Su Buharı ve Sanayide Kullanımı
Su sabit
basınç altında ısıtıldığında kaynayıncaya kadar sıcaklığı yükselir. Buharlaşan
suyun sıcaklığı, buharlaşma süresince sabit kalır. Her basınca uygun bir
kaynama sıcaklığı vardır; buna "doygunluk sıcaklığı" denir.
Örneğin,14.7 psi (1 atm.) basınçta suyun doygunluk sıcaklığı 212 0F
(100 0C) tır. 14.7 psi ve 70 0F daki su doygun değildir,
doygun olabilmesi için 212 0F a kadar ısıtılması gerekir.
Doygunluk sıcaklığında su içermeyen buhara "doygun
(saturated) buhar" denir. Susuz ısınmış buhara ısı ilave edilirse
sıcaklığı yükselir ve "aşırı doygun (super-heated) veya "kızgın
buhar" haline geçer.Aşırı doygun buharın özelliği sıcaklık ve basıncıyla belirtilir.
Ancak, doygunluk sıcaklığındaki bir buhar kuru olabilir (susuz) veya az
miktarda su içerebilir.Bu gibi ıslak buharı tanımlamak için basıncı ve kalitesi
belirtilmelidir;
Belirli
bir sıcaklıktaki su, bu sıcaklığın karşıladığı basıncın üstünde bir basınçta
tutulabilir; örneğin 212 0F daki su,14.7 psia yerine 200 psia gibi
bir basınca getirilebilir. Buna"sıkıştırılmış su" denilmektedir. Sıkıştırılmış
suyun bir özelliği, ısı ilavesiyle buharlaşma olmadan sıcaklık yükselmesi
sağlanabilmesidir. Sıcaklıktaki yükselme, uygulanan yüksek basınçtaki doygunluk
noktasına kadar sürer.
Bir
sıvının moleküllerinin sıvı yüzeyini terk ederek gaz haline dönüşebilmesi, bunları
sıvı içinde tutan moleküler çekim kuvvetlerinden kurtulmasıyla sağlanır. Gaz
fazında moleküller arası mesafe fazla olduğundan çekim kuvvetleri azdır;
molekül bir kez kazandığı enerjiyle gaz halini (basınç ve sıcaklık şartları
değişmedikçe) korur.Moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinin yenilmesi için
sıvıya ısı enerjisi şeklinde bir miktar enerji verilmesi gerekir; buna
buharlaşma ısısı (latent heat)denilmektedir. Buharlaşma ısısı bir gram
sıvının(veya bir mol, bir pound) buharlaştırılması için gerekli olan ısı
miktarıdır.
Bütün sıvıların, bulundukları basınç ve sıcaklık
koşullarında, üzerindeki gaz fazında bir miktar da kendi molekülleri vardır.
Koşullar değiştikçe gaz ortamındaki moleküllerin sayısı da değişir; örneğin,
basınç sabit tutulup sıcaklık arttırıldığında daha çok sıvı molekülü gaz faza
geçer.
Bu şekilde
sıvı ortam üzerinde sabit tutulan p basıncının bir kısmı, gaz ortamına geçmiş
sıvı moleküllerince oluşturulur. Sıcaklık arttıkça sıvı üzerindeki gaz moleküllerinin
miktarı, dolayısıyla toplam basınç içindeki payları artar. Sıcaklığın yükseltilmesine
devam edilirse gaz moleküllerinin toplam basınç içindeki payları artarak
nihayet toplam basınca eşit olur; işte bu noktada kaynama başlar. Sıvının buhar
basıncının toplam basınca (dış basınca) eşit olduğu noktaya kaynama noktası, bu
noktadaki sıcaklığa da kaynama sıcaklığı denir.
Kaynama
noktasına gelinceye kadar verilen enerji sıvının sıcaklığını yükseltmekte
kullanılır;bu olayla ilgili hesaplamalarda, o cisme ait ısınma ısısı(c<MV>p)
kullanılır. Kaynama başladıktan sonra ısı verilmeye devam edildiğinde bütün
sıvı gaz haline geçinceye kadar sıcaklığı yükselmez.Bu olayla ilgili
hesaplamalarda artık c<MV>p yerine buharlaşma ısısı alınır.
Bütün sıvı
gaz haline geçtikten sonra sisteme ısı verilmeye devam edilmesi halinde verilen
ısı,gaz haline geçmiş maddenin sıcaklığının yükseltilmesinde harcanır. Bu
olayla ilgili hesaplamalarda yine ısınma ısısı (cp) kullanılır.
Ancak sıvı halindeki maddenin ısınma ısısı ile aynı maddenin gaz halinin ısınma
ısısı birbirlerinden çok farklı değerlerdir.
Kaynama
olayının herhangi bir anında maddeye ısı vermeyi kesip sıcaklığı sabit tutarsak
kabın içinde birbiri ile dengede iki faz bulunacaktır; sıvı fazda maddenin sıvı
hali, gaz fazda aynı maddenin gaz hali vardır.Bu şekilde kendi sıvısı ile denge
halinde bulunan buhar doymuş buhardır. Kaynama sona erdikten sonra sisteme ısı
verilmeye devam edilirse buharın sıcaklığı yükselir. Sıcaklığı kaynama noktasının
üzerinde bulunan ve kendi sıvısı ile denge içinde bulunmayan buhar kızgın
buhardır. Sanayide buhar kelimesi, su buharı (steam) anlamındadır, diğer maddelerin
buharları için gaz terimi kullanılır. Bir maddenin gaz haline, onun buharı da
denilebilir. Sanayide en çok kullanılan enerji kaynağı ve yardımcı madde su buharıdır.
Buharında içinde bulunduğu bir grup yardımcı madde (basınçlı hava, kuru hava,
soğutma suyu, kullanma suyu, proses suyu, azot gazı, inert gaz, demineralize su
gibi) ve enerji kaynağı ile bunların üretildiği tesislere, sanayide
"utilite" denilmektedir.
Şematik
diyagramlarda su, kesik küçük çizgilerle,buhar ise ufak daireciklerle gösterilir
(Şekil-1). Bir sisteme ısı verilmesi halinde (xx) işareti veya özel şekilde bir
ok konulur.
Suyun kaynaması sıcaklık ve verilen ısıya göre izlendiğinde
Şekil-2 deki gibi bir T/Q grafiği elde edilir.
X ekseni
suya verilen ısı enerjisini (Q), Y ekseni suyun (veya sistemin) sıcaklığını
gösterir. Suyun ısınma ısısı 1 dir, yani 1 gram suyun sıcaklığının 1 0C
yükseltilmesi için 1 kalori gerekir; grafik eksenlerine değer konulması
istendiğinde suyun kütlesi bilinmelidir.Şekil-2 deki T – Q grafiği, 1000 g su
için çizilmiştir.
Buharlaşma
olayı sırasında sıcaklık sabit kalırken 1 kg. suya 540 kcal enerji harcanır ve
son su damlasının da buhar haline geçmesinden sonra sistemin sıcaklığı
yükselmeye başlar. Bundan sonra verilen ısı buharın sıcaklığını yükseltmek için
kullanılır;ancak su buharının ısınma ısısı cp = 0.4416 kcal/kg 0C
gibi düşük bir değer olduğundan az miktarda enerji buharın sıcaklığını
yükseltmeye yeter. Bu nedenle grafikteki eğrinin eğimi dikleşir.
ÖRNEK: 1
Sıcaklığı
0 0C olan 1 lb suya 80 Btu ısı verilirse suyun sıcaklığı kaç 0C
olur? Suyun ısınma ısısı, cp = 4.187 kJ/kg.K, 1 Btu = 1055.1 J, 1 lb
= 0.4536 kg
ÖRNEK:
2
32 0F
sıcaklığında bulunan bir lb suyun kaynama noktasına kadar ısıtılması için kaç
kJ enerji verilmesi gerekir?
Sanayide
okunan ve ölçülen basınçlar sistemlerin mutlak basınçlarını vermezler. Basınç
göstergesinde 0 değeri okunması sistemdeki basıncın 0 olduğu anlamına gelmez,
sistemin üzerinde normal atmosfer basıncı vardır. Gösterge 1 gösterdiğinde
sistemin basıncı normal atmosfer basıncından 1 ölçüm birimi kadar fazladır
demektir; yani, basıncı ölçen gösterge birimi atmosfer cinsinden düzenlenmişse
ve göstergede3 atmosfer okunuyorsa sistemin gerçek basıncı 3 + 1 = 4 atmosferdir.
Basınç
okumalarında bu tip karışıklıkların önlenmesi için okunan değerin gösterge
değerimi yoksa mutlak basınç değeri mi olduğunu belirtmek için basınç biriminin
sonuna g (gösterge) veya a (absolut = mutlak) harfleri ilave edilir.
Göstergeden 8.5 psi okunuyorsa p = 8.5 psig şeklinde yazılır. Sistemin mutlak
basıncı, dönüşüm tablolarından yararlanılarak aşağıdaki gibi hesaplanır.
Normal
atmosfer basıncı altındaki basınçlar negatif gösterge basınçları, eksi basınç
gibi ifadeler yerine, "vakum" terimiyle tarif edilir.
Vakum
genellikle mm su sütunu veya mm civa sütunu birimi ile verilir. Normal atmosfer
basıncı 1033 mm su sütunu veya 760 mm Hg sütunu olduğuna göre, basınç bu
değerin altında ise vakumdan söz edilir. Örneğin, basınç 600 mm Hg sütunu
denildiğinde, sistemde 160 mm Hg basıncına eşit bir vakum vardır; bu durum, p =
600 mm Hg şeklinde gösterilebileceği gibi, vakum = 160 mm Hg şeklinde de ifade
edilebilir.
Sanayideki
uygulamalarda çoğunlukla gösterge basıncı kullanılır ve doğru olmamakla
beraber, herhalde çok kullanılıyor olmasından dolayı, basınç değerinden sonra
bunun gösterge basıncı olduğu belirtilmez .Mutlak basınçtan söz ediliyorsa, o
zaman mutlak işareti olan a harfi konulur. Sanayie yeni katılan elemanlar için
terimlerin kullanım eğilimlerinin bilinmesi önemlidir.
Buhar
üretilmesi için kaynayan suya ısı ilave edilmesi gerekir; ısının kesilmesi
halinde buharlaşma durur.Bu arada ısının bir enerji şekli olduğunun hatırlanmasında
yarar vardır. Buhar üretimi, bir sistem içinde sürekli ve amaçlı olarak buhar
elde edilmesi işlemidir.
Şekil-3 de
kapalı bir kapta buhar üretimi gösterilmiştir.Açık kapta buhar oluştuğunda
buhar içinde bulunduğu ortama (eğer havada bulunuyorsa havaya) dağılır. Kapalı
kapta buhar miktarı arttıkça kap içindeki basınç yükselir. Şekil-3a da kaynayan
suyun üzerindeki basınç 6 kg/cm2g, sıcaklık 164,3 0C dir;
buharın basıncı ve sıcaklığı da aynı değerlerdedir. Buhar basıncı 6 kg/cm2g
dır, çünkü buhar sıcaklığı, kaynama noktasından kaynayan suyun sıcaklığı ile
aynıdır.
Şekil-3: Kapalı bir kapta buhar
üretiminde basınç-sıcaklık değişiminin şematik görünümü
Burada
dikkat edilecek konu, suyun kaynama noktasının 164,3 0C olduğudur.
Görülüyor ki basınç arttıkça kaynama noktası yükselir. Çünkü atmosfer basıncı
üzerindeki değerlerde, sıvının buhar basıncının,üzerindeki basınca eşit hale
getirilmesi için daha çok enerjiye ihtiyaç vardır; bu ise suya daha fazla
enerji verilmesini ve kaynama noktasına gelinceye kadar sıvı sıcaklığının
yükselmesine yol açar.
Sıvının
üzerindeki basınç arttıkça kaynama noktası da artar. Şekil-3(b) de 7 kg/cm2
de ve 3(c) de 9 kg/cm2 basınç altında buhar üretimleri
görülmektedir; bu koşullarda suyun kaynama noktası 169.7 0C ve 176.0
0C ye yükselir. Kaynayan sudan çıkan buharın sıcaklığı doygunluk
sıcaklığıdır. Doygunluk sıcaklığındaki buhara doymuş buhar denilmektedir.
Bir
kaptaki buhar üretimi hızı dışarıya doğru olan buhar akış hızından daha fazlaysa,
kaptaki buhar basıncı doğal olarak artar.
Endüstride
su buharı çok fazla kullanıldığından buhar ile ilgili her türlü fiziksel bilgi
detaylı olarak tablolar haline getirilmiştir. Tablolar, endüstride çalışanların
kolayca ulaşabilmeleri için ilgili bir çok yayına ek olarak verilir. Konu kolay
anlaşılabilmesi için bir örnekle açıklanacaktır.
ÖRNEK:
3
Kapalı kapta bulunan 10 kg suyun sıcaklığı 35 0C, basıncı 1.0 kg/cm2 g dir. Sisteme ısı verilmeye başlanır. Öncelikle kap içindeki basıncın 5 kg/cm2 ye yükselmesi beklenir ve sonra kapalı kabın çıkışındaki vana uygun bir şekilde açılarak kap içindeki basınç sabit kalmak üzere 1.0 kg buhar üretimi yapılır. Kaptaki sıvının miktarı 9 kg a düşer.
(a) Sistemin basıncı 5 kg/cm2
g e geldiğinde sıcaklığı ne olur?
(b) Bu durumda kapalı kap içindeki
sisteme ne kadar enerji verilmiştir?
(c) İşlemin sıcaklık-enerji grafiğini
çizin.
Yapılan
işlemler sınıflandırılırsa,
(1) ısı verilmeye başlandığında
suyun sıcaklığı yükselmeye başlar,
(2) su kaynama sıcaklığına gelir ve
kaynama olayı başlar,
(3) kaynama
ile beraber kap içindeki basınç yükselmeye başlar ve kaynama devam ettiği
sürece basınç yükselmesi devam eder, buna paralel olarak suyun doygunluk
sıcaklığı yükselir,
(4) kap içindeki basınç 5 kg/cm2
g e ulaştığında üstündeki vana, kap içindeki su miktarı 9 kg oluncaya kadar
açılıp buhar üretimi yapılmış olur.
Bu durumda
5 kg/cm2 g basınç altında doymuş basınç üretilmiştir.
Görüldüğü
gibi işlemde bir süreklilik,bütünlük, yani bir integrasyon vardır. Bu gibi
durumlarda en iyi çözüm matematiksel ifadenin integralinin alınmasıyla olur. Bu
bağlantının bilinmediği ve kurulamadığı durumlarda iki nokta arasındaki gelişmeler
olabilecek belirli adımlara bölünür; yani integral ile kıyaslandığında dt veya
dp değişimleri yerine ¶t ve ¶p değişimleri kullanılır.
Önce iki
nokta, yani başlangıç ve bitiş noktaları belirlenir. Maddelerin basınç, sıcaklık,
entalpi (enerji miktarları), entropi, hacim bağlantılarını gösteren grafiklere
Mollier diyagramları denilir.
Şekil-4: Problemdeki başlangıç ve
bitiş noktalarının (a) p – Q – t diyagramında, (b) p – t diyagramında şematik
görünümleri
Buhar için
Mollier diyagramı bu bölüm sonunda verilmiştir. Şekil-4a daki grafik I ve II
noktalarının canlandırılması için şematik bir görünümdür.
Sistem I noktasından II noktasına düz kalın çizgi boyunca
gider. Ancak p-t eksenli grafikte I ve II noktasına çeşitli yollardan
gidilebilir (Şekil-4b).
Problemde
iki ayrı yol düşünülebilir.
I. Yol
(A) Adımı: Su p2 basıncında kaynama noktasına
getirilir.
(B) Adımı: Kaynama noktasına getirilmiş sudan p2
basıncında 1 kg buhar üretilir.
II.Yol
(A) Adımı: Su p1 basıncında kaynama sıcaklığına kadar
ısıtılır. T1.
(B) Adımı: Su p1 basıncında T1 sıcaklığında
buharlaştırılır.
(C) Adımı: Sistemin basıncı p2 değerine getirilir ve
kalan 9 kg suyun sıcaklığı p2 basıncındaki doymuş buhar sıcaklığına
çıkartılır.
(D) Adımı: Buharlaşmış olan 1 kg su buharına p2
basıncında T2 sıcaklığına getirilinceye kadar enerji verilir.
Her iki
yoldan hesaplamaları yapalım.
(a) Sistemin basıncı 5 kg/cm2
g e geldiğinde sıcaklığı ne olur?
Bu soru
yol ile ilgili olmayıp her iki yol için de II. noktayı tarifler
Sistem 5
kg/cm2g basınca geldiğinde, bu şartlarda suyla temasta olan buhar,
yani 5 kg/cm2g basınçta doymuş buhar vardır.
Doymuş
buharın özellikleri tablosundan 80 ve 90 psia değerlerindeki 0F
değerleri okunur ve p = 85.79 psia için T değeri aşağıdaki gibi orontılanarak
hesaplanır.
(b) Bu durumda kapalı kap içindeki
sisteme ne kadar enerji verilmiştir?
1. Yol
(A) Adımı:
p2 basıncında kaynama noktasında bulunan suyun sıcaklığı,
(B) Adımı:
p2 ve T2 şartlarında bulunan sudan 1 kg buhar üretilmesi.
Buharlaşma
ısıları, tablolarda doğrudan okunabileceği gibi suyun ve buharın enerji
seviyeleri farklarından da bulunabilir.
Buharın
termodinamik özelliklerini gösteren tablolardan,
Buharlaşma
ısısı hv = 897.7 Btu/lb
bulunur.
Buharlaşma
enerjisi
2. Yol
(A) Adımı:
Su T1 sıcaklığından T'1sıcaklığına ısıtılır.
(B) Adımı:
t'1 = 120 0C = 248.10 0Fda buharlaşma
enerjisi.
(C) Adımı:
9 kg suyun sıcaklığı T'1den T2 ye getirilir.
(D) Adımı
: 1 kg buhar sabit hacim altında T'1 den T'2
ye ısıtılır.
Görüldüğü gibi iki ayrı yoldan hareket edilerek yapılan
hesaplamalarda verilmesi gerekli olan ısı miktarı, çok az hata ile (on binde
1.4) aynı bulunmuştur.
Bu noktada
problemin verilişinde özellikle yer alan bir çelişkiyi göz önüne getirelim.
Problemde suyun sıcaklığının T = 35 0C olduğu ve basıncının p1
= 1kg/cm2 olduğu belirtilmiştir. Tablolara bakıldığında 35 0C
sıcaklıkta suyun buhar basıncının pH2O = 0.8237 psia olduğu görülür.
Bu durumda ortamda basıncı oluşturan başka bir gazın bulunması gerekmektedir.
Bu gazın Azot gazı olduğunu kabul edelim.Azot gazının kısmi basıncı Dalton kanunundan
bulunur.
Şekil-5: Örnek problemin şematik
anlatımı
(c) İşlemin sıcaklık-enerji
grafiğini çizin.
Doymuş
buhar ısıtıldığında sıcaklığı yükselir ve sıvı ile dengede olmadığından kızgın
buhara dönüşür. Doymuş buhardan ısı alınmaya başlandığı andan itibaren buhar da
yoğunlaşmaya başlar. Kızgın buhardan ısı veya ısıya eşdeğer bir enerji (mekanik
enerji) alınmaya başlandığında kızgın buharın sadece sıcaklığı düşmeye
başlar.Şekil-5 te işlemin sıcaklık-ısı (veya enerji)eğrisi görülmektedir.
Eğrinin gidişinden, aşağıdaki sorular kolaylıkla cevaplandırılabilir:
* Doygun
buharın basıncı arttıkça sıcaklığı ne olur?
* Doygun
buharın basıncı artarken sıcaklığında bir değişiklik yapılmazsa ne olur?
* Basınç
arttıkça suyun kaynama noktası neden değişir?
* Kaynama
noktasına ulaştıktan sonra verilen enerji nerede kullanılır?
* Su için
ısınma ısısı ve buharlaşma ısısını mukayese edin, basınç arttıkça suyun buharlaşma ısısı nasıl
değişir?
* Buharlaşma
ısısı değişimi ile kaynama sıcaklığının değişimini mukayese ediniz.
Buhar
Tabloları ve Mollier Grafiğinin Kullanılması
Su ve
buharın çeşitli özelliklerini gösteren değerler deneysel çalışmalarla saptanarak
tablolarda ve grafiklerde toplanmıştır. Doygun su-sıcaklık, doygun su -basınç
ve kızgın buhar tabloları, SI ve US birimleriyle bu bölümün sonunda verilmiştir.
Islak
buharın kalitesi bilindiğinde, buhar tablolarından entalpi ve entropisi hesaplanabilir.
Örneğin, X kalitesindeki bir pound ıslak buharda X kg doygun buhar ve (1 - X)
kg doygun su bulunur. Suyun entalpisi hf ve buharın entalpisi hg
tablolardan okunur. Karışımın entalpisi aşağıdaki eşitliklerden elde edilir.
h = X hg + (1 – X) hf = X hg + hf
– X hf = hf + X (hg + hf)
hfg = hg – hf = aynı sıcaklıktaki
doygun buhar ve suyun entalpileri farkıdır.
h = hf + X hfg (1)
ÖRNEK:
4
%95 lik
100 psia basınçlı buharın entalpisini, (a) SI birimleriyle ve (b) US birimleriyle
hesaplayınız ve sonuçları kıyaslayınız.
(a)
100 psia = 689476 Pa @ 0.7 MPa
Sonuçların kıyaslanması: Btu/lbm = 2.326 kJ/kg
Doygun buharın
entalpi ve entropisi, doygun-buhar hattı ile basınç hattının kesim noktasından
bulunur. Aşırı doygun buharın entalpi ve entropisi, aşırı doygun buharın
sıcaklık ve basıncını tanımlayan hatların kesiştikleri noktadan, ıslak buharın
basıncı ve kalitesi bilindiğinde ise, basınç ve kalite hatlarının kesim
noktasından bulunur.
Şekil-6(a): Buhar için Mollier
diyagramı, metrik sistem, P = bar
Şekil-6(b): Buhar için Mollier
diyagramı, metrik sistem, P = MPa
Şekil-6: (c) Buhar için Mollier
diyagramı (basit görünüm), (d) türbin genişleme hatlarını gösteren Mollier
diagramı; A: sabit sıcaklık hatları, B: doygun buhar hattı, C: sabit basınç
hatları, D: sabit kalite hatları, E: giriş basınç hattı, F: çıkış basınç hattı
GERİ (proje çalışmaları)
