KAZANLARDA ENERJİ EKONOMİSİ

Kazanlar, ısıtma sistemlerinin en önemli elemanlarıdır. Özellikle merkezi ve bölgesel ısıtma sistemlerinde, sistemin vazgeçilmez ekipmanlarıdır. Çalışma prensibini, içerisinde bulunan suyu boru demetlerinden geçen sıcak gazlarla ısıtması şeklinde basitçe ifade edebiliriz.

Kullanılan malzemeye göre kazanları ikiye ayırabiliriz:

• Döküm kazanlar
• Çelik kazanlar

Döküm kazanların özelliklerini şu şekilde sıralayabiliriz:

• Sıcak su kazanlarında ve 0,5 Atü’ye kadar alçak basınçlı buhar kazanlarında kullanılırlar
• Dilimler halinde dökülerek birbirine bağlanmaktadır. Bu nedenle kazan dairesine dilimler halinde getirilip burada montajı yapılabilmektedir.
• Dilim ilavesiyle kapasite artırımı mümkün olmaktadır.
• Ömürleri için 30 yıla kadar süre verilebilmektedir.
• Isıl ataleti daha yüksektir. Bu nedenle döküm kazanlar geç ısınırlar, ısıyı bünyelerinde korudukları için de geç soğurlar.

Çelik kazanların özelliklerini şu şekilde sıralayabiliriz:

• Döküm kazanların aksine, çabuk ısınıp çabuk soğurlar.
• Bu kazanlarda sıcak su, kaynar su ve buhar üretmek mümkündür.
• Döküm kazanlara göre fiyat olarak daha ucuzdur.
• Kullanım şartlarına bağlı olmakla birlikte ömürleri döküm kazanlara göre çok daha azdır.
• Tamir ve bakımları daha kolay olmasına karşın korozyona karşı daha hassastırlar.

Kazanlar ısıl akışkanın özelliklerine göre şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Sıcak sulu kazanlar
• Kaynar sulu kazanlar
• Kızgın yağ kazanları
• Buhar kazanları

Kazanlar yaktığı yakıt tipine göre şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Katı yakıtlı kazanlar
• Pelet yakan kazanlar
• Sıvı yakıtlı kazanlar
• Gaz yakıtlı kazanlar
• Çok yakıtlı kazanlar
• Atık ısı kazanları
• Atık ve çöp yakan kazanlar
• Elektrikle çalışan kazanlar

Kazanlar yanma sonu gazlarının dolaşım durumuna göre şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Alev borulu kazanlar
• Duman borulu kazanlar
• Alev duman borulu kazanlar
• Su borulu kazanlar
• Bu iki tipin karışımı olan kazanlar

Kazanlar geçiş sayısına göre şu şekilde sınıflandırılabilir:

• Tek geçişli kazanlar
• İki geçişli kazanlar
• Üç geçişli kazanlar
• Dört geçişli kazanlar

Kazanlar kazan çıkış suyu sıcaklığına göre ikiye ayrılmaktadır:

• Normal sıcak sulu kazanlar
• Düşük sıcaklıklı kazanlar

Bu tür kazanlarda başlıca şu alanlarda analizler yapılması gerekmektedir:

• Hız analizleri
• Sıcaklık analizleri
• Debi analizleri
• Basınç analizleri
• Kimyasal analizler

Bu cihazlarla baca gazındaki şu değerler okunabilmektedir:

• Oksijen
• Karbonmonoksit
• Karbondioksit
• Kükürtdioksit
• Azotoksit
• Baca gazı sıcaklığı
• Yanma verimi

Emniyet ventilleri, buhar kazanlarında ayarlandıkları basınçta kendiliğinden açılarak kazandaki fazla buharı dışarı atan, böylece kazan emniyetini sağlayan elemanlardır. Emniyet ventilleri belirlenen bir karşı basınca dayanıklı yayla donatılmıştır. Kazandaki basınç bu basınç seviyesine geldiğinde yay hareket ederek buharın dışa atılmasını sağlar ve kazanı emniyete alır.

Başlıca termometre tipleri olarak şunları sıralayabiliriz:

• Sıvı genleşmeli cam termometreler
• Bimetal termometreler
• Direnç termometreleri
• Termistörler
• Termo elemanlar
• Pirometreler
• Kızılötesi ışın kameraları
• Sıcaklık ölçüm bantları

Sankey diyagramı enerji giriş ve çıkışı olan tüm cihazlar için çizilen bir diyagram olup, giren enerjinin ne kadarının faydalı enerji olarak kullanıldığını ve ne kadarının hangi yollarla atıldığını görmek açısından önemlidir. Bir başka deyişle sistemlerin verimli çalıştığının gözlenmesi ve sistemlerde nerelerde enerji tasarrufu yapılabileceğinin irdelenmesi açısından Sankey diyagramı çok önemlidir.

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

• Kuru baca gazı ile bacadan atılan enerji
• Yakıttaki su ve yakıttaki hidrojenle havadaki oksijenin birleşmesi sonucunda ortaya çıkan suyun buharlaşması yoluyla atılan enerji
• Kazan yüzeyinden radyasyon ve konveksiyon yoluyla atılan enerji
• Blöf nedeniyle atılan enerji
• Yanmamış yakıt nedeniyle ortaya çıkan enerji kayıpları

Son yıllarda bacadan atılan sıcak duman gazlarından yararlanarak su ısıtmada kullanılan bütün cihazlar ekonomizör olarak adlandırılmaktadır. Ekonomizörler kazan besi suyunun ısıtılması yanında sıcak su üretiminde ve kalorifer kazanlarında dönüş suyu sıcaklığının yükseltilmesinde kullanılır. Dolayısıyla, kuru baca gazı yoluyla atılan enerjinin azaltılmasında ekonomizörler kullanılmaktadır. Ekonomizörlerde genellikle kazan besleme suyu baca gazı içerisinden geçirilerek ön ısıtılmaktadır. Kazanda enerjisini verdikten sonra bacadan atılan gazda sıcaklığına bağlı olarak hala enerji bulunmaktadır. Bu enerjiden yararlanmak için bacaya bir ekonomizör eklenir ve böylelikle atık gazdaki enerjinin bir kısmı geri kazanılabilir

Kondenzasyon kazanı, üç sıralı serpantin olarak kıvrılmış borular şeklindedir. Kazandan çıkan ve yaklaşık 150°C’lere kadar soğutulmuş olan baca gazı kondenzasyon kazanı içindeki serpantin boruları üzerinden geçerken yoğuşma sıcaklığı altına kadar soğutulmaktadır. Bu süreçte baca gazı içerisindeki buhar yoğuşacağından bünyesindeki gizli ısıyı boruların içerisindeki suya vermektedir. Borular üzerinde yoğuşan su toplanarak kanalizasyona verilmektedir. Kondenzasyon kazanlarında kazana verilen besleme suyunun ön ısıtılması gerçekleştirilmektedir. Kondenzasyon kazanları ayrıca kullanım sıcak suyu üretimi amacıyla boyler olarak da kullanılmaktadır.

Buhar kazanına verilen besleme suyu içerisinde karbonat sülfat kökenli çeşitli malzemeler erimiş halde bulunmaktadır. Belli bir süre geçtikten sonra biriken bu malzemeler belli bir miktarın üzerine çıktığında kazan su yüzeyinde çalkalanma ve köpürmeler ortaya çıkmaktadır. Köpük içerisinde bulunan bu malzemeler buhar ile birlikte taşınarak buharın kullanıldığı cihazlara zarar verebilmektedir. Bu problemi çözmek üzere kazan yüzeyindeki köpük tabakası üst blöf vanası vasıtasıyla alınmaktadır. Bu işleme yüzey blöfü adı verilmektedir. Bunun dışında bazı katı partiküller de kazanın dibine çökerek ısı transferini olumsuz yönde etkileyecek sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Dipte çöken bu maddelerin tahliyesi için de dip blöfü kullanılmaktadır. Bunun için dip blöf vanası açılarak bu katı partiküllerin dışarıya atılması sağlanmaktadır. Bu işleme de dip blöfü denilmektedir.

Reaksiyonda yanma için gerekli olan minimum oksijen kullanılıyorsa ve bu oksijenin tamamı yanmaya girip reaksiyon sonunda karbondioksit (CO2), su (H2O), kükürtdioksit (SO2), azot (N2) gibi ürünler elde ediliyorsa ve oksijenin tamamı yanmaya girdiğinden ürünler arasında yanma bulunmuyorsa, bu yanmaya teorik tam yanma denilmektedir.

Eksik yanmada karbondioksit yerine karbonmonoksit oluşumu yanı sıra yanmamış karbon ortaya çıkmaktadır. Eksik yanma, kazanlarda ciddi enerji kayıplarına yol açmaktadır. Eksik yanma, iyi bir hava fazlalık katsayısı belirlenmemiş olmasından da kaynaklanabilmektedir. Eksik yanma, soğuk yanma havasının fazla olmasından veya alevin soğuk yüzeyden geçmesi nedeniyle alev soğumasından da kaynaklanabilmektedir.

Bir kazanda yanma hücresinde iyi bir yanma gerçekleşebilmesi için yakıt-hava karışımının yeterli oranlarda ayarlanması, yeterli ocak sıcaklığının sağlanması ve yeterli yanma zamanının, diğer bir deyişle yeterli ocak hacminin sağlanması gerekmektedir.

Kazanlar için verim genel olarak tanımlanırsa kazandan alınan enerjinin, yakıt yoluyla kazana verilen enerjiye oranı olarak tanımlanmaktadır. Diğer bir değişle, kazana yakıt yoluyla verilen 100 birimlik enerjinin ne kadarından yararlanılabildiğinin göstergesidir.

Bir buhar kazanı için verim hesabı yapılırken şu formülden yararlanılabilir:

Verim = (Kazandan çıkan buharın enerjisi – Kazana giren besleme suyunun enerjisi) / Yakıtın verdiği enerji

Alev-duman borulu sıcak su ve buhar kazanlarında gerek sıvı yakıt kullanımında, gerekse doğalgaz kullanımında duman borularında türbülatör uygulamasına gidilebilmektedir. İyi bir tasarımla yüksek sıcaklıklara dayanıklı türbülatör yerleştirilerek verim artışı sağlanabilmektedir. Türbülatör uygulamasıyla baca gazındaki enerjiden daha fazla yararlanılarak, baca gazı sıcaklığının düşürülmesine katkıda bulunulmaktadır. Türbülatörler ısı transferindeki yüzey alanını arttırmaktan çok ısı taşınım katsayısının arttırılmasına katkıda bulunur. Türbülatörler duman borulu buhar ve kalorifer kazanlarında, boruların içinden geçen duman gazı ile boru iç yüzeylerinin daha fazla temas etmesini sağlayarak borudaki ısı transferini arttırmaya da katkıda bulunur. Böylece, yanma sonu ürünlerindeki enerjiden daha fazla yararlanılmış olur.

Kazan verimini etkileyen pek çok faktör bulunmaktadır. Bunlar;

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

Brülörler çalışma tipine göre üçe ayrılmaktadır:

• Aç-kapa (on-off) brülörler: Bu tip brülörler, brülörün tam kapasitede çalışması ya da durması prensibine dayanmaktadır. Kazana yerleştirilen sensörler aracılığı ile alınan bilgiyle kazan çıkış suyu istenilen sıcaklığa geldiğinde brülör durmakta, belirli bir hassasiyet derecesine bağlı olarak kazan çıkış suyu sıcaklığı belirli bir seviyenin altına indiğinde ise brülör çalışmaktadır.
• İki kademeli brülör: Bu tip brülörlerde, brülör belirlenen minimum ve maksimum iki seviyede çalışmaktadır.
• Oransal brülörler: Bu tip brülörlerde ise brülör ihtiyaca bağlı olarak küçük adımlarla artıp azalarak istenilen gücü sağlamaktadır.

Kazanlarda enerji tüketiminin takibi ve tasarrufu için kullanılan en yaygın yöntemler şunlardır:

• Yakıt izleme ve takibiyle enerji ekonomisi
• Baca gazı analizi ile enerji ekonomisi
• Yakma yönetim ve brülör kontrol sistemleri ile enerji ekonomisi

Isıtma tesisatında ve endüstride kullanılan kazanlarda tüm verilerle birlikte yakıt tüketiminin de sürekli olarak izlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla buhar ve sıcak sulu kazanlar için günlük ve haftalık yakıt izleme formları oluşturulmuştur. Her bir kazan için enerji tüketiminin ve birim buhar başına tüketilen enerjinin belirlenmesi ve sürekli olarak kontrol edilmesi gerekmektedir. Bu formlar sayesinde, aynı kazanlar arasında, aynı kazan için farklı dış sıcaklık değerleri için ve aynı dış sıcaklık değerinde fakat farklı günlerdeki enerji tüketimleri için karşılaştırmalar yapılabilecektir.

Baca gazı analiz sonuçlarını değerlendirmek için yanma analizi ve yanma denklemlerini ayrıntılı bir şekilde incelemek gerekmektedir. Yanma denklemleri incelendiğinde tam yanmada karbon ile oksijen birleşerek karbondioksit (CO2) oluşturup 8113 kcal/kgC enerji açığa çıkarken, eksik yanmada karbon ve oksijen birleştirildiğinde karbonmonoksit (CO) oluşturarak 2467 kcal/ kgC enerji açığa çıkmaktadır.

Yakma yönetim sistemleri, yakıt-hava oranını çok hassas ayarlayarak yakıt ve dış orta sıcaklığına bağlı olarak tam yanmanın ve sürekliliğin sağlanması ve aynı zamanda kazan yüküne bağlı olarak oransal çalışma ile gereksiz duruşların önlenerek verimli kazan işletiminin sağlanmasıdır.