Buhar Kazanları Hakkında

Kazan, tanım olarak istenilen basınç, sıcaklık ve miktarda buhar veya sıcak su üreten bir cihazdır. Bunun için herhangi bir yolla elde edilen ısı enerjisinin, kapalı bir kap içindeki sıvıya verilerek bu sıvının buharlaşması sağlanır. Kazanlarda temel amaç, sürekli, kaliteli ve ucuz ısı enerjisi üretimidir. Bu kapsamda değerlendirecek olursak;

Sürekli üretim, her an uygun enerji ve kütle debisi sağlanarak, kazan işletme ömrü boyunca, en az sayıda hasar, kaza ve durmalarla, emniyet, güvenilirlik ve işlerlik yönünden uygun bir buhar üretiminin gerçekleştirilmesidir.

Kaliteli üretim , değişen girdi ve yük koşullarında, kazanın ısıl gücünün, ısıl veriminin ve buhar özelliklerinin, sürekli biçimde, tasarımda öngörülen değerlerde tutulmasıdır.

Ucuz üretim ise işletme ve yatırım maliyetlerinden oluşan, birim ısı enerjisi toplam üretim maliyetinin, mümkün olan en düşük düzeyde tutulması diyebiliriz. Buhar kazanlarında buhara verilen ısı enerjisi, genellikle çeşitli yakacakların yakılmasından, elektrik enerjisinden, nükleer enerjiden veya eldeki artık bir ısının uygun bir şekilde değerlendirilmesinden elde edilir.

Tarihçe

Su buharı, ateşin bulunup kullanılmaya başlamasından beri bilinmektedir; çünkü buhar su ile alev söndürürken ya da yemek pişirme esnasında kendiliğinden oluşur. Su buharından teknikte faydalanma düşüncesi, bir buhar topu tasarlayan Arşimet’e (MÖ 287 – 212) kadar uzanır. Leonardo da Vinci (1452 – 1519) bu konu ile ilgili hesaplar yapan ilk kişi olmuştur. Bir buhar topu ile 8 kg ağırlığındaki bir güllenin 1250 metre uzağa kadar atılabileceğini hesaplamıştır.

Düdüklü tencereyi pratikte ilk uygulayan Denis Papin olmuştur. Bu ilk basınçlı kap, ilk denemelerde kullanılan prototip patladıktan sonra, daha o zamanlar bir emniyet ventili ile donatılmıştı. 1770’ten itibaren buhar makinesinin kullanımı, su buharı ile teorik ve pratik olarak daha yakından ilgilenilmesini zorunlu kılmıştır. Pratikte buhar makinesi üretip pazarlayan James Watt ve Carl Gustav Patrik de Laval, buluşları sayesinde varlık sahibi olmuşlardır.

İlk Buhar Makinesi Uygulamaları

1679 yılında ilk faydalı uygulama Fransız fizikçi Denis Papin ‘den (1647-1712) geldi. İçinde suyun kaynadığı ve biriken buharın suyun kaynama noktasını yükselttiği sıkıca kapanan bir kapağı olan düdüklü tencere icat edilmişti. Papin’in dikkat ettiği şey daha yüksek ısıda kemikler yumuşuyor ve et daha çabuk pişiyordu. Tencereye buhar basıncının çok yükselmesine karşın bir de güvenlik vanası eklenmişti.

1698 yılında, İngiliz mühendis Thomas Savery (1650-1715), ilk ticari olarak satılan buhar makinesini yapmıştır. Bu makine maden ocağından suyu dışarı atmak amacıyla kullanılmıştır. Madencinin Arkadaşı olarak tanınmaktaydı.

1712 ‘de İngiliz mühendis Thomas Newcomen (1663-1729) yeni bir tür buhar makinesi geliştirdi. Bu makinenin Savery Makinesinden en büyük avantajı pistonun bir zincir yardımıyla tahterevalli benzeri bir tür kaldıraca tutturulmuş olmasıydı. Bu kaldıracın diğer ucu ise bir tür tulumbaya bağlanmıştı. Piston silindirin en üst noktasında iken silindirin içine gönderilen soğuk su buharı yoğunlaştırıyordu. Böylece atmosferik basınç pistona aşağıya doğru kuvvet uyguladığı anda su madenden yükseliyordu. Buhar pistona dolunca bu çevrim tekrar ediyordu. Ayrıca daha az tehlikeliydi. Yine de makine istenilen verime ulaşamamış ve yakıt tüketimi azalmamıştı.

1764 yılında bozulan Newcomen makinalarından biri onarılması için İskoçyalı mühendis James Watt’a verildi. Makinayı onaran Watt aynı zamanda randımanı düşük bu makineyi geliştirmek de istedi. Arkadaşı İskoç kimyacı Joseph Black’tan gizli ısıyı  öğrenmiş olan Watt aynı odayı sürekli ısıtıp soğutmanın ne kadar israflı bir şey olduğunu anladı ve aklına iki oda yapma fikri geldi. Biri sürekli sıcak, diğeri de sürekli soğuk tutulacaktı. Buhar işini yaparken sıcak odada bulunacaktı ve su haline getirilmesi gerektiğinde supaplar sistemiyle soğuk odaya alınacaktı. Watt 1781 yılına gelindiğinde makinasını iyice geliştirmiş ve pistonun ileri geri hareketini ustalıkla bir tekerleğin dönme hareketine çeviren mekanik aletleri de icat etmişti. Watt’ın makine tarihi ve makine mühendisliğine katkıları çok büyük önem taşır.

Sıcak Sulu Kazanlar

Kazanda yakılan yakıttan elde edilen ısı enerjisini içerisindeki suya aktararak sıcak su üreten cihazlardır. Uygulamada çok farklı tiplerde sıcak su kazanları vardır.

Sıcak sulu kazanların sınıflandırılması

Sıcak su kazanları yapıldıkları malzeme,  kullanılan yakıtın cinsi ve çalışma şekli gibi pek çok şekilde sınıflandırılabilir.

Kazanların yapıldığı malzemeye göre sınıflandırılması

Döküm kazanlar; dökme demir dilimlerin sızdırmaz elemanlarla birleştirilerek kazan gövdesi oluşturulur gövde bir gömlekle kapatılarak kazan tamamlanır. Bu kazanlar sıcak su ve alçak basınçta buhar üretiminde kullanılabilirler. Bu kazanların işletme basıncı sınırlıdır.

Çelik kazan; kazanın ana gövdesi çelikten yapılır. Taşıma ve kurulumu zordur. Sıcak su ve buhar üretiminde kullanıla bilir. Uygulama alanı herhangi bir kapasite aralığıyla sınırlı değildir.

Kazanların kullanılan yakıta göre sınıflandırılması

Katı yakıtlı kazanlar; yakıt olarak katı yakıt kullanan kazanlardır. Kömür, Odun, talaş, pirina ve perlit gibi yakıtlar kullanılır.

Sıvı yakıtlı kazanlar; yakıt olarak sıvı yakıt kullanan kazanlardır. Fuel-oil, motorin(mazot) ve gaz yağı gibi yakıtlar kullanılır.

Gaz yakıtlı kazanlar; yakıt olarak gaz yakıt kullanan kazanlardır. LPG, doğalgaz, biyogaz, hava gazı ve jeneratör gazı gibi yakıtlar kullanılır.

Kazanların yakma havasına göre sınıflandırılması

Atmosferik brülörlü kazanlar; bu kazanlarda yakma havası ortamdan sağlanır. Görece küçük bir yanma odasına ihtiyaç duyar. Gaz yakıt normal basıncıyla üflenir, gaz lüleden geçerken birincil havayı emer ve hava, yakıt karışır. Oluşan bu karışımın yanarak yükselmesiyle ikincil hava emilir. Bu kazanlar doğal çekişle yandığından sessizdir. Hava fazlalık oranı yüksektir.

Üflemeli brülörlü kazanlar; bu kazanlarda yanma havası cebri bir fanla sağlanır. Yüksek basınçlı brülör kullanıldığı için karşı basınç adı verilen artı bir basınç oluşur. Bu sebepten brülör ve yanma odası birbirine uyumlu olmalıdır. Bu kazanlarda yüksek basınçtan dolayı gürültü, titreşim ve sarsıntı oluşabilir. Bu yüzden bu kazanların brülörleri düşük başlangıç alevli ya da iki kademeli seçilmelidir.

Buhar Kazanları

Isı üretmekte yararlanılan kömür, yağ, motorin, doğalgaz ve fosil yakıtları, bazı tesislerde ise artık yakıtın yakılmasıyla ortaya çıkan, ısıyı içindeki suyu ısıtmak için kullanan kazanlara buhar kazanı denir. Genellikle ısıtma ve enerji üretiminde kullanılırlar. Kimi zaman nükleer reaktörlerde de, basınç altında buhar üretmek amacıyla ısı kaynağı olarak yararlanılır. Başka bir değişle buhar kazanları, istenilen sıcaklık ve miktarda buhar üreten cihazlardır.

Buharın, endüstride tercih edilmesinin en önemli sebepleri; çok iyi bir ısı taşıyıcısı olması, faz değişiminden dolayı gizli ısı transferi sayesinde sabit sıcaklıkta ısı transferi ve ısı iletiminin çok kolay olması ile herhangi bir pompalama sistemine ihtiyaç duymamasıdır. Düşük kütlesel debi ve yüksek hız sayesinde küçük boru çapları elde edilir. Buhar sadece ısı taşıyıcı özelliğinin dışında bazı proseslerde nemlendirme özellikleri için de kullanılmaktadır. Özellikle tekstil, konfeksiyon, gıda, kimya, ilaç, elektrik üretimi ve bölgesel ısıtma alanlarında yoğun olarak kullanılır.

Buharın oluşumu

Bir birim suyu buhara çevirmek için gerekli olan ısıya, buharlaşma gizli ısısı adı verilir. Aşağıdaki şekilde kazan içinde suya ısı geçişinin sıcaklık-entropi diyagramında gösterilmiştir. Şekle göre, 1-2 bölgesinde su önce ekonomizerde ısıtılır ve doymuş su çizgisine ulaşır. Ardından 2-3 ile gösterilen kısımda su evaporatörde doymuş su kısmından doymuş buhar olana kadar ısıtılır. 3-4 ile gösterilen kısımda ise doymuş su buharı kızgın su buharı olacak şekilde kızdırılır.

1-2 bölgesi sıkıştırılmış sıvı bölgesidir. Yani basıncı doyma basıncından yüksek olan sıvıdır.

2 noktasında su doymuş su halini alır. Yani bu noktadan sonra suyun sıcaklığı yükselmez ve hal değişimi başlar.

2-3 Bölgesi doymuş su buhar karışımıdır. Bu bölgede karışımın sıcaklığı değişmez. Ayrıca bu bölgede buharın kütlesinin toplam kütleye oranı kuruluk derecesi olarak adlandırılır. Kuruluk derecesi 2 noktasında “0” iken 3 noktasına yaklaştıkça yükselir ve 3 noktasına ulaştığında “1” olur.

3 noktasında su tamamen buhara dönüşür ve doymuş buhar olarak adlandırılır. Doymuş buhar ısı verirken sıcaklığı değişmediği için sabit sıcaklıkta ısıya ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır.

3-4 bölgesinde doymuş buharın ısıtılmasıyla oluşan kızgın buhar bulunur. Isının iletilmesinde ve enerji üretiminde kızgın buhar kullanılır.

Buhar kazanlarının sınıflandırılması

Doğal dolaşımlı kazanlar

Bu kazanlarda suyun dolaşımı sıcak su ve soğuk su arasındaki yoğunluk farkı ile sağlanır.

Alev duman borulu kazanlar; TS EN 12953-1 Silindirik Kazanlar standardına göre; İçinde su bulunan gövdenin içerisinde yer alan tertibatın parçasını oluşturan boruların içinden alevlerin ve/veya sıcak gazların geçtiği kapalı kap olarak tanımlanmıştır.

Alev duman borulu kazanlarda bütün ısı transferi, su ile çevrelenmiş, içinden sıcak yanma gazlarının geçtiği borular (tüpler) yardımıyla olur. Su ve buhar aynı bölümde (kovan kısmında) bulunur. Buhar çıkışı dramın üzerinden çıkar. Bu tip kazanlara örnek olarak lokomotif ve gemi buhar kazanları ve proses ünitelerindeki tüpten sıcak gaz veya sıcak likit ürünün geçtiği buhar kazanları verilebilir. Kazanın 2/3’ü su, 1/3’ü ise buhar hacmi olarak düzenlenmiştir. Bu tip kazanlar diğerlerine kıyasla daha ucuzdur, fakat yüklenme kapasitesi sınırlıdır ve çıkış gazı sıcaklığı, çıkan miktarın artmasıyla hızla yükselir.

Alev duman borulu kazanların avantajları;

• Konstrüksiyonları basittir.
• İmalat ve işletmesi kolaydır.
• Su hacimlerinin büyük oluşu nedeniyle büyük miktarda su depolar.
• Yanma odasının çevresi su ile çevrilidir bu nedenle ısı kayıpları azdır.
• Birikintilerin temizlenmesi kolaydır.

Alev duman borulu kazanların dezavantajları

• Isıtma yüzeyi küçüktür.
• Buhar tutma süresi uzundur.
• Ağırdır ve hacimleri büyüktür.
• Üretilen buharın basıncı ve sıcaklığı sınırlıdır.

Su borulu kazanlar; Yüksek sıcaklık ve basınçta buhar elde etmek için büyük hacimlerin kullanılması tehlikelidir. Bu sebeple su küçük çaptaki boruların içinde dolaştırılır. Bu borular genel su kanallarıyla (dom) birbirine bağlanır.  Bu kazanlarda sudan kaynaklanan çökelmeleri temizlemek oldukça zordur bu yüzden besleme suyu iyi arıtılmalıdır. Bu kazanlarda alev ve duman küçük boruların dışından dolaşır ve farklı doğrultudaki kanatlarla yönlendirilir. Borularda ısınan su üst doma çıkarken soğuk su alt doma iner. Üst domda bulunan buhar kızdırıcılara gönderilerek kızgın ve kurulu derecesi yüksek buhar elde edilir.

Su borulu kazanların avantajları:

• Yanma odasında az miktarda su bulunduğundan ve kullanılan boruların çapı küçük olduğu için sistem daha güvenlidir.
• Buhar tutma süresi kısadır.
• Üretilen buhar kızgın ve basınçlıdır.
• Kapasiteleri, ürettikleri buhar miktarı, alev borulu kazanlara göre çok yüksektir.
• Verimleri yüksektir.

Su borulu kazanların dezavantajları:

• Birikintilerin temizlenmesi zordur.
• İlk kuruluş giderleri yüksektir.
• Besleme suyunun iyi arıtılması gerekir. Buda işletme maliyetini artırır.
• Su miktarının az oluşu nedeniyle kazan çok kısa bir sürede su ile dolar veya suyunu kaybedebilir.

Cebri dolaşımlı kazanlar

Bazı su borulu kazanlarda su borularının tasarımı nedeniyle doğal dolaşım yeterli olamaz. Bazen de suyun borulardan daha hızlı akması istenir böyle durumlarda bir cebri su dolaşım pompasıyla suyun hareketi sağlanır.

Cebri kazanlarda boruların yerleşimi ve dom sayısına güre genelde üç tipte üretilir.

D Tipi kazanlar; bu kazanlar biri altta diğeri üstte bulunana iki domdan oluşur. D tipi kazanlarda çok yüksek kapasitelere ulaşılabilir.

A Tipi kazanlar; bu kazanlarda üstte bir altta iki tane olmak üzere üç dom bulunur. Alt kısmın boş olması nedeniyle katı yakıtlı kazanlarda tercih edilir.

O Tipi kazanlar; bu kazanlarda üste ve altta aynı düzleme yerleştirilmiş iki dom bulunur. Ebatları bakımından küçük olan bu kazanlar kolay taşınabilir. Verimleri yüksektir.

Buhar kazanlarının ana parçaları

Ocak 

Yanmanın meydana geldiği alandır. Genellikle kazanın içinde yer alır.

Brülörler

Hava ile yakıtı uygun oranda karıştırılarak yüksek oranda yakılmasını sağlayan cihazdır. Gaz yakıtlar doğrudan karıştırılırken sıvı yakıtlar viskozitelerinin düşmesi için ısıtılır. Katı yakıtlarda yakıtın küçük parçalara ayrılması( pulverizasyon ) gerekir.

Gaz yakıt brülörü

Gaz Brülörü, hava ve yakıtı kontrollü ve verimli olarak yanmayı sağlayacak karışım oluşturan cihazdır. Bu cihazların genel prensibi; esas olan yanma verimini yükselterek ideal yanma şartlarına ulaşılarak çevre kirliliğinin önlenmesi ve enerji tasarrufu sağlanmasıdır. Yakıt olarak doğal gaz ve LPG kullanır.

Sıvı yakıt brülörü

Sıvı yakıtlar viskositelerinin düşmesi için ısıtılmalıdır. Sıvı yakıt brülörleri sıvı yakıt ve havayı uygun oranda karışmasını sağlamak için sıvı yakıtı havanın içine zerrecikler halinde gönderir. Yakıt olarak fuel-oil, motorin(mazot) ve gaz yağı gibi maddeleri kullanır.

Yakıtı dağıtma tekniğine göre sıvı yakıtlı brülörler:

• Yüksek Basınç ile Püskürtmeli Brülörler
• Buhar/Hava Atomizasyonlu Brülörler
• Rotatif Çanaklı Brülörler

Katı yakıtlar brülörden püskürtülmeden önce zerreciklere ayrılmalıdır. Katı yakıt brülörü hava ile katı yakıtın uygun oranda karışmasını ve yakılmasını sağlar. İki veya daha fazla yakıt yakan brülörler yakıtlardan birinin diğerinin yedeği olarak depolandığı ya da birlikte yakıldığı uygulamalarda kullanılır.

• 

• 

Emniyet ventili

Önceden belirlenmiş emniyet basıncının aşılmasını önlemek üzere, ilgili akışkanınki dışında herhangi bir enerjiye ihtiyaç duymaksızın tanımlı miktarda akışkanı otomatik olarak boşaltıp, normal basınç koşullarına dönüldükten sonra yeniden kapanabilecek şekilde tasarlanmış bir vanadır. Yaylı ve ağırlıklı olmaz üzere iki çeşidi vardır. Buhar kazanı üzerinde iki adet emniyet ventili bulunmalıdır.

Asıl ısıtma yüzeyi

Yakıtın yakılmasıyla elde edilen ısının suya aktarıldığı yerdir. Yani su borularıyla sıcak gazların temas ettiği yüzeylerdir. Asıl ısıtma yüzeyi kirlenmelere karşı korunmalıdır. Bu kısımdaki kirlenmeler verimi ciddi şekilde düşürebilir.

Kızdırıcı

Kazanda normal şartlarda elde edilen doymuş buharın tekrar borulardan geçirilerek kızgın buhar elde etmemizi sağlayan kısmıdır.

Baca

Bacaların görevi yanma sonucu oluşan duman gazlarının açık havaya güvenli bir şekilde iletmektir. Baca içinde bulunan sıcak gazlarla, dışarıda bulunan düşük sıcaklıklı hava arasındaki öz kütle farkı baca çekisi etkisini doğurur. Bu çekiş baca içinde negatif basınç oluşturur. Oluşan negatif basınç dış hava sıcaklığına ve rüzgar durumuna bağlıdır. Çekisinin sağlanması için baca içindeki duman gazları ve dış hava sıcaklığı arasındaki farkın korunması gerekir. Bu sebeple bacalar izole edilir. İzolasyon aynı zamanda baca gazının yoğuşma sıcaklıklarının altına düşerek bacanın korozyona uğramasını engelleme amacını taşır.