Güç Üniteleri; Örnekler (examples)


1. Yakıt olarak metan gazı kullanılan bir proses fırınında baca gazları içindeki oksijenin %2.4 olması için fazla hava miktarının ne olması gerekir?

Çözüm:
Metanın yanması:
Metanın fazla hava ile yakılması
Fazla hava miktarı : 11.5 x 10/100 = 1.15,   %1.15 dir.

2. Bileşimi %85 C, %10 H2 ve % 5 S olan bir yakıt, %10 fazla hava ile yakıldığında, baca gazlarındaki oksijenin yüzdesi ne kadardır?

Çözüm:
%10 Hava fazlası

3. Aşağıda bileşimi verilen sanayi tipi fuel oilin (no. 6 fuel oil) bir kilogramının yakılması için normal şartlar altında bulunan ve içinde nem bulunmayan havadan kaç m3 kullanılması gerekir.
(N2 olarak verilen azotun serbest elementel azot değil fakat fuel oil bileşimine girmiş azot olduğu düşünülerek bu azot da yakılacaktır. Bilindiği gibi elementel azot'un buhar kazanı şartlarında yanması söz konusu olamaz.)
Fuel oil bileşimi:
Karbon: % 84.5 ağırlıkça, H2 (hidrojen): % 10.5, N2 (azot): -, S (kükürt); % 2.1, O2: % 2.5

Çözüm:
1 kg no. 6 fuel oildeki miktarlarla bunların yanma denklemleri aşağıdaki gibidir.
Yanma denklemlerine göre 1 mol, yani 12 gr/mol karbonun yanması için bir mol, yani 32 gr/mol oksijene ihtiyaç vardır. Oksijeni normal şartlarda ideal gaz kabul edersek bir mol O2 nin 22.4 L hacmi işgal ettiği bilinir. Bu durumda,

C nun yanması için gerekli hava miktarı,
845 g = 845/12 mol = 70.4 mol.

1 mol C nun yakılması için 1 mol O2 e ihtiyaç varsa, 70.4 mol C un yakılması için 70.4 mol O2 ye ihtiyaç olacaktır.
70.4 x 22.4 = 1576.96 L O2
1576.96 x 5 = 7884.8 L hava

H2 için gerekli hava,
105 / 2 = 52.5 mol H2 için,
52.5 / 2 = 26.25 mol O2

Sülfür için gerekli hava,
21 / 32 = 0.6562 mol S için, 0.6562 mol O2
0.6562 x 22.4 = 14.7 L O2
14.7 x 5 = 73.5 L hava

Azot için gerekli hava,
4 / 28 = 0.1428 mol N2 için, 0.2857 mol O2
0.2857 x 22.4 = 6.399 L O2
6.399 x 5 = 32 L hava

Feul oil bileşiminde bulunan O2 yanmada kullanılacaktır. Bu O2 ne tekabül eden miktarda daha az hava kullanılacaktır. Bileşimdeki oksijenin hacmi,
25 / 32 = 0.78125 mol O2
0.78125 x 22.4 = 17.5 L O2
17.5 x 5 = 87.5 L hava

İhtiyaç duyulan toplam hava,
C için: 7884.8 L, H2 için: 2940 L, S için: 73.5 L, N2 için: 32 L, O2 karşılığı: 87.5 L
Toplam: 10842.8 L

Sonuç: 1 kg No. 6 fuel oil'in yakılması için 10.84 m3 hava verilmesi gerekir. Normal atmosfer ortamındaki nem ve yakma için kullanılan fazla hava miktarı düşünülürse 1 kg fuel oil'in yakılması için yaklaşık 12 m3 havaya ihtiyaç olmaktadır. Günlük 800 ton no. 6 feul oil kullanan bir buhar santralının kazanlarına giren hava miktarı
12 x 800 000 = 9.6 milyon m3 dür.

4. Bir proses fırınında gaz yakıt kullanılmaktadır. Gaz yakıtın bileşimi aşağıdaki gibidir. Yakıt % 10 hava fazlası kullanılarak yakıldığına göre yanma gazları içindeki oksijen yüzdesini bulun.
Gaz yakıtın bileşimi:
CH4, (metan ): % 80, C2H6 (etan): % 11, CO2 (karbon dioksit); % 6, N2 (azot): % 3

Çözüm:
Gazı meydana getiren bileşenlerin hepsinin ayrı ayrı yanma denklemleri karışımdaki yüzdeleri temsil edilerek yazılır ve toplanır. Karışımda bulunan CO2 yanmaz. Azot gaz halinde ve elementel halinde bulunduğundan bu şartlarda oksijen ile reaksiyona girmez.
Metanın yanması:
%10 fazla hava:
Etanın Yanması:
%10 fazla hava:
Toplam:          
 
5. Bir buhar kazanında yanma ısısı QYI = 10200 kcal/kg olan no. 6 fuel oilden saatte 10 ton kullanılmaktadır. Kazana giren KBS sıcaklığı 97 0C dir. Üretilen buharın basıncı 18 atm g ve sıcaklığı 371 0C dir.
a. Verilen ısıdan %85 verimli buhar üretildiği bilindiğine göre buhar üretiminde kullanılan ısı miktarını bulunuz.
b. Kazandan saatte kaç ton buhar üretildiğini hesaplayınız.
c. Fabrikadaki proseste daha yüksek basınca ihtiyaç duyulmuş ve kazanın mekanik yapısının buna elverdiği görülmüştür. İhtiyaç duyulan buharın basıncı P= 39 atm.g ve sıcaklığı T = 900 0F dır. Bu şartlarda yakıt tüketimi ve verimliliği değişmediği düşünülerek saatte kaç ton buhar üretilecektir.
(cp su = 4.187 kJ/kgK, 1 kcal = 4.187 kJ, 1 atm = 101.319 kPa)

Çözüm:
a.
Fuel oilün yanma ısısından buhar üretiminde kullanılan ısı hesaplanır.
Buhar üretiminde kullanılan ısı, % 90,
b.
Üretilen buharın miktarını bulmak için aşağıdaki yol izlenir:

1) P2 = 18 atm g = 19 atm a = 19 x 101.319 kPa  = 1.93 MPa @ 2 Mpa
P2 = 2 MPa basınçtaki doygun buharın sıcaklığı TDB = ?
Suyun, Tsu = 97 0C sıcaklığından P2 basıncında doymuş buhar sıcaklığına TDB = 212.4 0C ye kadar ısıtılması için gerekli ısı, cp(su) = 4.187 kJ/kgK:
2) P2= 2 MPa, TDB = 212.4 0C olan suyun buharlaştırılması:
3) P2= 2 MPa basınçta ve TDB = 212.4 0C sıcaklığında bulunan buharın ısı verilerek kızgın buhar haline getirilmesi; T2 = 371 0C
c.
1) P= 39 atm.g = 40 atm a = 40 x 101.319 kPa = 4 MPa
P2 = 4 MPa basınçtaki doygun buharın sıcaklığı TDB = ?
Suyun, Tsu = 97 0C sıcaklığından P2 basıncında doymuş buhar sıcaklığına TDB = 250.4 0C ye kadar ısıtılması için gerekli ısı, cp(su) = 4.187 kJ/kgK:
2) P2= 4 MPa, TDB = 250.4 0C olan suyun buharlaştırılması:
3) P2= 4 MPa basınçta ve TDB = 250.4 0C sıcaklığında bulunan buharın ısı verilerek kızgın buhar haline getirilmesi; T2 = 900 0F = 482.2 0C
Uygulamanın b ve c bölümlerinin irdelenmesi
Buradan enerji harcamasının büyük bölümünün suyun ve buharın yeni şartlardaki sıcaklıklara getirilmesi için kullanıldığı buna karşın suyun buharlaşması için gerekli enerjinin düştüğü görülür.

6. Bir buhar kazanında yanma ısısı QYI = 10561 kcal/kg olan no. 6 fuel oilden saatte 8 ton kullanılmaktadır. Kazana giren KBS sıcaklığı 105 0C dir. Üretilen buharın basıncı 40 atm ve sıcaklığı 360 0C dir. (cp(su) = 4.187 kJ/kgK, 1 kcal = 4.187 kJ, 1 atm = 101.319 kPa)
(a) Problemin şemasını çiziniz.
(b). Verilen ısıdan %90 verimli buhar üretildiğine göre buhar üretiminde kullanılan ısı miktarını (Q·, kJ/sa) bulunuz.
(c). Kazandan saatte kaç ton buhar üretildiğini (m· = ton/sa) hesaplayınız.
Problemle ilgili veriler aşağıdaki verilmiştir.

Çözüm:
a.
b. Fuel oilün yanma ısısından buhar üretiminde kullanılan ısı hesaplanır.
c. Üretilen buharın miktarını bulmak için aşağıdaki yol izlenir:
(1) P2 = 4 MPa basınçtaki doygun buharın sıcaklığı TDB = 250.4 0C   (tablo-2)
Suyun, Tsu = 105 0C sıcaklığından P2 basıncında doymuş buhar sıcaklığına TDB = 250.4 0C ye kadar ısıtılması için gerekli ısı,
(2) P2= 4 MPa, TDB = 250.4 0C olan suyun buharlaştırılması:
(3) P2= 4 MPa basınçta ve TDB = 250.4 0C sıcaklığında bulunan buharın ısı verilerek kızgın buhar haline getirilmesi; T2 = 360 0C

7. Büyük bir sanayii tesisinde buhar üretim ve kullanım çevrimi aşağıdaki şemada görüldüğü şekildedir. Buhar kazanında üretilen buhar proseslerde kullanılmadan önce elektrik üretilmektedir. Elektrik üretimi sırasında buharın bir kısmı da tamamen yoğunlaştırılmaktadır.



Elektrik türbin verimi % 95, kazan verimi % 92, proses buharının geri dönen kondensat sıcaklığı 90 0C ve verimi % 65 tir. KBS (kazan besleme suyu) sıcaklığı 105 0C, İkmal suyu sıcaklığı 20 0C dir. Degazörde alçak basınçlı buhar kullanılmaktadır. (Sistemle ilgili diğer veriler aşağıdaki tabloda verilmiştir.)
(a). Şekildeki çevrimde elde edilen elektrik enerjisi ne kadardır?
(b). Fabrika buharları (proses buharı) ve kazanılan kondensat ne kadardır?
(c). İkmal suyu miktarı ne kadardır (kazan su verimi % 100)?

Çözüm:
a. Yukarıdaki çevrimde elde edilen elektrik enerjisinin hesaplanması
Enerji dengesi:
m·B x h1 = m·YB x hYB + m·DB x hDB + m·AB x hAB + m·TÇ x hTÇ

Toplam enerji, Q·toplam
Q·toplam = m·B x h1
Q·toplam = 800 000 x 3520.2 = 2 816 160 000 kJ/sa

Buhar olarak çıkan toplam enerji, Q·buhar,
Q·buhar = m·2 x h2 + m·3 x h3 + m·4 x h4 + m·5 x h5
Q·buhar = 75000 x 3121.8 + 150000 x 3023.5 + 325000 x 2855.0 + 250000 x 2579.6 = 234135000 + 453525000 + 927875000 + 644900000
Q·buhar = 2 260 435 000 kJ/sa

Elektrik enerjisine. dönüşen enerji, Q·elekt.
Elektrik üretim kapasitesi, %95 verim = 154.4 x 0.95 = 146.7 MW

b. Fabrika buharları (proses buharı) ve kazanılan kondensat,
Geri dönen kondensat: = toplam x %65
c. İkmal suyu miktarı ne kadardır? (kazan su verimi % 100)


AB buharın yoğunlaşması sırasında T = 200 0C ve P = 0.5 MPa şartlarındaki enerji içeriği h = 2855.0 kJ/kg dir; yoğunlaşıp KBS şartlarına indiğinde hKBS = 440.2 kJ/kg olmuştur. Yoğunlaşırken verdiği enerji 2855.0 – 440.2 = 2414.8 kJ/kg dür.

Degazörde madde dengesi: giren madde = çıkan madde
Enerji dengesi:
Madde ve enerji dengesi tablosu:
Sağlama:
Madde dengesi
Enerji dengesi

8. Bir buhar üretim tesisinde KBS (kazan besleme suyu) 116 0C ve 400 ton/saattir. Degazör T = 300 0C ve p = 19 atm (gösterge) olan buharla ısıtılmaktadır. Degazöre gelen kondensat 180 ton/sa, 90 0C dir. İkmal suyu 20 0C dir. Bu degazörde kullanılan ikmal suyu miktarı ile buhar miktarını hesaplayınız.
Problemle ilgili veriler aşağıdaki gibidir.
(P = 19 atm g = 20 atm a          P = 2 MPa)

Çözüm:
Toplam enerji, Q·, kJ/sa = m· kg/sa x h kJ/kg
Madde dengesi (kg/sa):
Enerji dengesi (J/sa):

9. Proses fırının ihtiyaç duyduğu 30 ton/sa 110 0C kazan besleme suyunun hazırladığı bir degazöre iki kondensat gelmektedir. Degazörü ısıtmak için kullanılan buharın basıncı P = 19 atm.(gösterge) ve sıcaklığı T = 250 0C, İkmal suyunun sıcaklığı T = 16 0C dır. Saatte 30 ton KBS hazırlanması için degazöre giren buhar miktarı ile ikmal suyu miktarını bulunuz. Problemle ilgili veriler aşağıdaki gibidir
(P = 19 atm g = 20 atm a          P = 2 MPa)

Çözüm:
Toplam enerji, Q·, kJ/sa = m· kg/sa x h kJ/kg
Madde dengesi (kg/sa):
Enerji dengesi (J/sa):

10. Bir buhar kazanında P = 34 atm. ve T = 360 0C de saatte 180 ton buhar üretilmektedir. Kazan besleme sıcaklığı (KBS) 116 0C ve kazan verimi % 92 dir. Prosesten ısı içeriği Qgaz = 14430 Btu/lb olan 3 ton/saat atık gaz çıkmaktadır. Sitemde fuel oil kullanılmaktadır. (QFO = 44200 kJ/kg, net). (a) Saatte kaç ton kazan besleme suyuna ihtiyaç vardır? (b) Kazanda bir saatte ne kadar sıvı yakıt kullanılır?
Qgaz = 14430 Btu/lb = 14430 x 2.326 = 33564.2 kJ/kg
P = 34 atm = 3.4 MPa

Çözüm:
a. Toplam enerji, Q·, kJ/sa = m· kg/sa x h kJ/kg
Bu miktar, %100 kazan verimi içindir; kazan, %92 verimle çalıştığına göre Q·KBS ve m·KBS aşağıdaki gibi hesaplanır.
b. 

11. Lokomotif kazanı içinde 135 psia basınçta doymuş buhar üretilmektedir. Kazan içindeki tüpler, 10 in Sch 140 kategorisindedir. Tüplerin toplam dış alanı 70 ft2, tüplerin cidarını yalayan baca gazlarının sıcaklığı 1250 0F dir. Baca gazları tarafındaki ısı transfer katsayısı h0 = 120 Btu/sa.ft2.0F ve su tarafında ise hİ = 7000 Btu/sa.ft2.0F olduğuna göre,
a. Saatte üretilecek doymuş buhar miktarını bulunuz.
b. Boruların yüzey sıcaklığını bulunuz.
c. Uzun bir çalışma sonucunda tüp yüzeylerinde 0.4 in kül kalınlığı meydana geldiği  takdirde (k' = 2.5 Btu/sa.ft2. 0F) ısı miktarındaki azalmayı hesaplayınız.

Çözüm:
a. 135 psia doymuş buharın sıcaklığı tablodan okunur,
135 psia = 135 x 6.8948 kPa = 930 8 kPa = 0.93 MPa
Di = 8.75 in , X = 1.0 in, D0 = 10.75 in, DL = 9.75 in
84 Btu/sa.ft2 0F = 84 x 5.678 J/s m2 0C = 476.95 J/s m2 0C
Buhar tablolarından veya buhara ait Molliere diagramından,
b. Boruların yüzey sıcaklığının bulunması.
 
h0 = 120 Btu/sa.ft2.0F, A = 70 ft2, q = 5.29 x 106 Btu/sa
c. Uzun çalışma sonucunda tüp yüzeylerinde oluşan kirlenmenin ısı iletimine etkisi,
U0 = 84 den U0 = 37.73 e düşmüştür. Bu düşme q eşitliğine bakıldığında doğrudan ısı akım hızını etkileyecek bir düşmedir. Düşme oranı ise,
Bu şartlarda üretilen buhar miktarı da 6078 lb/sa ten, 6078 x (1 – 0.5508) = 2730 lb/sa değerine düşmüştür.

Buhar Tabloları

GERİ (proje çalışmaları)