1

T.C. MUSTAFA KEMAL

ÜNĐVERSĐTESĐ

MAKĐNA MÜHENDĐSLĐĞĐ BÖLÜMÜ

AKIŞKAN YATAKLI KAZANLAR

DĐPLOMA ÇALIŞMASI DANIŞMAN: DOÇ. DR. ALĐ KOÇ HAZIRLAYAN: TANER KARAMAN , 030524042

HATAY-2007

2

ĐÇĐNDEKĐLER

SAYFA ŞEKĐLLER LĐSTESĐ i

TABLOLAR LĐSTESĐ iii

SĐMGELER iv

1.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI KAZAN 1.1. Akışkan Yatak Teknolojisinin Tarihsel Gelişimi 1 1.2. Akışkan Yataklı Kazan Nasıl Çalışır ve Tanımlar 2

1.3. Akışkan Yataklı Kazanların Avantajları ve Dezavantajları 3

1.3.1. Akışkan Yataklı Kazanların Avantajları 4

1.3.2. Akışkan Yataklı Kazanların Dezavantajları 5

2.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA SĐSTEMLERĐNĐN SINIFLANDIRILMASI 2.1. Yakma Sistemleri 6 2.2. Akışkan Yatak Yakma Sistemi 6

2.2.1. Kabarcıklı (Atmosferik Basınçta Çalışan) Akışkan Yatak 7

2.2.1.1. Kabarcıklı Akışkan Yatakların Başlıca Đşletme Özellikleri 8

2.2.2. Dolaşımlı Akışkan Yataklı Kazan 9

2.2.2.1. Dolaşımlı Akışkan Yatak Yakma Sistemlerinin Özellikleri 11

2.2.3. Basınçlı Akışkan Yatak Yakma Sistemi 11

3. BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA SĐSTEMLERĐNĐN OPERASYONEL ÖZELLĐKLERĐ

3.1. Yanma Verimi 14

3.2. Yanma Sıcaklığı 16

4. BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA SĐSTEMLERĐNĐN TEMEL ELEMANLARI

4.1. Hava Dağıtım Sistemi 18

4.2. Hava Ön Isıtıcısı 19

4.3. Yakma Hava Sistemi 19

3

4.3.1. Primer Hava 19

4.3.2. Sekonder Hava 20

4.4. Dağıtıcı Elek 21

4.4.1. Dağıtıcı Elek Tipleri 22

4.4.2. Dağıtıcı Elek Tasarımı 23

4.5. Yakıt Gazı Sistemi – Induced Draft-Id ( Emiş Fanı) 25 4.6. Yakıt Besleme ve Dağıtım Sistemi 25

4.6.1. Alttan Besleme 25

4.6.2. Üstten Besleme 26

4.7. Kazan Kısımları 27

4.7.1. Yanma Odası 27

4.7.1.1. Izgara 27

4.7.1.2. Alt Kısım 27

4.7.1.3. Üst Kısım 28

4.7.2. Seperatör ( Siklon ) 28

4.7.3. Kül Sevki ve Sızdırmazlık Bölümleri 30

4.7.4. Konveksiyon Bölmesi 30

4.7.5. Kızdırıcı 30

4.7.6. Ekonomizer 31

4.7.7. Buharlaştırıcı Borular 31

4.8. Sıvı Yakıt Brülörü 31

4.8.1. Devreye Alma Brülörleri 31

4.8.2. Yakıt Boruları 32

4.9. Kurum Üfleme Sistemi 32

4.10. Uçucu Kül 34

4.10.1. Kül Bunkeri 34

4.10.2. Toz Tutucu / Elektro Filtre – Jet Puls Tipi Torbalı Filtre 34

4.11. Lastik Bantlar, Ventiller ve Blow – Down 35

4.12. Kazan Drumı’ nın Đç Kısmı 35

5. BÖLÜM

AKIŞKANLAŞMA PRENSĐBLERĐ

5.1. Akışkanlaşma Prensibi 37

5.2. Akışkanlaşma Biçimleri 37

4

5.2.1. Minimum Akışkanlaşma Teorisi 39

5.2.2. Minimum Akışkanlaşma Hızı 42

5.2.3. Maksimum Akışkan (Terminal) Hızı 43

5.2.4. Minimum Akışkanlaşma Boşluk Oranı 43

5.2.5. Akışkan Yatakta Basınç Düşüşü 44

5.2.6. Yatak Yüksekliği 44

5.2.7. Taşınım Serbest Bırakma Yüksekliği 45

5.2.9. Akışkanlaşma Tipinin Tespiti 45

5.3. Akışkanlaşmayı Bozucu Etkenler 46

5.3.1. Kanallaşma Olayı 46

5.3.2. Akışkan Yataklarda Balonlaşma (Kabarcık) Oluşumu 47

5.3.3. Yığışım Oluşumu 48

6. BÖLÜM

AKIŞKAN YATAKLI KAZANLARDA ISI TRANSFERĐ

6.1. Akışkan Yataklarda Isı Transferi 49

6.1.1. Isı Transfer Mekanizması 49

6.1.2. Akışkan Yataklarda Yataktan Duvara Isı Transferi 53

6.1.2.1 Đnce Film Modeli 54

6.1.2.2 Emülsiyon Faz Modeli 56

6.1.2.3. Đnce Film ve Emülsiyon Tabaka Đle Daimi Isı Transferi 57

6.1.2.4. Zabrodsky Modeli 58

6.1.2.5. Glicksman ve Decker Modeli 61

6.1.3. Akışkan Yataklarda Işınımla Isı Transferi 65

6.1.4. Isı Transferi Ölçüm Tekniklerine Göre Bazı Deney Sonuçları 67

SONUÇ 70

KAYNAKÇA 72

5

ŞEKĐLLER LĐSTESĐ SAYFA

Şekil 1.1. Winkler Kazanı 2

Şekil 1.2. Akışkanlaşma 3

Şekil 2.1. Kabarcıklı akışkan yatakta yakma sistemi 8

Şekil 2.2. Dolaşımlı akışkan yatakta yakma sistemi 10

Şekil 2.3. 75 ton/h buhar kapasitesinde dolaşımlı akışkan yataklı kazan 11

Şekil 2.4. Basınçlı tip akışkan yatakta yakma sistemi 12

Şekil 4.1. Akışkan yatak kesiti-3D. Üfleç, yakıt besleme, düşey ısı transfer 18 boruları, kül alma Şekil 4.2. Hava dağıtım sistemi dağıtıcı eleğin tasarlanmış şekli 19

Şekil 4.3. Dolaşımlı tip akışkan yataklı yakma sistemindeki elemanlar 20

Şekil 4.4. Nozul tipli elek tasarımı 21

Şekil 4.5. Dağıtıcı elek tipleri 22

Şekil 4.6. Mekanik yolla besleme 26

Şekil 4.7. Yakıtın yanma odasına üstten beslenmesi 26

Şekil 4.8. Kazan Kısımları 27

Şekil 4.9. Akışkan yataklı kazan ve siklon bağlantısı 29

Şekil 4.10. Siklon içerisinde gaz+katı, ayrışmış gaz ve katı parçaların hareketi 29

Şekil 4.11. Sol tarafta ekonomizer sağ tarafta ise siklon bulunan bir resim 30

Şekil 4.12. Eko giriş ve çıkış 31

Şekil 4.13. Ocak devreye alma brülörü 32

Şekil 4.14. Ocak üzerinde kül, curuf çekme kapakları 34

Şekil 5.1. Akışkanlaşma evreleri 38

Şekil 5.3. Akışkanlaşmış yatağın hareketleri 39

Şekil 5.4. Dağıtıcı elek üzerinde akışkanlaşma hali 41

Şekil 5.5. Kanal oluşumunun iki şekli 46

Şekil 5.6. Bir akışkan yatakta kabarcık oluşumu 47

Şekil 5.7. Yığışım olayının basınç dalgalanması ile gösterimi 48

Şekil 6.1. Levenspiel ve Walton modeli. 54

Şekil 6.2. Dow ve Jakop modeli 55

Şekil 6.3. Mickley ve Fairbanks modeli 56

Şekil 6.4. Wicke ve Fetting modeli 58

Şekil 6.5. Zabrodsky modeli 59

Şekil 6.6. Akışkan yatakta ısı transferi için Glickman ve Decker’in elektrik benzeşimi. 62

6

Şekil 6.7. Paket yatakla ısı transferi için Glickman ve Decker’in elektrik benzeşimi. 63

Şekil 6.8. Belli zaman aralığında, belli noktaya değen parçacık teması 68

7

TABLOLAR LĐSTESĐ SAYFA

Tablo1. Kömürün temel yanma tepkimeleri 14

Tablo 2. cd’ nün Ret’ye bağlı değişimi 24

Tablo 3. Yatak basınç düşüsünün gaz hızı ile değişimi, akışkanlaşma rejim 39

bölgeleri

Tablo 4. Parçacık çapına bağlı olarak, parçacığın duvara temas mesafesi 68

ve ısı transfer katsayısı değişimi. (Lc: duvara temas mesafesi)

Tablo 5. Katı hacim oranı ile ısı transfer katsayısının değişimi 69

Tablo 6. Isı taşınım katsayısının öz kütleyle değişimi 69

8

SĐMGELER AÇIKLAMA

U :Akışkan hızı (m/s2)

Umf :Minimum akışkanlaşma hızı

Ut :Terminal hızı (m/sn)

Us :Sluggin başlama hızı (m/sn)

Uor :Ortalama akışkan hızı

∆P :Yatak basınç düşümü (kg/m.sn 2 veya N/m2)

Ret :Boru iç çapını esas alan Reynold sayısı

Rep :Tanecik çapını esas alan Reynold sayısı

D :Yatak çapı

Db :Kabarcık çapı

ρg :Gaz yoğunluğu (kg/m3)

ρp :Partikül yoğunluğu (kg/m3)

µ :Dinamik viskozite

cd :Sürtünme katsayısıdır

Nor :Birim alandaki orifis sayısı (1/m2)

dor :Orifiz çapı (mm)

dw :Duvar etkilerinin ihmal edilebildiği yükseklik

W :Yatak yüzdürücü ağırlığı (kgf, N)

Ab :Yatak kesit alanı (m2)

Aw :Isı transferinin gerçekleştiği yüzey alanı (m2)

εmf :Minimum akışkanlaşmada yatak boşluğu

εw :Yüzey yayınımı

εp :Partikül yayınımı

ε1 :Yerel boşluk

εf :Kabarcıklı akışkan yatakta boşluk fonksiyonu

εe :Emülsiyonun emisivitesi

g :Yer çekimi ivmesi (9,81 m/s2)

gc :Yer çekimi ivmesi düzeltme faktörü (kg.m/N.s2)

Hmf :Minimum akışkanlaşma yüksekliği (m)

H :Genişletilmiş yatak yüksekliği (m)

P1 :Yatak gitiş basıncı

P2 :Yatak çıkış basıncı

Lmf :Genleşmiş yatak yüksekliği (m)

Øs :Küresellik faktörü

Ø :Partikül şekil faktörü

mb :Kütlesel debi (kg/sn)

M :Yatak malzemesi kütlesi (kg)

Frmf :Minimum akışkanlaşma hızında Froude saysıı

9

dp :Partükül çapı (m)

db :Kabarcık çapı (m)

h :Isı transfer katsayısı (W/m2.K)

hw :Isı transfer katsayısı (W/m2.K)

hpc :Partikül taşınım ısı transfer katsayısı bileşeni (W/m2.K)

hgc :Gaz taşınım ısı transfer katsayısı bileşeni (W/m2.K)

hrad :Işınım ısı transfer katsayısı (W/m2.K)

hiletim :Đletim ısı transfer katsayısı (W/m2.K)

hwre :Emülsiyon fazda radyasyonla ısı transferi katsayısı (W/m2.K)

hwrb :Kabarcık fazında radyasyonla ısı transfer katsayısı (W/m2.K)

hwr :Duvar yatak arasında ışınımla ısı transferi katsayısı (J/m2.sn.K)

f0 :Kabarcığın yaladığı yüzey yüzdesi

σ :Stephan-Boltzman sabiti(W/m2K4)

kg :Gazın ısıl iletkenliği (W/m.K)

TB :Yüzey sıc.(K)

Tw :Yata sıc.(K)

∆T :Yatak ve ısı transferi yapılacak yüzey arasındaki sıcaklık farkı (K)

Q :Transfer olan toplam ısı yükü

Lb :Ortalama kabarcık uzunluğu (m)

Lsh :Balonlaşma yüksekliği

Lr :Yayılma yolunun ortalama uzunluğu (m)

cps :Sabit basınçta katının özgül ısısı (J/kg.K)

cpg :Sabit basınçta gazın özgül ısısı (J/kg.K)

ρs :Katının yoğunluğu (kg/m3)

δw :Ortalama film kalınlığı

δr :Stefan-Boltzman sabiti

k :Isıl iletkenlik katsayısı

b :Siklon giriş genişliği (m)

X :Duvardan olan mesafe (m)

Nu :Nusselt sayısı

Pr :Prandtl sayısı

10

1.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI KAZAN

1.1. Akışkan Yatak Teknolojisinin Tarihsel Gelişimi Akışkan yatağın ilk uygulaması Fritz Winkler tarafından 1922 yılında Almanya’da patenti

alınan ve 1926 yılında 13metre yüksekliğinde, 12m2 kesit alanındaki ilk yatak faaliyete

geçmiştir. Daha sonra 1928 de Stratton fışkırtmalı yatağı uygulamıştır. Lewis ve Gilliland

tarafından, Đkinci Dünya Savaşı yılları sırasında, yüksek oktanlı benzin üretiminde akışkan

yatak kullanılmıştır.[1]

Akışkan yatakta katı yakıt yakma işlemi ticari olarak 1953 yılında Fransa’da Godel tarafından

Activit ve Babcock-Atlantique firması için “Ignifluid teknolojisi” olarak bilinen ve yüksek kül

ve rutubet içeren taşkömürü taneciklerini yakmak için geliştirilmiştir. Ignifluid

teknolojisinden birkaç sene sonra akışkan yatakta yanma sırasında kükürdün girdiği çeşitli

tepkimeler konusunda yapılan bir araştırma, uzun süre bağlantısız bir literatür çalışması

olarak görülmüşse de, son 20 yılda akışkan yatakta kükürt tutulması en fazla işlenen

konulardan biri olmuştur.

Katı ve gaz karışımından meydana gelen akışkan yataklı kazan, kimya sanayisinde eskiden

beri kullanılmasına rağmen, kömür yakıcısı olarak 1970’li yıllardan itibaren petrol krizinin

sebep olduğu enerji açığını kapamak için düşük kaliteli yakıtların değerlendirilmesi amacıyla

çalışmalar arttırılmış ve kullanılmaya başlanmıştır. Zenz 1978’ de akışkan yatak

teknolojisinin kullanıldığı 100’den fazla alanı tespit etmiş, akışkanlaşmanın önemini,

endüstrin hemen hemen her dalına girmiş temel işlemlerden biri olduğunu vurgulamıştır.

Akışkan yataklı sistemlerin, çevre kirliliğini önleme özelliği de dikkate alınarak, bu yakıtların

daha verimli bir şekilde değerlendirilmesinde en uygun yakma sistemi olduğu kabul

edilmiştir. [2,3,4]

11

Şekil 1.1. Winkler Kazanı

1.2. Akışkan Yataklı Kazan Nasıl Çalışır ve Tanımlar

Akışkan yataklı kazan kısaca; sıvı ve gaz halindeki bir akışkan vasıtasıyla bir yatak

içersindeki katı taneciklere akışkan özellik kazandırılmasına denilmektedir. [5]

Bir kolon içerisinde yığılı durumda bulunan taneciklerin teşkil ettiği yatak bölgesine alttan

düşük bir hızla hava verilmeye başlandığında, taneciklerin yaptığı ağırlığından kaynaklanan

basınç havanın yaptığı basınçtan büyük olduğundan , hava, tanecikler arasındaki boşluklardan

yukarı hareket eder. Bu durum taneciklerin hareket etmediği konum olup “sabit yatak”

konumudur.

Akışkan hızı arttırıldıkça, hava, parçacıklara daha fazla kuvvet uygulayarak, parçacıkların

arasındaki yerçekiminden kaynaklanan kuvvetleri azaltır. Hız daha da fazla arttırıldığında,

parçacıkların üzerindeki kaldırma kuvveti yerçekimini dengeleyerek, yukarı doğru akan

havanın içinde parçacıkların asılı kalmasını sağlar. Artık, yatağı oluşturan parçacıklar akışkan

özellikleri sergilemeye başlamıştır ve bu durum “minimum akışkanlaşma” koşulu olup, bunu

sağlayan gaz hızı da “minimum akışkanlaşma hızı”dır. [6]

12

Bu noktadan sonra akışkanın hızı arttırılsa bile basınç düşüşü değişmez. Ancak bu esnadan

tanecikler arası sürtünmeden kaynaklanan bir histerisis görülür. Sonucunda da basınç düşmesi

ile bir miktar hızda azalma görülür. Eğer akışkan hızı düzgün bir şekilde azaltılırsa yatak

yerine oturana kadar sürtünme kuvvetleri olmadığından bu olay görülmez.

Şekil 1.2. Akışkanlaşma

“Homojen akışkan” veya “sıvı akışkan” yatak; akışkan hızı artırılmaya devam edilip ve

akışkanın sıvı fazda olması halinde yatak düzgün bir genişleme gösterir yani kabarcıklanma

olmaz. Bu tür yataklar homojen akışkan yatak olarak adlandırılır. “Heterojen akışkan” veya

“kabarcıklı akışkan” yatak ise; verilen akışkanın gaz fazında olması ve hızın artırılması ile

yatak yüksekliği değişmediği gibi yatakta kabarcıklanma oluşur. Bu oluşumun en büyük

dezavantajı, derin yataklarda, gaz kabarcıkları yukarı doğru yükselirken birleşirler ve

üzerlerinde kalan katı tanecikleri alttakilerden ayrılarak verimin ve ısı transferinin azalmasına

neden olurlar. Gaz kabarcıklarının patlaması ile birlikte katı tanecikler yukarı doğru harekete

geçer ve önce küçük tanecikler ardında da büyük tanecikler yatak dışına çıkarlar. Bu olayın

oluşumunu sağlayan akışkan hızına “çıkış hızı” veya “terminal hız” denir.[7]

1.3. Akışkan Yataklı Kazanların Avantajları ve Dezavantajları

Her sistemde olduğu gibi Akışkan Yataklı Kazanlarında avantajlı olduğu ve dezavantajlı

olduğu taraflar bulunmaktadır.

13

1.3.1. Akışkan Yataklı Kazanların Avantajları

1. Akışkanlaştırılmış katıların, sıvı gibi davranmaları bu tekniğin çeşitli alanlarda

uygulamasını sağlamaktadır. Bir sürece bağlı değişkenlerin otomatik olarak kontrolü

iş gücünü, dolayısıyla maliyeti azaltmaktadır.

2. Yatakta mükemmel bir karışım oluşmaktadır.

3. Yatak sıcaklığının kontrolü sağlamak kolaydır.

4. Yatak kontrolünün sağlanması ile; mükemmel bir karışım sebebiyle yatakta homojen

bir sıcaklık dağılımı oluşabilecektir, yatağın ısıl kapasitesi yüksektir.

5. Yakıt oksijen ile çok iyi temas halindedir.

6. Yatak içindeki yüksek ısı transfer katsayıları nedeniyle ısı transfer yüzeyleri

konvansiyonel sistemlerden %30 – 40 daha az olup yanma odası hacmi küçültülmüş

ve yatırım masrafları azaltılmıştır.

7. Külün ergime noktasının altında bir sıcaklık oluştuğu için kekleşme ( küllerin ergiyip

birbirlerine yapışması ) meydana gelmeyip, ölü bölgeler oluşmamaktadır.

8. Yanmamış tanecikler siklonlarda tutulup tekrar yatağa geri beslenerek yanma verimi

% 99’ a kadar çıkartılmaktadır.

9. Yatak sıcaklığı karalıdır. Birim hacmin ısı transfer düzeyi yüksektir.

10. Yüksek ısı transfer katsayıları elde edilmektedir.

11. Diğer yakma sistemlerine göre boyutu küçüktür.

12. Yanma verimi yüksektir. Büyük kapasiteli sistemler için uygulanabilmektedir.

13. Akışkan yataklı yakma sistemlerinde, bir yatağın kararlı olabilmesi için, içindeki

kömür oranının %1 olması yeterlidir. Ancak; bu oran yataktaki kömürün ısıl değerine

bağlı olarak %1 - %5 oranında değişmektedir.

14. Düşük kalitedeki yakıtların yani yüksek kükürt ve kül içeren yakıtların yüksek verimle

yakılması çok uygundur.

15. Akışkan yataklı yakma sistemlerinde yatak sıcaklığı 750 – 950 °C arasında

değişmektedir.

16. Yatak sıcaklığının düşük olması ile havanın azotu yakılmamakta NOx emisyonları

çıkmamaktadır.

17. Alkali metal buharlarının oluşması azaltılmıştır. ( Bu durum ısı transfer yüzeyleri ve

türbin kanatları için bir tehlike arz etmektedir. )

14

18. Yatak malzemesine kireç taşı, kireç, dolamit vb. malzemeler konularak SO2

emisyonlarının tutulması mümkündür.

19. Kömür boyutları pulverize kömür boyutlarından büyük olduğu için yakıt hazırlama

maliyeti düşüktür.

20. Akışkan yataklar yükse ısı kapasitesi ve tutumu ile çok iyi ısı depolama kapasitesine

sahiptir.

21. Akışkan yataklı kazanın devreye girmesi kısa zaman almaktadır.

1.3.2. Akışkan Yataklı Kazanların Dezavantajları

1. Akışkan yataklı sistemlerde, yatak içindeki ısı transfer yüzeyleriyle aktif yatağın

hemen üzerindeki bölgede yer alan yatay geçişli ısı transfer boruları erozyondan

etkilenmektedirler.

2. Yüksek gaz geçiş hızlarında taneciklerin sürüklenmesi yanma verimini

azaltabilmektedir.

3. Kabarcıklar karışmayı artırmalarına karşın reaksiyona girmeden de yatağı terk

edebilmektedirler.

4. Sıcaklık yüzünden tanecik çapları küçülebilmektedir. Bu da yatak içerisindeki tane

çapının değişmesine sebep olmaktadır.

5. Yatağın ısıl kapasitesi yüksektir. Bu da yük kontrolünü zorlaştırmaktadır.

6. Đlk tasarım güç ve pahalıdır.

7. Kül boşaltma işlemi yapılması gerekmektedir.

8. Sürekli kömür ve kireç taşı beslemesi yapılmalıdır.

9. Đlk yatak sıcaklığını oluşturabilmek için ön ateşleme yapılması gerekmektedir.

10. Isı çekişinin aktif bölge ve serbest bölge arasında dağılımını sağlamak gerekmektedir.

11. Üretilen elektriğin bir kısmı aspiratör, vantilatör/kompresör tarafından

kullanılmaktadır.

15

2.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA

SĐSTEMLERĐNĐN SINIFLANDIRILMASI 2.1. Yakma Sistemleri Yakma sistemleri, yüzey üzerinde(ızgarada), hacimde yakma ve akışkanlaştırılmış yatakta

olmak üzere 3 ana gruba ayrılmaktadır.

Yüzey üzerinde yakmada hava-yakıt karışımının sağlanamaması, külün yataktan

uzaklaştırılamaması, oluşan ısının yataktan aktarılması zor olması; hacimsel yakmada ise

tozlaştırılmış yakıt yanma odasına verilmekte, yakıt tanecikleri hava ile taşınım durumunda

bulunmaktadır, bu yakma sisteminde düşük kaliteli yakıtların yakılamaması ve zararlı

emisyonların oluşmasını sağlayan ortamlar sebepleri ile başka yakma sistemlerinin

geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Akışkan yataklı yakma sistemleri bu amaçlar doğrultusunda

ortaya çıkmıştır.

Akışkan yatak yaklaşık %5 yakıt, %95’ i ise ısı depolama özelliğindeki yatak malzemesinden

oluşmaktadır. Yatakta depolu bulunan büyük boyuttaki ısı, yatak kararsızlığı ve

türbülansından kaynaklanan yoğun ısı aktarımı sebebiyle yanmayı zorlaştırmayacak şekilde

kolayca çözümlenebilmektedir. Yatak sıcaklığı 850°C - 900°C tutularak NOx oluşumu; CaO

eklenmesiyle SO2 emisyonlarının oluşumu önlenmektedir.[8]

2.2. Akışkan Yatak Yakma Sistemi

Akışkan yatakta yakma sistemleri başlıca 3 gruba ayrılır. “Kabarcıklı Akışkan Yatak”,

“Basınçlı Akışkan Yatak” ve “Dolaşımlı Akışkan Yatak”.

16

2.2.1. Kabarcıklı (Atmosferik Basınçta Çalışan) Akışkan Yatak

Kabarcıklı akışkan yataklar, atmosferik basınçlı akışkan yataklar, ilk ortaya çıkan ve yaygın

olarak kullanılan akışkan yatak tipidir [9]. Kabarcıklı yakma sistemi genel olarak yanma

havasını sağlayan bir hava üfleyici düzenek sistemi, yanma havasını homojen olarak dağıtan

dağıtıcı elek, kömür besleme ve kül boşaltma sistemleri, yatak ön ısıtma sistemi, ısı transfer

boruları, baca gazı aspiratörü ve sistemden çıkacak tozların tutulmasını sağlayacak siklon,

filtrelerden oluşmaktadır.

Isı çekimi hem aktif yatak hem de serbest bölgeden yapılabilmektedir [10]. Akışkan yatağın

birim hacmindeki ısıl kapasite, sıcak gazların birim hacmindeki ısıl kapasitesinden 1000 kat

kadar daha fazla olduğundan aktif bölgedeki ısı transfer yüzeylerinde, serbest bölgedeki ısı

transferine göre 6-7 kat daha fazla ısı çekilebilir. Ancak, aktif yatak ve serbest bölgeden ısı

çekme oranları yatak tasarımına ve kullanılan kömür cinsine göre değişir. Yüksek uçucu

madde içeren kömürlerde aktif yatak bir gazlaştırıcı olarak görev yapmakta ve açığa çıkan

gazların yanması daha ziyade yatağın üst kısmı ve serbest bölgede olmaktadır[11].

Kabarcıklı akışkan yatakta, minimum akışkanlaşma koşullarını sağlayan gaz debisinin

arttırılmasıyla, yatak içerisindeki kabarcıklar ortaya çıkar. Kabarcıklar, taneciklerin yatak

içerisinde dolaşımını sağlayarak, katı taneciklerin, yakıcı içerisinde mükemmel bir şekilde

karışmasını mümkün kılmaktadır. Taneciklerin bir bölümü hava kabarcıklarına takılarak, hava

hızı ile aynı hızda yatak içerisinde yükselmektedir. Kabarcık ile sürüklenen tanecikler yüzeye

eriştikten sonra geri dönmektedirler. Bu sistem düşük hızda çalıştığı için, negatif bir hız söz

konusu olacaktır. Eğer hız çok fazla olursa tanecikler yataktan uzaklaşır. Katı-gaz karışma

işleminde yatayda bulunan ısı transferi borularına ısı aktarımı, taneciklerin taşınımı,

püskürtme bölgesindeki erozyon ve kabarcık hızı büyüklüğünden doğrudan

etkilenmektedir[9].

Kabarcıklı akışkan yatakta, yatak besleme sistemlerinin bazılar pnömatik yatak altı veya yatak

üstü besleme yayıcı (bunker) biçiminde olmaktadır. Pnömatik yatak altı besleme sisteminde

kömür ve kireçtaşı birlikte beslenmektedir. Yatak üstü beslemede kömür taşı ilgili

bunkerlerden kayışlı konveyörler ile taşınarak yatak üstü besleyiciler yardımı ile yanma

odasına yayılmaktadır. Yayıcı besleyiciler genel olarak dağıtıcı eleğin yaklaşık 3m. Üstünden

17

yanma odası duvarlarına monte edilmektedir. Yanma veriminin arttırılması için yakma havası

bir hava ısıtıcısında 90°C -200°C kadar ön ısıtma yapıldıktan sonra yatağa gönderilir. Taşınım

ve aktarım yüzeyleri çıkışındaki yanma gazı sıcaklıkları 500°C -600°C dolayında olmaktadır.

Yanma gazları besleme suyu ön ısıtıcılara(ekonomizer) ve yakma havası ön ısıtıcılara oradan

da toz tutuculara(siklon, multisiklon, torba tutucular) gelmektedir. Baca girişinde baca gazı

sıcaklığı 200°C dolayında olmaktadır. Toz tutucu dirençlerin karşılanması için aspiratör

kullanılmaktadır. [12]

Şekil 2.1. Kabarcıklı akışkan yatakta yakma sistemi

2.2.1.1. Kabarcıklı Akışkan Yatakların Başlıca Đşletme Özellikleri

• Akışkan hızı düşüktür ve 1m/sn ile 3m/sn dolaylarındadır.

• Yatak içerisinde boru ısı aktarım demetleri bulunması durumunda yatak yüksekliği 1,2

ile 1,5 m. arasında değişmektedir.

• Yakıt besleme yatak üstünden ve yatak altından olabilmektedir.

• Yakıt malzemesi tanecik çapı,dolaşımlı akışkan yatağa kıyasla daha büyüktür.

18

• Sistemin belirli yatak yüksekliğinde çalıştırılmaması durumunda istenmeyen bazı

sonuçların meydana geldiği görüşmüştür.

• Düşük kaliteli yakıtların yakılması durumunda yanma verimi düşmektedir.

• Yanma verimi ve kükürt tutma etkinliğin artırılabilmesi için büyük oranda uçucu kül

alınması gerekmektedir. Kabarcıklı akışkan yatakta is bu işlem için karmaşık bir

sistem gerekmektedir.

2.2.2. Dolaşımlı Akışkan Yataklı Kazan

Dolaşımlı akışkan yatak yakma sistemleri yüksek akışkanlaşma hızlarında çalışan bir

sistemdir. Kabarcıklı akışkan yatakların sadece min. ve max. akışkanlaşma hızları arasında

değişen hava hızlarında çalışmasına karşın, dolaşımlı akışkan yatak kabarcıklı akışkan

yataklarda olduğu gibi max. akışkanlaşma hızlarının ötesindeki hızlarda çalışmaktadır. Max.

akışkanlaşma hızlarının ötesindeki hızlarda, yatak içerisindeki tanecikler yatak dışına

sürüklenirler ve siklon toplayıcıda sıcak gazlardan ayrıştırılarak yanma odasına geri

beslenirler. [13]

Dolaşımlı akışkan yatak sistemi başlıca; yakıcı kolon, siklon, dolaşım sistemi, baca gazı toz

tutucuları, yanma havası fanları, yakıt ve kireçtaşı besleme sistemlerinden oluşmaktadır.

Dolaşımlı akışkan yataklarda akışkanlaşma hızı, atmosferik basınçta çalışan kabarcıklı

akışkan yataklarda uygulanan 3-4 m/sn’lik hızlardan daha fazla olup boş kolon gaz hızı 7-10

m/sn’lik kadardır. Bu yüksek hız ile yanmamış kömür tanecikleri siklonlar vasıtasıyla yatağa

geri beslenmektedir. Bu sebeple yatak içinde, aktif ve serbest bölge ayrımı yapılamamaktadır.

Yatak içinde taneciklerin çok yoğun ve çok seyrek olduğu bölgeleri birbirlerinden ayıran

belirgin yüzeyler yoktur. Kolon gaz hızı, tanecikleri rahatlıkla sürükleyebilmekte, yani

operasyonel hız terminal hızdan yüksektir. Yatak içi tanecik yoğunluğunun sıfıra düşmemesi

için sürekli yüksek kapasiteli bir siklonla geri besleme yapılması gerekmektedir. Gaz hızı çok

yüksek olduğu için yatay geçişle ısı aktarım boruları kullanılmamaktadır. Ancak, gaz ve

tanecik hızları arasındaki farkın fazla oluşu ısı aktarım katsayısını pozitif yönde

etkilemektedir.

19

Dolaşımlı akışkan yatak, hem ısı değişimini gerçekleştirmekte, hem de geri dolaşım miktarını

ayarlamaktadır. Isı geçiş yüzeyleri konvektif kolonla, siklon ve yakıcı kolonun üst bölgesinde

yer almaktadır. Dolaşımlı akışkan yataklarda kullanılan kireç taşı taneciklerinin küçük olması,

bir başka deyişle birim ağırlık başına kireç taşı yüzey alanının çok olması, SO2 – Kireçtaşı

reaksiyonunu önemli ölçüde olumlu yönde etkiler. Böylece Ca/S molar oranı teorik limite,

yani 1’e yakınlaşırki, bu değere en çok yaklaşan akışkan yatak tipi, dolaşımlı akışkan yatak

tipidir. [14] Aşağıda kireç ve dolamit ile SO2’nin akışkan yatakta bağlanması ile ilgili

reaksiyonlar verilmiştir:

CaO(k) + SO2(g) → CaSO4(s)

CaO + MgO(k) + SO2 + 1/2 O2(g) → CaSO4 + MgO

☼ SO2 tutulması düşük sıcaklıklarda yavaş gerçekleşmekte.Yüksek sıcaklılarda ise reaksiyon

ters yönde gerçekleşmektedir. En uygun sıcaklık derecesi 850°C’dir.

Şekil 2.2. Dolaşımlı akışkan yatakta yakma sistemi

20

Şekil 2.3. 75 ton/h buhar kapasitesinde dolaşımlı akışkan yataklı kazan

2.2.2.1. Dolaşımlı Akışkan Yatak Yakma Sistemlerinin Özellikleri

• Akışkan yatak yüzeysel gaz hızı 3-9 m/sn veya 4-12 m/sn dolayında akmaktadır.

• Yatak üst yüzeyi belirsizdir.

• Yatak boşluk oranı, 0,85-0,99 arasındadır.

• Ca/S oranı 1,4 ile 2,2 arasında değişmektedir. %5 S oranlı kömürde kükürt tutma oranı

%90 dolaylarındadır.

• NOx oluşumu 50 ile 200 ppm dolaylarındadır.

• Yatak içinde şiddetli türbülans ve kütlesel karışım oluşmaktadır.

2.2.3. Basınçlı Akışkan Yatak Yakma Sistemi

Bu tür akışkan yataklı kazanlar yüksek basınçta çalışmakta 5 – 20 atm arasında

çalışmaktadırlar. Bu sistemler güç üretimi için daha yüksek verimlilik vermesi açısından

önemlidir. Yüksek basınç altında; yanmada yanma verimi iyileşmekte, ısı transferi

katsayılarının ısı aktarım yüzeylerinin artması ile yakma sisteminin boyutları küçülmekte,

daha kaliteli bir akışkanlaştırma sağlama, bileşik gaz ( gaz-buhar) ve buhar türbini

21

kullanılması ile ısı transfer yüzeylerine gereksinimi azaltma ve SO2 - NOx yayınımını azaltma

gibi avantajlar bu tip akışkan yatak tipinde mevcuttur.

Şekil 2.4. Basınçlı tip akışkan yatakta yakma sistemi

Basınçlı akışkan yatak yakma sistemleri düşük kaliteli yakıtların yatırım, enerji ve işletme

ekonomisi yönünden daha uygun olan gaz ısıl – güç çevrimlerinde ( gaz türbinli ısıl – güç

santrallerinde ) doğrudan kullanılması imkanı yaratmaktadır. Basınçlı akışkan yataklar bir

yandan gaz çevrimi için yüksek basınç yanma gazı üretirken diğer yandan da buhar çevrimi

için kızgın buhar üretmektedirler. Bu tür bileşik ısı – güç çevrimleri ile buhar ısıl güç çevrimi

verimlerinin çok üzerinde verim elde etme olanağı doğmaktadır. Dünyamızdaki enerji dengesi

gittikçe azalan birincil enerji kaynakları üzerinde özellikle düşük kaliteli yakıtlara dayanacağı

göz önünde tutulursa bu tür sistemlerin çevre sorunları yaratmadan elektrik enerjisi

gereksinimini karşılamadaki gücü açıkça ortaya çıkmaktadır.

Basınçlı akışkan yatak yakma sistemi, atmosferik basınçlarda olduğu gibi sabit akışkan yatak

veya dolaşımlı akışkan yatak biçiminde oluşturulabilir. Bu yakıcının en önemli elemanı

siklondur. Siklonların katı tanecikleri etkin bir şekilde tutması gerekmektedir. Sıcak gazla

22

yakıcıyı terk eden gazlar içerisindeki tanecikler, gaz türbini kanatlarında zararlı etki

yapmamalıdır.

Birim alan başına üretilen ısıl enerji, basınca bağlı olarak yükselmekte, verimi ≈%4 civarında

iyileştirmekte ve ortalama verimi en yüksek %40 civarında sunmaktadır. Basınçlı akışkan

yatak günümüzde pilot tesis kademesini aşmış, endüstriyel çapta hem buhar hem de elektrik

enerjisi üretiminde çalışmalara başlanmıştır.

23

3.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA

SĐSTEMLERĐNĐN OPERASYON ÖZELLĐKLERĐ

3.1. Yanma Verimi

Yanma verimi denildiğinde; yataktan açığa çıkan ısı miktarının, yatağa verilen katı yakıtın

içerdiği ısı potansiyeline oranı olarak algılanabilir. Yanma verimine etki eden temel faktörler

ise; yatak sıcaklığının derecesi, verilen hava miktarı, katı yakıtın tane boyutu, kömürün türü

ve yatak boyutlarıdır. Akışkan yatakta yakılan katı yakıt taneciklerinin çok küçük ve

akışkanlaştırıcı hava debisinin çok yüksek olması durumunda, bir miktar yanmamış karbon

da, akışkan yataktan dışarıya atılan baca gazı ile birlikte sürüklenir. Ayrıca, yakıtın içerdiği

karbonun bir kısmı da, külün içerisinde kalabilir ve yine oluşan yanıcı gazlar yatak içinde tam

yanmaya uğramadan dışarıya atılarak yanma verimi %100’ün altında kalabilir. Gerçekte

yanma veriminin yatak sıcaklığı ile doğru orantılı olduğu belirtilmekle birlikte uygun yatak

sıcaklığının uygulanması ve karbonun yeterince değerlendirilmesi ile yanma verimi %97 -

%99 arasında değişmektedir.

Aşağıdaki çizelgede kömürün yanma tepkileri gösterilmektedir.

Proses Tepkimeler Tepkimenin

başlama sıcaklığı

Kömür karbonizasyonu Kömür→yarı kok+uçucu maddeler 375oC

Uçucu maddelerin yanması Uçucu maddeler+O2→CO, CO2, H2O 425oC

Yarı kok yanması C+O2→CO+CO2 500oC

CO yanması 2CO+O2→2CO2 575oC

Hidrojen yanması 2H2+O2→2H2O 555oC

C/H2O gazlaşması C+H2O→CO+H2 850oC

C/CO2 gazlaşması C+CO2→2CO 900oC

Tablo1. Kömürün temel yanma tepkimeleri.

24

“1” no’lu tepkime için; kömür taneciği sıcak bir ortamla karşılaştığında ilk olarak yüzey

nemini, sonra bünye nemini serbest bırakmaktadır. Taneciğin sıcaklığı arttıkça bünyesindeki

uçucu maddeleri (~450°C, tane çapına göre 10-100 sn.) salmaktadır. Uçucu madde ortamdaki

oksijenle reaksiyona girer, sıcaklık ve oksijen miktarına bağlı olarak alev teşekkül etmektedir.

Alev başlangıçta kömür taneciğine belli bir mesafededir ve tanecik yüzeyine doğru

yaklaşmaktadır. Bu sırada ısınmaya devam eden taneciğin yüzey sıcaklığı tutuşma sıcaklığını

geçmektedir. Uçucu madde yanması sona ermiş ve sabit karbon yanması başlamıştır. Sabit

karbon yanması da, kömür yapısında yanıcı madde kalmayıncaya kadar devam etmektedir.

“2” no’lu tepkime için; kömürün %40 kadar ısıl kapasitesi uçucu madde kaynaklıdır. Kömür

besleme ve kömür cinsine göre uçucu maddenin tam yanma ve yanmanın meydana bölgeler

değişmektedir. Kömürün oksijensiz bir ortamda ısıtılması durumunda, 350-400°C arası

karbonca zengin artık ve hidrojence zengin uçucu fonksiyonlarına bozunmaya başlar.

Bozunma, sıcaklık tipik olarak 950°C civarına erişinceye kadar devam eder. Uçucu madde

yanmasının önce başladığı ve asıl serbest bölgeyi etkilediği, yarı kok yanmasının ise bundan

sonra başladığı ve esas olarak aktif yatağı etkileyici yönde geliştiği görülmüştür. Akışkan

yatakta uçucu madde yanma süresinin “dn” (n = yatak sıcaklığının artmasına ve çeşitli kömür

tiplerine bağlı olarak 0,3-1,8 arasında bir değer almıştır) formülü ile orantılı olduğu tespit

edilmiştir. Akışkan yatakta yakılacak kömürlerde, uçucu maddelerin rutubed içeriği göz

önüne alınarak, besleme noktasının konumunu belirlemek ve uçucu maddelerin yatak içinde

kalarak yanmalarını sağlamak için eksenel yönde olduğu kadar radyal yönde de çok iyi bir

karışımın koşullarını yaratmak gerekmektedir.

Yukarıdaki tepkimeleri incelediğimizde; “2” ve “5” no’lu tepkimeler termodinamik açıdan

2000 °C’ den düşük sıcaklıklarda tersinmez tepkimelerdir. “6” ve “7” no’lu tepkimeler ise

850 – 900 °C’de tersinir tepkimelerdir. 700 °C’de “1” no’lu tepkimeden “5” no’lu tepkimeye

kadar olan tepkimeler yanmada etkin rol oynayan tepkimelerdir. 850 – 900 °C’de “6” ve “7”

no’lu tepkimelerin yanı sıra, diğer tepkimelerin de hızları artar. Bu nedenle yanma verimi

yüksek sıcaklıklarda daha yüksektir. ( °C ~ η )

Yukarıda da daha önce belirtildiği gibi kömür yakan konvansiyonel sistemlerde yanma verimi

%99’ a kadar çıkmakta olup; bu nedenle akışkan yatakta kömür yakma veriminin de bu

değere yaklaşması istenmektedir. Ancak, normal koşullarda bir tek akışkan yatak kullanarak

25

bu verime ulaşılması pratik olarak mümkün olmamaktadır. Yani, çok yüksek yanma verimi

istenildiği zaman, sisteme geri besleme yapılması (siklon vb.. ) veya daha yüksek sıcaklıkta

yanmayı sürdüren ikinci bir yatak ilave edilmesi gerekmektedir.

3.2. Yanma Sıcaklığı

Akışkan yatakta yanma sıcaklığının yüksek olması, yanma verimi ve buhar üretimi

bakımından arzu edilen bir durumdur. Çalışmalar kömür yakan akışkan yataklarda sıcaklığın

teorik olarak 2200 °C’a kadar çıkabileceğini göstermektedir. Ancak, akışkan yatakta çalışma

sıcaklığı katı yakıtın özelliklerine de bağlı olup genelde 950 – 1000 °C ile sınırlıdır. 1000

°C’nin üstündeki sıcaklıklarda havanın azotu, azot oksitlere dönüştüğünden NOx emisyonları

artarak hava kirliliğine sebep olur. Ayrıca, sıcaklığın 1000 °C ‘ın üzerinde çıkması

durumunda alkali metal sülfat ve klorürlerin buhar basınçları yükselerek korozyon, paslanma

ve erozyonu artırmaktadır. Kükürdün akışkan yatakta kireç, kireç taşı veya dolomit gibi

malzemeler ile tutulması optimum verimde 825 – 875 °C ‘ de görülmektedir. Sıcaklığı

etkileyen bir diğer sebep ise kül yapışmasıdır. Tanecik sıcaklığı ortalama yatak sıcaklığından

daha yüksek olduğundan kül yapışma sıcaklığının çok altında olsa bile, yapışma ve yığışma

görülmektedir. Yapılan çalışmalar yatak yanma sıcaklığının üst sınırının, kül yapışma

sıcaklığının 250 °C altında olması gerektiğini göstermiştir. Yani katı yakıtın fazla miktarda

kül içermesi de çalışma sıcaklığını sınırlandırabilir. [15,16]

26

4.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI YAKMA

SĐSTEMLERĐNĐN TEMEL ELEMANLARI

Bir akışkan yataklı yakma sistemi, (üfleme) hava dağıtım düzeneği (birincil hava, ikincil

hava), ön ısıtıcı, dağıtıcı elek, kömür ve kireçtaşı besleme düzeneği, kül boşaltma düzeneği,

ısı çekişi için ısı transfer boruları, siklon ve filtreden oluşmaktadır.

Hava sisteme bir üfleç (fan,kompresör) vasıtasıyla verilmektedir. Kömür yatağa verilmeden

önce, yatağın kömürün yanma sıcaklığına kadar ısıtılması gerekmektedir. Bu sıcaklığın

sağlanması; ya havanın yatak dışarısında ısıtılarak yatağa basılması ile yada havanın yatak

içerisinde brülör vasıtasıyla yatağa doğalgaz, mazot, propan gibi yanıcı madde ile

karıştırılarak, karışımın yatak malzemesi ile yakılarak veya brülörle yatağın üstünde bir alev

oluşturması ile de sağlanabilir. Hava, dağıtıcı elekler vasıtasıyla düzgün bir akışkanlaştırma

sağladığı gibi yatak malzemesinin de taşınmasını sağlamaktadır.

Kömür, kireç taşı ile karıştırılarak yatağa verilir ve hava vasıtasıyla karışım sağlanır. Besleme

noktalarının yerleri, kömür özelliklerine ve işletme parametrelerine uygun olarak seçilmelidir.

Sistemde oluşan ısı kömür özelliklerine de bağlı olarak ya aktif yatak içerisinden ve/veya

serbest bölgeden çekilmelidir. Örnek olarak yüksek kül içeren kömür yatakta yakıldığında

oluşan kül miktarı fazla olduğu gibi külün ısı iletim katsayısı düşük olduğu için yatak

sıcaklığını korumak amaca ile ısı serbest bölgeden çekilir. Ancak bu tip kömürlerde oluşacak

bir sorun da göz ardı edilmemelidir; külün ısı transfer katsayısı düşük olduğu için bu ısı

alınamazsa kül sinterleşerek boşaltma sistemlerinin tıkanmasına neden olabilir. Bunun için

farklı metotlar ve kazan elemanları yerleştirilebilir. Örnek olarak dışarıdan külün arasına

verilen bir hava vasıtası ile soğutma sağlanabilir.

27

Şekil 4.1. Akışkan yatak kesiti-3D. Üfleç, yakıt besleme, düşey ısı transfer boruları, kül alma. (Babcock & Wilcox)

4.1. Hava Dağıtım Sistemi

Akışkanlaşmayı sağlayacak hava, aynı zamanda yanma havasıdır. Havayı basan üfleyici;

gerekli olan yani yapılması planlanan akışkanlaşma hızını sağlayacak kapasitede olmalıdır.

Akışkan yataklı bir yakıcıda, hava temin sisteminin devre dışı kalması durumunda, onarımının

çok uzun sürmesinden kaynaklanan kül yapışması önlenmelidir. Bu amaçla, yedek hava temin

sisteminin projelendirilmesi gerekmektedir.

28

Şekil 4.2. Hava dağıtım sistemi dağıtıcı eleğin tasarlanmış şekli

4.2. Hava Ön Isıtıcısı

Hava sisteme çevre sıcaklığında gönderilemeyeceği için, ya artık gazlarının ısısından

faydalanarak ekonomizerden geçirilerek yada yakıcı tarafından ısıtılarak sisteme gönderilir.

Hava sıcaklığı, rüzgar odasının ve özellikle de dağıtıcı eleğin termal gerilmelere maruz

kalmayacak şekilde olmasına dikkat edilmelidir. Bu gerilmelerin olmaması için bazı

sistemlerde soğutma dahi yapılmaktadır.

4.3. Yakma Hava Sistemi

Primer ( birincil ) ve sekonder ( ikincil ) hava olarak iki tipdir.

4.3.1. Primer Hava

Primer hava atmosferden santrifün fan ile sağlanabilir. Atmosferden çekilen hava, hava

kasasından ızgaraya geçer ve yatağa ulaşarak akışkanlaştırmayı ve yanmayı sağlar.

Gerekli primer hava miktarı giriş kanalındaki Ventüri ile ölçülür ve frekans konvertörü ile fan

devri ayarlanarak sağlanır.

29

Malzemenin nozullardan akışını önlemek için ve yatağı akışkanlaştırmak için asgari bir akışın

olması gereklidir ve düşük yüklerde akış miktarı değişemez

4.3.2. Sekonder Hava

Sekonder havada atmosferden bir fan ile alınabilir ve ızgaranın1,5 – 3,0 m. üstünden yanma

odasına girer. Daha önce bahsedilmiş olan aşamalı yanmanın son aşamasını sekonder hava

sağlar ve böylece NOx oluşumunu önleyen havadır.

Aynı zamanda buhar kazanı devreye alınırken brülör için gerekli yanma havasını sağlar.

Normal çalışma şartlarında da brülörü soğutmak ve tıkanması sürekli küçük bir hava akışı ile

sağlanır.

Gerekli sekonder hava miktarı giriş kanalındaki Ventüri ile ölçülür ve frekans konvertörü ile

fan devri ayarlanarak sağlanır.

Şekil 4.3. Dolaşımlı tip akışkan yataklı yakma sistemindeki elemanlar

30

4.4. Dağıtıcı Elek

Akışkanlaşma kalitesini belirleyen en önemli etkenlerden birisi olması nedeniyle, dağıtıcı elek

tüm yatak boyunca tekdüze ve kararlı bir akışkanlaşma sağlamasına yardımcı olmalıdır.

Yatağın işletmesi süresince yatak malzemesi, yakıt malzemesi dağıtıcı eleğin altına

düşmemelidir. Elek yüksek sıcaklıklardaki ısıl gerilmelere ve korozyona karşı dayanıklı

olmalıdır. [26]

Dağıtıcı elek malzemenin metalik ve seramik olması söz konusu olabilir. Her iki malzemenin

kendine göre avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Seramik malzeme korozif gazlara ve

çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmakla birlikte ısıl şok ve genleşmelere karşı çok

duyarlıdır. Isıl gerilmelere dayanıklılığı ve ucuz olması nedeniyle metalik malzemeler genelde

tercih edilmektedir. [23]

Delikler arası mesafe çok az olması durumunda dağıtıcı elek yakınlarında kabarcık

büyümesine ve bunun sonunda kanallaşmaya neden olmaktadır. Bu olay akışkanlaşmayı

bozmaktadır.

Şekil 4.4. Nozul tipli elek tasarımı

Dağıtıcı eleklerin çeşitli uygulama biçimleri Şekil 4.5 de gösterilmiştir. Şekil 4.5 (a) da

verilen dağıtıcı elek düz delikli levha veya elek telinden oluşmaktadır. Bu tip elekte gaz

kesildiğinde tanecikler elek altına düşebilmektedir. Endüstriyel boyuttaki uygulamalarda,

tasarım ve yapı kolaylığı, uygun gaz dağılımı sağlaması nedeni yatak malzemesinin elek

altına düşmesinin önlenmesi için genelde (b) türü dağıtıcı elek kullanılmaktadır.

31

Büyük kapasiteli yataklarda düz plakalar aşınma, ısıl gerilim ve korozyon nedeni ile aşırı

biçimde yıpranmaktadır. Bu sorunların çözümüne yenilik olarak kavisli dağıtıcı eleklerin (c,

d) uygulamasına geçilmiştir. Böylece ısıl gerilmelerin azıldığı, kabarcıklaşmanın ve

kanallaşmanın daha çok yatak merkezinde olduğu görülmüştür.

Đki levha arasında dolgu maddesi bulunduran (e) türü elek tasarımı iyi hava dağılımı ve soğuk

gaz girişi ile sıcak yatak arasında ısısal izolasyon sağlaması bakımından uygun olmaktadır.

Izgara türü elek (f) temelde delikli levhanın özelliklerine sahiptir. Ancak sağladığı gaz

dağılımı diğer türler kadar düzgün olmamaktadır. Lüle tipi (g) ve şapkalı tip (h) dağıtıcı

elekler taneciklerin yataktan aşağı düşmesini önlemek için kullanılmaktadır. Çok daha pahalı

olmalarına karşılık sağladıkları gaz dağılımları (b, c) gibi olmamaktadır. Filtreli tip (i) dağıtıcı

elek (g, h) türlerine kıyasla daha iyi gaz dağılımı sağladığı görülmektedir. Borulu ızgara türü

dağıtıcı elekler (j) ısı yalıtımı istendiği durumlarda uygulaması daha uygun olmakla düzensiz

akışkanlaşma, küçük basınç kayıpları başlıca sorunları oluşturmaktadır. Çevresel karışım

lüleli akışkanlaşma uygulaması (k, l) de gösterildiği gibi olmaktadır. [23]

4.4.1. Dağıtıcı Elek Tipleri

Başlıca kül, kum veya kireçtaşı olabilmektedir. Akışkan yataklı yakıcıda herhangi bir andaki

kömür miktarı tüm akışkanlaşan katıların ağırlıklarının %1-5’i mertebesindedir. Bu limit,

kömürün ısıl değerine, yatağın sönmesine, kekleşmeye ve yüke bağlı olarak değişmektedir.

Şekil 4.5. Dağıtıcı elek tipleri

32

4.4.2. Dağıtıcı Elek Tasarımı

Dağıtıcı elekteki basınç düşümünün toplam yatak boyundaki toplam basınç düşümünün

yaklaşık %10’u oluşturduğu ve dağıtıcı elekteki minimum basınç düşümü ∆Pdmin’in yaklaşık

35cm su sütunu dolayında bulunduğu literatürde aşağıdaki biçimde verilmektedir. [23]

)1,0max(Pdmin bP∆⋅=∆ (4.1)

Eşitlik (2.1) delikli veya ızgaralı tür dağıtıcı elekteki minimum basınç düşümü için bir tasarım

kriteri olarak alınabilir. [23]

Diğer bir çalışmada dağıtıcı eleklerdeki basınç kayıpları için aşağıdaki bağıntılar verilmiştir.

[11]

21−≈mfU

U durumlarında elek basınç kaybının yatak basınç kaybına oranı;

15,0=∆

∆

b

d

P

P (4.2)

1>>mfU

U durumları ise basınç kayıp oranı

015,0≅∆

∆

b

d

P

P (4.3)

olmaktadır.

Delikli dağıtıcı elek plakası tasarımı orifis (plaka deliği) teorisine dayanmaktadır. Orifisteki

basınç kaybına oranı çok küçük olduğundan aşağıdaki basitleştirilirmiş yöntem

uygulanmaktadır. Tasarım aşağıdaki sıraya göre yapılmaktadır;

1. Eşitlik (4.1) den dağıtıcı elekteki basınç kaybının belirlenmesi

33

2. Yatak çapı D’ye bağlı Reynolds sayısı (µ

ρ UD gt

⋅⋅=Re ) hesaplanarak, dağıtıcı

elek açıklık alanın %10’un altında olması durumunda orifis katsayısı, cd’ nin tablo

4’ten belirlenmesi.

3. Orifis hızının aşağıdaki eşitlik kullanarak belirlenmesi

2/1' )2

(g

ddor

PcU

ρ∆⋅

⋅= (4.4)

Dağıtıcı elek açıklık oranı, yüzeysel gaz hızı U’nun orifis hızı Uor’a oranı (orU

U) olarak

bulunur.

4. Akışkanlaşma türüne bağlı literatürde verilen yüzeysel hız ve kullanılan yatak

malzemesinin çapına bağlı olarak orifis çapı kabul edilerek, orifis sayısını (Nor)

aşağıdaki bağıntı uyarınca bulunur. [23]

ororor NUdU ⋅⋅⋅= 2

4

π (4.5)

Deliklerin dağıtıcı elekteki dağılımı çeşitli biçimlerde olmakla birlikte genelde dairesel

biçimde yerleştirilmektedirler.

Tablo 2. cd’ nün Ret’ye bağlı değişimi.

34

4.5. Yakıt Gazı Sistemi – Induced Draft-Id ( Emiş Fanı )

Yanma odasındaki yanmadan oluşan yanma gazları ilk olarak siklon seperatörüne girer ve

burada iri kül partikülleri ile gaz ayrılır. Đri partiküller sızdırmalık bölümlerinden geçerek

yatağa geri beslenir. Yanma gazındaki ince kül partikülleri kazanın konveksiyon bölümünden

geçerek torbalı filtreye gider ve yanma gazından ayrılır. Temizlenen yanma gazı bacadan

atmosfere atılır.

Emiş fanı yanma odasının tepesinde -0,5mbar vakum olacak şekilde emiş yapar ve böylece

yanma odasında sürekli ve kontrolü bir vakum yaratmış olur.

Kazanın çalışma şartlarını ve emiş fanı için gerekli şartları kontrol etmek için yanma

odasındaki yanma gazı sıcaklığı ve basınç düşüsü sürekli kontrol edilir. Ayrıca yanma verimi

ile emisyonu kontrol etmek için yanma gazındaki O2, CO, NOx ve SO2 miktarı ölçülür.

Đyi bir yanma ve emisyon miktarını kontrol etmek için yaklaşık %5,5 fazla hava beslenir. SO2

ve toz miktarı ise yerel/bölgesel şartlara göre beslenir.

4.6. Yakıt Besleme ve Dağıtım Sistemi

Kömür, amaca ve kömür cinsine bağlı olarak yatağın üstünden, altından veya içinden

beslenebilmektedir. Silodan alınan malzeme zincirli taşıyıcı ile taşınarak kazan besleme döner

besleyici ( hücre tekeri) ile kazana beslenebilir.

Kömür dağıtım sistemlerindeki en büyük sorun; kömürdeki nemdir. Daralma bölgelerinde,

dirseklerde kömür beslemesi zorlaşmaktadır. Bu sorun en çok alttan beslemeli sistemlerde

ortaya çıkar.

4.6.1. Alttan Besleme

Kömür taneciklerinin akışkanlaştırılması ve basınçlı hava ile dağıtıcı eleğin hemen üstündeki

püskürtme ile yapılmaktadır. Püskürtmenin yapıldığı lüleler, dağıtıcı elekte üniform şekilde

olmalıdır. Alttan beslemenin avantajı, kömür dağıtımının, tanecik büyüklüğünden bağımsız

35

olarak, üniform biçimde sağlamasıdır. Böylece, kömür tozları da yatağa beslenmektedir.

Kömürün alttan yollanması ile, kömürün aktif yatak içerisinde yanması tamamlanma

olasılığının çok yüksek olmasıdır. Bu sistemin dezavantajı ise; dağıtıcı elek tassrımında

karmaşık bir düzenleme gerekmektedir ve kömür püskürtme havasının, yataktaki basınç

düşümünü yenmesi de gerekliliğidir.

Şekil 4.6. Mekanik yolla besleme

4.6.2. Üstten Besleme

Ara deponun altında bir boru bağlantısı ile yatağa, yer çekiminden yararlanılarak besleme

yapılmaktadır. Besleme noktası aktif yatağın içine veya yüzeyine ulaştığında, bölgesel

sıcaklık artmasına ve tıkanmalara engel olmak için, kömürü, bir miktar hava ile gönderme

gerekliliği vardır. Besleme noktası yüzeyde veya daha yukarıda olduğunda, kömür

tozcuklarının taşınımı meydana gelecektir. Eğer yatak yüksekliği ile besleme noktası

arasındaki yükseklik artarsa, kömür uçucusunun bir miktarını serbest bölgede yanacaktır.

Bunun sonucunda da yatak içerisindeki enerji dengesi bozulacak ve yatak sıcaklığı düşecektir.

Bu sistemin avantajı, basit olmasıdır. Üniform dağılım için besleyici kullanılmaktadır.

Şekil 4.7. Yakıtın yanma odasına üstten beslenmesi

36

4.7. Kazan Kısımları

4.7.1. Yanma Odası

Yanma odasının ana kısımları; akışkanlaştırma ızgarası, refrakter malzeme kaplı alt kısım, su

soğutmalı üst kısım.

Şekil 4.8. Kazan Kısımları

4.7.1.1. Izgara

Primer hava, hava kasasından gelir. Izgara birbirine yakın birçok nozuldan oluşur. Nozullar

akışkanlaştırmayı sağlarken aynı zamanda malzemenin hava kasasına gitmesini önler.

Izgaradan düşük yüklerde bile değişmeyen bir hava akımı geçer.

4.7.1.2. Alt Kısım

Ana yanma ile kükürdün tutulması burada gerçekleşir. Yatak burada çok yoğun ve

türbülanslıdır. Tüm yakıt ile yanma havası bu bölmeden yanma odasına girer. Izgara altından

beslenen havaya ek olarak; ızgaranın 0,5m. yukarısından primer hava ve yukarıdan

beslenmesindeki amaç, aşamalı yanmanın tamamlanmasıdır. Devreye alma brülörleri

ızgaranın 2,0m. yukarısındadır. Sıcaklık ve basınç ölçümleri için bütün kontrol cihazları

37

buradadır. Siklon seperatöründen geri dönen malzeme en alt kısımdan yakıt ile birlikte

beslenir.

Alt kısım refrakter malzeme ile kaplanmıştır.

4.7.1.3. Üst Kısım

Ocağın üst kısmı su soğutmalı membran duvarlıdır. Burası ısının yatak malzemesi ve yanma

gazından suya geçtiği ve kısmen buharlaşmanın gerçekleştiği bölmedir. Duvarlar su soğutmalı

olduğundan yanma odası boyunca sıcaklık sabittir ve drum basıncındaki doyma

sıcaklığındadır.

Yanma odasından seperatöre giden gaz kanalı refrakter malzeme ile kaplıdır.

Buradan su iniş boruları ile yanma odasının kolektör girişine gelir ve membran duvar boyunca

yükselerek yanma odasının tepesindeki çıkış kolektörlerine gelir.

4.7.2. Seperatör ( Siklon )

Yanma odasını terk eden gazlarda, taşınan yanmamış kömür, yatak malzemesi, kül ve oluşan

katı tanecikler bulunmaktadır. Bunların, eşanjör veya filtrelere girmeden temizlenmesi

gerekir. Bu iş siklonlar tarafından yapılmaktadır. Yani bu malzemeleri yakalayarak yatağa

geri besler.

Taneciklerin taşınma sebepleri; katı yakıtların nispeten büyük olması, gaz hızının yüksek

olması gibi sebeplerle, tanecikler, ısı içeriklerinin bir kısmını beraberlerinde kazanın dışına

taşımaktadırlar. Bunun sonucunda da yanma verimi düşmektedir.

Siklonların verimi tanecikleri yakalayabilme kabiliyetlerine göre tanımlanır ve alt sınır 10µm

mertebesindedir. Bu verimi, taneciklerin kütlesel debisi, taneciklerin büyüklük dağılımı, gaz

hızı etkilemektedir.

38

Şekil 4.9. Akışkan yataklı kazan ve siklon bağlantısı

Çoklu siklon sistemleri, yanma verimini pozitif yönde etkilemektedir. Ancak siklon sistemleri

veya gaz akış hattına konulacak her bir eleman ayrı bir basınç kaybına sebep olacağından

hava beslemesinin gücü daha imalat aşamasında belirlenmeli ve düşünülmelidir. Siklonların

akışkan yatağın serbest bölge çıkışına bağlanması sonucunda, siklon bir nevi yanmanın

tamamlanması için kullanılmış olacaktır. Böylelikle, yatağı terk eden tanecikler, siklon

sayesinde yanmaları tamamlanacak, siklon yakıcıda yakıldığı için, küller rahatlıkla sistem

dışına alınabilecektir. Siklonda ısı kaybının olmaması için siklonun içi refrakter malzeme ile

kaplanmıştır.

Şekil 4.10. Siklon içerisinde gaz+katı, ayrışmış gaz ve katı parçaların hareketi

39

Şekil 4.11. Sol tarafta ekonomizer sağ tarafta ise siklon bulunan bir resim

4.7.3. Kül Sevki ve Sızdırmazlık Bölümleri

Ayrılan kül seperatörden geri dönerek sızdırmazlık bölümündeki kül, alta yerleşmiş olan

nozullardan gelen hava ile kaynar. Yüksek basınç blowerları gerekli basınçlı kaynatma

havasını sağlar.

4.7.4. Konveksiyon Bölmesi

Seperatörden geçtikten sonra yanma gazları çapraz geçişli kanal ve konveksiyon bölmesine

girer.

4.7.5. Kızdırıcı

Sıcaklığın en yüksek olan bölgeden buharın geçirildiği bölge. Süperheater de denilir.

40

4.7.6. Ekonomizer

Buharlaştırıcı borulardan geçen gaz ekonomizere gider. Burası gazın yukarıdan aşağı, besi

suyunun ise aşağıdan yukarıya doğru hareket eden kıvrımlı boru düzeneğidir. Ekonomizer

çelik barlarla, ana yapıya asılı olarak durur.

Şekil 4.12. Eko giriş ve çıkış

4.7.7. Buharlaştırıcı Borular

Kızdırıcıdan sonra gaz, buharlaştırıcı borulara gelir. Hafif eğimli kendinden sirkülasyonun

gerçekleştiği borular dizisinden meydana gelmiştir.

4.8. Sıvı Yakıt Brülörü

4.8.1. Devreye Alma Brülörleri

Devreye alma brülörleri ızgara öncesindeki primer hava kanalı içerisinde yerleştirilmiştir.

Hava/buhar atomizasyonlu çalışan kontrollü ve emniyet sistemli brülörleri kullanılır. Yanma

odasını katı yakıtın yanmasını oluşturabilecek sıcaklığa getirme amaçlıdır.

41

Şekil 4.13. Ocak devreye alma brülörü

4.8.2. Yakıt Boruları

Yakıt brülörlere sevk edilir. 2 borunun içinde ayrı akış ölçer vardır. Basınç göstergesi

minimum basınç ile ilk başlama basıncını gösterir.

Brülör nozulları sıvı yakıt basıncı 17 bar’ da en nominal yanmayı sağlayacak şekilde

tasarlanmıştır.

Her brülörde tutuşturma amaçlı gaz tüpleri mevcuttur. Tüpler boşaldığında alarm gelir ve dolu

bir tüp ile değiştirilmesi ile alarm ortadan kalkar.

4.9. Kurum Üfleme Sistemi

Kazan ısıtma yüzeylerini temiz tutmak için kurum üfleyicileri ile donatılmıştır.

Kurum üfleyicilerine sadece kazanın konveksiyon bölmesinde ihtiyaç duyulur. Kızdırıcılarda

tamamen refrakter tipi ve diğer yüzeyler için yarım strokludur. Kurum üfleyici lansları yanma

gazı sıcaklığına dayanıklı olması için ısıya dayanıklı çelikten imal edilmiştir. Kurum

üfleyicileri motor tahriklidir.

42

Kurum üfleme için buhar kullanılır. Bu nedenle boruları buhar sıcaklığı ve basıncına

dayanıklı tasarlanmıştır.

Kurum üfleme buhar akışı bir akış ölçerle ölçülür ve buna ilaveten basınç ve sıcaklı

göstergelidir.

Kontrol vanası ile üfleme buhar basıncı kontrol edilir.

Kurum üfleyici buhar hattı sonunda motor tahrikli drain ( boşaltma ) vanaları vardır. Borular,

vanaya doğru akış sağlamak için eğimlidir. Boşaltma vanasında su birikmesini önlemek için

vana bypass borusu vardır.

Boşaltma vanası sonrası borulardan aşağı tanka doğru üflenirler.

Buhar hattında termoelementler otomatik drain ve üfleme buhar sıcaklığını kontrol etme

amaçlıdır.

Buhar üfleme için, önce kurum üfleyici başlama komutu gelir ve motorlu vana %10 açılır ve

buhar üfleme borusu içerisine akmaya başlar. Boşaltma vanası açıktır. Kurum üfleme borusu

ısınınca motorlu vana tamamen açılır ve kurum üfleme buhar basıncı normale çıkar.

Bütün hatlarda üfleme buhar sıcaklığı set değerini aşarsa boşaltma vanası kapanır. Eğer

üfleme buhar basıncı set değerini aşarsa üfleme serbest bırakılır. Üfleme otomatik kontrolde

ise ilk kurum üfleyici devreye girer.

Yanma gazı sıcaklığı ve basıncı farklı kurum üfleyici ihtiyacını belirler. Temel olarak kurum

üfleme boruları vardiyada bir kere çalıştırılmalı ve çalışma şartlarına göre artırılmalı veya

azaltılmalıdır.

Kurum üfleyici ile uzaklaştırılan küller yanma gazı ile toz tutucuya veya bunkerin dibine

düşer. Kurum üfleyicileri çalışırken yanma gazındaki küllerde artış olur.

43

4.10. Uçucu Kül

4.10.1. Kül Bunkeri

Uçucu külün küçük bir kısmı seperatörden geçip yanma gazından ayrılarak kazan dibe düşer.

Bu külü uzaklaştırmak için kızdırıcı sonrası yanma odası altında, ön ısıtıcı altında toplama

bunkerleri vardır. Bunkerler izolasyonlu karbon çeliğinden yapılmış ve yan duvarları külün

akışına uygun şekilde bir dikliğe sahiptir.

Şekil 4.14. Ocak üzerinde kül, curuf çekme kapakları

4.10.2. Toz Tutucu / Elektro Filtre – Jet Puls Tipi Torbalı Filtre

Yanma gazlarındaki uçucu kül elektro filtre veya jet puls tipi torbalı filtre ile tutularak toz

emisyonunun kabul edilebilir değerlere düşmesini sağlar. Tutulan kül alt bunkerlerde birikir

ve buradan helezonlu konveyör ve hücre tekeri ile dışarı alınarak kül silosuna gönderilir.

44

4.11. Lastik Bantlar, Ventiller ve Blow – Down

Kazanda bir tane Flaş Tank ( blow-down ) vardır. Bu tank tahliyelerini bir çok boru bağlantısı

ile toplar. Her hatta buharın geri kaçmasını önleyecek kontrol vanası vardır. Bağlantıların

gerçekleşmesi için aşağıdakiler sağlanmıştır;

• Yanma odası, drum, iniş boruları ve ekonomizer dibinden gelen bolw – down lar

• Buhar drum seviye göstergelerinden gelen blow – downlar

• Kızdırıcı kolektörü drainleri ( bantları )

• Kurum üfleme boru drainleri

Blow – Down su biriktirme tankına gelen çeşitli drenajlar

• Ekonomizer drain ve ventilleri

• Boruların üst kısmından ve üst header venttilleri

• Buhar drum ventilleri

• Atomize buhar kondensar drain

• Emniyet vana hattı ve susturucu emniyet valfleri

Blow – Down vanaları kolay çalıştırma için gruplandırılmıştır. Đlk vana kapatma vanası olarak

görev görür ve ikinci vana blow – down vanası olarak görev yaparlar. Yanma odasındaki

kolektör vanası kazan çalışırken blow – down olmamalıdır. Çünkü sirkülasyon boruları

etkilenir. Diğer blow – downlar vardiya bazında devreye sokulur.

Ventil ve drain vanaları da aynı şekilde çalıştırmaya uygun şekilde düzenleniştir.

Blow – down tankında soğutma amaçlı su spreyi vardır ve tank sıcaklığı 50 °C civarında

tutulur. Tankta çıkan buhar atmosfere atılır.

4.12. Kazan Drumı’ nın Đç Kısmı

Kazan drumı aşağıdaki ekipmanları içerir;

• Besi suyu dağıtım borusu

• Çıkış / Đniş boru saptırıcı plakaları

• Buhar / su siklon seperatörleri

• Buhar kurutucuları

• Sürekli blow – down boruları

45

• Kimyasal besleme borusu

Besi suyunun dağılması drum boyunca yerleştirilmişolan borularla sağlanır.

Đniş boruları ile çıkış boruları saptırıcı ara plakalara ayrılmıştır. Đniş boruları besi suyunu

kazan sirkülasyonuna gönderir.

Su buhar karışımı druma çıkış boruları ile gelir ve plakaların diğer tarafından gelir. Siklon

seperatöründe su ile buhar ayrıştırılır ve su sirkülasyonuna geri gönderilir. Buhar elekten

geçerek kurutulacağı yere gider.

Buhar, drumı terk etmeden önce yine kurutucu görevi gören paslanmaz çelikten sık dokunmuş

elekten yapılmış son kurutucudan geçer.

Eğer kimyasal madde beslenmesi gerekli olacaksa, iyi bir karışımı sağlamak için besleme

borularının yakınında ilave bir boru ile beslenir. Kimyasallar direkt olarak besi suyuna

beslendiği için normalde bu boru kullanılmaz. Bu boru aynı zamanda kazanın periyodik

olarak kapatıldığı zamanlarda kimyasalları katmak için de kullanılır. [ 17, 18 ]

46

5. BÖLÜM AKIŞKANLAŞMA PRENSĐBLERĐ

5.1. Akışkanlaşma Prensibi

Akışkanlaşma süreci genellikle silindirik veya kare kesitli düşey bir hacim içerisinde,

geçirgen bir taban (elek, ızgara) üzerinde bulunan katı taneciklerden oluşan yatak

malzemesinin aşağıdan verilen uygun basınç ve hızdaki bir akışkan (gaz, sıvı) ile kısmen asılı

halde harekete geçirilmesi olarak tanımlanabilir. Bu durumda tanecikler sıvıya benzer bir

davranış gösterdikleri için “ akışkanlaşma “ olarak ifade edilir. Đlk durumda hareketsiz olan

yani basınçlı olarak verilen akışkanın tanecikler arasından geçtiği duruma, “sabit yatak”;

taneciklerin hareketli olduğu duruma ise, “akışkan yatak” denilmektedir.

Dağıtıcı elek ile taneciklerin üst serbest bölgeleri arasında kalan mesafe yatak yüksekliğidir.

Yatak yüksekliği boyunca basınç düşümü olmaktadır. Gaz akışı artırıldığında, tanecikler bir

noktada birbirinden ayrılır. Gaz akış hızının artırılmasıyla, sürtünme kuvveti ile tanecik

ağırlığı birbirine eşit olacak, bu noktada akışkanlaşma başlamış olacaktır. Gaz hızının daha da

artırılmasıyla farklı rejimler ortaya çıkacaktır.

Akışkanlaşma süreci; yatağı oluşturan katı taneciklerin yoğunluğuna, biçimine, tane

dağılımına, akışkan hızına, malzemenin içerdiği nem oranına, yatak yüksekliği v.b. diğer

faktörlere bağlıdır. Buna göre her malzemenin kendine özgül akışkanlaşma koşullarına ve

özelliğine sahip olduğu görülmektedir. [ 19, 20, 21 ]

5.2. Akışkanlaşma Biçimleri

Yatağı oluşturan katı taneciklerin toplam ağırlığından doğan ve aşağı yönde oluşan kuvvet,

aşağıdan yukarıya doğru gönderilen akışkanın yaptığı kuvvete eşit olana dek akışkan,

taneciklerin arasındaki boşluklardan geçerek yukarıya doğru çıkar. Bu konuma daha önceki

kısımlarda da belirtildiği üzere sabit yatak konumu olup akışkan hızı biraz daha artırıldığında

katı tanecikler arasındaki hareketlenmeye biraz daha sebebiyet vermektedir. Katı tanecikler

hızın belli bir değere ulaşması ile akışkan içerisinde asılı duracak hale gelir ve yatak

genleşmeye başlar. Bu durumda yatak minimum akışkanlaşma hızı (Umf) noktasına erişmiştir.

47

Şekil 5.1. Akışkanlaşma evreleri

Bu noktadan sonra basınç düşüsü değişmez, sabit kalır. Basınç düşmesi ile hızda bir miktar

azalma görülür. Yani basınç düşüsü artıkça hızda artmaktadır. Akışkan hızı artırılmaya devam

edilirse akışkanın sıvı olması halinde, yatak genellikle düzgün bir genleşme gösterir,

kabarcıklanma olmaz. Bu tür yataklar “homojen akışkan” olarak adlandırılır. Akışkanın gaz

olması durumunda ise hızın artması ile birlikte yatakta kabarcıklanma başlar. Bu tip yataklara

“heterojen yatak” veya “kabarcıklı yatak” denir.

Taneciklerin dışarıya taşmaya başlayan akışkan hızına “çıkış hızı (terminal hızı, Ut)” denir.

Yataktaki malzeme miktarı gittikçe azalır veya yeni malzeme ilave edilmezse basınç düşüşü

azalmaya başlar ve daha sonra sıfır olur.

48

Tablo 3. Yatak basınç düşüsünün gaz hızı ile değişimi, akışkanlaşma rejim bölgeleri

Akışkanlaşmış bir yatak kaynayan bir sıvının özelliklerini gösterir. Yataktaki tanecikler birbiri

ile sürekli temas halinde olmadıkları için, kayma gerilmelerine karşı koyamazlar ve yatak bir

yana eğildiği zaman, yatağın üst yüzeyi yatay kalır. Farklı derinlikteki iki yatak birleştirilirse,

bileşik kaplar kanuna uygun olarak iki yatak boyu eşit oluncaya kadar yüksek yataktan alçak

yatağa tanecik akışı devam eder. Akışkan yatağı içeren kabın bir noktasında bir delik açılırsa

katı ve gaz fazı, bu delikten şiddetle fışkırır.

Şekil 5.3. Akışkanlaşmış yatağın hareketleri

5.2.1. Minimum Akışkanlaşma Teorisi

Akışkanlaşmanın başlama şartı, yukarıya doğru hareket eden gazın uyguladığı sürükleme

kuvvetinin, yatakta bulunan taneciklerin ağırlığına eşit olmasıdır.

49

Dolayısıyla;

×

=

×

ağğırlığ

özgül

katı

hacmi

yatak

alanı

kesit

yatak

düşüşü

basıas

olan

boyunca

yatak

(5.1)

Bu kuvvet dengesinin matematiksel karşılığı ise;

W = ∆PB.Ab = (Ab.Hmf).(1-εmf).(ρp-ρg).(g/gc) (5.2)

olarak ifade edilir.

Burada Ab ve Hmf yatak kesit alanı ve yüksekliği, ρp ve ρg katı tanecik ve gaz yoğunluğu, εmf

yatak içindeki boşluk yüzdesidir. Bu denklemin tanımladığı noktaya “ Minimum

Akışkanlaşma Noktası” denir.

Yatak giriş basıncı P1, yatak çıkış basıncı P2, At yatak kesit alanı, (P1-P2)*Ab basınç kuvveti, ε

yatak boşluğu, H yatak yüksekliği, p taneciğin ve ρg gazın yoğunluğu olmak üzere sabit yatak

için;

(P1-P2)*Ab ≤ [(1-ε).*ρp + ε*ρg]*H*Ab*(g/gc) (5.3)

yazılabilir.Basınç farkı sadece partiküllerden kaynaklanmamaktadır. Partiküllerin olmadığı

durumlarda da ρg.Hg miktarına eşit statik basınç düşümü olmaktadır. Yalnız partiküllerin

oluşturduğu basınç düşümü eşitlik “5.1” den bulunmaktadır. Denklem “5.2”’de yeniden

düzenlenerek aşağıdaki bağıntı elde edilir;

(∆PB/ Hmf) = (1-εmf).(ρp-ρg).(g/gc) (5.4)

Basınç düşümü Şekil 5.1 ‘de görüldüğü üzere gaz hızına bağlı olarak doğrusal artışla bir

noktaya kadar gitmektedir. Bu noktadan itibaren basınç düşümü sabit kalmakta, taneciklerin

ağırlığı gazın kaldırma kuvvetine eşitlenmektedir. Bu duruma karşılık gelen hız, minimum

akışkanlaşma hızı olarak ifade edilir. Aynı boyutta katı taneciklerin bulunduğu bir akışkan

50

yatakta olan basınç düşüsü, Ergun denklemi, enerji denklemi aşağıdaki gibi ifade

edilmektedir.

ps

mfg

mf

mf

ps

mf

mf

mf

mfc

d

U

d

U

L

Pg

⋅

⋅⋅

−⋅+

⋅

⋅⋅

−⋅=

∆⋅

φ

ρ

ε

ε

φ

µ

ε

ε 2

323

2

)(

)1(75,1

)()(

)1(150 (5.5)

Şekil 5.4. Dağıtıcı elek üzerinde akışkanlaşma hali

Burada, øs küresellik olup, ø=tanecikle aynı hacimdeki kürenin yüzeyi alanı/taneciğin yüzey

alnı şeklinde tanımlanabilir. Buna göre ø=1 küresel tanecik olup 0<ø<1 küresel olmayan

taneciklerdir.[22]

Denklem “5.5” birinci grup terimi viskoz (µ) ve ikinci grup terimi kinetik enerji (ρ.Umf2)

kayıplarını içermektedir. Düşük Re değerlerinde (Rep<20) yalnız viskoz kayıpları önemli

olduğu için yukarıdaki eşitlik aşağıdaki biçime indirgenir.

⋅⋅=

µ

ρ tgpp

UdRe (5.6)

, Rep<20 (5.7)

Yüksek Re sayılarında ise yani, Rep>1000;

51

,Rep>1000 (5.8)

Denklem “5.4” ve “5.5”’in minimum akışkanlaşma durumunun özelliğine dayanarak

birleştirilmesiyle karesel bir eşitlik elde edilir.

223

)()(

)1(150)(

75,1

µ

ρρρ

µ

ρ

εφ

ε

µ

ρ

εφ

gdUdUd gpgpgmfp

mfs

mfgmfp

mfs

⋅−⋅⋅=

⋅⋅⋅

⋅

−⋅+

⋅⋅⋅

⋅ (5.9)

Denklem “5.9” minimum akışkanlaşma teorisini en genel biçimde tanımlamaktadır. Bu

denklemin temel parametresi Umf’dir. Düşük özgül ağırlıklı, küçük tanecikler için son

eşitlikteki düşük hızlarda hızın karesi ihmal edilirse, Rep<20;

)1(

)(

150

)( 2

mf

mfgppsmf

g

dU

ε

ερρφ

−⋅

−⋅

⋅= (5.10)

Büyük tanecikler ve yüksek hızlar için, Rep>1000;

g

gppsmf

dU

ρ

ρρφ

⋅

−⋅⋅=

75,1

)(2 (5.11)

şeklini alır.

5.2.2. Minimum Akışkanlaşma Hızı

Minimum akışkanlaşma hızı hesabı için temel hareket noktası sabit dolgulu kolon boyunca

basınç düşmesini veren eşitliktir. Aşağıdan yukarıya doğru hareket eden gazın akışkanlaşma

sağlayabilmesi için, katı sütununu üç kuvvetin etkisi altında bırakmaktadır. Birincisi,

malzeme ağırlığı, ikincisi akışkan kaba giriş ve çıkış basınç değerleri arasındaki farka eşit

olan bir kuvvet, üçüncüsü dağıtıcı eleğin akışkana yaptığı dirençtir.

Yukarı doğru çıkan akışkanın partiküllere uyguladığı sürüklenme kuvvet yatak birim

kesitindeki katıların ağırlığına eşitlenmesiyle elde edilen eşitlikle bir önceki eşitlik

52

birleştirilerek minimum yatak boş hacim kesri, εmf ve şekil faktörü øs değerleri biliniyorsa

minimum akışkanlaşma hızı hesaplanabilir.

Øs ve εmf bilinmediği taktirde, Øs; 0,136-1,0 ve εmf; 0,385-0,935 arasında alınabilir. Ayrıca Øs

ile εmf arasındaki ilişki için Wen ve Yu tarafından aşağıda ki iki bağıntı verilmiştir.

141

2=

⋅ mfs εφ ve 11

13

=⋅

−

mfs

mf

εφ

ε (5.12), (5.13)

5.2.3. Maksimum Akışkan (Terminal) Hızı

Bu noktadaki hız; gaz-katı akışkanlaşma sürecinde yatağı oluşturan katı taneciklerin gaz

akımı ile yataktan dışarı taşınacağı gaz hızıdır. Taneciklerin taşınması ile kararlı halin

sağlanabilmesi için yatak geri besleme veya yatak tane besleme gerekmektedir.

Partiküllerin terminal hızı Kunii ve Levenspiel tarafından aşağıdaki eşitlikler yardımıyla

hesaplanabilir.

2

1

)(

3

4

⋅

⋅⋅−⋅=

dg

pgpt

C

dgU

ρ

ρρ (5.14)

Cd, deneysel olarak belirlenen sürtünme katsayısıdır. Değişik Re sayıları için aşağıdaki

değerler verilmektedir;

pdC

Re

24= , Rep<0,4, laminar bölge (5.15)

p

dCRe

10= , 0,4<Rep<500, geçiş bölgesi (5.16)

Cd = 0,43 , 500<Rep<200 000 , türbilanslı bölge (5.17)

53

Burada Rep, tanecikler için Reynold sayısıdır. Reynold sayısının formülü, formül”5.6” da

verilmiştir. Seçilen Re değerleri için bulunan Cd değerleri Ut’ yi tanımlayan eşitlikte yerine

konarak Ut bulunur. [23]

5.2.4. Minimum Akışkanlaşma Boşluk Oranı

Bir akışkan yatakta, yatak içerisindeki taneciklerin hareketli olması gerekmektedir. Pratik

olarak, fan ile havayı sisteme verince, parçacıklar harekete geçmeden önce bir hava artışı ile

yatak genişler ve boşluk oluşur. Bu boşluk, akışkanlaşmanın başlangıcı yada minimum

akışkanlaşma için gerekli olan “minimum akışkanlaşma boşluğu” olarak ifade edilir. εmf ile

gösterilir. Bu değerin akışkanlaşma öncesinde bilinmesi gerekmektedir.

Yatak yüksekliği Hmf ve yatak yüzücü ağırlığı W=∆PB.Ab (W= yatağın ağırlığı) bilinmek

üzere aşağıdaki eşitlikten εmf ( minimum akışkanlaşma boşluğu ) hesaplanabilir;

gAH

W

gpbmfmf ⋅−⋅⋅

−=)(

1ρρ

ε (5.18)

Katı-gaz sistemlerde minimum akışkanlaşma boşluğu gözlemleri en iyi şekilde yapılmakta ve

deneylere dayanarak εmf = 0,40 – 0,94 civarında verilmektedir.[23]

5.2.5. Akışkan Yatakta Basınç Düşüşü

Akışkan yataklarda, yatakta basınç düşüşünün sabit olduğu ve taşıyıcı gazın partiküllere

uyguladığı sürükleme kuvvetinin yatağın ağırlığına eşit olduğu sonucuna varılmıştır. [24]

∆P.Ab = mb.g = (1-εmf).Ab.H.ρs.g (5.19)

Şekil 5.2’de yatak basınç düşüsünün gaz hızı ile değişimi, akışkanlaşma rejim bölgeleri

gösterilmektedir.

54

5.2.6. Yatak Yüksekliği

Akışkan hızı minimum akışkanlaşma hızının üzerine çıkarıldığında yatak kesit alanı

değişmediğinden boşluk oranı direk olarak yüksekliğe bağlı olmaktadır. Minimum yatak

yüksekliği, minimum akışkanlaşma hızındaki yatak genişlemesidir. Minimum yatak

yüksekliği Thonglimp tarafından yatak içerisine konan yatak malzemesinin miktarı minimum

akışkanlaşma noktasındaki yatak ağırlığına eşitlenerek aşağıdaki eşitlikte bulunmuştur;

pbmfmf

D

MH

ρπε ⋅⋅⋅−

⋅=

2)1(

4 (5.20)

Yatak yüksekliğinin bir başka ifadesini ise şu şekilde yapabiliriz; minimum akışkanlaşma hızı

noktası üzerindeki düşük hızlı akışkanlaşma rejimlerinde yatak içinde bulunan partiküllerin

tamamen asılı kaldığı hızdan partiküllerin yatak dışına taşınmasına sebep olan gaz hızı

noktaları arasındaki yatak yüksekliği olarak tanımlanır.

5.2.7. Taşınım Serbest Bırakma Yüksekliği

Genişlemiş bir yatakta oluşan kabarcıkların patlaması sonucunda partiküller yatak içerisinde

belli bir yükselme gösterir ve geri çekilirler. Böylece partiküllerin gaz akımıyla yatak

yüksekliği boyunca sürüklenme kapasitesi yavaş yavaş azalır ve bir noktadan sonra yatak

içerisine çekilmeye başlar. Partiküllerin geri çekilmeye başladığı nokta akışkan yatakta

taşınım serbest bırakma yüksekliği (Transport Disengaging Height, TDH) olarak adlandırılır.

5.2.9. Akışkanlaşma Tipinin Tespiti

Akışkan yataklarda, homojen akışkanlaşma ile heterojen akışkanlaşmayı ayırt etmek için

genelde boyutsuz Froude sayısı, Fr kriter olarak kullanılmaktadır. Minimum akışkanlaşma

hızındaki Froude sayısı;

gd

UFr

p

mfmf ⋅

=2

(5.21)

biçiminde tanımlanırsa, buna göre akışkanlaşma tipi aşağıdaki gibi olmalıdır;

55

Frmf<0,13 , düzgün akışkanlaşma

Frmf>1,3 , kabarcıklı veya topaklamalı akışkanlaşma

Akışkanlaşma tipinin tespiti için Fr sayısı gerekli ancak yeterli değildir. Formül „5.23“,

akışkan yatak davranışında etkili olan diğer parametreler örneğin, yatak çapı, yatak

yüksekliği, tanecik ve akışkanlaştırma gazının yoğunlukları gibi özellikler bulunmamaktadır.

Bu sebeple Froude sayısının aşağıdaki gibi kullanılması daha doğru sonuçlar vermektedir;

(dp.Umf.ρg) (ρs-ρg) Lmf (Frmf) x x <100 , düzgün µg ρg D (dp.Umf.ρg) (ρs-ρg) Lmf (Frmf) x x >100 , kabarcıklı (5.22) µg ρg D

5.3. Akışkanlaşmayı Bozucu Etkenler

5.3.1. Kanallaşma Olayı

Bu olay, katı taneciklerden meydana gelen yatakta akışkanlaşmayı oluşturacak olan gaz

akışına daha az direnç gösterecek bölgeler bularak kendisine yol açmasıdır.

Şekil 5.5. Kanal oluşumunun iki şekli

56

Kanallaşma oluşumu, yatağın özelliklerine bağlı olarak, ya çok düşük gaz hızlarında yada

sabit yatak durumundan akışkan yatak durumuna geçişte meydana gelmektedir. Bu olay

akışkanlaşmayı önlemekte yada çok yüksek hızlarda meydana gelerek akışkanlaşmayı

bozmaktadır. Kanallaşmanın olup olmadığını ∆P (basınç düşüşünden) değerinden oldukça

rahat anlaşılabilir. Gerçek ∆P değerinin teorik değere kıyasla küçük olması, yatakta oluşan

kanallaşma ve veya kanalların boyutunu göstermektedir.

Kanallaşma oluşumu düşük hızlarda, sabit yatak boşluk oranının ortala boşluk oranından

yüksek olduğu heterojen bölgelerde olmaktadır. Ayrıca bu oluşuma etki eden diğer faktörler;

tane geometrisi, dağılımı, nem, dağıtıcı elek geometrisi gibi etkenlerdir.

5.3.2. Akışkan Yataklarda Balonlaşma (Kabarcık) Oluşumu

Bütün gaz-katı akışkanlaşmalarında kabarcık oluşundan söz edilmektedir. Bazı durumlarda

kabarcık oluşumu (kaynama) gaz-katı fazı ile hiç katı ihtiva etmeyen gaz fazında olmaktadır.

Kabarcık oluşumu, katı taneciklerin ve akışkanın özelliklerine bağlıdır. Aynı zamanda

kanallaşma olayına etki eden faktörler kabarcık oluşumuna da etki etmektedir.

Şekil 5.6. Bir akışkan yatakta kabarcık oluşumu

Balonlaşma olayı kabarcıklanmalı yatak rejiminin özel bir şeklidir. Yatak yüksekliğinin yatak

çapına göre çok büyük olduğu durumlarda oluşan kabarcıkların yatak çapına eşit olacak

şekilde büyümesi ve patlaması sonucunda kabarcık üzerinde kalan partiküllerin yukarı doğru

fırlatılması sonra geri çekilmesi olayıdır. Bu durumun en büyük dezavantajlarından bir tanesi

yatakta basınç salınımlarına sebep olur. Olayın oluşumunu önlemek için balonlaşmanın

başlama hızını ve balonlaşma yatak yüksekliği hesaplanmalıdır. Balon oluşumu için gerekli

57

koşul Dbmaz>0,6D ( D= yatak çapı, Dbmax= max. kabarcık çapı). Balon oluşumu için, boğulma

(chocking) durumunda kriter Yang tarafından belirlenmiştir;

8,0

6,0

8,6L

UU

mfs ⋅= ve 123,0

2

≥⋅Dg

U t (5.23)

Balonlaşma yatak yüksekliği bu olayın meydana gelmesinden önceki yüksekliktir. Partikül

çapı 100 mikrondan büyük kum,demir, kok, kömür partikülleri kullanılarak yapılan bir

çalışmada Yagi ve Muchi tarafından slugging yüksekliği için eşitlik; [25]

Lsh = 1,18.Db.(dp-ρs)^(-0,3) (5.24)

5.3.3. Yığışım Oluşumu

Bu olay, kabarcık oluşumunun özel ve aşırı bir biçimi olup, kabarcık çok irileşerek yatak

çapına erişmeleri ile meydana gelmektedir. Yani yatak yüksekliğinin yatak çapına göre çok

büyük olduğu durumlarda meydana gelir.

Yığışım olayı akışkanlaşma sürecini bozduğu ve ısı transferini kötüleştirdiği için istenmeyen

bir olaydır. Gaz debisi veya hızı arttırıldığında taneler taşınmaya başlamakta bu faza

“seyreltik faz” veya “pnömatik taşıma fazı” olarak tanımlanır. (Şekil 5.1, Pneumatic

coneying) [19]

Şekil 5.7. Yığışım olayının basınç dalgalanması ile gösterimi

58

6.BÖLÜM AKIŞKAN YATAKLI KAZANLARDA ISI

TRANSFERĐ 6.1. Akışkan Yataklarda Isı Transferi

Gaz ile akışkanlaştırılmış bir yatakta, kabarcıkların etkisi ile oluşan karışımdan dolayı, yatak

homojen sıcaklıktadır. Hareketli yatak gerecinin arasına daldırılmış olan yüzeyler yüksek

oranda ısı transferi yapmaktadır. Yatak gerecinin hareketli olmasından dolayı akışkan yataklı

sistemler diğer sistemlere göre yüksek oranda ısı transfer katsayılarına sahiptirler. Isı transferi

yapılan yüzeyler aktif ve serbest yatak içerisinde yatay şekilde konumlanacağı gibi düşey

şekilde de olabilir. Yine aynı şekilde akışkanlaşmış yatağı çevreleyen bir yataktan da ısı

transferi yapılabilir.

Isı transferinin aktif yatak bölgesinden yada serbest yatak bölgesinden veya her iki yerden

belirli oranlarla çekilmesi sistem tasarımına, akışkan hızına, taneciklerin boyutlarına gibi

faktörlere bağlı olarak değişmektedir.

Akışkan yataklı yakıcılarda ısı aktarım alanının doğru seçilmesi son derece önemlidir. Bunun

önemi; termik santrallerde yük değişimi esnekliğinin arttırılması veya yumuşak biçimde kısmi

yüke geçişinin sağlanmasıdır. Eğer ısı transferi katsayısı çok yüksek kabul edilerek yatak

içine az miktarda boru yerleştirilirse yeteri kadar ısı çekişi yapılamayacağı için aktif yatağın

sıcaklığı artar. Bunun sonucunda da yatak içerisinde kekleşme oluşur ve ölü bölgeler ortaya

çıkar. Eğer ısı transferi yapılan alan çok seçilirse aktif yatağın sıcaklığı düşer ve akışkanlaşma

karakteristikleri değişir. Sıcaklık oldukça düşerse de yatak sönmesi görülür. Yani transfer

alanı büyük veya küçük seçilmesi her iki durumda da yatağın devre dışı olmasına sebebiyet

verir.

6.1.1. Isı Transfer Mekanizması

Yatak içerisine ilave edilen taneciklerin (yatak gereci) hareketli olması ve tanecik

yüzeylerinin 3000-45000 m2/m3 olması akışkan yatakların kütle ve ısı transferi katsayıları

yüksek değerlere ulaşmaktadır. Tasarımcı, ısı transferi borularının yerleşimi için gerekli olan

hacimden yatak hacmini hesaplar.[27]

59

Ancak, toplam yüzey alanını belirleme çok az esnektir. Yani, ısı transferi yüzey alanının

belirlenmesinde ve yatak hacminin hesaplanması büyük önem taşır. Akışkanlaşmanın

kalitesine, ısı transfer yüzeyinin geometrisine, gaz özelliklerine ve yatak sıcaklığı seviyesine

bağlı olan ısı transferi katsayısının h, mertebesi aşağıda farklı sistemler için verilmiştir. h,

(W/m2.K)

Doğal konveksiyon 5-25

Düşük hızlı gaz akışı 11-100

Yüksek hızlı gaz çıkışı 100-250

Sabit yatak 5-50

Akışkan yatak 250-700

Alışılmış sistemlerde radyasyon ve / veya konveksiyon mekanizmaları hakimken, akışkan

yataklarda birçok mekanizmanın varlığı bulunmaktadır. Deneysel sonuçlardan elde edilmiş

korelasyonlar arasında bir uyum araştırması vardır. Bu nedenle yukarıda 250-700 W/m2.K

aralığından sağlıklı bir ısı transfer katsayısı seçmek kolay değildir. Belirtiler farklılık sadece

aktif bölgede değil aynı zamanda serbest yatakta da mevcuttur. Bu bölgede toz

konsantrasyonu yüksek ve gaz sıcaklığı düşüktür.[28]

Büyük taneciklere sahip akışkan yataklardaki ısı transferi, küçük tanecikli akışkan

yataklardakinden farklılık göstermektedir. Küçük tanecikli akışkan yataklarda tane çapı

arttıkça ısı transferi katsayısı düşer. Büyük tanecikli sistemlerde, ısı transferi katsayısı

değişmez, hatta tanecik çapıyla birlikte artma eğilimi gösterir. Küçük tanecikli sistemlerde ısı

transferi basınç seviyesinden etkilenmezken, büyük tanecikli akışkan yataklarda ısı transferi

katsayısı basınçla artış göstermektedir. Yatak yüzey ısı transferinde, akışkanlaşma da, normal

şartlar altında, daldırılmış bir yüzey ile yatak arasındaki ısı transferi üç bileşenden

oluşmaktadır;

� Partikül konvektif bileşeni hpc, yatak ile ısı transfer yüzeyi yakınındaki bölge arasında

partikül dolaşımına bağlı gelişen bir mekanizmadır.

� Fazlar arası konvektif bileşeni hgc, partiküller ve partikül yüzeyi arasında gaz

konveksiyonu ile transfer edilen ısıdır

60

� Isı transferinin radyasyon bileşen hrad, yüksek sıcaklıklarda (>600 °C) yatay ve yüzey

arasında büyük sıcaklık farkları olduğunda önem kazanmaktadır.

Isı transferi katsayısı 3 bölgede incelenebilir;

1. Birinci bölgede; kabarcıkların etkisiyle partikül dolaşımı, yani sabit yatak

rejimin söz konusudur (U/Umf<1). Artan gaz hızıyla h doğrusal, ancak az bir

artış gösterir.

2. Đkinci bölgede; akışkan yatağın ısı transferinde önemli etkiye sahip partikül

karışınım, gaz hızının minimum akışkanlaşma hızını geçtiği ikinci bölgede ısı

transferi asimtotok şekilde artar. Kabarcık yüzünden oluşan tanecik hareketleri

ısı transferini arttırır. Kabarcık çapı belli değere ulaştıktan sonra ısı transferi

azalır. Kabarcık büyümesi gaz hızına bağlı olduğundan optimum gaz hızı

belirlenmelidir. Isı transferi katsayısının maksimuma ulaştığı hız minimum

akışkanlaşma hızının 1,5-5 katı aralığındadır. Isı transferi katsayısı tanecik çapı

ile ters orantılı biçimde değişmektedir.

3. Üçüncü bölgede; kabarcık etkisiyle oluşan gaz akışı söz konusudur. Böylece

toplam ısı transferi katsayısı;

h = hpc + hgc + hrad (6.1)

yazılabilir. Üçüncü bölge sistemin ısı transfer özelliklerini belirlemede önemli değildir. Isı

transferindeki en önemli noktalardan birisi de katı/gaz temasıdır.

Yatak sıcaklığı 600 °C’nin üzerine çıktığında radyasyon önem kazanmaktadır. 800 °C

civarında bir sıcaklığa sahip akışkan yataktaki ısı geçişinin yaklaşık %30’u radyasyonla

gerçekleşmektedir. Tane çapı arttıkça radyasyon ile transfer artmaktadır. Yoğun faz

taneciklerinin, söz konusu yüzey üzerinde konaklama süreleri arttıkça etkin olan ısı transferi

katsayısı azalır. [29]

Yatay geçen ısı transferi borusu için 4 farklı durum söz konusudur;

• Yoğun fazda boruya dokunan tanecikler,

• Boru yüzeyini yalayan kabarcıklar,

• Borunun alt yüzeyinde yoğun fazdan daha seyrek tanecikler bulunduran bir habbe

• Kesitin üstünde kalma süresi daha uzun olan taneciklerin varlığıdır.

61

Kabarcıkların hareketine bağlı olarak tanecikler sık sık yüzeyden ayrılarak, yatağa karışırlar.

Boru yüzeyi boyunca ortalama ısı transferi katsayısı bulmak için yüzeyin ne kadarının

taneciklerle (yoğun fazda) kaplandığını bilmek gerekir. Eğer bu miktar (1-f0) olarak verilir,

geri kalan f0 da kabarcığın yaladığı yüzey yüzdesini verirse, söz konusu ısı transferi katsayısı

ile olan ilişkisi;

h = (1-f0).he + f0.hb (6.2)

olarak çıkar. Bu formuldeki hb ve he yoğun faz (yatak) ve kabarcık (emülsiyon) teması

durumundaki ısı transferi katsayısını temsil etmektedir. Taneciklerin sıcaklığı ısı geçişi

süresince yatak sıcaklığına çok yakın kaldığı için ısı transferi katsayısı hr, boru ile bu yüzeye

en yakın taneciklerin arasındaki daimi ısı transferi analizinden bulunabilir. Dolayısıyla he

yüzey termal direncine eşittir.[29]

Formül “6.2” de, temas noktaları boyunca direk iletimi, tanecikle yüzey arasındaki taşınımı ve

ısıl radyasyonu içermektedir. Gaz hızı min. akışkanlaşma hızının altına indiğinde sabit ve

statik yatak koşullarına geçilmektedir.

Akışkan yataklı sistemlerdeki tanecikler nispeten büyük olduğu için ısı transferine olan

direnç, sadece yüzeyle birinci sıradaki tanecikler arasındadır. Tanecik ve ısı transfer yüzeyinin

direk temasıyla, arasındaki gazdan iletim ısı geçişiyle ve ısıl radyasyonla gerçekleşir.

Tanecikler veya paketçikler arasındaki gazın akışı ile ısı transferi miktarı daha da artacaktır.

Taneciğin yüzeyle temastayken sabit bir pozisyonda kalmadığı yüzey üzerinde kaydığı

gözlenmiştir. Bilinen, taneciğin yüzeyle teması durumunda iletimle ve taşınımla olan ısı

transferi üst limitinin Nu = 12 olacağıdır. [28,30]

Akışkan yataktaki tanecik çapı büyüdükçe bu çapa karşılık gelen minimum akışkanlaşma hızı,

dolayısıyla tanecikler arasından geçen gaz akışını karakterize eden Re sayısı artar. Isı transferi

yüzeyi yakınındaki boşluklardan olan taşınım ısı transferinin payı da giderek fazlalaşır.

Isı transfer yüzeyine yakın sıradaki taneciklerin sıcaklığı yatak sıcaklığına yaklaşık olarak eşit

sayılır. Bu nedenle radyasyonla ısı transferi, taşınım ve iletim ısı geçişinden bağımsızdır.

Böylece iletim ısı geçişi sabit kalır. Nusselt sayısı kullanılarak;

62

(6.3)

Olarak ifade edilirse, yoğun fazdan kaynaklanan etkin ısı geçişi her üç bileşen

(iletim,taşınım,ışıma) göz önüne alınarak aşağıdaki gibi ifade edilebilir. [31]

(6.4)

σ= Stephan-Boltzman sabiti(W/m2K4)

TB= Yüzey sıc.(K)

Tw= Yata sıc.(K)

E(ε)W= Yüzey yayınımı

E(ε)p= Partikül yayınımı

6.1.2. Akışkan Yataklarda Yataktan Duvara Isı Transferi

Akışkan yatak yanma mekanizmasında, ısı transfer olayını etkileyen iki önemli etkinin

birlikte düşünülmesi gerekir.

1. Yataktaki sıcaklığın üniformluğu

2. Akışkanlaşmış malzeme ve kabarcık ile dış yatak duvarına nem etkisiyle transfer olan

yüksek miktardaki ısıdır.

Pratikte yatağın eksenel ve radyal yöndeki sıcaklık gradyanı üniform olarak kabul edilir.

Yüksek ısı transferlerinin ana nedeni duvar ve parçacıklar arasındaki etkileşim yüzeyinin

büyük olmasıdır. Yataktan duvara ısı transferi genellikle;

(6.5)

hw = ısı transfer katsayısı (W/m2.K)

Aw = Isı transferinin gerçekleştiği yüzey alanı (m2)

63

∆T = Yatak ve ısı transfer yüzeyi arasındaki sıcaklık farkıdır(K)

Q = Transfer olan toplam ısı yükü

Isı transferi katsayısı birçok faktöre bağlıdır; gazın, yoğunluğu, viskozite, özgül ısı; parçacık,

çapı, geometrisi, özgül ısısı gibi benzeri katı özelliklerin yanı sıra yatak dizaynına bağlı

kömür besleme ve boşaltma noktaları, yatak geometrisi ve minimum akışkanlaşma şartlarına

bağlı olarak şartlandırılabilir. Literatürde, akışkan yatak ısı ve transfer yüzeyleri arasındaki ısı

transferi katsayısını bulmak için değişik korelasyonlar vardır. Fakat, yapılan çalışmalar

genelleşmiş korelasyon formundadır. Bu sonuç yanlışlıklara sebep olmakta ve deney

esnasındaki belirlemeler çok büyük sistemlerde ve gerçekte farklılıklar göstermektedir.

6.1.2.1 Đnce Film Modeli

Levenspiel ve Walton ;

Alçalmakta olan parçacıkların aktif reaksiyonu yaptığını düşünmüşlerdir. Bu parçacıklar

duvardaki gaz film kalınlığını azaltırken duvar ve yatak arasındaki ısı transferi katsayısını

yükseltecektir. Bu modelle(Şekil 6.1), yüzeydeki gaz filmi sürekli değildir. Çünkü parçalar

belli olan noktalarda duvara temas etmekte ve bu da temas noktalarından sonra yeni bir film

tabasına sebep olmaktadır.

Şekil 6.1. Levenspiel ve Walton modeli.

64

Dow ve Jakop ;

Aşağı doğru hareket eden katı parçacıkların yüzeyde bir film teşkil ettiğini düşünmüşlerdir. Isı

duvardan hareketli parçacıklara iletilmektedir. Dağıtıcıdan belirli bir yükseklikte parçacıklar

ve içeri giren soğuk hava ısıl dengeden dolayı birbirleriyle karışmakta ve ileri hareket ederek,

yatak merkezinden yukarı doğru hareket etmektedir. Yani, biri dağıtıcı üzerinde diğeri de gaz

filminde duvarda olmak üzere iki farklı sıcaklık gradyanı oluşturmaktadır. Yatağın geri kalan

kısmında sıcaklık üniformdur.

Şekil 6.2. Dow ve Jakop modeli

Modeller parçacıkların aktifliği ve duvarda film tabakasının olduğu görüşü üzerine

kurulmuştur. Gaz filmi ile parçacıklar arasındaki ısı transferinin yalnızca iletim esaslı olduğu

düşünülmüş ve katı parçacıkların termal kapasitesi ihmal edilmiştir. Hız artarken ısı transferi

katsayısında artış görülmektedir. Ancak, bazı akış hızlarında ısı transfer katsayısının düştüğü

tespit edilmiştir.[32]

65

6.1.2.2 Emülsiyon Faz Modeli

Mickley ve Fairbanks ;

Yüzey ile temasta emülsiyon esaslı ısı transferi modeli geliştirilmişlerdir. Şekil 6.3’te

görüldüğü gibi emülsiyon paketlerinin çok kısa bir zaman için yatak duvarına temas ederek,

mutakiben ayrıldığı ve yatak merkezine doğru hareket ettiği fikri benimsenmiştir.

Şekil 6.3. Mickley ve Fairbanks modeli

Yatak merkezinden itibaren yatak sıcaklığına sahip olan parçacık paketleri belirli bir duvar

sıcaklığında yatak duvarına temas eder. Bu temas yüzey ve yatak malzemesi arasında yüksek

sıcaklık gradyeni meydana getirir. Şayet emülsiyon paketleri uzun zaman cidarda kalırsa

sıcaklıklarını yüzey sıcaklığına çıkarırlar. Fakat parçacıklar ve ısı transferi katsayısı yükselir.

Batterill ve Williams;

Isı transferi yüzeyleriyle parçacık paketlerinin temasıyla ilgilenmişlerdir. Bu araştırmacılar

emülsiyon paketi ve gaz akımının üniform olmadığını kabul etmişlerdir. Yani bunun

sonucunda emülsiyon modelinden farklı hale gelmiştir. Bunlar ısı transferini şu şekilde

açıklamışlardır.

66

Isı, parçacık ve yüzey arasında iletim mekanizmasıyla yüzeye temas eden parçacıklar sıcak

yüzeyden transfer edilir. Kısa zamanlar için ısı geçişi olmaz. Asıl ısı transferinin yüzey ve

parçacık arasındaki temaslarda olduğu düşünülmüş ve bu işlem için ısı transferi değeri temas

noktalarının sayısıyla orantılıdır. Temas eden iki parçacık arasında da ısı transferi olduğu

düşünülmüştür. Kısa temas zamanları için ikinci tabakaya ısının yayılması için yeterli zaman

yoktur.

Yaptıkları araştırmalar ile gerçek hal ve tahmin edilen modelin karşılaştırmasını yapabilmek

için deneylerinden faydalanmış ve deneysel ısı transferi katsayısının yüzey ve parçacık

arasındaki gaz varlığından dolayı tahmini değerden düşük olduğunu ortaya koymuşlardır.

6.1.2.3. Đnce Film ve Emülsiyon Tabaka Đle Daimi Isı Transferi

Daha önceki modellerde ısı transferi yüzeyiyle parçacık tek olarak veya paket halinde belirli

bir zaman temas ettiği kabulü daima önde görülmüştür. Fakat, emülsiyon tabaka yüzeye

paralel hareket yaparsa ısı transferinin daimi olmayan şartlarında ne olacağı düşünülmemiştir.

Bu durumda ısı transferi emülsiyon tabaka içinde yataktan uzakta meydana gelir.

Van Heerden ;

Daimi şartlar için bir model sunmuştur. Đnce gaz filminin ısıl direnci ve duvar paralel

emülsiyon tabakasının etkisini birlikte hesaba katmıştır. Duvar ve yatak arasındaki ısı

transferi katsayısının kum yüzeyler için büyük, büyük yüzeyler için küçük olması gerektiği

ifade edilmiştir.

Wicke ve Fetting ;

Benzer modeller ile duvardan akışkan yatağa ısı transferini araştırmışlardır. Isının iletim ile

yüzeyden ince filmine geçtiğini kabul etmişlerdir. Đnce filmi duvara paralel yukarı doğru akan

katılar olarak tarif etmişlerdir. Isının emülsiyon tabakaya transfer olan kısmı katılar ile

iletilmiş ve katının sıcaklığı artmıştır. Isının değer kısmı ise katının yer değiştirmesi ile yatak

merkezine iletilmiştir.

67

Şekil 6.4. Wicke ve Fetting modeli

6.1.2.4. Zabrodsky Modeli

Zabrodsky ısı değişimini yapan yüzeyler ile kütlesel parçacıkların meydana getirdiği akışkan

yatak arasındaki ısı transfer katsayısı için teorik bir izahat vermiştir. Yatak ile duvar

arasındaki ısı transferi mekanizması parçacık dizileri ve duvar arasındaki gaz tabakasının

kalınlığı ile sınırlanmıştır. Buna göre de, ısı transferinin gaz tabakası içersinden iletimle

meydana gelecektir. Duvardaki parçacıkların sıcaklığı hemen hemen yatak merkezindekilerle

aynıdır. Duvarda parçacıkların temas zamanı çok küçüktür. Herhangi bir anda parçacıklar ve

duvar arasındaki gaz tabaksının kalınlığı pozisyonlara göre değişir.

Birbirini takip eden dizilerle parçacıklar arasındaki ortalama fark yatak boşluğundan

çıkartılabilir ve bu şekilde verilebilir.

(6.6)

68

Şekil 6.5. Zabrodsky modeli

Zabrodsky denklemin çıkarılması için bazı kabuller yapmıştır. Parçacıklarda sıcaklık

gradyanı, düşük temas zamanı için parçacık yüzeyi ve duvar arasındaki sıcaklık farkına göre

ihmal edilecek mertebededir. Parçacıkların duvar ile temas zamanına kadarki zaman içinde

akışkan yatak ile aynı sıcaklıkta olduğu kabul edilmiştir. Duvar kıvrımları ısı transferine mani

değildir. Duvar yüksekliği boyunca ısı transferi katsayısının değişimi ihmal edilmiştir.

Parçacıkların ikinci dizisine ısı transferi ihmal edilmiştir.

Bu kabullere bağlı olarak Zabrodsky tarafından yatak ve duvar arasındaki ısı transferi

katsayısı şu şekilde verilmiştir.

(6.7)

69

Yüksek cps ve düşük kg değerleri için hava ile aynı değerlere sahiptir. “6.7” formülü daha basit

hali ile;

(6.8)

“6.8” deki formül ile ısı transfer katsayının max. değeri elde edilir. Yüzey hızı artarken (1-ε)

değerinin azalacağından boşluk değeri de artacaktır. Yüzeye yalın hız artarsa, radyal yöndeki

parçacık hızı da artacaktır. Bu iki faktör ısı transferi katsayısını düşürecektir. Düşey gaz

akışından dolayı taşınımla ısı transferi katsayısı ele alınmış fakat aynı zamanda düşük hızlarda

ihmal edilebildiği söylenebilir.

(6.9)

Ortalama film katsayısı ise;

(6.10)

Ortalama film kalınlığının ekstrem değerlerinin biri, birinci parçacık tabakasının tamamı ve

duvarı arasındaki temas durumunda meydana gelir. Küresel parçacıklar için parçacık çapının

altıda biri alınmalıdır. b, değeri yüzey hızına bağımlıdır ve (1/1000 cm) değerindedir ve

matematiksel olarak;

(6.11)

Daha iyi yatak boşluğunun bulunması için;

(6.12)

X= duvardan olan mesafe

dp= parçacık çapı

70

Sonuçlar bu model duvarda parçacıkların çok kısa bir zaman temasta olması durumunda sonlu

bir ısı transfer katsayısının bulunmasında kullanılabilir. Aynı zamanda duvar film direncini de

içerir.

6.1.2.5. Glicksman ve Decker Modeli

Glickman ve Decker daha büyük parçacıklı akışkan yataktaki ısı transferi mekanizması için

fiziksel bir model geliştirmişlerdir. Bu araştırmacılar, duvarın bir kısmının parçacıklar ile

kaplı iken kalan kısmının da gaz boşluğu ile kaplı olduğunu düşünmüşlerdir. Toplam ortalama

ısı transferi katsayısı; gaz boşluğundan yüzeye ve parçacıklardan duvara olan ısı akışının

toplamını ifade etmektedir. Yüksek sıcaklıklarda (>600°C) ısı transferi üç şekilde de

olmaktadır.

Isı transferi katsayısının tam olarak tahmin edilebilmesi için yüzey pürüzlülüğünün ve

geometrisi ile parçacıkların detaylı olarak bilinmesi gerekmektedir.

Yüzey pürüzlülüğü 102-104 mm arasındaki değerleri için ortalama iletimle ısı transfer

katsayısı değeri şu şekilde alınabilir.

(6.13)

Bu modelde ısı transferi yüzeyleri ile akışkan yatak arasındaki taşınımın ısı transferi

katsayısını bulmak için paket yatak kullanılmıştır.

Paket yatak için, taşınımın ısı transferi katsayısı, çok düşük ve daha yüksek Re sayıları için şu

şekilde verilmiştir.

(6.14, 6.15)

Akışkan yataklarda, paket yatak modeli formülasyonunu elde edebilmek için akışkan yatak ile

paketteki ısı transferi arasında bir bağıntı kurulması gerekir.

71

Đyi bir karışım sağlanmış, büyük parçacıklı akışkan yatakta duvarda parçacığın temas etme

süresi parçacığın ısıl sabitinden çok küçüktür. Bu durumda yataktaki parçacıklar ve ısı

transferi yüzeyine bitişik parçacıklar yatak sıcaklığında olurlar.

Şekil 6.6. Akışkan yatakta ısı transferi için Glickman ve Decker’in elektrik benzeşimi.

Paket yataklarda gaz yatak dibinden girerken yüzey üzerinden akar ve yüzeyin soğumasına

neden olur. Bu durumda da gaz sıcaklığı düşer (Tyatak, Tduvar için). Bunun sonucu olarak ısıl

sınır tabaka meydana gelir. Bu ısıl tabaka yatak ve ısı transfer yüzeyine bitişik parçacıklar

arasında ısı transferini engelleyici bir rol oynar. Sınır tabakadan dolayı duvar yakınındaki

birinci parçacık dizisi yatak sıcaklığında olmayacaktır. Sıcaklıkları ortalama bir değerde

olacaktır. Aynı zamanda, ortalama sıcaklıkta da hala parçacıklar arasındaki yüzeylerde ısı

transferini engelleyici durum mevcuttur.

72

Şekil 6.7. Paket yatakla ısı transferi için Glickman ve Decker’in elektrik benzeşimi.

Sınır tabaka ve ara yüzeylerde iki tane ısıl direnç vardır. Şayet parçacık şekli, yüzeye yakın

gaz hızı paket teorisi her ikisi için aynı ise, ara yüzeylerdeki ısı transfer direnci de her iki hal

için aynı olacaktır. Fakat toplam ısı transferi katsayısı için paket yatak modeline ilave bir

değer vardır. Buda ısı sınır tabakasının oluşturduğu dirençtir.

Isı transferi yüzeyinde parçacıklar yerine kabarcıkların olmadığı minimum akışkanlaşma

durumunda paket yatak analizi uygulanmıştır. Kabarcıklı yataklarda iyi bir karışımdan dolayı

minimum akışkanlaşmada görülen ısıl sınır tabaka yoktur. Böylece kabarcıklı yatakta ısı

transferi katsayısı minimum akışkanlaşma şartlarındaki ısı transferi katsayısından daha

büyüktür. Deneylere göre büyük parçacıklar ile akışkan yatakta paket ve minimum

akışkanlaşma yeri arasında ısı transferi katsayısında bir orana bağlı kalmayan ani bir değişim

görülmüştür. Neticede akışkan yataklarda akışkan yatağın emülsiyon faz için yüzeyde iletim

esaslı ısı transferinin paket yatak ile aynı olarak “6.14” ve “6.15” nolu denklemlerden

hesaplanacağı görülmüştür.

Kabarcıklı akışkan yataklarda ortalama yüzeye yakın hızın emülsiyon faz için;

(6.16)

73

olduğu görülmüştür. Burada, kabarcık boşluğu şu şekildedir;

(6.17)

Denklem “6.16” ile verilen hız, denklem “6.14” ve “6.15” ’deki Re sayısı ifadesinde

kullanılması gerekir.

Diğer taraftan türbülanslı akış rejimi için gaz fazı daha sürekli olduğundan yüzeye yakın gaz

hızı Re sayısı için gerekli ifadelerde kullanılır.

Emülsiyon ve duvar arasındaki ısı transfer değeri taşınım ve iletim etkilerinin toplamıdır.

Reynolds sayısına bağlı olarak bu değer, şu şekilde ifade edilir.

(6.18, 6.19)

Glickman ve Decker duvara, kabarcıktan da ısı transferi olabileceğini düşünmüştür. Düzlem

yüzeyde laminer sınır tabaksındaki ısı transferi için, Pahlhowen çözümü kullanarak kabarcık

faz ile bağlı olarak, gaz faz taşınımını araştırmışlar ve aşağıdaki bağıntıyı vermişlerdir.

(6.20)

Burada Lb ortalama kabarcık uzunluğudur. Tüm yüzey için ısı transfer katsayısı;

(6.21)

Küresel parçacıklar ve Re değerinin 2000’den büyük değerleri için;

74

(6.22)

Bu denklem, parçacıklarının ısı transferi yüzeyinde kalma zamanının 2000 den küçük, Re

sayılarında parçacık ısıl zaman sabitinden daha küçük olduğu büyük parçacıklı akışkan yatak

hesabını da içerir.

Işınımla ısı transfer katsayısı ise(J/m2.s.K);

(6.23)

εw= 0,79 çelik oksitler için

εe=0,86 kömür külü için

Akışkan yataklı yakıcılarda yüzeyden ısı transferi şu şekilde olur,

• Yüzeye ince bir gaz filmi içerisinden ısı transferi, filmin kalınlığına (bu değer ise

parçacık boyutuna bağlıdır) bağlıdır.

• Parçacık ve yüzeyin doğrudan temasından dolayı ısı transferi mevcuttur. Bu hal için

yüzeyde parçacıklar belirli bir yer değiştirme hareketi yaparlar ve tek parçacık

modelinde parçacık ve duvar arasında taşınımla ısı transferi meydana gelir.

• Emülsiyon tabakadaki daimi olmayan ısı transferi; bu halde, emülsiyon tabaka

kısımlar halinde yüzeyi süpürerek geçer ki bu işleme packett teorileri denmektedir.

6.1.3. Akışkan Yataklarda Işınımla Isı Transferi

Işınımla ısı transferi, katı parçacıklı yataklarda daha yüksek sıcaklıklarda önemli bir rol

oynamakta. Normal kabarcıklı yataklarda taşınım ve iletimle ısı transferi ile

karşılaştırıldığında ışınımın etkisi nispeten daha az önem arz eder. Gerçekte ise ışınımla ısı

transferinin, toplam ısı transferi mekanizması üzerindeki etkisinin tespit edilmesi mümkün

değildir. Bazı araştırmacılara göre ışınım 1000oC (1273 K) değerindeki yatak sıcaklığının

üstündeki sıcaklıklarda dikkate alınır. Diğer taraftan, bazı araştırmacılar ise ışınımla ısı

transferinin 600oC ( 873 K )üzerinde önemli bir rol oynadığını ileri sürmüşlerdir. Görüldüğü

75

üzere çalışmalar ışınımla ısı transferinin katılım yüzdesini tespit yönündedir. Değişik parçacık

boyutları ve yanma sıcaklığı için farklı yaklaşımlar farklı sonuçlar vermiştir.

Zabrodsky ışınımla ısı transferinin minimum akışkanlaşma durumunda önemli rol oynadığını

kabul etmiştir. Isı transferinin iletimle olan kısmı hızla hareket eden katı parçacıklardan dolayı

kabarcıklı yataklarda çok etkilidir. Katı parçacıkların veya paketlerin diğerleriyle çok yavaş

yer değiştirdiği durumları ele almıştır. Bu halde ısı transferi katsayısı bilinen iletim

teorileriyle doğrudan hesaplanabilir. Paketlerde parçacıkların yavaş hareketlerinden dolayı

duvara yakın parçacıkların sıcaklıkları hemen hemen yüzey sıcaklığına eşittir, ışınımla geçen

ısı transferi iletim ve taşınıma oranla çok küçüktür. Bu sebeple ihmal edilebilir. Eğer parçacık

hareketleri yüksek olsaydı sıcaklık farkları büyük olacağından ışınımla ısı transferi de hesaba

katılacaktı

Yüksek sıcaklarda yatağın max. ısı transferi katsayısının mutlak etkisinde olduğu düşünülerek

max. ısı transfer katsayısı kullanılmıştır. Yatak boşluğu artarken, ışınımın etkisi de

artmaktadır. Ancak yatak boşluğu belli bir değere ulaştığında ışınım etkisi ile transfer

azalacaktır.

Yoshide 1000oC’nin altındaki sıcaklıklarda ısı transferleri ile ilgilenmiştir. Buna göre yatağın

toplam boyunca ısı transfer katsayısı,

(6.24)

olarak açıklanabilir.

Burada hwr;

(6.25)

Baştan başa değişim faktörü (ø) şu şekilde verilmiştir;

76

(6.25)

Emülsiyon fazın emisivitesi;

(6.26)

olarak verilmiştir.

Gaborun modeli emülsiyon fazda ışınım ve iletimle ısı transferi katsayısının hesaplanmasında

kullanılır. Bu araştırmalar akışkanlaştırılmış yatak ve daldırılmış yüzey arasındaki ısı

transferinin kabarcık faz içinden ışınımla ve emülsiyon faz içerisinden iletim ve ışınım ile

olduğunu kabul etmişlerdir.

Kabarcık faz içindeki ışınımla ısı transferi Yoshide’nin bağıntısından;

(6.27)

Böylece toplam ısı transferi katsayısı;

(6.28)

ile hesaplanır.

6.1.4. Isı Transferi Ölçüm Tekniklerine Göre Bazı Deney Sonuçları

Laboratuar koşullarında yapılan deneylerin, gerçek zamanlı, büyük akışkan yataklı kazanlara

uygulamasında sonuçların örtüşme garantisi yoktur. Her uygulama esnasında deneyi yapan ve

77

teori sahibi araştırmacının kabul ettiği sabitler, deney koşulları ve ölçme tekniğine göre farklı

sonuçlar çıkarılmıştır.

Şekil 6.8. Belli zaman aralığında, belli noktaya değen parçacık teması

Şekil 6.8.de görüldüğü gibi akışkan yatak içersinde gaz ve katı karışımında, düzensizlik

içersinde yatağa katı teması olmaktadır.

Tablo 4. Parçacık çapına bağlı olarak, parçacığın duvara temas mesafesi ve ısı transfer

katsayısı değişimi. (Lc: duvara temas mesafesi)

78

Tablo 4’de belirli çaptaki parçacıkların aktif bölge içersinde yatağa temas mesafeleri ile ısı

transfer katsayısının değişimi incelenmektedir.

Tablo 5. Katı hacim oranı ile ısı transfer katsayısının değişimi

Tablo 5’de parçacık hacminin aktif yatak hacmine oranının, parçacık çapına ve duvara

temasın uzunluğuna göre ısı taşının katsayısının değişimi gösterilmiştir.

Tablo 6. Isı taşınım katsayısının öz kütleyle değişimi

79

Yapılan çalışma sonuçlarında da görüldüğü gibi deney koşulları gerçek koşullardan bir hayli

uzak olmakla birlikte gerçek zamana uygulaması da mevcut olmamakta.

80

SONUÇ

Akışkan yataklı kazanlarda, yakıt esnekliğinin yüksek olması, yüksek kül ve rutubet içeren

yakıtların kullanılması ile yüksek yanma verimi elde edilmesi gibi sonuçlar Türk linyitleri

açısından oldukça önem arz etmektedir.

Yüksek miktarda SO2 ve NOx emisyonları bırakan alışılmış sistemlere nazaran bu kazan

sistemlerinde bu emisyon değerlerinin düşük tutulması ile son zamanlarda ortaya çıkmakta

olan çevre felaketlerine bir ölçüde olumlu bir yaklaşım sergileyen bu sistemlerin geliştirilmesi

gün geçtikçe artmaktadır.

Son zamanlarda ülkemizde de oldukça revaçta olan bu sistemlerin kurulumu her geçen gün

artmaktadır. Bu sistemlerdeki en büyük sıkıntı gerçek zamanlı akışkan yataklı kazan tasarımı

yapılan hesaplamaları tecrübe değerlerine ve bağıntılarına bağlı olup sistemin verimli ve

düzenli çalışması, sisteme adapte olmuş otomasyon ile mümkündür.

Bu sistemin avantajları ve dezavantajlarına baktığımızda diğer sistemlere göre üstünlüğü

rahatça anlaşılmakta; yan ürünlerinin endüstride değişik alanlarda kullanılması ile geniş bir

yelpaze de uygulama alanı bularak hem ekonomik hem de düşük kaliteli yakıtların

kullanılması ile enerji sıkıntısı azaltma açısından oldukça önemli bir noktada bulunmaktadır.

81

KAYNAKLAR:

1. Lewis, W. K. And Gilliand, E.R. 1949, Ind. Eng. Chem., 41,1104/Akışkan yataklarda ısı transfer özelliklerinin deneysel incelenmesi, Gazi Üniversitesi.

2. Reh, L., 1971 Chemical eng. Progress., 672,58. 3. Zenz, F. A., Encyclopedia of Cemical Technology, 3rd Ed., 10, 548 4. Reh, L. 1979, Fluid Bed Combustion in Progressing Enviromental Protection and

Energy Supply, Int. Fluidized Bed Combustion Symposion. Am. Flame Res. Com. Ma. And Erdöj und Kohle. Erdgas. Bd 32, Heft 12, 560

5. Orhan Kural, „KÖMÜR“,sy 412,blm 16 6. MimagSanko, www.mimag-samko.com.tr/teknik_bilgi/akiskan_yatakli_kazanlar.pdf 7. Orhan Kural, „KÖMÜR“,sy 412,blm 16.1 8. Akışkan Yatak Yakma Sistemi Tasarımı ve Kurulması, 3b.,sy.43, Gazi Üniversitesi 9. Basu, P., ritchie, C., Halder P.K.,1985, Burning Rates of Carbon Particles in a

CFB,Circulating Fluidized Bed Technology, Proc.of the First Int. Conf. On CFB, Halifax, Nova Scotia,Canada, sy229.239

10. Basu,P., ve Nag.P, ve Nag.P.K.,1987, An Investigation Into Heat Transfer In Circulating Fluidized Beds, Int.J.Heat Mass Transfer,30,239.2409

11. Orhan Kural, „KÖMÜR“,sy 415,blm 16 12. Tang.,J.T.,Tesfai,A.and Taylor,E.,“A comparison of the ahlstrom pyroflow circulating

fluidized bed combustion system with the conventional bubbling fluidized bed combustion system“,the 7th International Conference on Fluid Bed Combustion, October,1982.

13. singer, J., Combustion Fossil Power Systems, Combustion Engineering Inc., Windsor,1981

14. Plass,L., Bierbach,H.,Gummel,P.,1986,Experience With Combustion In Circulating Fluidized Beds

15. Orhan Kural,KÖMÜR b16sy420. 16. ABBI, Y.B. ve Ç.A.,1978,WATERS,P.L.,1975,HAMMONS, G. VE Ç.A.,1970 17. Gazi Üniv. 2002, Yüksek Lisans Tezi 18. Sidal Enerji LTD., http://www.dal.com.tr/ 19. Leva, M., Dluidization, Mc. Graw Hill, New York, 1959 20. Davidson,J., Combustion Fossil Power Systems, Combustion Engineering Inc.,

Windsor, 1986 21. Reboux, P., Phenomenes de Fluidization, association Française de Fluidisation, Paris,

1965 22. Ergun,S.,1952 Chem.,Eng.,Prog.,b48sy89 23. Kunii,D.,ve Levenspiel,O.,1969, Fluidization Engineering, John Wiley And Sons,

Newyork 24. Leva,M.,1959,Fluidization,Mc Graw Hill, New York 25. Agarwal,J.C.,Davis,W.L.,King,D.T.,1962,Chem.Eng.Prog. 26. Howard, J.R., Fluidized Beds Combustion and Application, Applied Science

Publishers, London, 1983.

27. Vural,H.,1984,Alüminyum Üretiminde Kömürün Yeri ve Akışkan Yatak Teknolojisi Bildirisi, Tübitak.MAE Makine ve Enerji Sistemleri Araştırma Bölümü,128.133,Gebze.istanbul

28. Kobro,H.,Brereton,C.,1986,Control And Fuel Flexibility of Circulating Fluidized Bed,Circulating Fluidized Bed Technology,263.272

29. Holman, J.P.,1986,Heat Transfer, Mc Graw Hill,New York

82

30. Molerus,O.,1993,Arguments On Heat Transfer In Gas Fluidized Beds,Chem.Eng.Sci.,48,761.770

31. Glicksman, L.R.,1984,Heat Transfer in Fluidized Bed Combustors, Lecture Notes. 32. Pilot ölçekli akışkan yatak kömür yakıcısının mekanik tasarımı,Erciyes Üniversitesi

Ana Kaynaklar:

• Doğan Demiral, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Mekanik Ana

Bilim Dalı, Pilot Ölçekli Akışkan Yatak Kömür Yakıcısının Mekanik Tasarımı

• Süleyman Yolcu, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Pilot Boyutta Bir

Dolaşımlı Akışkan Yatak Yakma Sistemi ve Kurulması

• Semih Çağlayan, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Akışkan

Yataklarda Isı Transfer Özelliklerinin Deneysel Đncelenmesi

• Prof. Dr. Orhan Kural, Kömür

• Prof. Dr. Osman F. Gencelli,Isı Değiştiricileri

• Prof. Dr. Kemal Onat, Prof. Dr. Osman F. Gencelli, Prof. Dr. Ahmet Arısoy,

Buhar Kazanlarının Isıl Hesapları

• Mak. Yük. Müh. Abdullah Eker, Pratikte Uygulamalı Sanayi Tipi Kazanların

ve Aksesuarların Proje Hazırlama Tekniği

• http://web.deu.edu.tr/erdin/pubs/doc66.htm

• http://www.geocities.com/SiliconValley/Campus/4400/komur.htm

• http://www.metalmakina.com/Default.asp?CONTENT=Detail&NEWS_ID=72

4&ISSUE=157&CAT_ID=44&CAT_NAME=Makale

• http://www.salimozgenc.com/pages.asp?page=aritma&subid=121

• http://www.dal.com.tr/tr/_teknik

• www.gencbilim.com

• www.desteknik.org

• www.odevsitesi.com

• www.mimag-samko.com.tr/teknik_bilgi

83