Analysis Of Heat Transfer In Crude Oil Tanker’s Cargo Tanks And Cargo Heating System

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Ham 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.Crude oil is one of the most actively traded commodities in the world. Oil transportation has become a complex and highly technical operation. One of the major difficulties in the transportation is the high viscous fluids that require efficient and economical ways to transfer the heavy crude. Heavy crude oils have a density approaching or even exceeding that of water. They are usually extremely viscous, with a consistency ranging from that of heavy molasses to a solid at room temperature. Heavy crude oils are not pumped easily through the pipelines because of the high concentrations of sulfur and several metals, particularly nickel and vanadium. Crude oils are complex fluids that can cause a variety of difficulties during the production, separation, transportation and refining of oil. One of the most prominent challenges is transportation of heavy and extra heavy crude oil from ship to the station. The transportation of heavy and extra-heavy oil presents many operational difficulties that limit their economical viability. Therefore, solving this operational difficulties is very essential due to the economical aspects in terms of increasing use of heavy and extra heavy crude oil in the future. The most widely and efficient enhanced oil recovery technologies are the thermal techniques. Thermal methods reduce the viscosity of heavy crude oil by several orders of magnitude rapidly, in contrast to non-thermal methods in which the mode of viscosity reduction is quite slow. Heating is a common method utilized to overcome the above noted problems of transporting heavy oil from ship to the station. The basis for this method lies in the fact that as heavy oil is heated, the viscosity of the heavy oil is reduced and thus made easier to pump. Therefore it is important to heat the oil to a point where the oil has a substantially reduced viscosity. This method is aimed at reducing viscosity as well as the energy required for pumping, to enhance flowability of the oil. However, heating to increase the temperature of the fluid involves a considerable amount of energy and cost as well. Thus, identifying correctly the heating system requirements, development of appropriate heating system, calculating correctly the factors that affect heat transfer rate is important in terms of energy conservation ,environment effectiveness and cost. This thesis aims to develop appropriate cargo heating system, to determine correctly the heating system requirements, calculating correctly the factors that affect heat transfer rate, to determine the optimal cargo heating management plan,in terms of energy conservation, saving cost depend on fuel consumption and environment effectiveness. Furthermore, this thesis is aimed to find optimal methods scientifically to determine the cargo oil heating time in order to save energy during oil transportation. In this thesis, in the first section presents general information, purpose and scope and literature review about development of cargo oil heating system and plan in oil tankers. In order to accomplish our purpose which was mentioned above, initially 100,000 dwt crude oil tanker (aframax) preliminary design is performed in the second section. In addition to this part, aframax tanker`s main dimensions and its cargo tanks capacities which are necessary to calculate heat transfer rate and coefficients are determined in this chapter. Additionally, crude oil tanker main engine and generating sets are identified and selected. In the third section, general theories of conduction and convection heat transfer are described. Natural and forced convection correlations for vertical and horizontal plates are explained in briefly. In the next chapter, Shell and Spirax Sarco cargo heating systems solutions are analyzed and examined with the values which are written in their literature. In this examination, quantity of heat requirements for Shell and Spirax Sarco are calculated and then these heat requirements for both solutions are compared with each other. Finally, steam consumptions for this cargo heating solutions are determined and compared. In the fifth section, heat transfer coefficients for each section of cargo tanks are calculated under different conditions independently. Spirax Sarco and Shell heat transfer coefficients which are written their literature for double side, deck and double bottom are compared with independent solution of heat transfer coefficients for double side, deck and double bottom. Heat requirements differences occured due to the heat transfer coefficients differences between Shell, Spirax Sarco and our independent solutions and heat requirements for each solutions are compared. Additionally, these two solutions and our independent solution’s boiler fuel consumption onboard crude oil tanker is compared with each other. In the sixth section, solution of heat transfer from heat equipment to the cargo is performed. Cargo heating methods are explained and appropriate one which is called submerged heating coil is implemented to proposed design ship. Finally, discussions and reviews of the obtained numerical results are discussed in the last section of the thesis. Suggestions for any academic studies, research and development in the future are mentioned in final part.Yüksek LisansM.Sc