Gemi kargo tanklarında doğal taşınımla olan ısı geçişinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerinin akma noktası genel olarak çok yüksektir. Bu tip akışkanlar akma noktalarının altında katılaşırlar. Katılaşmayla birlikte kimyasal özellikleri değişir. Ayrıca, bu tip akışkanların akma noktalarının altında akışkanda mum oluşumu başlar. Gemi kargo tanklarındaki ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, kimyasallar, vb. petrol ürünlerindeki katılaşmayı, kimyasal özellik değişimini ve mum oluşumunu önlemek için bu tip akışkanlar ısıtılır. Bundan dolayı, bu tip akışkanların tank içerisindeki sıcaklığı sefer süresince belli bir seviyede tutulur. Ayrıca, bu tip yüksek viskoziteye sahip akışkanlar istasyondan gemiye ve gemiden istasyona taşınması öncesinde akışkan ısıtılarak pompalanabileceği uygun sıcaklık değerine getirilir. Kargo tanklarındaki sıvı yükler geleneksel olarak dolaylı ısıtma yöntemleriyle ısıtılmaktadır. Bu yöntemlerde ısı, bir ısı transfer yüzeyi boyunca aktarılır. Kargo tanklarındaki ısıtma sistemi için en sık ve yaygın kullanılan yöntem tanka daldırılmış ısıtma serpantinlerinin kullanılmasıdır. Tankların tabanındaki serpantinler sıcak olur ve hemen yakınında bulunan sıvı yükü ısıtır. Sıcak sıvı yük ısınarak yükselir ve daha soğuk olan sıvı yükle yer değiştirir, böylece tankta doğal bir sirkülasyon (doğal taşınım) gerçekleşir. Ağır yakıt, ham petrol, asfalt, bitüm, vb. yüksek viskoziteli akışkanların bir gemi kargo tankında ısıtılması işlemi önemli miktarda enerji ve maliyet gerektirir. Bu enerji ve maliyet kapalı hacimdeki doğal taşınımın fiziğinin iyi anlaşılmasıyla azaltılabilir. Bu çalışmadaki amaç, gemi kargo tanklarındaki doğal taşınımla ısı transferi ve akış problemini deneysel ve hesaplamalı olarak modellemek ve elde edilen bilgiler, bulgular, sonuçlar ile gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliğini arttırmaktır. Bölüm 2'de deneysel çalışma açıklanmıştır. Gemi kargo tankı, alttan rezistans telleriyle ısıtılan üstten termostatik su banyosuyla soğutulan bir dikdörtgen kapalı hacim olarak modellenmiştir. Deneysel çalışmada, 5700 Detveyt tonluk (DWT) bir petrol/kimyasal tankerin gerçek kargo tank boyutlarının ⁓1/20 ölçeğinde bir model tankı oluşturulmuştur. Model tankın alt ve üst duvarları doğal taşınımla ısı geçişi için gerekli olan sıcaklık farkını yaratabilmek için farklı iki ısı değiştirici olarak tasarlanmıştır. Soğuk tarafta, üst alüminyum plakadan ısıyı uniform olarak çekmek için bir soğutma ceketi tasarlanmıştır. Sıcak tarafta, alt alüminyum plaka elektrik direnç telleriyle ısıtılmıştır. Isıyı plaka üzerinde uniform olarak dağıtmak için, elektrik direnç telleri üç eşit parçaya bölünmüştür. Alüminyum oksitten döküm yöntemiyle ısıtıcı için bir tabla imal edilmiştir. Tablanın içine ısıya dayanıklı cam tüpler yerleştirilmiştir. Her bir elektrik direnç teli tabladaki cam tüplerden geçirilmiştir. Böylece, homojen bir sıcaklık dağılımı sağlayan bir tabla ısıtıcı tasarlanmıştır. Ayrıca, her bir elektrik direnç teli PID (Proportional Integral Derivative) kontrol mekanizmasına sahip dijital sıcaklık kontrol cihazıyla kontrol edilmiştir. Her bir elektrik direnç teli ayrı ayrı kontrol edilerek alt plakada uniform bir sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Böylece, doğal taşınım için gerekli olan sıcaklık farkının kontrol edilebileceği bir deney düzeneği kurulmuştur. Ağır yakıtın viskozitesinin sıcaklıkla olan büyük değişimi ve yüksek Pr sayısı özelliklerini modellemek için, model tank içerisinde çalışma sıvısı olarak gliserin kullanılmıştır. Deneyde soğuk ve sıcak plakaların yüzeylerindeki sıcaklıklar, model tankın farklı noktalarındaki gliserinin sıcaklıklarını ölçmek için gerekli olan veri toplama sistemi, açık kaynaklı bir elektronik geliştirme kartı olan Arduino Mega ATmega2560 ve tasarımı yapılan devrenin delikli pertinaks üzerine aktarılmasıyla geliştirilmiştir. Isıl çiftler, bir bilgisayara bağlı bu çalışmada geliştirilen veri toplama ünitesine bağlanmıştır. Bu çalışmadaki sıcaklık verilerini okumak için Arduino IDE (Integrated Development Environment) yazılımında kod yazılarak düzenlenmiştir. Model tank içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişi için yapılan deneyler İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi'nde bulunan Gemi Emisyonları Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma, izotermal olarak ısıtılan alt alüminyum plaka sıcaklığı ile izotermal olarak soğutulan üst alüminyum plaka sıcaklığı arasındaki 3 farklı sıcaklık farkı değeri için gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, kapalı hacmin dikey simetri ekseni boyunca sıcaklık profilleri sunulmuş ve yatay plakalardaki ortalama Nusselt sayıları hesaplanmıştır. Dikey simetri ekseninde ölçülerek deneysel olarak tahmin edilmiş zaman ortalama sıcaklık profilleri üst ve alt plakaların yakınında keskin bir şekilde değişmiştir. Sıcaklık profili plakaların yakınında termal sınır tabakaların varlığını açıkça göstermiştir. Termal sınır tabakaların dışındaki bölgede sıcaklıkta lineer bir tabakalaşma görülmüştür. Bölüm 3'te gliserin dolu model tanktaki doğal taşınımla olan ısı transferi sayısal olarak incelenmiştir. Aktif alüminyum plakalarda deneysel olarak ölçülen sıcaklıklar sınır şartı olarak sayısal çalışmada kullanılmış ve analizler gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışma, İTÜ Bilişim Enstitüsü bünyesinde bulunan Türkiye Ulusal Yüksek Başarımlı Hesaplama Uygulama ve Araştırma Merkezi'nde (UHeM) bulunan çok işlemcili yüksek performanslı bilgi işlem kümesi SARIYER'de sağlanan hesaplama kaynakları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu zamana bağlı korunum denklemleri, sonlu hacim yöntemine dayalı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı ANSYS Fluent kullanılarak çözülmüştür. Model tank orta düzlemindeki dikey orta eksende sayısal olarak elde edilen sıcaklık profilleri, yatay duvarlarda hesaplanan ortalama Nusselt değerleri deneysel olarak ölçülerek elde edilen sıcaklık profilleri ve Nusselt değerleriyle karşılaştırılmıştır. Deneysel ve sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar, sayısal simülasyonlar ve deneysel ölçümler arasında iyi bir uyum olduğunu göstermiştir. Bölüm 4'de ağır yakıt ile dolu kapalı bir hacimdeki laminer doğal taşınımla olan ısı transferi deneysel sonuçlarla doğrulanan sayısal yöntem ve çözüm prosedürü kullanılarak 103≤Ra≤107 aralığındaki Rayleigh (Ra) sayılarında farklı ısıtma sistemleri ve serpantin boru düzenlemeleri için incelenmiştir. İki farklı ısıtma sisteminin performansları araştırılmıştır. İlk sistemde ısıtıcı serpantinler tanka daldırılmıştır. İkinci sistemde, serpantin borularının tankın dışında yer aldığı dikkate alınarak, ağır yakıtın alt duvardan üniform olarak ısıtıldığı kabul edilmektedir. Sıcak serpantin borularının yüksek viskoziteli akışkana daldırıldığı ısıtma sisteminde serpantin boruları arasındaki yatay ve dikey mesafeler ile serpantin borularının dikey eksendeki konumlarının ısı transfer özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. 103≤Ra≤106'da serpantin borularının kapalı alanın dışında olduğu ısıtma sistemi serpantin borularının kapalı alana daldırıldığı sistemden daha düşük bir ısı transfer kabiliyetine sahip olduğu belirlenmiştir. Ra=107'de serpantin borularının kapalı alan dışında olduğu ısıtma sistemi, yatay olarak hizalanmış serpantin boru düzenine sahip ısıtma sistemine kıyasla ortalama Nusselt değerlerinde % 3,25'lik bir iyileşme sağlamıştır. Bölüm 5'de ağır yakıtla doldurulmuş 1:1 ölçekteki bir gemi kargo tankındaki serpantin borularının farklı düzenlemelerinin doğal taşınımla ısı transferi üzerindeki etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Boruların sıralı, kademeli ve katmanlı düzenlemeleri için sayısal simülasyonlar yapılmıştır. Serpantin borularının tankın alt duvarı boyunca eşit yatay mesafelerde dağıtılarak sıralı bir şekilde yerleştirildiği düzen, gemilerdeki serpantin boru yerleşiminin geleneksel tasarımıdır. Gemilerdeki serpantin borularının geleneksel tasarımına ait sonuçlar bu çalışmada düşünülen ve önerilen tüm serpantin boru düzenlemelerine ait sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Serpantin borularının geleneksel tasarımında boru yüzeylerinde elde edilen zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri sıralı düzende yerleştirilerek tank tabanının ortasında kümelenmiş serpantin boru düzeninde elde edilene göre % 7,6 artış göstermiştir. Kümelenmiş boru düzeninde son durumda tankta elde edilen minimum ve ortalama sıcaklık değerleri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilenlere göre düşmüştür. Serpantin borularının kademeli düzeninde borular arasındaki 5 farklı açının (α) 150, 300, 450, 600 ve 750 doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Serpantin boruları arasındaki açı değeri arttıkça boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde ve son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama ve minimum sıcaklık değerlerinde artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600 ve α=750 için elde edilen boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değeri boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre sırasıyla % 2,1 ve % 4,73 iyileşmiştir. Serpantin borularının kademeli düzeninde α=600'de sabit kalacak şekilde borular arasındaki yatay mesafenin doğal taşınımla ısı transferine ve akışa olan etkileri incelenmiştir. Kademeli düzende borular arasındaki yatay mesafenin 0,2284 m'den 0,8 m'ye artmasıyla, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde % 11,25'lik bir artış görülmüştür. Kademeli düzende α=600'de serpantin borular arasındaki yatay mesafenin 0,8 m olduğu durumda boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayısı değerinde boruların geleneksel tasarım düzeninde elde edilene göre % 13,6'lık bir iyileşme görülmüştür. Taşınımdaki bu iyileşme son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum ve ortalama sıcaklık değerlerine yansımıştır. Serpantin borularının katmanlı düzeninde, gemi kargo tankı dikey olarak ısıtma bölgelerine (katmanlara) bölünerek ısıtılmıştır. Hesaplanan toplam ısıtma yükü katman sayısına bölünerek her katmana eşit olarak dağıtılmıştır. Kargo tank yüksekliği 4 ve 5 katman olacak şekilde bölünerek analizler gerçekleştirilmiştir. Katman sayısındaki artış serpantin boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer değerinde bir değişiklik oluşturmazken, son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın ortalama sıcaklığını düşürmüştür. Katmanlı ısıtma, boru yüzeylerindeki zaman ortalama toplam ısı transfer katsayı değerinde gemilerdeki geleneksel boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre % 6,88'lik bir iyileşme sağlamıştır. Ayrıca, katmanlı ısıtmayla son durumda tank içerisindeki ortalama ağır yakıtın sıcaklık değeri de gemilerdeki geleneksel serpantin boru yerleşim düzeninde elde edilen değere göre artmıştır. Buna karşın, katmanlı ısıtma son durumda tank içerisindeki ağır yakıtın minimum sıcaklık değerlerini düşürmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmada önerilen serpantin borularının kademeli ve katmanlı düzenlerinde gemi kargo tankı içerisindeki doğal taşınımla ısı geçişinin etkinliğinde gemilerdeki geleneksel serpantin boru düzenine göre bir iyileşme sağlanmıştır. Böylece, yüksek viskoziteli akışkanla dolu gemi kargo tanklarındaki ısıtma sisteminin enerji etkinliği arttırılmıştır.