Yakıtlar ve Yanma

7/15/2019 Yakıtlar ve Yanma

http://slidepdf.com/reader/full/yakitlar-ve-yanma-563280e02dc2a 1/20

Yak ıtlar ve yanma

Gemi Makinalar ı-OSS-1/20

Yak ıtlar

İçten yanmalı makinalarda kullanılan yak ıtlar üç grubu da kapsar; bunlar; gaz, sıvı ve katıdır.Gaz yak ıtlar , doğal gaz, hava gazı, LPG, vs dir. S ıvı yak ıtlar , çoğunlukla ham petroldenüretilir. Bu gruptaki en önemliler benzin ve fuel-oil' dir. Gaz yağı ve kerosen ikinci sırayı alır.Hububat veya ağaçlardan elde edilen alkol gelecek için potansiyel vaadetmesine rağmengünümüzde yaygın olarak kullanılmaz. Bütün sıvı yak ıtlar, iki ana gruba ayr ılır:

• buharlaşan ve gaz yak ıtlar gibi kullanılan sıvı yak ıtlar, benzin ve alkol bu grubun başlıcalar ıdır.

• yanma odasına enjekte edilen sıvılar, farklı karakterlerde olan fuel-oil ler.

Kat ı yak ıtlar , kömür, kok kömürü yak ın zamana kadar gaz üreticilerinde kullanılmıştır.Sık ıştırma-ateşleme makinalar ında, kömürü pülvarize edilerek yak ılmasının temin edilmesi

problemlerine araştırmalarla pratik bir çözüme getirilmeye çalışılmıştır. Burada ana sorunsilindir gömleklerinde ve piston segmanlar ındaki aşınma konusudur.

Kompozisyon

Bütün yak ıtlarda iki ana yanıcı eleman karbon ve hidrojendir. Birlikte veya ayr ı ayr ı bulunabilirler ve hidrokarbonlar olarak adlandır ılırlar. Atmosfer sıcaklığı ve basıncında bazı

hidrokarbonlar gaz halinde olduğu gibi, bazılar ı sıvı halde olabilirler. Hidrokarbonlar içingenel kimyasal formül CnHm olarak gösterilir.

Hidrokarbonlar ın ana tipleri:

parafinler CnH2n+2

olefinler ve naftenler CnH2n

diolefinler CnH2n-2

aromatikler CnH2n-6

asfaltikler CnH2n-4

İçten yanmalı makinalar için yak ıtlarda n, 1-26 aralığında, m, 2-54 aralığında değişir.

Madeni ya ğ lar ın kimyasal kompozisyonu

Madeni yağlar birçok farklı hidrokarbon bileşiklerinin karmaşık yapıdaki bir kar ışımıdır.Oluşumlar ı büyük bir olasılıkla hayvan ve bitki fosillerinden tarih öncesi çağlarda olmuştur.Bu maddelerin yaşlar ı ve ham petrole dönüşme koşullar ı çok farklı olmuştur, ve bu, değişik sahalardaki petrolün ayır ıcı özelliklerini açıklamaktadır. Düşük moleküllü sıvı ve katıürünlerin tabiatındaki farklılıklar, molekül büyüklükleri ve karbon ve hidrojen atomlar ının

bağlanma şekilleri ile açıklanır. Çok sayıda kimyasal bileşikler, benzer özellikteki gruplar halinde toplanabilir. Molekül yapılar ına göre ayırt edilen hidrokarbonlar şunlardır:

• Düz ve dallı zincir yapısı gösteren parafinik hidrokarbonlar • Halka yapılı naftenik hidrokarbonlar • Halka yapılı aromatik hidrokarbonlar

Bu hidrokarbonlardan başka, olefinler olarak bilinen doymamış bağlı hidrokarbonlar, sülfür ve azot içeren bileşikler vardır.



Yak ıtlar ve yanma


Madeni yağlar ın ana k ısmı karbon, C ve hidrojen, H bileşikleri olan hidrokarbonlardır.Karbon atomu reaksiyonlar için 4 değerliklidir ve diğer kimyasal elementlerden farklı olarak kendi atomlar ı ile de reaksiyona girerek birçok organik bileşik oluşturabilir. Hidrojeninsadece tek değerliği vardır. En basit hidrokarbon bileşiği metan, CH4, ‘dır.Metan gazhalindedir ve doğal gazın büyük bir k ısmını oluşturur. En basit zincir bileşik etan, C2H6, ‘dır,

bundan sonra propan, C3H8, gelir. Propan basınç altında düşük sıcaklıklarda sıvı haline gelir.

Burada gösterilen yapı, karbon ile hidrojen arasındaki reaksiyonlara ait bilgi verir. Daha uzun

zincir yapı

lı

parafinik hidrokarbonlar 20

o

C sı

caklı

kta sı

vı

durumdadı

rlar, benzin, kerosen,diesel-yak ıtı, yağlama yağlar ı gibi.

Doymuş ve doymamış hidrokarbonlar birbirlerinden ayırt edilmelidirler. Doymuşhidrokarbonlarda karbon atomunun tüm değerlikleri hidrojen ile bağlanmıştır ve hidrojenveya diğer elementlerle bağlantı mümkün değildir. Çift bağlı karbon zincirli veya karbonhalkalı doymamış hidrokarbonlar, çift bağ yerlerinden çok duyarlı olduklar ı için basınçaltında hidrojen veya oksidasyon ile oksijen atomu ilave edilmesi olanağı verirler.

Diğer bir ayr ıcalık dallı zincir yapıda hidrokarbonlar ın oluşabilmesidir. Bunlar izomerler olarak bilinirler. İzomer hidrokarbonlar aynı sayıda karbon atomu bulunduran düz zincir hidrokarbonlara göre değişik fiziksel ve kimyasal özellikler sergilerler. Yüksek sayıda karbon

atomlu düz zincir hidrokarbonlar katı maddeler olabildiği gibi (parafinler), izomer hidrokarbonlar aynı sayıda karbon atomu taşıdıklar ı halde yağ halinde sıvılar olabilirler.

Halka yapılı hidrokarbonlar grubunda, doymuş naften hidrokarbonlar ve doymamış aromatik hidrokarbonlar vardır. Altı karbon atomlu doymuş basit halka yapılı hidrokarbonasikloheksan, C6H12 ve doymamış basit halka yapılı hidrokarbona benzen, C6H6 örnek verilebilir. Benzen üç çift bağlı karbon yapısı gösterir.

Heksan, izo-heksan ve siklo-heksan aynı sayıda karbon atomu, fakat farklı sayıda hidrojenatomu içerirler ve davranışlar ı birbirlerinden çok farklıdır. Halka yapılı hidrokarbonlar,karbon atomu gibi sülfür ve azot atomlar ı ile de reaksiyon özellikleri gösterirler.

C H

H

H

H

Metan

H

H H

H H

HC C

Etan

H H H

H

H H H

HC C C

Propan

Siklo-heksan, C 6 H 12

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

C

C

H

H

H

H

H

C

C

C

CH

HC

C H

Benzen, C 6 H 6



Yak ıtlar ve yanma


Madeni yağlarda tüm hidrokarbon gruplar ı bulunmaz, ancak bunlar sayısız kimyasal bileşikler ve kar ışımlar oluştururlar. Ağırlıkça farklı bölümleri aşağıdaki aralıktadır:

83.0≈C 15.011.0 −≈ H 06.00 −≈S

Madeni yağlar ı

n bileşimini incelemek, fiziksel karakterleri çok farklı

olmalar ı

na rağmen, çok zordur. Aynı sayıda karbon atomu içeren hidrokarbonlar çok değişik özellikler gösterebilirler.20 karbon atomlu moleküller diesel yak ıtlar ında, 70 veya daha fazla karbon atomlumoleküller yağlama yağlar ında bulunabilir.

Hidrokarbonlar ın bask ın çıkan tipi, yağlara karakteristiklerini verir, parafin bazlı (parafinik),naftenik veya aromatik (asfalt bazlı) gibi. Asfalt bazlı yağlarda aromatik hidrokarbonlar ağırlıktadır. Asfalt bazlı yağlar, parafin bazlı yağlardan daha yüksek karbon atomunuyapılar ında bulundururlar.

Bütün hidrokarbon gruplar ını yapılar ında yaklaşık eşit miktarda bulunduran yağlara kar ışım bazlı yağ denir. Doymamış ve oksijen bulunduran hidrokarbonlar artan sıcaklıklara maruz

kaldıklar ında reçine ve asfaltik maddeler gibi daha büyük moleküllü yapılar oluşturacak şekilde birleşirler. Doymuş parafinik ve naftenik hidrokarbonlarda oksijen bulundurank ısımlar ın polimerizasyonu mümkündür. Ancak, reaksiyon ürünleri yağ reçineleridir ve

bunlar aromatik asfaltenlerden tamamen farklıdır.

Parafinik yağlar, moleküldeki yüksek hidrojen içeriğiyle yüksek bir ateşleme kalitesigösterirler. Böylece parafin bazlı yağlar diesel yak ıtı olarak tercih edilirler, bununla beraber moleküldeki yüksek hidrojen nedeniyle benzinde düşük vuruntu özelliği gösterirler. Düzzincir hidrokarbonlu parafinik yağlarda düşük vuruntu özelliği belirgindir. Distilasyondansonra yeniden yapılanma prosedürleri oktan numarası olarak belirtilen vuruntusınıflandırmasını arttır ırlar. Yeniden yapılandırma moleküldeki hidrojen miktar ınınazaltılmasıdır.

Parafin bazlı yağlar, düşük yoğunluğa sahiptirler ve viskozite-sıcaklık davranışı naftenik yağlardan daha iyidir. Bu avantajlar ve kimyasal stabilite parafinik yağlar ın yağlayıcı olarak kullanılabilmelerini sağlar.

Alkoller zincir hidrokarbonlarla bazı ilişkiler gösterirler. Tek fark, bir veya birden fazlahidrojen atomunun hidroksil, OH, grubu taraf ından değiştirilmesidir. Bu yolla tek veya çok değerlikli alkoller ortaya çıkar, örneğin, metanol (metilalkol) CH3OH ve etanol (etilalkol)C2H5OH. Yukar ıda bahsedilen alkoller madeni yağlarla veya kendi başlar ına ottomotorlar ında yak ıt olarak kullanılmaktadır. Madeni yağ tüketimini azaltmak amacıyla diesel-yak ıtı ile kar ıştır ılmak suretiyle yanıcı madde olarak kullanılmalar ı mümkündür. Alkoller şeker tipi molekülleri olan bitkilerden distilasyon yoluyla elde edilebilirler.

Yağ asitlerinin de zincir hidrokarbonlarla belli ilişkileri vardır. Burada hidroksil grubu,karboksil gruplar ı, COOH ile değiştirilmiştir. Doymuş CnH2n+1COOH ve doymamışCnH2n-1COOH yağ asitleri mevcuttur.

Ham petrolün i şlenmesi

Rafineriye gelen ham petrol su ve tuz içerir. Böylece herhangi bir işlem başlatılmadan önce suve tuz ortamdan çıkar ılmalıdır. Bundan sonra ham petrol distilasyon işlemine, çalışılansıcaklığa bağlı olarak tabi tutulur. Distilasyon kulesinde sıcaklık kulenin altından üstüne

değişik seviyelerdedir. Ham petrolün kuleye girdiği andan itibaren bir k ı

smı

buharlaşı

r ve buhar kulede yükselir. Buhar ın bir k ısmı yoğuşmaz ve kulenin tepesinden gaz olarak alınır.



Yak ıtlar ve yanma


Belirli bir sıcaklıkta yoğuşan gaz bu sıcaklığın ortaya çıktığı seviyeden sıvı halinde kuledenalınır.

Sıvılar, benzin, kerosen, gaz yağı vs’dir. Isıtılmış ham petrolün bir k ısmı hiç buharlaşmaz veatmosferik kulenin altından artık yak ıt olarak alınır. Bu işlemden arta kalan yak ıtın hacmiişleme konan ham petrole bağlıdır. Aşağıdaki tablo atmosferik distilasyonda elde edilendistile ürünler ve artıklar ın yüzde miktarlar ını gösteren bir örnektir.

Ham petrol kaynağı

Arap (hafif) Arap (ağır) Nijerya (hafif) VenezuelaGaz ve benzin %23 %18 %28 %19Gazyağı ve diesel yak ıtı %32 %25 %40 %29Artıklar %45 %57 %32 %52

Günümüze kadar, Avrupa ve uzak doğudaki rafinerilerden sevk edilen atmosferik distilasyon

artıklar ı güç istasyonlar ı için kazan yak ıtlar ı ve buharlı gemilerde, orta ve ağır devirli dieselmotorlar ında ağır fuel-oil olarak kullanıldı. Bu en kolay yak ılabilecek artık yak ıttır. Yanmakarakteristikleri, elde edildiği ham petrole bağlıdır. Ham petrol parafinik/naftenik yapıyasahipse en iyi özellikler var demektir. Aromatik tip ham petrol kullan ılmışsa kolay yanmasağlanamaz. Gereğince ısıtıldığında bu, orta ve düşük devirli makinalarda problem yaratmaz.

Distilasyon kulesinde ham petrolün sıcaklığı ne kadar buharlaşmanın olacağını belirler. Busıcaklık, buharlaşan gaz miktar ını düzenlemekte kullanılabilir. Kulenin üretebileceği distileürünlerin hacmide böylece ayarlanabilir. En yüksek çık ış hidrokarbon zincirlerinin

parçalanmaya başladığı sıcaklığa yaklaşıldığında elde edilir. Bu sıcaklık 370 oC’ dır. Bununla beraber, sıcaklık ham petrol ön ısıtıcısında depozitlerin oluşmasını engellemek için dahadüşük tutulur. Müsaade edilen en yüksek buharlaşma sıcaklığı aynı zamanda distile gaz

yağının sağlanması gerekli kalitesi ile de sınırlıdır.

Hafif distile ürünlerin, benzin, jet-yak ıtlar ı, gaz yağı gibi, talebi en yüksektir. Bu ürünlerintalebindeki artışta en fazladır. Bu ürünlerin maksimum hacimde ekonomik olarak eldeedilmesi ana hedeftir. Teknik olarak atmosferik distilasyon yoluyla hafif ürünlerin istenilenhacimde üretilmesi işlenecek ham petrolün hacminin arttır ılması ile mümkün olabilir. Ancak

bu çok fazla miktarda artık yak ıt elde edilmesine neden olur ve aynı zamanda ekonomik değildir ve enerji kaynaklar ının boşa harcanması demektir. Diğer metodlar atmosferik artıklardan daha fazla hafif ürünler elde etmek için geliştirilmiştir.

Bu işlemin ilk adımı vakumda distilasyondur. Petrolun üzerindeki daha düşük basınç onundaha kolay buharlaşmasına yol açar. Böylece vakum distilasyonu parçalanma sıcaklığının

altında daha fazla distile ürünler verebilir. Vakum distilasyon kulesinde distilasyon ile distileürünlerin artık ürünlere oranı arttır ılır. Vakum distilasyon ile elde edilen artıklar ınviskoziteleri, özellikle ağır ham petrol kullanıldığında, çok yüksek olabilir.

Atmosfer basıncında ve vakumda ham petrolün distilasyonu yüksek miktarda hidrojen ihtivaeden moleküllerin ayr ılması ve düşük miktarda hidrojen ve fazla miktarda karbon ihtiva edenmoleküllerin geride kalması sonucunu doğurur. Atmosferik distilasyon sonucu elde edilenartık yak ıtda daha fazla hidrojen bulunduğunu ve vakum distilasyonuna göre daha kolayyanıcı materyalin geride kaldığı sonucu çıkar ılabilir. Bu, vakum distilasyonu işlemiyleatmosferik distilasyon sonucu olan artık yak ıtın içindeki hidrojenin çıkar ılması nedeniyledir.

Vakum distilasyonu kullanı

lması

halinde dahi distile ürünler için olan talebin kar şı

lanması

mümkün değildir. Daha fazla miktarlarda distile ürünler elde edilmesi için birçok prosesgeliştirilmiştir. Bunlar ın vakum distilasyonundan fark ı petrol moleküllerinin değişikliğe



Yak ıtlar ve yanma


uğratılmasıdır.Oysa yukar ıdaki proseste moleküller ham petrolden ayr ılma yoluyla eldeedilmiştir. Kraking petrol moleküllerinin birbirlerinden ayr ılması anlamına gelir. En çok kullanılan üç kraking prosesi şunlardır:

1. Termo kraking Adından anlaşılacağı üzere, bu yüksek sıcaklıkta parçalanmadır. En eski tip kraking işlemidir ve kömür eldeedilinceye kadar devam ettirilebilir. Bu işlem viskozitek ır ıcıda kullanılır.

2. Termofor katalitik kraking Bu işlemde katalizörler kraking işleminin veriminiyükseltirler. Yalnızca hafif distile ürünler besleme stoğuolarak kullanılabilir.

3. Sıvı katalitik kraking Al2O3 / SiO2 katalizör kullanılır. Bu katalizör çok küçük tanelidir ve neredeyse bir sıvı gibi davranır. Katalizör reaktör boyunca petrolle birlikte sirküle edilir. Ağır vakumdistile ürünleri besleme stoğu olarak kullanılabilir. Ancak artık maddede bir miktar katalizörün bulunmasıkaçınılmazdır.

Geçen yıllarda hidrokraking denilen yeni bir kraking işleminin kullanılması artmıştır. Yatır ımve işletme harcamalar ının çok yüksek olmasıyla birlikte, ürünler çok yüksek kalitededir. Bu,işlemin hidrojen atmosferinde gerçekleştirilmesiyle, kraking ürünlerindeki moleküllerinhidrojen alması nedeniyledir. Bu halde tekrar hidrojenerasyon gereksizdir. Bu işlemneredeyse tüm ham petrolü kullanılabilir hafif ürünlere çevirir. Artıklar çok ağır yak ıtlardır (%5).

Kraking, molekülleri değiştirerek hafif veya ağır kesirli yeni bir sıvı üretir. Bu, yinedistilasyon ile ayr ıştır ılmalıdır. Distilasyon işleminden sonra elde edilen ürünler; parçalanmışgaz, parçalanmış benzin v.s. olarak bilinirler. Bu ürünler atmosferik distilasyon ile elde edilen

ürünlerden daha fazla karbon içerirler, fakat molekül yapılar ı atmosferik distilasyon ile eldeedilen ürünlerin kaynama aralığı ile aynı olacak şekilde değiştirilmiştir. Bu parçalanmışürünler, oksidasyon dengesinin arttır ılması için hidrojenleştirme işlemine tabi tutulmak zorunda olabilir ve hatta sülfür giderme işlemi uygulanabilir.

Kraking işlemi ile ham petrolden yüksek hidrojen içeren daha fazla ürünler elde edilmiştir.Bu, kraking işlemi neticesinde artıklarda daha fazla karbon bulunmasına yol açar. Bu karbonkonsantrasyonu naftenik halkalardan ve parafinik zincirlerden aromatik halkalar ın oluşmasışeklindedir. Kraking işlemi sürerken aromatik halkalar birleşirler ve parçalanmış artıktakonsantrasyonlar ı artar. Bu işlem uzatıldığında, büyük aromatik moleküller dengesiz halegelirler. Bu halde hidrojen oksijen ile reaksiyona girer ve su buhar ı oluşur ve yalnızca karbongeride kalır.

Kraking işleminde artık çok yoğun aromatik yapıdadır ve mekanik olarak iyi durumdaolmayan, çok düşük yanma basınçlı makinalarda yak ılmalar ı zor olabilir. Bu artık, diğer materyallerle kar ıştır ılarak yanma özellikleri arttır ılır.

Vakum distilasyon artıklar ının viskozitesini düşürmek için viskozite k ır ıcı işlemigeliştirilmiştir. Bu esasında bir termokraking işlemidir. Vakum distilasyon artıklar ı geçmişteyol yapımında katran olarak kullanılmıştır. Bu işlemin kullanılmasıyla vakum artıklar ınn fuel-oil olarak değerlendirilmesi mümkün olmuştur. Vakum kulesinden alınan artık, viskozitek ır ıcıda yüksek sıcaklık ve basınca maruz bırak ılır. Materyal parçalanır ve bir miktar distileürün oluşur. Bu ürünün alınması yerine çoğu kar ışımda bırak ılır. Bu düşük viskoziteli

materyal kar ı

şı

mı

n viskozitesini düşürür. Viskozite k ı

r ı

cı

dan elde edilen yak ı

tı

n viskozitesi böylece viskozite k ır ıcıya giren artığın viskozitesinden daha düşüktür. Bununla beraber



Yak ıtlar ve yanma


viskozite k ır ıcıda elde edilen bazı materyalin parlama sıcaklığı çok düşüktür ve bunlar distileedilir. Geride kalan kar ışımın parlama noktası, 60 oC olan yasal limitin üzerinde olmalıdır.

Madeni ya ğ lar ın fiziksel ve kimyasal özellikleri

Yoğunluk ve özgül ağırlık

Bir maddenin yoğunluğu, kütlesinin hacmine oranıdır.

V

m=ρ

Yoğunluk , mililitre başına gram olarak ölçülür. Pratik ölçüm 1 ml = 1 cm3 kullanılarak yapılır. Yoğunluk sıcaklıkla değişir. Madeni yağlar için belirtilen yoğunluk, 15 oC olanreferans sıcaklığa göre verilir.

Özgül ağırlık , ASTM ve API standardlar ında yoğunluk oranıdır; 60 oF (15.56 oC) referanssıcaklıkta araştır ılan madde yoğunluğunun bu sıcaklıktaki suyun yoğunluğuna oranıdır.

Yoğunluk ölçümleri için bir derecenin onda biri mertebesinde bölümlenmiş özeltermometreler kullanılır. Pratikteki ölçümlerde küçük bir ağırlık veya cıva ile dengelenmişsilindirik yüzen cisimler, areometre-spindles, kullanılır. Daha ince olan üst k ısımlar ındayoğunluk için bir ölçek vardır. Areometre, iç çapı en az 50 mm olan ölçüm silindirindekiyoğunluğu ölçülecek yak ıtın içine daldır ılır. Ölçüm sıcaklığında yak ıtın yoğunluğu, yak ıtseviyesinde aletin ölçeğinden okunur. 15 oC standard sıcaklıkta yoğunluk değerini belirtmek için, ölçümün yapıldığı sıcaklıktaki yoğunluk değerini düzeltmeye tabii tutumak gerekebilir.

Viskozite

Viskozite, sıvı veya gaz maddenin hız fark ına bağlı olarak kesme ile deformasyon göstererek,kesme gerilmesi alabilme özelliğidir. Kesme gerilmesi hız ile orantılıysa ve bu orantı

parametresi sıcaklık ve basınca bağlıysa bu sıvı Newton ak ışkanı olarak isimlendirilir. Orantı parametresi, dinamik viskozite, η , olarak adlandır ılır.

Yağ filmi

Sabit yüzey

V, hızında hareketeden yüzey

Kuvvet, F

½ HH

Yağ filmikalınlığı

V½ V

0

H

V ητ =



Yak ıtlar ve yanma


Boyutu Pa.s’ dir. (1 Pa.s = 1 Ns/m2)Daha önceleri Poise birim olarak kullanılmıştır. (0.1 Pa.s = 1 Poise)

Isı transferi ve ak ış hesaplar ında kinematik viskozite kullanılır.

ρ ην = (m2/s)

Birim cSt’ dur. (mm2/s = 10-6 m2/s, centiStoke)

20 oC’ da suyun viskozitesi 0038.1=ν cSt’ dur. Yüksek viskoziteli yağlar için referanssıcaklık 50 oC’ dır.

Özet olarak:

Stoke1Yogunluk

skoziteDinamik vi viskoziteKinematik

s-Pa1P100 cP100P1

P1

s

1cm

dyne

hiziKesme

gerilmesiKesme skoziteDinamik vi

s

1

cms

cm

Mesafe

hiziAkiskanhiziKesme

cmdyne AlanKuvvet gerilmesiKesme

2

2

==

==

===

===

==

Total Baz Numarası

Total baz numarası, yağlama yağındaki alkanite miktar ını belirtir. Bir gram yağdaki potasyum hidroksit (KOH)’ in miligram değeri ile belirtilir. Bu numara tüm alkalin oranlar ını

ihtiva eder. Kuvvetli bazlarla zayıf bazlar birlikte ifade edilir. Kuvvetli bazlar, 10’ dan yüksek pH değeri olan alkalin katk ılardır ve yüksek baz numarası ile ayırt edilirler. Kuvvetli bazlar,yağlama yağlar ında kullanılırlar. Yak ıtlarda kullanılan alkalin katk ılar, sülfür içeren fuel-oil’lardan teşekkül eden yanma gazlar ının korozif etkilerine kar şı faydalıdırlar.

Kül Miktar ı

Kül miktarı, madeni yağlarda kül olarak yanmadan sonra geriye kalan inorganik ve metal-organik bileşimlerin miktar ıdır. Petrolde yanmayan madde miktar ı maddenin kül miktar ıolarak bilinir.

Conradson veya Ramsbottom’ a göre Karbon Artık Testi

Karbon artık içeriği, standard koşullarda belli bir miktar madeni yağın düşük sıcaklıklardadamıtılmasından sonra kalan artık miktar ıdır. Karbon artık miktar ı, madeni yağlar ın kimyasaldavranışı hakk ında bilgi verir. Bununla birlikte, örneğin diesel yak ıtlar ın enjeksiyon



Yak ıtlar ve yanma


nozullar ını tıkama yatk ınlığı, yak ıtlar ın ısıtılmasında yak ıcı nozullar ını karbonize etmesi veyağlama yağlar ında kalıntı oluşturması hakk ında fikir edinilebilir. Karbon artıklar, düşük sıcaklıklarda damıtılma neticesinde ağırlık yüzdesi olarak verilir. Amerika ve diğer Anglo-sakson ülkelerinde Ramsbottom testi tercih edilir. Bunun nedeni düşük sıcaklıktaki damıtmakapalı bir cam kapta 550 oC’ta yapılır ve hassasiyetinin daha iyi olduğu iddia edilir. Teknik açıdan Conradson testi yeterlidir.

Parlama Noktası ve Tutuşma Noktası

Parlama noktası, bir yak ıt örneğinin 760 torr (760 mm civa sütunu) basınçta standardkoşullarda oluşturduğu bir miktar yak ıt buhar ının küçük bir alevle tutuşup yandığı en düşük sıcaklıktır. Parlama noktası, yak ıtın yüzeyinde oluşan yak ıt buhar ı ve hava kar ışımının endüşük patlama sınır ı olarak düşünülmelidir.

Parlama noktası 5 ve 65 oC arasında olan madeni yağlar ın parlama noktasının tayini kapalı bir kapta Abel-Pensky prosedürüne göre yapılır. Parlama noktası 65 ve 200 oC arasında olan

madeni yağlar ı

n parlama noktası

nı

n tayini kapalı

bir kapta Pensky-Martens prosedürüne göreyapılır.

Tutuşma noktası, yak ıtın yüzeyde yanmaya devam ettiği sıcaklıktır. Bu, çoğunlukla parlamanoktasının 30 ile 60 oC üzerindeki sıcaklıklara kar şılık gelir. Yak ıtlar ın parlama noktası karter

patlama riskini önlemek için 150 oC’ dan düşük olmalıdır.

Akma Noktası

Akma noktası sıcaklığı yak ıtın ak ıcı olma özelliğini yitirdiği sıcaklıktır. Modern rafineriişlemleri ile artık yak ıtta parafin miktar ı yüksek seviyeye çıkartılmıştır. Bu aynı zamanda

akma noktası sıcaklığının da artması anlamına gelmektedir. Bu sıcaklık 30o

C civar ınayükselebilir. Yak ıtın referans viskozite sıcaklığı, akma noktası sıcaklığının altına düşerseyak ıt donar. Yak ıtlar, akma noktası sıcaklığının en az 10 oC yukar ısında tutulmalıdır.

Gemi Diesel Motor Yak ıtlar ı

Diesel motor yak ıtlar ı, gaz yağından ağır fuel-oillere kadar değişen madeni yağ ürünlerinikapsar. Bu ürünler, viskozite, buharlaşma aralığı, yanma karakteristikleri, kimyasalkompozisyonundaki farklılıklar ile ayırt edilirler. Gaz yağı ve deniz diesel yak ıtı ham

petrolden distilasyon ve kraking prosesleri ile elde edilirler. Fuel-oil ham petrolün distilasyonve kraking prosesleri neticesinde kalan artıklardır. Ham petrolün distile k ısımlar ından

türetilen yak ıtlar, doğrudan depolanı p kullanılabilir ve hiçbir ön işlem gerektirmezler. Normalsıcaklıkta çok yüksek viskoziteli artık yak ıtlar, yanma odasına enjeksiyondan önce temizlenipısıtılmalıdırlar.

Distile yak ıtlar genellikle, yüksek devirli ve daha küçük orta devirli trunk-piston tiplimakinalarda kullanılır. Artık yak ıtlar veya orta fuel-oiller (artıklar ın distile yak ıtlarlakar ışımlar ı) düşük devirli kroshed tipi ve orta devirli trunk-piston tipli motorlarda kullanılır.Bazı yüksek devirli motorlar ı, viskozitesi 40 cSt/50 oC’ ye kadar olan orta fuel-oillerleçalışacak şekilde dönüştürmeleri yapılmaktadır. Bu eğilim, yak ıt fiyatlar ı arasındaki büyük farklılık nedeniyle olmaktadır. Yak ıtlar ın ateşleme kalitesi diesel motorlar için çok önemli bir özelliktir. Bu, yak ıtın enjeksiyonu ile yanmanın başladığı zaman aralığını etkiler. Bu özellik hidrokarbon molekülündeki hidrojen miktar ına bağlıdır. Ateşleme kalitesi diesel yak ıtının,diesel motorunda kendi kendini tutuşturma özelliğidir. Ateşleme kalitesinin tayini uluslararasıkonvansiyonlarla standardlaştır ılmıştır.



Yak ıtlar ve yanma


Fuel-oil’in basınç altında, yüksek sıcaklıklarda atomizasyonu ile yanmanın başladığı anarasında çok k ısa bir zaman gereklidir. Buna ateşleme gecikmesi denir. Bir fuel-oil’inateileme kalitesi bir diesel test motorunda saptanır (CFR veya BASF test motoru). Ateşlemegecikmesi, krank mili açısı olarak saptanır. Yüksek devirli diesellerde bir fuel-oil’in ateşlemegecikmesi 0.002 saniyenin üzerine çıkarsa yanma odasına çok büyük hacimde fuel-oil girer,yanma ani olur ve bu da vuruntuya yol açar. Neticede güç aktaran dişlilerde büyük gerilmeler oluşur. Düşük devirli diesel motorlarda ateşleme kalitesi çok önemli değildir, çünkü yanmaiçin yeteri kadar uzun zaman vardır.

Bir yak ıtın ateşleme kalitesi setan numarası ile saptanır. Setan numarası keyfi bir numaradır.Setan numarası, setan ve metil naftalen kar ışımındaki setanın yüzde hacim oranıdır. Bukar ışım, diesel yak ıtının test motorunda denendiği aynı ateşleme kalitesini gösterir. Yüksek devirli dieseller için setan numarası en az 40 olmalıdır. Düşük devirli motorlarda, çok düşük setan numaralı fuel-oil’ler kabul edilebilir. Önceleri, düşük devirli diesel motorlar genellikledistile yak ıtlarla çalıştır ılır,motor ısındığında ağır yak ıta çevrilirdi. Bu günlerde düşük devirlimotorlar sadece ağır yak ıtla çalıştır ılmaktadır. Ancak, çalıştır ılmanın kolay olması için hava

öncedenı

sı

tı

lmalı

dı

r.

Uluslararası denizcilikte yak ıtlar aşağıdaki gibi sınıflandır ılırlar:

Deniz- gaz yağı Deniz- diesel gaz yağı

Deniz-diesel orta bunker gaz yağı

Deniz-diesel yak ıtı Deniz-diesel yağı

Bunker diesel yağı

Deniz- orta yak ıtı Orta- fuel-oilİnce- bunker fuel-oilOrta- deniz fuel-oilHafif- deniz fuel-oil

Deniz- bunker yak ıtı Deniz- bunker fuel-oilBunker fuel oilBunker C yak ıt

Deniz gaz yağı saf distile üründür. Karada kullanılan gaz yağından fark ı çok az yüksek kaynama noktası, daha yüksek yoğunluğu ve uluslarası kanunla öngörülen 60 oC parlamanoktasıdır. Kara taşıtlar ı için gaz yağının parlama noktası 55 oC kabul edilir.

Deniz diesel yak ıtı genellikle saf distiledir. Bazen bu ürün bir distilenin daha ağır ürünlerlekar ışımıdır. Bu tipteki ürün kar ışım olarak gösterilmelidir.

Deniz orta fuel-oil, deniz bunker fuel-oil ve deniz gaz yağının bir kar ışımıdır. Bu grup ürünler

100 oF’ da Redwood saniyesi veya Saybolt evrensel saniyesinde belirtilen viskozite değerleriile ayırt edilmişlerdir. 1977’ de Uluslararası Standardlar Organizasyonu (ISO) viskoziteninmetrik sistem kinematik viskozite ile tarif edilmesini getirmiştir; mm2/s veya centistokes cSt,50 oC’ de.

Deniz bunker yak ıtlar ı çoğunlukla artıklardır. Kaliteleri rafinerideki işleme derecesine bağlıdır. Artıklar, atmosfer şartlar ında distilasyondan, vakum distilasyondan, krakingişleminden ve viskozite k ır ıcılardan gelir.



Yak ıtlar ve yanma


Diesel motorlarda yanma

Diesel motorlar ında yanma prosesi genellikle üç aşamaya bölünür:

• Gecikme peryodu•

Hı

zlı

yanma peryodu• Kontrollü yanma peryodu

Bir diesel motoru için tipik bir basınç-krank açısı kayıtı şekilde gösterilmektedir. Budiyagramda yak ıt enjeksiyon süresi de belirtilmektedir. Aynı zamanda bu diyagramdamotorun ateşlemesiz döndürülmesiyle elde edilen basınç-krank açısı eğrisi de yer almaktadır.

Gecikme peryodu

Diyagramın incelenmesinden; ateşlemesiz kayıtdan ateşlemeli kayıtın ayr ılması ile belirlenenyanmanın başlangıcı ve enjeksiyonun başlangıcı arasındaki önemli krank mili hareketigörülmektedir. Silindire ilk enjekte edilen yak ıt tutuşma sıcaklığına kadar ısıtılmalı ve dahasonra öncü kimyasal reaksiyonlara tabi olmalıdır. Diesel motorunda bu aşamaya gecikme

peryodu denir.

Gecikme zamanı

Enjeksiyonun başlaması ile yanmanın başlaması arasındaki zaman sürecine gecikme zamanı

denir. Gecikme zamanı, gecikme peryodu süresince yanma odasındaki sıcaklık ve basınca bağlıdır. Yüksek basınç ve sıcaklıklar gecikme zamanını k ısaltır. Gecikme zamanı yak ıtınkimyasal yapısına da bağlıdır. Genellikle, yak ıtın atomizasyon derecesinin gecikme zamanı

üzerinde çok az etkisi vardır. Bu, yak ıt damlacıklar ını tutuşma sıcaklığına ısıtmak için gereklizamanın çok küçük olduğuna ve yak ıtın ön ısıtılması ile çok az fayda üretilebileceğine işareteder. Gecikme periyodu esnasında enjekte edilen yak ıt miktar ının değiştirilmesinin gecikme

zamanı üzerinde çok az etkisi vardır. Enjekte edilen yak ıt jeti ile silindirdeki hava arasındakisınırda sonsuz aralıkta yak ıt-hava oranlar ı bulunur. Yak ıt-hava oranının, minimum gecikme



Yak ıtlar ve yanma


zamanını verecek uygun değerde olduğu birkaç nokta genellikle mevcuttur. Yanma,silindirdeki diğer noktalardaki koşullardan bağımsız olarak bu noktalarda başlar.

Gecikme zamanı uzunsa, yanma başlamadan önce yak ıt ve havanın kar ışması için daha fazlaf ırsat olacaktır. Gecikme açısı, gecikme peryodunda krank milinin taradığı açı miktar ıdır vegecikme zamanı ile krank mili dönme hızının çarpımına eşittir. Yak ıt enjeksiyon pompasıkrank milinden tahrik aldığı için, yanma başlamadan önce sevkedilen yak ıt miktar ı gecikmeaçısı ile orantılıdır.

Hızlı yanma peryodu

Gecikme peryodu esnasında silindire giren yak ıt büyük ölçüde buharlaşmış veya küçük damlacıklara bölünmüş ve hava ile kar ışmıştır. Yanma başladığında, oksijenle temasta

bulunan yak ıt büyük bir hızla yanacaktır. Bu reaksiyonun hızı silindirdeki basınç artma hızını

(dP /dt ) belirler. Yüksek hızdaki bir basınç artışı, motor yapısına ani bir yük uygulanmasımanasına gelir. Bu, motor parçalar ında yorulma hasar ının oluşmasına sebebiyet verir. Yüksek

hı

zdaki bir bası

nç artı

şı

aynı

zamanda ‘diesel vuruntusu’ olarak bilinen şiddetli bir vurma sesiüretir.

Yanmanın ikinci aşamasındaki basınç yükselme hızı aşağıdakilerle etkilenir:

1. Yak ıt ın atomizasyon derecesi. Bu, yak ıt enjeksiyon sisteminin dizaynına bağlıdır.

2. Gecikme peryodunda ne kadar yak ıt ın buharla şt ı ğ ı. Bu, öncelikle zamana bağlıdır.Gecikme zamanı uzunsa, yak ıtın buharlaşması için daha fazla zaman olacaktır.

3. Gecikme peryodunda, silindirde yak ıt ın ne kadar iyi da ğ ıld ı ğ ı ve hava ile ne kadar iyikar ı şt ı ğ ı. Bu, işlem için gerekli zamana, sprey şekline ve bir ölçüde silindirdeki hava

hareketine bağlıdır. Uzun gecikme zamanlar ı ve yüksek motor devir hızlar ı kar ışmayı

arttıracaktır.

4. Gecikme peryodunda ne kadar yak ıt enjekte edildi ğ i. Genel olarak, gecikme peryodundasilindire büyük miktarda yak ıt enjekte edildiğinde, bu fazla yak ıtın bir k ısmı mevcutoksijenle kar ışmış olacak ve basınç yükselme hızına katk ıda bulunacaktır.

Özetle; yüksek dP /dt ‘ den dolayı motor hasar ı veya diesel vuruntusunu önlemek için,gecikme zamanının k ısa tutularak yanmanın başlamasından önce yak ıt ve havanın teması içindaha k ısa zamanın olmasını temin etmek önemlidir. Kar ışma için hava hareketinin daha azolacağı düşük motor devrinin ve yanma başlamadan önce daha az yak ıtın enjekte edileceğik ısa gecikme açısının temin edilmesi önemlidir.

İkinci peryot esnasındaki basınç yükselmesinin büyüklüğü, çevrimde erişilecek en yüksek basınç değerini belirleyebilir. Yapısal nedenlerden ötürü, basınç artma hızı ile birliktemaksimum basınç değerinin de sınırlandır ılması gereklidir. İkinci peryotdaki basınç artmamiktar ı, öncelikle mevcut yak ıt miktar ına bağlıdır. İkinci peryotdaki krank açılar ı sayısıgecikme peryodundakilerle kar şılaştır ıldığında çok k ısadır. Basınç yükselmesine katk ıda

bulunan yak ıtın çoğu gecikme sırasında enjekte edilmiştir. Bundan dolayı, ikinci peryotda basınç artımını sınırlandırmak için, gecikme açısı mümkün olduğu kadar k ısa tutulmalıdır.

Bu değerlendirmelerden, ikinci peryotdaki basınç artma hızı ve basınç artma büyüklüğününgecikme peryodu sırasında silindir içinde oluşan koşullara bağlı olduğu görülmektedir. Buyüzden, gecikme peryodunun kontrolü diesel motorlarda çok önemlidir.



Yak ıtlar ve yanma


Kontrollü yanma peryodu

Hızlı yanma peryodu sonunda silindir içindeki sıcaklık çok yüksektir ve bu andan sonraenjekte edilen yak ıt oksijen bulur bulmaz yanacaktır. Üçüncü peryotdaki basınç eğrisininşekli aşağıdakilere bağlıdır:

1. Yak ıt enjeksiyon hı zı, özellikle silindir içinde çok miktarda oksijen halen mevcutsa.

2. Silindir içinde yak ıt ve havayı biraraya getirmeye çal ı şan hava hareketinin tipi ve yo ğ unlu ğ u. Bu, yanma odasının şekline ve motor devir hızına bağlıdır.

3. Piston hareketi. Üçüncü peryod, pistonun güç strokunda önemli ölçüde ilerlediği zamanolursa silindir hacminin değişim hızı, silindir basıncını etkilemek için yeterli olacaktır.

Yüksek verim için, yanma prosesini mümkün olduğu kadar ÜÖN civar ında tamamlamak gereklidir. Bundan dolayı, üçüncü peryod sırasında yak ıt ve havanın hızlı kar ışması istenir.

İ deal sık ı şt ırma-ate şlemeli motor

İkinci peryod sırasında iyi performans gereksiniminin, üçüncü peryotdaki iyi performansgereksinimi ile çatışmakta olduğu yukar ıda tesbit edildi. Gecikme peryodu esnasında motor kötü atomizasyon ve kar ışım verecek şekilde dizayn edilirse, ikinci peryotdaki basınç artmahızı azalacaktır. Yak ıt ve havanın iyi kar ışmayarak genişleme strokunun aşağılar ına kadar yanmanın tamamlanmaması açısından bu proses çok zararlı olacaktır ve verim çok düşük olacaktır. Atomizasyon ve kar ışmanın kötü olduğu durumlarda, yak ıtın tamamen yak ılmasıiçin silindir içinde çok fazla hava bulunmalıdır. Bunun anlamı, her çevrimde kimyasal olarak doğru miktardaki yak ıtın ancak küçük bir k ısmı yak ılabilir ve bu güçte azalmaya yol açar. Eniyi ayarlanmış diesel motorlarda bile silindir içindeki havanın ancak %80’inin yak ıtın

yanması için kullanılabileceği ölçüde yak ıt hava kar ışması temin edilebilir. 0.05’ in üzerindeyak ıt-hava oranı kullanması çabalar ı yanmamış yak ıttan yoğun egzost dumanı üretilmesineneden olacaktır.

Gecikme peryodu sırasında enjekte edilen yak ıt miktar ı k ısıtlanarak basınç artımı azaltılmayaçalışılırsa, üçüncü peryod sırasında yak ıtın kar ışması ve yanması için yeterli zamanolmayacak ve bu da duman ve verim düşüklüğü sonucunu doğuracaktır.

İdeal motorun çok k ısa bir gecikme zamanı ve silindir içinde hızlı hava hareketi olmalıdır.Yak ıt enjekte edilir edilmez yanarak basınç artım hızı enjeksiyon hızı ile kontroledilebilmelidir. Basınç artımının büyüklüğü ise enjekte edilen miktar ve enjeksiyonzamanlaması ile kontrol edilebilmelidir. Geliştirme çabalar ına rağmen, gecikme ve kar ışma

problemleri özellikle yüksek hızlı motorlarda halen tam olarak çözülmüş değildir.

İşletme parametrelerinin etkileri

Diesel motor performansı üzerinde işletme parametrelerinin etkilerini tahmin etmek çok miktarda göz önüne alınması gereken faktör nedeniyle zordur. Bu faktörlerin etkileri yanmaodası dizayn detaylar ı ile de değişir. Bununla beraber, teoriden diesel motorlar ın çalışmasıiçin genel bazı sonuçlar ın çıkar ılması mümkündür.

Enjeksiyon zamanı. En yüksek verim için enjeksiyon, maksimum basınç ÜÖN’nın 10-15 oCkrank açısı sonrasında oluşmasına imkan verecek şekilde ayarlanmalıdır. En düşük dP /dt için,gecikme peryodu minimum olacak şekilde enjeksiyon ayarlanmalıdır. Gecikme sırasındasilindir basıncı ve sıcaklığı yüksek olduğunda minimum gecikme sağlanır. Böylece, gecikme



Yak ıtlar ve yanma


peryodu ÜÖN’ nın her iki yanına eşit olarak uzanmalıdır. Böyle bir enjeksiyon zamanı en iyiverim için çok geç olacaktır. Bundan dolayı genellikle bir optimum pozisyon kullanılır.

Erken enjeksiyon zamanı, gecikme peryodunda düşük sıcaklık ve basınçlar ın oluşmasınedeniyle uzun bir gecikmeye neden olur. Uzun gecikme sırasında yak ıt ve havanın kar ışmasıiçin uzun bir zaman olduğundan, dP /dt artar. Uzun gecikme zamanı, gecikme peryodusırasında daha fazla yak ıt enjekte edilmesi imkanını verir, böylece ikinci peryotdaki basınçartımı yüksek olacaktır.

Geç enjeksiyon da uzun gecikmeye yol açar. dP /dt yine yüksek olacaktır, ancak bu kez pistonhareketi bu değeri azaltacaktır. Yanma prosesi sonunda piston pozisyonu nedeniylemaksimum basınçlar düşük olacaktır.

Giriş havası sıcaklığı. Artan giriş havası sıcaklığı gecikme peryodunu azaltacaktır, dP /dt ve basınç artımı da azalacaktır. Daha az hava içeri alınacağı için, duman sınır ına gelmeden dahaaz yak ıt yak ılabilecek ve motorun maksimum gücü azalacaktır.

Giriş havası

bası

ncı

. Artan giriş havası

bası

ncı

gecikme peryodunu azaltacaktı

r, dP /dt ’ deazalacaktır. Sık ıştırma basıncı giriş basıncı ile artacağından, maksimum basınç daha yüksek olacaktır. Silindir içinde daha fazla hava olacağından, enjekte edilen yak ıt miktar ını arttırarak daha fazla güç elde etmek mümkün olacaktır.

Sık ıştırma oranı. Artan sık ıştırma oranı sık ıştırma basınç ve sıcaklığını arttırarak gecikme peryodunu azaltır. Bu, dP /dt ’ yi azaltacaktır, ancak sık ıştırma basıncının artmasından ötürümaksimum basınç artacaktır. Güç stroku esnasında gazlar ın daha fazla genişlemelerindendolayı verim artacaktır.

Yak ıt miktarı. Diesel motorda güç kontrolü giriş havasının k ısılması ile değil, her çevrimdeenjekte edilen yak ıt miktar ının değiştirilmesi ile yapılır. Maksimum güç gerektiğinde, egzost

dumanının üretildiği ve yanma odasında zararlı kalıntılar ın oluşmaya başladığı noktaya kadar yak ıt enjekte edilir. Silindir havası çok sıcak olduğundan, yanmanın gerçekleşmesi için

benzinli motorlarda olduğu gibi bir fakir kar ışım sınır ı yoktur. Küçük miktarda yak ıt enjekteedilebilir ve yak ılabilir, böylece güç çık ışı istenildiği kadar azaltılabilir. Alev hızı problemiolmadan, diesel motorun düşük yüklerde yüksek indike ısıl verimi vardır.

Silindir içinde geniş bir aralıkta yak ıt-hava oranlar ı bulunduğudan, yak ıt miktar ının değişmesigecikme zamanını doğrudan etkilemez. Yüksek güç çık ışlar ında (büyük miktarda yak ıt)silindir gömlekleri yüksek sıcaklıklarda çalışırlar. Bu koşullar altında, sık ıştırma strokundasilindir havası silindir gömleklerine daha az ısı kaybeder. Bu durum gecikme peryodunuk ısaltır. Büyük miktarlarda yak ıt, enjeksiyon hızının arttır ılmasından ziyade enjeksiyon

peryodunun uzatılması ile enjekte edilir. Böylece, yüksek güç çık ışlar ında gecikme

periyodunda silindire giren yak ıt miktar ı, gecikme açısının küçülmesinden ötürü azalır. İkinci peryotda dP /dt ve basınç artımı bundan dolayı azalacaktır. Üçüncü peryot sırasında ek yak ıthızlı bir şekilde enjekte edilirse, maksimum basınç yükselir. Düşük güç çık ışlar ı için gecikme

peryodunun sonundan önce bitirilen yak ıt enjeksiyonu sevkedilen yak ıt miktar ını azaltır vemaksimum basınç da çok azalır.

Motor devir hızı. Düşük motor devirlerinde uzun gecikme zamanı ile birlikte gecikme açısıküçük olacaktır. Hızlı yanma peryodu için silindirde az miktarda yak ıt bulunacaktır. Basınçartımı ve basınç artım hızı bundan dolayı orta seviyelerde kalacaktır. Düşük devir hızındanötürü, üçüncü peryotda yak ıtın hava ile kar ışması ve pistonun ÜÖN’ dan çok fazlauzaklaşmadan yanmanın tamamlanması için gerekli zaman olacaktır. Böylece, koşullar yanma

prosesinin verimli işletimi ve kontrolü için çok uygundur. Yüksek devir hızlar ında krank mili,gecikme zamanı esnasında daha büyük bir açı tarayacak ve yanma başlamadan önce yak ıtınçoğu enjekte edilmiş olacaktır. Gecikme zamanı düşük ve yüksek motor devirlerinde yaklaşık



Yak ıtlar ve yanma


olarak aynı olduğundan, hızdan bağımsız olarak kar ışım için mevcut zaman aynı kalacaktır.Emme prosesi silindir içinde önemli bir hava hareketi oluşturacak şekilde bir silindir dizaynı

yapılmışsa, hava hareketi yüksek devir hızlar ında daha büyük olacaktır ve bu, gecikmesırasında kar ışmayı arttır ır. Böylece, yüksek devir hızlar ında gecikme sonunda silindir içinde

büyük miktarda yak ıt olacaktır. Burada kar ışma için düşük devir hızındaki aynı zamangeçerlidir ve kar ışma için daha fazla hava hareketi vardır. Bunlar ikinci peryotda çok yüksek dP /dt ve basınç artımı verirler. Silindir dizaynı nedeniyle silindir içinde çok az hava hareketivarsa, yüksek devir hızlar ında gecikme sonunda silindir içinde yine büyük miktarda yak ıt

bulunacaktır. Kar ışma için mevcut zaman düşük devir hızıyla yine aynı olacak ve böylecedP /dt ve basınç artımı düşük devir hızından daha yüksek olacaktır. Hava hareketi olmayanyanma odalar ında, kar ışma hızı artan devir hızıyla değişme göstermez. Tam kar ışma veyanma için gerekli olan krank açısı çok büyük olabilir. Bu, düşük verim ve dumanlı egzostayol açar.

Motor boyutu. Büyük motorlar atalet-gerilme sınırlamalar ı nedeniyle düşük devir hızlar ındaçalıştıklar ından, bu motorlarda yanma kontrolü çok daha kolaydır. Küçük silindir gömlek alanı-silindir hacmi oranından dolayı, sık ıştırma stroku sırasında silindir havasından olan ısı

kaybı

büyük motorlarda daha azdı

r. Artan sı

k ı

ştı

rma sı

caklı

ğı

gecikmeyi azaltı

r ve yanmakoşullar ını iyileştirir. Buradaki değerlendirmeden, büyük boyutlu diesel motorlar ın dizaynı

daha kolaydır denilebilir.

Yak ıt kalitesi. K ısa gecikme zamanlı bir yak ıtın kullanıldığı motorda yak ıt ve havanın iyikar ışması için tedbirler alındığında ideal yanma koşullar ı oluşturulabilir. Yanma yak ıtınçoğunun silindir içine girmeden başlayacak ve böylece dP /dt ve basınç artımı ikinci peryotdadüşük olacaktır. İyi kar ışma, yanmanın üçüncü peryodun başında piston hala ÜÖN civar ındaiken tamamlanmasına neden olacaktır. Yüksek hızlı diesel motorlar ında k ısa gecikme zamanlıyak ıtın kullanımı ve yanma başladıktan sonra yak ıt ve havanın hızlı kar ışmasını temin emek çok önemlidir.

Bir diesel yak ıtın ateşleme kalitesi, standard referans yak ıt kar ışımlar ı ile kar şılaştır ılarak saptanır. Standard yak ıtlar ın birincisi heksadekan (veya setan) dır. Bu düz zincir yapılıheptan’a benzer bir hidrokarbondur. Ancak yapısında, 7 yerine 16 karbon atomu vardır.Kimyasal formülü C16H34’ dür ve diğer düz zincir yapılı hidrokarbonlar gibi k ısa gecikmezamanı vardır. Diğer standard yak ıt α-metilnaftalen olarak bilinir. Bu yak ıt bir metil grupluçift benzen halkasından ibarettir ve uzun bir gecikme zamanı vardır.

Standard çalışma koşullar ında standard test motorunun sık ıştırma oranı, test edilen yak ıt 13oC gecikme açısı gösterene kadar değiştirilir. Aynı sık ıştırma oranında 13oC gecikme açısıveren Setan- α-metilnaftalen kar ışımındaki setanın hacimsel olarak yüzde oranı test yak ıtınınsetan sayısını verir. Yüksek setan sayılı yak ıtlar düşük sık ıştırma oranlar ında kolaycatutuşurlar, aynı sık ıştırma oranlar ında daha k ısa gecikme peryotlar ı vardır ve böylece dieselmotorlar için daha iyi yak ıtlardır.

Yanma ve Termokimya

Bir yanma reaksiyonu genellikle bir yak ıt ve bir okside edicinin dahil olduğu bir reaksiyondur ve enerji serbest hale geçirilir. Bu bölümdeki yanma çalışmalar ında karbon ve hidrojen içerenyak ıtlar ın reaksiyonu incelenecektir. Okside edici ya oksijen yada havadır ve karbon dioksit(CO2) ve su (H2O) birinci yanma ürünleridir. Tam yanma, yak ıttaki tüm hidrojen ve karbonunCO2 ve H2O’ya çevrilmesi için yeterli oksijenin ortamda bulunmasını gerektirir. Eksik yanmada diğer yanma ürünleri de oluşacaktır, bunlar ın en önemlisi karbon monoksit (CO)

‘tir.



Yak ıtlar ve yanma


Endüstriyel pratikte yak ıtlar ın yanması genellikle havanın oksitleyici olarak kullanılmasıylaolur. Havanın ana elemanlar ı hacimsel olarak %21 Oksijen, %78 Azot ve %1 Argon’danoluştuğu kabul edilir. Küçük miktarlarda karbon dioksit ve diğer gazlar da havada vardır.Havanın %21 Oksijen ve %79 Azot’ tan oluştuğu genelde yeterli bir kabuldür. Böylece kabulettiğimiz atmosferik havada her 79 mol azot için 21 mol oksijen vardır.

1 mol O2 + 3.76 mol N2 = 4.76 mol hava, veya1 kg O2 + 3.31 kg N2 = 4.31 kg hava

Havanın ortalama molekül ağırlığı 28.97’dir. Bu, hesaplarda 29’a yuvarlatılabilir.

Yanma proseslerinin analizinde bir temel kavram, belirli bir yak ıt için teorik veyastokiyometrik reaksiyondur. Tanım olarak, bir teorik veya stokiyometrik reaksiyon,reaksiyonun tamamlandığı ve yanma ürünlerinde fazla oksijenin olmadığı haldir. Bir stokiyometrik reaksiyonda gereken hava veya oksijen miktar ı, yanma çalışmalar ında çok önemlidir. Metan (CH4) için stokiyometrik reaksiyon şu şekilde saptanır: 1 mol yak ıt için ve

bilinmeyen miktarda mol w hava göz önüne alınarak,

( ) 222224 76.3 zN O yH xCO N OwCH ++→++

burada, w,x,y ve z bilinmeyen hava, karbon dioksit, su ve azot mol sayılar ını göstermektedir.Dört kimyasal madde için kütlenin korunumu prensibi uygulandığında:

C dengesi 1 = x H dengesi 4 = 2 yO dengesi 2w = 2 x + y N 2 dengesi 3.76w = z

Netice olarak, w,x,y,z : 2,1,2 ve 7.52’dir. Metanın yanması için stokiyometrik denklem böylece:

222224 52.7252.72 N O H CO N OCH ++→++

Burada okside edici havadır. Benzer bir prosedürle propanın (C3H8) hava ile kimyasal olarak doğru yanması, stokiyometrik denklem ile verilir:

( ) 2222283 80.184376.355 N O H CO N O H C ++→++

Bu iki halde de yanma ürünlerinde oksijen bulunmaz ve azotun hiçbir kimyasal değişimdengeçmediği kabul edilir. Stokiyometrik denklemde her kimyasal maddenin önünde gösterilensayılar, stokiyometrik katsayılar olarak bilinir.

Karbon ve hidrojenin CO2 ve H2O’ ya tam yanması için; teorik, stokiyometrik veya kimyasalolarak doğru oksijen veya hava gereksinimi terimleri kullanılabilir.Bir proseste bu miktar kullanılmadığında, gerçekte kullanılan miktarda teorik oksijen veya havanın yüzdesinden

bahsedilir. Stokiyometrik miktar %100 teorik gerekli miktardır. Yetersiz miktar kullanıldığında, teorik oksijenin yüzdesi 0 ile 100 arasındadır, fazla miktar kullanıldığında budeğer %100 teorik değerden daha fazla olacaktır. Böylece %200 teorik hava, tam yanma içingerekli hava miktar ının iki katının sağlandığı anlamına gelir. Bu durumda oksijen yanmaürünü gazlar ında bulunacaktır. Diğer kullanılan terimler %fazla ve %az oksijen veya havadır.Örneğin, %150 teorik hava, %50 fazla hava ve %80 teorik hava, %20 az hava anlamındadır.

%150 teorik hava veya %50 fazla hava verildiğinde, propan için yanma reaksiyonu:



Yak ıtlar ve yanma


22222283 20.285.24320.285.7 N OO H CO N O H C +++→++

Bu reaksiyon yine tam yanma içindir. Pratikte, CO gibi diğer ürünler de küçük miktarlardaortaya çıkabilirler. Yukar ıdaki gibi tam yanma için, kimyasal denklemlerin yazılmasındagerçek prosesin ürünleri hakk ında hiçbir bilgi gerekli değildir.

Bir yanma prosesinde temin edilen yak ıt ve hava arasındaki ilişki yukar ıda anlatılanlara ek olarak, hava-yak ıt veya yak ıt-hava oranlar ı cinsinden ifade edilir. Hava-yak ıt oranı birimkütle yak ıt başına verilen havanın kütlesi olarak tarif edilir. Yak ıt-hava oranı bu tanımıntersidir. Propanın %100 teorik yanmasında kimyasal denklem, yak ıt birim molü için, 23.80mol hava (5 mol O2 + 18.80 mol N2) gereklidir. Böylece, bu yak ıtın yanması için hava-yak ıtoranı:

yakitkg

havakg7.15

yakitkg44

yakitkgmol

havakgmol

havakg29

yakitkgmol

havakgmol23.80== AF

Aynı proses için yak ıt-hava oranı 0.0637 kg yak ıt/kg hava’ dır. Petrol veya doğal gaz bazlı birçok hidrokarbon yak ıt, stokiyometrik yanma için 15-16 civar ında hava-yak ıt oranı

gerektirir.

Hava-yak ıt oranıyla, teorik yüzde veya % hava fazlalığı arasında belirli bir ilişki vardır. Bir hidrokarbon yak ıtın, CxHy, genel stokiyometrik reaksiyonunu göz önüne alalım:

→++ 22 76.3 sN sO H C y x tam yanma ürünleri

burada s, yak ıt molü başına, oksijenin stokiyometrik mol değerini gösterir. Bir hidrokarbonreaksiyonu için genel olarak:

( )( )teorik %

1100

76.4

12

97.28

12

97.28

yakitmol

havamol

kütlesiyakit

kütlesihava s

y x y x AF

+

=

+

==

( )teorik %12

1.379s

y x AF

+

=

s,x ve y değerleri her hidrokarbon yak ıt için değişir. Son olarak, bir yanma prosesinde verilenyak ıt ve hava miktarlar ı arasındaki ilişki, denklik oranı φ , ile de verilir.Tanım olarak:

rik stokiyomet

gerçek

FA

FA=φ

φ değeri 1’ den küçük olduğunda, fazla oksitleyici kullanıldığı anlaşılır. Bu, aynı zamandafakir kar ışım olarak da isimlendirilir. Zengin kar ışım, φ ’ nin 1’ den büyük olduğu haldedir veyak ıt, stokiyometrik gereklilik değerinden daha fazladır. Denklik oranı, otto, diesel ve gaztürbini analizlerinde sıkça kullanılır.

Örnek Problem

Bir gaz yak ıt, hacim veya mol bazında aşağıdaki elemanlardan oluşmaktadır: %2 hidrojen,%64 metan, %34 etan.

a) Gereken hava-yak ıt oranını, kg hava/kg yak ıt



Yak ıtlar ve yanma


b) Kullanılan denklik oranını,c) 27 oC ve 0.98 bar (98kPa) şartlar ında %20 fazla hava verildiğinde kg yak ıt ve kgmol yak ıt

başına gerekli havanın hacmini hesaplayınız.

a) İlk adım, mol yak ıt başına yanma için kimyasal reaksiyonlar ın yazılmasıdır. Teorik veyakimyasal olarak doğru oksijen gereksinimleri:

O H COO H C

O H COOCH

O H O H

22262

2224

222

02.168.019.134.0

28.164.028.164.0

02.001.002.0

+→+

+→+

→+

Sonuç olarak, yak ıt molü başına 2.48 mol oksijen tam yanma için gereklidir.

( ) ( )( ) ( ) ( )

7.1648.20

3.342

3034.01664.0202.0

2976.448.2==

×+×+×

××= AF

%20 fazla hava için gerekli değer:

( ) 2020.17.16 =×= AF kg hava/kg yak ıt

b) Denklik oranı FAgerçek /FAstokiyometrik olarak tanımlanır. Bu, AF oranı cinsinden yazılırsa ve%20 fazla hava kullanıldığından:

83.02.1

1AF rik stokiyomet===

gercek AF φ

c) Belirtilen koşullarda, hava ideal gaz olarak kabul edilecektir. Havanın her kilogramınınkapladığı hacim, ideal gaz bağıntısından bulunur. ( R = 0.08314 bar m3/kgmol K)

878.0kg29

kgmol

98.0

30008314.0 =×==

P

RT v m3/kg

a şıkk ında %20 fazla hava verildiğinde, hava-yak ıt oranı 20 olarak bulundu. Kg yak ıt içingerekli havanın hacmi:

v = 0.878 m3/kg hava x 20 kg hava/kg yak ıt = 17.6 m3/kg yak ıt

Son olarak, yine a şıkk ında kgmol yak ıt için 20.48 kg yak ıt vardır. Kgmol için havanın hacmi:

v = 17.6 m3/kg yak ıt x 20.48 kg yak ıt/kgmol yak ıt = 360 m3/kgmol yak ıt

Bir yak ıtta karbonun eksik yanmasında, karbon,

COOC →+ 221

denklemine göre reaksiyona girer. Oksijen hidrojenle birleşmek için daha fazla eğilime sahipolduğu için, bir yak ıttaki hidrojen genelde tamamen suya çevrilir. Tam yanmayı sağlamak

için yeteri kadar oksijen yoksa, karbon genelde tamamiyle reaksiyona girmez. Gerçekte,ürünlerde fazla oksijen verilse dahi CO bulunur. Bu, proses boyunca tamamlanmayan kar ışmaveya tam yanma için gerekli zamanın olmayışı ile açıklanabilir.



Yak ıtlar ve yanma


İzleyen örnek, hava azlığı ile yapılan bir yanma prosesini göstermektedir. Bu örnek yine kütlekorunumu presibinin reaksiyonlarda uygulanmasını gösterir. Bu teknik ile reaksiyona girenmaddelerin başlangıç hali ve ürünlerin halleri hakk ında ek bilgiler edinebiliriz.

Örnek Problem

Propan gazı %80 teorik hava ile reaksiyona girmiştir. Reaksiyon için teorik denklemi tesbitediniz.

Hava azlığı ile tüm hidrojenin suya dönüştürüldüğü, ancak karbonun CO ve CO2’ edönüştürüldüğü kabul edilir. %100 teorik hava için denklem:

2222283 80.184380.185 N O H CO N O H C ++→++

%80 teorik hava için genel olarak,

2222283 04.15404.154 N O H bCOaCO N O H C +++→++

Problem, ürünlerde Co ve CO2 miktarlar ını teorik olarak tahmin etmektir. Bu şekildereaksiyona giren tüm atomik maddeler korunur. Böylece, her atomik madde için kütle dengesiyazılabilir. Bu halde, hidrojen ve azot dengesi bilgi verici değildir. Bunula beraber, karbon veoksijen dengesi aşağıdaki denklemlerin elde edilmesine yol açar.

C dengesi 3 = a + bO dengesi 8 = a + 2b + 4

Bu iki denklemin çözümü, a = 2 ve b = 1 neticesini verir. %80 teorik hava ile propanın

yanması için teorik doğru denklem:

2222283 04.154204.154 N O H COCO N O H C +++→++

Bu denklem, gerçek yanma proseslerine uygulanamayabilir. Çünkü ürünlerde O2 olabileceğigibi, diğer maddelerde küçük miktarlarda bulunabilirler. Bununla beraber, kimyasal denklem,

bu tip bir reaksiyon için verilen koşullarda hangi ürünlerin beklenebileceği yolunda ilk yaklaşımı elde etmek için kullanılabilir.

Gerçek yanma prosesleri

Reaksiyonlar ın stokiyometrisi bahsinde, yanma işlemine giren kimyasal maddeler hakk ındatüm bilgilerin mevcut olduğu esasına dayalı olarak örnekler verilmiştir. Ek olarak, fazlahavanın ortamda olması halinde yak ıttaki tüm karbonun, karbon dioksit’e dönüşeceği kabuledilmiştir. Bununla beraber, yanma ürünü gazlar ının ölçümlerine dayanan tecrübe, fazla havakullanılmasında dahi, kabon monoksitin dikkate değer miktarlarda ortaya çıktığını

göstermiştir. Diğer bir nokta, hava-yak ıt oranının ölçülmesinin zor olduğu birçok uygulamanın olmasıdır. Reaksiyon odasına katı, sıvı veya gaz yak ıtın ak ışı iyi bilinmektedir.Ancak, hava ak ışının ölçülmesi oldukça zor olabilir. Bu problemlerin önüne geçmek için, gazürünlerin analizi iyi derecede hassasiyetle yapılabilir. Bu analizden tüm yanma prosesihakk ında önemli miktarda bilgi edinilebilir.

Birçok değişik metodlar, yanmış gaz ürünlerinde birçok farklı elemanın konsantrasyonlar ınıntesbitinde kullanılabilir. Daha hassas tekniklerin geliştirilmesi için ihtiyaç, 1960’ lar ın



Yak ıtlar ve yanma


sonlar ında başlayan, devletlerin koyduğu sık ı hava kirliliği emisyon standardlar ı ile artmıştır.Yanma gazlar ının analizi, genellikle kuru veya ıslak bazda tanımlanır. Kuru bazda gazdakisubuhar ının yüzdesi rapor edilmez. İyi bilinen Orsat analiz cihazı total analizi kuru bazdaveren tipik bir elemandır. Kuru analizlere dayalı tipik hesaplamalar aşağıda verilmektedir.Genel metod, reaksiyona giren maddelerde atomlar ında kütle dengesinin kullanımına bağlıdır.

Örnek

Propanın hava ile reaksiyonunda yanma gazlar ının analizi %11.5 CO2, %2.7 O2 ve %0.7 CO.Deneyde kullanılan teorik havanın yüzdesi nedir?

Çözüm

Analize başlangıcın temeli, kuru yanma ürünü gazlar ın 100 molüdür. Verilen analizsonuçlar ından kuru yanma ürünlerinde N2’ nin mol sayısı 85.1 olmalıdır. Bu hatırda tutularak,reaksiyon için kimyasal denklem:

ObH N OCOCOaN aO H xC 22222283 1.857.27.05.1176.3 ++++→++

Her element için kütle dengesi, bilinmeyen katsayının bulunmasına olanak verir.

N2 dengesi :65.22

1.8576.3

=

=

a

a

C dengesi :07.4

2.127.05.113

=

=+=

x

x

Bu noktada tek bilinmeyen b değeridir, yanma ürünlerindeki suyun mol sayısı. Oksijendengesi yazılırsa:

O dengesi :( ) ( ) ( )

2.16

7.227.05.11265.222

=

+++=

b

b

Gerçek reaksiyon aşağıdaki kimyasal denklemle gösterilir.

O H N OCOCO N O H C 22222283 2.161.857.27.05.111.8565.2207.4 ++++→++

Propan için stokiyometrik denklem:

2222283 80.184380.185 N O H CO N O H C ++→++

Teorik olarak, yak ıtın mol başına kullanılan oksijen mol sayısı 5’ dir. Gerçek yanma için buoran 22.65/4.07 = 5.57’ dir. Böylece teorik havanın veya oksijenin yüzdesi:

Teorik havanın yüzdesi =( )

111%5

10057.5= , veya %11 fazla hava vardır.



Yak ıtlar ve yanma

Örnek

Bilinmeyen bir hidrokarbon yak ıt, CxHy, hava ile reaksiyona girmiştir. Yanma ürünü gazlar ıOrsat analizine tabii tutulmuştur. Bu analizde %12.1 CO2, %3.8 O2 ve %0.9 CO bulunmuştur.Gerçek reaksiyon için kimyasal denklemi saptayınız. Yak ıtın kompozisyonunu, deneydekullanılan hava-yak ıt oranını, hava fazlalığını veya hava azlığını tesbit ediniz.

Çözüm

Orsat analizi neticesinde üç gazın yüzdeleri 16.8 olmaktadır. Geriye kalan gazın azot olduğukabul edilmiştir. Böylece azotun hacim olarak yüzdesi 83.2 olmalıdır. 100 mol kuru yanmaürünleri için genel kimyasal denklem yazılabilir.

ObH N COOCOaN aO H C y x 222222 2.839.08.31.1276.3 ++++→++

Denklem, bir önceki bölümde kullanılan tekniğin ters olarak kullanılması gerektiğini gösterir.Temel olarak, yak ıtın başlangıç kompozisyonu, belirli yüzdelerde yanma ürünlerinin elde

edilmesi için gerekli hava-yak ıt oranı ne olmalıdır sorular ı sorulmaktadır. Yak ıtkompozisyonunu saptayan bilinmeyen x ve y değerleri ve a değerleri hava-yak ıt oranını

verecektir. Azot dengesi a değerinin hesaplanmasına olanak verir:

N2 dengesi:1.22

2.8376.3

=

=

a

a

O dengesi:( ) ( ) ( )

5.11

9.08.321.1221.222

=

+++=

b

b

Karbon ve hidrojen dengeleri x ve y değerlerinin hesaplanması için kullanılabilir:

C ve H dengesi:( ) 235.1122

139.01.12

===

=+=

b y

x

Kimyasal denklem, bilinmeyen değerler yerine konursa, yazılabilir.

O H N COOCO N O H C 2222222313 5.112.839.08.31.122.831.22 ++++→++

x ve y değerlerinin tam sayı olarak bulunmalar ı önemli değildir. Genellikle bu tip

problemlerde x ve y değerleri tam sayı olmazlar. Aynı zamanda C13H23 formülü tek bir kimyasal maddeye ait olduğu düşünülmemelidir. Muhtemelen birçok farklı bileşikten oluşanyak ıtın ortalama formülü olduğu düşünülmelidir.

C13H23’ ün teorik hava gereksinimi ile yanması için gerekli kimyasal denklem:

( ) ( ) 222222313 76.375.185.111375.1876.375.18 N O H CO N O H C ++→++

18.75 mol oksijen gereklidir ve 22.1 mol oksijen gerçekte kullanılmıştır. Deneyde % havafazlası:

yüzde fazla = ( ) 18%100

75.18

75.181.22=

−

Yakıtlar ve Yanma

Documents