Buhar ile Isıtma

Buhar, endüstride en çok kullanılan ve en efektif ısı transfer akışkanlarından biridir; fakat tek değildir. Diğer akışkanlar; sıcak su, kızgın su ve kızgın yağ, indirekt ısıtma için endüstriyel ısıtmada tercih edilmektedir. Bu makalemizde buhar kullanımının, kızgın su ve kızgın yağ kullanımına göre olan avantajlarını inceleyeceğiz.

Buhar ile Isıtmanın Avantajları

Kızgın Yağ ve Kızgın Su ile Isıtma

Likit fazda bulunan akışkandan olan ısı transferinde daima hissedilir ısı kullanılmaktadır. Bununla birlikte Kızgın yağ ve kızgın su ile ısıtma esnasında daima hissedilir ısı kullanılmaktadır. Bu sebepten dolayı, akışkan ısı transferi yaptığı süre boyunca sıcaklığını kaybetmekte, bir diğer ifade ile sıcaklığı düşmektedir. Bundan dolayı ısı transferinin yapıldığı ısı değiştirici içerisinde likit fazdaki akışkanın sıcaklığı sabit kalamamaktadır. Isı değiştirici boyutunun büyüklüğü arttıkça homojen şekilde ısıtma ihtimali de o ölçüde azalmaktadır. Birim kütle başına ihtiva ettiğini enerji ortalama 17 kcal/kg dolaylarındadır.

Buhar ile Isıtma

Gaz fazında bulunan buhar ısı transferinde daima gizli ısı (buharlaşma entalpisi) kullanmaktadır. Bu sebepten dolayı buhar ısısını kaybettikçe kondense olmakta ve likit faza geçmektedir. Likit fazda bulunan kondens doyma noktası sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta ısı değiştiriciyi terk etmektedir. Buharın kg başına ihtiva ettiğini 539 kcal/kg’a kadar yükselebilmektedir. (Basınç ile değişmektedir.)

Buhar ile Homojen Isıtma

Likit fazdaki akışkanın ısı transferi mekanizması taşınım ile gerçekleşirken, gaz fazındaki akışkanın ısı transferi yoğuşma ile gerçekleşmektedir. Bu sebepten dolayı buhar ile ısı transferi esnasında sıcaklık sabit kalmaktadır. Bu oluşum esnasında, buhar gizli ısısını ısıtılacak akışkana/ürüne aktarmaktadır. Buharın yoğuşması ile oluşan kondens gizli ısısının kaybetmesine rağmen, hissedilir ısıyı korumakta ve buhar ile aynı sıcaklıkta bulunmaya devam etmektedir. Bu sebeple ısıtılacak yüzeyin tamamında aynı sıcaklıkta ısı transfer akışkanı bulunmaktadır. Bu oluşum esnasında basınç değişmediği müddetçe aynı sıcaklıkta proses devam etmektedir.

Akışkan sıvı fazda bulunduğunda ise ısı transfer süresi boyunca sıcaklığı azalmaktadır. Bu sebeple ısı transfer yüzeyi boyunca sıcaklık gradyanı oluşmaktadır. Bu sebepten dolayı likit fazdaki ısıtıcı akışkanların homojen ısıtma yapması beklenilemez.

Buhar ile Hızlı Isıtma

Buhar, kondense olurken üzerindeki gizli ısının tamamını ısıtılacak olan akışkana aktarır. Buharın ihtiva ettiği gizli ısı miktarı, doymuş suyun ihtiva ettiği hissedilir ısı miktarına göre 2-5 kat arasında fazladır. Bu gizli ısı anlık olarak ürüne/akışkana aktarılır ve ısıtma sağlanır. Yoğuşma esnasında, buhar doğal olarak ısı transfer yüzeyine ters şekilde akış gösterir ve bu mekanizma hızlı ısıtmaya yardımcı olur.

Buhar ile ısıtma mekanizmasının tam tersine, kızgın su ve kızgın yağ ile yapılan ısıtmalarda taşınım ile ısı transferi gerçekleşmektedir. Bu oluşumda faz değişimi görülmemektedir. Bu mekanizmada taşınım doğal yol ile gerçekleştirildiğinde ısı transferi son derece yavaş gerçekleşmektedir. Uygulamalarda akışkan genellikle bir pompa vasıtası ile sirküle edilmektedir. Bu pompa akışkanı ısı transfer yüzeyine ters şekilde akış gerçekleştirmesi için zorlamaktadır. Literatürde buna zorlanmış taşınım ile ısı transferi denilmektedir. Bu mekanizma ile doğal taşınıma göre ısı transfer katsayısı arttırılmaktadır.

Isı Transfer Oranı

Akışkan ile katı madde arasındaki ısı transfer oranı genellikle taşınım ile ısı transfer katsayısı ile ifade edilir. Bu değerler kabaca;

Bununla birlikte, ısı değiştirici içerisindeki ısı transferini yalnızca taşınım ile olan ısı transferi açısından incelemek eksik olacaktır. Aşağıdaki sıralanan maddelere göre ısı değiştirici içerisindeki ısı transferi incelenmelidir.

Isı değiştiricide gerçekleşen ısı transferini daha iyi anlamak için ise, birleşik bir ısı transfer katsayısının bulunması zorunludur.

Sonuç

Isı transfer akışkanı olarak buharın diğer akışkanlara (kızgın su, kızgın yağ) göre ciddi üstünlükleri bulunmaktadır. Bunun temel sebebi, buharın ısıtma işlemi sırasında gizli ısısını kullanmasıdır. Buharın ısıtma açısında özelliklerini sıralamak gerekirse;

Bu özellikler, bir takım avantajlara sebep olmaktadır.

Doymuş buhar, suyun kaynama noktası sıcaklığına kadar ısıtılması (hissedilir ısı) ve sabit sıcaklıkta ısı almaya devam ederek (gizli ısı) faz değiştirmesi ile oluşur. Doyma noktası sıcaklığında buharın ısıtılmaya devam edilmesi ile de kızgın buhar oluşmaktadır.

Doymuş Buhar

Doymuş buhar suyun gaz hali ile sıvı hali arasındaki denge halini ifade etmektedir. Bir diğer ifade ile suyun buharlaşma ve yoğuşma miktarının aynı olduğu haldir.

Doymuş buharın ısıtma uygulamalarında bir çok avantajı bulunmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir:

Doymamış Buhar (Islak Buhar)

Endüstride en çok karşılaşılan buhar türüdür. Buhar kazanlarında buhar üretilme esnasında buharlaşmamış su, buhar ile birlikte dağıtım hatlarına doğru taşınır. Bu oluşumu ‘carry over’ veya ‘su sürüklenmesi’ denilir. En verimli buhar kazanlarında bile %3 ile %5 arasında su buhar ile birlikte dağıtım hatlarına dağılırlar. Buhar buharlaşma esnasında bazı su partiküllerini kendisiyle birlikte hatlara doğru sürüklenmesi en temel oluşum şeklidir. Bununla birlikte yüzey blöflerin yetersiz miktarda olması, ani buhar ihtiyaçları bu oluşumu destekler. Buharın kalitesini ifade etmek için ortaya çıkan ‘kuruluk derecesi’ buharın doyma noktasından olan uzaklığı ifade eder. Bir başka ifade ile birim kütlede buharın üzerinde taşıdığı su miktarını ifade eder.

Kızgın Buhar

Kızgın buhar, doymuş buharın üzerine ısı alması ile sıcaklığının artmasını ifade eder. Bu sıcaklık değişimi boyunca buharın basıncı sabit kalmaktadır. Kızgın buhar genel olarak tahrik/güç aktarma amacı ile türbinlerde kullanılır. Bununla birlikte nadir de olsa farklı tip ısıtma proseslerinde de kullanılır. Kızgın buharın kullanılmasının bir çok avantajı bulunmaktadır. Bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir:

➡️Kızgın buharın kullanılmasının bir çok avantajı olduğu gibi dezavantajı da bulunmaktadır.

Bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir:

Yukarıdaki avantaj ve dezavantajlar göz önüne alındığında endüstrideki ısıtma proseslerinde genellikle doymuş buhar kullanılmaktadır. Diğer taraftan bazı gıda prosesleri için kızgın kullanımı olduğu da bilinmektedir.

Süperkritik Buhar/Su

Süperkritik su, 22.1 MPa basınçta 374 °C kritik noktada bulunan sudur. Bu noktada buharın gizli ısı değeri sıfırdır. Yine bu noktada özgül hacim su veya buhar olup olmamasından bağımsız olarak birbirine eşittir. Bir diğer ifade ile bu noktada su ne gaz fazında ne de sıvı fazındadır.

Süperkritik su, yüksek verimlilik istenilen türbinlerde tahrik akışkanı olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, araştırmalar süperkritik suyun, gaz veya sıvı fazın özelliklerini birlikte göstermesinden dolayı, kimyasal reaksiyonlar için solvent olarak kullanılabileceğini göstermektedir.