Analysis of heat transfer in crude oil tanker's cargo tanks and cargo heating system

Ham petrol dünyanın en aktif işlem gören ürünlerinden biridir. Petrol taşımacılığı karmaşık ve son derece teknik bir operasyon haline gelmiştir. Yüksek vizkoziteye sahip akışkanların verimli ve ekonomik olarak transferi petrol taşımacılığının ana zorluklarından biridir. Ağır ham petrolün yoğunluğu suyun yoğunluğa yaklaşmakta hatta çoğu durumda suyun yoğunluğunu aşmaktadır. Ağır ham petroller oda sıcaklığında pekmez ile bir katı maddenin arasinda bir kıvama sahip ve genellikle viskozitesi yüksektir. Ağır ham petroller içerisindeki çeşitli metallerin, özellikle nikel ve vanadyumun, sülfürün yüksek konsantrasyonlarından dolayı boru hatları üzerinden kolayca pompalanamazlar. Ham petroller; çıkarılması, ayrılması, taşınması ve rafınesi boyunca çeşitli zorluklara neden olan karmaşık sıvılardır. Ağır ve aşırı ağır ham petrolün gemiden istasyona taşınması bu zorlukların önde gelenlerindendir. Ağır ve aşırı ham petrollerin taşınması onların ekonomik canlılığını sınırlayan birçok operasyonel zorluk sunuyor. Bundan dolayı, ağır ve aşırı ağır ham petrollerin gelecekte kullanımının artmasına bağlı olarak bu operasyonel zorlukları çözmek ekonomik açıdan çok önemlidir. En yaygın ve verimli ham petrol iyileştirme teknolojileri termal teknikleridir. Termal metodlar ağır ham petrolün viskozitesini, vizkozite düşümü oldukça yavaş olan termal olmayan metodlara göre hızlı bir şekilde düşürmektedir. Isıtma, ağır petrolün gemiden istasyona taşınması ile ilgili yukarıda bahsedilen problemlerin üstesinden gelmek için kullanılan yaygın bir yöntemdir. Bu yöntemin temelinde, ağır ham petrolün ısıtılması, ağır petrolün vizkozitesinin azaltılması ve böylece kolay bir şekilde pompalanabilmesi yatmaktadır. Bu nedenle, ham petrolün büyük ölçüde viskozitesinin düşük olduğu bir noktaya kadar ısıtılması önemlidir. Bu yöntem petrolün viskozitesinin azaltılmasının yanında ham petrolü pompalamak için gerekli enerjinin azaltılması ve petrolün akışkanlığını arttırmayı amaçlamaktadır. Fakat, akışkanın sıcaklığını arttırmak için ısıtmak önemli miktarda enerji ve maliyet gerektirmektedir. Bundan dolayı, doğru ısıtma sistemi gereksinimlerinin belirlenmesi, uygun ısıtma sisteminin geliştirilmesi, ısı transfer oranını etkileyen faktörlerin doğru bir şekilde hesaplanması enerji tasarrufu, çevre etkinliği ve maliyet açışından önemlidir. Bu tez enerji tasarrufu, yakıt tüketimine bağlı maliyet ve çevre etkinliği açısından uygun kargo ısıtma sisteminin geliştirilmesini, doğru ısıtma sistemi gereksinimlerinin belirlenmesini, ısı transfer oranını etkileyen faktörlerin doğru olarak hesaplanmasını, optimum kargo ısıtma yönetim planının belirlenmesini amaçlamaktadır. Bununla birlikte, bu tez ham petrolün taşınması esnasında enerji tasarrufu açısından ham petrolün ısıtılma süresini belirlemek için bilimsel optimum metodların bulunmasını amaçlamaktadır. Bu tezin ilk bölümünde genel bilgiler, tezin amacı ve kapsamı ,ham petrol tankerlerindeki kargo ısıtma sistemi ve planının gelişimi hakkında literatür çalışması sunulmuştur. İkinci bölümde, yukarıda değindiğimiz amacımızı başarmak için ilk olarak 100.000 (dwt) dead weight tonluk ham petrol (aframax) tankerinin ön dizaynını gerçekleştirdik. Bu kısma ek olarak, bu bölümde ısı transfer oranını ve katsayılarını belirlemek için gerekli olan aframax tankerin ana boyutları ve kargo tanklarının kapasiteleri belirlendi. Ayrıca ham petrol tankerinin ana makine ve jeneratör setleri tespit edildi ve seçildi. Üçüncü kısımda, iletim ve konveksiyon ısı transferi genel teorisi tarif edildi. Yatay ve dikey plakalardaki doğal ve zorlanmış konveksiyon bağıntıları kısaca açıklandı. Sonraki bölümde, Shell ve Spirax Sarco kargo ısıtma sistemlerinin çözümleri literatürlerinde yazan değerlerle analiz edildi ve incelendi. Bu incelemede, Shell ve Spirax Sarco ısı gereksinim miktarları hesaplandı ve daha sonra bu ısı gereksinim değerleri birbiriyle karşılaştırıldı. Bu iki ısıtma sisteminin buhar tüketimleri belirlendi ve karşılaştırıldı. Son olarak, Aframax tankerlerin dünya üzerinde kullanıldığı rotalar belirlendi ve bu rotalara ait mesafeler bulundu. Bu mesafelerden yola çıkarak uygun gemi seyir hızında bu rotalardaki gemi yolculuk süreleri faz 2 ve faz 3 durumları için Shell ve Spirax Sarco yöntemleri için ayrı ayrı hesaplandı. Geminin bir yolculuğu boyunca faz 2 ve faz 3 durumları için gemi kazan toplam yakıt tüketimleri hesaplandı ve karşılaştırıldı. Bunun sonucu olarak hangi yöntemin toplam yakıt tüketimi açısından veya saatlik buhar tüketimi açısından uygun olup olmadığı belirlendi. Toplam yakıt tüketimi açısından hangi yöntemin çevresel olduğu da doğal bir sonuç olarak verildi. Beşinci bölümde, kargo tankındaki ısı transfer katsayıları tanımlandı ve kargo tankın her bir bölümü için ısı transfer katsayıları farkı şartlar altında bağımsız olarak hesaplandı. Bu ısı transfer katsayıları hesaplanırken kargo tankının içindeki ve dışındaki şartlar ayrı ayrı belirlendi . Akışkanların fiziksel özellikleri bulundukları ortama göre belirlendi. Bu şartlar altında levha sıcaklık dağılımları belli sayıda iterasyon yapılarak bulundu. Daha sonra boyutsuz sayıların yardımı ile levhanın yatay ve dikey olması durumuna göre farklı Nu korelasyonlarıyla ısı transfer katsayıları hesaplandı ve ısı transfer eşitliği kullanılarak plakalardaki ısı transfer katsayılarında düzeltme yapıldı. Bu düzeltmeler yapıldıktan sonra son olarak güverte, çift dip ve borda çift sacı ısı transfer katsayıları belirlendi. Spirax Sarco ve Shell ısıtma sistemi çözümlerinin güverte, çift dip ve borda çift sacı için literatürlerinde yazan değerlerle; güverte,çift dip ve borda çift sacı için bağımsız çözümümüzden elde ettiğimiz değerler karşılaştırıldı. Aynı zamanda; güverte, çift dip ve borda çift sacı için elde ettiğimiz ısı transfer katsayıları literatürde sonlu elemanlar yöntemiyle hesaplanmış ısı transfer katsayıları ile karşılaştırıldı. Literatürdeki yazan değerler ile bağımsız çözümümüzden elde ettiğimiz değerlerin birbirine yakın olduğu tespit edildi. Shell ve Spirax Sarco yöntemlerinde kullanılan ısı transfer katsayılarının literatürde ve bağımsız çözümümüzden elde ettiğimiz değerler arasında önemli farklılıklar olduğu tespit edildi. Doğal olarak bu yöntemlerle hazırlanan sistemlerde ısı kayıplarının daha fazla hesaplandığı tespit edildi. Buna bağlı olarak Shell ve Spirax Sarco yöntemleri ile hazırlanan sistemlerde daha büyük kapasiteli kazanların kullanılması gerektiğini ve bunun fazla yakıt tüketmeyi beraberinde getirdiği nedenleriyle açıklandı. Bu amaçla doğru ısı transfer katsayıların hesaplanması ısı kayıplarının doğru hesaplanmasını sağlamaktadır ve bu sistemden hiçbir şey eksiltmeden otomatik olarak bize önemli miktarda yakıt tasarrufu sağlamakta olduğu gösterildi. Shell, Spirax Sarco ve bizim bağımsız çözümümüz arasında ısı transfer katsayıları farklılığına bağlı olarak ısı gereksinim farklılığı ortaya çıktı ve her çözüm için ısı gereksinimleri karşılaştırıldı. Ayrıca, ham petrol tankerindeki Shell, Spirax Sarco ve bizim bağımsız çözümümüzdeki kazan yakıt tüketimleri birbirleriyle karşılaştırıldı. Altıncı bölümde, ısı ekipmanlarından kargoya ısı transferi çözümü gerçekleştirildi. Kargo ısıtma metodları açıklandı ve uygun ısıtma metodu olan ısıtma kangalları metodu önerilen gemi dizaynına uygulandı. Son olarak; elde edilen sayısal bulguların tartışma ve yorumları tezin son bölümünde ele alındı. Gelecekteki akademik calışmalar, incelemeler ve gelişmeler için öneriler son bölümde verildi.