynı P ve T a olmaları gerekir, buna gazlarda özellikle dikkat etmek gerekir. Ham petrolün ve ürünlerinin göreli yoğunlukları A PI derecesinden hesaplanabilir. o 4,5 4,5 API = 3,5 G = o G API + 3,5 h

223 API: American Petroleum Instutute 9.3 Gaz Yakıtlar Doğalgaz Hidrojen Asetilen Metan Propan Bütan Doğal Gaz: Bu kitabın konusu olan doğal gaz, yerin binlerce metre derinliklerinden çıkarılan hafif hidrokarbonlarla az miktardaki başka gazlardan meydana gelen bir gaz karışımıdır. Ideal olan DOĞALGAZ, % 90'ların üstünde metan içeren, H S, CO gibi gazlarla ağır hidrokarbonları içermeyen bir gazdır. XXI. yüzyılda birçok enerji kaynağına alternatif olarak varlığını sürdürecek olan doğal gaz, külsüz, dumansız, zahmetsiz, temiz bir yakıttır. Ülkemizde kullanılacak eski Sovyetler'den alınan doğal gazın: a) Üst ısıl değeri: Q = 9335 kcal/m 3 b) Ortalama ısıl değeri: Q ort = 9000 kcal/m 3 c) En az ısıl değeri: Q min = 8800 kcal/m 3 d) Alev sıcaklığı: T = 900 C 000 C e) Metan içeriği: ~ % 9 f) Tutuşma sıcaklığı: 600 C 750 C 0.4 Doğalgazın Hammadde Olarak Sanayide Kullanılması Doğalgazın yakıt olarak kullanılması çok eskilere dayanmaktadır. Fakat, bununla birlikte, hava kirliliğinin azaltılması gibi nedenlerle büyük kentlerin ısıtılması, bazı endüstrilerde kömür ve fuel oil yerine kullanılması olayı 'lerden sonraya rastlamaktadır. Özellikle 975'lerde başlayan petrol krizi, Batılı Sanayi ülkelerini, petrole alternatif enerji kaynaklarını aramaya yöneltmiştir. O yıllardan bu yana gelişmiş ülkelerde, ısınmada, sıcak su, buhar elde edilmesinde ve enerji sağlanmasında kullanılan doğal gazın, 000 li yılların gözde enerji kaynağı olacağı söylenebilir. Doğal gazın sanayide hammadde olarak kullanıldığı yerler. Yapay lastik sanayi 3

224 Amonyak, alkol ve üre üretimi Gübre sanayi Karbon siyahi eldesi Hidrojen gazının elde edilmesi Metanol üretimi Mürekkep sanayi Antifiriz Filim şeridi Yapıştırıcı sanayi Asetilen elde edilmesi Yukarıda sıralanan ürünlerden bazılarının kimyasal denklemi şöyledir: CH 4 + O? CO + H (ısı veren) Hidrojen elde edilişi CH 4 + H O?CO + 3H (ısı alan) 3H + N? NH 3 (ısı veren) H + CO? CH 3 OH Hidrojen elde edilişi Amonyak elde edilişi Metanol elde edilişi Hidrojen, yakıt olarak kullanıldığı gibi, amonyak ve metanol üretiminde hammadde olmaktadır. Amonyak, amonyumlu gübrelerin temel hammaddesidir. Amon-yum fosfat ve amonyum sülfat amonyakla elde edilen gübrelerdir. Asetilen gazı, metan gazından kraking yöntemiyle elde edilmektedir. 9.5 Doğalgazın Başka Kullanım Alanları Kurutma işlerinde baca gazlarından yararlanılabilir. Ağır sanayide, enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. 7. Isı pompalarının motorlarında kullanılabilmektedir. Seramik Yapımında Doğalgaz Seramik pişirme sektöründe fırınlama işlemini hızlandırmaktadır. Fırınlarda radyant ısıtıcılar kullanılır. Bunlar içinde gaz hava karışımının yer aldığı yanma odası çelik veya seramik borulardan yapılır. Sıcaklıkları oldukça yüksektir. 000 C'ye varan çelik nikel tüp radyant ısıtıcılar, pişirmede, kurutmada, emaye kaplamada yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Fırınlarla kazanların arasındaki fark, ısı iletiminde su buharı ve havanın kullanılmasıdır. Fırınlarda, seramik radyant ısıtıcılar çelik tüplerden daha çok ısı yayarlar. Yalnız, radyant (ışıma) yoluyla ısı yayan bu tüplerin uzun ömürlü olmaları için ısıl gücün Btu/ft h 955 Btu/ft h'i aşmaması gerekmektedir. 4

225 Tüp ısıtıcılarda, baca gazları, nerdeyse fırın sıcaklığına yakın olacağından baca gazlarından yararlanmak verimi % 80 lere çıkarabilir. Radyant ısıtıcıya gönderilen yakma havası, baca gazlarının çıktığı gömlek borudan çekilirse, ısınmış hava ile verim artışı sağlanır. Çünkü, yanma odasına veya ön Katışım borusuna verilen soğuk yanma havası, yanma odasının sıcaklığını, düşürecektir. m 3 Doğalgazın 9,5 m 3 m 3 arasında yanma havası istediği düşünülürse, yanma odasına soğuk hava yerine sıcak hava göndermenin önemli ölçüde ısı tasarrufu sağlayacağı kabul edilebilir. Baca gazlarının yüksek hızla uçmasını önlemek için tüp içine türbülatör yerleştirilmektedir. Seramik pişirme, endüstrisinde, jet brülörler kullanılarak pişirme süresi eşyanın cinsine göre 3 4 saate indirilebilmektedir. Jet, yüsek basınçlı hava ile gaz karışımını 00 m/s hızla dışarı fırlatarak yakmaktadır. Alev sıcaklığı 000 C den 500 C'lere kadar çıkabilmektedir. Beyaz eşyaların boyanmasında, her safhada doğal gaz ısı kaynağı olarak kullanılmaktadır. Doğal gazın temiz olması, istenen sıcaklıklarda yakılabilmesi, basınçlı alev ve sıcak hava üretebilmesi tercih edilmesinin başlıca nedenlerdir. Metallerin kesilmesinde, doğal gaz jet alevinden yararlanılmaktadır. Havagazı: Bazı prosesler sonunda, kok kömürü veya başka kömür gibi katı maddelerden ve petrolün arıtılmasından elde edilen gaz çeşitleridir. Hava gazı olarak bilinen gaz, kızgın kok üzerinden su buharının geçirilmesi ile elde edilir. Tutuşma sıcaklığı C dir. Yakıtların Hazırlanması: Gazlar dışında Katı ve sıvı Yakıtlar "zahmetli" Yakıtlardır. Odun, kesilip biçilir, demetlenir,stoklanır, kullanılacak yere taşınır. Kömür için de aynı işler yapılır, Kömür, toz haline getirilip hava ile doyurulursa ve hava akımı ile püskürtülürse daha iyi yanma elde edilir. Sıvı Yakıtlar tank ya da bidonlar içinde muhafaza edilir. Örneğin fuel oil akıcı, temiz ve sabit bir basınçla bürlöre verilmelidir. Fuel oil bürlöre, hava ya da buhar ile karıştırılarak püskürtülür. Doğal gaz kullanımındaki kolaylık Katı ve sıvı Yakıtlarda yoktur. Çünkü taşıma, depolama, pompalama gibi ek işlemler yoktur, sadece filtreden geçirilmesi gerekebilir. 9.6 Doğal Gaz ile Başka Yakıtların Karşılaştırılması Bir yakıtın üst (gross) kalorifik değeri birim yakıtın, normal koşullar altında oksijen bombası denen kalorimetrede, tamamen yakılması ile elde edilen ısı miktarıdır. Isı birimi, kalori/kg veya Btu/lb birimleriyle ifade edilebilir. Bu şekilde saptanan tümel kalorifik değer, ASTM'in "Standarst On Coal and Coke" normlarına uygun düşer. Bu yöntemle bulunan ısı değeri yanıcı ürünün içindeki su buharının gizli (latent) ısısını da içermektedir. Oysa bu ısının dışa katkısı sözgelimi buhar kazanlarında buharlaşmaya etkisi yoktur. Bu nedenle bir yakıtın net kalorifik değeri şu formülle bulunur. 5

226 NKD = TKD ( 9,70 x % H) NKD : Net kalorifik değer Btu/lb (Alt ısıl değer) TKD : Tümel (gross) kalorifik değer Btu/lb (Üst ısıl değer) % H : Kömürde varolan hidrojen % miktarı Bir yakıtın tümel kalorifik değeri Dulong formülü kullanılarak da bulunabilir. O TKD = 4544 C H S 8 Burada: C: Karbonun ağırlıkça oranı H: Hidrojenin ağırlıkça oranı O: Oksijenin ağırlıkça oranı S: Kükürdün ağırlıkça oranı Btu = 556,9 cal/kg = 39 J/kg =,39 kj/kg lb Hava ile karışımı daha kolay olan Doğalgazın yanma verimi oldukça yüksektir. Baca gazlarının ısısından yararlanma olanağı sağlanırsa verim, üst ısıl değerin % 96 % 97 oranında gerçekleşebilmektedir. Kömür ve fueloil de kül, kurum, katran şeklinde ortaya çıkan artık maddeler doğal gazın kullanıldığı yerlerde olmayacaktır. Kazanlarda kabuk şeklinde metal duvarı kaplayan ve ısı transferini zorlaştıran birikintiler olmayacağı için, ısı transferi önemsenecek kadar değişikliğe uğramayacaktır. Doğalgazın diğer Yakıtlara göre kullanım kolaylığı vardır.. Kömür ve fuel oil gibi taşınma sorunu yoktur.. Depo gerektirmez. 3. Yanma yerine taşınması gerekmez. 4. Nakliyat, boşaltma, depolama masrafları yoktur. 5. Sıvı Yakıtlar, kış aylarında Katılaşır. Akıcılığın sağlanması, hava ile karışımın iyi yapılması için ön ısıtmaya tabi tutulurlar. Doğal gaz, aynen pirizdeki elektrik gibi her zaman hizmete amade beklemektedir. 6. Herşeyden önemlisi diğer Yakıtlar gibi hava kirliliğine yol açmaz. 6

227 7. Özellikle kömürlü kazanlarda "ateşçi"nin görev başında olma zorunluluğu vardır. Yanmanın ayarı yapılamaz. Yanma odasına atılan kömür; ister istemez yanacaktır. Oysa, gazlı sistemlerde, her an yanma başlatılabilir de, durdurulabilir de. 8. Doğal gazın kullanım kolaylığı kat kaloriferleri ile ısınma ve sıcak su eldesini basitleştirmektedir. 9. Yanma odasında Katı veya sıvı yakıtın hava ile karışım yapması önce gaz fazına geçmelerini gerekli kılar. Bu sırada bir kısmı da yarı yanmış halde baca gazları ile sürüklenir gider. Doğal gaz, hava ile otomatik olarak veya normal atmosferik koşullarda çok kolay bir şekilde homojen karışım yaparak verimli yanmaya geçer. Ayarlı hava yakıt oranıyla en yüksek ısı kazanımı sağlanır. Doğalgazın içerisinde karbon yüzdesinin azlığı, alevin mavimtrak olmasına yol açtığından ışıma şeklindeki ısı transferi (radyasyon)nı azaltır. Kömürde, ısı transferinin büyük bir kısmı ışınım şeklinde gerçekleşir. Kömürde karbon miktarı, doğalgazda hidrojen miktarı fazladır. Doğal gaz tam yandığında, hidrojenle oksijenin reaksiyonu sonucunda su meydana gelir. İşte, doğal gazın yanması sırasında, ısının bir kısmı, reaksiyon suyunun buharlaşması için harcanır. Harcanan bu ısı dışında kalan ısıya NKD (Net Kalorifik Değer) veya "alt ısıl diğer" denir. Baca gazları, yanma gazlarının çiğlenme noktasına (~ 56 C) kadar indirilebilmektedir. Bacaya konacak ekonomizer (Ek ısı kazanım tertibatı) ile, baca gazlarının ısısından yararlanılabilir. 7

228 Şekil 9. Baca gazlarının ısısından sıcak su elde edilmesine yarayan bir düzenek Bacaya konan ısı eşanjörü baca gazlarının ısısından yararlanma olanağını verir, burada yoğunlaşan su buharı otomatik veya elle (manual) boşaltılır. Bu sistem ile, gazın üst ısıl değerine varan bir ısı eldesi kazanılır. Böylece, üst ısıl değerin % 95 inden daha fazla ısı kazanımı elde edilebilir. Düşük sıcaklıklı baca gazları çekilişi az olacağından bir fan ile çekiş hızlandırılır. Baca gazındaki su buharının yoğunlaştırılması, bacanın çıkşına yakın yerlerde yapacağı korozyonun önlenmesine yardımcı olur. Sıvı ve Katı Yakıtlara göre üç kat daha fazla su buharının oluşması doğal gazın ısı verimini oldukça etkilemektedir. Bu nedenle yoğunlaşmış suyun ısısından yararlanmak ve sistemi ona göre seçmek gerekir. 9.7 Doğalgaza Geçişte Göz Önünde Bulundurulacak Hususlar Konutlarda doğal gaz, ısınmada ve sıcak su elde edilmesinde kullanılır. Bu iki temel ihtiyaç değişik yöntemlerle karşılanabilir. Genel olarak tüketicinin karşısında iki seçenek vardır: Merkezi ısıtma ve sıcak su elde etme sistemi, Bağımsız ısıtma ve sıcak su elde etme sistemleri. 8

229 Birinci seçenekte, merkezi ısıtma tesisatı, tek bir binayı ısıtacağı gibi, bir mahalleyi, bir siteyi de ısıtabilir ve bu yerlere sıcak su temin edebilir. İkinci seçenekte, kat kaloriferleri, sobalar, şofbenleri yer alır. Ankara'da ve İstanbul'da gaz dağıtım işleri hızla devam etmektedir. Binalarda mevcut sistemler doğal gazla çalışabilecek şekle dönüştürülmektedir. Kömür fuel oil kazanları ya kaldırılıp atılmakta veya bazı değişiklikler yapılarak doğal gaz sistemi haline getirilmektedir. Bir bakıma doğal gazlı sisteme geçmeli tek seçenek gibi görünmektedir. Hava kirliliğinin büyük boyutlara ulaştığı veya ulaşacağı büyük kentlerde çevre temizliği, genel halk sağlığı gibi nedenlerle doğal gaz kullanımı zorunluluk haline gelmektedir. Her ne kadar yeni tesisat DÖŞEME ve sistem çevirme işleri bazı mali külfetler getirse de yukarıda işaret edilen insan sağlığı, çevre temizliği, çağdaş yaşam için bu külfete katlanılmak gerektiği vurgulanmaktadır. Konutların ısıtılmasında ve sıcak su elde edilmesinde kullanılan mevcut sistemlerin doğal gaza uygun hale getirilmeleri çalışmalarında göz önüne alınması gereken bazı görüşlere burada kısaca değinelim. ) Doğal gaz gerçekten temiz, kullanımı kolay bir enerji kaynağı. Ne var ki, ithal edilen bu enerji kaynağın tek seçenekmiş gibi ileri sürmek adeta kullanımını zorunlu hale getirmektedir. Tamamen doğal gaza dönüş olması halinde şimdilik uzak bir ihtimal bile olsa ilerde doğal gazın herhangi bir nedenle kesilmesi diye bir sorun ortaya çıkar mı acaba? Sürekli doğal gaz garantisi olabilecek midir? ) Kömür ve fueloile göre daha ucuz olmayan Doğalgazın fiyatı, nasıl ve kimler tarafından belirlenecektir? Doğalgaz kullanmak durumunda bırakılan halk, ilan edilecek fiyatları kabul edip, etmemekte serbest bir iradeye sahip olamayacak. Belediyeler, su ve elektrik ücretlerini belirledikleri gibi doğal gazın m 3 fiyatını da belirleyip ilan edeceklerdir. Halk, eski sistemde, kesesine uygun kömür alıp ısınmaya çalışırken, yeni sistemde böyle bir seçeneğe sahip olamayacaktır. Akla gelen bir başka nokta ithal edilen her şey gibi doğal gaz da dövizle satın alınmakta olduğundan, dövizin TL karşısında değer kazanması da, doğal gazın m 3 başına ödenecek ücreti olumsuz yönde etkileyecektir. 3) İdeal olan, eski ve yeni sistemleri birlikte kurmak veya eski sistemi değiştirmek yerine, yenisini onun yanına ilave etmektir. Böylece zaten kendi doğal kaynaklarımızdan temin ettiğimiz kömür rezervlerinden yararlanma olanağını hazır halde tutmaktır. Her Katı ve sıvı yakıtlı kazan sistemini doğal gaz sistemine çevirirsek bir gün doğal gazın herhangi bir nedenle kesilmesi halinde ne yapılacak? Bu durum belki hiç olmayacak ama ithal edilmesi nedeniyle akla gelebilen sorular arasında. Fakat, doğal gaz temini konusunda bazı tedbirler düşünülmüş ve alınmıştır. Cezayir'den sıvı doğal gaz alınacaktır. Ayrıca Ortadoğu ülkelerinden de doğalgaz alımı konusunda anlaşmalar yapılmaktadır. Bunların dışında, Orta Asya Türk Cumhuriyetlerinden gelecek olan doğal gaz Türkiye'den Batı Dünyasına yol bulacak ve doğal gaz temini sorun olmaktan çıkacaktır. Öyle ki bu konudaki çalışmalar daha 9

230 da artacak, hemen hemen büyük şehirlerin pek çoğunda ısınma ihtiyacı ile sanayinin enerji ihtiyacı doğal gaz ile karşılanabilecektir. 4) Ülkemizden çıkarılan kömür çeşitlerinin değerlendirilmesinden de vazgeçilmemelidir. Özellikle düşük kaliteli linyitlerin değerlendirilmesinde son yıllarda gündeme gelen hatta 000 li yıllarda, doğal gaza rekabet olabilecek bir yakıt sistemi olan "akışkan yataklı kazanlar" konusunda da çalışılmalıdır 9.8 Isıtma Sistemleri ve Seçenekler a) Merkezi ısıtma sistemleri Bir tek binanın ısıtma sistemi Birden çok binanın veya konutun ısıtma sistemi b) Bağımsız Isıtma Sistemleri Büyük şehirlerdeki binaların birçoğu, bodrum ya da çatı Katında olan kalorifer kazanları ile ısıtılmaktadır. Toplu konut projelerinin uygulandığı bazı bölgelerle, bazı şirketlerin lojmanları, tek bir merkezden ısıtılabilmektedir. Doğal gazın yakıt olarak ısınmada kullanılması bağımsız ısınma sistemlerinin tercih edilmesine yol açmaktadır. Merkezi ısıtma sistemlerinin, doğal gazlı bağımsız ısıtma sistemlerinde görülmeyen bazı külfetleri vardır. Bunlar kabaca şöyledir: Konut sakinleri ısıtma sisteminin kullanımıyla ilgili, genel kurul toplantılarında alınan bağlayıcı kararlara uymak zorundadırlar. Konut sahibi "Ben az ısınıyorum, bazı odaların radyatörlerini kapattım, giderlere o oranda Katılıyım" diyemez. Konut sakinlerinden bazıları, konutlarında oturmasalar bile, genel kararlar uyarınca, giderlere ortak olmaktadırlar. Yani konut sahibi "Ben tatildeydim, onun için kalorifer giderlerine Katılmam." diyememektedir. 3 Sıcaklık ayarına göre gider belirleme olanağı yoktur. Yani "Ben bazı radyatörleri kapatıyım da, tasarruf edeyim" dese bile, bu davranış konut sahibine, düşen gider payını azaltmamaktadır. 4 Isıtma sisteminde, borulamada arzularına göre değişiklikler yapamamaktadırlar. 8. Bağımsız Isıtıcılar Bu ısıtıcılar tek bir odanın ya da konutun ısıtılmasında kullanılan ısı kaynaklarıdır. Isı transferi bakımından da iki değişik yapıda olabilmektedirler. a) Doğrudan ısı transferi yapanlar b) Dolaylı ısı transferi yapanlar Bunlar bacalı veya bacasız olanlar 30

231 8. Bacalı Tip Doğrudan Isıtıcılar Yanma, ürünleri bir baca ile dışarı atılır. Yanma ürünü sıcak gazlar, sıcak gaz hava ejanjöründen geçirildikten sonra bacaya verilirler. Isı iletimlerini, konveksiyon ve radyant biçiminde yaparlar. Yanma ürünü gazlar eşanjör boruları arasından geçen oda havasını ısıtır. Soğuk hava, alttan girer, üstten çıkar. Hava sirkülasyonu doğal olarak yapılır. Isı güçleri Btu/h dolayındadır. Gaz sobaları bu tür ısıtıcılara örnektir. Şekil 9. - Fanlı açık yanma odalı ısıtıcı (soba). Yakıt hava fanı. Alev detektör sinyal iletici 3. Solenoit vana 4. Termal kontrol gaz kontrol vanası 5. Duman borusu 6. Sıcaklık duyargası 7. Sirkülasyon fanı 8. Hava dolaşım kutusu 9. Isı transfer odası 0. Isınan havanın çıkışı 8.3 Bacalı Radyant Tip Isıtıcıları Yüksek sıcaklığa dayanıklı cam panelleri ve ısı transfer yüzeylerini artırmak için, geniş radyant yüzleri vardır. Yanma ürünü gazların sirküasyon havasından ayrılması gerekir. Bu nedenle, yanma ürünü gazlar bocaya verilir. Isıtma olayı, cam panelden radyant şeklinde yapılır. Doğal çekişli baca olabileceği gibi bir fanlı çekiş de uygulanabilir. Bu ısıtıcıların gücü 930 ile 985 W dolayındadır. Yukarıda ve de anlatılanlar açık yanma odalıdır, yani, oksijeni içinde bulundukları ortamdan alırlar. 3

232 Şekil 9.3- Dolaylı radyant ısıtıcı 8.4 Yanma Havasını Dışardan Alan Dengeli Hermetik Tip Isıtıcılar (Kapalı Yanma Odalı Isıtıcılar) Bu tip, soba ve konvektörler, yanma havasını dışardan temin ettikleri için, odadaki oksijen miktarı eksilmez, bu nedenle diğerlerine göre sağlık açısından daha uygundurlar. Baca gazları, bir hava eşanjöründen geçirilerek bacaya verilir. Güçleri 0000 Btu/h dolayındadır. Kapalı yanma odalı ısıtıcılar, yanma havası ya bağımsız bir boruyla ya da baca borusuna geçirilen gömlek boruyla dışardan sağlanır, ikinci yolun seçilmesi, ısınmış havanın yanmada kullanılmasına imkan vereceği için ısı tasarrufu sağlanacaktır. 3

233 Şekil 9.4- Kontrollü radyant ısıtıcı 8.5 Katalitik Doğal Gaz Sobaları Bu tip yakıcılar, adlarından da anlaşıldığı gibi, yanma olayını, katalizör katkısıyla ideal duruma getirirler. Amaç, yanmayı stokiyometrik dengeler içinde gerçekleştirmektir. Doğal gazın yanması sonucu ortaya çıkan atık gazlar genelde şunlardır: H O (su buharı) CO (Karbondioksit, yaklaşık % ) SO (Kükürtdioksit, ihmal düzeyinde) CO (Karbonmonoksit) Yarı yanmış hidrokarbon gazlar Yanma ürünleri bacadan dışarı verilmiyorsa, içerde kalacak demektir. Ürünlerin arasında, kötü yanmadan dolayı, CO (karbonmonoksit)in varolması ihtimali vardır. CO zehirleyici oluşu nedeniyle çok tehlikeli bir gazdır. Katalitik ısıtıcılarda, brülör, platin, altın veya radyum karışımlı seramikten bir malzemedir. Diğer yakıcılarda olduğu gibi katalitik yakıcılarda da yanma havası iki yoldan sağlanır. Doğal sirkülasyon Fanlı sirkülasyon Sirkülasyon ısınan hava ile soğuyan havanın yer değiştirmesine denir. Yanma havasının cebri yoldan sağlanması fan ile yapılmaktadır. Ama, bu her katalitik sobada ideal bir şekilde 33

234 olmayabilir, yanma havasının temin şekli, yakıt gazının kalitesi, sobanın yapısal özelliği katalizörün görevini kısıtlayabilir. Bu tür muhtemel nedenler dolayısı ile havası değişmeyen kapalı bir yerde uzun süre bacasız olma özelliğine sahip katalitik sobalar yakılmamalıdır. CO oluşmasa bile CO mutlaka oluşacak ve havayı kirletecektir. CO in normal hava içindeki miktarı 0000 ppm aşmamalıdır. (0000 ppm = Ortam havasında % CO i ifade eder) Katalitik sobalarda, alevsiz ve dumansız yanma gerçekleşir. Yanma havasını içerden temin eden bu sobalar için bacaya gerek yoktur. Doğal gazla çalışan sobalarda bulunması gereken emniyet cihazları. Otomatik çakmak. Pilot alevi 3. Otomatik gaz kesme vanası 4. Otomatik ateşleme Katalitik sobalarda, yukardakilere ilave olarak, ortamın oksijen miktarının eksilmesini önleyen bir oksijen detektörü vardır. Oda içindeki havanın oksijeni belli bir oranın altına düşünce, otomatik gaz ventilini kapatır. Katalitik sobalarda, yanma sıcaklığı düşüktür. Bu nedenle, bir kısım HC'lar yanmadan katalizör malzemenin üzerinden geçerken, yanmakta olan gazın sıcaklığını düşürürler. Bu olay sırasında, moleküler parçalanma meydana gelir. Özellikle hidrojen gazının atomlarına parçalanarak oksijenle reaksiyona girmesi başka ifadeyle "yanması", başka sobalarda görülmeyen bir olgudur. Hidrojen gazının oksijenle reaksiyona girerek suyu meydana getirmesi "ekzotermik" (Dışa ısı veren) bir reaksiyondur. Hidrojen gazının yanmaya katılması ile ortaya çıkan yüksek sıcaklıktaki ısıda CO ve kükürt bileşikleri de yakılmış veya reaksiyona sokulmuş olur. Katalitik sobalarda görülen bu şekil yanma olayı, nispeten dumansız (baca gazı olmayan) yanma olanağını sağlamıştır. Fakat, her yanma olayının kimyasal bir reaksiyon olduğu ve yanma atıkları meydana getirdiği unutulmamalıdır. Katalitik sobaların yaptığı şey, zehirli ve boğucu gazları (CO, S bileşikleri) yakması veya reaksiyon sokarak daha zararsız hale getirmesidir. Yanma ürünleri arasında bulunan CO yok edilemeyeceği için ısıtılan mekanın CO ile kirlenmesi önlenmeli, bu nedenle havalandırma yapılmalıdır. Katalitik sobalarda, kapalı ortamdaki oksijen miktarı azalınca, gaz ventilini otomatik olarak kapatan cihazın bulunması gerekir. 34

235 Şekil 9.6 Katalitik doğalgaz sobası Ev tipi ısıtıcılar (sobalar), gaz sızdırmazlığı testinden geçirilmiş olmalıdırlar. İmalatçı firmanın bu konuda garantisi olmalıdır. Basit kaçaklar tespit edildiğinde,sızdırmazlık macunları veya teflon malzeme ile tamir edilmelidir. Ciddi gaz kaçakları ya aletin firmasına bildirilmeli yada ehliyetli tesisatçılara tamir ettirilmelidir. Doğalgazın, sanayide enerji ihtiyacının karşılanmasında ve ayrıca hammadde olarak da kullanıldığını biliyoruz. Kitabın II. bölümünde yabancı ülkelerde doğalgaz kullanımının ne kadar artmış olduğunu gördük. Fakat, Türkiye de olduğu gibi, diğer ülkelerde de doğalgazlı ısıtıcılar bu kitabın ister istemez konusuna girdiler. Isıtıcılar, evlerde, önce de belirtildiği gibi, açık ve kapalı yanma odalı, bacalı, bacasız şeklinde ayrılmışlardı. Ayrıca, hava dolaşımının sağlanması bakımından da, fanlı fansız diye ayırmak mümkündür. Bunun yanında, otomatik kontrollü olup olmadıkları çok önemli bir ayrımdır: Açık yanma odalı gaz sobaları kapalı mekanlarda kullanılmamalıdır. Taze hava girişi engellenmemiş yerlerde kullanılabilirler. Isınan havanın bir fan ile dolaştırılması benzeşik (homojen) ısı yayılımını kolaylaştırır. 35

236 Şekil 9.7- Bacasız açık mekan sobası Şekil 9.8- Doğalgazlı ısıtıcı (soba) Salon tipi, kabinli, santrifuj fanlı ısıtıcı (soba) 36

237 8.6 Katalitik Sobalar ve Ortamın Solunabilir Hava Durumu Genel olarak gaz sobaları, özel olarak katalitik doğalgaz sobaları veya şofbenler ve benzeri tip su ısıtıcıları ile ilgili zehirlenme olayları gazete haberlerinde zaman zaman yer almaktadır. Doğalgazla çalışan ısıtıcıların kullanılması ile ilgili olarak dikkat edilecek hususlarda halk aydınlatılmalıdır. Kapalı mekanların ısıtılmasında kullanılan katalitik sobalar, öyle sanıldığı gibi içerdeki havayı kirletmiyor değildir. Her yanma olayının giren ve çıkan ürünleri vardır: Katalitik sobanın özelliği ideal yanmayı sağlayarak bazı zehirli gazların oluşmasını önlemesidir. Yanma ürünleri arasında yer alan CO gazının yok olması veya azalması söz konusu değildir. Çok miktarda olan CO gazı boğucudur. O nedenle kapalı ortamların bacasız sobalarla ısıtılmasında dikkatli olmak gerekir. Sözgelimi, uyku saatlerinde söndürmek veya havalandırma deliğini devamlı açık bırakmak gibi önlemler alınmalıdır. Kaliforniya Üniversite Laboratuvarı tarafından hazırlanan A Guide to Industrial Respiratory Proterction başlığını taşıyan Manuel LA 667 M broşüründe, bir insanın çeşitli etkinliklerde bulunurken ne kadar hava debisi kullandığına ilişkin veriler şöyledir : Tablo 8.4 Normal bir insanın çeşitli etkinliklerde ihtiyacı olan hava miktarları (Bak. kaynaklar : 4) En az soluma debisi 8 saatlik hava Etkinlik L/dk. Normal insan (Litre) Uyku... 6, Dinlenme... 9, Hafif iş... 9, Orta.9, Orta ağırlıkta iş... 40, Ağır iş... 59, Çok ağır iş... 3, Solunabilir Hava (Hava Standartları) Insan hayatını korumak için, solunabilir havanın kalitesi ile ilgili sınır değerler saptanmıştır. Aşağıda verilen tabloda. Amerika daki çeşitli kuruluşlar tarafından hazırlanan ve kabul edilen solunabilir havanın kalitesi ile ilgili standartları içermektedir. Hava standartlarını hazırlayan kuruluşlar : US Navy : Amerika Deniz Kuvvetleri CGA : Compressed Gas Associàtion (Basınçlı Gazlar Cemiyeti) 37

238 FS : CS : Federal Specification (Federal Devlet Şartnamesi) California Specification (Kaliforniya Eyalet Şartnamesi) Basınçlı Gazlar Cemiyetince Grade D (Düzey-D) olarak adlandırılan bu standart veriler; kabul edilebilir sınır değerleri ifade etmektedir. Havayı oluşturan, karışımlardan birinin artması, solunabilirlik özelliğin bozulmasına neden olmakta ve hava insan sağlığı bakımından solunamaz niteliğini almaktadır. Tablo 9.5 Solunabilir havanın özellikleri ve standartları Havada bulunabilen maddeler O? Oksijen (Hacımca %) CO? Karbondioksit (Hacamca) CO Karbonmonoksit (hacımca) U.S Navy standardı CGA standardı Federal devlet şartnamesi Kaliforniya Eyalet Şartnamesi % 0, ppm % 0,0 000 ppm % 0,0 000 ppm ppm 0 ppm 0 ppm 0 ppm 0 ppm Yağ buharı 5 mg/m 3 5 mg/m 3 3 mg/m mg/m 3 Su Doymuş Doymuş Doymuş Doymuş Koku maddesi Yok Yok Yok Yok Katı parçacıklar Yok Yok Yok Yok * ppm : Bir maddenin milyonda bir parçası anlamına gelir. 3 3 m cm ppm = = Hacımca verilen ppm in konsatrasyona dönüşümü ppm in % m 0 cm olarak ifade etmek için, ppm değeri 0 4 ile bölünür: 5000 ppm = % 0,5 gibi 38

239 0. Yapıları Ve Çeşitleri X. BÖLÜM DOĞALGAZLI KALORİFER KAZANLARI Kazanlar genel olarak mekanik yapıları bakımından iki kümeye ayrılırlar: Su borulu kazanlar, Alev borulu kazanlar, Genel olarak su borulu kazanlar alev borulu kazanlardan daha çok tercih edilmektedirler. Çünkü emniyet bakımından üstün tutulmaktadır. Su borulu kazanların tarihçesi 00 yıl öncesine dayanmaktadır. Su borulu kazanlarda, alev dışarıda, su içerdedir, su boruları alev içinde dolaştırılır. Alev borulu kazanlarda ise durum tersinedir. Alev U dönüşlü bir veya birkaç tüpün içinde dolaşır; bu boru tamamının dışında kazan haznesi su ile saptanan bir seviyeye kadar doludur. Kazanlar; sıcak su, buhar, kızgın buhar (kuru buhar) elde edilmesinde kullanılırlar. Konutsal ısıtmada kullanılan kazanlara "kalorifer" kazanları denir. Sanayide kullanılan kazanlarda, genellikle normal buhar veya kızgın buhar elde edilir. Sanayi tipi kazanlar, ısı enerjisini işe dönüştürmekte kullanılan birer araçtırlar; amaç, kimyasal bir olay (yanma) sonucu elde edilen ısı enerjisini buhar vasıtasıyla iş elde etmekte kullanmaktır. Alev borulu kazanların verimleri % 60 % 75 dolayındadır. Şekil:0. Tipik kazan dış görünümü 39

240 0. Yakıtlarına Göre Kazanlar Katı yakıtlı kazanlar (Odun, kömür, vb.) Sıvı yakıtlı kazanlar (Fuel oil vb.) 3 Gaz yakıtlı kazanlar (Havagazı, doğalgaz, diğer yanıcı gazlar) 0.3 Katı ve Sıvı Yakıtlı Kazanlar ile Doğal Gazlı Kazanların Karşılaştırılması Katı yakıtla kazanlarda, yakıt genellikle maden kömürü çeşitleridir. Kömür; ızgarada parça halinde yakılabileceği gibi toz halinde püskürtülerek de yakılabilir. Pulverize (toz haline getirme) edilmiş kömür hava ile yanma odasına püskürtülür. Kürek ve benzeri aletlerle yükleme yapılan ızgaralar,5 m. dir, hareketli olanlar daha uzundur. Yakıtlar, elle veya otomatik olarak yüklenebilir. Toz haline getirilmiş olan pulverize kömür üflemeli hava ile karıştırılarak brülör ucuna püskürtülebilir. Püskürtme havası ile ön karışım yapan tozların verimli bir şekilde yanmaları için 0,0 0,30 hava fazlası sağlanmalıdır. Katı yakıtlı kazanların boruları zamanla kurum bağlar. Duman borularındaki kurumun temizlenmesi duruşa neden olur ve zaman alır. Temizleme işi basınçlı buharla yapılır. Alev boruları 3 geçişli olabilmektedir. Kazanın boyutu, ızgaranın yüzeyine ve uzunluğuna kısmen bağlıdır. Kömür yakıtlı kazanlarda ısı transferinin % 70 e yakını yanma hücresinde ışıma (radyasyon) ile % 30 u konvektif yolla gerçekleşir. Katı yakıtlı kazanlarda bazı değişiklikler yapılarak doğal gaza dönüşümlü yapılabilmektedir. İlk başta yapılan değişiklik, ızgara ve parçalarının sökülüp atılması, arkaya patlama kapağının yerleştirilmesi, küllük yerinin doldurulması, ateş tuğlası ile kapatılması, ateş kapağının yerine brülör bağlantı kapağının monte edilmesi, yüksek sıcaklıktaki baca gazlarına karşı olan tüm boruların aynaya kaynak edilmesi, kazan içinde sızdırmazlığın sağlanması, duman borularına türbülatör takılması, baca borusu girişine ekonomize yerleştirilmesi ve iyi bir temizliğin yapılması gibi işlemlerdir. Kömür yakan kazanların yaşlanarak kullanılmaz hale gelmeleri 6- yıl arasında değişebilmektedir: Doğalgaza dönüşümlü de kazanın güvenilir şekilde kaç yıl, dayanacağı dikkate alınmasında ekonomik yarar vardır. Sıvı yakıtlı kazanlar, genelde fuel oil, mazot, gazyağı gibi Yakıtları kullanırlar. Bunlar da, ancak sıvı yakıt için tasarlanmışlardır, brülör değişimi olmadan gaz yakacak hale getirilemezler. Fuel oilin ısıl değeri 9 0 bin kcal/kg dolayındadır. Doğal gazın üst ısıl değeri ise 3 bin kcal/kg dir, alt ısıl değeri fuel oilinkine yakındır. Yanma odasının hacmi belirlenirken, alev boyu hesaba Katılmalıdır. Sıvı Yakıtlarda kükürt bulunması, sülfürik asit oluşumuna yol açabilmektedir. Fuel oilin baca gazları 40 C dolayında olmak durumundadır. Buda yüksek sıcaklığa sahip gazların atmosfere verilmesi demektir. Sıcaklığın düşürülmesi fuel oilin yanma gazlarının çiğlenmesine yol açar ki bu da korozyon olasılığını artırır. Oysa, doğal gazda baca gazları sıcaklığı 60 C nin altına düşürülebilmektedir. Bu da fuel oile göre ek ısı kazanım sağlamaktadır. 40

241 Fuel oilin ayrıca is, kurum oluşturması, baca gazları arasında önemsenecek ölçüde SO bulunması işletme maliyetlerini artırmaktadır. Büyük sanayi kuruluşlarında, SO i yok etme prosesi" (desülfürizasyon) ek maliyetler getirmektedir. Fuel oilin iyi yanması için ön ısıtmaya tabi tutulması, iyi bir atomizasyonla yanma odasına püskürtülmesi, hava ile istenen karışımın sağlanması gerekir. Bunlar tam sağlandığında ekonomik yanma elde edilebilir. Isı transferinin % 80 ni ışıma yoluyla yanma odasında, geriye kalanı konvektif yolla duman geçişinde gerçekleşir. Pompalama ve atomizasyon sıcaklıkları şöyledir: Hafif fuel oil Orta fuel oil Ağır fuel oil Pompalama sıcaklığı 7 C 7 C 38 C Atomizasyon sıcaklığı C C 04 7 C Sıvı yakıtlı kazanların doğal gaza dönüşüm işlemleri, esas itibariyle brülör değişimini, duman borularına türbülatör takılmasını, kazan arkasının ateş tuğlası ile kaplanmasını, kazan bünyesinde sızdırmazlığın sağlanmasını içine almaktadır. Doğal gazlı kazanlarda, işletme kolaylığı, temizlik ve rahatlık vardır. Çünkü, ön ısıtma, depolama, taşıma, pompalama gibi sorunlar yoktur. Gazın hava ile karışımı homojendir. Bu iyi yanmayı sağlayan verimi artıran nedenler arasındadır. Doğalgaz alevi, kısa ve mat olduğundan ışıma yoluyla ısı transferi azdır. Yanma odasında sıcaklık oldukça yüksektir. Isı iletiminin büyük bir kısmı konveksiyon yoluyla yapılır.. 4 Konvektif Isı İletimi Q = U A T formülü ile hesaplanır. ( )( ) Q = kcal/h A = m T = C U = kcal/hm C (Isı iklim katsayısı) 0.5 Işınım Yoluyla Isı Transferi Işıma yoluyla ısı transferi, maddenin ısı yayabilirlik katsayısına bağlıdır. Bu sayıya emisyon katsayısı denir. Emisyon katsayısı yüksek maddelerin ısı yayma güçleri de fazladır. 4

242 Kömür ve fuel oil yakan kazanlarda ısı transferinin % 75 i ışıma (radyant) yoluyla olduğu göz önüne alınırsa emisyon katsayısı oranının önemi anlaşılır. Işıma ile ısı transferinin hesaplanması: Q = ε 4 4 ( T T ) Q = kcal/h (Saatte transfer olan ısı miktarı) ε = kcal/hk (ısı yayabilirlik ölçüsü) ε = Bir maddenin ısı yayma miktarı Siyah maddenin ısı yayma miktarı T = K (Isı yayan maddenin sıcaklığı) Doğal gazın ışıma yoluyla ısı transferinin, kömür ve fuel oile göre daha az olması, bünyesindeki hidrojenin fazlalığından ileri gelmektedir. Çünkü hidrojen gazı oksijenle reaksiyona girerek suyu oluşturmaktadır. Yanma ürünleri arasında oluşan su, bir miktar ısı kaybına yol açmaktadır. Işımalı ısı transferinin az olması nedeniyle, doğal gaz kazanlarında alev ve duman borularındaki sıcaklık, kömür veya fuel oilde olduğundan 50 C 00 C daha fazladır. Borulara türbülatör takılması, duman geçiş hızını yavaşlatacağından, ısı transfer zamanı uzatılmaktadır. Bu da, türbülatörsüz borulara göre ek ısı kazanımı vermektedir. 0.6 Isıtma Sistemlerinin Tasarımıyla ilgili TS'ler TS57 : Binalarda sıcak sulu ısıtma santrallerinin düzenlenmesi TS65 : Duman Bacalarının Projelendirilmesi ve Düzenlenmesi Kuralları TS796 : Çıkış Suyu Sıcaklığı 0 C kadar olan sıcak sulu ısıtma sistemlerinin güvenlik donatımlarının tasarım ve yerleştirilmesi kuralları TS4040 : Baca çekiş değerleri, duman sandığı TS404 : Kazanların anma ısı gücü ve verim deneyi TS497 : Duman borularına takılan türbülatörler Kazanların konutsal ısıtmada kullanılmasında iki yöntem uygulanabilir: 4

243 Çevrimdeki su miktarı yeterli ise, kazanda istenen sıcaklığa kadar ısıtılan su kalorifer peteklerinden dolaştırılarak "ısıtma işlemi" gerçekleştirilir. Bu şekilde ısıtma daha çok az konutlu binalarda veya bireysel ısınmalarda geçerlidir. Merkezi ısıtma sistemlerinde, daha çok çevrim suyuna gerek duyulur. Sıcak su, kazanda elde edilen buharın bir veya birkaç ısı değiştiriciden geçen soğuk suyun ısıtılması ile elde edilir. Kazandan çıkan buhar, ısı değiştiriciden yoğunlaşmış olarak tekrar kazana döner. Isı değiştiriciden çıkan ve ev odalarındaki kalorifer peteklerinden dolaşan sıcak su, ısı değiştiriciye soğumuş halde döner. Bir kazan, yanma ile ortaya çıkan ısıyı bir akışkana transfer eden basınçlı bir kap sistemidir. Bu tanımın içine akışkana ısı transferi yapan elektrikli ısıtıcılar da girmektedir. Fakat, "kazanlar" genelde, sıcak su ve buhar elde etmekte kullanılan ve akışkanı su olan ısı üreteçleridir. Isıtılmış olan akışkan hava ise ısı değiştirici sistem, kazan olarak değil "fırın" olarak tanımlanır. Yanma olayının gerçekleştiği cehennemlikler de fırın olarak bilinir. Kazanlar, ısı transfer sistemleridir. Brülörde ortaya çıkan ısı, kullanılacağı ortama bir akışkan vasıtası ile taşınır. Yanma sonucunda ortaya çıkan ısıyı taşıyan akışkanlara göre kazan tipleri: Buhar kazanları Kızgın su kazanları 3 Sıcak su kazanları Isı transferi, yanma odasında ışıma, duman borularında konveksiyon yoluyla gerçekleşmektedir. Isı transfer yüzeyine kadar büyükse, ısı iletimi de o kadar çok olmaktadır. Kazanlar, genellikle, döküm demir ya da çelikten imal edilen ısı transferinin meydana geldiği basınçlı kaplardır ve yapımları, testleri, kontrol elemanları, ASME'nin ve geçerli ilgili standartların koşullarına uygun olmak durumundadır. Kazanlar, et kalınlığı ve malzemesi, bilinen standartlara uygun olarak seçilen metal saçlardan imal edilirler. ASME nin "Basınçlı Kaplar Bölüm IV (Pressure Vessel Code, Section IV)da, buhar kazanları ile ilgili standartlar verilmiştir. Saç kalınlığı ANSI B 3 8 standardında verilen formülden hesaplanabilir. PD t = + C P + 0,4S t = Minimum et kalınlığı, inch P = İç tasarım basıncı psia 43

244 S = Uzun süreli hidrostatik gerilim, psia D = Kazan dış çapı, inch C = Korozyon payı Kazanların, bir veya birden çok çekişe sahip olmaları olasılıdır. Örnek: P = 90,08 psia ( 9,73 atm) S = psia (7,08 atm) D = 59,04 in (50 cm) C = 0,03 in (0,076 cm) t =? ( 90,08)( 59,088) ( 90,08) + 0,4( ) t = + 0,03 t =,05 + 0,03 t =,08 in =,7 cm. Kazanlar, basınç, sıcaklık, yakıt, şekil ve ısıtma proseslerine göre sınıflara ayrılırlar. Ilgili Standart: ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IV, for Heating Boilers (ASME = American Society Of Mechanical Engineers) Tablo 0. Pratikte Kullanılan Kazanların kapasitelerine Örnekler: Buhar Sıcak su Kazan Tipleri kpa T (C ) (kpa) T( C) Düşük basınçlı kazanlar Orta ve yüksek basınçlı kazanlar Buhar kazanları (Buhar? 5000 lb/h Isı Mbtu/h Sıcak su kazanları (Isı 50 Mbtu/h 5000 Mbtu/h) ~ P 03 < 00 44

245 0.7 Su Borulu Kazanlar Paket tipi imal edilen kazanların buhar kapasite durumları şöyledir : 45 ton/h 450 tonk/h Su borulu kazanlar 00 kg/h 5 ton/h Alev borulu kazanlar,3 ton/h 40 ton/h Bu yu k boy alev borulu kazanlar 30 ton/h 400 ton/h Yu ksek basınç yüksek sıcaklık kazanları Su borulu kazanlar boruların döşeniş şekillerine göre iki kısma ayrılırlar. A Tipi kazanlar (Su boruları demetinin A harfine benzemesi) D Tipi kazanlar (Su boruları demetinin D harfine benzemesi) Q- Tipi kazanlar (Su boruları demetinin Q harfine benzemesi) Şekil 0. Dünya standartlarınca da kabul edilen kazan yapı tipleri. Buhar üreten su borulu kazanların tabanda çamur, tepede buhar dram (drum)ları bulunur. Çamur dramında, su içinde bulunabilecek Katı tanecikler, çamurlaşmış toz ve küller dibe çöker. Tepedeki dram, buharın toplandığı yerdir. 45

246 Şekil 0.3 Kazan iç yapısal detayı Hava/yakıt oranının otomatik olarak kontrol altında tutulması gereği, her kazan türü ve her tür yakıt için geçerlidir. Buhar debisi, ısı kapasitesi ile işlenen su miktarına bağlıdır. Kazan buhar kapasitesi, buhardan elde edilecek enerjiye doğrudan bağlıdır. Kazan kapasitesi belirlenirken kazanın hangi amaçla kurulacağı ele alınmalıdır. A. Konut ısıtma amacıyla kurulacak "kalorifer kazanları" B. Sanayide işe dönüştürülecek ısı enerjisinin elde edilmesi amacıyla kurulacak "sanayi kazanları". 46

247 Şekil 0.4 Alev borulu kazan tipi 0.8 Kapasite Belirlemede Göz Önüne Alınacak Durumlar DT kadar sıcaklık farkı ile ısıtılacak olan ortama (konut, iş yeri) transfer olması gereken ısı yükü Q = U( A)( T) formülü ile belirlenir. Kalorifer peteklerinde dolaşan sıcak su çevreye ısı verecektir. Bu suretle, mekandaki hava ısınırken, ısı değiştiriciye geri dönen su soğumuş olacaktır. Dolaşımdaki suyun kaybettiği ısı = Konutlardaki havanın aldığı ısı 47

248 Şekil 0.5 Isı transferi olayının şematik gösterilişi Kayıpsız ideal ısı iletimli ortamda Q = Q = Q ilgisi kurulabilir. b s h Q b = m b kadar buharın m s kadar suya transfer ettiği ısı Q s = m s kadar suyun m b kadar buhardan aldığı ısı Q h = m h kadar havanın m s kadar sudan aldığı ısı Fakat ısı transferi hiçbir zaman ideal olmaz. Yukarıdaki ısı değişimi denklemi Q = k Q = k Q şeklinde ifade edilebilir. b s h k - k : Ortamın ısı iletim katsayıları Isı değiştiricili (heat exchanger) sistemde görüldüğü gibi iki çevrim vardır. ) Buhar çevrimi, ) Sıcak su çevrimi 0.9 Buhar Veya Sıcak Su Kazanlarının Ortak Tasarım Ölçütleri Brülörün ısı kapasitesi =?(Btu/h, kcak/h) Sıcak su kapasitesi =? (kg/h, lb/h) 3 Buhar kapasitesi (buhar kazanları) =?(kg/h, lb/h) 4 Yakıt tipinin seçimi: Katı (kömür) =? Sıvı (fuel oil) =? 48

249 Gaz (Doğal gaz) =? 5 Brülör tipinin seçimi: Katı yakıt brülörü (kömür yakıcılar) Sıvı yakıt brülörü (Fuel oil yakıcılar) Gaz yakıt brülörü (Gaz yakıcılar) 6 Kazan tipinin seçimi: Su borulu (sıcak su kazanları) =? Alev borulu (Buhar kazanları) =? 7 Yakma havasının veriliş şekli: Atmosferik basınçla kendiliğinden =? Yakma havasının fan ile verilmesi =? Bacadan fan ile emiş yapılması =? Otomatik olarak brülöre hava vermek ve bacadan emiş yapmak =? 8 Besi suyunun hazırlanması Normal içme suyunun kullanılması Suyun kazana verilmeden önce yumuşatıcıdan geçirilmesi ve oksijeninin alınması 9 Baca gazlarından yararlanma Kazana dönen soğumuş suyun veya besi suyunun, kızgın baca gazlarının geçtiği boru içinden dolaştırılarak ön ısıtmaya konulması (Ekonomizer prosesi) 0 Ölçme ve güvenlikte kullanılacak aygıtların belirlenmesi: Sıcak su veya buharın ölçülmesi (Akış sayacı, FI, FR) Buhar basıncının ölçülmesi (Basınç ölçer: PI, PR) Kazan suyu seviyesinin ölçülmesi ve kontrolü (LIC) Kazanın yüksek basınç nedeniyle patlamasının önüne geçmek için basınç emniyet vanasının kullanılması, (PSV) Hava/yakıt oranının otomatik kontrolü (FT FV) Gaz veya fuel oil tüketiminin ölçülmesi (FI) Kazanı tehlike durumunda devre dışı bırakacak aygıtların kullanılması * Yüksek basınç anahtarı (switch, PSH) * Alev dedektörü * Çok düşük seviye anahtarı (LSLL) Sesle ve ışıkla uyaran (alarm) ve sistemi devre dışı bırakan aygıtlar 49

250 PAH: Yüksek basınç uyarısı PAH: Çok yüksek basınç uyarıcı ve durdurucu LAL: Düşük seviye uyarısı LALL: Çok düşük seviye uyarıcı ve durdurucu BA: Brülör yanmıyor uyarısı veren ve isteneni durduran dedektör. GA: Gaz kaçağı var uyarısı veren veya sistemi durduran dedektör Yukarıda sıralanan tasarım ölçütleri, genel anlamdadır, basit kalorifer kazanları için bir çoğu gerekmeyecektir. Yalnız üç şeyin her tür kazan için yaşamsal önemi vardır. Yüksek basınçtan ve dolayısı ile patlamadan korumak Kazanın susuz kalmasından ve kavrulmasından korumak 3 Brülörün yanmaması durumunda olası patlamayı önlemek için, yakıtı kesmek. 0.0 Kazanlarda Verim Sıcak su veya buhar kazanlarında verim, verilen enerjinin alınan enerjiye bölümü ile hesaplanır. Bir kazanda verim: Yakıt kalitesine Kazan tasarımına 3 Brülörün yapısına 4 Hava yakıt oranının iyi ayarlanmasına 5 Isı transferinin yeterli olmasına 6 Baca çekişine 7 Baca gazlarının ısısından yararlanmaya ve benzeri olgulara bağlıdır. Bir kazan, giriş ve çıkışı olan bir sistem olarak tasarlanırsa: 50

251 Kazan verimliliği Sistemden alınan ısı η = Sisteme verilen ısı Sisteme verilen ısı enerjisinin hesaplanması:. atm. basınçta ve 5C de yakıt gazı (doğal gazı) debisi (m 3 /h) belirlenir.. Yanma ile ortaya çıkan ısı hesaplanır. Q = Isıl değer (kcal/m 3 ) x Gaz debisi (m 3 /h) = kcal/h 3. Besi suyu ile giren ısı miktarı bulunur. Q = Su debisi (kg/h) x [Suyun duyulur sıcaklığı (T T o ) x Özgül ısı 4. Yanma için gerekli hava debisi hesaplanır. Gerçek hava oranı = Stokiyometrik hava (m 3 /m)+ Fazla hava miktarı (m 3 /m 3 ) Fazla hava oranı, baca gazlarındaki CO % desi kullanılarak tespit edilebilir. Gerçek yanma hava debisi = Gerçek hava oranı (m 3 /m 3 ) x Doğal gaz debisi (m 3 /h) 5. Hava yoluyla sisteme giren ısı miktarı hesaplanır. kcal 3 o m C Q 3 = Gerçek hava debisi (m 3 /h) x havanın özgül ısısı x ( T) 6. Sisteme giren toplam ısı enerjisi bulunur. Q T = Q + Q + Q 3 (kcal/h) 7. Sistemden alınan ısı miktarı hesaplanır. Sıcak su kazanları = mc T= Su debisi x özgül ısı x (T T o ) Buhar kazanları Q s Q b= Buhar debisi [(T T o + Gizli ısı] 5

252 8. Verim Sıcak su Kazan Verimi η Buhar kazan verimi Örnek: s η Q = Q b s T Q = Q b T t/h debideki su kazana 0 C ile girip 80 C ile çıkmaktadır.,035 bar ve 5 C de üst ısıl değeri 955 kcal/m 3 olan doğal gazın debisi ne olmalıdır ki, verimi % 80 olan kazan verilen debideki suyu istenen sıcaklığa çıkarabilsin. Çözüm :. Verilere göre. Gerçek ısı yükü (QT) =?. Toplam ısı denklemi =? 3. Yanma havası oranı, (n) ve ısı yükü (Q3) =? 4. Doğalgaz ısı yükü (Q) ve gaz debisi =? Q kg kcal = mc T = 000 o h kg C o o ( 80 C 0 C) s = kcal h Q s = kcal/h % 80 verimle suya iletilen ısı yüküdür. Q s Gerçek ısı yükü Q = %0Q T = x 00 = x Toplam ısı yükü denklemi T = Q T = Yanma ısısı + Su giriş ısısı + Hava giriş ısısı kcal h Suyun kazana giriş sıcaklığı ile dış ortam sıcaklığı aynı olacağından (öyle kabul ediliyor), giren su ile kazana ek ısı taşınmamaktadır. Böylece su ile ısı girişi Q = O kabul edilebilir. 3. Yanma havası oranı Doğal gazın üst ısıl değeri = 955 kcal/m 3 Stokiyometrik hava, doğal gaz içinde bulunan yanabilen oksijenle olan tepkime sonuçlarına göre, her bir kimyasal yanma denklemlerindeki oksijen mol miktarları kullanılarak hesaplanır. Eğer, doğal gaz % 00 metan gazı olsaydı stokiyometrik hava 0 5

253 m 3 /m 3 olacaktı. Doğal gazın % 96 sının metan olduğu varsayılarak, stokiyometrik yanma havası kabaca 9,60 m 3 /m 3 kabul edilmiş olsun. Doğal gazda, fazla hava katsayısı n =,05 alınabilir. Gerçek yanma havası oranı = 9,6 m 3 /m 3 x,05 = 0,08 m 3 /m 3 Hava giriş sıcaklığı T = 0 C Hava özgül ısısı C h = 0,395 kcal/kgc 4. Hava debisi V3 V 3 m = 0,08 m V 3 = Hava debisi, 3 3 m V h V = Doğal gaz debisi 3 Hava ısı yükü Q3 : Q 3 m = 0,08 m 3 3 kcal o kg C o o ( V ) x 0,395 ( 0 C 0 C) x,98 Q 3 = 3, (V ) kcal/h 5. Doğalgaz ısı yükü ve gaz debisi kg m 3 Q = V (m 3 /h) x üst ısıl değer (kcal/m 3 ) 3 kg m Q = 955 x V = m h 6. Toplam ısı yükü kcal h ( V ) Q T = Q + Q + Q 3 Q = Doğal gaz yanma ısı girdisi Q = Su ile ısı girdisi fi Q = 0 Q 3 = Hava ile ısı girdisi Çevrenin duyulur sıcaklığı T o = 0 C kabul edilmiştir. 53

254 Q T = Q + Q 3 = 955(V ) + [( 3, (V )] kcal kcal = 955 = h m h m h 3 3 m kcal m x V 3 3, V 3 93,79 V V = 8, m 3 /h Sonuç : Doğalgaz debisi 8, m 3 /h olmalıdır ( ) 54

255 . Brülör Ve Çeşitleri XI. BÖLÜM BRÜLÖRLER Brülör, yanma olayının meydana geldiği mekanik tertibata denir.brülörün görevi yakıt ile havayı karıştırmak ve bu karışımı yakmaktır. Kömür gibi Katı Yakıtların brülörü tepsi gibidir, toz halindeki kömür bu tepsiye dökülerek yakılır. Fuel oil gibi sıvı Yakıtlar brülörde zerrelere ayrılır, brülörden püskürtülerek yanma odasına verilir. Gaz brülörlerin yapısı, yakıt gazının ısıl değerine, hızına, yanma havasına, gaz basıncına ve yoğunluğuna bağlıdır. Brülörler genel olarak a. Fanlı b. Fansız olmak üzere iki çeşittir. Brülörlerin görevi yanmanın verimli, stabil olmasını sağlamaktır. Yakıtın parçalanması, ufak zerrelere ayrılması yanmayı kolaylaştırır. Burada, fuel oil gibi sıvı Yakıtları, püskürtülmek suretiyle parçalanması buhar ve haline gelmesi sağlanır: Fuel oil buharı, yanma odasına girerken hava ile karışım yapar. Bir brülörün kapasitesi, yapısına, yakıt cinsine, kazan tipine, yanma odasının şekline ve baca çekişine bağlıdır. Bir brülörün, birim zamanda yakabileceği maksimum yakıt miktarına kapasitesi denir.. Brülörlerin Yapıları Yüksek Basınçlı Brülörler Bunlara, yakıt (sıvı), bir pompa vasıtasıyla 6 30 kcak/cm basınçlarla verilir. Hava bir vantilatör aracılığı ile sağlanır. Sıvı yakıt brülöre verilmeden önce pompa girişinde ısıtılır.. Buharlı Atomize Brülörler Düşük basınçta, brülöre gelen yakıt, yüksek hıza sahip hava veya buharla parçalanır. Büyük kapasiteli brülörlerde, yakıtı parçalayan havaya ek olarak ayrıca yanma havası gönderilir. Atomize brülörlerin kapasite ayar olanakları vardır. Tıkanma sorunu yoktur. Atomize buhar veya havanın hızı ve debisi iyi ayarlanırsa verimli bir yanma elde edilir. 55

256 Şekil. Atomize brülör 3. Dönerli Diskler Bu tip brülörlerde, döner diskin fonksiyonu yakıtı parçalamak, zerreciklere ayırmaktır. Yakıt devirğdk. hızıyla döner. Konik bir fincanın çevresinden geçirilerek parçalanır. Yakıt fincanın içinde düzgün bir şekilde yayılırken, fincan bir motor tarafından döndürülür. Bu dönme olayı, merkezkaç kuvveti meydana getirir ve bu kuvvet yakıtın parçalanmasını sağlar. Bu arada verilen hava, damlacıklara çarparak atomizasyonun sağlanmasına yardımcı olur. Bu tip brülörlerde, parçalanan zerreciklerin çapı ortalama 50 mikron dolayında olmaktadır. 56

257 Şekil. Dönerli dikslibrülör.3 Doğalgaz Brülörleri Atmosferik Brülörler Bu brülörlerde, hava ile gaz karışımı atmosferik basınç altında sağlanır. Düşük basınçlı gaz brülörlerinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Gaz basıncı 7 0 mb. civarında olması nedeniyle atmosferik havanın karışım yapması sorunsuzdur. Gaz henüz dağıtım halkasına gelmeden birincil karışımı yapmış olur. Hava ve gaz, birbirlerine koşut veya spriyal şeklindeki borulardan brülör ucuna gelir. Yanma sırasında, halkadaki deliklerden çıkan gaz ikincil olarak hava karışımı yapar. Şofbenlerin ve evsel pişirme ocaklarının brülörleri düşük gaz basınçlıdır. Hava gaz karışımının istenilen oranda olmasını sağlayan ayar tertibatı da bulunabilir. Ocaklarda ve fırınlarda bulunan brülörler, pilot alevi elektrikli çakmakla tutuşturulabilir. Ocak veya fırının yanarken sönmesi halinde gazın otomatik olarak kesilmesini sağlayn emniyet sistemi olmalıdır. Termostat ile sıcaklık ayarlanabilmelidir. Karışım borusunun uzunluğu, çapı ve brülör meme çapı, elde edilecek ısı yüküne bağlıdır. Hava karışımını sağlama yöntemine göre Meme veya nozul karışımı: Gaz ve yakma havası önceden belirlenmiş ayarlarda brülör ucuna ayrı yollardan verilerek, karışımın meme ucunda olması sağlanır. Atmosferik hava ile karışım: Gaz geçişi atmosferik hava ortamından geçirilirken karışım sağlanır. Yanma sırasında ikinci hava verilerek etkili yanma elde edilmeye çalışılır. 3 Basınçlı hava ile karışım : Basınçlı hava, gaz geliş yoluna gönderilerek gazın brülör memesine sürüklenmesi sağlanır. Hava ile ön karışımı yapılmış gaz şiddetli bir yanma yapar. Bu yönteme "hava blast" denir. 4 Difüzyon şeklinde karışım : Geniş ağızlı yaygın alevli brülörlerde gaz atmosferik hava ile doğal olarak karışım yapar. Gaz yayılarak (difüzyon) yandığından homojen hava karışımı sağlanır. 5 Basınçlı gazla karışım havasının taşınması : Bu yöntemde, basınçlı gaz atmosferik havayı beraberinde sürükler. Yanma odasında ikinci hava karışımı yapılarak yanmanın etkili ve şiddetli olması sağlanır. Bu şekildeki karışım yöntemine "gaz blast" denir. Yukarıda, brülör öncesi donanımın nasıl olması, neleri bulundurması gerektiği anlatıldı. Doğal gazlı bir sistemde bulunması gerekenler, ölçü ve ayar aletleri ile emniyet aygıtlarından 57

258 meydana gelmektedir. Bunlardan en önemlileri, regülatörler, emniyet kapatma vanaları ve gaz dedektörleridir. Bunlar temin edilip hat kurulduktan sonra, brülör seçimi veya brülör dönüşümü gündeme gelir. Yeni kurulan sistemlerde, gaz brülörü seçilmiş olacaktır. Fakat, katı ve sıvı yakıt brülörlerinin doğal gaza dönüştürülmeleri bazen ekonomik olması bakımından baş vurulan bir yoldur. Bunun yanında, bir başka seçenek de, ısıtma ve sıcak su elde etme sistemlerini "çifte" brülörlü olmalarıdır. Fuel oil ve doğal gaz brülörleri duruma göre kullanılabilir olmaları, esneklik sağlayacaktır. Yeni kurulan kazanlarda, çifte brülör kullanımına özellikle dikkat edilmektedir. Brülör dönüşümünde dikkate alınması gerekenler: Eski brülörde kullanılan yakıtın ısıl değeri bilinmeli. Doğal gazın ısıl değeri bilinmeli 3 Her iki yakıt için gerekli hava miktarı bilinmeli 4 Baca durumu gözden geçirilmeli 5 Emniyet durumu doğal gaza göre yeniden ele alınmalı 6 Hava yakıt karışımlarının yanma hızları bilinmeli 7 Kömür (Katı yakıt) kazanlarında yapılması gereken değişiklikler a) Kazan arkasına yaylı veya serbest ağırlıklı patlama kapağı yerleştirilir. b) Katı yakıt düzenekleri olan baca damperi ve köprüleri ile ateş kapağı, küllük kapağı sökülür.. c) Ateş kapağının yerine kalınlığı en az 0 mm. olan brülör kapağı konur. d) Duman boruları gözden geçirilir, aynalara kaynaklanır, veya bazıları körletilir. e) Küllük kapağının yeri doldurularak betonlanır. Üzeri ateş tuğlası ile örülür. f) Kazan gövdesinde, hava sızdırmazlığı sağlanır. g) Duman borularına türbülatör yakılır. h) Baca gazlarına karşı gelen tüm borular aynaya kaynak edilir. Kaynaklanmış borular, kaynak bitim yerlerinden kesilir. ı) Baca gazlarının ısısından yararlanmak gerekir. Doğal gaz baca gazları, korozyon oluşacağı kaygısı ile 60 C nin altında düşürülmez. Baca gazlarının 60 C de atmosfere atılması ısı kaybından başka bir şey değildir. O nedenle; bacaya, ön ısıtıcı görevini yapacak, bir ısı değiştiricinin konmasında yarar vardır. Kondens ısısından yararlanmak amacıyla konan bu eşanjör çevresinde, biriken yoğuşma suyu boşaltılır. Atmosfere bırakılan gazların sıcaklığı 56 C den 30 C ye kadar düşürülebilir. Bacaya konan eşanjöre "ekonomizer" denir ve bu eşanjör 0,0 ile 0,03 oranında ısı kazanımı sağlar. j) Kazanın soğutulmayan tüm kısımları ateş tuğlası ile kaplanmalıdır. 58

259 k) Kazanın duman sandığı kapakları, baca damperi bağlantıları ile hava girebilecek tüm delikler yanmaz maddeyle kapatıldıktan sonra özel bir harç ile (şamur harcı olarak bilinir) sıvanmalıdır. l) Seçilen brülör ve bağlantı sistemi yerleştirilir..4 Yakıt Basıncına Göre Brülörler Alçak basınçlı brülörler Bu tip brülörler evlerdeki fırın ve ocaklarda, ayrıca sıcak su kazanlarında kullanılırlar. Doğal gaz basıncı 7 0 mb. dolayındadır. Hava karışımı genellikle atmosferik basınçtaki ortamın havasıyla gerçekleştirilir. Yüksek basınçlı brülörler Gaz basıncının 300 mb a kadar çıkmış olduğu sanayi brülörleridir. Bu tip brülörlerde, hava karışımı, havanın "bir fan ile gaz içine üflenmesi şeklinde yapılır. Hava yakıt oranı gelişmiş otomatik yöntemlerle gerçekleştirilir..5 Fanlı Brülörler Fanlar, sanayi tipi kazanlarda ve fırınlarda hava karışımını ön süpürme ve son süpürme işlemlerini yerine getiren brülör gövdesiyle birlikte veya ondan ayrı olan vantilatör tipi aygıtlardır. Genellikle otomatik olarak devreye girer ve çıkarlar. Sanayi kazanlarında, gaz hava karışımı, buhar basıncına, kazan suyu sıcaklığına bağlı olarak ayarlanabilmekte, gaz miktarı, hava oranı tertibatına bağlı olarak otomatik olarak sağlanmaktadır. Fanlar, impellerden geçen havanın yönüne uygun olarak, eksenel ve santrifuj tip olarak iki çeşittir. Tüm fanlar, havanın akış hız vektörünün yönünü değiştirerek basınçlı hava oluştururlar. İmpellerin dönen bıçakları hız değişimleri şeklinde havaya kinetik enerji kazandırarak basınçlı hava akışını sağlarlar. Santifujlu fanlarda, hız değişim, açısal ve doğrusal hız bileşenlerinden kaynaklanır. Santrifuj fanlarda, basınç iki kaynaktan sağlanır. Bu kaynaklar; Bıçaklar (kanat arasındaki havanın döndürülmesi ve, Impelleri bırakan hızlanmış havaya kazandırılmış olan kinetik enerjidir. Eksenel fanlarda, basınç, impellerin içinden geçen havanın hızındaki değişmelerle ortaya çıkar. Benzer iki fan arasında şu ilişkiler vardır : Debi Q = Q (D ğd ) 3 (N /N ) () Basınç P = P (D /D ) (N /N ) (ρ /ρ ) 59

260 Basınç P = P (D /D ) 4 (Q /Q ) (ρ (ρ ) Debi Q D = Q D P P 0,5 ρ ρ Formüllerde : D = Fan çapı N = Dönel hız, rpm Q = Debi P = Basınç ρ = Yoğunluk (gaz) Uyarı : Birimler arasında uyuşum olmalıdır. 0,5 Şekil.3 Doğalgaz brülör çeşitleri 60

261 Şekil.4-Petek Tipi (e) Ön karışımsız (f) 6

262 Şekil.5-Sanayi Tipi (g) üflemeli, ön karışımsız, kaynakçı tipi (ı) Şekil.6- Radyant Tipi (i), düşük basınç ön karşımlı (m) 6

263 63

264 64

265 Şekil.4 Alev borulu bir kazanın duman borusuna türbülatör takılması 8 Hava gazı veya LPG (Sıvı petrol gazı) brülörlerin doğal gaza dönüşümleri debi, nozul çapı, yanma hızı ve ısı yükü gibi veriler dikkate alınarak yapılır. Doğal gaz brülör sistemi aşağıda verildiği gibi tasarlanır ve sistemin değişkenleri sembolize edilir. 65

266 Şekil.5- Brülör bağlantısında temel elemanlar Örnek : Hava gazı debisi = Q h = ϑa H (Isı verimi = kcal/m 3 ) Doğalgaz debisi = Q d = ϑa H (Isı verimi = kcal/m 3 ) Nozul çapı A öyle ayarlanmalı ki H = H olmalıdır. Doğalgazın alt ısıl değeri 968,5 Btu/ft 3 (= Btu/m 3 ) Hava gazının alt ısıl değeri 453,5 Btu/ft 3 (=587,85Btu/m 3 ) Hangi yakıt türü kullanılırsa kullanılsın bir kazan doğal gaza çevrilecekse, ilk önce kazanın ısı yükü dikkate alınır. Önceki yakıt kazan sisteminde ne kadar ısı elde edilmekteyse doğal gaz yakıldığında da aynı ısı elde edilmelidir. Bu da yakıtın ısıl kapasitesi, yanma hızı, yanma havası, miktarı ile ilgilidir. Yakıt debisi brülör meme alanı ile çıkış hızının çarpımı ile bulunur. Havagazı ve LPG yakan ocakların doğal gaza dönüşümünde brülör memesini değiştirmek yeterli olabilmektedir..6 Wobbe İndeksi Pratikte, yakıt kalitesini karşılaştırmakta ve brülör seçiminde kullanılan Wobbe formülü başka yakma sistemlerin doğal gaza çevrilmesinde yararlı olabilir. Bir brülörde aynı ısı yükünü elde etmek için Wobbe numaraları aynı veya çok yaklaşık olan yakıtlar yakılmalıdır. GHV: yakıtın üst ısıl değeri Btu/ft 3 66

267 G = Göreli yoğunluk ( ) Formülün kullanımıyla ilgili örnek, konu 3.5 de verilmiştir. Dönüşümde, göz önünde bulundurulması gereken en önemli husus, aynı ısı miktarının doğal gaz ile de elde edilmesidir. Birim hacimdeki ısı verileri bilindiğinden, aynı ısıyı alabilmek için, doğal gaz debisinin, hava gazı debisine göre daha az olacağı görülmektedir. Yaklaşık ısı verimi, brülör nozul çapının yarıya düşürülmesi ile sağlanabilir. Çünkü hacimsel debi Q = JA dır. Burada J gaz geçiş hızı, A nozul kesit alanıdır. Yanma hızının özellikle dikkate alınması gerekir. Doğal gazın hava karışımın yanma hızı, hava gazı hava karışımının yanma hızından daha düşük (nerdeyse yarısı) olduğundan, karışımın bekten çıkış hızı düşürülmelidir, bu da, deliklerin genişletilmesi veya sayısının artırılması ile olur. Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG) ocaklarının doğal gaza dönüştürülmsinde de aynı yöntem uygulanır. LPG nin ısıl verimi çok yüksek olduğundan, bu kez, aynı ısıyı elde etmek için nozul çapı büyütülerek doğal gaz debisi artırılır. Yanma hızları yaklaşık olduğundan, bek deliklerinde değişiklik yapmak gerekmeyebilir. LPG nin alt ısıl verimi Btu/m 3 dür. Bu değer, doğal gaz ısıl değerin,6 katına eşittir. Aynı ısıl verimi elde etmek için enjektör çapını üç kat artırmak gerekir. Çünkü H = H Isıl verim (ısı enerji) C, C : Alt veya üst ısıl değerler kcal/m 3 veya Btu/m3, Btu/ft3 A : Eski enjektör (nozul) çapı A : Doğal gaz enjektör çapı.7 Sıvı Yakıtlı Kazanlarda Yapılacak Değişiklikler Sıvı yakıt (Fuel oil) kullanan kazanlarda şu işlemler yapılır. a) Sıvı yakıt brülör kapasitesi belirlenerek aynı kapasiteyi doğal gazla verebilecek brülör seçimi yapılır. b) Kazanda genel temizlik yapılır. Tortu ve kurumlaşmalar fırçalanır, traşlanır. c) Aynaya kaynak edilen boru uçlarında çıkıntı varsa traşlanır. d) Tuğla kaplamalar kontrol edilir. e) Duman boruları içine türbülatör konarak ısı verimi yükseltilmeye çalışılır. 67

268 f) Kazanın ön ve arka kısımları yalıtılır. g) Baca gazları analiz edilerek, hava yakıt oranı saptanır. h) Doğal gaza dönüştürülen kazanla aynı verimi elde etmek için aşağıdaki ilgi kurulur: H = C x Q x h Burada: H : Kazanın ısı kapasitesi (kcal/sa) Q : Gereken gaz debisi (m 3 /sa) C : Doğalgazın alt ısıl değeri (kcal/m 3 ) h : Kazanın verimlilik oranı Örnek: H = kcal/sa C = 8500 kcal/m 3 h = % 95 Q =? H kcal/sa Q = = 3 Cη 8500 kcal/m x 0,95 Q = 37,5 m 3 /s 68

269 . Yanma Olayı ve Hava/Yakıt Oranı XII. BÖLÜM YANMA OLAYI VE ISI POMPALARI Yanma, kimyasal bir olaydır, yanan maddenin iç yapısı tamamen değişir. Yanmadan önceki maddelerle, yanma sonucu ortaya çıkan maddeler arasında farklılık olacaktır. Bilindiği gibi yanma olayının meydana gelebilmesi için oksijene gereksinim vardır. Hava, normal koşullarda % 0 oksijen içerdiğinden havanın bulunduğu her yerde yanma gerçekleşebiliri. Havasız ortamda yanmanın olmayacağından yanan bir mumun üzerine bardak kapamakla anlaşılabilir. Bardağın hacmindeki oksijen miktarı tükenince mum sönecektir. Yanma olayı, yanıcı maddenin oksijenle kimyasal reaksiyona girmesi ve bu sırada çevreye ısı yayması şeklinde meydana gelir. Yanmanın tam olabilmesi için kimyasal tepkimenin gerekli kıldığı stokiyometrik oksijen sağlanmalıdır. Doğal gazı oluşturan gazlardan bazılarının yanma reaksiyonları şöyledir: Tablo. Yanma havası ve alev sıcaklığı Yanıcı maddeler Mol (m 3 ) kg Reaksiyon mol Teorik yanma havası (m 3 ) Tutuştur ma Sıcaklığı Alev sıcaklığı: Adiyabatik /Gerçek kg C C mol (m 3 ) CH 4 + O C O +H O 0 (0) /880 mol (m 3 ) C H 6 +(7/)O CO +3H O 35 (35) /895 mol (m 3 ) C 3 H 8 +(0/) 3CO +4H O 50 (50) mol (m 3 ) C 4 H 0 +(3/)O 4CO +5H O 65 (65) mol (m 3 ) C 5 H +(6/)O 5CO +6H O 80 (80) - mol (m 3 ) C 6 H 4 +(9/)O 6 CO +7H O 95 (95) - 69

270 Kömür (Katı yakıt):c+o CO 5 0,4 kg 650 kg mol (m 3 ) Hidrojen: H +O H O 5 (5) 530 0/045 Kükürt:S+O SO 5 0,4 kg kg Do/al gaz (% 95 Metan + % 5 başka gazlar 0,5 (0,5) < Teorik yanma havası normal atmosferik havanın içinde % 0 oranında oksijen olduğu kabulüne göre hesaplanmıştır. Metan oldukça kararlı bir yapıya sahip olması nedeniyle Tutuşma sıcaklığı diğer hidrokarbon gazlarınkinden daha yüksektir. Bilindiği gibi yanmanın olabilmesi için, "yakıt + hava+ tutuşturucu" üçlüsünün bir arada varolması ve yakıtın Tutuşma sıcaklığına kadar ısıtılması gerekmektedir. Yanıcı gazların hiçbiri kendi başına ne patlayıcıdır ne alev çıkarıcıdır. Hidrokarbonların yanması sonucunda CO ve H O meydana gelir. Çünkü, yanıcı maddeler genel olarak, yapılarında C(karbon) ve H(Hidrojen) bulundururlar. Hidrojenin ya da hidrojen içeren Yakıtlar yandığında, ürünler arasında bulunacak olan su, sıvı halde ise yakıtın üst ısıl değeri (Gross Calorific Value), buhar halindeyse, alt ısıl değeri (Net calorific value) elde edilir. Yakıtın bünyesinde su bulunması verimi düşürür. Çünkü, ısının bir kısmı, ürünler arasında yer alan suyun buharlaşmasına harcanır. Aslında alt ısıl değer ile üst ısıl değer arasındaki fark, baca gazları arasında yer alan sıvı haldeki suyun buharlaşması için harcanan ısı miktarından kaynaklanır. Eğer, baca gazlarındaki su, buhar halindeyse, baca, girişine konacak "ekonomizer" ile yoğunlaşma ısısından yararlanır. Böylece ısı verimi alt ısıl değerin % 00 ünü dahi aşmaktadır. Yanma havası stokiyometrik hesap yöntemiyle bulunur. Fakat, pratikte, daha fazla havaya ihtiyaç duyuru. Bir brülörün görevi, hava ve yakıtı karıştırarak yönlendirmek, hızlı bir şekilde Tutuşmayı sağlamak ve tam yakma olayını gerçekleştirmektir. Örneğin m 3 metan gazını yakmak için 0 m 3 havaya ihtiyaç vardır. Bu nedenle brülörlerde hava yakıt oranının kontrol edilmesi gereklidir. Doğal gazda, diğer Yakıtlara 70

271 göre, daha az "fazla hava"ya gerek duyulur, çünkü, hava ile doğal gaz, brülör ağzında çok iyi bir karışım yapar. Kazan daireleri, dışardan hava alabilmelidirler. Karşılıklı olarak ve çapraz konumda duvarlara birer havalandırma deliği açılmalıdır. Hangi tür yakıtta, ne kadar yakma havasına gerek duyulacağı kimyasal reaksiyon denkleminden kuramsal olarak hesaplanır. Bunu bir örnekle açıklayalım: Metan gazının yanma denklemi: CH 4 (g) + O (g)?co (g) + H O(g)?H = 9,759 kcal/mol Bu denkleme göre mol metan gazı yandığında 9,759 kcal kadar bir ısı enerjisi alınmaktadır. NK'da mol gaz 0,04 cm 3 dür. Buna göre kcal kcal mol = 9,759 x 3 3 m mol 0,04 m kcal = 7989,95 3 m Isıl değerin negatif işaretli olması yanma olayının ekzotermik (dışa ısı veren) tipten olduğunu belirtir. % 97 % 98 metan içerikli doğal gazın ısıl kapasitesi kabaca metanınkiyle aynı kabul edilebilir. Kazan dairesinin hava akımı debisinin teorik olarak belirlenmesi, basit yoldan şöyle belirlenebilir. Kazan brülör ısıl kapasitesi Q ısı = kcal/sa Saatte yakılması gereken doğal gaz: kcal /sa 3 Qgaz = = 5,5 m / sa ,95 kcal/m Kimyasal reaksiyona göre m 3 metan (doğal gaz = % 97 metan) 0 m 3 hava ile yanmaktadır. Yakma havası debisi Q 3 3 hava = m 0 m (hava) = 5,5 (metan)x 3 sa m (metan) 50 m (hava) Kazan dairelerinin mekan hacimleri kurulacak kazanların kapasiteleri dikkate alınarak belirlenmelidir. Pratik olarak, kazan dairesi hacmi yanma havası hacminin 5 Katı dolayında 3 / sa 7

272 olmalıdır. Dışa açılacak duvar deliklerinden içeri girecek havanın debisi kazan dairesi hacminin 5 Katından az olmamalıdır. Duvara açılan hava alma delikleri, herhangi bir nedenle gaz kaçağının oluşması halinde, gazın patlama noktasına gelmesini önleyebilir. Fakat, deliklerden girecek havayı kazan çekeceği için içerden dışarıya gaz atımı olmaz. Böyle durumda kazan dairesinin belli yerlerine, doğal gaz dedektörü yerleştirilmiştir. Isı ve ışık dedektör tarafından alınır ve yangın tehlikesini haber verir. Önemli olan, gaz kaçağının başladığı henüz hava ile meydana gelen karışımın patlama noktasına erişmediği bir konsantrasyonda gaz varlığını hisseden bir detektörün uygun yerine monte edilmesi gerekir. Dedektörler, Weston köprüsü diye bilinen elektronik yapıya sahiptirler. Köprüde normal, referans ve 'de ölçüm direnci olmak üzere dört eleman bulunur. Referans ve ölçüm dirençleri platin tellerdir. Yalnız ölçüm teli katalizöre sahiptir ve katalizör gaz kaçağı durumunda, platin telin direncini düşürür ve ortamdaki gazın konsantrasyonu ile orantılı olarak köprüden ufak bir akımın geçmesine yol açar. Bu akım ile tüm güvenlik sistemleri devreye sokulabilir.. Yanma Hızı ve Alev Sıcaklığı Yanma hızı, yakıtın tutuştuktan sonra stokiyometrik kimyasal ürünleri meydana getirmesi için geçen reaksiyon süresidir. Yanma hızı öyle ayarlanmalı ki, yanma odasına giren yakıt, tam yanma gerçekleşmeden bacaya uçup gitmemelidir. Yanmadan veya yarı yanarak bacaya uçup giden yakıt, (Katı, sıvı, gaz) enerji kaybı demektir. Doğal gazda yanma hızını ve yakıt debisini ayarlamak başka Yakıtlara göre daha kolaydır. Yanma hızı, brülör memesinden çıkan gazların yanmaya başlaması ile yanma ürünlerine dönüşmesi sırasında birim zamanda alev uzamasıdır. Alev konisinin, kökten uca doğru uzama hızı yanma hızıdır. Eğer gaz geçiş hızı, yanma hızından büyükse alev kopuk kopuk uzayacaktır. Bu durum, geçen gazın bir kısmının yanmaya fırsat bulmadan bacaya doğru kaçmasına yol açar. Tersi olayda, gaz geçiş hızı, yanma hızından düşükse, alev içerlek olur yanma gaz çıkış deliğinin içinde olur. Her ikisi de, verimli yanma değildir. Verimli yanma, alevin, koni meydana getirecek şekilde, uzayıp kısalmadan "stabilize" olmasını ifade eder. Gaz geçiş hızı, debinin brülör, delik (meme) kesit alanına bölümüyle bulunabilir. Gaz debisi, akış ölçüm sayacından okunur. Brülör çıkış kesit alanı bilinebilir. Gazın brülörden çıkış hızı: Q ϑ = dan elde edilir. ϑ = Hız, m/s A Q = Debi, m 3 /s A = Kesit alan, m 7

273 Şekil. Alev konisinden yanma hızının tespiti Alev konisinin geometrisi çıkarılabilirse, yanma hızı buradan saptanabilir. Alev konisinin kesiti bir ikizkenar üçgen şeklinde tasarlanır ve gaz geçiş hızı, açının sinüsüne bölünürse yanma hızı J y bulunabilir. Kararlı bir yanma için, gaz geçiş hızı, yanma hızından biraz fazla olmalıdır. Bazı gazların stokiyometrik hava ile karışımlarının yanma hızları şöyledir: Doğalgaz : 0,43 m/s LPG gazı : 0,5 m/s Havagazı : m/s Metan Propan : 0,38 m/s : 0,43 m/s Hidrojen :,5 m/s Her yanma olayının ancak oksijenli ortamda olabileceğini yukarıda belirtmiştik. Reaksiyon denkleminden bulunan teorik yanma havasına "stokiyometrik hava" denir. Aslında yanma için gereken hava stokiyometrik havadan fazladır. Hava yeterinden az ise karışım yakıtça zengin sayılır. Tersi durumunda, "fazla hava" olacaktır. Yakıtça zenginlik reaksiyonun indirgen, hava bakımından zenginlik reaksiyonun, yükseltgen olmasına yol açar. Hava gereksinimi bakımından: H ky>h sy>h gy Harflerin anlamları: H Ky = Katı yakıt havası H Sy = Sıvı yakıt havası H gy = Gaz yakıt havası 73

274 Bazı Yakıtlarda n değerler : Doğalgaz n =,05 Fuel oil n =,0 Kömür n =,,5 n n n = için Q g = Q sh < için Q g < Q sh > için Q g > Q sh n = Fazla hava katsayısı Q h = Gerçek yanma hava debisi, Q sh = Stokiyometrik hava debisi Hava yakıt oranı n ile alev sıcaklığı arasında doğrusal bir bağıntı vardır. Yakıtın tam yanması için stokiyometrik havanın mutlaka gerekli olduğunu biliyoruz. Yanıcı maddelerin tümü, tepkimeye girerek yanma ürünlerine dönüşüyor ve bu sırada çevreye ısı veriyorsa, ideal bir yanma (tam yanma) meydana gelmiş olur. Yanma olayı, basamaklı reaksiyonlar şeklinde gelişir. Örneğin karbon (kömür) yetersiz hava ile yanarsa CO gazının oluşmasına yol açar. Karbon monoksit, yanmadan bacadan uçup giderse iki yönden zarar ortaya çıkar. Birincisi zehirli olan CO ile çevre (hava) kirletilmiştir, ikincisi CO yanmadan uçup gittiği için enerji kaybı meydana gelmiştir. Yanmanın tam olması için stokiyometrik hava gereksiniminden biraz fazla hava verilir. Bu uygulama yetersiz yanmayı önler. Yanmanın kimyasal tepkimesinden hesaplanan hava miktarına "Teorik Yanma Havası" denir. Iyi bir yanma için gerekli olan gerçek hava miktarının teorik hava miktarına bölümü hava fazlalık katsayısı (n) olarak ifade edilir. Doğal gaz alevinin iç konisindeki ısı hemen hemen yanma ürünlerinin ısıtılmasında kullanılır. İç koni sıcaklığı, adiyabatik alev sıcaklığını ifade eder. Eğer, alev sıcaklığı çevreye iletilmeden sadece yanma ürünlerinin ısıtılmasında harcanmış ise bu durumda ölçülen alev sıcaklığı adiyabatik sıcaklıktır. Hava yakıt oranı yeterli ise, alevin sıcaklığı yüksek ve boyu kısadır. Hava yeterinden fazla ise alev sıcaklığında düşme eğilimi görülür. Hava fazlalık katsayısı n ile alev sıcaklığı arasındaki bağıntı grafiksel olarak şöyle gösterilebilir. 74

275 Şekil.- Alev sıcaklığına karşı hava/yakıt oranı grafiği Alev sıcaklığı, yanma ürünleri arasında bulunan gazların ısıtılması nedeniyle düşer. Yanma ürünleri arasında CO, H O, N yanmaya katkısı olmayan gazlardır. Yanma olayı hava yerine oksijen kullanılarak yapılırsa, ürünler arasında N olmayacağından alev sıcaklığı artacaktır. Oksijenle yanmalarda Rus doğal gazının alev sıcaklığı ~800 C yı bulmaktadır. Oksijenle yanmada diğer gazların alev sıcaklıkları (Ta) şöyledir: Hava gazı Ta = 730 C Hidrojen? Ta = 974 C Asetilen? Ta = 30 C Tam yanma için gerekli olan en az hava, yanma denkleminden hesaplanan oksijen miktarının 0,0 ye bölünmesiyle bulunur. Örneğin m 3 metanı yakmak için m 3 oksijen gazına ihtiyaç vardır. Buna göre m 3 metan için gereken en az yanma havası (0,0 = 0 m 3 bulunur. Pratikte anlatılan yoldan bulunan hava miktarından daha fazla hava kullanılır. Bir yakıtın tam yanmasından arta kalanlar, CO ve H O dur. Bunların yanında, SO de yer alabilir. Baca gazında CO (karbon monoksit)e rastlanması yanmanın tam olmadığını gösterir. Yeterli havanın ve yanma koşullarının tam sağlanamadığı yanma olaylarında CO'e rastlanır. Çevreden (dış) ısı alarak meydana gelen olaylara "içe ısı alan" anlamında "endotermik", çevreye ısı veren olaylara "dışa ısı veren" anlamında "ekzotermik" kimyasal olay denir. Yanma ısısı, birim ağırlıktaki ya da birim hacimdeki yanıcı bir maddenin oksijenle birleşme yaparken çevreye verdiği veya çevreden aldığı ısı miktarıdır. Yanma ısısı diğer adıyla "ısıl değer", deneysel yoldan kalorimetre denen aletle belirlenir. Yanma ürünleri, reaksiyon öncesi sıcaklığa kadar soğutularak, çevrenin (soğuk madde) aldığı ısı başka ifa- 75

276 deyle soğuk maddeye transfer olan ısı ölçülür, bu ısıya o maddenin "üst ısıl diğeri" denir. Isıl değerler, sabit hacim veya sabit basınç değerleri olarak ölçülürler. Bir kimyasal reaksiyon: a,b,c,d stokiyometrik katsayılardır.,, 3, 4,...n gibi A + B = Reaksiyona giren A ve B maddesini gösterir. C + D = Reaksiyon sonrası ürünleri gösterir. Yukarıdaki denklemi metanın yanmasına uygulayalım. CH 4 + O H O + CO a =, b =, c =, d = Kimyasal reaksiyonun ısısı veya enthalpi değişimi H o re = c H o f (C) + d H o f (D) - a H o f (A) - b H o f (B) H o re = n p H o f (Girenler)- n p H o f (Çıkanlar n p, n i : Çıkan ve giren ürünlerin stokiyometrik katsayılarıdır. o H re : Oksijenle meydana gelen kimyasal reaksiyon ısısı, (yanma olaylarında, sabit hacim reaksiyon ısısı ( o H re sabit hacim ısıl değere eşit olur.) H o f : Standart formasyon enthalpisi (Standart formasyon entalpilerin çoğu negatiftir, örneğin, karbondioksit gazı için : C (grafit) + O (g) CO (g) H = - 94,05 kcal/mol (formasyon ısısı.) Kimyasal reaksiyonların bir çoğunda hacimce "daralma" meydana gelir. Giren ve çıkan ürünlerin hacimleri eşit olursa, sabit hacim ısıl değer ile sabit basınç ısıl değerleri eşit olurlar 76

277 Ş (Q v = Q p ) Hacimde daralma olursa, Q p > Q v yazılabilir. Hacimce daralmaya en iyi örnek suyun formasyonudur. 3 3 H + O H O} mol H için mol O veya m H için 5 m hava gerekir. Bu denklemde, giren ürünler toplam 3 birim hacme sahipken, çıkan ürün su buharı birim hacme sahiptir. Suyun formasyonu da, hidrojen gazının yanma olayıdır. Uyarı: Formasyon ısısı ile yanma ısısı (ısıl değer) aynı şeyleri ifade etmezler. Fakat yanmanın reaksiyon ısısı, reaksiyona giren yanıcı maddenin ısıl değerini verir. Yanıcı maddelerin reaksiyon ısıları DH r negatif işaretlidir, çünkü çevreye ısı verildiğini (ekzotermik) ifade eder. Metanın formasyonu : + H CH 7,8 kcal/mol C ( k) (g) 4 + Metanın oksijenle reaksiyonu : CH 4 + O CO + H O Tablo. Yanıcı maddelerin formasyon ve yanma ısıları Formasyon ısısı Tam yanma ısıl değer M w Yanıcı maddeler kcal/mol kcal/m 3 kcal/mol kcal/m 3 kcal/kg 6 CH 4 = Metan + 7, C H 6 = Etan + 0, C 3 H 8 = Propan + 4, C H 4 = Etilen, C 6 H 6 = Benzen 9, C 7 H 8 = Toluen, H = Hidrojen C = Karbon

278 (+) ve (-) işaretler tepkime ısısnın endotermik veya ekzotermik olduğunu belirtmek için konmuştur. Tepkime endotermik ise sistem bünyesine çevreden ısı alıyor demektir ve işareti (+) olur. Yanma olayları ekzotermiktir ve çevreye ısı verir, sistemısı kaybettiği için işareti (-) dir. Tablo.3 Doğalgazın ve başka yanıcı gazların (% de olarak) tipik kompozisyonları (Bak, kaynaklar 7) Gaz CO H CH 4 C H 6 C H H 00,0 CO 00 Metan 00 Hava gazı(karbütörlü su gazı) 4 CO O N Kömür gazı Doğal gaz (tipik) Yüksek Fırın gazı 6,5 3, Yukarıda kompozisyonları belirtilen gazların atm. basınç altında teorik hava miktarlarına göre alev sıcaklıkları verilmiştir. Yanma hava % delerine göre alev sıcaklığının nasıl değiştiği görülmektedir. Tablo.4 Tablo 6.9 deki gazların yanma havasına bağlı olarak alev sıcaklıkları Gaz Teorik hava % delerine göre alev sıcaklıkları ( C) (Bak, kaynaklar: 7) n? H CO

279 Hava gazı (su gazı) Kömür gazı Doğal gaz Yüksek fırın gazı Metan Doğal gazın yanması sonucu ortaya çıkan ürünler arasında: - H CO CO NO SO H O O x gibi gazlar bulunabilmektedir. CO, CO, SO havayı kirletecek olan gazlardır. Tam yanmada CO pek oluşmaz, iz halinde var olabilir. Kokulaştırma nedeniyle doğal gaz içine Katılan kükürt de iz halinde, tam yanmada SO şeklinde bulunacaktır. Yanmanın 000C ye ulaşan sıcaklıklarda meydana gelmesi halinde havanın azotu ile oksijeni reaksiyona girerek NO x şeklinde çeşitli bileşikler oluşturabilir. Düşük sıcaklıklarda azot oksitler oluşmaz. Azot oksitlerin korozyona yol açması nedeniyle, yanma odasındaki sıcaklık düşürülerek NO x lerin oluşması önlenmelidir. Alev sıcaklığı, hava miktarının yüzde yüz olması durumunda daha yüksektir. Örneğin, % 80 hava ile yanan metan gazının sıcaklığı 977 C iken % 40 hava oranı ile yanarken 577 C ve % 00 hava oranı ile yanarken 954 C dir. Bir yakıtın oksijenle reaksiyona girmesi yanma olayını meydana getirmektedir. Kimyasal reaksiyon denkleminden hesaplanan oksijen miktarına ve buna bağlı olarak gerekli hava miktarına "teorik hava" veya "stokiyometrik hava" dendiğini biliyoruz. Bir yanmada stokiyometrik hava kullanılınca n = ( n = % 00) alınır. Fakat pratikte Yakıtların tam yanması için, stokiyometrik havadan daha fazla havaya ihtiyaç olur; ek olarak verilen bu miktara "hava fazlalığı" denir. % 5 hava fazlası ile yanan doğal gazın hava fazlalık katsayısı n =,05 şeklinde gösterilir. Gereğinden fazla hava fayda yerine zarar verir, ısı verimini düşürür. Yanma havası artırıldıkça baca gazlarının sıcaklığı da doğrusal olarak artmaktadır. Buda baca gazları ile bir kısım enerjinin dışa atılmasını ifade etmektedir. Hava fazlasının tespitinde bu durum göz önüne alınmalıdır. 79

280 Modern yanma sistemlerinde, ön süpürme, pilotun yakılması, ana brülörün ateşlenmesi, pilot alevinin yanma süresi, hava-yakıt oranının sağlanması ve brülör kapatıldıktan sonra son süpürmenin yapılması, tehlike anında ışıklı ya da sesli alarmların alınması, tehlikenin devam etmesi halinde, sistemin devreden çıkması gibi olgular tamamıyla otomatik kontrole bağlanmıştır. Doğal gaz yanma aygıtlarında, pilot brülör ve ana brülör vardır. Pilot, brülör; elle yakılabileceği gibi, yüksek gerilimli kıvılcımla da tutuşturulabilir. Kazanlarda ön süpürmeden sonra (/ dakika kadar), pilot, kontrol panosundaki pilot yakma düğmesine basılarak, pilot memesinin ucunda kıvılcım çıkarılır. Kıvılcım yüksek gerilim trafo çıkışlarının sivri uçları arasında oluşur. Pilot yandıktan 3 5 saniye geçe ana brülör vanası, alev detektöründen giden sinyalle otomatik olarak açılır. Ana brülör yandıktan sonra işlem tamamlanmıştır. Pilot brülörün alevi, Uv detektörü tarafından kontrol altında tutulur. Uv (Ultra viyole) detektörler, normal güneş ışığından etkilenmeyen yalnız mor ötesi ışınları algılayan sezicilerdir. Pilot brülör alevinin sönmesi halinde, detektör, gaz giriş vanasının kapanmasını sağlayacaktır. Bu vanalar; genellikle solenoid vanalardır. Fakat, pnömatik kontrol vanaları da kullanılabilir. Solenoid vanalar, bilindiği gibi, elektro mıknatıs sisteme göre çalışan, bobinli elektrikli vanalardır. Elektrikle uyarılmışken açık ya da kapalı konumda imal edilebilirler. Elektrik kesilmesi türünden arızalar sırasında, vananın açık kalmaması için, normal konumda iken kapalı (NC: Normaly closed) vanaların kullanılması güvenlik bakımından gereklidir. Çünkü çalışan bir sistemde, arıza nedeniyle elektriğin aniden kesilmesiyle detektör, basınç anahtarı gibi güvenlik aygıtları devre dışı olacaktır. Bu durumda, gaz hattı vanasının da derhal kapanması gerekir. Hatta çift katlı güvenlik için, seri bağlı iki kapanma vanasının kullanılmasında yarar vardır. Verimli yanmanın sağlanmasında, hava/yakıt oranı önemlidir. Bu oran nasıl saptanmalıdır? Bunun için önce stokiyometrik yanma havası belirlenir. Sonra, hava fazlalının ne olması gerektiğine karar verilir. Kuramsal olarak, bir yakıtın ideal koşullarda tam yanması için stokiyometrik hava miktarı yeterlidir. Fakat, her yanma olayı, ideal koşullarda gerçekleşmediğinden, stokiyometrik havadan daha fazla hava verilir. Doğalgaz yakılmasında, hava fazlalık katsayısı n =,05 olarak verilir. Bunun anlamı, stokiyometrik hava miktarından başka, % 5 kadar fazla hava demektir. 80

281 Örnek : Isınma ve sıcak su eldesi için, bir buhar kazanının ısı yükü 6 4 x 0 kcal sa olsun. Doğal gazın kcal ısıl değeri ise, brülöre sürülecek gaz ve hava debilerini bulunuz. (Fazla hava 3 m katsayısı,05 alınacak) Çözüm : Isıl değer GHv = 8000 kcal/m 3 Brülör ısı yükü H Gaz debisi Qg Yakma havası miktarı = 4 x 0 6 kcal/sa = 4 x 0 6 kcal sa Qg =500 m 3 /sa x Qh =,05 (500 m 3 /sa) 8000 kcal/m 3 Qh = 55 m 3 /sa 55 Hava yakıt oranı n = =, Hava yakıt oranı, ısı yüküne bağlı olmalı, gaz debisi azalırsa, hava debisi de azalmalı fakat oran hep,05 değerini korumalıdır. Bir kazan brülör ısı yükü en fazla 4 x 0 6 kcal/sa ise ve bu yükte çalışmakta ise, gaz debisi 500 m 3 /sa iken hava debisi 55 m 3 /sa olmalıdır. Gaz debisi örneğin 50 m 3 /sa e düştüğünde hava debisi de 6,5m 3 /sa olmalıdır. Hava/yakıt oranının sabit tutulması otomatik bir şekilde sağlanmalıdır. Bu oranı sabit tutmanın iki yolu vardır. - Basınçların kullanılması. - Debilerin kullanılması. Hava/yakıt oranının otomatik kontrolü, debi kontrol vanalarının birbirlerine bağlı olarak çalıştırılması ile sağlanabilir. Bir brülör sisteminde hava/yakıt oranının debilere bağlı olarak sağlanması aşağıda gösterilmiştir. 8

282 Şekil.3 Hava/yakıt oranının kontrol şeması. Ana brülör gaz regülatörü. Pilot 3. Hava debi kontrol vanası 4. Gaz giriş emniyet kapatma vanası 5. Ana brülör gaz hattı emniyet kapatma 6. Pilot brülör emniyet kapatma vanası 7. Alev detektörü Hat üzerindeki basınç anahtarı (DIS), basınç çalışma basıncının altına düşerse, ana gaz hattı üzerindeki güvenlik vanalarını kapatır. Böyle bir güvenlik tertibatı olmasa, hava basıncı çok düştüğü, hatta hava akışı durduğunda bile doğal gaz akışı devam ederse yanma ya durur veya çok yetersiz olur. Verilen otomatik hava/yakıt kontrol devresi sadece bir örnektir. Değişik tasarımlar yapmak olasıdır. Doğalgaz hattı üzerindeki akış kontrol vanası debi ya da sıcaklı ayarlı olabilir, sıcaklık seçilirse bir sıcaklık algılayıcısında gelen sinyal ile vana az ya da çok açılıp kapatılır. Sıcaklık algılayıcı brülörde yanma yoluyla ortaya çıkan ısıyı transfer etmek için iletici ortam (su, buhar, hava)ın sıcaklığı ölçülerek, bir sıcaklık kontrolü ile doğalgaz miktarı, istenen sıcaklığa göre sürekli değiştirilebilir. Buna bağlı olarak hava miktarı da değiştirilmelidir. Hava debisi, gaz akış kontrolünden çıkan kumanda sinyalinin, hava kontrolüne verilmesi ve hava kontrol vanasının ayarlı açılıp kapanmasıyla ile sağlanır. Hava vanası, gaz vanasından biraz daha fazla açılacaktır. Hava/yakıt oranını pnömatik kontrol sistemleri ile sağlamaya çalışırken, basınçların farklılığı göz önüne alınarak ayarlama yapılmalıdır. 8

283 Küt ve tıknaz alevler, uzun alevlere göre sönümlü değildir. Bazı kazan ve fırınlarda, pilot, ana bürlörü tutuşturduktan sonra söner, görevi bitmiştir. Fakat, bazı brülörlerde, sönümlü alevlerin var olması halinde, pilot sürekli yanar hade tutulur. Bu emniyetin yanında, eğer ana brülör sönmüş ise alev detektörü (fotosel veya AD dedektörü) devreye girerek ana gaz hattını kapatmalı, sistemi durdurmalıdır. Endüstriyel kazanlarda ve fırınlarda brülör emniyetinin sağlanmasında şu noktalara dikkat etmek gerekir. * Alev detektörü temiz olmalıdır. Üstü kurum bağlamış fotosel dedektörler kazanın devreye girmesini önlerler. * Yüksek gerilim trafosu ateşleme elektrotları temiz ve aralıkları kıvılcım çıkarmak için yeterli olmalıdır. * "Başla" komutu ile ön süpürme yapılmalı, sonra pilot ya elle veya otomatik olarak yakılmalıdır. * Ana brülör devreye girdikten sonra alev kontrolü yapılmalıdır. * Hava yakıt oranı iyi ayarlanmalıdır. * Hava ve gaz basınçları, iyi bir karışım için kontrol altında tutulmalıdır. * Güvenlik kapatma vanası ile basınç boşaltım vanası fonksiyon testinden geçirilmiş olmalıdır. * Gaz kaçağı detekörünün işlevini yerine getirip getirmediği kontrol edilmelidir. Gaz Hava Karışımı Sağlamanın Başka Yolu: Rg- : Pilotlu regülatör (Pilot kumandayı hava hattından alır) Rg- : Pilotlu regülatör (Pilot kumandayı hava hattından alır) PI g : Gaz basıncı götergesi PI h : Hava basıncı götergesi AD : Alev dedektörü (Fotosel veya UV olabilir) DG : Gaz detektörü (Pellistör tip, diffüzyon tip olabilir) Sistemin çalışma prensibi: Hava ile ön süpürme yapılabilir. - Pilot hattındaki elle kumandalı otomatik vana başına basılarak gaz verilirken pilot ateşlenir. 3 Hava basıncı Reg ile ayarlanır. 4 Otomatik olarak ana brülör ayarlanan zaman içinde devreye girer. Ana brülörün zaman ayarlı otomatik devresi yoksa, girişteki küresel vana pilot yanıncaya kadar kapalı tutulur. Alev dedektörü D A tarafından EKV otomatik olarak açılır. 83

284 5 Reg in açılma basıncı, hava basıncına göre ayarlanır. Reg pilotu öyle ayarlanır ki, gaz basıncı, hava basıncına bağlı olarak değişir. Gaz giriş basıncı, hava basıncından yüksek olmalıdır. 6 Alev dedektörü yanma odasında alevi görmedikçe EK- açılmaz. 7 Gaz dedektörü D g gaz giriş yolunda kaçak olması halinde, emniyet vanalarını kapatarak gaz girişini önler..3 Isı Pompaları Isı pompasının görevi, hacimsel alanı ısıtmak veya soğutmaktır. Isı çevriminde (cycle) ısı doğal kaynaktan veya atık ısı kaynağından alınarak ortama transfer edilir. Soğutma çevriminde (cycle), ısı hacimsel ortamdan çekilir ve uzaklaştırılarak dışarı verilir. Isı pompaları, bilinen ısı değşitiriciler (exchange) den daha farklıdır. Hacimsel ortamın ısısını alma veya ortamı ısıtmada "çevrim" yöntemi kullanılır. Çevrim açık mekanda olabileceği gibi döşeme altından da yapılabilir. Isı pompalarının dört temel tipi şunlardır: Havalı tipler hava hava şeklinde tanımlanırlar. Sulu ve havalı tipler su hava Sulu tipler "Su su" Bir ısı pompası elektrikle çalışan, aldığından çok enerji veren "kara kutu" (black body) olarak tasarlanır. Isı pompasının ideal termodinamik çevrim verimlilik katsayısı sıcaklıklara bağlı olarak şöyle ifade edilir. Verimlilik katsayısı m = (T T )/T Isı tesir katsayısı (Performans katsayısı) COP = T /(T T ) Burada: T : Buharlaştırıcının mutlak sıcaklığı T : Yoğunlaştırıcının mutlak sıcaklığı COP: Isı tesir katsayısı (coefficient Of Performance) 84

285 Şekil.4-a) Soğutma çevrimi Şekil.4-b) Isıtma çevrimi Şekil.4- Isı pompasının prensip yapısı Pratikte, bir ısı pompasının, ısıtma ve soğutma katsayısı 85

286 Q h, Q c, Q t = [J/h] veya (kcal/h) Isı pompalarında birincil enerji olarak elektrik yerine doğal gaz kullanılarak verimin artırılabileceği düşünülmektedir. Bir ısı pompası, başta da işaret edildiği gibi, hacimsel ortamı ısıtmak ya da soğutmak için kullanılabilmektedir. Isı pompası, eşanjör gibi çalışır. Yalnız, genel uygulamada, kompresörle dışardan alınan hava, yüksek basınçla sıkıştırılarak ısıtılır ve bu hava ya doğrudan ısıtılacak mekanda borular içinde dolaştırılır ya da bir eşanjörde suyun ısıtılmasında kullanılarak, ısıtılan suyun borularda dolaştırılması sağlanır. Havalı ısı pompasının ısıtmada ve soğutmada kullanılması: Soğutma ve ısıtma çevrimlerinde havanın dolaşımına dikkat edilirse, kompresör ile vanaya büyük görev düştüğü görülür. Soğutma prosesinde; içerideki petekten gelen hava kompresörden dolaştırılarak dış peteğe gönderilmektedir. Dış petekte ısısını bırakan hava, soğumuş olarak içerdeki petekten geçirilerek iç mekandan ısı alması sağlanmakta ve çevrim böyle devam etmektedir. Isıtma prosesinde, olay bunun tersidir; dış petekten gelen hava kompresörden geçtikten sonra iç peteğe gönderilerek mekanın ısıtılması sağlanmakta, daha doğrusu, burada genleşerek ısısını vermektedir, soğumuş halde dış peteğe gelen hava, dış ortamın sıcaklığından daha düşük sıcaklığa sahip olduğu için ısı kazanmakta ve tekrar kompresöre gönderilmektedir. Çevrim bu şekilde devam etmektedir. Isı pompaları (klima) tasarımı konusunda bu kitabın 7 bölümündeki teorik bilgilere başvurulabilir. Karnot (Carnot) dönüşü formülleri ısıtma ve soğutma için gereken ısı yükleminin belirlenmesi ve kompresör gücünün hesaplanmasında kullanılabilir. Isı Pompalarının ısıtıcı olarak kullanılmaları, soğutucu olarak kullanılmalarının tersidir. Vananın ısıtma pozisyonuna çevrilmesi,hava dolaşımına tersine çevirecek ve klima odayı ısıtacaktır. "Hava Su" sistemli ısı pompasına örnek: 86

287 Şekil.5 a) Isı pompasının su ısıtmada kullanılması 87

288 Şekil.6 Döşemeden ısıtma sistemi a) Isı pompasının döşemeden ısıtma sisteminde kullanılması. b) Döşemeden ısıtma sıcaklık dağılım grafiği (Yatay sütun tabandan tavana yükseklik artışını, dikey sütun, sıcaklığın tabandan tavana doğru düşüşünü göstermektedir.) 88

289 c) Evin tabanında döşemedeki sıcak su dolaşım borularının montaj şekli görülmektedir. d) Radyatörle ısınmada tabandan tavana doğru sıcaklık yükselişini gösteren sıcaklık dağılım grafiği. (Döşemeden ısıtma sıcaklık dağılımının tersine bir durum olduğu görülmektedir.) Isı pompaları adı verilen sistemde, mekanda yanan bir maddenin çıkardığı ateşle ısıtılmamaktadır. Isıtma veya soğutma olayı, gazların sıkıştırılması, genleştirilmesine dayanmaktadır. Bu şekilde gerçekleştirilen, ısıtmada ısıtılan mekanda, ne oksijen azalması vardır ne de yanma atıklarından dolayı kirlenme vardır. Gazların sıkıştırılması ve genleştirilmesi esasına dayanan ısıtma soğutma yapan "klima"lar birer ısı pompasıdırlar. Isı pompası olarak tanımlanan bu aygıtlarda, prosesi gerçekleştiren eleman kompresördür. Kompresörü tahrik edecek motor ya içten yanmalı ya da elektriksel motor olacaktır. İçten yanmalı motorlar, ya dizel (mazotlu) ya da benzin kullanmaktadır. Elektrik enerjisinin daha pahalı olması halinde, ısı pompası motorunun doğal gazla çalışır hale getirilmesi ekonomik olacaktır. Bir çok ülkede, benzin veya dizel kullanan taşıt araçları doğal gaz ile çalışır hale getirilmiştir. Ankara'da EGO otobüslerinden bir kısmı "Temiz Hava Kenti Ankara" sloganıyla doğal gazla çalıştırılmaktadır. Doğal gaz, içten yanmalı motorlarda kullanılabildiğine göre, ısı pompalarının motorları da doğal gazla yapılabilir veya dizel motorlar doğal gaz yakacak şekle dönüştürülebilir. Evin duvarına monte edilebilecek olan ısı pompasının motoru dışarıda bırakabilir, böylece ekzos gazları dışa atılmış olabilir. 89

290 XIII. BÖLÜM ISI TRANSFERİ 3. İletim Yoluyla Isı Transferi Bir maddenin bir parçasından diğer parçasına veya başka bir maddeye, molekül veya elektronların karşılıklı etkileşmeleri sonunda kısa sürede gerçekleşen bir ısı geçiş olayına ısı iletimi denir. Isı akamı, kesit alan ve sıcaklık gradiyenti ile doğru, geçiş yolu ile ters oranlıdır ve yüksek sıcaklık ortamından düşük sıcaklık ortamına doğrudur. Isı yoğunluğu, birim alandan birim zamanda geçen ısı miktarıdır. Isı geçişini ifade eden denklem dq dt Q T = ka = q = -ka şeklinde gösterilir. dt dx t x Negatif işaret sadece ısı akımının yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru olduğunu işaret etmek için konmuştur. Isı miktarının mutlak değeri önemlidir ve bu değerin işareti + veya olması sonucu etkilemez sadece ısı akımının yönü hakkında bilgi verir. Şekil 3. Farklı sıcaklıklara sahip iki cisim arasında ısı transferi Bir ortamdan başka bir ortama ısı transferinin olabilmesi için, bu iki ortam arasında sıcaklık farkının bulunması gerekir. T = 0 olması halinde ısı transferi gerçekleşmez. Örnek : d = 0,03 m kalınlığında, A = m, olan bir metal levhanın fırın tarafının sıcaklığı T = 50 C, dış yüzü T = 30 C ise ısı yoğunluğunu ve ısı debisini hesaplayın (k = 70 w/m K) 90

291 Çözüm : Q x T w q = q = - k = - 70 o A x m - C o o ( 30 C 50 C) 0,03 m w kw q x = = m m qx : Pozitif x ekseni boyunca iletim yolu ile ısı transferi kw x x = Isı debisi Q = Aq 080 ( m ) 80 kw veya Q Q t = x = 80 kw m Şekil 3. Isı iletimi Isı iletim birimlerinin karşılaştırılması: Q T = ka k = t x ( Q)( x) ( A)( t)( T) 9

292 DQ Dx A Dt DT k ısı iletkenliği cal m m s C cal m/(m.s.c ) Cal/m.s.C /m) kcal m m s C kcal m/(m.s.c ) kcal/(m.s.c /m) kcal m m h C kcal m/(m.h.c ) kcal(m.h.c /m) W m m s K W m/(m.s.k) W/(m.s.K/m) Cal cm cm s C Cal cm/(cm.s.c ) Ca/(cm.s. C /cm Btu ft ft h F Btu ft/(ft.h. F) Btu/(ft h F/ft) Btu in ft s F Btu in/(s.ft. F) Btu/(s.ft. F/in) Isı iletkenlik katsayısı k nın boyutsal birimi, birim zamanda, birim uzunluktaki ortamdan, birim sıcaklıkta geçiş yapan ısı enerjisini ifade eder; iletim olayı doğrusal bir harekettir ve x yolu üzerindedir. k kcal/(m.h.c /m) = kcal/(m.h.c ) k Btu/(ft.h. F/ft) = Btu (ft.h. F) şeklinde gösterilebilir. Btu,73074 w = o h.ft. F / ft m.k Btu = o h.ft. F / in 0,448 w m.k Btu = o s.ft. F / in 59,0 w m.k Btu 6,77 kj.m = o o h.ft. F / ft h.m. C 9

293 Btu 6,77 kj = o o h.ft. F / ft h.m. C / m w,73074 m.k 6,30 kj h.m.k 3600 s x h kj x 000 w.s = 6,30 kj = 6,30 o h.m. C / m kj h.m.k w Btu? h Btu 3600 s Btu w x x = 3,43 w = 3, w.s h h Btu h k = Termal iletkenlik A = Isı geçiş yolunun kesit alanı T = Isı geçiş yolunda cisimlerin sıcaklıkları farkı (T T = T) x = Isı geçiş yolunun uzaklığı Tablo 3. Oda sıcaklığında bazı maddelerin termal iletkenlikleri Ortam k(btu/h.ft F/ft) Ortam k(btu/h.ft. F/ft) (*) (*) Boşluk 9.0x0 6 Bakır 3 Hava ( atm, 0 C) 0,040 (0,04 w/m K) Demir, saf 4,5 Hava ( atm, 00 C)0,08 (0,033 w/m K) Demir (wrought) 34,9 Poliüretan (köpük),x0 Çelik (% C) 6, Alçı 0,6 (=0,45 W/m K) Kurşun 0,3 Magnezyum oksit,0 Altın 96 (=30 W/m K) Katı plastikler: Magnezyum 99 (Teflon, Naylon Civa 4,8 Polietilen) 0,5 Nikel 36 93

294 Köpük plastikler Platin 4 Polisel 5x0 3 Gümüş 4 Stiroköpük x0 Kalay 36 Perlit 7x0 5 Tungsten 9 Cam yünü A Antimon 0,6 (Fiberglass A) 3x0 5 Berilyum 80 Çimento 0,664 (=,45W/m K) Kadmiyum 53,7 Asfalt 0,446 (=0,7 W/m K) Alüminyum 30 Cam (pencere) 0,468 (=0,8 W/m K) Magnezyum (alaşım) Granit,06 (=3,49 W/m K) Paslanmaz çelik 0 Odun (kereste) 0,06 (=0,093 W/m K Pik döküm demir 37(58 W/m K) (*) : k'nın SI birimleri parantez içinde verilmiştir. (Bak kaynaklar: 7,0,) Tablo 3. Metallerin Sıcaklığa Bağlı Olarak Isıl iletkenlikleri k(w/m K) Metal Bakır Sıcaklık (K) Bakır + Nikel % 90 Cu + % 0 Ni % 80 Cu + % 0 Ni % 70 Cu + % 30 Ni % 30 Cu + % 70 Ni Alüminyum Bronz, alaşım D Alüminyum Bronz, Alaşım E

295 Bakır Silikon Alaşım B 57 Alaşım A,C,D 36 Nikel Ni Cr Fe Alaşım Karbonçelik Döküm demir Austenic Paslanmaz çelikler % 8 Cr + % 0 N % 5 Cr + % 0 Ni 4 5 5,9 6,4 7, ,7 0,7 Ni Cr Fe Alaşım , 7 7 7,3 7, ,7 Alüminyum (Annealed) Tip , 5, ,6 04 Tip Tip ,8 69, 5 7, , Tip ,5 78, 8 0 8,6 8 3,4 8 3,4 8 3,4 8 3,4 (Kaynaklar : 6) Örnek: 95

296 Oda sıcaklığı T = 5 C ve dışarının sıcaklığı T = 0 C ise mm kalınlığında, m alanındaki pencere camından ne kadar ısı kaybı olur? Çözüm: Isı kaybı: Şekil 3.3 Isı iletimi (Yalın madde içinde) ) Q = 0,8 t w m.k 98 K ( m ) 63K - = 475 w x 0-3 m Şimdi de kalınlıkları d, iletkenlikleri k sıcaklıkları farklı iki madde arasındaki ısı iletimi durumunu ele alalım. T > T ve A = A = A dır. 96

297 Şekil 3.4 Farklı özellikte ve farklı sıcaklıklara sahip iki madde arasında ısı transferi ( T T ) Q = ka Sağdaki cisim Q kadar ısı alarak sıcaklığını T den T s ye t d çıkaracaktır. (T > T ise k nın önündeki işaret pozitif olacaktır.) Bu cismin içindeki ısı iletimi k, d A ile ilgili olacaktır. ( T T ) Q = k A Soldaki cisim T sıcaklığından T s sıcaklığına düşecektir. DQ ısı t d kaybı, kendi içinden A, d ye bağlı olarak çıkacaktır. Alınan ısı = Verilen Q t Q = t k A ( T T ) ( T T ) d = k A d k, k, A, T, T, d, d bilinenler ise T s (son sıcaklık) bulunabilecektir. Isı geçiş miktarı da şu formülden hesaplanabilir. Isı Akımının Wat Biriminde İfadesi : Q = t Örnek: A( T T ) ( d / k ) + ( d / k ) m (K) m (K) = = w m/w/m.k m K/w 97

298 Dokunum yapan farklı sıcaklıklara sahip iki blok arasındaki ısı transfer miktarını bulunuz. A = m (ortak alan) d = 0,0 m d = 0,5 m T = 00 C T = 0 C k = 7,8 w/m.k k = 0,093 w/m.k Çözüm : Şekil 3.5- Farklı bloklar arasında ısı iletimi 3. Konvektif Isı İletimi Isının bir ortamdan başka bir ortama gaz ve sıvılarla taşınması iletilmesi şeklindeki ısı transfer olayı konveksiyon iletim (Convection) olarak tanımlanır. Akışkanların dokunum yaparak karışması olayında ısı iletimi söz konusudur. Eğer, akışkan örneğin su, pompalanır veya hava fanla üflenir ise, bu çeşit ısı geçişine, zorlanmış yayınım (forced convection) denir. Akışkanların, yoğunluklarına bağlı olarak, yerçekimi etkisi ile yer değiştirmeleri serbest ya da doğal ısı yayınımını sağlar Sıcak bir duvar veya döşeme üzerinden soğuk akışkan (su, hava) akışı olsa, akışkan sıcaklığındaki artış şöyledir : 98

299 Sıcak duvar, T T a d Şekil Akışkanla taban arasında ısı yayınımı Akışkanla Taban Arasında Konvektif Isı Transferi Td > Ta için q = h (Td Ta) q : Isı yoğunluğu m h : Konvektif ısı transferi (w/m o C) Ta, Td : Sıcaklık C w Ta > Td için q = h (Ta Td) fi Sıcak bir katının soğuk bir akışkana yaptığı ısı transferine Newton Soğuma Yasası denir. 4.3 Işıma Yoluyla Isı İletimi Elektro manyetik dalga şeklindeki enerjinin ışıma yoluyla çevreye yayılmasıdır. Mutlak sıcaklığın üstünde bir sıcaklığa sahip tüm maddeler çevrelerine ışıma yaparlar. Bir cisim üzerine düşen radyasyon enerjisi, o madde tarafından üç şekilde karşılanır. a) Emilebilir. b) Yansıtılabilir. 99

300 c) Başka bir ortama iletilebilir. Aralarında hava gibi saydam bir madde bulunan birbirlerini gören cisimler arasında ışıma şeklinde ısı alış verişi olur. Bir cismin ışınım şeklinde ısı yayması veya aynı şekilde çevresinden ısı almasına ilişkin formüller : Çevreye verilen enerji Çevreden alınan enerji A A 4 εσt 4 ε σt A yüzeyine sahip cismin net ışınım enerji kaybı, verilen ve alınan enerjilerin farkına eşit olacaktır. Burada ; A : T sıcaklığına sahip cismin yüzeyi, m ε : Emisiviti, 0 arasında olabilir. σ : Stefan Boltzmann sabiti, 5,6697 x 0 8 w/m K 4 Eb : Kara kutu emisif gücü T, T : Cismin ve çevrenin sıcaklıkları K Konvektif ve radyant ısı kayıplarını birlikte veren formül : Q = (hc + hr) A ( T)s Q : Bir metal borunun konvektif ve radyant ısı kaybı, Btu/h hc : Konvektif ısı transfer katsayısı Btu/h ft F hr : Radyant ısı transfer katsayısı Btu/h Ft. F hr : 0,00685 ε [Tort/00] Tort : Yüzey ile iç taraf arasındaki sıcaklık ortalaması, R ε : Siyah madde radyant emisivitesi 300

301 Şekil 4.7 Radyant ısı yansıması Örnek : Bir radyatörün yüzeyi m ve sıcaklığı 60 C dir. Sıcak cisim olan radyatör ile çevre arasında atmosferik hava bulunmaktadır. Metalin (döküm demir radyatör) emisivitesi 0,80 ise sıcaklığı 0 C olan çevreye ışıma yoluyla transfer olan ısı miktarını bulun. Çözüm : A = m 4 4 Q = Aεσ ( T r T ) e = 0,80 Q = ()(5,67 x 0 8 )[(333) 4 (83) 4 ] T = 60 C (=333 K) Q = 3,335 x = 3,335 x 0 T = 0 C (=83 K) Q = 333,5 W c 30

302 Tablo 3.3 Yatay döşenmiş çıplak veya izoleli standart çelik boru ve düz plakaların 0 C deki (hc + hr) birleşik ısı transfer katsayıları (W/m C ) T (ısı veren ve alan arasındaki sıcaklık farkı) C Anma capı, in 0,0 37,7 65,5 93,3,3 48,8 04,4 35,5 46,6 537,7 648, 8 /,00 4,95 5,74 7,55 9,33,5 5,5 35, 47,63 64,58 83,0 5,50 3,50 5,04 6,90 8,66 0,55 4,56 34,40 46,79 6,58 8, 4 0,94,87 4,30 6,4 7,79 9,68 3,67 33,4 45,77 6,56 8, ,43,4 3,66 5,43 7,08 8,89,78 3,43 44,75 60,46 79, ,00,70,98 4,7 6,4 8,4 8,57 3,60 43,84 59,04 78,9 9 (Kaynaklar : 7) Birim çevirmesi : Btu/h = 0,98 75 W Btu/h. ft. o F = 5,677 W/m. o C Uyarı : Tabloda yatay sutunda yer alan sıcaklık değerlerinin ondalık kısımları sürerli sayılardır. Örneğin 65, = 65,5 olarak kısaltılmıştır. 30

303 Tablo 3.4 Isı yayınım (konvektif )katsayısı h, serbest yayınım Akış türü h (w/m. C ) 0,0 m çapındaki küre : Su içinde 606 Makine yağında 60 Atmosferde 9 0,0 m dış çapındaki silindir Su içinde 74 Makine yağında 6 Atmosferde 8 0,5 m düşey plaka Su içinde 440 Makine yağında 37 Atmosferde 5 Örnek : Sıcaklığı 00 C olan hava, sıcaklığı 5 C olan bir levha üzerine üflenmektedir (Fan). Üflemeli yayınım ısı transfer katsayısı 70 w/m C dir. Plaka yüzeyi,5 m olduğuna göre, ısı geçiş yoğunluğu ve miktarı nedir? Çözüm : Ta = 00 C Tk = 5 C h = 70 w/m C A =,5 m Isı yoğunluğu q = h (Ta Tk) ( ) w o o q = C 5 C o m C 303

304 q = 550 w/m Isı geçiş miktarı Q = q A = 550 Q = 7875 W w m 3.4 Termal Direnç, Genel Isı Transfer Katsayısı Termal direnç, elektrik direncini andırır; maddenin ısı geçişine karşı gösterdiği zorluktur. Elektrik akımı ile ısı akımı arasında şu benzerlikler vardır: Elektrik Isı Akım I = V/R Q = T/R Gerilim V = IR T = QR Direnç R = V I R = T Q Isı formüllerinde görülen R nin ile elektrik formüllerindeki R nin birimi, farklıdır. Elektrik direnci R = [ Ω], ısıl direnç R = [C /W] birimindedir. Bir duvarın, camın, kapının termal (ısıl) direnci vardır. Direnç, iletkenlikle ve yüzey alanıyla ters, uzunlukla doğru orantılıdır. Elektrik direninin tanımı da aynı şekildedir. R = k Bir duvarın iki tarafından iki akışkanın geçmelerini ve birbirlerine ısı alıp vermelerini ele alalım. L A 304

305 Şekil 3.8 Isı transferi ve direnç Burada, ısı transferi iki yoldan gerçekleşir :. Sıcak akışkanla duvar yüzeyi arasında konveksiyon şeklinde. Duvarın ya da genel ifadeyle cismin içinde iletim şeklinde 3. Duvarın diğer yüzü ile soğuk akışkan arasında konveksiyon şeklinde R ve R3 konveksiyonla ilgili termal dirençlerdir. R, ismin termal direncidir. Yukarda sıralanan ısı geçişleri formüle edilirse: Q = Ah T T L ( T T ) = Ak = Ah ( T ) T Bu formülü yeniden düzenleyelim. 305

306 Q = ( T T ) T T T T = = ( R / Ah ) ( L / Ak) ( / Ah ) Dikkat edilirse, terimleri bölenler, ısı geçiş ortamlarının termal dirençleridir Direnç ifadeleri şeklinde yazılırsa: Q ( T T ) T T T = = ( / Ah ) R R 3 = olur. Bu eşitliklerin altları ve üstleri toplanırsa eşitlik bozulmaz : T Q = T + T T R + R + T + R 3 T T T = T R Uyarı : (sonsuz) işareti, verinin sistemin dışında, kontrolsüz olduğunu gösterir. t Örnek : L = 0,30 m kalınlığındaki duvarın iç tarafında sıcaklık T = 6 C, dış tarafında T = 5 C, duvar yüzeyi A = 0 m, h 00 w/m.k, = h 300 w/m.k, = w k = 0,04 m.k sıcak ortamdan (oda), soğuk ortama (dışarı) ısı transferi ne olur? Çözüm : 306

307 Şekil 4.9 Metal duvar ısı transferi ve direnç Isı transfer denklemi T T Q = Aq = L / + T T = T T ( Ak) + / ( Ah) L /( Ak) + / ( Ah) Bundan ; 307

308 T T L q = T = q + + T ( L / k) + ( / h) k h w T = 093 m 40 w/m - T 0,005 m + C 400 w/m C + o o = 78,35 o C q 093 T = + T = + 6 h 400 T = 3,3 o C 6 o C Örnek : Birbirlerine dokunum yapan iki bakır borudan biri T, diğeri T sıcaklıklarına sahip akışkan geçirmektedir. Boruların boyutları eşittir. Veriler : T = T T = 80 C Dokunum noktasında Tc = 65 C Boru duvarı iletkenlik katsayısı k = 07 w/m C w Kabuk (film) ısı iletkenlik katsayısı h = 7000 m Boru üstü kabuk kalınlığı,5 x 0 6 m D = 4 in 0,0 m Boru çapları ( ) Boru uzunlukları L = 3 m Bu verilere göre ısı transferi nedir? Çözüm : Isı transfer denklemi T Q = R + R + R Birimlerle ifadesi 3 K R = w, T = R = Boru duvarları termal dirençleri o C ( K) Q = ( w) 308

309 Rc = Dokunum (contact) yüzey direnci A = πd / 4 = π (0,) / 4 = 7,85 x 0-3 m Şekil 4.0 Boru çeperi + kabuklanma direnci Örnek : Evin tabanına gömülü ısı transfer boruları ile ev tabandan ısıtılacaktır. Boruların çapı 3/4 w ve uzunlukları L= 5 m dir. Beton tabanın iletimi k = 0,3 Bo-rulardan geçen suyun m - K sıcaklığı 65 C olacaktır. Boruların derinliği d = 0,05 m ve taban sıcaklığı 5 dir. Bu verilere göre, ısı transferi ne olur? Çözüm : Örneği bir tek boru için çözelim. Isı transfer denklemi Q = Fk (T T) Burada : F = Biçim faktörü k = Termal iletkenlik Biçim faktörü, her geometrik şekil için ayrı ayrıdır : Formülleri şöyledir. 309

310 Geometrik şekil Biçim Faktörü Formülü T sıcaklığına sahip yarı sonsuz ortamdaki küre... 4πR R / π... ( ) Sonsuz ortamdaki küre... 4 Rπ... Boş silindir... πh ln ( r / ) r... 3 Bir dikdörtgen prizma... A/L... 4 İzotermal silindir (boru), yarı sonsuz ortamda... İki paralel, izotermal silindir, sonsuz ortamda... Cosh Cosh πl [ d / R] πl... 5 [ d R /( R R )]... 6 Bu formüllerde R : Yarı çap H: Silindir yüksekliği L : Boy d : T sıcaklığına sahip noktanın uzaklığı veya derinlik boru merkezleri arası uzaklık (6. formül) Örneğimizdeki borunun biçim faktörünü bulalım : πl F = Cosh = π(5) [ d / R] Csh( 0,05/ 0,09) Burada Cosh (x) ln x bağıntısı kullanılabilir. Hesaplanan F faktörü : F = 8,9 Bu faktörü ısı transfer denkleminde yerine koyalım. w Q = 8,9 0,3 m K [ 65 5] 30

311 Q = 35,76 w 3.5 Isı Değiştiriciler Termal genel direnç R = Ri + Rt + R0 Ri : Akış tarafındaki direnci Rt : Boru veya tübing duvar direnci R0 : Akış dışındaki direnci R = A h i i + ka m + A h o o A0, Ai = Tüpün, iç ve dış yüzey alanları, m Am = logaritmik ortalama yüzey, m hi, h0 = Akışın iç ve dış tarafındaki ısı transfer katsayıları w/m C k = Tüp malzemesinin termal iletkenliği R = Toplam diren Şekil 3. Isı değiştiricilerd ısı transfer olayının akış şeması Belli hacımda su debisine sahip kazan ile bu kazanın içinde, ondüle halinde (U Şekilli dönüşler) dolaştırılan buhar geçiş boru sistemi ısı değiştiricilere örnektir. Buhar borusunun dış ve iç genel ısı transferleri şöyle ifade edilir. 3

312 Yukarda tanımlanmayanlar : t = Buhar borusu (tüp) et kalınlığı, m Logaritmik ortalama alan : A m A = ln o A ( A / A ) o i i A0 = Dış çap kullanılarak bulunan kesit alan, m Ai = ç çap kullanılarak bulunan kesit alan, m A o Do D = o ln burada t = D 0 Di A m t Di Boru et kalınlığı, ısı iletkenliği yanında çok küçük bir değer olacağından genellikle ihmal edilir. Boru iç tarafı genel ısı transferi : U i = şeklinde kısaltılabilir. / h + / h i o hi ve h0 ısı transfer katsayılarının bulunması için bazı ampirik (teorik olmayıp pratik olan) formüller geliştirilmiştir. Bu formüller, transfer ortamının özelliklerine göre ufak değişiklikler göstermektedir. Geliştirilen pratik formüller, ortaya atan kişilerin isimleriyle bilinmektdir. Bu formüllerden bazıları : Nusselt Sayısı N u = hd k veya N u hl h T = = k k T / L Nusselt sayısı, konveksiyon (yayınım) şeklindeki ısı transferinde kullanılır. Tamamen iletim şeklinde (katı içinde) gerçekleşen ısı transfer olayında N u olur. Pr andtl sayısı P r Cpµ µρ = = k k / ϑ = ( C ρ) α p 3

313 Gazlar Yağ ve Petrol Sıvı metaller P r ~ >> << Stanton sayıay S t h = C ρϑ p m h T = ρc ϑ T p m T, duvar yüzeyi ile akışkan sıcaklıkları arasındaki farktır. Boru ve akışkan verileri ile hesaplanan Reynold sayısının büyüklüğü bize akış türü hakkında bilgi verir. ρϑd R e = (Borularda akış) µ Havanın bir levha yüzeyinden geçmesi şeklindeki atmosferik hava akışı için Reynold sayısının ifadesi şöyledir : R e ρϑ L = µ (Atmosferik havanın L boyunca akışı) Sağ taraf ϑ L ile çarpılır bölünürse : R e ρϑ L = µϑ L elde edilir. Formülde kinematik viskozite terimi kullanmak için sağ tarafın pay ve paydası r ile bölünür. Akış tanımları : Düzgün (Laminar) akış...: Re < 000 Dolaşık (Türbülent) akış...: Re > 300 Kritik akış...: 000 < Re <

314 Bu formüllerde : Cp : Sabit basınçta özgül ısı ϑ, ϑ m : Hız ( ϑ : işareti hızın kontrolsüz olduğunu ifade D L eder : Atmosferik havanın hızı gibi) µ : Viskozite ν α ρ : Boru çapı : Kinematik viskozite : Bir levhanın veya yüzeyin uzunluğu : Isının moleküler diffuziti : Yoğunluk Laminer ve türbülanslı akışlara ilişkin Nu ifadeleri geliştirilmiştir. Türbülanslı Akışla İlgili Nu Formülleri a) Pürüzsüz borular : 0,7 < Pr < 6700 ve Re > 0000 Nu = 0,07 Re 0,8 Pr 0,3 µ b µ w b) Pürüzsüz borular : 0,8 0,7 < Pr < 60 ve Re > 0000 N u = 0,03R e P r Isınmada n = 0,4, soğumada n = 0,3 c) Pürüzsüz borular : 0,7 < Pr < 0 ve Re > 0000 Nu = 0,03 Re 0,8 Pr 0,3 0,04 Laminer Akışta Nu a) Sabit boru duvarı ısı akımında N 4,36 b) Sabi boru duvarı sıcaklığında Nu = 3,66 Örnek : 34

315 Ortalama sıcaklığı T0 = 60 C olan sıcak su, çapı D = 3" olan borudan, ortalama hızı ϑ m= 0, m/s ile akmaktadır. Boru yüzeyine doğru T = 5 C deki atmosferik hava akımının ortalama hızı ϑ = 7 m/s dir. Boru duvarının termal direnci ihmal edilmektedir. Bu verilere göre, borudaki sıcak sudan havaya ne kadar ısı geçişi olur? (Çap D0 Di alınacaktır.) Çözüm : 60 C deki suyun fiziksel özellikleri : R R e e = 0, (m/s) (0,076 m) 0,478 x 0 = 99-6 (m / s) Re > 300, akış türbülanslıdır, bu durumda, Nusselt sayısının türbülans formülü kullanılır. Nu = 0,03 Re 0,8 Pr 0,3 Nu = 0,03 (99) 0,8 (3,0) 0,3 Nu = 0,03 (63)(,393) Nu = 85,33 Akışın iç tarafına (su) ilişkin konveksiyon ısı transfer katsayısı, Nu, k, D; kullanılarak hesaplanır. 35

316 h h i i = N u k D = 85,33 w = 79 o m C i 0,65 0,076 Boru dış duvarı ile hava akımı arasındaki konveksiyon ısı transfer katsayısı h0, havanın verileri kullanılarak bulunacaktır. Boru dış duvarı ile hava dokunum yaptığında, ortalama sıcaklık oluşacaktır. Boru dış yüzeyindeki bu sıcaklık T T = + T = h s o = 3,5 o C Bu sıcaklıktaki havanın fiziksel özellikleri tablolardan alınır. Tablodan bulunması gereken deneysel değer viskozite, özgül ısı ve termal iletkenliktir. Diğer veriler bunlara bağlı olarak hesaplanabilir. Hesaplanabilecek bu veriler ; Ts P a) T sıcaklığında ρ = ρo T s = 73,5 K, Ps = P = atm P s T, alınabilir. b) Kinematik viskozites µ ν = ρ c) Prandtl (Pr) sayısı Pr = Cp m/k d) Reynold (Re) sayısı Re = rvd/m Yukarıda, su il ilgili veriler de aynı şekilde hesaplanabilir. Boru duvar yüzeyi (film) ile temas halindeki 3,5 C lik havanın özellikleri ; ρ =,774 kg/m 3 Cp =,0057 kj/kg C 36

317 µ =,983 x 0 5 kg/m.s k = 0,064 w/m C * Prandtl sayısını hesaplamak için, birimlerin uyuşumlu olması gerekir. C kj 000 w.s =,0057 x o kg - C kj p = 005,7 w.s kg - o C k = 0,064 w m.k w = 0,064 o m. C (K veya C olması değer değiştirmez.) Prandtl sayısı P r Cpµ 005,7 w.s = = o k kg - C P r = 0,76 Reynold sayısı ϑ D (7)(0,076) R e = = -5 ν,684 x 0 R e = 3670 Bir silindir (boru)e karşı akış yapan gaz veya sıvıların ortalama ısı transfer katsayısı Whitaker korelasyonu ile belirlenir. Örneğimizdeki hava akımının boruya doğru olması nedeniyle bu korelasyonu kullanmamız gerekecektir. Bu korelasyon, silindirik bir borunun dış yüzeyine doğru akış yapan gaz ve sıvıların Nusselt sayısını bulmaya yarar. hd 0,5 N u = = (0,4R + 0,06R k 0,66 ) P 0,4 r Nu = [0,4 (3670) 0,5 + 0,06 (3670) 0,66 ](0,76) 0,4 37

318 Nu = 4,06 Bulunan veriler kullanılarak, boru dış duvarındaki konveksiyon ısı transfer katsyı bulunur. h o = N u k D o = 4,06 0,064 0,076 h o = w 39,5 o m C Boru duvar direnci ihmal edilerek, genel ısı transfer katsayısı hesaplanır. U = / h U = / h i i + / h + / h o o = = ( / 79) + ( / 39,5) ( / 79) + ( / 39,5) U = U = 0,068 0,068 U = 37,4 w/m Isı transfer genel denklemi : Q = UA T A = πdl (Boru yanal alanı) L = 3 m D = 0,076 m T = o A = πdl = 0,78 m o ( T T ) = ( 60 5) 55 C i o = w Q = 37,4 o m C Q = 440,60 55 w. C o ( 0,78 m )( 55 C) 38

319 3.6 Isı Değiştiriciler Tasarımında Logaritmik Ortalama Sıcaklık (LMTD) Yöntemi Isı değiştiriciler (heat exhangers), birinden sıcak, diğerinden soğuk akışkanın geçtiği, ısı transfer birimleridir. Buna göre, ısı transfer birimleri birer ikili akış düzenekleridir. Buhar su Sıcak su hava Buhar hava Sıcak hava soğuk hava Sıcak hava soğuk su Isı değiştiricilerde, sıcak ve soğuk akışkanlar arasında, sıcaklık farkı, sabit kalmaz; ısı değiştirici boyunca değişir. O nedenle, sıcaklık farkının logaritmik ortalaması kullanılır. Isı transfer denklemi Q = UA T Sıcak su hava ısı değiştiricide durumu örnekleyelim. m Şekil 3. Paralel akışlarda ısı transferi ve sıcaklık geçiş grafiği Örnek : 39

320 paralel akışta sıcaklıklar farkı T m T = ln o T ( T / T ) Eğer, sıcak ve soğuk akışkanlar ters yönlü akarlarsa durum şöyle olur. o L L Şekil 3.0 Ters akış sistemi ve sıcaklık geçiş grafiği Örnek : Ters akışta sıcaklıklar farkı T m T = ln L T ( T / T ) Yukardaki açıklamalar ve bilgiler kullanılarak logaritmik ortalama sıcaklık hesaplanır. Basamaklı işlem şöyle yapılır. L o o 30

321 Burada: T0 : Paralel akışta, iki akışkanın sisteme giriş sıcaklıkları farkıdır. Ters yönlü akışta, sistemden çıkan sıcak akışkan ile sisteme giren soğuk akışkan arasındaki farktır. TL : Paralel akışta, sistemden çıkan iki akışkanın sıcaklıkları farkıdır. Ters yönlü akışta, sisteme giren sıcak akışkanın sıcaklığı ile sistemden çıkan soğuk akışkanın sıcaklıkları arasındaki farktır. Örnek : Buhar su ters akışlı, sistem, tasarlanmaktadır. Buhar borusu, (tube), su kazanı (shell) içinden geçirilmektedir. Veriler şöyledir : Ti = 0 C (buhar giriş sıcaklığı) T0 = 75 C (kondens çıkış sıcaklığı) Ta = C (Su giriş sıcaklığı) Tb = 50 C (Su çıkış sıcaklığı) Di = " (=0,005 m) buhar boru iç çapı U = 00 w/m Genel ısı transfer katsayısı Cp = 480 J/kg C (Suyun özgül ısısı) L = 50 m (Boru uzunluğu) m =? (Su debisi, kg/s) Q =? (Isı transferi) Çözüm : 3

322 . Sistem ters akışlıdır.. Sıcaklık farkları T0 = T0 Ta = 75 = 63 C TL = Ti Tb = 0 50 = 70 C 3. Ters akış logaritmik sıcaklık farkları ortalaması T m T = ln L T ( T / T ) ln( 70 / 63) L o o = T m = 66,43 o C 5. Su debisi 3

323 Q = mc T p m = Q C p = T 53, ( )( 50 -) Örnek : m = 0,034 kg/h Sıcak su petrol eşanjörü aşağıdaki verilere göre tasarlanmaktadır. Sıcak su debisini ve sıcaklığını bulun. Sıcak su ve petrol ters akışlı geçiş yapmaktadır. Veriler : m0 = 59 kg/h = 0,044 kg/s (petrol debisi) Ta = 6 C (Petrol giriş sıcaklığı) Tb = 50 C (Petrol çıkış sıcaklığı) T0 = 30 C (Su dönüş sıcaklığı) C0 = 09 J/kg C (Petrolün özgül ısısı) Cw = 480 J/kg C (Suyun özgül ısısı) Fw = 0,0008 m C /w (su tarafından kabuklaşma) F0 D h h = 0,00088 m C /w (Petrol tarafında kabuklaşma) = 3" boru (Su dolaşım borusu) L 30 m (0 paralel boru demeti her biri 3 m uzunlukta U şekilli dönüşler halinde) kabul edilebilir aralıklarda seçilirler. o w o = 78 w/m C o = 50 w/m C Çözüm : Kabul edilebilir sıcaklıklarda seçilirler. 33

324 Şekil 3.3- Ters akışlı sistemin şematik gösterilişi. Isı transferi : Q o = m o C o(tb Ta) Qs = ms C w(t i T o) Q o = Q s olduğundan m o C o (T b T a) = mscw(t i T o) 34

325 kg J 0, o s kg C J 38,36 = m s s o o J o ( 50 C 6 C) = m 480 ( T 30 C) J 480 o kg C o ( T 30 C) 3. Isı transfer denkleminden Tm in bulunması Q = UA Tm Veriler kullanılarak genel ısı transfer katsayısı bulunur. U = = 5 /h + F + F + / h /50 + 8x0 + 88x0 w w U = 64,59 o m C A = πdl = π w o o ( 30 m)( 0,076) i s kg o C -5 ( ) ( ) ( )( /78) i A = 7,8 m T m = Q UA = 38,36 w (64,59) (7,8) = 6,74 o C 4. T0 = TL varsayalım. T0 = T0 Ta = 30 6 = 4 o C TL = Ti Tb den Ti = TL + Tb = = 64 o C 5. Sıcak su debisi 38,3 38,36 m s = = = 0,0 kg/s Örnek : ( ) Buhar hava akışkanlarıyla ısı transfer birimi tasarlanmaktadır. Silindirik borudan buhar geçerken, hava belli bir hızda boru yüzeyine üflenmektedir (fanlı sistmler). Sistemin verileri şyledir. Buhar boru çapı... D = (= 0,05 m) Buhar boru uzunluğu... L = m 35

326 Hava sıaklığı... Th = 0 C Hava üfleme hızı... Vh = 0 m/s Boru duvar yüzey sıcaklığı... Tw = 7 C Bu verilere göre, buhar hava arasında gerçekleşecek ısı transferi ne olur? Çözüm : a) Boru duvar yüzeyi ile hava akımı arasında çok ince bir tabaka (film) da, sıcaklık, boru duvar sıcaklığı ile hava sıcaklığının aritmetik ortalamasıdır. b) 86,5 K deki havanın fiziksel özellikleri ilgili tablolardan bulunur. Gerekli olan fiziksel özellikler Nusselt, Reynold ve Prandtl sayılarının hesaplanmasında kullanılır. atm, 86,5 K deki havanın özellikleri : ρ =,4 kg/m 3, C p =,0056 kg kj µ =,84935 x 0 k = 0,056 o -5 w m.k C kg m.s c) Boyutsuz sayılar hesaplanır. C pµ kj Pr = =,0056,84935 x 0 o k kg C -5 kg m.s m.k 0,056 w P r = 0,

327 Uyarı: kj = 000 w.s dir. ρϑ D R e = = µ (0) (0,05)(,4),84935 x 0-5 R e = 3355 ϑ = Atmosferik hava hareketinde olduğu gibi kontrolsüz hız Boru dış duvar yüzeyi ile hava akımı arasında oluşan ince zarın (film) konveksiyon ısı transfer katsayısını bulmak için, Nusselt sayısının orta değerini hesaplamak gerekmektedir. Yukarıdaki, boyutsuz sayılar, Pr ve Re, Nu yu bulmakta kullanılacaktır. Gazların bir silindirik boruya karşı akış yaparak ısı alıp vermelerinde kullanılan Nu formülü : h ort N u ort = = e + k D 0,5 0,66 0,4 ( 0,4 R 0,06R ) P e Re ve Pr nin bulunan değerleri formülde yerlerine konur. N N N uort uort uort = = 0,5 0,66 [ 0,4( 3355) + 0,06 ( 3355) ]( 0,7389) ( 73,39 + 6,386)( 0,886) = 0,6 r 0,4 d) Hava akımı boru dış duvar yüzey arasındaki zarın ortalama konveksiyon ısı transfer katsayısı, Nuort kullanılarak bulunur. h ort = h ort = 0,93 k D N u ort 0,056 = 0,05 ( 0,6) e) Isı transferi Q = h ( πld)( T T ) ort d Q = (0,93) ( π x 0,05 x ) (300 73) Q = 56,44 w/m h Tabl 3.5 Bazı gazların viskoziteleri 37

328 Sıcaklık C Gazlar Viskozite N s/m x Hava , , ,7 438 Karbondioksit 386,6 476,48 67,8 86,44 8,8 3005,5 3580,6 48,5 Karbon 65, 765,95 985,68 95,38 50,5 396, 3806, monoksit Helyum 855, 75 Hidrojen 83,5 8 Metan 03, 7 936,48,74 75,63 665,4 3404, 3 87,7 000,7 030,3 08,0 59, 5 084,3 64,83 39,93 599,7 064, , , 097,7 Azot ,9 97,37 080,6 458,5 305, 8 365,7 46 Oksijen 94, 0 8,8 43, 873,6 3658, 4340,6 498, Buhar 883, 045,6 08, 64, 46, (Kaynaklar : 7) 38

329 Örnek : Havanın 0 deki viskozitesini, MKS, CGS, SI ve İngiliz birimleriyle ifade ediniz. Çözüm: Birim sistemi İfadesi SI...870,56 x 0 8 N s/m MKS...870,56 x 0 8 kg/m s CGS...870,56 x 0 9 g/cm s İngiliz...39,59 x 0 8 lb f. s/ft Birim Çevirmeleri : SI biriminde µ = ( F/A) ( dϑ/dy) F = N N/m N.s A = m µ = = = Pa.s (m/s)/(m) m dϑ/dy = (m/s)/(m) CGS biriminde µ = ( F/A) ( dϑ/dy) F = din (dyne) A = cm din/cm din.s µ = = dϑ = cm/s (cm/s)/(cm) cm dy = cm din.s = g/cm.s = poiz cm SI İngiliz birimine : N.s x m ıbf 4,44 N m x (3,8 ft) = 47,76 ıbf.s ft 39

330 Pa.s İngiliz birim sisteminde ki ifadesi Pa.s = N.s/m = 0,00938 ıbf.s/ft : 3.7 Kabuklaşma direnci (fouling) Akışkanın zamanla boru yüzeyinde oluştuğu ince tabakaya (kabuk) fouling denir. Boruların iç ve dış tarafları akışkanların türüne bağlı olarak tortu bağlayarak ince bir kabukla örtülürler. Bu kabuklaşma olgusu, zamanla ısı transferini zorlaştırır. Bazı akışkanlara ilişkin kabuklaşma dirençleri şöyledir. Tablo 4.6 Kabuklaşma (Fouling) Faktörleri Kabuklaşma (Fouling) Akışkan türü dirençleri Organik buharlar x 0 6 m. C/w Buhar x 0 6 m. C/w Alkol buharı x 0 6 m. C/w Hava x 0 5 m. C/w Buhar (çıkış hali)... 8 x 0 5 m. C/w Fuel oil x 0 5 m. C/w Bitkisel yağlar x 0 5 m. C/w Makine ve transformatör yağı... 8 x 0 5 m. C/w Irmak suyu x 0 5 m. C/w Deniz suyu x 0 6 m. C/w Arınmış kazan besleme suyu... 8 x 0 5 m. C/w (Kaynaklar : 5) 330

331 XIV BÖLÜM KONUT VE İŞ YERLERİNDE PROJE VE TESİSAT 4. Sulu Isıtma Sistemleri Ve Uygulama Örnekleri. Isı Kaynağının Saptanması: a) Buhar su ısı değiştiriciler (eşanjörler) b) Su su ısı değiştiriciler c) Hava su ısı değiştiriciler d) Isı pompaları. Su Sıcaklığının Seçilmesi a) Düşük Sıcaklık Su Sistemi Bu sistemde: Isı kaynağı: kazanlarda elde edilen sıcak su İzin verilebilir en yüksek basınç P = 0 kpa (,0 barg), T c = C Genelde, kazan çalışma basıncı P = 07 kpa da tutulur b) Orta Sıcaklık Su Sistemi (MTW: Medium Temparature Water System) Sıcak su ısıtma sistemi çalışma sıcaklığı T 76,7 C, P 034 kpa Uygulamada: T =.C 6,7 C) ve P = 034 kpa da tutulur. c) Yüksek Sıcaklık Su Sistemi (HTW:High Temparature Water System) Sıcak su ısıtma sistemi çalışma sıcaklığı T = 76.7 C ve basıncı P= 068 kpa Tasarım sıcaklığı en fazla T = 3, C ve basınç P = 068 kpa olabilir. 3. Isıtmada Sulu Sistemleri Kullanmanın iyi Yanları a) Değişik radyatör tiplerinin kullanılmasıyla ısının her tarafa yayılması sağlanır. b) Hızlı ve benzeşik (uniform) ısıtma elde edilir. c) Yakıt tasarrufuna olanak verir. d) Kurulması uzmanlık istemez. e) Korozyon olgusu azdır. 4. Sulu Isıtmanın Esasları 33

332 Isı kaynağından aldığı ısıyı borular yoluyla, ısıtma ortamına götüren su, orada, sıcaklık farkına bağlı olarak ısı kaybederek tekrar ısı kaynağına döner. Isı kaynağı değişik yapılar, sistemler olabilir. 4. Isı Transfer Birimleri Bir yapıda (örneğin konut) kaybolan ısıya eşit miktarda ısının sağlanarak, mekanın istenen sıcaklıkta tutulması için, mekan içine kurulan ısı transferi yapacak birimlere (yapılar) gerek vardır. Sulu ve buharlı ısıtma sistemlerinde, bunlar değişik yapıdaki radyatörler, konvektörlerdir. Döküm demir radyatörler en yaygın tiplerdir. Radyatörlerin tasarımında, ön plana alınacak durum, ısı yayma alanının, minimum yer işgalinden en fazlaya çıkarabilmektir. Izgara (ağ) tipi (Finned type) radyatörler bu amaçla geliştirilmişlerdir. Şekil 6.38 Radyatör ve Konvektörler Şeki 4. Radyatörler 4.3 Isı Transfer Birimlerinin Tasarımında Yapılan Kabuller a) Genel ısı transfer katsayısı U sabittir. b) Isı kaynağında aldığı ısıyı, ısıtılacak ortama taşıyan akışkanın kütlesel debisi sabittir. c) Isıyı taşıyan akışkanın faz durumunda değişme yoktur. d) Isı alan ile veren akışkanların veya ortamların özgül ısıları sabittir. e) İletim sırasında ortaya çıkarak ısı kayıpları ihmal edilebilir. 4.4 Sistemin Belirteçleri a) Su tasarım sıcaklığı 33

333 b) Su debisi c) Borulama tipi d) Pompa seçimi e) Terminal (ısı transfer) birimi f) Kontroller Ufak sistemlerde, (0000 Btu/h), konutsal ısıtma pratiğinde, suyun ısı transfer biriminin giriş ve çıkışı arasındaki sıcaklık farkı (TD: Temparature Differance).7 C (=0 F) dir. 4.5 Isı Transferinin Belirlenmesi İster ısıtma, ister soğutma proseslerinde olsun, ısıtılan ya da soğutulan ortama transfer olan ısı miktarı, su ile ortam arasındaki sıcaklık farkına (DT)m ve genel ısı transfer katsayısı (U) na, akışkanların hızlarına, ısıtılan ortamın karakterine ısı transfer biriminin yapısına ve başka faktörlere bağlıdır. Genel formül: Q = UA( T) m = UA [( T) o ( T) o ] ln( T) o /( T) o i Termal direnç: rt = = UA f iai ka m f oa o x f A s s Yukarıdaki formüllerde: Q = Isı transfer debisi: W(Btu/h) U = Genel ısı transfer katsayısı W/m.C (Btu/h.ft. F) A = Isı transfer yüzey alanı m (ft ) (T) m : Terminal sıcaklık farkının logaritmik ortalamasıdır. C ( F) ( T) 0 : En yüksek terminal sıcaklıkları farkı ( T) 0 : En düşük terminal sıcaklıkları farkı UA : Termal direnç denkleminden elde edilir. f i, f o, f s, k : Değerleri tablolardan alınır. A = Isı transfer kesit alanı, m (ft ) A i = ç taraftaki kesit alan, m (ft ) A o = Dış taraftaki kesit alan, m (ft ) 333

334 A m = Ortalama kesit alan, m (ft ) f i, f o = ç ve dış yüzey film ısı iletkenlik katsayıları Btu/h.ft. F) k = Termal iletkenlik w/m.c /m [Btu/(h.ft. F/ft)] f s = Yüzeylerinde biriken tortu tabaksı (scale)nın ısı iletimi w/m C [Btu/(h.ft. F)] A s = Tortu tabakası (scale)nın yüzey alanı, m (ft ) Şekil 4. Buhar su sistemiyle ısı transfer olayının şematik görünümü 4.6 İçeri Sızan Havanın Isıtılması İçin Ek Isı Konutlarda, kapı, pencere gibi görünür, görünmez delik ve gözeneklerden sürekli içeri hava akımı olacaktır. Isıtma ya da soğutma prosesi uygulanan ortamın havası içeri giren değişik sıcaklıktaki hava ile devamlı değişecektir. Kaçak şeklinde ister istemez içeri giren havanın ısıtılması için gereken ısı transfer miktarı, giren havanın debisi ile sıcaklığına bağlı olarak şu formülle hesaplanır. H s = 0,08 Q Burada: h ( T T ) i o H s = Kaçak yollardan, açık deliklerden içeri giren havanın sıcaklığını, ortamın sıcaklığına getirmek için gereken ısı transfer miktarı Btu/h 334

335 Q h = İçeri sızan havanın debisi ft 3 /h T i = İçerinin sıcaklığı, F T o = Dışarının sıcaklığı, F 0,08 = Havanın özgül ısısı ile yoğunluğuna bağlı katsayı (Havanın yoğunluğu 0,075 lb/ft 3 =,89 kg/m 3 kabul edilmiştir) Formül İngiliz birim sistemine göre geliştirildiğinden İngiliz birimleri ile kullanılır. Örnek : 5 m 3 hacımdaki ufak bir oda dışarıyla 8 C fark olacak şekilde doğalgaz sobası ile ısıtılacaktır. Verilere göre doğal gaz debisi ne olur? Veriler : Ti = 3 C (=73.4 F) T o = 5 C (=4 F) Q h = 5 m 3 s =.5 m 3 /h = 87,5 ft 3 /h ( çeri dışarı yer değiştiren hava) (Ev gibi bir ortamdaki havanın tamamen iki saatte bir değiştiği kabul edilmektedir.) Çözüm : Odaya giren taze havayı istenen sıcaklığa kadar ısıtmak için gerekli ısı yükü; Hs = 0,8 (87,5) (73,4 4) Hs = 50,3 Btu/h Transfer yüzey kesitin ve doğalgaz debisinin hesaplanması : Oda havasına konvektif yolla transfer olacak ısı, konvektif ısı transfer formülüyle de hesaplanabilir. Transfer kesit alanın bulunması : U = 0,496 kabul edilsin 335

336 Q U = UA T den A = U T 50,3 Btu/h Q = H dir.buradan A = s ( 0,496 )( 3,4) A = 6,896 ft Doğalgaz ısıl değeri 950 kcal/m 3 kabul edilirse Doğal gaz debisi V 8,595 kcal/h = kcal/m = 0,04 m Uyarı m 3 doğal gaz için yaklaşık 0, m 3 hava gerekir. Yanma havası V 3 3 = m / h = 0,04 x0,m 3 m 3 / h 0,44 m 5 m 3 hacme sahip odanın havasının temiz kalabilmesi için soba yanarken 0,44 m / h debi ile içeriye taze hava girmelidir. Yanma süresi arttıkça oda havasındaki oksijen miktarı eksilecektir. Açık yanma odalı sobaların devamlı yakılacağı mekanların iç hacimleri örnekte verilen hacimden az tutulmamalıdır; ayrıca odanın hava alma delikleri de bulunmalıdır. Ortalama koşullarda, bir mekandaki hava akımının, saatte mekan hacminin yarısı kadar olduğu varsayılmaktadır. Örnek: (,8 x 8x 5)m 3 = m 3 hacminde olan bir odanın havası ancak saat içinde değişebilecektir, başka ifadeyle, saatte bu hacmin yarısı değişmektedir ve Q m = h 3 h = 56 m 3 / h alınabilecektir. Bu değer pratik bir yaklaşımdır. 3 / h Isı Kayıplarının Hesaplanması. İç ve dış tasarım sıcaklıkları seçilir T i, T o. Pencere, tavan, duvar, çatı gibi sistemi çevreleyenler için genel ısı transfer katsayısı (U) belirlenir: U nun değeri, /UA = r T termal direnç formülünden elde edilebilir. 3. Statik ortam havası için gerekli ısı transferi hesaplanır. Q = UA( T) m 4. İçeri sızan hava için gerekli ısı transferi hesaplanır. H s = 0,08 Q h (T i T o ) 5. Binayı veya tek bir konutu ısıtmak için gerekli toplam ısı miktarı hesaplanır. 336

337 Q T = Q + H s Bina veya konut için transfer olması gereken ısı q w q 5. Seçilen mekanı ısıtmak için gereken toplam ısı miktarını taşıyacak ve transfer birim veya birimlerinden ısıtılacak ortama verecek suyun debisi bulunur. = wc w ( T T ) Q G C ( T T )/ 000 = s y Burada G y = Su özgül ağırlığı (S p, Grw) p C p = Özgül ısı J/kg.C (Btu/lb. F) w = Suyun ağırlıkça veya kütlesel debisi kg/s (lb/h) c = Su özgül ısısı J/kg.C (Btu/lb. F) T = Transfer birimine giren suyun sıcaklığı C ( F) T = Transfer birimini bırakan suyun sıcaklığı C ( F) Q s = Su debisi l/s (lb/dk) Q w = Su dantransfer olacak ısı miktarı w (Btu/h) Uyarı :Transfer birimi: Radyatör ve benzerleri, ısı değiştiricilerdir. 4.8 Doğal Gazlı Su Isıtıcıları 8. Termosifonlar Konut ve iş yerlerinin sıcak sulu olmaları arzu edilir. Özellikle evlerde, mutfak ve banyoda her an sıcak suyun hazır olması artık bir ihtiyaçtır. O nedenle, bu alanda yapılan çalışmalar gazlı, elektrikli, gaz yağlı, sıcak su hazırlayan aygıtların geliştirilmesini sağlamıştır. LPG, hava gazı, doğal gaz ile çalışabilen şofbenler, termosifonlar ve benzeri aletler ev ve iş yerlerinde kullanılmaktadır. Düşük basınçlı gaz yakan bu aygıtlar atmosferik brülörle çalışırlar. Su ısıtıcı cihazların prensip yapıları,atmosferik brülörde yanan yakıtın ısısını, geniş yüzeyli su dolaşım borularına transfer etmeye dayanır. Şofbenler ile termosifonlar arasındaki fark, sadece sıcak su bulundurma durumundan kaynaklanır. Şofbenler anlık su ısıtıcılarıdır, sıcak su depo etmezler, oysa termosifonlar, haznelerinde sıcak suyu depo etme ve sıcak olarak koruma özelliğine sahiptirler. Genellikle termosifonlar elektriklidir, gazlı termosifonlar da var. Termosifonlarda su, istenen sıcaklığa kadar şofbenlerde olduğu gibi anlık ısınmaz, çünkü, deposunda bulunan 337

338 suyun ısınması zaman alır. Şofbenler de, ise depo edilen su olmadığından, sadece akış borularının hacmi kadar suyu akış süresi içinde ısıtabilmektedirler. Termosifonlar, açık yanma odalı oldukları için yanma ürünleri bacaya bağlanan bir boruyla verilmelidir. Termosifonun yapısal bakımdan iki önemli özelliği vardır. Isı yalıtımlı olması Deponun korozyona karşı korunması Eğer bu iki özellik, kalitece düşükse, termosifon kısa ömürlü olacaktır. İçinde tortular birikecek, ısıtma süresi uzarken, sıcak su kalış süresi azalacak, yalıtımı termosifon depo duvar saçları arasında hapsedilen hava ile sağlanabilir ancak izocam, perlit gibi benzeri malzemeler daha uygundur. Hava ile yalıtım sağlıklı olamaz, çünkü, gövdede açılacak en ufak bir delikten hava kaçabilir ve suyun ısısı hava yoluyla düşer. Sıcak su depo malzemesi katodik (magnezyum elektrot) koruma altına alınmalıdır. Ayrıca su ile temas halinde olan depo iç yüzeyi emayeli olmalıdır. Otomatik çalışan termosifonlarda:. Pilot otomatik olarak yakılır.. Pilot alevi detektörle gözlenir. 3. Depo suyunun sıcaklığı termostatla kontrol edilir. Pilot sürekli yanık kalır. Alet çalışma konumunda iken pilot herhangi bir nedenle sönerse, gaz girişi otomatik olarak kapanır. 4. Depodaki suyun sıcaklığı, termostat ayar sıcaklığının altına düşünce, ana brülör açılır, pilot yanar durumda olduğundan brülör derhal devreye girer, sıcaklık yükselince gaz azalır, brülör zayıf yanar, veya gaz kesilince, brülör söner. Fakat pilot sürekli yanık kalır. Suyun sıcaklığı termostat tarafından sürekli aynı ayarda tutulmaya çalışılır. Termosifonun ısınan bölgeleri ile monte edildiği mekanın duvarı veya sabit malzemesi arasında yarım metre kadar mesafe bulunmalıdır. Sıcak su çıkışı. Soğuk su girişi 3. Şamandıra 4. Pilot alev kontrol vanası 5. Termostatik kontrol vanası 6. Sıcaklık duyargası 7. Pilot alev detektörü 8. Pilot gaz girişi Tasarlanan termosifon, iç içe geçirilmiş iki silindirden oluşmaktadır. İçteki silindirin duvarı sıcak su deposudur. Merkez delik duman borusu görevini yapar. Bu silindirin ortasından ve çevresinden yükselecek olan baca gazları, depodaki suyu içten ısıtacaktır. Sıcak 338

339 su deposu, uygun yerlerinden baca gazı geçişlerine sahip olursa, ısı transfer yüzeyi artırılabilir. Geçiş delikleri depo hacminin daralmasına yol açar. Isı transferini artırmanın bir başka yolu da, baca gazları geçiş yoluna türbülatör takmaktır. Türbülatör saptırıcıdır ve bu durumda, alev geçiş süresi uzatılmış olur. Baca gazları geçiş borusuna su giriş boruları döşenerek ön ısıtmaya tabi tutulursa, termosifonun verimi artırılmış olur. Emniyet ve kontrol:. Termostatın su sıcaklık durum sinyali.. Pilot alev dedektör sinyali. Termostat sinyali yay yüklü termostatik vananın diyaframına basınç uygulayarak, son sıcaklık noktasında kapatmaya çalışır. 3. Radyant tüp brülör kullanılabilir. Türbülatör ısı transfer verimini artırır. 4. Pilot alev kontrolü, fotosel, ultraviyole dedektörlerle yapılabilir. Sanayi kazanlarında genellikle alev dedektörü olarak fotosel kullanılır. Işık karşısında foto direnç veya foto diyodun akım geçirgenliği değişir. Cam muhafaza içine yerleştirilen foto eleman, gün ışığından etkilenmesin diye kazanın karanlık bir yerine monte edilir. Fakat pilot ışığını karşıdan mutlaka görmelidir. Gün ışığı alabilecek ortamlarda sadece ultraviyole ışınlardan etkilenen dedektör kullanılır. Pilotun çıkardığı ultra viyole (menekşe ötesi) ışınlardan etkilenen dedektör kullanılır. Pilotun çıkardığı ultra viyole (menekşe ötesi) ışınlardan etkilenen dedektör direncini değiştirir ve fark sinyali üretir. İster fotosel olsun ister ultra viyole dedektör olsun, sistemde elektrik kullanılacaktır. Elektrik bulunmayan bir yerde veya elektriğin kullanılması tercih edilmeyen bir sistemde, pilot alevi nasıl gözlenecektir? Emniyet vanası nasıl açtırılacak veya kapattırılacaktır? Böyle bir durumda, çözüm termostatik yaylı ve diyaframlı vanalar kullanarak, kılcal borulu termal elemanlarla kontrol yapmaktır. Termal elemanın içindeki akışkanın buharlaşma basıncı doğrudan veya dolaylı olarak vana diyaframına uygulanabilir. Vana yayla açık tutuluyorsa, basınç diyafram altından verilir. 5. Termosifon kazan su seviyesi, yay yüklü, diyaframlı normalde kapalı, hidrostatik basınçla açılan bir vanadır. Termosifon kazanında su kalmadığında LV açılmayacak ve brülör yanmayacaktır. Yay ayarı öyle yapılır ki minimum seviyede bile vana ayarlanabilir. Vana diyafram haznesi yağ ile doldurulmuş olabilir. Doğal gaz alevinin, kömür ve fuel oil alevi gibi parlak değildir. Parlak alevli yanmada ısı transferinin % 70 80'ni ışıma yoluyla gerçekleşir. Doğal gazda ise ısı transferinin büyük bir kısmı konvektif yolla olmaktadır. Bir başka emniyet tedbiri de, kazanda su yokken veya su kesik iken termosifonun devreye girmemesidir. Çok düşük seviye anahtarı ile minimum su seviyesi gözetim altına alınabilir. Böyle bir tedbir ile boş kazan ısıtılmamış olur. Seviye aletinin bulunmadığı boş termosifon devreye alınırsa, 339

340 içerdeki termostat belli sıcaklıktan sonra ısıyı hissederek gaz vanasını kapatır. Fakat, termosifonun boş kazanı soğuyunca brülör otomatik olarak tekrar devreye girecektir. Böyle bir durumda, termosifonun kazanı bozunuma (deform) uğrayabilir. Su seviye aletinin bulunduğu depolu ısıtıcılarda, boş kazan devreye girmez. 8. şofbenler: Termosifonlar konusunda anlatılanlar şofbenler için de geçerlidir. Sistemin ana yapısı değişmemektedir. Şofbenler; ısı transfer borularından geçmekte olan suyu, kapasitesine bağlı olmakla birlikte, en az yarım dakika içinde, C ye kadar ısıtabilmelidir. Şofbenler daha ufak yapıda olabildikleri için, mutfak veya banyo duvarının uygun bir yerine mote edilebilir; daraltma yapacak ölçüde yer kaplamazlar. Şofben tasarımında en önemli husus, en kısa sürede, istenen debide suya, brülörde oluşan ısıyı kayıpsız iletebilmektir. Isı transferi, daha çok konvektif yolla olacağından ısı transfer katsayısı ve transfer yüzey alanı birinci derecede rol oynar. Şofbenler, LPG, havagazı, doğal gaz ile çalıştırılabilirler. Dönüşüm gerekli olursa, yakıtların ısıl kapasiteleri yanma hızları karşılaştırılarak, aletin ısı yükünü verebilecek en uygun brülör seçilmelidir. Sisteme oksijen veya karbonmonoksit deketkörü konabilir. Oksijen detektörü konursa, ortamdaki oksijenin miktarının insan sağlığını tehlikeye sokacak düzeye düşmesi halinde, gaz hattında bulunması gereken emniyet vanasını kapatarak yanmayı durdurur. Oksijen detektörü yerine, karbon monoksit veya karbondioksit detektörü konabilir. Karbonmonoksit zehirleyici, karbondioksit boğucu gazdır. Ayrıca, yetersiz yanmadan dolayı, bazı hidrokarbon gazları da ortamın havasına geçebilir. Bacanın çekişi iyi değilse, yanma artığı gazlardan bir kısmı ortamın havasına karışacaktır. Soluma havasında bulunması gereken oksijen miktarı % 9 % 3 arasıdır. Yani, ortamdaki hava içindeki oksijen miktarı % 9 dan az olmamalıdır. Soluma havasında, CO ve CO gazlarının en fazla bulunabilecekleri miktarlar ise şöyledir : CO : 0 ppm 0 ppm arası CO : 00 ppm 000 ppm arası Buna göre, detektörlerin solenoid türü gaz giriş emniyet vanasını kapatma ayarları şöyle olabilir. Oksijen detektörü kullanılmış ise, ayar noktası % 9 oksijen CO detektörü kullanılmış ise, ayar noktası 0 ppm CO detektörü kullanılmış ise, ayar noktası, 000 ppm Gaz detektörünün kullanılması durumunda, gaz giriş hattında, elektrikle çalışan bir emniyet kapatma vanası olacaktır. Çünkü gaz detektörleri elektriksel sinyal üreteceklerdir. 340

341 Ayrıca, bu sinyalin kuvvetlendirilmesi için yükselteç devresi de gerekebilir. Gaz detektörünün kullanılması maliyeti artıracaktır. 4.9 Doğalgazlı Birleşik Isıtıcılar (Kombiler) ve Kat Kaloriferleri şofbenlerin geliştirilmiş şekli olan kombiler bol miktarda sıcak su hazırlayabilen, kat kaloriferi ve şofben görevini yerine getiren, doğalgaza en uygun ısıtma cihazlarıdır. Kombi, sözcüğü, İngilizce de birleştirme anlamına gelen Kombine sözcüğünün Türkçe de söyleniş şeklidir. Birleşik ısıtma cihazı (Combined Heating Unit) hem sıcak su sağlamakta hem de ısınma ihtiyacını karşılamaktadır. Birleşik Isıtıcı Birimleri (Kat Kaloriferleri) konutun, mutfak, banyo gibi yerlerine monte edilebilirler. şofbenler gibi duvara asılı durumda monte edilebilirler, ufak oldukları için yer kaplamazlar, şofbenlerden biraz büyük olmaları işlevleri dikkate alınırsa normaldir. Doğalgazlı, konutların bağımsız olarak hem sıcak su, hem kalorifer ihtiyaçlarını karşılayabilmelerine olanak veren kombiler kullanım kolaylığı ve ekonomik oluşları nedeniyle tercih edilmektedirler. Mayıs 005 itibariyle normal bir konuta kurulacak kombinin montaj dahil toplam maliyeti ytl bulmaktadır. (Dolar bu tarihte ~,4 ytl.dir) Birleşik ısıtma birimlerinin sıcak su çıkışı.. Banyo ve mutfakta sıcak su ihtiyacının karşılanmasında. Kalorifer petekleri yoluyla hacımsal ısıtmada kullanılır. Banyo ve mutfakta kullanılan sıcak suyun geri dönüşü yoktur. Kalorifer peteklerinin dolaşım suyu, biraz soğumuş olarak sisteme geri döner. Sistemin sıcak su miktarı sabit olması gerektiğinden, mutfak ve banyoda kullanılan miktar kadar su otomatik olarak kombi kazanına girer. Beslenme kazanındaki su seviye kontrol aleti, kazandaki seviyeyi sabit tutmaya çalışır. 34

342 Şekil 4.3 Kombi dış görünüşü Birleşik Isıtma Birimlerinin Teknik Özelliklerinden Bazıları :. Isı kapasiteleri (örnek : 7500 kcal/h kcal/h). Sıcaklık kontrolü (30 C 90 C arası) 3. Genleşme kabı, hacmı (7 5 lt arası) 34

343 4. En yüksek kalorifer tesisat su basıncı (~3 bar g) 5. En düşük su basıncı (~0,8 bar g) 6. En yüksek, orta, en düşük sıcak su debileri (6 lt/dk, 6 lt/dk, 3 lt/dk) 7. Paslanmaz çelikten, atmosferik brülör, 8. Kalorifer tesisat suyu ve kullanma suyu termostat ayarlı 9. Sirkülasyon pompası bulunur. 0. Piezo çakmaklı pilot. Genleşme kabında basınç emniyet vanasının ve seviye kontrol aletinin bulunması. Pilot söndüğünde, gaz hattını otomatik kapatan sistem, 3. Kalorifer dönüş suyunun ve ilk giren soğuk suyun baca gazları ile ilk ısıtmaya alınması (istenirse yapılabilir.) 4. Üç yollu vana ile gaz ayarının elle (manuel) yapılabilmesi Kumanda düğmesi ile üç yollu vananın konumu değiştirilerek sıcak su veya kalorifer sistem seçenekleri yapılabilir. Kombiler, yazın sadece sıcak su sağlayan ısıtıcılar olarak kullanılır. Şekil 4.4 Kombili kat kaloriferin blok şeması 343

344 Dolaşım pompası debi hesabı: Q p Q k = C T Burada; Qp : Pompa debisi kg/h Qk : Kalorifer tesisatının toplam ısı yükü kcal/h DT : Isıtma suyunun gidiş ve dönüş sıcaklıkları farkı, C C : Suyun özgül ısı kapasitesi, kcal/kg.c Dolaşım pompasının basıncı; H p = hl + K Burada; Hp = Pompa basıncı, (mm SS) h L = Boruların ve elemanların basınç gradiyenti (mm SS/m) = İlgili boru ve elemanların uzunlukları, m K = Dirsek, çap düşürücü, t(e) gibi boru bağlantı parçalarında ve vanalarda meydana gelen basınç kayıpları (mm SS) Hesaplama yoluyla bulunan pompa basıncı, emniyet bakımından bir miktar artırılır veya % 0 % 5 kadar emniyet payı eklenir. 4.0 Kat Kalorifer Sistemi ve Isı Yalıtım Hesapları Doğalgazın konutların ısıtılmasında kullanılması kat kaloriferlerini gündeme getirmektedir. Merkezi ısıtma sistemlerinin, genel baca, genel kazan, daimi sıcak su gibi iyi yanları vardır. Özellikle, çevre kirliliği bakımından merkezi veya bölgesel ısıtma sistemleri bazı olanaklar sunmaktadır. Şöyle ki, bir çok baca yerine, tek bacaya filtre takmak daha ekonomiktir. Fakat, böyle bir durum kömürlü veya sıvı yakıtlı sistemler için geçerlidir. Doğalgazlı ısıtma sistemlerinde, atık gazlar bakımından çevre kirliliği pek söz konusu değildir. Yalnız, doğalgazın şiddetli yakımı ile oluşabilecek NOx gazlar, şehir atmosferinde artmaya başlarsa, tehlikeli olabilir. 344

345 Kat kaloriferleri, doğalgazlı ani su ısıtıcılar sayesinde daha kullanışlı ısıtma sistemleri olmaktadır. şofbenlerin geliştirilmiş şekli olan birleşik ısıtma cihazları, mutfağa, girişe, balkon duvarına monte edilebilmektedir. Kat kaloriferi tasarımı, genel anlamda, mekânın ısı yükünün belirlenmesi ve ona göre ısıtma biriminin seçimini gerektirir. Bir kat için yapılan, ısı yalıtım hesapları, benzer şekilde diğer katlar için de uygulanabilir. Kombili ısıtma sistemi geçerli olan ısı yalıtım projesi veya gerekli ısı yüklerinin belirlenmesi, bir kazan seçimi için de geçerlidir. Burada önemli olan, mekanın belirli bir sıcaklığa sahip olabilmesi için gerekli olan ısı yükünün bilinmesidir. Kalorifer tesisat projelerinde, genel tespitler yapılarak binanın planı, yapı tipi, yapı bileşenleri, genel rüzgar yönü, belirlenmelidir. Kat kaloriferi, daha açık ifadeyle tek bir dairenin kalorifer tesisatı için gerekli olan bilgiler, daire planı ile yapı malzemelerinin neler olduklarıdır. Örneğin, kirişler, kolonlar, tuğla duvarlar, döşeme ve pencereler hangi tip malzemelerden yapılmışlardır, bilinmeleri gerekir. Çünkü, ısı transfer hesaplarında yapı bileşenlerinin ısı geçirme durumları, malzemelerin cinslerine, alanlarına, kalınlıklarına göre değişmektedir. Kat kaloriferi projesinde, ısı yükünün belirlenmesinde şu işlem basamakları takip edilmelidir.. Daire planının sağlanması (veya kat planı). Dış ve iç duvarların kalınlıkları, malzemeleri 3. Çatının yapısı 4. Döşeme kalınlığı ve malzeme çeşidi 5. Pencerelerin tek camlı, çift camlı oluşları 6. Kapıların ahşap, metal veya plastik oluşları Isı Kaybı Hesapları İşlem Basamakları:. Duvar, kapı, pencere, döşeme gibi yapıların, malzeme özelliklerine göre, ısı geçirme katsayıları hesaplanır.. Hesaplanan katsayılara göre, ısı yükü şu formülden bulunur. Q = UA T 3. Her mekan (oda, salon, banyo, tuvalet) için ısı kayıpları aynı formülden hesaplanır. 4. Isı kayıpları toplanarak, genel ısı yükü belirlenir. 5. Ortama ısı transferi yapacak birimler seçilir. Bunlar, radyatör, konvektör, finli tür, döşeme (taban) içi borular olabilir. 345

346 6. Genel ısı yükü belirlenerek, ana ısı kaynağı seçilir. Buhar ve sıcak su kazanları, merkezi ısıtma ve bölgesel ısıtma sistemlerinde kullanılırlar. Eğer, hesaplanan ısı yükü, apartman, okul, hastane, site gibi büyük mekanlar için ise, o durumda, buhar kazanı ve eşanjör sisteminin seçimi gündeme gelir. Çünkü çok büyük ısı yüklerinin sağlanması söz konusudur. Oysa, bir dairenin ısı yükü, kombi adı ile bilinen, doğalgazlı ani su ısıtıcılar tarafından sağlanabilmektedir. 7. Kullanılacak birimler ve formüller Her maddenin ısı iletkenliği farklıdır. Bir maddenin standart ısı iletkenliği SI biriminde w/mk, metrik birim de kcal/mh C ile ifade edilir. Birimden anlaşılacağı gibi, m kalınlığında, m alanında bulunan bir maddenin bir tarafından diğer tarafına, C sıcaklık farkı altında geçirdiği ısı miktarına, o maddenin ısı iletkenliği denmektedir. Isı iletkenliği k veya l sembolleriyle gösterilir. Isı iletkenliğinin tersi, ısıl direnci verir ve birimi, iletkenlik biriminin tersidir. Isıl direnç = mk/w (veya mh C/kcal) k İngiliz birimleriyle Isıl direnç = [ft. h F/Btu) k Özellikle katı maddelerin içinden enlemesine ısı akımı iletkenlik terimi ile ifade edilirken, birim sıcaklık farkında birim alandan geçen ısı akımına, ısı geçirgenliği denir ve birimi kcal/m h C veya SI birimleriyle W/m ve Ingiliz birimleriyle Btu/ft h F dir. Isı hesaplarında, yüzey film katsayısı önemlidir. Yüzey ile hava arasındaki ısı transferlerini belirleyen katsayılar, fi ve fo sembolleriyle gösterilir. Bu faktörlerin, Proud ve Nusselt formüllerinden elde edilen Pr ile Nu ya bağlı olduklarını biliyoruz. Yüzey ısı transfer katsayıları olan f i ve f o nun α, α 0 sembolleriyle de ifade edildikleri bilinmelidir. Binaların ısı yalıtım hesaplarında f i, f o'nun değerleri hava akımı durumuna göre belirlenir. Rüzgar hızının m/s olduğu dış duvar yüzeyleri için f o = 0 kcal/m h C alınmaktadır. Rüzgar hızının daha yüksek olacağı yerler için f o nun değeri daha büyük olacaktır. Duvar iç yüzeyinde, yana ve yukarı ısı akımında f i = 7 kcal/m hc alınır. İç mekanlarda, döşemeden aşağı (düşey) yönlü ısı akımın olacağı varsayımında f i = f 0 = 5 kcal/m h C kabul edilmektedir. Isıl direnç, ısı geçirme katsayısının tersidir ve şu formülle bulunur. = U = f 3 R... + n x i = k Λ i= i i x + k x = k x + k x + k x + k x + k x k f o o o 346

347 Λ = x kalınlığındaki bir maddenin ısı akımına karşı gösterdiği direnç, iletkenliğin tersi (L : kava olunur.) Yapı bileşenlerinin her biri için R ler ve buradan U lar hesaplanır. Her bir yapı bileşe için ısı transfer katsayısı U lar, U, U, U 3 gibi adlandırılabilir. Formüldeki, x, x, x 3 ler, maddelerin kalınlıklarıdır. Bir odanın (kapalı hacım) genel ısı transferi veya ortalama ısı transferi: U o UA + U A + U 3A 3 = formülünden hesaplanır. A + A + A 3 Ortalama ısı transfer katsayısı, ısı yükünün bulunmasında kullanılır. Q = U A T o Burada, t Q = Genel ısı yükü (kapalı bir mekan için), kcal/h At = Toplam ısı transfer alanı, m U o = Ortalama ısı transfer katsayısı, kcal/m h C T = Sıcaklık farkı, C Yukarıdaki açıklamalarda görüldüğü gibi, ısı miktarının belirlenmesinde, genel ısı geçirme katsayısının değeri önemlidir ve doğru hesaplanmalıdır. Isı yalıtım hesaplarında başka ifadeyle ısı kaybı hesaplarında, İmar ve İskan Bakanlığının 30 Ekim 98 tarih 7499 sayılı resmi gazetede yayınlanan iklim bölgeleri haritası dikkate alınmalıdır. Bu yönetmeliğe göre Türkiye dört iklim bölgesine ayrılmktadır.. Bölge : Karasal iklimi kapsar; Orta Anadolu ile Doğu Anadolu bölgesinin bir kısmını içine alır.. Bölge : Ege, Marmara, Karadeniz ve Güneydoğu Anadolu Bölgelerini kapsar. 3. Bölge : Akdeniz ve Güneybatı Ege denizi kıyılarıdır. 4. Bölge : Erzurum, Kars, Ağrı, Hakkari bölgelerini içine alır. Isı yalıtım hesaplamalarında ele alınan bina veya tesis hangi iklim bölgesinde yer almakta ise, o bölge için İmar ve İskan Bakanlığının ilgili yönetmelikle tespit ettiği genel ısı geçirme katsayıları dikkate alınarak karşılaştırma yapılmalıdır. Isı iletim kat sayısı, İmar ve İskan Bakanlığı yönetmeliğinde bildirilen değerden daha küçük veya eşit olmalıdır. Bölgelere göre, İmar ve İskan Bakanlığı Yönetmeliğinde belirtilen genel ısı geçirgenlikleri şöyledir;. Bölge için U o =,65 347

348 . Bölge için U o =,30 3. Bölge için U o =,5 4. Bölge için U o =.00 Genel ısı geçirgenlik katsayıları, duvar, pencere ve döşemelerin yapı bileşenleri ile ilgili ısı geçirgenliklerini içine almaktadır. İlgili yönetmeliğe göre, depo, ardiye, ahır, garaj, ağıl, tamirhane., gibi ayrı (münferit) olarak inşa edilen yapılarda, ısı yalıtımı ölçütlerine uyulması gerekmemektedir. Ayrıca, bodrumla birlikte, iki katı geçmeyen, taş ve moloz yığma, kerpiç, ahşap karkas ve tuğla yığma yapılarda da yönetmelik hükümlerine uyulması koşulu aranmamaktadır. Yapı bileşenlerinin ısı geçirgenlik katsayılarını bulmak için başvurulacak kaynaklar şunlardır.. İmar ve İskan Bakanlığının yukarda sözü edilen yönetmeliği,. Türk standartları Enstitüsünün Isı Yalıtımı ile ilgili standartları, TS NO: 305/6/453/407/704/705/ Alman Normu : DIN 470/4703 Isıtılacak Mekanların Kabul Edilen Sıcaklıkları Hastaneler : T (C ) Hasta yatak odası ve muayene odası Eczane, laboratuvar ve röntgen odaları Merdiven, asansör boşluğu, koridor, bekleme salonu Hol ve tuvaletler Konutlar : Banyo Tuvalet, mutfak, giriş (antre) Duş yeri... + Yatak odası Oturma odası ve salonlar... + Merdiven ve asansör boşluğu Okullar : 348

349 Sınıflar Atölyeler (8) Konferans salonu Jimnastik salonu Bürolar : Sinema ve tiyatrolar Bir mekanın ısı kayıpları hesaplanırken, rüzgar etkisi, yön durumu, kat yüksekliği, hava sızıntısı gibi etkilerin dikkate alınması gerekir. Pratikte hava sızıntısı ile ortaya çıkan ısı kaybı önceki konularda değindiğimiz gibi şu formülden yararlanılarak bulunabilir. Uygulamalarda, formüldeki sızıntı hava debisi, iç mekanın geometrik hacminin yarısı olarak alınabilmektedir. H = 0,08 Q T T s ( )( ) h i o Burada; Hs = Btu/h yer değiştiren havanın ısı yükü cal Btu = 055 j x = 5 cal 4,86 j Btu kcal kcal = 0,5 = 3,967 h h h Btu h O h = Kaçak havanın debisi (ft 3 Geometrik hacım 3 /h) = (ft / h) T i = İç sıcaklık ( F) T o = Dış sıcaklık ( F) 0,08 = Havanın özgül ısı ve yoğunluğu ile ilgili katsayı Hava sızıntısı ısı kaybının hesaplanmasında kullanılan başka bir formül : H s ( R T)( η) = SLD Burada; R = İç mekanın hava akımı direnç katsayısı (0,9...0,7) T = Sıcaklık farkı, C S = Sızdırmazlık katsayısı, m 3 /mh L = Kapı veya pencerenin açılan kısmın uzunluğu, m D = Bina durum, katsayısı 349

350 η = İki dış duvarında da pencere olan odalar için,0 ve diğer odalar için alınan emniyet katsayısı İngiliz birimleriyle verilen formülün metrik birimlerle ifadesi şöyledir : H s = nρc TQ p h Burada; Hs = Kaçak ısı miktarı, kcal/h ρ = Havanın ortam sıcaklığına göre yoğunluğu kg/m 3 Cp = Havanın özgül ısısı, kcal/kgc T = İç ve dış sıcaklıklar farkı, C Qh = Isıtılacak mekanın geometrik hacmi (m 3 /h) n = İç mekanın hava değişim sayısı Pratik olarak, iç mekan hacminin yarısının saatte bir değiştiği kabul edilmektedir. Formüllerdeki kat sayıların değerlerini, bu konuda verilen TS lerde, İmar ve İskan Bakanlığı tarafından hazırlanan 30 Ekim 98 tarih ve 7499 sayılı yönetmelikte ve bu iki kaynağa dayanılarak hazırlanan, Makine Mühendisleri Odasının 84, yayınında bulmak mümkündür. 4. Kombili Kat Kalorifer Projesi (Örnek) Projenin konusu : Net kullanım alanı 03,43 m olan iki oda, bir salon, mutfak, banyo, tuvalet donanımlı, yedi katlı binanın ikinci katında yer alan daireye kat kaloriferi döşenecektir. Binaya doğalgaz bağlantısı yapılmış olması nedeniyle, ev sahibi, kombili ısıtma sistemini tercih etmiştir. Bina Ankara da olup seçilen en düşük dış sıcaklık C dir. 350

351 Şekil 4.5- Tam kat daire planı Özel Durumlar Duvarlar : Kolonlu, tuğla örmeli, içten ve dıştan sıvalı Pencereler : Tek camlı Tavan ve taban döşemeleri : Arakat döşemesi 35

352 Isı Geçirme Katsayılarının Hesaplanması I. Dış Duvarlar: Şekil Duvardan ısı giriş çıkışı x = Λ k x + k x + k 3 o Toplam ısı geçirme direnci 3 = 0, , ,475 = 0,56 m h C / kcal U = f i + + Λ f o = 7 + 0, Toplam ısı geçirme katsayısı : o o = 0,788 m h C / kcal U =,4 kcal/m h C U 35

353 .İç Ara Bölme Duvarlar Şekil Ara bölme duvardan ısı giriş çıkışı Direnç R = U = f i + + Λ f o o = + 0, = 0,589 m h C / kcal 7 7 Isı geçirme katsayısı U =,7 kcal/m /h C 3. Ara kat döşemesi : 353

354 354 Isı akımı yukarı doğru : 0,34 k x k x k x k x k x = = Λ Direnç 7 0,34 7 f f U R o i + + = + Λ + = = Direnç , R = Isı geçirme : C h kcal/m, ,4974 R U o y = = =

355 Isı akımı aşağı doğru : Direnç ; R = R = 0,534 U = f i + + Λ f o = 5 + 0, Isı geçirme : U = = R 0,534 a =,87669 kcal/m h o C IV. Betonarme Kirişler Şekil4.8 - Beton kirişlerde ısı giriş çıkışı V. Kapı ve pencereler Ahşap camsız dış kapı...u = 3,0 kcal/m hc 355

356 Ahşap tek camlı iç kapı...u = 4,5 kcal/m hc Kasalı çift kanatlı pencere...u =, kacl/m hc İç kapılar...u = kcal/m hc Boyutlar ve yapı bileşen sembolleri : Boyutlar : Kalınlık x Uzunluk x Yükseklik = WLh Sembolü Dış kapı : 0,04 x 0,90 x,3... DK Dış duvarlar : 0,4 x L x,8 (L değişken)... DD İç duvarlar : 0,4 x L x,8 (L değişken)... D İç kapılar : 0,03 x 0,90 x,3... İK Balkon kapıları : 0,03 x 0,80 x,3... BK Döşeme... DÖ Tek pencere... TP Kasalı çift kanatlı pencere... ÇKP Tavan... TA Çift camlı pencere... Ç.C.P Çizelgede kullanılan semboller Birimi (cm) W = Kalınlık... cm U i = Yapı bileşenin sı geçirme katsayısı... kcal/m h o C T i = Seçilen ortamın iç sıcaklığı... o C T o = Seçilen ortamın dış sıcaklığı... o C T = Sıcaklık farkı ( T = T i To)... o C L h = Yapı bileşenin uzunluğu... m = Yükseklik... m A = Isı geçiş yüzey alanı... m n = Aynı özellikteki yapı eleman sayısı

357 A x = Çıkarılacak alan,... m A n = Net alan... m Q = Hesaplanan ısı miktarı (Q = UA T)... kcal/h Z = Emniyet payı, % olarak... Q z = Emniyetli ısı miktarı... kcal/h Tablo 4. Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü Sembolü Ortam Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Giriş Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) DK 3,00 -,00 8,00 30,00 0,90,30,07 0,00,07 86,30 0, DD 4,00,30 0,00 8,00 8,00 3,50,80 9,80,07 7,73 80,39 0, İK,00 6,00 8,00 8,00 0,90,0,89 0,00,89 30,4 0, İD 4,00,70 6,00 8,00 8,00,50,50 6,5,89 4,36 59,30 0, İD 4,00,70,00 8,00 4,00 3,50,80 9,80,89 7,9 53,79 0, İK,00,00 8,00 4,00 0,90,0,89 0,00,89 5, 0, DÖ 5,40,70 0,00 8,00 8,00,70 0,00,70 7,7 0, Ta 5,40,43 0,00 8,00 8,00,70 0,00,70 45,9 0, Hs 5,9 Antre için toplam ısı yükü 896,06 0, 985,67 357

358 Tablo 4. Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü Ortam Sembolü Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) DP ,3 0,3 0,09 0 0,09 0,8 WC DD 4, ,75,8 4,9 0 4,9 50,96 DD 4, ,5,8 3,5 0,09 3,4 06,39 D 4, ,75,8, 0, 8,56 DÖ5,4, ,8 0,8 9,648 Ta 5,4, ,8 0,8 4,939 Hs 40,40 WC için toplam ısı yükü 9,44 0, 30,583 Tablo 4.3 Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı Sembolü utfak Ortam Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) DD 4, ,5,8 9,8 0 9,8 0,9 DD 4, ,8 8,4 3,78 4,6 44,4 BK ,8,,68 0,68 5,00 ÇP,8-8 30,75,, 0, 76,40 İD 4, ,5,8 9,8 0 9,8 33,3 DÖ 5,4, ,5 0 0,5 4,80 Ta 5,4, ,5 0,5 0, Hs 00,70 358

359 Mutfak için toplam ısı yükü 7,40 0, 88,544 Tablo 4.4 Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü Ortam Sembolü Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) Banyo İD 4, ,75,8 4,9 0,09 4,8 6,66 DP ,3 0,3 0,09 0 0,09 4,4 İD 4, ,75,8, 0 8,56 İD 4, ,5,8 7,89 5, 69,5 İK ,9,,89 0,89 30,4 ID 4,7 6 4,5, ,6 İD 4, ,5, , DÖ 5,4, ,5 0 6,5 70 Ta 5,4, ,5 0 6,5 43 H s 9,47 Banyo Toplam Isı Yükü 979,63 0, 077,593 Tablo 4.5 Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü 359

360 Ortam Sembolü Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) Yatak Odası DD 4, ,8,,8 9,4 39,04 ÇP, - 0 3,5,,8 0,8 6,7 İD 4, ,5,8 9,8 0 9,8 33,3 İD 4,7 0 7,5,8,89 9, 64,974 Hs 78,8 Yatak odası için toplam ısı yükü 894,86 0, 984,3504 Tablo 4.6 Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü Ortam Sembolü Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü Oturma Odası W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) DD 4,3-34 3,5,8 9,8, ,6 ÇP, - 34,5,,8 0,8 34,64 İD 4, ,75,8 8,9 0 8,9 8,5 0, Hs 500,9 Oturma odası için toplam ısı yükü 7,67 9,437 Tablo 4.7 Mekan Alan, Sıcaklık, İletim Katsayısı, ToplamIsı Yükü 360

361 Ortam Sembolü Kalınlık İletim Katsayısı Dış Sıcaklık İç Sıcaklık Sıcaklık Farkı Uzunluk Yükseklik Alan Çıkarılacak Alan Net Alan Sayısı Hesaplanan Isı Yükü Emniyet Payı Emniyetli Isı Yükü W U T o T i T L h A A x A n n Q=UA n T Z Qz=Q(+Z) Salon DD 4,3-34 7,8 9,6 8,8,3 500,34 ÇP, ,5, 6,6 0 6,6 493,68 BK 5, ,8,,68 0,68 97,0 İD 4, ,8 9,6,89 7,7 0,43 İK, 8 4 0,9,,89 0,89 6,63 0, Hs 787,7 Salon için toplam ısı yükü 5,78 436,806 Tablo4.3 Hava Akımı İle Kaybolan Isının Hesabı Ortam A(m ) Y (m) B.Ç Q (ft 3 ) Q/ (ft 3 ) K.S Ti(C) To(C) T (C) T (F) B.Ç H s Salon 38, , , 0,5 787,7 Y.Odası 4, , ,6 0,5 78,8 O.Odası 3,5, ,08 3,5-35,5 95,9 0,5 500,9 Giriş 8, , ,5 5,9 Mutfak 0,5, ,5 0, ,5 00,70 Banyo 6,5,8 35 6,5 306,3 0, ,5 9,47 WC,, ,8 0,9 0, ,5 40,4 36

362 Tablo 4.4 Kullanılacak Kalorifer Peteklerin Dilim, Boy, Alan Durumları (Hesaplamalara dayanan yaklaşık veriler Ortam Hesap edilen Dilim Petek yüzey Petek Petek sayısı x dl x Isı Miktarı sayısı Alanı m Yüksekliği (cm) boy Antre 985 5,77 50 x4x50 WC 30,58 5 0,90 50 x0x5 Banyo 077,59 7 3,03 50 x7x50 Mutfak 88,54 0 3,6 50 x0x50 Yatak Odası 984,34 5,77 50 x5x50 Oturma Odası 9,43 9 3,46 50 x0x50 Salon 436,8 38 6,85 50 x0x50 Toplam kcal/h) 83,8 3,4 Açıklama : Hacimsel kapalı bir mekanın sıcaklığını, akış sıcaklık T o 'ya karşı sürekli T i 'de tutabilmek için gereken ısı yükü. A : Taban alanı, m Y: Yükseklik,m B.Ç: m 3 birimini f 3 e çevirme Q: Ortamın geometrik alanı, ft 3 Q/: Ortamın geometrik alanın yarısı, ft 3 K.S: Formül kat sayısı T i, T o : İç ve dış sıcaklıklar, o C T : İç ve dış sıcaklık farkı, o C ve o F birimlerinde B.Ç: Btu (İngiliz ısı birimi ) birimini kcal birimine çevirme H s : Hava akımı ile kayıp olan ısı, kcal/h Lt/dl-cm: litre, dilim, cm 36

363 H s Kaçak ısı miktarının açıklanması: Hs = 0,08 (Qh) ( T) den hesaplanır. Hs = Btu/h (Ortam hacminin yarısı kadar havanın yer değiştirmesi ile kaybolan ısı yükü) Qh... = Mekan hacminin yarısı (ft 3 Ah 3 /h) Qh = Q h = (ft / h) Katsayısı: 0,08 T = Sıcaklık farkı ( F), [ o C] [ F] Çevrilmesi: T = [ (T i T o) o C] x,8 + 3 = [ F] Bunu kcal/h çevirmek için formüle katsayı konur. cal Btu = 055 j x = 5 cal=0,5 kcal 4,86 j Hs = 0,08 (Q h ) ( T) (0,5) Geometrik hacmin yarısı: 44 ft 3 9 m x,8 m=5, m 3 Yarı Hacim 5, m 3 /=,6 m 3 m 3 Ft 3 e çevriliş:,6 m 3 x 35 ft 3 /m 3 =44 Diğer H s değerleri de aynı yöntemle hesaplanmıştır. Qt = Qz + Hs Qz = Q (+Z) den hesaplanır. Z = 0 olması halinde Qt = Q + Hs Kombi tipi kat kaloriferinin ısı kapasitesi, dağıtma ve toplama borularında kaybolan ısıyı telafi edecek bir emniyet payı ile hesaplanan ısı miktarının çarpımına eşit olacaktır. Dolaşım boruları iç mekanda olduğundan Zp = 0,05 alınabilir. Sistem 90 C /70 C şeklinde çalıştırılırsa, sıcaklık farkı 0 C olacaktır. Radyatörlerde 80 C lik sıcaklık sağlanmalıdır. Çünkü radyatörlerin ısı verimleri 80 C lik sıcak suyun bulunmasına bağlı olarak belirlenmiştir. Isıtılabilecek su miktarı 363

364 Qsu = Qk = mc T Suya verilen ısı kalorifer ısıtma sistemi (kombi) nin kapasitesine eşit olmalıdır. Burada; m = Dolaşımdaki su debisi kg/h T = Sıcaklık farkı ( T = 0 C) kcal C = Suyun ısıl kapasitesi kg C Qk = 8530*,337kcal/h Q t 8530,33 kcal/h m = = o C T kcal/kg C 0 o ( C) o = kcal o kg C = 46,5kg/h 7,0 lt/dk Yukarıdaki hesaplamalar altta çizelgede topluca gösterilmiştir. Buna göre, 7 lt lik genleşme kabı ve 8500 kcal/h ısı kapasitesine sahip bir kombi cihazı, projeye konu olan dairenin ısıtılmasında yeterli olabilir. Dolaşımdaki suyun debisi, seçilecek pompanın debisi olacaktır. Kombili kat kaloriferi uygulamalarında, sistem basıncı 3 bar g i geçmemektedir, seçilecek pompanın 3 bar lık basıncı sağlaması yeterlidir. 364

365 Kaloriferin günde ortalama şiddette yakıldığını varsayalım. Günlük gaz harcaması,63 m 3 olur. Doğalgaz m3 =0,64 kwh Doğalgaz Fiyatı (08)=,3 ( TL 3 Kuruş) TL/m3 Günlük Gaz Maliyeti=,63m3 x,3tl/m3=3,49 TL Aylık = 3,49 TL/günx 30 gün=394,57 TL Kombi Alırken Nelere Dikkat Etmek Gerekir:. Kombiler ve üretici firmalar hakkında ön bilgi edinmekte yarar var.. Komşulara ve bu konuda teknik bilgisine güveneceğiniz kişilere sormak hazır bilgilere ulaşmanın en kestirme yoludur 3. Firmaların teknik servis olanakları ve garanti vermeleri hakkında bilgi sahibi olunmalı 4. Alınacak cihazın emniyet durumu hakkında teknik bilgi edinin. Otomatik gaz kesme özelliğinin olmasına dikkat edilmeli. 5. Yakıt tasarrufunu da dikkate almak gerekir. 6. Kaliteli malzeme kullanıldığından emin olunmalı. 7. Hatta bir kombi tamircisine gidilerek alınacak kombide sık rastlanan problemler nelerdir öğrenilmeli. 8. Kombiyi çalıştırmadan almamakta yarar vardır. Hatta verimli yanıp yanmadığını öğrenmek en iyisidir. İç yapısı hakkında da bilgi edinilmelidir. Elektronik ateşlemeli ve otomatik kontrollü olması istenmesi gereken özelliklerdir. 365

366 9. Pompanın ve eşanjörünün dayanıklı malzemeden yapıldığından emin olmak gerekir. Çünkü bu iki eleman en çok yıpranacak elemanlardır. 0. Kombinin hem tüp gazla hem de doğal gazla çalışması seçenekli olması bakımından önemlidir. Bu iki seçeneğin var olmasına dikkat edilmelidir.. Kombinin standartlara uygun olarak imal edilip edilmediği öğrenilmeli, üzerinde ISO 900 ve TSE damgaları görülmelidir.. Sirkülasyon pompası çalışmadan gaz yolu açılmamalıdır. Bu otomatik özelliğin olduğundan emin olunmalıdır. 3. Gaz kaçağı emniyet duyargası olmalıdır ve cihazı otomatik olarak durdurmalıdır. 4. Baca gazı duyargasının olmasına dikkat edilmelidir. Bu duyarga bacanın çekmemesi durumunda kombiyi devre dışı bırakır. 5. Su basıncına duyarlı duyarga ise düşük su basınçlarında kombiyi durdurmalıdır. 6. Çevresine zararlı gazlar yayıp yaymadığı hakkında da bilgi sahibi olunmalıdır. Bu konudaki OKOTECH damgası görülmelidir. 7. Kombiyi cihazın alındığı firmanın kontrolünde monte ettirmeli, montajda kaliteli malzeme kullanmaktan kaçınılmamalı. Şekil Tipik kombi teknik özellikleri 4. Sıvıların Daldırılmış Yanmayla Isıtılması a) Daldırılmış Duman Borulu Isıtıcılar 366

367 Isı transferini en yüksek düzeyde sağlamak amacına yönelik bu tür uygulamalarda, yanma odası,baca gazları borusu ısınacak sıvı veya ortamın içine daldırılmıştır. Isı transferi ile sağlanan verimin % 90 ların üstüne çıktığı saptanmıştır. Ne var ki bu tür ısıtma yöntemleri küçük hacimdeki sıvılara uygundur. Büyük hacimli tankların daldırılmış baca gazı borularıyla ısıtılması pratikte uygulanan bir durum değildir. Ancak, ufak hacimli bir tanka alınan soğuk sıvı, burada ısıtıldıktan sonra büyük tanka bir pompayla taşınırsa, ısıtma işlemi büyük tanklara da uygulanmış olur. Şekil 4.0 Daldırılmış duman borulu ısıtma düzeneği Brülöre verilen gaz ve yanma hava karışımının hızı, sıcaklığın düşmesine karşın dışarı çıkacak kadar olmalıdır. Ufak boyda bir tankın içindeki sıvı (su), seviye kontrol (LC) aleti ile kontrol edilen bir vana ile içeri alınmakta, istenen sıcaklığa erişen sıvı, termostat kontrollü, sıcaklık kontrol vanası ile boşatılır. Bu sistem, endüstrinin bir çok dalında kullanılmaktadır. a) Tekstilde boyama işleri b) Seracılıkta 367

368 c) Beyaz eşya boyama işlerinden önce metal yüzey temizlemelerinde d) Yıkama işlerinde b) Sıvı İçinde Çıplak Yanma İle Isıtma: Bu ısıtma sisteminde, duman boruları yer almaz. Yanma odası 0,5 m dolayında olabilir. Derinlik ısıtılacak sıvı derinliğine bağlı olmakla birlikte, yanma gazlarının sıvı içine yayılarak kabarcıklar halinde dışarı çıkabilmesi ve böylece ısılarını % 90 nın üzerinde sıvı ortama bırakabilmeleri için, yanma odası çıkışının belli derinlikte olması gerekir. Buna göre 0,75 m lik bir sıvı derinliği yeterli sayılabilir. Yanma odasından çıkan yanma ürünleri basıncı sıvının sahip olduğu basıncı veya atmosferik tankları da hidrostatik basıncı yenecek büyüklükte olmalıdır. Şekil 4. Çıplak yanmalı daldırılmış ısıtma 368

369 Ayrıca, sıvının yanan brülör alevi üstüne püskürtülmesi şeklinde yapılan ısıtma düzenekleri de vardır. Konut ve iş yerlerinde doğalgaz hattı bağlanması, projesinin yapılması ve tesiastının döşenmsi işlerinde uygulanan kurallar, standartlar ve kabul edilen boyut, çap, basınç verileri aşağıda sıralanmıştır.. Bina içi tesisatlarda, basınç hesabı TS 7363 e göre yapılır.. Basınç sınırları: Orta = 300 mb 5m/sn, Alçak= mb 6 m/sn 3. Her bağımsız birime kolon dalından verilecek debi 3,5 m 3 /h olmalıdır. 4. Konutlarda : Ocak + Kombi veya Ocak + Şohben toplam debi bağımsız bölüme verilemsi gerek asgari debidir. 5. Kombi, Ocak, Şohben gaz yakıt miktarları m 3 /h olarak teknik dökümanlarında verilir. 6. Eş zaman faktörü, kolon proje hesaplarında dikkate alınmalıdır. Bu faktörün anlamı şudur; bir binada, katlarda kaç daire varsa, bu dairelerde bulunan Ocak+ Kombi ikilisinin aynı anda yandıkları varsayılır. Buna göre kolon debisi belirlenir. Bina elektrik yükünün belirlenmesi gibi, tüm konutlarda ya da iş yerindeki ekipmanların tümünün aynı and tepe akım çektikleri dikkate alınarak kablo çekimi yapılır. Jeneratör seçiminde de aynı varsayım uygulanır. 7. Bazı binalarda, çatı katı yada ikili (dubleks) daire olması halinde, tbölümler tapuda bir ise, buralara kolondan ayrı branşmanla gaz vermeye gerek olmaz ancak, tapuları ayrı ise bağımsız bölüm gibi ayrı kol ile gaz bağlantısı yapılır. 8. Konutlarda ve iş yerlerinde ısı ve sıcak su sağlayıcı olarak kullanılan cihazların gaz debileri altta listelenmiştir Cihaz Adı Kapasite (kcal/h) Debi (m³/h) Ocak Fırın ve 4 bekli,6 Kombi ,5-3, Şofben ,-0,7 Soba 9000, Konutlara sayaçtan verilecek gaz debisi, konutta bulunan listedeki cihazlardan hangileri varsa, debileri toplanır ve hepsinin aynı anda tepe değerde gaz yaktıkları varsayılır ve ona göre gaz debisi bulunur, sayaç da bulunan debiye göre seçilir. Rusya dan gelen gazın alt ısıl değeri 850 kcal/m 3 olarak kabul edilmişitir. Tablo 4.5 Cihaz tüketimmiktarları 369

370 Çay kazanı ve kombisi olan ufak bir iş yerinin cihaz listesi, tüketim miktarı, altta bu işyerinin boru çapı ve basınç kaybı hesabı görülmektedir. Kolon basıncı < mb, krtik hat basıncı <0,8 mb az olmalıdır. A-Cad çizimlerinde, debi, basınç hesapları projede bulunan cihazlara göre hesaplanmaktadır. Ancak, bu işlemler, Gaz Dağıtım Şirketlerince kabul olan iki program tarafından kolayca yapılabilmektedir. 370

371 . ZetaCad,. GasLine, Bu iki programdan herhangi biri kullanılabilir. Programlar, yukarda çizelgede gösterilen basınç, debi, kolon, iç tesisat, kazan dairesi, servis hattı gibi tüm proje işlemlerini ayrıntılı ve görsel olarak yapmaktadır. Programlar, teknik donanım gerektirmeyecek kadar kolay kullanım sunmakta, hataları, hata listesinde gösterip projeyi yapanı uyarmaktadır. Yukarda, bilgisayar veya el ile yapılan ısı kayıpları, basınç düşümleri, boru çapları, debi gereksinimleri, kalori değerleri bu iki program tarafından işlenip projeyi paket halinde hazır hale getirmektedir. Bu nedenle, söz konusu programların kullanılması, hem Gaz Dağıtım Şirketlerine, hem de proje tesisat firmaların kolayına gelmektedir. Bir bakıma programlar, proje tesisat firmaları mühendislik hesapları yapmaktan kurtarmakta, hem de Gaz Dağıtım şirketlerin, proje tesisat firmaların yaptıkları işlerin kontrolünü kolaylaştırmaktadır. Doğalgaz gibi risk faktörünün en üst düzeyde olduğu akışkanla ilgili proje ve hesapların doğruluğu, standartlara uygunluğu çok önemlidir. Bu bakımdan, bu programları kullanan firmaların, Gaz Dağıtım Şirketlerine hatalı proje sunmaları olanaksız hale geliyor çünkü program hatalı projeyi online gönderilmesine izin vermemektedir. Hatalı proje düzeltilmedikçe, gönderme işlemi gerçekleşmemekte, iş bu yüzden, programlar her iki taraf için de yararlı olmaktadır. Proje teisat firmaları, ilgili programaları kullandıkları için, her bir proje için, programcı firma hesabına belli bir ücret ödemekle yükümlüdür. Ayrıca, Gaz Dağıtım Firmaları da, proje kontrol ve kabul için, proje sunum ücreti almaktadır. Bu durumda, programcı firmaların kazançları, firma ve proje sayısınca, her gün, her saat, kar topu gibi artmakta, firmalar bu giderler karşısında zor duruma düşmekte ve deyim yerindeyse sürekli yolunmaktadır. Tablo 4.6 Endüstriyel cihazların debileri, gazın alt ısıl değerine (850 kcal/m 3 ) ve cihazların verimliliklerine göre belirlenmektedir. Cihaz Boyut (cm) Kapasite (kcal/h) Tüketim (m 3 /h) Bek Ø 0500,7 Bek Ø6 3500,64 Bek Ø8 5000,8 Bek Ø3 6000,94 İkili Bek Ø ,76 Ø6 Kuzine Altı Fırın ,97 Pasta Fırını 0000,4 37

372 Benmari ,5 Boru Bek ,85 Radyant Göz ,48 Q (Debi)=Kapasite(kcal/m3)/(850 (kcal/m3)* 0,90) = 9. Boru Çapı Hesapları! "!,#!=m3 /h Servis kutusu, bina girişinde, duvara yaslı olarak monte edilebilir. İçinde kesme vanası, basınç göstergesi, regülatör bulunur. Konutlar için, regülatör çıkış basınıcı mb a yaralıdır. S 00 ve S 300 tip kutular kullanılmaktadır. Kazan dairelerinin regülatör çıkış basıncı 300 mb a ayarlıdır. Regülatör giriş tarafında gaz basıncı - 4 bar arasında olur. Gaz geliş borusu ile regülatör arasında esnek spriyal bağlantı yapılır. Başkentgaz ın kabul ettiği esaslar çerçevesinde, aşağıdaki proje hesapları ve formüller kullanılmalıdır. Servis kutusu ile cihaz bağlantıları arasında, kritik devre toplam basınç kaybı P,8 mb 0. Konut kolon hattı basınç kaybı P mb geçemez,. İlave projelerde daire içi tesisatlarda sayaç vanası ile cihaz arasındaki basınç kaybı P 0,8 mb olmalıdır,. Daire,kazan dairesi ve dükkan sayaç çıkışı ile cihazlara kadar kritikdevre basınç kayıbı P KR 0,8 mb, dağıtım hattında P 0,3 mb olmalıdır. 3. Hattaki basınç, cihazın mini. çalışma basıncının altına düşmemelidir. 4. İçerisinden 50 mbar veya daha düşük basınçlarda gaz geçen ve gaz debisi 3 m³/h den küçük tesisatlar Toplam basınç kaybı aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. PΣ = P R + P Z + P H PΣ = Toplam basınç kaybı, P R/L = Sürtünme kaybı mb/m P Z = Direnç kaybı PH = Yükseklik farkı kaybı 37

373 5. İçerisinden 50 mbar veya daha düşük basınçlarda gaz geçen ve gaz debisi 3 m³/h den büyük tesisatlar Toplam basınç kaybı aşağıdaki eşitlikle hesaplanır. P - P = 3, R Q,8 / D 4,8 V= 353,677 Q / (D P ) P R/L=P - P Burada; P: Giriş basıncı (bar) (mutlak ) P: Çıkış basıncı (bar) (mutlak) R: Gaz sabitesi (R = 0,6 alınır) Q: Gaz debisi (m³/h) D: Boru iç çapı (mm.) V: Hız (m/sn) olarak alınmıştır. Not - V 6 m/sn olmalıdır. mbar için mutlak basınç,0 50 mbar için mutlak basınç,05 alınmalıdır. İçerisinden 50 mbar üstü basınçlardaki gaz geçen tesisatlarda boru çapı hesabı P P = 9,60 L Q,8 / D 4,8 V= 353,677 Q / (D P) Burada: P: Giriş basıncı (bar)(mutlak) P: Çıkış basıncı (bar)(mutlak) L: Eşdeğer boru boyu ( m) Q: Gaz debisi (m³/h) D: Boru iç çapı (mm.) V: Hız (m/sn) Not - V 5 m/sn (konutlarda ve ticari mahallerde) veya V 5 m/sn (endüstriyel veya büyük tüketimli tesislerde) olmalıdır. Bu hatlar için basınç kayıpları göz önüne alınmaksızın sadece seçilen çaplara göre hız kontrolü yapılır. PZ=3,97*0-3 * ξ*v (Bağlantı elemanlarında oluşan direnç kaynaklı basınç kayıpları, bunlar; dirsekler, vanalar, çap düşürücüler v.b. ) PH=0,049*h Hattın yükseklik farkından dolayı ortaya çıkan (+) veya (-) yönlü basınç değişimi. Gaz hatlarında, gazın yukarı dikey akış yönünde, PH (+) işaretli, başka ifadeyle hat basınıcını artıcı yönde, gazın aşağı düşey yönde akışında ise 373

374 PH (-), hat basıncını eksiltici yöndedir. Sıvılarda bu durumun tamamen tersi olur. 374

375 XV. BÖLÜM KOROZYON OLAYI VE MALZEME SEÇİMİ. Giriş.... Korozyon Çeşitleri Korozyon Oluş Biçimleri Korozyon Olayı ile İlgili Özet Bilgiler Sudaki Korozyonu Etkileyen Durumlar Korozyon Hızının Belirlenmesi.... Giriş Korozyon, maddenin (Genelde metaller) bozunması ya da çevreyle tepkimeye girmesinden dolayı özelliğini değiştirmesidir. Bu anlamda korozyon geniş kapsamlıdır. Bu tanımın içine plastiklerin bozunması da sokulabilir. Dolayısı ile korozyon mühendisliğinin içine genel olarak maddenin bozunması olayı girmektedir. Çevrenin, basınç, sıcaklık, nem gibi atmosferik etkileri ve fiziksel, biyolojik olguları korozyon oluşumunda yer alır. O nedenle çevre bu yönlerden incelenerek ortama en iyi uyabilen ve sayılan etkilere dayanabilen malzemenin seçimi önemli bir konudur. Korozyon olayı yavaş ilerler. Sinsi bir hastalık gibidir. Zaman içinde sanıldığından daha çok kayıplara yol açar. ABD de yapılan bir araştırmaya göre yılık korozyondan dolayı oluşan kayıp değer toplamın 0 5 milyar dolar civarında olduğu hesaplanmıştır. Bu küçümsenmeyecek büyüklükteki kayıp korozyon mühendisliğinin gereğini ortaya koymaktadır.. Korozyon Çeşitleri a) Kimyasal korozyon b) Elektro kimyasal korozyon c) Fiziksel korozyon 375

376 Kimyasal korozyonda, metal, uygun ortamda, kendi çevresi ile tepkimeye girer. Örneğin, sulu ortamda demir oksitlenir başka ifadeyle demir hidroksit haline döner. Elektro kimyasal olayda anot, katot ve geçirgen ortam (Elektrolit) üçlüsünün varlığı gereklidir. Bu sistem bir akım devresi oluşturur. Korozyon olayında etkin olan etmenler genel olarak şunlardır: Sıcaklık, Emf (elektro kimyasal gerilim), Isıl işlem, Yüzey koşuları, Erozyon, Radyasyon, Kirlilik, Zaman, Basınç, Biyolojik ortam, Ortamdaki oksijen miktarı...vb. Korozyon alanları şu üç kümeye ayrılabilir: Sıvı içerikli ortam, Gaz içerikli ortam, Katı içerikli ortam, Bu üç akışkanın karışık olduğu ortam... Korozyon yapan gazlar genelde şunlardır: Oksijen, Klor, Hidrojen sülfür, Su buharı, Hidrojen Korozyon Oluş Biçimleri 3. Elektro kimyasal olay, 3. Asitlerin yaptığı korozyon, 3.3 Oksijen taşıyan kıvamlı (Kolloidler) akışkanlar, 3.4 Oksijen korozyonu, 3.5 Yüzey kabuk (Film) etkilenmesi, 376

377 3.6 Peroksit (H O) ile tepkime... Galvanik tepkimede metallerin elektron potansiyel sıralaması önemlidir. Metaller aktif pasif sıralamada ev değerlerine göre yer alırlar. Aktif uç ile pasif uç arasındaki dizide deniz suyu içinde galvanik özellik gösteriş durumlarına göre magnezyumdan başlayarak platine kadar bir sıra oluştururlar. Buna göre pasif metalden aktif metale doğru bir sıralama ortaya çıkar. En önemli metallerin aktif pasif sıralaması Platin Altın Karbon (grafit) Gümüş Paslanmaz çelik Titanyum Krom Tablo. Metallerin standart gerilim sırası Metal İyon Gerilim (Volt) Lityum... L... +,9 Rubidyum... Rb... +,93 Potasyum... K... +,9 Strotiyum... Sr... +,90 Baryum... Ba... +,87 Kalsiyum... Ca... +,7 Sodyum... Na... +,40 Magnezyum... Mg... +,70 Alüminyum... Al... +,69 Berilyum... Be... +,0 Manganez... Mn... +0,76 Çinko... Zn Krom... Cr Demir... Fe... +0,44 Kadmiyum... Cd... +0,40 İndiyum... In... +0,34 377

378 Talyum... TI... +0,33 Kobalt... Co... +0,8 Nikel... Ni... +0,3 Kalay... Sn... +0,4 Kurşun... Pb... +0, Demir (Ferik)... Fe... +0,04 Hidrojen... H... +0,00 Antimon... Sb... 0, Bizmut... Bi... 0,3 Arsenik... As... 0,30 Bakır... Cu Telluryum... Te... 0,56 Gümüş... Ag... 0,80 Civa... Hg... 0,80 Palladyum... Pd... 0,8 Platin... Pt... 0,86 Altın... Ag...,36 Altın... Ag...,56 Gerilim verme bakımından değişik iki metalden bir devre oluşur. Örneğin çinko ile bakır asidik ortamda elektron akımı sağlayan bir yapı oluştururlar, bu yapıda elektronlar çinkodan bakıra doğru akar. Çinko korozyona uğrayan metaldir. Pillerin yapısında bu olay açık olarak gözlenebilir. Pilin "bitmiş" olması, elektron akımının durması ve çinkonun uğradığı korozyon nedeniyle artık özelliğini kaybetmesi demektir. Elektrolit içinde elektron veren elektrota "anot", elektrolitten elektron alan bu elektronları kendi üzerine toplayan elektrota "katot" denir. Bir elektrottan diğer elektrota elektronun taşınabilmesi için iletici ortamın varolması gerekir; asitler, bazlar, tuzlu sular elektrik akımını ileten iletici sıvılardır ve "elektrolit" olarak görev yaparlar. Standart elektrot gerilimler ortamın sıcaklığı, elektrot yüzey koşulları, çözünen maddelerin konsantrasyonu gibi etkenlerle değişikliğe uğrar. İki metalin elektron iletici ortamda pildeki olaya benzer şekilde oluşturdukları akım alanına "Galvanik devre" denir. Diyelim ki bir bakır ile döküm demir toprak altında yan yana bulunmaktalar ve toprak elektron iletici özelliğe sahip, başka deyişle elektrolit görevini üstlenmiş olsun. İşte böyle bir yapı "Galvanik pil" gibi davranır. Bakır "katot" ve demir "anot" olacaktır. Anot olan demir katot olan bakırdan daha çok korozyona uğrayacaktır. 378

379 Metallerin galvanik pil oluşumu yoluyla uğradıkları korozyon türü elektro kimyasal korozyona girmektedir. Elektrolit ortamda metal "anot ucu", "katot ucu" ise metalin içinde bulunduğu çevre oluşturmaktadır. Metal yüzeyi elektrolitle doğrudan dokunum yapmaktadır. Bir cam kabın içine tuzlu su konmuş olsun. Bu suyun içine bir metal bırakalım, anot (metal) tan katot (su) a doğru elektron akımı akmaya başlar. Toprak içinde nemli ve tuzlu ortamdaki metal, çevresine elektron veren bir elektrottur ve bu nedenle sürekli aşınır, metal kaybına uğrar ve yüzeyinde oyuklar oluşur.metalin bu görünümü korozyona uğradığını gösterir. Buraya kadar korozyonun oluşumu ve nedenleri konusunda bazı bilgiler verildi. Korozyon olayının tüm ayrıntıları ile anlatılması ayrı bir kitabın konusu olabilir. Burada amaç, metallerle ilgilenenlere korozyon olayını anımsatmak, dikkatleri o yana çekerek proses borulama, hat çekme gibi işlerde korozyon olayının göz önüne alınmasını sağlamaktır. 4. Korozyon Olayı ile İlgili Özet Bilgiler Demir, normal sıcaklıkta ve nemsiz ortamda korozyona uğramaz. Normal suda korozyon olabilmesi için oksijenin varolması gerekir. Ortamda CO ya da asit olmasa bile, eğer su ve oksijen ikilisi varsa korozyonun oluşması için yeterlidir. Korozyon hızı, ortamdaki oksijenin miktarı ile doğru orantılıdır. Oksijen, sulu asit çözeltilerinde korozyon hızını artırır. Asit içindeki korozyon, nötür çözeltilerdekinden daha fazladır. Nötür çözeltilerdeki de bazik çözeltilerdeki korozyondan hızlıdır. Asit çözeltilerde korozyona uğrayan metal yüzeyinden H gazı çıkar. Bazik çözeltilerden çıkan H gazı biraz daha azdır. Korozyon sonunda, genellikle, metal yüzeyinde, içten dışa doğru, kabuklar halinde, önce siyah ya da yeşil, sonra kırmızı kahve demir pası oluşur. Atmosferdeki korozyonda oluşan demir pası, su altında oluşandan daha fazladır. Su altındaki pas, korozyon ürününün hemen hemen Ğ3 ü kadardır. doğal su içinde oluşan korozyondan dolayı ortaya çıkan çözeltide kalsiyum, magnezyum, silikon bileşikleri yer alır. Bunlar suda erimeyen bileşiklerdir. Bu bileşikler, metal yüzeyinde pas kabuğunun yapılaşmasında oldukça etkindirler. Pas kabuğu gevşekse, normal koşullar altında korozyon hızlanabilir. Öbür yandan pas yapısı benzeşik (uniform) ve sıkı ise korozyon miktarı artmayacak demektir. Başlangıçta, korozyon hızı yüksektir, fakat zamanla bu hız düşer. Özellikle bazik çözeltilerde durum böyledir. Fakat parlak bir metal yüzeyinin pas tutması bu söylenenin tersinedir; başlangıçta yavaş ilerleyen bir korozyon oluşumu vardır. Normal sıcaklıkta korozyon miktarı ile nötür tuzların belli bir noktaya kadar artması birlikte olur. Tuz oluşumu ve birikimi o noktadan sonra korozyonu düşürmeye başlar. doğal su içerisinde meydana gelen korozyon suyun metal yüzeyinden geçiş hızı ile artar. 379

380 Demirin korozyonu, tüm yüzeyde aynı derecede oluşur. Birbirlerine dokunan ayrı türden metaller ile elektrik ileten çözeltiler, korozyonun hızlanmasına yol açar. Bu olgu, daha kolay korozyona uğrayan metale doğru bir elektrik akımı meydana getirir. Başka deyişle metalin biri anot öbürü katot olur. Metal ile dokunum yapan çözelti kompozisyonunda ya da miktarında olacak değişiklikler, korozyonun metal yüzeyinin belirli bölgesinde yoğunlaşmasına yol açar. Öyle ki o noktada korozyonu ya hızlandırır ya da yavaşlatır. Çözeltideki metalin bir kısmı oksijen geçişine karşı korunmuş ise, bu kısım, oksijen bakımından daha zengin olan çözeltinin metal ile dokunum yapan bölgelerine karşı anot görevini yapar öyle ki metalin korunmuş bölgesindeki korozyon daha etkindir. Katodik alanla ilgili olan anodik alan ne kadar küçükse anodik noktalardaki korozyon o kadar büyüktür; metal yüzeyinde delikler ve oyuklar meydana gelebilir. Genellikle belirli bir alanın kutuplanışı, doğal korozyonun ilerlemesi süresince tersinedir. 5. Sudaki Korozyonu Etkileyen Durumlar Metal yüzeyindeki oksijen miktarı, Suyun hidrojen iyon konsantrasyonu, ph durumu başka ifadeyle asidik ya da bazik oluşu, Çözeltideki demir dağılımının aynı olmayışı, Demirle elektriksel dokunum yapan maddelerin üzerindeki hidrojenin fazla gerilime sahip olması, Başka maddelerle metalin dokunum yapması, Metal yüzeyinin düzgünlüğünün değişimi, Korozif çözeltinin kimyasal içeriği, Işık alma durumu, Metale uygulanan elektriksel gerilim, Oksijen çıkaran başka maddeler Korozyon Hızının Belirlenmesi Korozyon miktarı ağırlık ölçümü yöntemiyle en basit yoldan yapılabilir. Bunun için ağırlığı virgülden sonra 4 rakama kadar gram olarak bilinen ve adına kupon denilen metal yapraklar, korozyon miktarının ölçülmesi gereken yere monte edilirler. Montaj tarihi tam olarak bir yere kaydedilir. Belli bir süre örneğin 6 ay geçtikten sonra kupon yerinden çıkarılır, hiç bir şekilde kirletilmeden, herhangi bir sert yere çarpmadan özenle laboratuvara alınır; temizlik işlemine tabi tutulur. Kuponun korozyon örtüsünden kurtarılması için, her metal için ayrı temizleme 380

381 yöntemi uygulanır. Örneğin çelik kuponar, % Rodine içeren % 0 luk HCl asit içinde saat bekletilerek temizlenir. Bakır kupon, : lik HCl asitte 3 dk. bekletilir veya /0 luk sülfürik asit içinde oda sıcaklığında 3 dk. bekletilir. Çinko (Zn), sıcakta (50 C 60 C) % 0 luk NH 4 Cl çözeltisinde yeterince bekletilerek temizlenir. Sonra su ile yıkanır, fırçalanır, arkasından, % gümüş nitrat, % 5 kromik asit içeren kaynar çözeltiye 5 0 sn. süren bir daldırma hareketi takip eder. En sonunda sıcak su ile yıkanır. Alüminyum alaşımı kuponlar, kromik asit miktarı 0 g/l, fosforik asit miktarı 40 g/l şeklindeki bir çözeltide 93 C de temizlenirler. Örnek: Korozyon kuponu teknik bilgileri: Kupon No: 3473 (Cosasco kuponu) Kupon Seri No: W370 Kupon Malzemesi: 5L GRB Kupon orijinal ağırlığı: 36,40 g Montajı yapılan kupon hangi ortamda bulunuyorsa, o ortamın değişme durumları göz önüne alınmalıdır. Örneğin, su borusuna mı, doğal gaz borusuna mı, separatör kazanına mı yerleştirilmiştir? Separatör giriş borusuna mı yoksa, direyin hattı üzerine mi monte edilmiştir? Çünkü separatörde, üstte gaz, ortada hafif sıvı, en altta katılarla birlikte ağır sıvı birikimi olacaktır, her bir bölgede korozyon hızları değişik olacaktır. Örneğin, petrol + su + gaz ayırıcıda, en dipte mineral su, en üstte gaz olacağından, separatörün orta bölmesine göre alt ve üst bölmeleri daha çok korozyona maruz kalacaktır. Eğer gaz CO veya H S lü bir gaz karışımı ise, separatör tavanında hızlı bir korozyon gözlenebilir. Kuponon metal cinsi ile içine yerleştirildiği boru yada seperatörün metal cinsi aynı olmalıdır. Yoksa, korozyonun etkisini gözleme işi doğru olmaz. Şimdi, yukarıda teknik özellikleri verilen kuponun, monte edildiği yerden 6 ay sonra çıkarıldığını varsayalım. Kupon çelik türü malzeme olduğundan, temizleme yöntemi çelik kupona uygun yöntemle yapılır. Virgülden sonra 4. haneye kadar ölçüm yapabilen mekanik veya elektronik terazide tartılır. Örneğin, böyle bir tartma işlemi sonunda 35,009 g geldiğini varsayalım. Ağırlıktaki kayıp = 36,40 35,009 =,408 g Korozyon hızı genellikle zamanı ve metal yüzey alanını içeren birimlerle ifade edilir. mg K.H = dm gün ( )( ) Örnek: Kayıp miktar =,4089 = 408, mg Gün = 80 gün (6 ay) Alan = 0 dm 38

382 Korozyon Hızı K.H = 408, = 7,87x0 4 mg ( 0)( 80) dm gün Korozyon hızını mil/yıl olarak ifade etmek daha yaygın bir uygulamadır. mgğdm gün biriminde bulunan K.H değerini mil/yıl (mpy: mil per year) birimine çevirmek için aşağıdaki işlem yapılır. mg,437 KH(mpy) = x dm gün ρ Burada r kuponun yoğunluğu g/cm 3 Örmeğimizdeki kupon yoğunluğu 3 ρ = 7,87 g/cm Şimdi, örneğimizdeki kuponun mil/yıl olarak korozyon hızını hesaplayalım: 4,437 KH = 7,87x0 7,87 K.H =,483 x 0 4 mil/yıl mil = /000 inch Tablo. Elastomerlerin kullanım Sıcaklık Sınırları Alt sınır Üst sınır MALZEME F C F C Doğal Lastik Neopron Nitril Poliüretan Hypalon Butil

383 Etilen propilen (EPI) Viton Silikon Aşağıdaki ve bunu takip eden, elastomerlerle ilgili tablolar, Elastomer seçiminde kılavuzluk yapmaya yeterlidir. Seçimin doğruluğu, servis şartlarının (P, T akışkan türü) çok iyi belirlenmesine bağlıdır, bunlar sıcaklık, basınç, tüm kimyasal maddeler (iz halinde rastlansalar bile) akışkan miktarı, kullanılacak parçanın hareket durumu (vanalar pistonlar...) gibi... Aşağıda tabloda gösterilen elastomerler, özellikle kontrol vanalarda ve proses borulamada kullanılan tiplerdir. Üstteki ufak tabloda da elastomerlerin servis sıcaklık şartlarına göre dayanma ve kullanma sınırlarını göstermektedir. Servis sıcaklığının artışı ile, kopma, yırtılma gibi direnç sınırlarının daha da düşeceği unutulmamalıdır. Elastomer seçimi tüm bu çeşit olguların hesaba katılmasıyla yapılmalıdır. Korozyon Kupon Çeşitleri Tablo 3. Elastomerlerin Genel Özellikleri 383