Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi
Bu çalışma CryoCan A.Ş. tarafından desteklenmiştir
Ocak 2010 KAYSERİ
Doç. Dr. Nafiz KAHRAMAN danışmanlığında Mehmet Ali BEKTUR tarafından hazırlanan "Taşıtlarda LNG Kullanımının İrdelenmesi" adlı bu çalışma, jürimiz tarafından Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
22/04/2010
Başkan\..0.QÇ-.l)jr...^Q.Jiî2...J(Qhr.QmQ/l Üye :.
Af-.
:.
Av.
sS-,. .OrJiÜO- ...AtQ*)öQ. Üye
Yed,.. /kf-.
JURI :
Je^p//.. OjLÂjJi^
ONAY:
Bu tezin kabulü, Enstitü Yönetim Kurulununi!35fcs/.2«afcO tarih ve . gpfo f A&.rGÜL. sayılı karan ile onaylanmıştır.
XS/.-PST/ÄOttO
5
TEŞEKKÜR "Taşıtlarda LNG Kullanımının Deneysel Araştırılması" konulu tez çalışmasının seçiminde, yürütülmesinde, sonuçlandırılmasında ve sonuçlarının değerlendirilmesinde destek ve yardımlarını esirgemeyen değerli hocam Sayın Doç. Dr. Nafiz Kahraman'a , LNG tankının imalatına her türlü yardımı yapan, maddi ve manevi destekleyen Cryocan A.Ş. yönetim kurulu ve çalışanlarına, Araştırmalarımda her türlü yardımı yapan, zaman harcayan, emek veren, tecrübesini paylasan Sayın Dr. Süleyman TUCER'e , Tez çalışması boyunca bana verdiği manevi destek, göstermiş olduğu sabır ve anlayıştan dolayı değerli eşim Funda BEKTUR'a ve her akşam afacanlıkları ve tatlı dili ile yüzümüzü güldüren, sıkıntımızı alan kızım Aysu BEKTUR ve oğlum Cihangir BEKTUR'a teşekkür ederim.
6
TAŞITLARDA LNG KULLANIMININ DENEYSEL ARAŞTIRILMASI Mehmet Ali BEKTUR Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Nisan 2010 Tez Danışman : Doç. Dr. Nafiz KAHRAMAN ÖZET Günümüzde, içten yanmalı motorlarda kullanılan petrol ürünlerinin hızla tükenmekte olması ve bu yakıtların yanması sonucu oluşan zararlı egzoz gazlarının çevreyi kirletmeleri alternatif yakıt arayışlarını hızlandırmıştır. Bir içten yanmalı motorlarda kullanılacak yakıtın kolay buharlaşabilen, hava ile kolay karışabilen, birim hacminden yüksek enerji sağlanabilen, kolay tutuşabilir ve dünyanın her yerinde kolay bulunabilir özellikte olması gerekir. Fosil esaslı sıvı hidrokarbon yakıtlar (petrol) bu özelliklerin hemen hemen hepsine sahiptir. Bu nedenle en önemli petrol ürünleri olan dizel ve benzin yakıtları motorlar icat edildiğinden beri hemen hemen rakipsiz kalmışlardır. Bununla birlikte petrol rezervleri sınırlıdır ve yeryüzüne dengeli dağılmamıştır. Ayrıca bunların aşırı kullanımı çeşitli bölgesel hava değişimlerine, çevre kirliliğine ve potansiyel iklim değişikliklerine sebep olarak görülmektedir. Dizel ve benzinin yakıt olarak kullanılmaya başlamasından beri motorlu taşıtlarda birçok alternatif yakıt denenmiştir. Çoğu yanmaya bağlı olarak motorin ve benzinden daha düşük emisyon oranları vermiştir. Ancak yeterli rezervlerin olmaması ve üretim maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle pazar bulamamıştır. Günümüzde çok az alternatif yakıt ticari anlamda kullanılabilmektedir. Taşıtlarda fosil yakıt kullanımının neden olduğu hava kirliliği ve petrol fiyatlarındaki aşırı artış taşıtlarda alternatif yakıt kullanımını zorunlu kılmaktadır. Her ne kadar fosil yakıt
7
olmakla birlikte gaz halinde yakıt olan doğalgazın benzin ve dizele göre daha temiz olması ve rezervlerinin petrole göre fazla olması önemli bir alternatif yakıt olmasına neden olmaktadır. Ancak doğalgazın CNG olarak depolanması bir takım problemlere neden olmaktadır. Bu problemlerden en önemlisi özellikle otomobil gibi küçük taşıtlarda 200 bar basınca dayanıklı tankların hem hacimce küçük olması hem de ağır olmasıdır. Bu nedenle CNG ile çalışan araçların menzil mesafeleri tank hacmine bağlı olarak değişmekle birlikte yaklaşık 150km ile sınırlıdır. Hâlbuki aynı tank hacmine Doğalgazın LNG olarak depolanması tankın ağırlığının azalmasına neden olacağı gibi menzil mesafesinin de benzinli araçlarınkine yaklaşacağı öngörülmektedir. Bu çalışmada alternatif bir yakıt olan sıvılaştırılmış doğalgazın (LNG) sahip olduğu özellikler ve içten yanmalı motorlarda kullanılabilirliği üzerinde durulmuştur. Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Motorlar laboratuarında 105 BG gücünde (77 kw) FORD marka 1800 cc hacimli ve EGR sistemi mevcut deney motorunda LNG kullanımı testi yapılmıştır. Laboratuarda mevcut Cussons Marka test cihazı ile yakıt tüketimi, yük durumu, soğutma suyu giriş-çıkış sıcaklıkları ve motor devri ölçülebilmektedir. SUN MGA 1500 markalı cihazla ise egzoz emisyonları ölçülmüştür. Sonuç olarak LNG bir içten yanmalı motorda alternatif yakıt olarak kullanılabilir. Anahtar Kelimeler : LNG, Alternatif Yakıt, Doğalgazın Depolanması, Vakum İzolasyonu
EXPERIMENT INVESTIGATION OF USING LNG IN VEHICLES SUMMARY Nowadays fossil rooted fuels used in the internal combustion engines being exhausted and taking form harmful exhausted gases conclusion of burning these fuels soiling environment have cause to increase investigations about alternative fuels used in the internal combustion engines. If a fuel use in an internal engine, that can be easily evaporate, easily mixed with air, get high energy, easily burn, easily obtain. Liquid hydrocarbon fuels which obtained in fossil (petrol), includes nearly all these properties. Because of this, diesel and benzine which are the famous petrol products raise the first line. By this time, petrol reserves limited and not separated on regularly. And by the extremely usage of these, that causes various local air currents, air pollution and potential climatic currents. Lots of various alternative fuels were attempted since diesel and benzine become a fuel in internal engines. Lots of these alternative fuels get low emissions than diesel and benzine. But that can not found market place because of these limited reserves and higher prices. Nowadays, few of alternative fuels use as a commercial mark. It's necessary using alternative fuel in vehicles because of high petrol price and air pollution is a result of using fossil fuels in vehicles. Although natural gas is fossil fuel but in gas form is cleaner than petrol and diesel, and has large reserve than petrol. Because of these reasons natural gas becomes an important alternative fuel. Unfortunately, storing the natural gas CNG form brings many problems. The most important problem is especially in small vehicle like cars; 200 bar resistant tanks are heavy
9
and big volume. As a result of this the vehicle's distance of range which are using CNG is different according to tank volume that is about 150 km. However, storing the natural gas LNG form in the same tank volume, the tank's weight becomes lower, by the same time distance of range approaches the petrol using vehicles. In this study, we work at the properties of natural gas (LNG) and the usage of natural gas in internal engines. Experiments were studied in Erciyes University, Mechanical Engineering Faculty motor laboratories. Ford brand, 105 Hp, 1800 cc motor was used in experiment. Exhaust emissions was measured in SUN MGA 1500. Finally, LNG can be used in internal combustion engines as an alternative fuel. Key Words : LNG, Alternative Fuel, Storing of Natural Gas, Vacuum Insulation
10
İÇİNDEKİLER
KABUL VE ONAY ................................................................................................................................... i TEŞEKKÜR ............................................................................................................................................. ii ÖZET ........................................................................................................................................................ iii ABSTRACT ............................................................................................................................................. v İÇİNDEKİLER ........................................................................................................................................ vii KISALTMALAR VE SEMBOLLER ........................................................................................................ x TABLOLAR LİSTESİ ............................................................................................................................ xii ŞEKİLLER LİSTESİ ............................................................................................................................. xiii BÖLÜM 1 1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4. Giriş ............................................................................................................................................ 1 Alternatif Yakıtlar ....................................................................................................................... 2 Alkol (Metanol, Etanol) .............................................................................................................. 2 Hidrojen ...................................................................................................................................... 6 Biyodizel ................................................................................................................................... 15 Yaygın Olarak Kullanılan Alternatif Yakıt LPG ...................................................................... 17
1.2.4.1. LPG'nin Kullanım Alanları ..................................................................................................... 17 1.2.4.2. LPG'nin Özellikleri .................................................................................................................. 18 1.2.4.3. Taşıtlarda LPG Kullanımı ........................................................................................................ 20 1.2.4.4. Taşıtlarda Kullanılan LPG Sistemleri, Elemanları, Çalışması ................................................. 21 1.2.4.5. LPG Yakıtlı Araçtan Beklenen Performans ............................................................................. 22 1.2.4.6. Motor Yakıtı Olarak LPG'nin Avantajları Ve Dezavantajları .................................................. 23
BÖLÜM 2 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.5.1. 2.6. Doğalgaz ................................................................................................................................... 25 Doğal Gazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri ......................................................................... 25 Doğal Gaz İletimi ve Dağıtımı ...................................................................................................25 Doğalgazın İçten Yanmalı Motorlarda Kullanımının Dünyadaki Yeri ......................................26 CNG 'nin Tanımı .......................................................................................................................28 Doğalgazın Sıkıştırılma Prosesi..................................................................................................28 LNG (Sıvılaştırılmış Doğalgaz) ............................................................................................... 28
11
2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 2.6.4.
LNG'nin Fiziksel Kimyasal Özellikleri ..................................................................................... 33 LNG'nin Temini ........................................................................................................................ 33 LNG'nin Alım Satım ve Faturalandırma Esasları ..................................................................... 38 LNG Tanklarında Teknik Emniyet Ve Güvenlik ...................................................................... 39
BÖLÜM 3 3.1. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.1.5. 3.2. LNG Tankının Dizaynı ............................................................................................................. 42 LNG Tankının P&I Diyagramı ................................................................................................. 42 LNG Tankın Kullanımı ............................................................................................................. 43 İç Tank Gerilme Analizi............................................................................................................ 45 Dış Tank Gerilme Analizi ......................................................................................................... 46 Termodinamik Analiz: .............................................................................................................. 49 LNG Otogaz Tankının İmalatı .................................................................................................. 56
BÖLÜM 4 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5. 4.1.6. 4.1.7. 4.1.8. 4.1.9. Deney Seti Ve Deneysel İrdeleme ............................................................................................ 61 Deney Seti ve Kullanılan Ölçü Aletleri ................................................................................... 61 Ölçü Aletleri Ve Kumanda Panosu ........................................................................................... 62 Hidrolik Dinamometre (Su Freni) ............................................................................................. 62 Moment Ölçümünün Hesaplanması .......................................................................................... 63 Motor ........................................................................................................................................ 64 Basınç Sensörü .......................................................................................................................... 64 Integral Alıcı ve Kuvvetlendirici (Charge Amplifier) ............................................................... 65 Yakıt Tüketimi Ölçümü ....... 65
Sıcaklık dağılımları ................................................................................................................... 66
4.1.10. Egzoz gazları............................................................................................................................. 66 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. Doğal Gazın Temini .................................................................................................................. 66 Deneylerin Yapılışı .................................................................................................................. 67 Deney Sonuçunda Elde Edilen Değerler ............. 69
LNG Ve Çevre Etkisi ................................................................................................................ 74
BÖLÜM 5 5.1. Sonuçların İrdelenmesi ................................................................................................................. 75
12
5.1.1. Sonuç ve Öneriler......................................................................................................................... 75
LPG CNG LNG EPDK Di P K S s fi E Sk se C1 C2 Da L V u S n
P
mutlak
T m vf v v
g fg
V hf hg hfg
: S ıvı petrol gazı : S ıkıştırılmış doğal gaz : S ıvılaştırılmış doğal gaz : Enerji piyasası düzenleme kurulu : İç tank dış çapı : Basınç : Kullanılan malzemenin akma mukavemeti : Emniyet katsayısı : Sac kalınlığı : Eliptik bombe katsayısı : Elastiklik modülü : Elastik eğilme içi emniyet katsayısı : Dış tank gövde kalınlığı : Eksi tolerans : Korozyon ilavesi : Dış tank dış çapı : Buckling mesafesi : Poisson oranı : Out of roundness : Plastik deformasyon içi emniyet faktörü : Buckling ridges sayısı : Mutlak basınç : S ıcaklık : Kütle : S ıvının özgül hacmi : Gazın özgül hacmi : S ıvı-gazın özgül hacmi : Hacim : S ıvının entalpisi : Gazın entalpisi : S ıvı-gazın entalpisi
: Doluluk oranı : İç enerji : Yük hücresi donanımından ölçülen değer : Moment kolu uzunluğu : Motorun ürettiği moment : Optik takometreden okunan motor devri : Motorun efektif gücü : Açısal hız : Özgül yakıt tüketimi : Kütlesel debi : Motora sağlanan ısı : Yakıt tüketim miktarı : LNG'nin alt ısıl değeri
Biyoetanolun fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri ........................................................ 4 LPG' nin fiziksel ve kimyasal özellikleri ........................................................................... 19 Taşıtlarda LPG kullanımı yaygın olan ülkeler.................................................................. 21 Dünya doğalgaz rezervleri................................................................................................ 27 BOTAŞ Marmara Ereğlisi LNG terminalinden alınan analizler ....................................... 29 Thermodynamic properties of saturated methane (R-50) ................................................ 31 Metan (CH4) gazının fiziksel ve kimyasal özellikleri .......................................................33 LNG'nin piyasadaki alternatif yakıtlara göre alt ısıl değer üzerinden eşdeğerliliklerini gösteren dönüşümü .............................................................................37
1 kg LNG'nin karşılığı enerji miktarı ................................................................................39 CH4 için termodinamik özellikleri ...................................................................................54 Dış ortamdan ısı aldığındaki basınç, sıcaklık ve seviye dağılımı .....................................55 CNG-LNG karşılaştırması ................................................................................................. 56 Basınç sensörünün özellikleri .......................................................................................... 64
Biodizel CO2 döngüsü ....................................................................................................... 16 Petro-Dizel CO2 döngüsü ..................................................................................................17 Tipik LPG yakıt sistemi ..................................................................................................... 23 Botaş Marmara Ereğlisi LNG terminali ............................................................................. 34 LNG' nin iletimi ................................................................................................................ 34 LNG otogaz tankı P&I diyagramı ..................................................................................... 42 LNG tankı imalat projesi .................................................................................................. 44 Buckling ridges sayısı ....................................................................................................... 47 Uygulanan iç tank ebatları .............................................................................................. 49 Basınç - Özgül hacim.........................................................................................................50 İç tankın tamamlanmış fotoğrafı ...................................................................................... 57 İç tankın dış tanka montajı ................................................................................................ 57 İki cidar arasına izolasyon malzemesinin yerleştirilmesi ................................................. 58 İçerisi LNG ile doldurulmuş ve deney setine montaj edilmiş LNG otogaz deposu .............................................................................................................................. 60 Deney seti .........................................................................................................................61 Ölçü aletleri ve kumanda panosu ...................................................................................... 62 Moment ölçüm sistemi ve prensip şeması ........................................................................63 Osiloskop ve charge amplifier ......................................................................................... 65 Debimetre ..........................................................................................................................66 LNG temini .......................................................................................................................67 Hava fazlalık katsayısına bağlı %CO2 değişimi ................................................................69 Hava fazlalık katsayısına bağlı %CO değişimi ................................................................. 70 Hava fazlalık katsayısına bağlı HC miktarındaki değişim ................................................ 71
Motor devrine bağlı fren gücü ve tork değişimi .............................................................. 72 Motor devrine bağlı özgül yakıt tüketimi ile fren verimi değişimi .................................. 73 Krank mili açısına bağlı farlı devirlerdeki basınç değişimi ............................................. 73 Dış tank bombe pullarının kesilerek sıvamaya hazırlanmış hali .......................................79 İç tank gövdesi silindirde büküme hazır halde ..................................................................80 L kaynak öncesi iç tank gövdesi puntalanarak L kaynağa hazırlanması....80 İç tank gövdesi ile bombesinin kaynatılabilmesi için altlık ringi montajı .81 Tüketim hattına likit fazının gitmemesi için hazırlanan gaz alma borusu .81 İki cidar arası vakum değeri 4,8x10-2 mbar olarak ölçülmüştür ....................................... 82 İmalat projesinin malzeme listesi ve dizayn değerleri ....................................................... 83 Metanın Basınç-Entalpi Diyagramı ................................................................................... 84 AD 2000 Merkblatt B 1/5 Edd. 10.2000 dizayn kodu ....................................................... 85 AD 2000 Merkblatt B 3/8.1.3 Edd. 10.2000 dizayn kodu ................................................. 86 AD 2000 Merkblatt B 3/8.1.3 Edd. 10.2000 dizayn kodu ................................................. 87 AD-Merkblatt B6-External overpressure Edd. 01.1995 dizayn kodu .............................. 88 AD-Merkblatt B6-External overpressure Edd. 01.1995 dizayn kodu .............................. 89 AD-Merkblatt B6-External overpressure Edd. 01.1995 dizayn kodu .............................. 90 AD-Merkblatt B6-External overpressure Edd. 01.1995 dizayn kodu .............................. 91
BÖLÜM 1 1.1. Giriş Dünya enerji ihtiyacının büyük bir kısmı, petrol, kömür ve doğal gaz kaynaklarından karşılanmakta ayrıca nükleer ve hidrolik enerjiden de yaralanılmaktadır. Ekonomik ve toplumsal kalkınmanın en önemli etkenlerden olan enerji ihtiyacı, nüfus artışı ve teknolojik gelişmelere paralel olarak, tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde artarak devam etmektedir. Dünya enerji kaynaklarını iki grupta toplamak mümkündür. Yenilenemeyen enerji kaynakları; Kömür, petrol, doğal gaz gibi fosil kaynaklı enerji kaynaklarıdır; Yenilenebilir enerji kaynakları; Güneş, rüzgar, nükleer, dalga, jeotermal, hidrolik, hidrojen ve biokütle kaynaklarıdır. Dünya enerji kaynağının %50'den fazlasını petrolün oluşturması ve tahmini olarak 20302050 yılları arasında tükenecek olması, çok fazla kullanılmayan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını gündeme getirecektir [1]. Ülkemiz enerji ihtiyacının büyük bir kısmını petrolden karşılamakta, petrolün önemli bir kısmı ise motorlu taşıtlarda yakıt olarak kullanılmaktadır. Dünya petrol rezervleri aşırı kullanım sonucu hızla tükenmektedir. Bunun yanı sıra sıvı ve katı yakıtların yanmasından kaynaklanan toplam kirletici emisyon kütlesindeki artış, dünya ekolojik dengesinde geri dönülemeyecek bozukluklara neden olmaktadır [2]. Petrole bağımlılığın azaltılması ve ekolojik dengelerin korunması için mevcut enerji kaynaklarının etkin ve verimli kullanılması gerekmektedir. Bu olumsuzlukların en aza indirilmesine yönelik olarak araştırmacılar alternatif yakıtlar üzerinde çalışmalarını sürdürmektedirler. Araştırmacıların yaptıkları çalışmalarda motorlu
19
taşıtlarda alternatif yakıt olarak, alkol (metanol, etanol) hidrojen, bitkisel yağlar, doğalgaz ve sıvılaştırılmış petrol gazı belirtilmektedir [4]. Belirtilen alternatif yakıtların tercih edilebilmeleri için, birim fiyatlarının ucuz olması ve yakıt donanımlarında en az değişiklikle ve motorda köklü değişikliğe gerek göstermeyecek ve performansta önemli düşüklük yapmayacak nitelikte olmalıdır. Önceleri sabit tesis motorlarında kullanılan sıvı petrol gazı (LPG-Liquid Petroleum Gas) ve sıkıştırılmış doğal gaz (CNG-Compressed Natural Gas) motorlu taşıtlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Gaz yakıtlar karışımın oluşturulması, dağıtımı, ateşlenmesi, yanmanın kontrolünde en az zorluk göstermeleri ve emisyon değerlerinin düşük olması nedeniyle ideal alternatif yakıt olarak bilinmektedir. Diğer yakıtların maliyetlerinin yüksek olması, depolama güçlükleri ve emisyon değerlerinin yüksek olması nedeniyle tercih edilmemektedir. Bu çalışmada, motorlu taşıtlarda alternatif yakıt olarak bilinen, alkol, hidrojen, bitkisel yağlar ve yaygın olarak kullanılan LPG ve sıkıştırılmış doğal gaz (CNG)den bahsedilmiş ve LNG detaylı olarak incelenmiştir. 1.2. Alternatif Yakıtlar 1.2.1. Alkol (Metanol, Etanol) Alternatif yakıtlar içerisinde değerlendirilen alkol ve karışımları birçok ülkede dikkate değer bir kullanım düzeyine ulaşmıştır. Alkol tarım ürünlerinden ve kömürden üretilebilmektedir. Ülkemiz tarım ülkesi olması ve zengin linyit rezervlerinin bulunması ve petrol ithal eden ülkelerin başında gelmesi alkolün ülkemiz için önemli bir enerji kaynağı olabileceğini göstermektedir [4]. Alkollerin motor yakıtlarına alternatif olma nedenlerinden biriside emisyon değerlerinin düşük olmasıdır [5]. Alkol esaslı yakıtları iki grupta incelemek mümkündür, metanol, etanol benzinli motorlarda saf olarak veya değişik oranlarda karıştırılarak kullanılabilmektedir. Kimyasal formülü CH3 - OH olan metanol çok hafif hissedilebilen, renksiz, kokusuz zehirli bir alkol çeşididir. Metanol benzine ve motorine göre daha geniş tutuşma aralığına sahiptir.
20
Bu sebeple depodaki doymuş buhar, çevre sıcaklıklarında patlayıcı olabilmektedir. Ağırlığının %49.9'unu yakıcı özelliği bulunan oksijen oluşturur. Stokiyometrik karışımda gerekli olan kütlesel hava miktarı 6.44 kg'dır. Bu özelliği egzoz emisyonları yönünden bir avantaj olmakla beraber alt ısıl değerinin benzine göre 2.2 kat daha düşük olması bir dezavantajdır. Gizli buharlaşma ısısı çok yüksek olan metanol emme manifoldunda buhar fazına geçerek benzine göre 4 kat daha fazla ısı çekmektedir. Bu durum volümetrik verimi artırıcı yönde emme manifolduna dışarıdan ısı verilmiyorsa karbüratörden çıkışta buharlaşmak için yeterli ısıyı bulamayan metanol silindir içerisine sıvı fazda gireceğinden HC emisyonlarını artırır. Bununla beraber sıvı yakıtın silindir cidarlarındaki yağ filmini bozacağı ve kartere inen sıvı metanolün motor yağını da bozacağı aşikardır. Etanol, etil alkol, fermantasyon alkolü veya sadece alkol olarak da bilinmektedir. Etanolun kimyasal formülü C2H5OH olup Tablo l.l.'de fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri verilmiştir. Etanol suya çok benzeyen renksiz ve berrak bir sıvı olup, su ile tamamen karıştırılabilir. Etanol sulandırıldığında tatlı bir tadı olmakla beraber, konsantre durumunda acı, yakıcı ve etere benzer bir kokusu vardır. Etanol tıpta, losyonlarda, kozmetik sanayisinde, güçlendirici ilaçlarda, kolonyalarda, temizlik maddelerinde, çözücülerde, organik kimyasalların sentezlenmesinde ve taşımacılıkta yakıt olarak çok yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. İçecek alkolün tarihi çok eski zamanlara dayanmakta olup Sümerler ve Babiller milattan önce 6000 yıllarında bira yapımında kullanmışlardır [6]. Şekerli, nişastalı ve selülozik maddelerden elde edilen etanolun maliyeti etilenden üretime göre çok düşüktür. Bitkisel kaynaklı etanol genellikle yakıt olarak kullanılmakta fakat saflaştırıldığı takdirde etanolun kullanıldığı bütün alanlarda kullanılmaktadır. Etilen kullanılarak üretilen etanol ise tıpta, losyonlarda, kozmetik sanayinde, güçlendirici ilaçlarda, kolonyalarda, temizlik maddelerinde, çözücülerde çeşitli amaçlar için yararlanılmaktadır [6].
21
Tablo 1.1. Biyoetanolun fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri [7]. Biyoetanolun Fiziksel Özellikleri 0,79 kg/dm3 Özgül Ağırlık Buhar Basıncı (38°) 50 mmHg 78,5°C Kaynama Sıcaklığı Dielektirik katsayısı 24,3 Suda çözünme CO Biyoetanolun Kimyasal Özellikleri Formül Moleküler ağırlık Karbon (wt) Hidrojen (wt) Oksijen (wt) C/H oranı Steiometrik(hava/ETOH) Biyoetanolun Termal Özellikleri Alt ısıl değeri (kcal/kg) Tutuşma sıcaklığı (°C) Özgül ısı (kcal/kg°C) Erime noktası (°C)
6.400 35 0,6 -115
C2H5OH 46,1 %52,1 %13,1 %34,7 4 9
Buharlaşma gizli ısısı metanoldan 1.3 kat daha azdır. Buharla şma esnasında emme manifoldundan daha az ısı çekmesi soğukta ilk hareket kolaylığı sağlamaktadır. Enerji yo ğunluğunun metanole göre daha yüksek olması motorlu araçlarda daha küçük boyutlarda yakıt deposunun kullanılmasına imkan tanımaktadır. Alkol Yakıtların Avantaj Ve Dezavantajları Alkol kullanımının yaygınlaşmasını engelleyen temel faktörler ise; Dünya petrol üretiminin henüz talebi karşılayamayacak düzeye çıkmamış olmasının yanı sıra alkollerin birim kütlesinin ısı de ğerinin düşük, dolayısıyla birim kütle başına maliyetinin benzine göre yüksek olmasıdır. Alkollerin motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılmasının avantaj ve dezavantajlarını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür [8]. - Alkoller ham petrolden elde edilen yakıtların yerine kullanılabilirler.
22
-
Tarımda önemli bir paya sahip ülkemizde; tarımsal ürünlerden elde edilebilen, alternatif ve çevre dostu bir yakıt olarak etanola önem verilmeli ve daha kolay ve ucuz üretim olanağı sağlanmalıdır. Böylece petrole bağımlılık azaltılarak ülkemiz ekonomik ve siyasal olarak daha güçlü hale gelebilecektir.
-
Alkol üretimi (özellikle etil alkol), zirai imkanları geniş olan ülkelerin çiftçileri için iyi bir gelir kaynağı oluşturabilir.
-
Alkoller oktan sayısı 90-100 olan benzin ile karıştırıldığında, 110 gibi yüksek oktan sayısına sahiptir ki; bu durumda motorlarda yüksek sıkıştırma oranlarına çıkılarak, motor performansı arttırılabilir. Başka bir deyişle daha küçük hacime sahip motorlardan daha büyük güçler elde edilebilir.
-
Sıkıştırma oranı değiştirilmeden, benzinli motor etanol ile çalıştırıldığında motor momenti ve gücünde bir miktar kayıp söz konusudur. Ancak HC emisyonu hariç, CO, CO2 ve NOx emisyonlarında önemli azalmalar sağlandığını göstermektedir.
-
Alkoller benzinlere göre daha fakir karışımlarda çalışabilirler. Alkoller benzinle karıştırıldığında karışımın oktan sayısını arttırıcı etki gösterirler. %10 metanol, %90 benzin karışımının oktan sayısı 95'dir.
-
Alkoller özelliklerinden dolayı, benzinden alkole dönüştürülmüş olan yakıt sisteminin filtrelerinde tıkanmaya sebebiyet verebilirler.
-
Eğer alkol - benzin karışımları içerisine az miktarda da olsa su karışmış ise, özellikle soğuk havalarda faz ayrışması oluşur. Faz ayrışması daha çok metanollü karışımlarda ortaya çıkar.
-
Bazı benzin yakıt sistemi parçaları alkole uyumlu değildir. Özellikle kalay-kurşun alaşımı ile kaplı tanklarda bu durum öne çıkar. Küçük miktardaki etanol-benzin karışımları için önemli olmakla beraber, saf metanol yakıt sistemleri önemli hasarlara neden olur.
23
-
Etanol soğutucu etkisi nedeniyle özellikle soğuk havalarda ve ilk hareketlerde çalışma zorluğuna neden olmaktadır. Bunu önlemek için, Alkoller uçucu maddeler ile karı ştırılırlar. Yardımcı çalıştırma yakıtları kullanılır (eter, benzin, hidrojen vs.).
-
Elektrikli yakıt buharlaştırıcılar kullanılır. Etanol, yüksek oktan sayısına sahip olduğundan sıkıştırma oranı artırılmış motorlarda kullanıldığında motor gücünde önemli artışlar elde edilebilmektedir. Etanolun alt ısıl değerinin benzinden düşük olması nedeniyle, uygun hava/yakıt karışımını elde etmek için benzinli araçlarda kullanılan karbüratörler üzerinde bazı değişiklikler yapmak gerekir.
-
Alkollerin yüksek gizli buharlaşmalarından dolayı aracın trafikteki seyri esnasında oluşacak güç düşmesi problemleri önlemek için emme manifoldu ısısını devamlı yüksek tutmak gerekmektedir.
-
Alkoller atmosferden nem kapma özelliğine sahiptirler. Bu nedenle alkol yakıt tanklarındaki yakıt filtreleri yenilenmelidir edilmelidir. Yakıt tankı ve karbüratörün atmosfere açık olmasının olu şturacağı alkolün nemlenmesi probleminin önüne geçilmelidir.
-
Eğer alkoller benzin yerini alacak olursa, yeni alkol üretim ve da ğıtım istasyonları çok büyük mali sıkıntılara sebebiyet verecektir.
-
Alkollerin nem tutma özellikleri dolayısıyla taşımaları ve dağıtımı esnasında dikkat gerekmektedir.
1.2.2. Hidrojen Hidrojen buji ile ateşlemeli motorlar için oldukça ilgi çekici bir yakıttır. Hidrojen, kömür ve do ğal gaz gibi fosil yakıtlardan, güneş enerjisi ve nükleer enerjiden, su gibi sonsuz bir kaynaktan elde edilebilir. Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında, yanma ürünü olarak su buharı açı ğa çıkarması nedeni ile çevreye hiç bir zararı yoktur. Sınırsız kaynaklara sahip olan ve havayı kirletmesi açısından içten yanmalı motorlarda kullanılan diğer alternatif
24
yakıtlara göre daha iyi durumda olan hidrojenin, içten yanmalı motorlarda kullanımı çalışmalarına 1900'lü yılların başlarında başlanmıştır ve 1970'den sonra çalışmalar yoğunlaştırılmıştır [9]. Hidrojenin motorlarda yakıt olarak kullanılması durumunda petrol kökenli motor yakıtlarına oranla birçok önemli avantajları bulunmaktadır. Yüksek alev hızı ve tutuşma yeteneği, düşük ateşleme enerjisi gerektirmesi, geniş tutuşma ve yanma sınırları, yüksek ısıl değer ve termik verim, kirletici egzoz gazı emisyonlarının azlığı ve sahip olduğu yüksek oktan sayısı nedeni ile vuruntuya karşı dirençli olması hidrojeni çekici kılmaktadır. Ayrıca benzin ve mazotla birlikte çeşitli karışım oranlarında çift yakıtlı motor olarak çalışabilme olanağına sahip olması, geçiş döneminde mevcut motorlarda önemli değişiklikler yapılmadan hidrojen kullanımı imkan tanıyacaktır. Hidrojenin yakıt olarak kullanılmasında yarar sağlayacak en önemli özelliklerden birisi, hidrojenin çok fakir karışımlardan, çok zengin karışımlara kadar uzanan geniş hava/yakıt karışım oranı aralığı içerisinde tutuşabilir olmasıdır. Hava fazlalık katsayının 0.15-4.35 değerleri arasında tutuşma
sağlanabilmektedir. Hidrojen hava karışımlarını ateşlemek için gerekli minimum enerji miktarı da diğer yakıtlara oranla daha düşüktür. Bu durum Otto prensibi ile çalışan motorlarda tutuşma garantisi yönünden bir avantaj gibi gözükse de, erken tutuşma ve geri tutuşma gibi sorunlara da neden olmaktadır. Hidrojenin kendi kendine tutuşma sıcaklığının oldukça yüksek olması (1 atm. basınçta 574-91 °C) ve oktan sayısının yüksek olması Otto motorlarında kullanımında avantaj teşkil etmektedir [9, 10]. Hidrojen/hava karışımlarının geniş tutuşma sınırlarına sahip olması ve kolay tutuşabilmesi emniyet sorunlarını arttırmaktadır [10]. Hidrojenin en önemli dezavantajlarından biri de, elde edilme yöntemidir. Hidrojen, ikincil bir enerji kaynağıdır, yakıt olarak kullanılabilmesi için öncelikle başka enerji kaynaklarına ihtiyaç duyar. Bu kaynaklar hidrojenin ayrıştırılıp elde edilmesi için gereklidir. Burada enerji tasarrufu ve yenilenebilirlik, görüldüğü gibi hidrojeni elde etme sürecinde kullanılan birincil enerji kaynaklarına bağlıdır. Birincil kaynak olarak doğal gaz, hidroelektrik ve termik enerji kaynakları kullanılabilir. Ya da sadece alternatif enerji kaynakları kullanılarak,
25
örneğin güneş enerjisi ile suyun elektrolizinden üretilirse, hidrojenin üretilmesinden tüketilmesine kadar geçen süreçte geride bırakacağı tek kirlilik saf su olacaktır. Neden Hidrojen Enerjisi ? Hidrojen kullanımının temel amacı çevre sorunları ve enerji problemlerinin çözümüdür. Hidrojen bir çok yönüyle ekolojik açıdan avantajlıdır. Hidrojenin yakılması sonucu egzoz emisyonu olarak sadece su buharı çıkmaktadır. İkincil bir enerji kaynağı olan hidrojen değişik ve yenilenebilir birincil kaynaklardan elde edilebilir olması; bu yakıt türünü geleceğin en önemli enerji taşıyıcısı durumuna sokacağı kabul edilmektedir. Geleceğin yakıtı yenilenebilir ve çevre kirliliğinden bağımsız olarak çalışandır.
Hidrojenin Özellikleri Sembolü H Renksiz, kokusuz, tatsız bir element Atom Ağırlığı : 1.00797g/ mol Yoğunluğu : 0.0899g/L Kaynama Noktası: -252.76 °C Erime Noktası : -259.06 °C
Hidrojenin üç tane izotopu vardır. Kütle numarası; 1 olan izotopa protiyum, 2 olan izotopa döteryum 3 olan izotopa trityum denir. Birincil enerji kaynakları kullanılarak hidrojen üretilip bunun gereksinim duyulan yerlere iletilerek çeşitli yöntemlerle enerjiye çevrilmesine hidrojen enerji sistemi denir [11].
26
Hidrojen Enerji Sistemi Şu Kısımlardan Oluşur: a. Hidrojen Üretimi b. Depolama ve İletim c. Enerji Çevrimi
a. Hidrojenin Üretimi Foto Biyolojik Hidrojen Üretimi
Bakteriler ve yeşil yosunlar, klorofil aracılığı ile güneş ışığını absorbe eder ve enzimler sayesinde hidrojenin ayrılmasını sağlar.
-
Foto Elektro Kimyasal Hidrojen Üretimi
Foto elektro kimyasal işlem, optik enerjinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesi için bir foto elektro kimyasal pil ve yarı iletken elektrotlar kullanılır. Foto elektro kimyasal sistemin iki tipi vardır: Birinci tipte; yarı iletken hem enerji absorbe etmek hem de bir elektrot gibi davranacak şekilde kullanılır. İkinci tipte; erimiş metal karışımı katalizör olarak kullanılır.
-
Termokimyasal Hidrojen Üretimi
Çeşitli termokimyasal hidrojen üretim teknolojisi vardır. Bu teknolojiler: Kömür, şehir katı atıkları ve bio-kütlenin ısısından yararlanarak hidrojen içeren çeşitli gazlar üretmek,
27
Suyun doğrudan oksijen ve hidrojene ayrıştırılmasını sağlayan kapalı çevrimli termokimyasal yöntem vardır.
İşlem iki aşamada gerçekleşir:ilk aşamada elde edilen bileşikler ikinci aşamada ayrıştırılır. H 2 O + x — XO
+ H 2 XO + ısı — X + V2 O 2
-
Elektroliz
Elektroliz; elektrik enerjisi (hidroliz,rüzgar, jeotermal, güne ş yada nükleer enerji ile üretilen) ile sudan hidrojen üretilmesinde kullanılır. Suyun elektrolizi,elektrotlar aracılığıyla sudan doğru akım elektriğinin geçirilmesiyle yapılır. Kullanılan elektrot malzemeleri çok az bakıma ihtiyaç duyarlar yirmi be ş yıldan fazla ömürleri vardır.
-
Buhar Yapılandırması İle Üretim
Hidrojen üretim yöntemlerinden biri olan yeniden yapılandırma için üç de ğişik yöntem uygulanabilir: i. Katalitik buhar yapılandırma ii. Non-katalitik kısmi oksidasyon iii. Katalitik kısmi oksidasyon Yapılandırma sistemlerinin verimi önemli oranda sistemin işletme sıcaklığına ve basıncına bağlıdır. Yapılandırma sisteminin sıcaklığı da kullanılacak olan yakıtın cinsine bağlıdır [9, 11].
28
b. Hidrojenin Depolanması Ve İletim Hidrojenin depolanması önemli problemlerinden biridir. Bu günün depolama yöntemleri çok pahalıdır. Depolama konusunda amaç; ağırlık ve hacimsel olarak depolama yo ğunluğu açısından benzinle karşılaştırılabilir teknolojilerin üretilmesidir. Ekonomik ve pratik hidrojen depolama sistemi: Kapasiteye Depo malzemelerinin yapısal bileşenlerine Toplam maliyete Hidrojenin emniyetli kullanımı için gerekli olan basınç ve sıcaklık şartlarına bağlıdır.
Hidrojen Depolama Sistemleri: Sıkıştırılmış gaz S ı vı hidrojen Hidrokarbon Hidrür Cam küreler Mağaralar
29
-
Sıkıştırılmış Gaz
Hidrojen konusunda en bilinen depolama yöntemi, gaz olarak basınçlı tanklarda depolamaktır. Hidrojen günümüzde genellikle 50 litrelik silindirik depolarda 200-250 barlık basınç altında depolanmaktadır. Ancak hidrojen çok hafif olduğundan dolayı hacimsel enerji yoğunluğu çok düşüktür. Bunun dışında, yüksek basınç tankları çok ağır olmaktadır. Bu da hidrojenden alınacak verimi düşürür.
-
Sıvı Hidrojen
Hidrojen petrole göre 4 kat fazla hacim kapladığından, bu hacmi küçültmek için hidrojeni sıvı halde depolamak gerekir. S ıvı halde depolamak için;yüksek basınç ve soğutma sistemine ihtiyaç vardır. Bu orta ve küçük ölçekte depolamak için en çok kullanılan yöntemdir. Ancak büyük miktarlar için oldukça pahalıdır. Sıvı hidrojen büyük tanklarda depolanmışsa günlük %0.06'sı küçük tanklarda depolanmışsa günlük %3'ü buharlaşarak kaybolmaktadır.
-
Hidrokarbonlar
Metanol veya etanol gibi hidrokarbonlu yakıtlar, saf sıvı hidrojenden daha fazla hidrojen içerirler. Yüksek sıcaklıkta su buharı kullanılarak hidrokarbonlardan hidrojen ayrıştırılabilir. Hidrokarbonlu yakıtlar, hidrojenli araçlar için daha iyi bir alternatif olurlar. Örneğin metanol kullanımı ile ağır hidrojen tanklarına gerek kalmayacaktır. Normal şartlar altında sıvı olarak bulunması sebebiyle, kullanılan arabalar üzerinde fazla bir değişiklik yapılmayacaktır.
30
-
Hidrürler
Hidrojen kimyasal olarak metallerde, alaşımlarda ve ara metallerde hidrür olarak depolanabilmektedir. Metal hidrürlerin çok ağır olması, belli bir doldurma-boşaltma kapasitelerinin olması ve nadir bulunan elementlerden oluşmaları dezavantajlarındandır. Çözelti halindeki sodyum bor hidrür, aşağıdaki reaksiyona göre hidrojeni vererek sodyum metaborata dönüşür : NaBH4 + 2H2O — 4H2 + NaBO2 Sodyum bor hidrürde hidrojen depolamanın en önemli üstünlüğü depolanan hidrojenin oda sıcaklığında geri alınabilmesi ve geri alımı katalizör yardımı ile kolaylıkla kontrol edilebilmesidir. Sodyum bor hidrürün hidrojen amaçlı kullanımında en önemli sorun ise, oluşan metaboratın tekrar NaBH4 e dönüştürülmesidir. Hidrojen depolamada sodyum bor hidrür kullanmanın diğer bir avantajı, hidrojeninin patlayıcılık riskinin azaltılmasıdır. Sodyum bor hidrür, belli koşullarda yanmayan, ancak istendiğinde hidrojeni açığa çıkartan bir özelliğe sahiptir. Enerji depolamada hidrojenin alternatif olabilmesi pek mümkün değildir. Çünkü bor hidrür içerisinde ağırlıkça %20 hidrojen olduğu hesap edilirse 1300 kg bor hidrür kullanarak bir saat boyunca 5000 watt güç elde etmiş olacağız ki bu da pratikte kaldırılması mümkün olmayan yükleri getirecektir.
-
Karbon Nanotüpler
Hidrojen fiziksel olarak karbon nanotüplerde de depolanabilmektedir.
31
Karbon, yüksek oranda gözenekli çok küçük parçalar haline getirilebilmesi ve karbon atomları ve gaz molekülleri arasında oluşan çekim kuvveti nedeniyle gaz depolamaya en elverişli maddelerden biridir. Karbon nanotüpler, grafit tabakaların tüp şekline dönüşmüş halidir. Nanotüplerin en büyük dezavantajı maliyetlerinin oldukça yüksek olmasıdır. Nanotüplerdeki absorbe işlemi, fiziksel bir olaydır.
-
Cam Küreler
Cam kürelere yüksek basınç ve sıcaklık altında hidrojen depolanmaktadır. Yüksek sıcaklık sonucunda hidrojen atomları camlara girer. Camlar soğutulunca da içeride hapsolur. Depolanan hidrojen camların ısıtılması veya kırılması yoluyla tekrar geri alınabilir.
-
Mağaralarda Depolama
Bu depolama tekniğinin araçlarda kullanılması söz konusu olmamasına rağmen, bütün bu yöntemlerin dışında hidrojen gazını depolamanın en ucuz yöntemi, doğalgaza benzer şekilde, yeraltında tükenmiş petrol veya doğalgaz rezervuarlarında depolamaktır. Diğer depolama şekli ise, hidrojeni maden ocaklarındaki mağaralarda saklamaktır. Ancak bu şekilde saklanan hidrojenin yılda %1-3 ü arası , sızıntı nedeniyle kaybolmaktadır.
c. Enerji Çevrimi Yakma: Hidrojen benzin ve doğalgaz gibi yakılabilir. Bu yakıtlara üstünlüğü emisyonlarının azlığıdır. Karbondioksit çıkmaz, çok az miktarda NOx çıkar. Yakıt Pili: Elektrolizin tersidir. Hidrojen ve havadaki oksijen birleştirilerek elektrik akımı elde edilir. Özellikle otomobiller olmak üzere bütün uygulamalarda tercih edilen yöntemdir. Hidrojeni yakmaya göre daha verimlidir. Çevreye zararlı hiç emisyonu yoktur [9, 10, 11].
32
1.2.3. Biyodizel Biyodizel; ayçiçek, kanola, soya, aspir, pamuk, mısır gibi yağlı tohum bitkilerinden ham veya rafine olarak elde edilen bitkisel veya hayvansal yağların bir katalizör (asidik, bazik veya enzimatik) eşliğinde bir alkol ile (metanol veya etanol) reaksiyonu sonucunda açığa çıkan ve yakıt olarak kullanılan yenilenebilir bir üründür. Biyodizelin çevre açısından en önemli avantajlarından biri yenilenebilir hammaddelerden elde edilerek
sürdürülebilir bir enerji potansiyeline sahip olmasıdır. Doğada biyolojik olarak hızlı ve kolay bozunabildiği için birikerek toksik etki yaratmamaktadır. Yapılan
çalışmalarda biyodizelin suda 28 günde %95'inin, dizelin ise %40'ının bozunabildiğini gösterilmiştir. Atık bitkisel ve hayvansal yağlardan üretilebildiği için oluşan atık miktarı azaltılabilir.Böylece biyodizel
üretimi, atıklardan enerjinin geri kazanıldığı çevre dostu bir proses olarak görülebilir. Biyodizel emisyonları kimyasal olarak dizelden farklıdır;genellikle daha düşük CO, CO2, SOx,
poliaromatik ve partiküler madde emisyonları içerir. AB tarafından yayınlanan araştırma raporu sonuçlarına göre; 1 litre dizel tüketiminden 3.2 kg CO2 emisyonu meydana gelirken, biyodizel tüketiminde bu miktar 0.7 kg/lt seviyesine kadar düşmektedir. Şekil 1.2. de sera gazları içinde büyük bir orana sahip olan CO 2 dünyanın en önemli çevre sorunlarından
biri olan küresel ısınmaya neden olmaktadır. Yine CO2 ile birlikte yanma sonucu açığa çıkan ve sera gazları arasında yer alan CO, NOx, SOx, emisyonları da sera gazı etkisini hızlandırmakta ve insan sağlığını tehdit etmektedir. Şekil 1.1. de biyodizel, tarımsal bitkilerden elde edilmesi nedeniyle, biyolojik karbon döngüsü içinde, fotosentez ile CO2'i dönüştürüp karbon döngüsünü hızlandırdığı için sera etkisini artırıcı yönde etki göstermez. Ayrıca CO, SOx emisyonlarının, partikül madde ve yanmamış hidrokarbonların (HC) daha az salındığı kanıtlanmıştır.
33
-
Biyodizelin NOx emisyonları dizel yakıta göre daha fazladır. Emisyon miktarı motorun biyodizel yakıta
uygunluğuna bağlı olarak değişir. NOx emisyonlarının %13 oranına kadar arttığı test edilmiştir. Bununla birlikte biyodizel kükürt içermez. Bu yüzden NOx kontrol teknolojileri biyodizel yakıtı kullanan sistemlere uygulanabilir. Konvansiyonel dizel yakıtı kükürt içerdiği için NOx kontrol teknolojilerine uygun değildir. Ozon tabakasına olan olumsuz etkiler biyodizel kullanımında dizel yakıta nazaran % 50 daha azdır. Asit
yağmurlarına neden olan kükürt bileşenleri biyodizel yakıtlarda yok denecek kadar azdır. Biyodizel yakıtlarının yanması sonucu ortaya çıkan CO (zehirli gaz) oranı dizel yakıtların yanması
sonucu oluşan CO oranından %50 daha azdır. Ayrıca, biyodizelin sudaki canlılara karşı herhangi bir toksin etkisi yoktur. Buna karşılık 1 litre ham
petrol 1 milyon litre içme suyunun kirlenmesine neden olabilmektedir[12,13].
Şekil 1.1. Biodizel CO2 döngüsü
34
kn:J rjf jriı KDLJİD
Şekil 1.2. Petro-Dizel CO2 döngüsü 1.2.4. Yaygın Olarak Kullanılan Alternatif Yakıt LPG S ıvılaş tırılmış petrol gazı, genellikle propan, bütan, izobütan ve az miktarlardaki propilen ve bütilenden oluşan bir karışımdır En yaygın ürünler, propan, bütan veya bunların belirli oranlardaki karışımıdır LPG, genellikle doğal gazdan veya ham petrol, kuyulardan çıkarılması ve rafinerilerde tasfiye edilmesi sırasına ham petrolden ayrıştırılarak elde edilen ve kolayca sıvılaştırılabilen propan ve bütan gazlarının, basınç altında sıvılaştırılmış halidir. Bu gazlar sıvılaştıklarında, hacimce 238 ila 272 kat küçülmektedirler. Sıvılaştırılmış petrol gazı, dolum tesislerinde tüplere doldurularak doğrudan tüketiciye sunulmakta, doğal gaz şebekesine bağlı olmayan evlerde, endüstriyel tesislerde ve taşıtlarda kullanılmaktadır. Temiz ve çevre dostu bir yakıt olan LPG, yandığında çevreyi kirletici gazların oranı çok düşüktür, kül bırakmaz.
1.2.4.1. LPG'nin Kullanım Alanları LPG, Tüpgaz, otogaz ve dökmegaz olmak üzere başlıca üç segmentte piyasada satılmaktadır.
35
a- Tüpgaz olarak konutlarda ve endüstriyel işletmelerde kullanılır. Konutlarda, özellikle ocak, şofben, kombi ve katalitik sobalar için; Endüstriyel işletmelerde, pişirme ve çeşitli prosesler için gerekli enerjiyi sağlar. b- Dökmegaz olarak gerek endüstride, gerekse konut ve turistik tesislerde yaygın bir kullanım alanına sahiptir. Endüstride sıcak su ve buhar üretiminde, ısıl işlemlerde, kurutma, lehimleme, kesme gibi işlemlerde kullanılır. Cam endüstrisinde şekil vermede, tavlamada; seramikçilikte, pişirme işleminde; tekstil sanayinde, kurutma ve ütülemede; metal endüstrisinde, ön ısıtmada, metalin ergitilmesinde; tarım ve hayvancılıkta, ısıtmada kullanılabilir. Konut ve turistik tesislerde ısınma, sıcak su, pişirme, buhar üretimi; LPG'nin kullanım alanlarından sadece bazılarıdır. c- Otogaz olarak Otomobillerde yaygın olarak kullanılan "çevre dostu" bir yakıt olması sebebi ile benzine göre daha düşük egzoz emisyon değerlerine sahip olduğu için çevre bilinci gelişmiş ülkelerde "temiz ve alternatif bir yakıt" olarak kullanılmaktadır.
1.2.4.2. LPG'nin Özellikleri Basınç altında sıvılaştırılan LPG, normal sıcaklıkta hemen buharlaşabilmektedir. Kaynama noktası 0°C altındadır. Kaynama noktası altındaki sıcaklıklarda LPG gazlaşmadıkları için özellikle soğuk kış iklimine sahip yerlerde aracın ilk çalıştırılması sıkıntılı olmaktadır. Aslında, renksiz, kokusuz ve zehirsiz bir gaz olan LPG, oluşabilecek bir sızıntının hemen anlaşılması için rafinerilerde sonradan kokulandırılır. Türkiye'de kullanılan genellikle %30 propan ve % 70 bütan gazlarının karışımından oluşmaktadır. Bazı firmalar özellikle kış aylarında %40 propan ve % 60 bütan gazlarının karışımlarını Otogaz olarak sunmaktadırlar. Propan ve bütan karışımının oranlarının değişmesi basınç üzerinde belirgin farklılıklara neden olur: Isı arttıkça basınç artar ve LPG'nin sıvı halindeki hacminde büyük değişikliklere neden olur. Böylece, sıvı haldeki LPG ile dolu olan bir ortamda ısı arttıkça basıncında artmasına neden olur ve içinde bulunduğu tankın patlamasına neden olur. Hiç bir zaman bir tank LPG ile tamamen doldurulmamalıdır. Bütan ve Propanın belirleyici temel özelliklerinden biri buhar basıncıdır. Yani sıvının kapalı hacimdeki, buhar ile
36
dengede olduğu basınçtır. Bütan ve propan arasındaki diğer ayırt edici özellik ise onların kaynama noktasıdır. LPG'nin sıvı fazdan gaz faza geçtiği sıcaklık diğer fiziksel özelliği ve kimyasal özellikleri Tablo 1.2. de
Tablo 1.2. LPG' nin fiziksel ve kimyasal özellikleri [14]. Ticari Propan Ticari Bütan LPG Bütan) Bileşimi Min. %95 propan (C3H8) Min. %97 bütan (C4H10) ve Ticari propan (C3H8) ve ticari bütilen (C4H8),%3'ten daha az bütandan hacimde propan (C4H10) meydana (%30 Propan-%70
ve propilen (C3H6), ayrıca etan, bütan ve büten içeren
içeren gelen hidrokarbon karışımıdır.
hidrokarbon karışımıdır. hidrokarbon karışımıdır. Orijinali kokusuzdur, etil merkaptan (C3H5SH) ile kokulandırılmıştır. Fiziksel ve Kimyasal Özellikler C H 4 10 Kimyasal Formülü C3H8 Gaz Hacmi / Sıvı Hacmi 272 238 SIVI LPG Üst Isıl Değer kCal/kg 11950 11740 Alt Isıl Değer kCal/kg 11100 10900 Buharlaşma gizli ısı kCal/kg 102 92 Kaynama Nok. 1 atm °C -42 -0.5 GAZ LPG Havaya Göre Îz.Yoğ. (Hava=1) 1.522 2.006 Tutuşma Limiti Alt % 2.15 1.55 Üst % 9.6 8.6 Tutuşma Sıcak. Havada °C 493-549 482-538 1,5 2,01 Gaz Halinde Havaya Göre Nispi Kokusu Yoğunluğu
248 11800 10960 95 -18
482-549 1,84
görülmektedir.
37
Özellikle soğuk havalarda daha yüksek oranlarda propan gerektiren karışımların gereksinimini ortaya çıkarır, böylece gaz fazına dönüşüm kolaylaştırılır. Türkiye de hava sıcaklığı bölgeden bölgeye değişeceğinden motorlu araçlarda kullanılan LPG karışımının da tüm koşullar da uygun olacak şekilde ayarlanması gerekmektedir [15]. LPG nin bir özelliği de yağ ve boyayı eritebilmesidir. Ayrıca doğal lastiği de deforme eder: Bu yüzdendir ki motorlu araçlarda kullanılan esnek borular uygun kalitede sentetik malzemeden yapılmaktadır.
1.2.4.3. Taşıtlarda LPG Kullanımı Dünyanın birçok ülkesinde LPG bugün alternatif otomobil yakıtı olarak kullanılmaktadır. Gaz yakıtlar yoğunluklarının düşük olması nedeniyle sıkıştırılarak sıvı olarak depolanabilirler. Benzinli motorlarda da motor konstrüksiyonlarında küçük değişikliklerle kullanılabilirler. Bu alanda kullanılan LPG miktarı, dünyadaki LPG miktarının yaklaşık % 5-6'sını oluşturur. Dünyada LPG ile çalışan araç sayısı 4 milyonu bulmakta ve bu sayı günden güne artmaktadır. Tablo 1.3. de taşıtlarda LPG kullanımı yaygın olan ülkeler gösterilmiştir. Artan hava kirliliği nedeniyle birçok ülkede özellikle şehir içi ulaşımında LPG bugün için en çok tercih edilen alternatif yakıt durumundadır. Ülkemizde de özellikle büyük şehirlerde hava kirliliği artmakta yaz aylarındaki hava kirliliğinin yaklaşık %55'i motorlu araçlardan kaynaklanmaktadır. Özellikle LPG'nin üzerindeki vergi oranı azaltıldığında hava kirliliği olan şehirlerimizde kullanımı, bu büyük problemi önemli ölçüde azaltacaktır. Ülkemizde son yıllarda LPG sistemi ile çalışan otomobiller yaygınlaşmıştır. Kullanımda ilk sırayı özellikle büyük şehirlerde ticari taksiler almaktadır.
38
Tablo 1.3. Taşıtlarda LPG kullanımı yaygın olan ülkeler [16] Yıllık LPG Kullanımı (bin ton) Ülke İtalya 1202 Hollanda 810 Rusya 292 Japonya 1814 Güney Kore 1434 Tayland 140 Avustralya 890 Meksika 1185 ABD 112 Kanada 649 Diğerleri 451 Dünyanın Toplamı 8979 Taşıt Sayısı (Bin Adet) 1050 470 450 305 278 19 330 300 350 140 267 3959
1.2.4.4. Taşıtlarda Kullanılan LPG Sistemleri, Elemanları, Çalışması Birinci kuşak sistemler: Uygulaması çok basit olup karbüratörlü motorlar üzerinde kullanılırlar. Montajı
çok basit olup motorda herhangi bir değişiklik gerektirmemektedir. İkinci Kuşak Sistemler: Üç yollu katalitik konvertörlerin ve elektronik kontrol ünitelerinin benzinli
taşıtlar endüstrisinde kullanılmaya başlanmıştır. Birinci kuşak sistemlerinden en önemli farkı taşıtta bulunan lamda sensöründen aldığı bilgiye göre gaz miktarını sürekli olarak kontrol etmesidir. Üçüncü Kuşak Sistemler: Bu sistemde ilk hareket benzinle yapılmaktadır. Daha sonra sistem otomatik
olarak LPG'ye geçmektedir. LPG sisteme çok noktadan emme supabının üstüne püskürtülmektedir [2].
39
Yakıt Deposu: Yakıt deposu dayanıklı ve kuvvetli bir yapıya sahip olup en az 17.5 kg./cm2 (250 Psi) basınca dayanabilmelidir. Deponun üzerinde özel bir doldurma valfi ve birde aşırı basınca karşı emniyet valfi vardır. Yakıt deposu, hacminin %80'den fazla yakıtla doldurulmamalıdır. Böylece sıcaklık değişmelerinden dolayı yakıtın genleşebilmesi için yeterli boşluk sağlanmış olur. Basınç Regülatörü: Sistemde, yüksek basınç regülatörü ve alçak basınç regülatörü olmak üzere 2 adet regülatör vardır. Yüksek basınç regülatörü (1.5-16 atmosfer) olan yakıt deposu çıkış basıncını (0.5-1 atmosfere) düşürür. Miktar ayarlayıcısı ve karıştırma tertibatı: Buhar haline gelen yakıtı karbüratör boğazından geçen hava ile karıştırarak emme manifolduna gönderir.
1.2.4.5. LPG Yakıtlı Araçtan Beklenen Performans Temiz egzoz gazları. Motor yağının kullanım süresini arttırması (Benzin ile sulandırılmış olmadığından özelliklerini daha uzun
süre korur). Karbon birikimi olmadığından motorun ömrünü uzatır. %10 düşük güç ki bu da maksimum hızda %3 kayıp oluşturur. Benzine kıyasla tüketim hacminde artış
sağlar. HC : Yanmamış Hidrokarbonlar Yakıtın yakıldığı bölümde ateşin yetişemediği ve yanmamış yakıt partiküllerinden oluşur.
Şekil 1.3.'de görüldüğü gibi yakıt deposundaki basıncın etkisi ile sıvı yakıt depodan yakıt borularıyla yüksek basınç regülatörüne gönderilir. Depodaki basınç 17.5 atmosfere kadar artabilir. Yüksek basınç regülatörü yakıt basıncını 0.5-1 atmosfere düşürür. LPG yakıtı yüksek basınç regülatörünü yarı gaz yarı sıvı olarak terk eder ve böylece buharlaştırıcıya
40
gider. Buharlaştırıcı iç içe iki boru olup iç borudan LPG yakıtı geçerken, dış borudan da motordan gelen sıcak su geçer. Sıcak su bir kısım ısısını yakıta vererek onun tam buharlaşmasına yardım eder. LPG yakıtı buharlaştıktan sonra, alçak basınç regülatörüne geçer ve basıncı atmosferik basıncın biraz altına düşer. Böylece, yakıt karbüratöre geçmeye hazır hale gelmiş olur. Yakıt basıncının atmosferik basıncın biraz altına düşürülmesi motor çalışıp silindirlere hava akışı başlamadan, yakıtın kendi kendine akışını önler. Hava akışı, karbüratör ventürisinde vakum meydana getirildiğinde, karbüratör havaya karışır. Karbüratör esas itibarıyla bir karıştırıcı supaptır. LPG yakıtı karbüratöre buhar halinde girdiği için bu sistemde, normal karbüratörlerde olduğu gibi, yakıtı atomize etmeye ve buharlaştırmaya gerek yoktur. Yakıt, hava boğazındaki bir gaz memesinden, karbüratörden geçmekte olan havaya karışır. 1.2.4.6. Motor Yakıtı Olarak LPG'nin Avantajları Ve Dezavantajları
Basınç Kaçırma
Şekil 1.3. Tipik LPG yakıt sistemi [2].
-
LPG'nin oktan sayısı yüksektir (105 RON), Gaz fazında hava ile daha uniform karışması sonucu iyi bir yanma gerçekleşir, S ıvı yakıtın iyi buharlaşması yüzünden kartere sızarak karterdeki yağı sulandırması bu sistemde yoktur.
LPG yakıtları emme manifoldlarına tamamen buharlaşmış olarak girer. Bu nedenle motor yağı seyreltisi olmadığından motor yağı daha uzun ömürlüdür,
41
-
S ıvı yakıtın buharlaş ması yüzünden, yoğunlaşan yakıtın silindir cidarlarındaki yağı yıkayıp, silindîr ve
segmanları yağsız bırakması problemi LPG yakıtlı motorlarında yoktur, Benzin ve dizel yakıtına göre egzoz çıktısı daha temizdir, İşletme ve bakım masrafları azdır, Basınç altında sıvılaştırılarak depo edildiğinden dağıtım ve depolanması zordur, Motorlarda LPG kullanıldığında sıkıştırma oranı büyük seçilebiliyorsa tüm yakıtın buhar fazında motora
girmesi hacimsel (volümetrik) verimi düşürdüğünden motor verimi çok fazla olmamaktadır, LPG istasyonları yaygınlaştığından yakıt temini kolaylaşmıştır. Kuru yanma, yanma odasının çabuk aşınmasına neden olur, LPG yakıtlı sistemin benzine göre soğuk havalarda ilk ateşlemesi zordur, Yüksek miktarda solunum sistemine tahriş etkisi vardır.
BÖLÜM 2 2.1. Doğalgaz 1815 yılında Batı Verginia'da bir tuz ocağında doğalgaz yatağı bulunmuştur. Doğalgaz yeryüzü dediğimiz deniz seviyesinden en yakın 7000 metre, gözenekli katmanlarda ve 300 bar basınçta bulunmuştur. Metan, etan, propan, azot ve az miktarda karbondioksit gazlarının bileşiminden oluşan, renksiz, kokusuz havadan hafif olan yanıcı bir maddedir. Yataklarda gaz halinde bulunur. Genellikle borularla, basınç ayarlı taşınır. Kullanılmadan önce kaçakların oluşturacağı olumsuzlukların önceden insanlar ve cihazlar tarafından anlaşılması için ilave koku maddeleri katılır [17].
2.2. Doğal Gazın Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Doğal gazın büyük bölümünü % 90-96 CH4 (metan) gazı oluşturmaktadır. Geri kalan bölümünü ise % 2.4ll C2^(etan), % 0.736 C3H8 (propan), % 0.371 C4H10 (bütan), %0.776 N2 (azot), % 0.164 C5H12 (pentan) ve % 0.085 CO2 (karbondioksit) oluşturmaktadır. Doğalgazın ısıl değerinin benzin ve alkole göre yüksek olması bir avantaj sağlamaktadır. Doğal gaz benzine oranla daha yüksek hava fazlalık katsayısı değerlerinde tutuşma olanağına sahiptir. Böylece motorun fakir karışımla çalıştırılıp, yakıt ekonomisi ve egzoz gazları emisyonu açısından yarar sağlanması da mümkün olmaktadır.
2.3. Doğal Gaz İletimi ve Dağıtımı Gaz halinde elde edilen doğal gazın iletimi ve taşınması borularla yapılması en uygun olanıdır. Ancak gerektiği hallerde doğalgaz basınç altında soğutularak sıvılaştırmak ve
43
süper izoleli tankerlere alınmak suretiyle de taşınabilir. Bu bir zorunluluktur. Neticede nihai kullanım yerine borularla gaz halinde iletilmektedir. Bunun nakli için enjekte edilmeden önce aşındırıcı bileşenlerinden arındırılması gerekmektedir. Bu durumda basınç altındaki 1.40 metreye varabilen toprağa gömülmüş özel borularla taşınır. Başlangıçta gaz, boru içinde yatağın doğal dolaşım basıncındadır. Hat boyunca boru direncini kıracak 70 bar basınçta gaza hareket verecek pompa istasyonları kurulmaktadır. Boru ile doğal gaz naklinin başlıca yararı; gazın fiziksel ve kimyasal hallerinin değişmemesi, kusuru ise üretim ve tüketim bölgeleri arasında bulunan esnek olmayan ikmali ve başlangıç yatırımının fazla olmasıdır[18].
2.4. Doğalgazın İçten Yanmalı Motorlarda Kullanımının Dünyadaki Yeri Doğal gazın taşıtlarda benzin ve motorine göre düşük emisyonlu bir alternatif yakıt olarak yaygınlaşması, özellikle son senelerde dikkat çekmektedir. Doğal gazın birçok ülkede zengin kaynakları olması, diğer birçok ülkede ise boru hatları ile yaygınlaştırılmasına rağmen taşıtlarda yakıt olarak kullanılması, diğer uygulamalarına göre biraz yavaş kalmıştır. Son senelerde ise gerek doğal gazın yaygınlaşması, gerekse ekonomik ve çevresel faktörlerin tercihi, taşıtlarda doğalgazın kullanımını bir alternatif yakıt olarak gündeme getirmiştir. Özellikle çevre açısından doğal gaz son yıllarda çok önem kazanmıştır. Son 25 yıldır doğal gaz rezervleri devamlı artmıştır. 1991 rakamları ile 124 trilyon m3'e ulaşmıştır. Dünyanın toplam doğal gaz üretimi ise 1992 yılında 1818 milyar TEP olmuştur, Bu günkü üretim şekli ile 65 yıl daha doğal gazın yeteceği tahmin edilmektedir. Tablo 2. 1 'de Dünya doğal gaz rezervleri görülmektedir. Ülkemizdeki doğal gaz toplam rezervi 17.4 milyar m3, üretilebilir gaz 11.9 milyar m3, şimdiye kadar toplam olarak üretilen doğal gaz miktarı 2.13 milyar m3 olmuştur. Kalan üretilebilir rezerv ise 9,8 milyar m3 'tür. Türkiye'nin 2000'li yıllardaki doğal gaz tüketiminin 18-20 milyar m3'e ulaşacağı beklenmektedir. Günümüzde 700.000 adetten fazla doğal gazlı taşıt, 38 ülkede kullanılmaktadır. Bu ülkeler arasında 300.000 adet ile İtalya başta gelmekledir. Diğer ülkeler Yeni Zellanda,
44
Rusya, ABD, Kanada ve Arjantin'dir. ABD'de yaklaşık olarak 30.000 adet doğal gaz yakıtlı taşıt ve 300 adet doğal gaz yakıtı satan istasyon bulunmaktadır. ABD'de doğal gazla çalışan taşıtların çoğu, taşımacılıkla kullanılan otobüsler, kamyonlar ve mini vanlar şeklindedir. New York şehrinde Flxible Corp. firması tarafından geliştirilen sıkıştırılmış doğal gaz yakıtı kullanılan otobüsler taşımacılıkta kullanılmaktadır. ABD'de doğal gazla çalışan ve taşımacılıkta kullanılan otobüsler devreye girmiş durumdadır. Ayrıca Kaliforniya ve Houston'da doğal gaz yakıtı kullanılan otobüsler devreye girmiş durumdadır. Ülkemizde de Ankara, İstanbul'dan sonrada Kayseri gibi Büyük Şehirlerimizde taşımacılıkta kullanılan belediye otobüslerinin egzoz gazlarının neden olduğu hava kirliliğini azaltmak, için birtakım projeler geliştirilmekte ve doğal gaza dönüşümleri tamamlanan otobüslerin kullanılmasına başlanmıştır. Otomotiv şirketleri doğal gazın taşıtlarda kullanımı iki farklı tiple uygulamaktadırlar. Taşıtta yakıt olarak doğal gazın tek başına kullanılması, Taşıtta yakıt olarak doğal gazın dizel ve benzin ile beraber kullanılması [19]. Tablo 2.1. Dünya doğalgaz rezervleri ( Milyar m3 ) Cezayir Arjantin Avustralya Kanada Çin Ekvator Almanya Endonezya İran İtalya Libya Irak 3.707,00 6,23 8,49 2.462,00 846,00 113,00 170,00 340,00 680,00 792,00 877,00 13.725,00 Malezya Meksika Nijerya Norveç Katar S.Arabistan B.A.E İngiltere A.B.D. Eski S.S.C.B. Venezüella 680,00 1.839,00 1.160,00 1.217,00 1.700,00 3.113,00 623,00 708,00 5.405,00 26.036,00 1.189,00
45
2.5. CNG 'nin Tanımı "Compressed Natural Gas" yani "Sıkıştırılmış Doğalgaz" diye adlandırılan CNG, doğalgazın yüksek basınçlarda sıkıştırılmış halidir. Sıkıştırılmış doğalgazın araçlarda kullanımı doğal gazın 200-220 bara sıkıştırılarak depolama kapasitesini artırmak suretiyle olmaktadır[20].
2.5.1 Doğalgazın Sıkıştırılma Prosesi Doğalgaz dağıtım hattından alınan gaz, (1 bardan 70 bara) kadar olabilir. Kompresör ünitesi ile 200 bar basınca kadar sıkıştırılıp, her biri yaklaşık 2-15 m3 olan CNG silindirlerine depolanır. CNG dispenseri depodan aldığı gazı yine 200 bar basınçta aracın CNG deposuna basar [20]. Ayrıca LNG den CNG eldesi de ülkemizde kullanılmaya başlanmıştır. LNG bir pompa aracılığı ile 200 barda basınçlandırılarak buharlaştıcıdan geçirildikten sonra silindirlere doldurulur.
2.6. LNG (Sıvılaştırılmış Doğalgaz) İngilizce sıvılaştırılmış doğalgaz anlamına gelen "Liquefied Natural Gas" kelimelerinin baş harflerinden kısaltılarak oluşur. LNG doğal haliyle kokusuz, renksiz, korozif olmayan ve zehirleyici bir özelliği bulunmayan bir sıvıdır. Buharlaştırıldıktan sonra kolayca fark edilmesi için içerisine kokulandırıcılar eklenerek kullanıma sunulur. Hava ile karıştırıldığında yanma limitleri hacimce %5 ile %15 arasındadır. Atmosfer basıncında sıvı halde depolama sıcaklığı 111,63°K dir. Farklı tarihlerde BOTAŞ Marmara Ereğlisi LNG terminalinden alınan analizlere LNG içerisindeki gazlar Tablo 2.2.'de sunulmuştur. LNG kreyojenik şartlarda depo edilir ve iletilir. LNG depo ve iletim tesisleri mutlak suretle kreyojenik şartlara uygun olmalıdır. Depolama basınçları ana stok tanklarında genellikle 0 ile 5 bar arasındadır. Fakat biz çalışmamızda tank dizayn basıncını emniyet açısından 10 bar olarak dikkate aldık. Gazlaştırma buharlaştırıcılar tarafından yapılır. Tanklar Avrupa Birliği standartlarının öngördüğü emniyet sistemlerine göre üretilmektedir. Basınç ayarları regülatör ve ekonomizer yardımıyla kontrol edilir.
Teknik ve ekonomik olarak doğal gazı boru hatları ile taşımanın uygun olmadığı yerlere doğal gazın nakliyesi uygun hale gelmiş olur. LNG diğer alternatifleri olan LPG, Fuel Oil ve %1 Kükürtlü Fuel Oil gibi yakıtlardan hem daha ekonomik hem de daha çevrecidir. Giderek artan petrol fiyatları karşısında LNG diğer yakıtlara karşı maliyet avantajını sürekli artırmaktadır. Tablo 2.3. incelendiğinde Metan 111.63 K sıcaklıkta ve 1 atm basınç altında sıvıdan gaza faz değişimi olmaktadır. Daha yüksek basınçta depolanması halinde daha yüksek sıcaklıklarda faz değişimi olmaktadır. Metan sıcaklığı artıkça da ortam sıcaklığı ile arasındaki sıcaklık farkı azaldığından ısı akısı düşmektedir. EK-2 de Tablo 2.3.'ün daha detaylı halinin bulunduğu grafik yer almaktadır.
Metan haricinde etan (C2H6), propan (C3H8), bütan (C4H10) ağırlıklı olmak üzere diğer hidrokarbonları da ihtiva eden bir yakıt türü olan LNG, sıvılaştırma prosesi esnasında içindeki oksijen, karbondioksit, kükürt bileşenleri ve sudan arındırıldığı için boru hattı doğal gaza göre daha saf ve yüksek verimli bir yakıttır.
2.6.1 LNG'nin Fiziksel Kimyasal Özellikleri Tablo 2.4.'den de görüldüğü gibi doğalgazın sıvılaştırılması durumunda hacim yaklaşık 600 kat küçülmektedir.
Tablo 2.4. Metan (CH4) gazının fiziksel ve kimyasal özellikleri. [25]
Kimyasal İçeriği Molekül Ağırlığı (kg/kmol) Kaynama Noktası (°C) Likit Yoğunluğu (kg/lt) Gaz Yoğunluk (kg/m3) Kendiliğinden Tutuşma Sıcaklığı (°C) Maksimum Alev Sıcaklığı (°C) Parlama Limitleri (Hava ile karışım oranı) Üst Isıl Değer (kcal/kg) Üst Isıl Değer (kcal/m3) Sıvı/Gaz Genleşme Oranı Buharlaşma Basıncı (15°C'da) bar
Metan (CH4), ayrıca C2H6, C3H8 ve bazı diğer hidrokarbonlar. 16,04 -162 0,44-0,46 0,76 580 1.954 %5 - %15 12.930 9.825 600 230
2.6.2 LNG'nin Temini Türkiye'de bazı doğalgaz ithal eden ülkeler gibi doğalgaz arz kaynaklarının çeşitlendirilmesi, arz güvenliğinin ve arz esnekliğinin arttırılması için hem baz yük tesisi olarak çalıştırmak hem de ihtiyaç duyulduğunda pik düşürücü olarak devreye sokulmak üzere Şekil 2.1. deki Marmara Ereğlisi'nde LNG İthal Terminali yapılmıştır.
51
1994 yılında işletmeye alınan terminalin sürekli enjeksiyon kapasitesi 685.000 m3/h. Türkiye'ye ithal edilen ve tüketilen toplam doğal gazın yaklaşık % 20 si LNG olarak tedarik edilmektedir. LNG, Nijerya ve Cezayir'den özel tasarlanmış gemi tankerler ile getirilip BOTAŞ'ın Marmara Ereğlisi'ndeki LNG Terminalinde ve EGE gazın İzmir Aliağa'daki LNG terminalinde depolanmaktadır. Bunun dışında İskenderun-Ceyhan-Dörtyol bölgesinde de bir adet LNG terminali kurmak için çalışmalar yapılmaktadır. [28]
Şekil 2.1. Botaş Marmara Ereğlisi LNG terminali LNG'nin LNG İletim Lisans sahibi şirketlerin kamyon tankerlerine yüklenebilmesi için Marmara Ereğlisi ve EGE gaz yükleme kollarından faydalanılmaktadır. LNG Şekil 2.2. deki aşamalardan geçerek tüketim
Şekil 2.2. LNG' nin iletimi [28] noktasına iletilmektedir.
52
LNG Kreyojenik şartlarda depo edilir ve iletilir. Kreyojenik, Yunanca "Kryos" kelimesinden gelmekte olup çok soğuk anlamına gelir. Sıvılaştırılmış endüstriyel ve medikal gazların depolama ve taşıma şartlarını belirler. LNG gazının sıcaklığı normal şartlar altında -150 °C civarındadır. İletim ve depolama basınçları 0 ila 5 bar arasındadır. Gerek LNG tanker tankları, gerekse sabit müşteri tankları kreyojenik olmalıdır. Kreyojenik tanklar iç içe iki kaptan oluşmaktadır. İçteki paslanmaz tank, LNG depolamakta kullanılır. Dıştaki çelik tank izolasyon kabıdır. İki tank arasında izolasyon olarak perlit veya cryolite bulunur ve en az 1x10 -1mbar vakum yapılmaktadır. Tankların tamamında emniyet sistemleri olmalıdır. LNG, doğal gaz basınç düşürme istasyonuna 3 ila 4 bar arasında gönderilir. Tankın basınçlandırılması tank buharlaştırıcıları tarafından yapılır. Basınç, regülatör ve ekonomizer marifetiyle kontrol edilir. [27] Buharlaştırıcılar LNG'yi sıvı fazdan gaz fazına dönüştürmek için kullanılır. Buharlaştırıcılar, LNG'yi ortam ısısını kullanarak gazlaştırıp tüketilmeye hazır hale getirirler. Geniş ısı transfer yüzeyleri sayesinde yüksek ısı değiştirme kabiliyetleri vardır. Tamamen alüminyumdan üretilmişlerdir. Hareketli parçaları olmadığından, bakım gerektirmezler. [28] Doğal gaz dâhili tesisatları EPDK teknik mevzuatına uygun olarak yapılmalıdır. Buharlaştırıcıların çıkışından itibaren, işletme içi yakma ünitelerine kadar olan 2. Kademe Basınç Düşürme İstasyonunu da dâhil LNG kullanımı ile ilgili tüm doğal gaz dahili tesisatı, EPDK'dan sertifika almış bir yapım firması tarafından EPDK, BOTAŞ veya bölgesinde yetkili Şehir Dağıtım Şirketi'nin standartlarına uygun olarak yine EPDK'dan sertifika almış bir müşavir firma kontrol ve denetiminde yapılmış olmalıdır. LNG, enerji ihtiyacını farklı yakıtlar ile sağlayan yüksek yakıt tüketimine sahip tüm işletmeler için ilgili talimat, standart ve yönetmeliklerde geçen gerek ve yeter şartların sağlanması durumunda her işletmede kolaylıkla uygulanabilmektedir. LNG yüksek yanma verimi, temiz ve ekolojik yakıt özelliği, ekonomikliği ve güvenli/pratik kullanımı ile alternatif bir yakıt türüdür.
53
Boru hattının ulaşamadığı yerlerdeki yüksek tüketim kapasiteli işletmelerin tüketim noktalarında aranan çevre dostu ve ekonomik bir enerji kaynağıdır. %90 dan fazla oranda metan ihtiva eder ve havadan hafif olması sebebi ile uçarak yok olabildiğinden, alternatif yakıtların aksine kaçak olması durumunda zemin ve çukur yerlerde birikme yaparak herhangi bir risk ve kirlilik oluşturmaz. [28] LNG'nin piyasadaki alternatif yakıtlara göre alt ısıl değer üzerinden eşdeğerliliklerini gösteren dönüşüm tablosu Tablo 2.5'de verilmiştir.
54
Tablo 2.5. LNG'nin piyasadaki alternatif yakıtlara göre alt ısıl değer üzerinden eşdeğerliliklerini gösteren dönüşümü[27,28]
YAKIT 1 kg Miks LPG 1 kg PROPAN 1 m3 DOĞAL GAZ 1 kg KOMUR 1 kg MOTORİN 1 kg F.Oil 04 1 kg F.Oil 06 1 kWh ELEKTRİK 1 kg LNG
A L T IS IL Or D t. E V Ğ eri E m kg R eş kc de al ğe r kg M eş ik de s ğe L3 r m P P eş G R de O ğe P r kg A D. eş N G de A ğe Z r kg K eş Ö de M ğe Ü r kg R M eş ot de ori ğe n r kg F. eş Oi de l ğe 04 r k F. W Oi h l eş 06 de kg ğe eş r de El ğe ek r tri L k N G 11.000 11.070 8.250 5.500 10.200 9.700 9.200 860 11.930 92 92 92 65 85 84 84 99 92 1 1,006 0,750 0,353 0,857 0,805 0,764 0,084 1,085 0,994 1 0,745 0,351 0,851 0,800 0,759 0,084 1,078 1,333 1,342 1 0,471 1,142 1,074 1,018 0,112 1,446 2,831 2,849 2,123 1 2,425 2,279 2,162 0,238 3,070 1,167 1,175 0,875 0,412 1 0,940 0,891 0,098 1,266 1,242 1,250 0,932 0,439 1,064 1 0,948 0,104 1,347 1,310 1,318 0,982 0,463 1,122 1,054 1 0,110 1,420 11,886 11,962 8,915 4,199 10,183 9,570 9,077 1 12,891 0,922 0,928 0,692 0,326 0,790 0,742 0,704 0,078 1
55
2.6.3 LNG'nin Alım Satım ve Faturalandırma Esasları LNG'nin BOTAŞ'tan alınıp LNG kullanıcılarına satışı ancak EPDK dan Toptan Satış Lisansı almış şirketlerce yapılabilir. 30 Aralık 2005 tarih, 26039 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan 615 nolu Enerji Piyasası Düzenleme Kurul Kararına göre LNG alım satımında faturalama enerji değeri bazında (ya m3 ya da kwh) olmalıdır. Toptan Satış Şirketlerinin LNG tankerleri BOTAŞ'ın LNG Terminal Sahasındaki kantarda boş ve dolu haliyle tartılır, iki tartı miktarı arasındaki fark Botaş tarafından satılan LNG nin kilogram cinsinden miktarı olarak değerlendirilir. LNG Terminalinde gün başlangıcı olan saat 08:00'de önceki 24 saat boyunca, LNG'nin ağırlık miktarı, buna karşılık gelen toplam enerji değeri, bunun hesaplanmasında kullanılan üst ısıl değer ve rölatif yoğunluk bilgilerini içeren bir irsaliye BOTAŞ tarafından düzenlenir ve aynı gün içinde Toptan Satış şirketine teslim edilir.
Rölatif yoğunluğu referans yoğunluğa dönüştürmede havanın yoğunluğu 1,2255 kg/m* değeri alınır. Kilogram biriminden LNG'nin içerdiği enerji miktarına dönüşüm için Tablo 2.6. daki formülden faydalanılır. Tablo 2.6 daki gaz hacmi normal şartlar altındaki hacimdir.
56
Tablo 2.6. 1 kg LNG'nin karşılığı enerji miktarı [27,28] AÇIKLAMA SABİT DEĞERLER Havanın Yoğunluğu Doğal gazın Üst Isıl Değeri Doğal gazın Üst Isıl Değeri ÖLÇÜLEN DEĞERLER (BOTAŞ) Ağırlık Üst Isıl Değeri Rölatif Yoğunluk HESAPLANAN DEĞERLER Gerçek Yoğunluk Enerji Miktarı Formül ÖRNEK
Birim
Göst erim r Uk UW
Birim Analizi
kg/m* kcal/m3 kWh/m3
1.2255 9,155 10.64
kg kcal/m3
C H DR
1 9,875.93 0.623677
kg/m* kcal
DG A
r x DR (C x H ) / DG kg.kcal/m3 m3.kg
0.764316 12,921
Enerji Miktarı (düzeltilmiş m*)
m*
AG
A / Uk kcal.m3 kcal
1.411
Enerji Miktarı
kWh
AW
AG x UW m3.kWh m3
15.017
2.6.4 LNG Tanklarında Teknik Emniyet Ve Güvenlik LNG tank ve LNG tanker boşaltma sahasına; işi olmayanlar ve eğitimsiz personel girmemelidir. LNG ile ilgili personel, LNG tank ve LNG tanker boşaltma sahasına girmeden önce: LNG'ye (-161,5°C) aşırı soğuğa dayanıklı, Kişisel Koruyucu Ekipmanlarını (iş elbisesi, ayakkabı veya çizme, eldiven, gözlük, baret ve kulaklık) giyecektir.
57
LNG tank ve LNG tanker boşaltma sahasına; sigara, çakmak, cep telefonu, telsiz, ex-proof olmayan el feneri vb kıvılcım çıkartıcı cihazlarla girilmemelidir. LNG tankı ve tanker boşaltma sahası içerisinde LNG konusunu iyi bilen profesyonel yetkililerin haberi olmadan kaynak, elektrik, inşaat gibi ateşli çalışma izni gerektiren işler yapılmamalıdır. LNG tankı ve tesisatlarında olabilecek bakım, arıza, test işlerine, eğitim almış ilgili personel tarafından müdahale edilmelidir. LNG tankeri boşaltma esnasında kamyon tankerlerinin egzozlarına alev tutucu takılmalı ve araç tekerlerine takoz koyulmalıdır. Tanker doldurma ve boşaltma esnasında statik topraklama pensesi takılmalıdır. LNG tanker boşaltma esnasında tanker şoförü kesinlikle aracını terk etmemelidir. LNG tank hortum ve bağlantı elemanlarını sıkmak için kıvılcım çıkartmayan sarı çekiç ve anahtar kullanılmalıdır. LNG tankı ve tanker boşaltma sahası içerisinde olası gaz kaçaklarının kontrolü için portatif ex-proof gaz dedektörleri olmalı ve günlük gaz kaçağı kontrol ölçümleri yapılmalıdır. LNG tanklarının seviye ( Deneyde kullanılacak tankımız ağırlık ile kontrol edilmelidir.) - basınç değerleri düzenli olarak ölçülmeli ve bir forma yazılmalıdır. LNG tankları tel örgü ve LNG tankeri üzerindeki ikaz işaretlerine "Ateşle Yaklaşmayınız", "Yanıcı ve Parlayıcı Madde", "Sigara içilmez" uyulmalıdır. Ex saha içerisindeki tüm elektrikli cihazlar ex-proof olmalıdır. Acil durumlarda kurtarma veya vana kapatma için kısa süreli kullanılacak LNG dayanıklı yangın battaniyesi olmalıdır. LNG kısmında yaralanmalara karşı tam teçhizatlı ilk yardım malzemesi ve portatif ilk yardım çantası olmalıdır.
58
LNG tank bölgesi ile Tanker boşaltma sahasında 2 ad. 50 Kg'lık KKT arabalı ile 4 ad. 12 Kg'lık (TS 862 EN 3 ve TS 11749 EN 1866'e uygun) portatif KKT yangın söndürücü olmalıdır. LNG tank, teçhizat ve ekipmanlarının bakım, arıza ve tadilatını, kaynak işlerini yapan elemanlar LNG hakkında eğitimli ve bilgili olmalıdır. Bu işlemleri yapan elemanlar sertifikalı ve yetkili olmalı ve yangın güvenlik eğitimi olmalıdır. LNG gazı kullanılmadığı zamanda LNG vanaları kapalı olmalı ve basınç kontrol edilmelidir. Tank basıncı 3 bar'a düşürülmelidir. Asla 5 bar'a çıkarılmamalıdır. Bizim uygulama tankımızda 10 bar'a çıkarılmamalıdır. LNG kaçaklarında donan hattı sıcak su ile çözerek rekor ve diğer işlemler için müdahale edilmelidir. Asla çıplak elle müdahale edilmemelidir. LNG döküntülerinde; KKT yangın söndürücü, kum, toprak veya yüksek konsantrasyonlu sentetik köpük kullanılmalıdır. Acilen yetkililere telefonla haber verilmelidir. LNG gaz kaçaklarında çevredeki ateş kaynakları uzaklaştırılmalı, pulvarize suyla ortamdaki gazın konsantrasyonunu dağıtılmalıdır. LNG gazına bulaşmış koruyucu elbise ve eldivenler, kıvılcım çıkaran yerlere konmamalı, güvenli yerde çıkarılıp, havalandırılması sağlanmalıdır. LNG yangınında, yangını söndürmek, tank ve tesisatını suyla soğutmak için yangın hidrant hortumları ile müdahale edilmelidir. LNG tesisatında kullanılacak cihaz veya aletler yağdan uzak tutulmalıdır.
ALT DOLUM VANASI ALT DOLUM BAKIM VANASI BASINCLANDIRMA HATTI
7 8
FILITRE REGÜLATÖR
60
9
EVAPARATOR14B
EMNİYET VANASI
MÜŞTERİ KULLAN 10 HAT EMNİYET VANASI «A HATTI 5-G 6-G GAZ FAZI BAKIM VANASI 12 BASINÇ GÖSTERGESİ GAZ ALMA VANASI 11 BASINÇ GÖSTERGESİ VANASI VAKUM BAĞLANTILAR
EMNİYET HATTI 15 14A EMNİYET VANASI 16
VAKUM OLCME VANASI VAKUM EMME AĞZI
Şekil 3.1. LNG otogaz tankı P&I diyagramı
3.1.2 LNG Tankının Kullanımı Şekil 3.1. deki P&I diyagramına sahip LNG Otogaz tankının kullanımı aşağıda tarif edilmektedir. Dolum Sisteme 1 nolu dolum ağzından kreyojenik şartlara dayanıklı hortum bağlantısı yapılır. 2-L ve 3-L vanaları açılır. Otogaz tankımızın basıncı yüksek ise basınç stok tankına alınır. Sistem basıncı dengelenince Stok tankından otogaz tankına likit akışı sağlanır. Tankın tam dolduğu 4 nolu vanadan likit geldiği görülünce dolum durdurulur. 2-L ve 4 nolu vanalar kapatılarak dolum tamamlanmış olur. Tüketim 6-G nolu vanadan sonra regülatöre bağlanarak motora sabit basınçta doğalgazın akışı sağlanır._6-G den Olası likit gelişinde tehlike oluşmaması için 6-G den sonraki borunun 304 veya 304L kalite olması tercih edilmelidir. Bu borudan likit gelmemesi için Tankın gaz fazından alınan çıkış iç tank gövdesinin üzerinde sarılarak likit akışı kesilmiştir. Motora doğalgaz göndermek için 3-L, 5-G ve 6-L vanaları açılmalıdır. Tankın gaz fazından motora doğalgaz gidecektir. 8 nolu regülatör ile Otogaz tankının çalışması istenilen basınç ayarlanır. Sistem basıncı düştüğünde otogaz tankındaki likit 9 nolu evaparatörden geçerek gazlaşacak bu sayede hem tankın basıncını istenilen değere getirecek hemde motor için gerekli doğalgazı elde etmiş olacaktır. İstenilen basınca geldiğinde likit akışını kesecektir. Vakum bağlantıları 15 ve 16 nolu aksesuarlar imalatçı için gerekli olup iki cidar arasındaki havanın vakum edilmesinde ve ölçülmesinde kullanılmaktadır. Kullanılıcı kesinlikle bu aksesuarlara müdahale etmemelidir. Emniyet Ventilleri; Tankın dizayn basıncında set edilmiştir. Tank içerisindeki LNG basıncı arttığında içerisindeki gaz tahliye edilerek tankın patlamasını engellemek için konmuştur. Diğeri ise yedektir. Tank basıncını görmek için ayrıca 1 adet Manometre bağlanmıştır. Şekil
62
Şekil 3.2. LNG tankı imalat projesi
63
3.1.3 İç Tank Gerilme Analizi Gövde Kalınlığının Hesaplanması. (Malzeme 304 L) AD 2000 MERKBLATT B 1/5 Edd. 10.2000 dizayn kodu referans kabul edilerek hesaplanmıştır. İç tankın gövde kalınlığının hesaplandığı AD 2000 MERKBLATT B 1/5 Edd. 10.2000 dizayn kodunun orijinal sayfaları EK.3. Şekil E.9.'da verilmiştir. D xP s =--------- r -------- + c + c2 (3.1) 2 2 0 K/S x v + P 1 Tasarım Kalınlığı Di
P
Hidrostatik Test Kalınlığı : 320 mm : 10.00 bar : 200 N/mm2 : 1.5 :1 : 0 mm : 0 mm Di
P
Dizayn Dizayn
test test
K
S
K
S
v c2
v c1 c2
: 320 mm : 14.30 bar : 200 N/mm2 : 1.1 :1 : 0 mm : 0 mm
20 K/SDizayn X v + PDizayn 2,677
20 K/Stest X v + Ptest : 3,651
Yukarıdaki değerler 3.1 nolu denklemde yerlerine yazıldığında gövde kalınlığı; sdizayn = 1.20 mm stest = 1.26 mm
sseçim = 1.5 mm seçilmiştir. Fakat üreticinin elindeki malzeme 5 mm kalınlığında olduğu için uygulama 5mm göre yapılmıştır [22]. Elipsoidal Bombe Kalınlığının Hesaplanması (Malzeme 304 L) AD 2000 MERKBLATT B 3/8.1.3 Edd. 10.2000 dizayn kodu referans kabul edilerek hesaplanmıştır. İç tankın bombe kalınlığının hesaplandığı AD 2000 MERKBLATT B 3/8.1.3. Edd. 10.2000 dizayn kodunun orijinal sayfaları EK.3. Şekil E.10. ve Şekil E.11. 'da verilmiştir. D xP xB s = —t—■—— + c + c2 (3.2) 2 40K S x v 1
64
Tasarım Kalınlığı Di :
P
200 N/mm2 1.5 1 0 mm 0 mm
Hidrostatik Test Kalınlığı
S
Dizayn
:
test V C1 C2
: : : :
1 0 mm 0 mm 7,273 2.7
K
S
: : : Di 320 mm 10.00 bar Ptest K
40 K/Stest x V ß : mm : 14.30 bar 320
Dizayn
V Cl C2 : :
:
: 200 N/mm2 : 1.1
40 K/SDizayn x v : 5,333.3 ß Süizayn = : 2.7 1,62 mm
İmalatı tamamlanmış ellipsoidal bombenin minimum kalınlığı sseçim = 2 mm seçilmiştir. Fakat üreticinin elindeki bombe 5 mm kalınlığında olduğu için uygulamada 5mm yapılmıştır[22]. Hesap sonuçlarını dikkate alındığında kullanılan malzemeler dizayn kriterlerine uygundur. 3.1.4 Dış Tank Gerilme Analizi İzolasyon için iç tank ile dış tank arasında vakum yapıldığı için dış tank dış basıncın etkisi altındadır. AD-Merkblatt B6-External overpressure Edition, 01.1995 dizayn kodu referans kabul edilerek hesaplanmıştır[22]. Dış tank kalınlığının hesaplandığı AD-Merkblatt B6-External overpressure Edition, 01.1995 dizayn kodunun orijinal sayfaları EK.3. Şekil E.12., Şekil E.13., Şekil E.14. ve Şekil E.15. 'de verilmiştir. E : Elastiklik Modülü 200,000 N/mm2 3 2mm 0mm
Sk : Elastik eğilme içi Emniyet katsayısı se : Dış tank Gövde Kalınlığı c1 : Eksi tolerans
65
c2 : Korozyon ilavesi alınmaktadır.) Da : Dış tank dış çapı L : Eğilme mesafesi v : Poisson oranı u : Out Of Roundness S : Plastik deformasyon içi Emniyet Faktörü 1.6 K : Malzemenin Akma mukavemeti 200N/mm2
0mm(Karbon
çeliği
için 1mm
620mm 656mm 0.3 1.5
Elastik Eğilmenin Hesaplanması Buckling Ridges Sayısı D3 S„ c n = 1.63.4
c
1
(3.3)
2,
Şekil 3.3. den de görüldüğü üzere Buckling Ridges Sayısı olan n tamsayı olmalıdır.
66
Plastik Deformasyonun Hesaplanması 1+ 1
1 - 0,2
1.5w • 100(se - cı - D a • c2) c2 malzeme 304L kalite paslanmaz çelik olduğu için korozyon sabiti 0mm alınmıştır. Dış tank malzeme kalınlığı se 2mm olması halinde veriler 3.3, 3.4, 3.5 ve 3.6 nolu denklemlerde yerlerine yazıldığında n, P ı ve P2 değerleri aşağıdaki gibi bulunur. n=7 P1=1.021 bar
°t}
(3.6)
P2=1.212 bar P1 ve P2 değerleri Atmosfer basıncından büyük olduğu için güvenle kullanılabilir. Üretici elindeki dış tank malzeme kalınlığı 5mm oluğu için se 5mm kullanılmıştır. se 5mm olması halinde veriler 3.3, 3.4, 3.5 ve 3.6 nolu denklemlerde yerlerine yazıldığında Z, n, P 1 ve P2 değerleri aşağıdaki gibi bulunur. n=5 P1=10.099 bar P2=6.179 bar
P1 ve P2 değerleri Atmosfer basıncından büyük olduğu için güvenle kullanılabilir. Dış tankın ağırlığı 82 kg olup, yeterli kalınlık olan 2 mm den yapılsaydı 33 kg olacaktı.
67
3.1.5 Termodinamik Analiz:
t :5 mm t :5 mm
430 mm
101 mm
Şekil 3.4. Uygulanan iç tank ebatları
Şekil 3.4. deki ebatlar dikkate alındığında ; Tankın iç hacmi : 42.9 lt İç tankın ağırlığı : 27 kg (304L Kalite CrNi ) İç tank 1,5mm gövde 2mm bombe kalınlığında imal edilseydi, 9 kg olacaktı, Tank dış hacmi : 46.3 lt olarak hesaplanmaktadır. Yukarıdaki LNG taşıma tankına 0.5 bar gösterge basıncında 15.89 kg likit gazla dolum yapılmıştır. Botaş verileri dikkate alındığında LNG nin içeriğinin ortalama %90'nı CH 4 oluşturmaktadır.
Hesaplamalarımızda CH4'ün termodinamik özelliklerini referans alacağız. [24,27] V 42 9 [ lt] 11 v = —— = = 0.0027 m 3 /kg (3.7) m[ kg] 15.89[kg]
S
V
'
Not: Hesaplamalar Termodinamiğin "Reaksiyona girmeyen hareketsiz kapalı sistemlerin faz dengesi; tek karışımlı çift fazlı sistemler" kabulü ile yapılmıştır. 0.5 bar dolum anındaki CH4'ün özellikleri: Pmutlak=1.5 bar basıncında CH4 için termodinamik özellikleri Tablo 3.1.'den; Tsat=117 K
68
v f = 0.002412 m3/kg
v g = 0.37366 m3/kg
h f =-267.73 kj/kg hgg = 500.15 kj/kg hg = 232.43 kj/kg
Şekil 3.5. deki grafik dikkate alınarak kuruluk derecesi aşağıdaki şekilde hesaplanır. Basınç - Özgül hacim diyagram P[kPa] Şekil 3.5. Basınç - Özgül hacim [25]
P
v - v f 0.0027 0.002412 n,nn„„ x = ------- — = ----------------------------- = 0.000 vg - v f 0.37366 0.002412
h vf v vg v [m3/kg]
= h f + x • hgg =-267.73 + 0.00077• 500.15 kj/kg h = 267.34kj / kg Bu kuruluk derecesindeki gaz fazının kütlesi: m g = x • m = 0.00077 15.89 = 12.31x10"3 kg Bu kuruluk derecesindeki buharın hacmi: Vg = m g • v g = 12.31x10-3 • 0.37366 = 4.603 x10-3m3
69
Gibbs fonksiyonu: g f = h f - T • S f =-267.73 -117 • 5.1558 =-870.95kj/kg g g = h g - T • S g = 232.43 -117 • 9.4307 =-870.96kj /kg
Görüldüğü gibi sıvı-buhar dengededir. (gf = gg) Bu basınçtaki doluluk oranı: = V L = 42 9 x10-3 - 4 603 x 10-3 = %89.27
5
VT
42.9 x10-3
İç enerji: U15 = h - P1 • v1 =-267.37-150 • 0.0027 = -267.747kj / kg Aynı tanktaki ürün tüketilmeden çevreden aldığı ısıyla 1.5 bar basınca ulaştığı andaki CH 4'ün özellikleri: Pmutlak =2.5 bar basıncında CH4 için termodinamik özellikleri Tablo 3.1.'den; T sat=124K v f = 0.002476 m3/kg v g = 0.23731 m3/kg
h f =-242.73 kj/kg hgg = 485.42 kj/kg hg = 242.69 kj/kg
Kuruluk derecesi:
x = v- v^ = 0.0027 - 0002476 = 0.00095 = o%0.095 v g - v f 0.002476
0.23731 -
h = h f + x • h f g =-242.73 + 0.00095 • 485.42 kj/kg h = 242.26 kj /kg
Bu kuruluk derecesindeki buhar kütlesi: mg = x• m = 0.00095 • 15.89 = 15.14 x 10 3kg Bu kuruluk derecesindeki buharın hacmi: Vg = m g • vg = 15.14 x 10-3 • 0.23731 = 3.59 x 10-3m3
70
Gibbs fonksiyonu: g f = h f - T • S f =-242.73 -124 • 5.3614 =-907.54kj/kg g g = hg - T • S g = 242.69 -124 • 9.276 =-907.53kj/kg
Görüldüğü gibi sıvı-buhar karışımı dengededir. (gf = gg) Bu basınçtaki doluluk oranı: F = VL = 42.9 VT x1 9
8
1500
2000 2500 Motor Devri [d/dak]
3000
Şekil 4.11.Motor devrine bağlı özgül yakıt tüketimi ile fren verimi değişimi Şekil 4.12. incelendiğinde krank mili açısına bağlı olarak basınç değerlerinde artış gözlenmiştir. Devir sayısındaki artış silindirdeki basıncın artmasına neden olmaktadır. Aynı devir sayılarında farklı hava fazlalık katsayısına göre kıyaslandığında hava fazlalık katsayısındaki artışa bağlı olarak basınçta düşme görülmektedir.
50 45
d/dk 1450 1500 1500 2000 -
HFK 1.042 1.067 1.087 1.010
'c /j m
5
680 720 Krank Mili Acisi 40 35 30
800
94
25 20 15 10
Şekil 4.12. Krank mili açısına bağlı farlı devirlerdeki basınç değişimi
95
4.5. LNG ve Çevre Etkisi Motorin, Benzin gibi petrol yakıtları kurşun, benzen, sülfür ve aromatik hidrokarbonlar gibi kirleticiler içermektedir. LNG Tablo 2.2'deki analize bakıldığında bunların hiç birini içermemektedir. Aynı zamanda C/H oranı petrol yakıtlarına göre çok düşük olduğundan CO 2 emisyonlarında azalma olmaktadır. Dizel motorlarında NOx ve HC emisyonlarında azalmalar, benzin motorlarında da CO ve HC emisyonlarında azalmalar görülmektedir. Motorlu taşıtlarda yakıt olarak LNG kullanılmasıyla egzoz emisyonlarında azalmalar olmaktadır. Hava kirliliğinde motorlu taşıtların payının fazlalaşması, egzoz emisyonlarındaki zehirli gazların azalmalarını temin eden LNG kullanmanın önemini ortaya çıkarmaktadır. LNG gaz fazında yanma hücresinde yer aldığı için hava yakıt karışımı benzin gibi sıvı yakıtlara göre daha iyi yanma göstermektedir. İyi yanmanın sonucu olarak da HC miktarının motorda benzine kıyasla daha az çıkması, yanma veriminin de LNG yakıtlı motorlar da daha iyi oluşmasını sağlamaktadır. LNG hava kirliliğine neden olan kirletici madde içeriği düşük olduğundan, tehlikeli birincil emisyonların (benzen, kurşun, NOx, SO4 ve partikül) atılması önlenir.
BÖLÜM 5 5.1. Sonuçların İrdelenmesi 5.1.1.
Sonuç ve Öneriler Bu çalışmada, alternatif bir yakıt olan doğalgazın araçlarda kullanılırken LNG olarak depolanmasının getireceği sonuçlar üzerinde durulmuştur. 42,9lt iç hacmine sahip depodaki LNG 50lt hacminde ve 200 bardaki CNG den 2,3 kat enerji eşdeğerine sahip olup, Yakıt olarak LNG kullanan araçlar CNG kullanan araçlardan yaklaşık olarak 2.3 kat daha menzile sahiptir. LNG taşıması yapan kamyon veya çekicilerde gaz fazından alınan taşıma tankının gaz fazından LNG alınarak araçlarda kullanılabilirliği şu aşamada uygundur. Bu taşıtların Botaş Marmara Ereğlisi Dolum tesisinden aldığı LNG'yi Hatay, Diyarbakır, Trabzon vb. uzak mesafedeki tüketim noktalarında taşımaları dikkate alındığında kamyon ve çekicilerde uygulanmalıdır. İzolasyon kalınlığından ve vana grubundan kaynaklanan dış ebatları üzerinde çalışmalar yapılarak otomobillerde kullanılabilir bir boyuta getirilmelidir. Vana grubu üzerinde çalışılarak otogaz için daha kullanışlı olacak multiblok bir vana geliştirilmelidir. Şuan LNG'nin ikmali ile ilgili sıkıntılar mevcuttur. Bunu test depomuza LNG ikmali yaparken de yaşadık. Ancak Türkiye'de 2008 yılı sonuna kadar doğalgaz boru hatlarının ulaşmadığı bir çok noktada LNG tüketimi olmuştur. Bu bölgelere doğalgaz geldikçe buradaki LNG stok tankları atıl duruma gelmektedir. Önümüzdeki yıllarda bu tanklar LNG Otogaz istasyonlarında kullanılabilir. Dolayısı ile bedeli yaklaşık 200,000,000 Euro üzerinde olan bu yatırım hem değerlendirilmiş olur hem de LNG otogaz istasyonlarının hızla yaygınlaşması sağlanır.
97
Tankın imalatında hesaplarda bulunan kalınlıklardaki saclar kullanıldığında tank daha hafif olacaktır. LNG özgül yakıt tüketim değerlerine göre, benzin ile kıyaslandığında çok daha ekonomik bir yakıttır. LNG'nin oktan sayısının yüksek olması ve hava-yakıt karışımını çok iyi sağlanması, özgül yakıt tüketim değerlerinin düşük olmasında önemli rol oynar. Yanma sırasında, LNG birim kütlesinde daha fazla enerji verebilmesi, yanma olayını ideal şartlara biraz daha yaklaştırır bunun sonucu oluşan artık gaz miktarlarının da azalmasını sağlar. Taşıtların egzozlarından bilhassa benzin ve dizel yakıtlı motorlu taşıtlarınkinden karbon monoksit hidrokarbon ve azot bileşikleri ve parçacıkların meydana getirdiği çevre sorunları, bir çok şehirde ciddi boyutlara ulaşmıştır. Milyonlarca taşıttan kükürt dioksit, kurşun gibi tehlikeli maddelerinde atmosfere yayıldığını düşünürsek çevreye verilen zararın boyutunu da kolaylıkla anlayabiliriz. Bu nedenle motorlu taşıt egzoz gazlarından kaynaklanan hava kirliliği kalıcı önlemleri gerektiren acil çevre sorunu haline gelmiştir. LNG; şuan temininde sıkıntı olsa da, hava kirliğine neden olan egzoz emisyonlarının az olması, konvansiyonel yakıtlara göre ekonomik olması gibi üstünlükleri sebebiyle gelecekte içten yanmalı motorlarda, yaygın olarak kullanılacak alternatif bir yakıt olarak görülmektedir. Buda bizler için solunacak daha temiz bir hava, daha yeşil bir çevre ve yaşlı dünyamızın ömrünü uzatması demektir.
98
KAYNAKLAR
1.
Aydın, K., Karadurmuş, Z., 1997, "Metil Alkol Benzin Karışımlarının Benzinli Motorlarda Performans ve Emisyona Etkisi", 1. Uluslararası Katılımlı Otomotiv Teknolojisi Kongresi, Çukurova Üniversitesi, Adana.
2.
Batmaz, I., İçingür, Y., 1998, "Motorlu Taşıtlarda LPG Kullanımı ve Birinci Kuşak LPG Sistemlerinin Performans ve Emisyonlarının Analizi", Teknoloji Dergisi Zonguldak K.Ü. Karabük Tek. Eğt. Fak. Dergisi, Sayı 1, Karabük.
3. 4.
Anonymous, 1997, "Yıllık Raporu", Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı, Ankara. Çelik, M.B., 1994, "Metanol-Benzin Karışımlarının Motor Performansına ve Egzos Emisyonlarına Etkisi", G.Ü. Fen Bil. Ens. Yük. Lisans Tezi, Ankara
5.
Karamustafaoğlu, F., 1990, "Alkollü Benzinlerin Alternatif Motor Yakıtı Olarak Değerlendirilmesi", I.T.Ü. Fen Bilimleri Ens. Doktora Tezi.
6.
Wyman, C.E. 2004. Ethanol Fuel. In: Cutler J. Cleveland (Ed.), Encyclopedia of Energy. Elsevier Inc., New York, pp. 541-555, OP2176480X.
7.
Acaroğlu, M., Oğuz, H., Unaldı, M. 2004. Türkiye için alternatif bir yakıt: Biyoetanolun yakıt olarak kullanımı ve emisyon değerleri. 2004 biyoenerji sempozyumu (20-22 Ekim 2004), İzmir.
8. 9. 10.
Knowles, D., 1984, Alternative Fuels.Reston Publishing Company Inc. .Virginia. Thiring, R.H., "Alternative Fuels For Spark Ignition Engines", SAE, 831685. Arslan, E., Soruşbay, C, 1989, "Hidrojenin Binek Otomobillerde Kullanımı ve Depolama Yöntemleri", İkinci Otomotiv ve Yan Sanayi Sempozyumu 1. Özel Sayısı.
11.
Soruştay C., Arslan E., Hidrojen Yakıtlı İçten Yanmalı Motorlarda Yanma Performansı, Mühendis ve Makine Dergisi Cilt 29 Sayı 339 (1998)
12. 13.
Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü. http://www.eie.gov.tr/biyodizel/index_biyodizel.html.
99
14.
Salman, M.S., Batmaz, I., 1998, "Sıvılaştırılmış Petrol Gazı Kullanan Taşıtlarda Performans ve Emisyonlar", G.Ü. Tek. Eğit. Fak. Politeknik Dergisi Cilt 1, Sayı 1-2, Ankara.
15.
İçingür, Y., Salman, M.S., Batmaz, I., 1998, "Taşıtlarda LPG Kullanımı", S.Ü.Tek.Eğt.Fak. Taşıtlarda Yakıt Olarak LPG Kullanımı Paneli, Konya.
16.
Çetinkaya, S., 1998, "Taşıtlarda LPG Kullanımı", S.Ü.Tek.Eğt.Fak. Taşıtlarda Yakıt Olarak LPG Kullanımı Paneli,Konya.
17. 18. 19.
M. Fatih Baltacı ve Enes Tosyalı, 1.İzmir Doğal Gaz Günleri, 13-15 Aralık 2002. Ankara MMO, CNG Kurs Notları 2003 Ankara Ergeneman M., Soruşbay C., Doğal Gazın İçten Yanmalı Motorlarda Kullanımı, Doğal Gaz Dergisi Sayı 6 (1990)
20. 21. 22. 23. 24. 25.
Dünya Enerji Konferansı Türk Milli Komitesi Yayını, 1991 Enerji Raporu (1993) ASHRAE Refrigiration Handbook SI Edition, Chapter 38, Cryogenics, 1998 AD 2000 Code, Vd-TÜV Heymans, 2006 Megyesy, Eugene F., Pressure Vessel Handbook 13th Edition, , Pressure Vessel Publication Inc., 2004 Uztuğ E., Basınçlı Kaplar El Kitabı, MMO, 2003 Stewart, R., Jacobsen,R., "Thermodynamic Properties of Refrigerants", American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) Inc., 1986
26.
Çengel,Y., Boles, M., "Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik", McGraw-Hill Literatür, İstanbul 1996
27. 28. 29.
Isısan A.Ş.Kayseri, Kreyojenik Tanklar, Teknik Büro Arşivleri, 2008 İpragaz A.Ş., İstanbul, http://www.ipragaz.com.tr/dokme-lng.asp, Ocak 2009 Çeper, B., 2009, "Hidrojen-Doğalgaz Karışımlarının İçten Yanmalı Motorlarda Kullanılması", Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Ens. Doktora Tezi.
Şekil E.1. Dış tank bombe pullarının kesilerek sıvamaya hazırlanmış hali.
104
MALZEME LİSTESİ
P.N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DIŞ TANK GÖVDE SACI DIŞ TANK BOMBE SACI İÇ TANK GÖVDE SACI İÇ TANK BOMBE SACI İÇ AYAK DABLİNİ İÇ AYAK BİLEZİĞİ TEFLON NOZUL BORU EMNİYET VALFİ MANOMETRE MANOMETRE VANASI GAZ ALMA VANASI GAZ ALMA YEDEK VANASI ALT DOLUM VANASI ALT DOLUM YEDEK VANASI DOLUM AĞZI FİLTRE REGÜLATÖR EVAPORATÖR VAKUM ÖLÇME VANASI 4 Ad. 1 2 1 2 8 8 8 4 ÖLÇÜ 1938x656x2 mm 0742x2 mm 430x990x1,5 mm 0424x2 mm 080x3 mm 056x050 mm 050x025x144 mm STANDART 1.4307 1.4307 1.4307 1.4307 1.4307 1.4307
t :1,5 mm
2" 2" 2" 2"
2"
1.4307 1.4307
101
430 ELİPTİK BOMBE t :2 mm
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
2" 2" 2" 2"
DİZAYN DEĞERLERİ
DİZAYN KODU DİZAYN BASINCI ÇALIŞMA BASINCI TEST BASINCI DİZAYN SICAKLIĞI ÇALIŞMA SICAKLIĞI AD 2000 10 BAR 5-6 BAR 14.3 BAR +49/-196 °C +49/-196 °C DEPOLANACAK ÜRÜN KAPASİTE KOROZYON KAYNAK FAKTÖRÜ İZOLASYON LNG 40 lt. 0 1 CRYOLITE+VAKUM
DESIGNED BY / TASARLAYAN
Mehmet Ali BEKTUR TARİH ÇİZEN DRAWN KONTROL CONTROL ONAY APPROVED BY İMZA
TANIM / DESCRIPTION
40 İt LNG ARAÇ OTOGAZ TANKI
OKTAY İNTİZAMOĞLU ADNAN PEKMEZ Mehmet Ali BEKTUR
PRESSURE VESSEL TURKLOYDU NO RESİM NO DRAWING NO
40 lt.
Şekil E.7. İmalat projesinin malzeme listesi ve dizayn değerleri
105
EK.2. Metanın Basınç-Entalpi Diyagramı
Şekil E.8 Metanın Basınç-Entalpi diyagramı [21]
106
EK.3. AD 2000-Merkblatt Dizayn Kodunun Tezde Kullanılan Sayfaları İç tank gövde ve bombeleri ile dış tank gövde ve bombelerinin dizaynında kullanılan AD 2000Merkblatt standardının ilgili bölümleri Şekil E.9, Şekil E.10., Şekil E.11., Şekil E.12., Şekil E.13., Şekil E.14. ve Şekil E.15.'de verilmiştir.
AD 2000-Merkblatt
Page 2 AD 2000-MerkM an B 1 , 10 2000 edition
5 Calculation
The required wall thickness s is, in the case ol cylindrical shells s = — ------------------- t 20— ■ v + p
Cl + Ci (2)
6.3
For exceptional cases see clause 10 of AD 2000-Merkblatt B 0.
6.4 In the case of heat-exchanger tubes:). the rninimurn wall thickness may he less than the values stipulated In 6.1 and 6.2.
7 Literature
[1] Class, I., W. JammandE IVeöer: Berechnung der Wanddicke yön innendruckbeanSpnjchten Stahtrohren. VDi-Z 97(1955) No.6, pp 159/67. [2] Schwaig erer, S., and E. Webet: Wanddickenberechnung von Stahlrohren gegen Innendruck; Erläuterungen zu DIN 2413, Ausgabe 1972, TÜ 13 (1972) No.3, pp74' 78. [3] Zelterer, £.. and H. Thiel: Beitrag zur Berechnung von Druckbehältem mit Rlngversteifungen. Die Bautechnik (1967) Vol. 10, pp 353/39. ¡4] Mang, F.: Festigkeits Probleme bei örtlich gestutzten Rohren und Behältern. Rohre-Rohrleitungsbau-Rohrleitungstransport (1970) Vot.4, pp. £07/13, and Vol. 5, PP.267/7B; (1971) Vol.1, pp23/30
or spherical shells s = ----------------------- +0,-1-03 (3) 40—. y + p
6 Minimum wall thickness
For the minimum wall thickness of seamless, welded or brazed cylindrical and spherical shells, the stipulated value is 2 mm.
6.1
6.2 As adevialionfroni6.1.3ortiteiTiintmumwal!thFCknQss In the case of cylindrical and spherical shells made of aluminium and its alloys, the relevant value is 3 mm.
Şekil E.9. AD 2000 Merkblatt B 1/5 Edd. 10.2000 dizayn kodu [22]
107
AD 2000-Merkblatt
Page 2 HQ aXIQ-M&toVI 3 S, (0.2O30 erfiüon cj Hemispherical ends 1,2 (S) 4.3 The safety [actor £ is to be increased by 20% compared with Tables 2 and 3 in AD 2000-Merkblatt B 0 for all verifications involving external pressure: the values for grey cast iron and cast bronze are exceptions. 4.4 Verification o( the crown against plastic instability is canied out with a safety factor S as specified in Section 4.3 but a minimum value of 2,4 is to be used.
2 General
2.1 This AD 2000-Mertctlatt shall only be used in conjunction with AD 2000-Merkblatt B 0.
2.2
The length of the cylindrical part is: /?-] ^ 3,5 s (9) ends cimensions />, need a not 3,0 be s (10) exceeded:
a) for torispherical ends b) for However, semi-ellipsoidal the following
5
Percentage of permissible design stress level in joints
Wall thickness
Length of cylindrical part
In addition to the rules in AD 2000-Merkblart B Othefollowing applies: i/ = 1,0 may be applied if the scope of testing corresponds to that specified for a design stress level equal to the permissible design stress level or in the case of one-piece ends i/ = 1,0 may also be applied In tne case of welded domed ends - except hemispherical ends-regardless of the scope of testing provided the weld intersects the crown area of 0,6 Dn, see Figs, 5 and 6 (left-hand side).
150 mm 120 mm 100 mm 75 mm 50 No cylindrical part is required in the case of hemispherical mm ends. up to 50 mm over 50 mm up to 80 mm aver 80 mm upta 100 mm over 100 mm up to 120 mm over 120 mm 2.3 Deviating From Section 2.2, the cylindrical parts may be shorter provided that the circumferential joint between the domed end and the cylinder shell is nan-destructively tested in the same way as a fully stressed but! weld with 100% utilisation of the permissible design stress in accordance with AD 2000-Merkblatt HP 0. Z.4 If a domed end is welded together from crown and knuckle components, the joint shall be at a sufficient distance from the knuckle. The distance regarded as sufficient is as follows: a) Crown and knuckle are of different wall thickness:
6
Weakening due to openings
Depending on their location in the knuckle OF crown, openings are to be taken into account differently in accordance with Section S.
7
Allowances
x = 0,5 V'fi (S-C,-Cj) (11) where s is the required wall thickness of the knuckle, b) The crown and knuckle are of equal wall thickness fortorispherical ends farsemi-ellipsoidalends s = 3,5 s [12) x = 3,0s (13)
The allowances given in AD 2000-Mericbiatt B 0 apply. In addition to the rules in AD 2000-Merkblatt B0, the wall under-thicknesses given in DIN 2S011 and DIN 23013 are also to be considered.
8
Calculation
8.1 Internal pressure 8.1.1 Crown and hemisphere
wlthaminfmum.however,ofat!east100mm(seeFig.3).
3
Symbols and units
The wall thickness of the crown at domed ends and of hemispherical ends shall be determined according to equation (3) in AD 2000Merkblatt B 1 where Da = 2 (fl + sj. 8.1.2 Openings in crown or hemisphere
In addition to the stipulations in AD 2000-Merkblatt B 0, the following applies: r inner knuckle radius in mm
4
Safety factor
If openings are in the crown area 0.6 of torispherical or semi-ellipsoidal ends, Fig, 2, or in the entire area of hemispherical ends, iheir reinforcement shall satisfy AD 2000-Merkblatt B 9, Where disc-shaped reinforcement is used the edge of the disc shall not extend beyond the area of 0,8 Oa in the case of torispherical ends or 0,7 D~ in the case Of semi-ellipsoidal ends. 8.1.3 Knuckle and hemisphere connection
4.1 The safety factors are given in Tables 2 and 3 of Section 7 of AD 2000-Merkblatt B 0 Deviating from these Tables, for grey cast iron the following applies: a) unannealed 7,0 b) annealed or enamelled 6,0. 4.2 The safety factor SK against elastic buckling of the end under external pressure shall be calculated using Formula (14). SK = 3 +■ 0,002 (14)
The required wall thickness of knuckles and hemisphere connections shall be calculated according to equation (15). (15)
I f a tes t press ure h i g her mart 1.3 p is s pecif ied. the safety factor
Si at the test pressure shall no! be less than the value 22 Si = S* ■ ~=
The design factors shall be taken from Fig. 7 for knuckles of torispherical ends and from Fig. 3 For knuckles of semi-eliipsoidal ends as a function of:
fl
s. — c , — c.
Şekil E.10. AD 2000 Merkblatt B 3/8.1.3 Edd. 10.2000 dizayn kodu [22]
108
Şekil E.11. AD 2000 Merkblatt B 3/8.1.3 Edd. 10.2000 dizayn kodu [22]
109
UÛC 621.642-98.001.24:62-213.6-434.1
Design of Pressure Vessels
Edition January 1995
Cylindrical shells subjected to external overpressure
AD-Merkblatt
B6
The AD-Merkb lätter are compiled by trie seven trade associations specified b elow who together form the "Arbeitsgemeinschaft Druck behälter" (ADJ. AD-Merkblatt Ö T covers the composition end app lication ol AO -Regulations and also procedural guidelines. The AD-M erkblatter contain safety requirements which must be adopted lor normal op erating conditions. In the event olload ings exceeding the norma/ level expected during the op eration of pressure vessels, allowance shall be made for such loadings by meeting special requirements. Should there be any deviations from the provisions of this AD -Merkb latt, it must be possib le to demonstrate tha t the safety stand ard s embodied in these regulations have been observed by other means, e.g . testing el materials, experiments, stress analysis, ope rating experience, Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsb au e.V. (FDBRj, Düsseldorf Hauptverband der gewerb lichen Berufsgenossenschaften e.V., Sankt Atigustin Verband der Chemischen Industrie e.V. (VCI), FrankturtlMain Verband Deutscher Maschinen - und Anlagenbau e.V. (VDMA), Fachg emeinschatt Verfahrenstechnische Maschinen und Apparate, Frankfurt/M ain Verein Deutscher Eisenhüttenteute (VDEh), Düsseldorf VGB Technische Vereinigung der GrüBkraftwerksbetreiber e.V., Essen Verband der Technischen Übctrwaohungs -Vereine e.V. (VdTÜV), Essen. The AD-Merkblätter are amend ed continuously by the trade associat ions to keep with the state-of-the-art. Relevant proposals should ba addressed to the publisher: Verband der Technischen Ob erwachungs -Vereine e.V., P.O. Box 103334, D^fSOSS Essen.
Contents
1 Scope
2 General 3 Symbols and units 4 Safety factor 5 Exploitation of the permissible design stress in welded joints
6 Weakenings 7 Calculation S Minimum wall thickness 9 Literature Appendix 1: Explanations
1 Scope
The design rules below apply to smooth cylindrical shells serving as shells of pressure vessels and to tubes subjected to external pressure having a D j D r ratio s 1,2. In the case of tubes with D B £ 200 mm they apply furthermore up to a ratio D J D i = 1,7. The cylindrical shells may be reinforced or unenforced, The pressure must act over the entire perlphery.'Addiiional account must be taken, e.g. in accordance with [10], of axial loads which are higher than those attributable to the external overpressure.
3 Symbols and units
In addition to AD-Merkblatt B 0 the following applies: double taper length in mm
;
L a U 0 a
length of cylinder between effective reinforcements (buckling length) supporting shell length elastic buckling pressure ol stiffening in this context: flattening out-of-roundness auxiliary calculation quantity auxiliary calculation quantity in mm in mm in bar in mrn in %
2 General
2.1 This AD-Merkblatt shall only ba used in conjunction with ADMerkblatt B 0. In the case of heat-exchanger tubes, except where special agreements are reached between manufacturer and operator, the margin to be allowed for thinning is c2 = 0. 2.2 In the case of pressure vessels made of grey iron, the performance of design calculations for internal pressure using the safety factors given in Table 1 Is sufficient, for which purpose the external overpressure is substituted for the internal pressure.
-
4.1 The coefficients of safety for plastic deformation are given in Table 1. The coefficient of safety S' at the test pressure is given in ADMerkblatt B 0. 4.2 The safety factor for elastic buckling, irrespective of the material, is SK = 3,0 and is valid for u s 1,5%, with u being determined in accordance with Section 7.3.4. In the case of u > 1,5%, SK = 2,25 + 0,5 u. Where a testing pressure greater than 1,3 p is stipulated, S£ must be at least 2,2 S«/3.
4 Safety factor
Supersedes Edition November 1992; | = Amendments to previous Edition
7.3,4 For the out-of-roundness u expressed in %, the following equations
Pipe bends are not considered effective stiffening [9], Similarly compensators are not usually regarded as effective stiffening. Due to the absence of support at this side of the cylinder shell, formulae (1), (4), (5) and (6) do not apply. Such cylinder shells can be conservatively calculated using formula (3). Page 3 AD-MeTkblall B 5, Edition 01.95 are applicable: where the circumference is oval:
■ 100
7.2 Design calculations for elastic buckling 7.2.1 Calculations are performed using equation (1), with Z = 0,5 and a) n Integral b) n S 2 c) n > Z so determined that the value for p, is a minimum, n denotes the number of ridges produced by the buckling process which may occur at the periphery in the event of failure. The number of buckling ridges can be estimated using the following approximation equation [5]:
Fig. 9. Flattening q The maximum and minimum diameters D\ msi and min are governed by the manufacturing conditions (for permissible degress of out-of-roundness, see AD-Merkblatt HP 1). For tubes/pipes, the out-of-roundness can be determined using equation (7) with the maximum and minimum external diameter. The diameters are obtained from the Technical Supply Conditions (Technische Lieferbedingungen) stipulated in the Standards.
n = 1,63
Î2:
y '2 («•7.2.2 calculations shall be performed using equation (1).
-c 7 )
The required wall thicknesss can also be determined for dimensions commonly employed using Fig. 6. This illustration is valid for a poisson's ratio of v = 0,3. For poisson's ratios which differ appreciably,
7.4 Stiffeners 7.4.1 Sealing ends, such as externally domed ends or heat-exchanger ends for example, that are mutually anchored by the tubes and shell may be regarded as effective stiffeners. This also applies to the designs in Figs. 2 and 3 If the conditions in equations (9) and (10) are satisfied in conjunction which equations (11) and (12). In order to determine geometrical quantities Am, Wm and Jm (see Figs. 2 and 3), the supporting shell width l m must first be determined using equation (12). The geometrical moment of inertia ! m and the section modulus W„ are to be referred to the centre-of-gravity axis of the cross section that is parallel to the Shell axis (see x-x axis in Figs. 2 and 3) which consists of the cross section of the stiffener and the supporting part of the shell of length l m . Dm is the relevant centre-of-gravity diameter.
7.2.3
For tubes/pipes, calculations can also be performed using
equation (3):
20 Pi =1T
SK 1
{ o.j
5,
¡3}
7.3 Design calculations for plastic deformation 7.3.1 For equation (4) is applicable;
M)
20 ■ K s.~ci ~cg ______________________ 1 _______
Pi =
1
, S u - ^1 —0,2
■ D,
100 [ S g - C f - C g j p - ;m ■ D„ | P - I D ,
______________________ u K
7.3.2
For commonly employed dimensionsand with an out-ofroundness of u = 1,5%, the required wall thicknesss can be determined directly with the aid of Fig. 7. For the case of tubes/pipes where the out-of-roundness is greater, the required wall thickness s can also be determined as a simplification using Fig. 8.
20 ■ An " 8000 • Wm 1 - S K ■ p/p„ S
240 £ - U
(10)
(11)
7.3.3
For DJl > 5, the higher pressure obtained using equations (5) and (B) is the determining factor for the establishment of the permissible service overpressure.
(1-r< ) - ( D k -a. + e1 + C ^ - 0 * - l and fm = t)m + b
= 1,1 ■
J D * ■ [s - c, - cj + b (12) e 20 K s9 ~ Ci Ps = n - 30 if
(5)
where p, -
whereby a length exceeding length (must not be used forthe length /m which is also carrying the load. The strength characteristic value of the stiffening ring is to be used for K. Narrow, high stiffeners as shown in Fig. 2 may buckle; the height of the
