Ateş borulu kazanlar, sanayideki en eski ve en yaygın kullanılan kazan türleridir. Basit yapıları, yüksek güvenilirlikleri ve düşük bakım ve onarım maliyetleri nedeniyle bu kazanlar geçmişten günümüze kadar kullanılmaktadır. Ateş borulu bir kazanda, yanma sonucu oluşan sıcak gazların ısısı, kazan tankının içindeki suya aktarılır ve bu da buhar veya sıcak su üretimine yol açar. Bu buhar, elektrik üretimi, ısıtma ve kimyasal işleme dahil olmak üzere çeşitli endüstriyel süreçlerde ihtiyaç duyulan enerjiyi sağlamak için kullanılır. Bu makalede, ateş borulu kazanlar, bunların türleri, bileşenleri, uygulamaları ve ateş borulu kazanlarda verimliliği artırma stratejileri incelenmektedir.
Ateş Borulu Kazan
Kazanlar, yapısal olarak iki türe ayrılır: ateş borulu kazanlar ve su borulu kazanlar. Ateş borulu kazanlar, en yaygın kullanılan kazan türlerinden biridir ve yüzyıllardır çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. Bu tür kazanlarda, yakıtın yanması sonucu oluşan sıcak gazlar, duman boruları içinden birden fazla yol boyunca geçerek bu boruların çevresindeki suyu ısıtır. Sonuç olarak, sıcak su veya buhar üretilir. Buna karşılık, su borulu kazanlarda su boruların içinde akar ve yanma gazları bu boruları çevreler. Su borulu kazanlar, yüksek basınçlarda buhar veya sıcak su üretmek için kullanılır. Bu kazanlar, petrol ve gaz endüstrisi, petro rafineri ve enerji santrallerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
İlk ateş borulu kazanlar, 18. yüzyılın sonları ve 19. yüzyılın başlarında, özellikle elektrik üretimi ve taşımacılık gibi erken sanayilerde, buhar lokomotifleri dahil olmak üzere, kullanılmak üzere geliştirildi. Bu kazanların ilk tasarımlarından biri, 1804 yılında Richard Trevithick tarafından İngiltere’de, buhar lokomotifleri için buhar sağlamak amacıyla yapıldı.
Zamanla, teknolojideki ilerlemelerle birlikte, ateş borulu kazanların boyutları ve verimlilikleri artırıldı. Basit tasarımları, düşük bakım ve onarım maliyetleri ve orta basınçta büyük miktarda buhar üretme kapasiteleri nedeniyle, çeşitli endüstrilerdeki başlıca ısıtma sistemlerinden biri haline geldiler. Günümüzde bu kazanlar, bina HVAC sistemleri, gıda üretimi, kağıt imalatı, kimya endüstrisi, petrokimya rafinerileri ve küçük ölçekli enerji santralleri gibi sektörlerde önemli bir rol oynamaktadır.
Ateş Borulu Kazanların Bileşenleri
Ateş borulu kazanlar, sıcak su veya buhar kazanları dahil olmak üzere, birkaç ana bileşene sahiptir. Bir ateş borulu kazanının başlıca bileşenleri şunlardır:
1- Kazan Kabuğu: Bu, çalışma sıvısının (su veya yağ) ısıtıldığı basınçlı bir tanktır.
2- Yanma Odası: Brülör alevi bu odada oluşur. Alevin oluşturduğu ısı, radyasyon, konveksiyon ve iletim yoluyla çalışma sıvısına (su veya yağ) transfer edilir. Yakıt ve havanın yanmasından elde edilen enerjinin yaklaşık %40–45’i, bu bölümde kazan sıvısına aktarılır.
3- Ters Çevirme Odası: Yanma odasından geçen yanma gazları bu bölüme girer. Burada, yanma gazları, tüplere (ikinci geçiş) girmeden önce, çevredeki suya bir kısmı enerjilerini aktarır.
4- Duman Boruları: Yanma odasından geçen yanma gazları bu borulara girer. Gazların termal enerjisi, bu borular aracılığıyla çevresindeki suya aktarılır.
5- Ön Boru Plakası: Bu plaka, duman borularının başlangıçını tutar.
6- Arka Boru Plakası: Bu plaka, duman borularının bitiş noktalarını tutar.
7- Çevirme Odası Boru Plakası: Bu plaka, ikinci geçişin duman borularını tutar.
8- Islak Arka Plakası: Bu plaka, kazan türüne bağlı olarak suyla temas edebilir veya arka yüzü yalıtılabilir.
9- Sargı Plakası:Bu, ateş borulu kazanın bir bileşeni olup ters çevirme odasının kabuku olarak işlev görür. Bu parça, sıcak gazları yönlendirmek ve ısı transfer borularına geri döndürmekle sorumludur; böylece ısı transferini artırır ve kazan verimliliğini iyileştirir.
10- Brülör: yakıt ve havanın optimum şekilde yanmasından sorumludur. Brülörde, yakıtın enerjisi, bir alev oluşturarak ısı enerjisine dönüştürülür.
11- Baca: Yanma gazları, bacadan aracılığıyla atmosfere salınır.
12- Muayene Açıklığı: Bu açıklıklar, kazan üzerinde muayene yapmak ve periyodik bakım gerçekleştirmek için sağlanmıştır.
13- Çıkış Flanşı: Çıkış flanşı, sıcak gazların veya sıvıların sistemden çıktığı noktada kurulan bir ateş borulu kazan bileşenidir. Bu parça, sıvının borulara veya diğer ekipmanlara transferi için güvenli ve sökülebilir bir bağlantı sağlar ve genellikle belirli basınç ve sıcaklık standartlarına göre tasarlanır.
14- Emniyet Vanası: Emniyet vanaları, kazan üzerinde basınç artışını ve patlama riskini önlemek için kullanılır.
15- Basınç Göstergesi ve Termometre: Kazan üzerindeki sıcaklık ve basıncı ölçmek için basınç göstergeleri ve termometreler kullanılır.
16- Destekler: Bu destekler, ekipmanın yerinde sabitlenmesinden sorumludur.
17- Kazan Elektrik ve Kontrol Sistemi: Bu sistem, kazan dairesindeki pompalar, brülör, basınç göstergeleri, termometreler ve diğer ekipmanlar arasında iletişim sağlayan tüm elektronik ve kontrol ekipmanlarını içerir. Bu cihazlar, kazan türüne bağlı olarak değişiklik gösterebilir.
Ateş Borulu Kazanlar Çeşitleri
Ateş Borulu Kazanlar, çeşitli faktörlere göre sınıflandırılır. Bunlardan en önemlisi şunlardır:
1- Wetback veya Dryback Tasarımı
Ateş Borulu Kazanlar, wetback ve dryback olmak üzere iki türe ayrılır. Wetback kazan tasarımı, ters odasının tamamen su ile çevrelendiği bir yapıya sahiptir. Dryback kazanlarda ise ters odasının arka duvarı refrakter ile kaplanmış veya yalıtılmıştır. Wetback kazanlar, dryback kazanlara kıyasla daha geniş bir ısı transfer yüzeyine sahiptir. Bu durum, kazandaki ısı transferini artırır, dolayısıyla verimliliği yükseltir. Ayrıca, bu tasarım kazandaki termal stresi de azaltır.
2- Yanma Gazlarının Geçiş Sayısı
Ateş borulu kazanlar, sıcak gazların yanma odasından bacaya kadar suya ısı transfer ederken kaç aşamada (geçişte) ilerlediğine göre sınıflandırılır. En yaygın ateş borulu kazan türleri iki geçişli, üç geçişli veya dört geçişli tasarımlardır. Aşağıda iki geçişli, üç geçişli ve ters alev kazanlarının açıklamaları verilmiştir.
İki geçişli, üç geçişli veya dört geçişli kazanlarda brülör alevi yanma odasında oluşur ve enerjisinin %40 ila %50’sini suya aktarır. Alevin yanma odasında ilerlemesi birinci geçiş olarak kabul edilir. Yanma gazları yanma odasının sonuna ulaştıktan sonra bir ters çevirme odasına girer ve ardından ikinci geçişe devam eder. İki geçişli kazanlarda, yanma gazları ikinci geçişten geçtikten sonra yanma ürünleri bacaya girer. Ancak, bu tasarımda yanma gazları bacaya önemli miktarda enerji taşır ve bu da yüksek baca gazı ısı kayıplarına neden olur.
Üç geçişli kazanlarda ise yanma gazları ikinci geçişten geçtikten sonra kazan önünde bulunan başka bir ters çevirme odasına girer. Bu odada yanma gazları üçüncü geçişe yönlendirilir ve duman borularından geçerek üçüncü geçişi tamamlar. Üçüncü geçişi tamamladıktan sonra gazlar bacadan dışarı çıkar. Üç geçişli kazanlar, iki geçişli kazanlara kıyasla daha geniş bir ısı transfer yüzeyine sahip olduklarından, daha yüksek termal verimliliğe sahiptir.
Dört geçişli kazanlarda, üçüncü geçişten sonra yanma gazları, kazan arkasında bulunan başka bir ters çevirme odasına girer. Bu odada, yanma gazları dördüncü geçişe yönlendirilir ve ardından bacaya çıkar. Bu kazanlar, daha büyük ısı transfer yüzeyi ve daha hassas boru düzenlemesi nedeniyle üç geçişli kazanlara kıyasla daha yüksek verimliliğe sahiptir.
Ters alevli kazanlarda ise, alev yanma odasının sonuna ulaştığında, ön akış yolu tıkalı olduğu için alev geri dönüş yaparak yanma odasına yönlendirilir. Ardından, sıcak gazlar yanma odasını çevreleyen duman borularına akar ve nihayetinde bacadan dışarı çıkar.
3- Fırın veya Yanma Odası Sayısı
Kazan tarafından gereken enerji miktarına bağlı olarak, yanma odası sayısı bir veya iki olabilir. Eğer kazan iki yanma odasına (fırına) sahipse, bu kazan çift fırın kazan olarak adlandırılır. Bu kazanlar, iki yanma odasına sahip olup, fırınlardan çıkan yanma ürünleri önce bir ters çevirme odasına girer ve ardından ikinci ve üçüncü geçişlere geçer. Bu kazanlar yalnızca bir baca kullanır.
4- Yoğuşmalı ve Yoğuşmasız Kazanlar
Yakıt ve hava karışımının yanma ürünlerinde, az bir miktar su buharı formunda bulunur. Eğer kazanının ısı değişim yüzeyi ve yapısı, yanma ürünlerinin sıcaklığının çiğlenme noktası sıcaklığının altına düşecek şekilde tasarlanmışsa, su buharı yoğuşur ve sıvı su üretir. Bu durumda, kazan yoğuşmalı tiptedir. Bu senaryoda, buharın gizli ısısı da kullanılır ve suya aktarılır. Bu kazanlar yalnızca sıcak su kazanı tipinde bulunur.
Deniz seviyesi basıncında, çiğlenme noktası sıcaklığı yaklaşık 55°C civarındadır ve eğer kazana giren suyun sıcaklığı 55°C’den düşükse, yoğuşma gerçekleşebilir. Bu kazanların verimliliği, yakıtın yüksek ısı değeri (HHV) baz alındığında, %98’e yakındır.
5- Çıkış Akışkanının Fazına Göre Kazanların Sınıflandırılması
Ateş Borulu kazanlar genellikle suyu ısıtmak için kullanılır. Kazanın çıkışı sıcak su, doymuş buhar veya süper ısınmış buhar şeklinde olabilir. Eğer çıkış sıcak su ise, kazan sıcak su kazanı olarak adlandırılır. Eğer çıkış doymuş buhar veya süper ısınmış buhar ise, bu kazan buhar kazanı olarak adlandırılır.
6- Yatay veya Dikey Yerleşime Göre Kazanların Sınıflandırılması
Kazan kapasitesine ve kazan dairesindeki yerleşime bağlı olarak, kazanlar yatay veya dikey olarak yerleştirilebilir. Genellikle, düşük kapasiteli kazanlar hem yatay hem de dikey konfigürasyonlarda tasarlanıp üretilebilir. Eğer kazan dikeyse, brülör üst kısmında yer alır ve alev yönü yukarıdan aşağıya doğrudur.
Ateş Borulu Kazanların Çalışma Prensibi
Ateş Borulu kazanlar, ısıyı, yanma sonucu oluşan sıcak gazlardan kazan tankındaki suya aktaran basit bir ısı transferi prensibine dayanarak çalışır. Bu kazanların çalışma süreci aşağıdaki gibidir:
1- Kazan İçindeki Yanma
Brülörde, yakıt ve hava birlikte akar ve aralarındaki kimyasal reaksiyon sonucu bir alev oluşur. Yanma süreci, yanma odasında çok yüksek miktarda termal enerji içeren büyük bir sıcak gaz hacminin üretilmesine yol açar. Brülör, alevin yanma odasının duvarlarıyla doğrudan temas etmesini engelleyecek şekilde tasarlanmalı ve ayarlanmalıdır. Alevin bu duvarlarla doğrudan teması, yanma odasına ciddi zararlar verebilir ve kirletici emisyonların artmasına neden olabilir. Kazan performansını iyileştiren ve çevresel kirleticileri azaltan faktörlerden biri, akıllı brülörlerin kullanımıdır.
Raadman akıllı brülörler, gelişmiş ve güncel denetleyicilerle donatılmıştır ve yanma sürecini hassas bir şekilde ayarlama kapasitesine sahiptir. Bu sistemler, sadece yanma verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda azot oksitler (NOx) ve karbon monoksit (CO) gibi zararlı kirleticilerin salınımını da önemli ölçüde azaltır.
2- Sıcak Gazların Ateş Borularından Geçişi
Yanma sonucu oluşan sıcak gazlar, duman boruları adı verilen bir dizi metal borudan geçer. Bu borular, büyük bir su tankının içinde yer alır. Sıcak gazlar bu borulardan geçerken, ısılarını çevresindeki suya aktarırlar.
3- Suyun Isı emilimi Süreci
Tanktaki su, alev duman borularını sarar ve bu borulardan ısıyı emerek yavaşça ısınır. Su sıcaklığı arttıkça, sıcak su veya buhar üretilir.
4- Yanma Gazlarının Atılması
Sıcak gazlar, ısılarını suya transfer ettikten sonra, bacadan dışarı yönlendirilir. Bu sistem, yanma gazlarının güvenli bir şekilde atılmasına yardımcı olur. Kazanın verimliliğini artırmak için, yanma gazları atmosferi kirletmeden önce bir ekonomizör ve hava ön ısıtıcısından geçirilerek, yanma ürünlerinden maksimum enerji elde edilmesi sağlanabilir.
5- Basınç ve Sıcaklık Kontrolü
Buhar kazanının güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak için, kazan içindeki su veya buharın basıncı ve sıcaklığı kontrol sistemleri tarafından sürekli olarak izlenir. Bu sistemler, yakıt akışını otomatik olarak ayarlayabilir ve su veya buharın çıkışındaki sıcaklık ve basıncı kontrol edebilir.
Ateş Borulu Kazanların İşleyişini Geliştirmede Ekonomizörlerin Önemi
Ekonomizörler, kazanların termal verimliliğini artıran en önemli bileşenlerden biridir ve enerji tüketimini ve işletme maliyetlerini azaltmada kritik bir rol oynar. Ekonomizör, bir ısı eşanjörü türüdür; bir tarafında sıcak baca gazları akarken, diğer tarafında su dolaşır. Bacadan boşa gidecek olan ısıyı kullanarak, ekonomizörler sistemin genel verimliliğine katkıda bulunur.
Ekonomizörlerin İşlevi
Ekonomizörler, yanma sonucu oluşan baca gazlarının ısısını kullanarak kazan besi suyunu önceden ısıtır. Bu süreç, suyu ısıtmak için gereken enerjiyi azaltır. Sonuç olarak:
- Yakıt tüketimi azalır, çünkü suyun ısınması için gerekli enerjinin bir kısmı, su kazana girmeden önce ekonomizör tarafından sağlanı
- baca gazlarının sıcaklığı düşer, bu da ısı kayıplarını azaltarak sistem verimliliğini artırı
Ekonomizör Kullanımının Faydaları
- Artan termal verimlilik: Ekonomizörler kazan verimliliğini %5 ila %10 oranında artırabilir.
- Maliyet tasarrufu: Azalan yakıt tüketimi, doğrudan işletme maliyetlerini düşürür.
- Daha düşük sera gazı emisyonları: Yakıt tüketimi optimize edildiğinde, karbon dioksit gibi sera gazı emisyonları azalır.
Ateş Borulu Kazanların Avantajları
Ateş borulu kazanlar, basit yapıları ve güvenilir performansları nedeniyle birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip kazanlar, sahip oldukları özel özellikler ve sayısız avantaj sayesinde zaman içinde büyük popülarite kazanmıştır. Ateş borulu kazanların bazı önemli avantajları şunlardır:
1- Basit Tasarım ve Güvenilir Yapı
Ateş borulu kazanlar, basit tasarımları sayesinde kolay bir üretim ve montaj sürecine sahiptir. Tasarımdaki bu basitlik, sistemlerin kolayca onarılmasını ve bakımını sağlamaktadır ve teknik karmaşıklıklardan kaynaklanan arızaların olasılığını azaltmaktadır.
2- Düşük Bakım Maliyetleri
Ateş borulu kazanlar, bazı su borulu kazanlara göre daha az bakım ve onarım gerektirir. Basit tasarımları sayesinde, bu kazanlar zamanla daha az arıza yaşar ve onarım maliyetleri daha düşüktür.
3- Dayanıklılık ve Uzun Ömür
Ateş borulu kazanlar genellikle dayanıklı ve yüksek kaliteli malzemelerden yapılır, bu da ömürlerini ve dayanıklılıklarını artırır. Sonuç olarak, bu kazanlar uzun süre boyunca çalışmaya devam edebilir.
4- Orta Basınçlar İçin Uygun
Ateş borulu kazanlar genellikle orta ve düşük basınçlarda çalışır, bu da onları yaygın sanayi uygulamaları için ideal hale getirir. Birçok sanayi yüksek basınçlı buhar gerektirmediğinden, bu kazanlar bu tür sanayilerde buhar üretimi için en verimli seçenektir.
5- Daha Az Yer Kaplama
Bazı ateş borulu kazanlar, örneğin dikey tüp kazanlar, daha az yer kaplayan kompakt bir tasarıma sahiptir. Bu özellik, sınırlı alana sahip yerlerde, örneğin gemilerde ve küçük binalarda kullanım için onları ideal hale getirir.
6- Yakıt Esnekliği
Ateş borulu kazanlar, çeşitli gazlı ve sıvı yakıtlarla çalışabilme yeteneğine sahiptir. Bu yakıt esnekliği, kullanıcıların yakıtın mevcudiyetine ve maliyetine göre en uygun yakıt türünü seçmelerine olanak tanır.
Yukarıda belirtilen avantajlar, ateş borulu kazanları, birçok endüstriyel, enerji santrali ve ticari uygulamada sıcak su veya buhar üretimi için ana seçeneklerden biri haline getirmiştir.
Ateş borulu Kazanlarının Dezavantajları
Ateş Borulu kazanlar, düşük kapasite ve basınç, düşük verimlilik ve gaz akış yolunda yüksek basınç düşüşü gibi sınırlamalara sahiptir. Bu dezavantajlar aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
1- Kapasite Sınırlaması
Ateş borulu kazanlar, genellikle su borulu kazanlarına kıyasla daha düşük kapasiteye sahiptir.
2- Basınç Sınırlaması
Ateş borulu kazanlarının tasarımı ve çalışma prensibi nedeniyle, yüksek basınçlı uygulamalarda kullanılamazlar.
3- Su Borulu Kazanlara Göre Daha Düşük Verimlilik
Ateş borulu kazanlar, daha küçük bir ısıtma yüzeyine sahip olduğundan, su borulu kazanlara kıyasla daha düşük verimliliğe sahiptir.
4- Gaz Tarafında Göreceli Olarak Yüksek Basınç Düşüşü
Baca gazlarının çıkışına kadar olan hava yolundaki basınç düşüşü, ateş borulu kazanlarında su borulu kazanlara göre daha yüksektir. Bu nedenle, yeterli yanma havasının sağlanabilmesi için daha güçlü bir fan ve daha yüksek enerji tüketimi gerekmektedir.
5- Isı Yükü Değişimlerine Daha Yavaş Yanıt
Bir ateş borulu kazan, aynı kapasiteye sahip bir su borulu kazanına kıyasla daha fazla su hacmine sahiptir. Bu nedenle, çıkış sıcaklığını ayarlamak ve ısı yükü değişimlerine yanıt vermek için daha fazla zamana ihtiyaç duyar.
Teknik Standartlar
Ateş borulu kazanlar için çeşitli ulusal ve uluslararası standartlar geliştirilmiştir, bunların en önemlileri şunlardır:
- Avrupa Standardı EN 12953
- İngiltere Standardı BS 2790
- Ulusal Standart 22156
Ateş borulu kazanların Uygulamaları
Ateş borulu kazanlar, genellikle su borulu kazanlara kıyasla daha düşük kapasitelerde kullanılır. Ateş borulu kazanların en önemli uygulamaları şunlardır:
- Binalar için merkezi ısıtma sistemleri
- Kimya, ilaç, gıda, tekstil sanayileri gibi endüstriyel tesisler için sıcak su veya buhar sağlamak.
Ateş borulu Kazanlar: Endüstriyel Uygulamalar için Güvenilir Bir Seçim
Ateş borulu Kazanlar, bir yakıtın yakılmasıyla sıcak su veya buhar üreten bir kazan türüdür. Bu kazanlar ayrıca yağ gibi diğer sıvıları ısıtmak için de kullanılır. “Ateş borulu Kazan” adı, brülörden çıkan alevin bir tüp şeklindeki odada hapsolmuş olmasından ve yanma ürünlerinin bir dizi tüpten geçmesinden gelir. Tasarıma bağlı olarak, bu kazanlar gaz, sıvı ve katı yakıtlar gibi çeşitli yakıtlarla çalışabilir ve geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılır; bunların en önemlileri merkezi ısıtma sistemleri ve endüstriyel birimler için sıcak su veya buhar teminidir.
Packman kazanları, gelişmiş teknolojiler ve optimize edilmiş tasarımlar kullanarak, çeşitli endüstrilerde güvenilir ve verimli bir çözüm olarak tanınmaktadır. Raadman akıllı brülörler, gelişmiş ve güncel kontrol cihazlarıyla, sadece kazan verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda enerji tasarrufu ve çevre koruma konularına da katkı sağlar.
