Enerji tasarrufu enerjiyi kullanmamak anlamına gelmez. Enerji

Transkript

1 SANAYİDE ENERJİ TASARRUF POTANSIYELI-I Durmuş KAYA ', Cengiz GÜNGÖR GİRİŞ Bu çalışmada sanayi tesislerinde tasarruf edilebilecek enerji miktarı ile bunun mali değerinin hesabı için gerekli prosedürler açıklanmıştır. Herbırtasarrufpotansiyeli için; Türkiye'nin değişik illerinde ve ABD'nin Arizona ve Nevada eyaletlerindeki farklı sanayi tesislerinde gerçekleştirilmiş enerji tasarrufu çalışmalarından örnekler verilmiştir. Bu örneklerde tasarruf miktan, tasarrufun mali karşılığı, yatırım tutarı ve gen ödeme süreleri hesaplanmıştır. Bu çalışmada ele alınan başlıca tasamıf imkanları şunlardır: () yüksek verimli motor kullanımı, (2) Basınçlı hava sistemindeki kaçakların önlenmesi, (3) basınçlı hava sistemlerinde düşük basınçlı hava kullanım, (4) kompresör emiş havasının dış ortamdan alınması, (5) yakma havasının ısıtılması, (6) kirlenmiş akışkandan ısı geri kazanımı (7) sıcak ve soğuk yüzeylerin izolasyonu, (8) boşta çalışma süresinin azaltılması, (9) standart V- kayışları yüksek verimli olanlar ile değiştirilmesi. Yukandaki tasarruf imkanlanndan ilk dördü bu çalışmada diğerleri ise ikinci bir makalede verilmiştir. Anahtar sözcükler : Enerji tasarrufu; enerji etüdü; yüksek verimli motor, basınçlı hava kaçaktan, düşük basınçlı hava, dış ortam havası, yakma havasının ısıtılması, izolasyon, yüksek verimli kayış, boşta çalışma, ısı geri kazanımı. In this paper, the methods for the evaluation of the energy amount and financial value of this energy that can be saved in the industrial plants are given. For each method, examples are given from different cities of Turkey and from Arizona and Nevada in USA. In these examples, the amount of the saved energy, financial evaluation ofthisenergy, investment cost and pay back period are calculated. Among the methods we investigate for energy saving are: () installing high efficiency motors, (2) repairing air leaks, (3) using low pressure air for the compressed air systems, (4) providing the compressor inlet air from outside, (5) preheating the combustion air, (6) recovering the heat from the waste fluid, (7) insulating hot and cold surfaces, (8) reducing the unload time, (9) changing the standard V-type belts with high efficiency belts. First four of these will be investigated in this paper, the rest will be given in a separate paper. Keywords: Energy saving; energy audit; high efficiency motor, compressed air leakages, low pressured air, outside air, preheating the combustion air, insulation, high efficiency belt, unload won\, recovery the heat. Dr TÜBİTAK - MAM Enerji Sistemleri ve Çevre Arş. Ens. Mak. Yük Muh, MAM Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü Enerji tasarrufu enerjiyi kullanmamak anlamına gelmez. Enerji tasarrufu, enerji arz hizmederinin azaltılması veya kısıdanması şeklinde de düşünülmemelidir. Enerji tasarrufu, kullanılan enerji miktarının değil ürün başına tüketilen enerjinin azaltılmasıdır. Enerji tasarrufu, enerjinin gereksiz kullanım sahalarını belirlemek ve israfı asgari düzeye indirmek veya tamamen ortadan kaldırmak için alınan önlemleri içerir. Bu şekilde, üretici aynı miktardaki mal veya hizmederi daha az enerji veya aynı miktar enerji ile daha çok mal ve hizmet üreterek, ulusal ve uluslararası alanda rekabet gücünü arttırabilir. Enerji tasarrufu çalışmalarında en etkin ve somut sonuç alan ülkelerden birisi ABD'dir. Bu ülkede son otuz yıl içerisinde enerji verimliliği yüksek teknolojiler kullanılarak enerji verimi önemli miktarda arttırılmıştır. 973 yılından bugüne ekonomideki büyüme %26 oranında gerçekleştirilirken, aynı süre zarfında enerji kullanım oranındaki artış yalnızca %30 olmuştur. Kullanılan enerji miktarı ekonomideki büyümeye parelel olsaydı, 200 yılında tüketilen enerji miktarı 29 trilyon kwh yerine 50 trilyon kwh olacaktı (National Energy Policy, 200). Türkiyede enerji tasarruf potansiyeline ilişkin farklı rakamlar sunulmaktadır. EİEİ Ulusal Enerji Tasarrufu Merkezi tarafından 996 yılında yapılan bir çalışmada, aynı yıl için enerji tasarruf potansiyelinin 4,2 milyon TEP (Ton Eşdeğeri Petrol) olarak belirtilmiş (endüstrinin 0 yıl için kullandığı enerjinin %24'ü) ve bunun nakit değeride yaklaşık milyar $ olarak tahmin edilmiştir. Bu enerjinin tasarruf edilmesi için gerekli yatırım miktarı 2,3 milyar Ş, yatırımların geri ödeme süresi ise bir yıl ile üç yıl arasında değişmektedir (Energy Policies of IEA Countries, 200). EİEİ Ulusal Enerji Tasarrufu Merkezi; büyüyen sanayiimizin hızla artan enerji talebinin %20-30'luk bir bölümünü enerji tasarrufu ile karşılamayı amaçlamıştır (Sanayide Enerji Yönetimi,l 997). Türkiye'nin ortalama ekonomik büyüme hızının %5,5 olduğu kabul edilirse, bu hedefin gerçekleşmesi durumunda; önümüzdeki 5-6 yıl boyunca artan enerji talebi (herhangi bir yatırım yapmaksızın), enerji tasarrufuyla sağlanabilecektir. Türkiye'nin 205 yılına kadar ekonomik büyümeye karşın, enerji talebindeki artışı karşılayabilmesi için, enerji alanında her yıl 3,5-5 milyar $ yatırım yapması gerekmektedir. Dolayısıyla, EİEİ Ulusal Enerji Tasarrufu Merkezin enerji tasarrufu hedefinin gerçekleştirilmesi durumunda, yalnızca enerji alanındaki yatırımdan yaklaşık 20 milyar Ş tasarruf sağlanmış olacaktır (Energy Policies of IEA Countries, 200). Enerji tasarrufunun mali faydasının yanında diğer önemli bir katkısı da çevre kirliliğinin azaltılmasıdır. Mühendis ve Makina - Cilt 43 Sayı 54 20

2 Enerji sistemlerinde yapılacak her iyileştirme, fosil yakıt' kullanımının azaltılması ve dolayısıyla çevreye yayılan kirliliğin azalmasında önemli katkı sağlayacaktır. Bu çalışmanın amacı bilinmeyen bir şeyi ortaya koymak değil, literatürde vat olan ancak iş yoğunluğu, önemsememe, eğitimsizlik veya bilinçsizlik gibi nedenlerle kaybolan milyarlarca dolarlık tasarruf potansiyelini nerelerde aramamız gerektiğini vurgulamaktır. Çalışmada sanayi tesislerinde tasarruf edilecek enerji ve bunun mali değerinin hesabı için gerekli prosedürler açıklanmıştır. Her bir tasarruf potansiyeli için gerçekleştirilmiş enerji tasarrufu çalışmalarından örnekler verilmiş, bu örneklerde tasarruf miktarı, tasarrufun mali karşılığı, yatmm tutarı ve gen ödeme süreleri hesaplanmıştır. POTANSİYEL ENERJİ TASARRUF ALANLARI Yüksek Verimli Motor Kullanımı Bütün motorlar gibi elektrik motorları da kullandıkları enerjinin tamamını mekanik enerjiye çeviremezler. Motorun mekanik güç çıkışının, çekilen elektrik gücüne oranı motor verimi olarak adlandırılır ve motor tipi ve büyüklüğüne göre %70 ile %96 arasında değişir (MotorMaster, 993). Ayrıca kısmi yükte çalışan motorların verimleri de düşüktür. Bu verimler de motordan motora değişiklik gösterir. Örnek olarak bir motorun tam yükte verimi %90, yarı-yükte %87 ve X A yükte %80 iken aynı özelliklerdeki başka bir motorun tam yükteki verimi %9 iken V* yükte %75 verimle çalışabilir. Son yıllarda geliştirilen yüksek verimli motorların maliyetleri standart motorlara göre %5-25 daha pahalı olmakla birlikte, çoğu zaman işletme maliyetlerinin düşük olmaları nedeni ile bu fark kısa bir sürede geri kazanılır (Çengel ve diğerleri, 2000). Bu motorların sargılarında kullanılan bakır iletkenin kesitinin arttırılması ile primer PR kayıpları düşürülebilir. Demir göbek kayıpları akı yoğunluğunun azalması ile, genellikle stator göbeğinin boynunun arttırılması ile sınırlanabilir. Bunun yanında bu kayıplar levha kalınlığının azalması ve kaliteli alaşım kullanılarak da azaltılabilir. Ayrıca yüksek verimli motorlarda azalan kayıplar nedeniyle, açığa çıkan ısının dışarıya verilmesi gereksinimi azalır. Standart bir motorun yüksek verimli motor ile değiştirilmesi durumunda tasarruf edilecek enerji aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanabilir. Enerji Tasarrufu = MSxNominal Güç x O) Burada; MS aynı güçteki motor sayısı, ÇS çalışma süresi, YKyük katsayısı (fiili yükün tam yüke oranı), KF kullanma faktörü, Tl, standart tip motor verimi, Tl,,, yüksek 'standart L 'yüksek venmk < verimli tip motor verimini göstermektedir. Standart motor ile yüksek verimli motorların verimle ilgili kıyaslamalar Tablo l'de verilmiştir (Nadel ve diğerleri, 99). Tablo. Motor Verimlerinin Karşılaştırılması Nominal Motor Gücü (hp), Nominal Motor Gücü 0,746,9,492,865 2,238 2,984 3,73 5,595 7,46,9 3,428 4,92 8,65 22,38 29,84 37,3 44,76 55,95 74,6 93,25,9 49,2 86,5 223,8 Standart Tip Motor Ortalama Verimi Yüksek Verimli Motor Ortalama Verimi Nor Değerler sekiz firmanın ortalama değen olup, motor tam yükte olması durumu için geçerlidir. Örnek: Bir sanayi tesisinde yapılan enerji tasarrufu çalışmalarında 5 adet standart verimli motor tespit edilmiştir. Bu motorlara ait nominal güç, motor sayısı ve kullanma faktörü Tablo 2'de verilmiştir. Motorlar yılda 6000 saat çalıştırılmaktadır. Tüm motorlar için kullanma faktörü (KF) dır. Elektriğin demand maliyeti 7,90 $/ kw, kullanma ücreti 0,0494 Ş/kW dır. Tesiste ekonomik ömürlerini dolduran standart verimli motorların yerine yüksek verimli motor kullanılması durumunda yıllık Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54 2

3 enerji tasarruf, mali tasarruf, yatırım miktarı ve bunun geri ödeme süresi ne olur? DMT = DT x (ortalama demand birim fiyatı) x (2 ay/yıl) (4) Çözüm: Not: Elektrik enerjisinde iki tür fiyadandırma söz konusudur. Bunlardan biri demand metrenin okuduğu değer, diğeri ise elektrik sayacının okuduğu enerji miktarıdır. Demand metre sayacı her ay sıfırlanmakta ve o ay içinde en yüksek güç çekimine karşılık gelen değerde sabit kalmaktadır. Bu değer firmanın tarifesinde belirtilen kw başına demand birim fiyatı ile çarpılarak demand tüketim ücreti bulunmaktadır. Normal sayaç ise o ay içinde kullanılan toplam elektrik enerjisini göstermektedir ve birim fiyatıyla çarpılarak kullanım ücreti bulunur. Elektrik şirketine ödenen ücret ise bu iki değerin toplamıdır. Tablo 2. Motorun Kullanıldığı Yer Kompaktör Kazan Blover # Blover #2 Press Blover Press - Press -2 Kollektor - Kollektor -2 Sirkülasyon Toplamlar Motor Nominal Güçlen, Sayısı ve Kullanma Faktörü Nominal Motor Gücü (hp) Nominal Motor Gücü 7,46,9 5,595 8,65 0,746 8,65 37,3 7,46 3,73 3,73 Motor Sayısı Yüksek verimli motor tesis edilmesiyle, motorlar için aylık demand enerji tasarrufu (DTi), aylık kilovat-saat enerji kullanım tasarrufu (KTİ) olmak üzere aşağıdaki gibi hesap edilir: DTİ = Nominal Güç x MS x YK x KTı = DTı x ÇS x KF (3) Örnek olarak 0-hp (7,46 kw) nominal gücündeki 2 adet motor için demand enerji tasarrufu : DTİ = (7,46 kw x 2 x ) x [(.0/0.895) - (.0/0.97)] DTİ = 0.40 kw/ay Demand düşümünden kaynaklanan yıllık toplam mali tasarruf (DMT) aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesap edilir. 5 (2) DMTİ = (0.40 kw) x (7,90$/kW) x (2 ay/yıl) DMTİ = 38 S/yıl Bu örnek için kullanım tasarrufu (KTİ) : KTİ = (0.40 kw/ay) x (6.000 saat/yıl) x () KTİ = 2400 kwh/yıl Yıllık kullanımdan kaynaklanan tasarrufun parasal karşılığı (KMT) : KMT = KT x (ortalama elektrik birim kullanım fiyatı) (5) KMTİ = 2400 kwh/yıl x $/kWh KMTİ = 8,56 S/yıl Toplam tasarrufun karşılığı (YMT), kullanım ve demand'ten kaynaklanan parasal tasarrufun toplamıdır. YMT = KMT + DMT (6) YMTİ = 8,56 $/yıl + 38 $/yıl YMTİ = 56,56$/yıl Aynı hesaplar fabrikada bulunan tüm motorlar için yapılmış ve tasarruf miktarları Tablo 3'de verilmiştir. Tabloda verildiği üzere aylık toplam demand enerji tasarrufu 7,40 kw, yıllık enerji kullanım tasarrufu (toplam enerji tasarrufu) kwh dir. Bütün motorlar değiştirildiğinde toplam tasarrufun parasal karşılığı $/yıldır. Bu motorlar için geri ödeme süresi yüksek verimli motorla, standart motor arasındaki fiyat farkından bulunabilir (Tablo 3). Geri ödeme süresi = (Yatırım Tutarı) / (Yıllık Mali Tasarruf) Gen ödeme süresi = (3.338$)/(2.897Ş/yıl) x 2 ay/yıl Gen ödeme süresi = 4 ay Motor Değiştirme Prosedürü ve Beklenen Tasarruflar: Yukarıda hesaplanan toplam enerji tasarrufu (TET), tüm standart motorların yüksek verirnli motorlarla hemen değiştirilmesi durumunda geçerlidir. Ancak pratikte durum farkkdır. Ortalama standart tip elektrik motorlarının ömrü 2 yıldır. Dolayısıyla tüm motorların bir anda değiştirilmesi yerine; ekonomik ömrünü tamamlayan motorların, yüksek verimli motorlar ile değiştirilmesi söz konusudur. 22 Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54

4 Tablo 3. Motor Enerji Tasarrufları Motorun kullanıldığı yer Kompaktör Kazan Blover # Blover #2 Press Blover Press - Press -2 Kollektor- Kollektor -2 Sirkülasyon Nominal motor gücü (hp) ' 0, Motor Sayısı DT 0,40 0,53 0,5 0,36 0,84,09 0,84,40 0,3,66 KT (kwh) DMT (S/yıl) KMT (S/yıl) YMT (S/yd) DFF ($) TDFF ($) Toplamlar 5 7, $702 $2.95 $2.897 $.363 $3.338 DFF Her bıı motor için değişim fiyat farkı (8 üretici firmanın ortalama değerlen) TDFF- Toplam değişim fiyat farkı Bir program çerçevesinde, yukarıda verilen örnekteki motorlann her yıl /2'sı değiştirilecektir. N'incı yıldaki enerji tasarrufu ET N olmak üzere, standart motorların yüksek verimli motorlar ile değiştirilmesi durumunda enerji tasarruf miktarı aşağıdaki gibi hesap edilebilir. ET N = Nx(l/2)xTET (7) Tasarrufun parasal karşılığı (MTN) aşağıdaki gibi hesap edilir: MT N = Nx (/2) x YMT (8) Belirlenen bir yıl için (N), kümülatif enerji tasarrufu (KET ), ve kümülatif enerji tasarrufun parasal karşılığı (KMT N ) aşağıdaki gibi hesap edilir. KET N = ET, + ET ET N KMT = MT + MT, MT N 2 N (9) (0) Kümülatif net mali tasarruf ise; kümülatif mali tasarrufun, kümülatif yatırım tutarından çıkarılmasıyla hesaplanır. Örneğin, eskiyen standart motorların yüksek verimli motorlarla değiştirildiği ilk yıldan başlayarak gerçekleştirilecek enerji tasarrufu ve parasal karşılığı: ET, = () x (/2) x (44425 kw/yıl) = 3702, kw/yıl MT, = () x (/2) x (28975/yü) = $24/yıl ikinci yıl için enerji tasarrufu ve parasal karşılığı: ET 2 = (2) x (/2) x (44425 kw/yıl) = 7404,3 kw/yıl MT 2 = (2) x (/2) x (2897$/yıl) = 483 Ş/yıl Kümülatif enerji tasarrufu ve parasal karşılığı: KET 2 = ET, + ET 2 = 3702,+ 7404,3 = 06,4 kw/yıl KMT 2 = MT, + MT 2 = 24$ + 483$ = 724$ 2 yılın sonunda kümülatif net mali tasarruf ise: Kümülatif net mali tasarruf = =68 $ Yukarıda verilen eşitlikler kullanılarak, motor değişimin programının her yılı için enerji tasarrufu, kümülatif enerji tasarrufu, kümülatif malı tasarruf, kümülatif yatırım tutarı ve kümülatif net tasarruf hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 4'de verilmiştir. Yatırım Tutarı Bu tasarruf önleminde hesaplanan yatırım tutarı, yüksek verimli motorlar ile standart motorların fiyat farkına dayanır. Ayrıca standart motorlar ekonomik ömürlerini doldurduğunda zaten değiştirileceğinden ilave bir işçilik gerekmemektedir. Yatırımın geri dönüşü ise motor değişim programının 2 yılından (4'üncü aydan) itibaren başlamaktadır. Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54 23

5 Tablo 4. Motor Değişim Programı Boyunca Enerji ve Parasal Tasarruflar Yıl Sonu Yıllık Enerji Tasarrufu 3.702, 7.404,3.06, ,6 8.50, , , , 33.39, , , ,7 Kümülatif Enerji Tasarrufu 3.702,.06, , , , , , , , , , ,8 Yıllık Parasal Tasarruf (S/yıl) Kümülatif Parasal Tasarruf ($/yıi) Kümülatif Yatırım Tutarı ($) Kümülatif Net Tasarruf (S/yrf) Basınçlı Hava Sistemindeki Kaçakların Önlenmesi Yapılan enerji tasarrufu çalışmalarında, enerji tasarruf potansiyelinin en yüksek olduğu alanlardan birinin basınçlı hava sistemi olduğu görülmüştür. Basınçlı hava, sanayide çok yaygın olarak kullanılan olmazsa olmaz bir girdidir ve kullanımı giderek de yaygınlaşmaktadır. Basınçlı hava sisteminde olacak bir arıza birçok tesiste üretimin durmasına sebep olmaktadır. Günümüzde kompresörsüz bir fabrika düşünmek oldukça zordur. Dört zamanlı motor ile tahrik edilen tipleri de olmakla beraber, kompresörlerin hemen hemen tamamı pahalı bir enerji olan elektrik ile çalışmaktadır. Kompresörler birkaç kw ile 0,000 kw arasında değişik kapasitelerde üretilmektedir ve birçok sanayi tesisinde en çok enerji harcayan ekipmanların arasında yer alırlar (Risi, J.D., 995). Bu yüzden eğer bir sistemde basınçlı hava yerine başka bir sistemin kullanılma imkanı varsa bu sistem tercih edilmelidir (Kaya ve diğerleri, 2002). Basınçlı hava sistemlerindeki yetersiz tesisat ve bakımdan kaynaklanan enerji kaybı, kompresörün harcadığı enerjinin %50'sine varabilir ve basit işletme tedbirleri ile bunun yarısının önlenmesi pratik olarak mümkündür (Talbott, 993). Bir kompresörü bir sene çalıştırmak için harcanan elektrik enerjisinin maliyeti genelde kompresörün satın alma fiyatını geçer (HoldsworthJ., 997). Örneğin 00 kw gücünde ve %90 verimle çalışan bir elektrik motoruna sahip kompresörün yılda 6000 saat çalıştığı varsayılırsa, 0.07 USD/kWh enerji birim fiyatı için yıllık - enerji harcaması 46,600 USD'dir. Bu örnek basınçlı hava sistemindeki tasarrufun rakamsal boyutunu ortaya koymaktadır. Oysa bu sistemlerde pratik bazı önlemlerle önemli miktarda enerji ve mali tasarruflar sağlanabilir (Çengel and Boles 998). Hava kaçakları, basınçlı haya sisteminde meydana gelen enerji kayıplarının en önde gelen sebebidir. Bir kompresörün hava kaçaklarının oluşturduğu basınç düşümünü önlemesi için daha üzun zaman çalışması gerekmektedir. Çeşitli çalışmaların gösterdiğine göre, üretilen basınçlı havanın yaklaşık %25'i sızıntılar nedeni kayıp olmaktadır (Tarell, 999). Bu kayıpların tamamen önlenmesi pratik değildir ve %0'a indirilmesi kabul edilebilir bir sınır olarak benimsenmektedir (Çerçi ve diğerleri, 995). Kaçak hava miktarı hat basmana, basınçlı havanın kaçak noktasındaki sıcaklığına, kompresör emişindeki hava sıcaklığına ve havanın kaçtığı deliğin çapına bağlıdır. Genelde hava kaçakları, boruların bağlantı yerlerinde, flaşlarda, manşon ve dirseklerde redüksiyonlarda, vana gövdelerinde, filtrelerde, hortumlarda, çek vanalarda, uzatmalarda ve basınçlı havayı kullanan cihazlarda olmaktadır. Sıcaklık değişimleri ve titreşim bağlantılannın gevşemesinin ve böylece de sızmaların başlıca sebepleridir. Bu nedenle borulann birleşme yerlerini periyodik olarak gözden geçirmek bu konuda yapılacakların başında gelir. Kaçaklar genelde son kullanım yerinde veya basınçlı hava hattının ekipmana bağlandığı yerde olur. Sık sık basınçlı hava girişinin açıp kapandığı bu gibi yerlerde contalar hızla bozulur. Bu nedenle contaların da periyodik olarak bakımının yapılarak eskiyenlerin değiştirilmesi gereklidir. Mühendis ve Makına - Cilt-43 Sayı 54 24

6 Basınçlı hava kaçaklarını bulmanın birçok metodu vardır. Bunların başında kulakla dinlemek gelir. Büyük delikler kulakla rahat duyulabilecek seviyede ses çıkarırlar. Fakat gürültülü ortamlarda bu metoda kaçakları bulmak çok zorlaşır. Bağlantı yerlerini sabun köpüğü ile kontrol etmek, kulakla dinlemekten çok daha hassas sonuç verir. Fakat binlerce bağlantının tek tek kontrol edilmesi de imkansızdır. Sızıntıların bulunmasında en modern metot, ultrasonik ses detektörü kullanmaktır. Hava kaçaklarının oluşturdukları, insan kulağının duyamayacağı seviyedeki sesleri bir mikrofon vasıtası ile algılayarak, kulağın duyabileceği seviyeye yükselterek çalışan bu cihazlar ile yaklaşık da olsa kaçan havanın miktarını da tahmin etmek mümkündür. Bütün tesisteki kaçak miktarını bulmanın diğer pratik bir yolu da basınç düşümünü izlemektir. Yapılışı şöyledir: çalışması için basınçlı havaya ihtiyaç duyan bütün üniteler durdurulur. Kompresörün boşta ve yükte çalışma süreleri ölçülerek en az 5 defa kaydedilir ve aşağıdaki formül yardımı ile kaçak miktarı bulunur. Toplam Kaçak Miktarı (Kompresör Kapasitesi () bağlı olarak enerji kaybının değişimi Şekil l'de verilmiştir (Kaya ve diğerleri, 2002). Şekil. Basınçlı Hava Sisteminde Delik Çapına Bağlı Olarak Enerji Kaybının Değişimi (vidalı kompresör, motor verimi=0.90, kompresör çıkış basıncı 700 kpa, hat basıncı 650 kpa, kaçan hava sıcaklığı 20 C, atmosfer basıncı 0 kpa bar, C d =0.S ) Basınçlı hava sisteminde atmosferik basıncın hat basıncına oranı kontrol edilir. Bu oran %52'den küçük olduğu durumlarda, akışın bir sızıntı olarak kabul edilerek delikten kaçan havanın debisi (Vf) bağıntıyla hesaplanabilir (Kaya ve diğerleri, 2002): aşağıdaki Burada, t ve t^, sırasıyla saniye olarak yükte ve ukr boşta çalışma süreleridir. İsraf edilen güç ise kompresörün çektiği enerji bir güç analizörü ile ölçülerek bulunabilir. Ayrıca pratik olarak da toplam kaçak miktarının 3'e bölünmesi ile yaklaşık olarak israf edilen güç kw cinsinden bulunabilir. Basınçlı hava sistemi kayıplarının hesaplarında kompresör tipine bağlı olarak kompresör verimi kullanılır. Kompresör tipine bağlı olarak kompresör verimi Tablo 5'de verilmiştir (Barber, 989). Delik çapı büyüdükçe basınç kayıpları eksponensiyel olarak artmaktadır. Basınçlı hava sisteminde delik çapına Tablo S. Kompresör Tıpı ve Kompresör Verimleri (2)- Burada; N L hava kaçaklarının sayısı, T kompresör içindeki havanın sıcaklığı ( K), P L delik olan yerdeki hat basıncı (kpa), Pi Atmosferik ortam basıcı (kpa), C sonik akış sabiti (volumetrik) (3.29), C^Kare kesitli orifıs katsayısı (0.8), 7 Pi sayısı, D Delik çapı (m), T L ortalama hat sıcaklığı ( K)'dır. Kaçaklardan dolayı oluşacak güç kaybı (L), atmosferik basınçtan kompresör boşalma basıncına kaçak hava miktarı havayı sıkıştırmak için gereken güce eşit olduğu varsayımı ile aşağıdaki gibi hesaplanır. Kompresör Tipi Tek kademeli pistonlu Çok kademeli pistonlu Vidalı Rotary Tek kademeli santrifüj Çok kademeli santrifüj Turbo blöver Roots blöver *]komp Burada, V f kaçan hava debisi (m 3 /s), k havanın spesifik ısı oranı (.4),'N kademe sayısı, P kompresör çalışma basıncı (kpa), E kompresör adiyabatik verimi (E a = 0.88 tek zamanlı pistonlu kompresör, E a = 0.75 çok Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54 25

7 zamanlı pistonlu kompresör, E = 0.82 vidalı kompresör), E Kompresör motor verimi Yıllık enerji tasarrufu aşağıdaki şekilde hesaplanır: Enerji Tasarrufu =L x H (4) Örnek olarak 6 adet 0,5 mm delik için hesaplar: Delikten kaçan havanın debisi (Vf): - Burada, H hava hattının yıllık basınç altında olduğu süre'dır. Yıllık maliyet kazancı aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Maliyet Kazancı = (Enerji Kazancı x Birim kullanma Maliyeti) (5) Kaçaklardan dolayı oluşacak güç kaybı (L): Örnek : Bir fabrikada yapılan enerji etddü çalışmalarında, basınçlı hava sisteminde 6 adet 0,5 mm, 6 adet 0,75 mm ve 5 adet mm çapında kaçaklar tespit edilmiştir. Hava kaçaklarının maliyetini hesaplamak için gerekli diğer parametreler ölçülmüş ve Tablo 6'da verilmiştir. Basınçlı hava hadarının uzunluğu nedeniyle basınçlı hava sıcaklığının ortam sıcaklığına eşit olduğu kabul edilmiştir. Sistemin toplam enerji kaybı, mali kaybı, yatırım tutarı ve geri ödeme süresi nedir? Tablo 6. Basınçlı Hava Sistem Parametreleri Parametreler Kompresör emiş havası sıcaklığı ( C) Kaçak noktasında hava sıcaklığı ( C) Kompresör çalışma basıncı (geyç basıncı), kpa Kompresör çalışma basıncı (mutlak basınç), kpa Kaçak noktasında hat basıncı, kpa Toplam kompresör motor gücü, kw Kompresör motor verimi Kompresör tipi Kompresör çalışma saati (yıllık) Elektrik Birim Fiyatı $/kwh % Vidalı 7, = 0,568 kw Yıllık enerji tasarrufu (4 ve 5 nolu eşitlikten): Enerji Tasarrufu =0,568 x 7269 Enerji Tasarrufu =428 kwh Yıllık maliyet kazancı aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Maliyet Kazancı =428 x 0,068 Maliyet Kazancı =280$ Aynı işlemler 0,75 ve tnm'lik kaçaklar içinde uygulanmış ve delik çapına ve sayısına bağlı olarak, enerji kaybı ve bunun mali karşılığı hesaplanarak sonuçlar Tablo 7'de verilmiştir. Yatırım Maliyeti Genel olarak basınçlı hava kaçaklannın tamın, hortum veya kaplinlerin değiştirilmesi, contaların değiştirilmesi, fabrikanın üretim yapmadığı bir saatte basınçlı havanın kapatılması, hatlardaki amaların tamiri, v.b. gibi işlemlerden biri veya birkaçryla gerçekleştirilir (Tablo 8). Tablo 7. Basınçlı Hava Kaçaklarının Maliyeti Delik Çapı (mm) TOPLAM Kaçak Adedi Hava Kaçağı (m 3 /sn) 0,0046 0,0033 0, ,00964 Güç Kaybı 0,568,28,895 3,743 Enerji Kaybı (kwh/yıl) Maliyet (S/yıl) Tablo S. Hava Kaçaklarını Önlemek için Yaklaşık Harcamalar Miktar 7 Birim Adet Açıklama Hava Kaçakları (Malzeme ve İşçilik) TOPLAM Birim Maliyet $5 Toplam Maliyet $255 $ Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54

8 Gen ödeme suresi; gerçekleştirme maliyetinin iş de artmaktadır. Kompresör basıncının P değerine hesaplanan yıllık tasarruf miktarına bölünmesi ile düşürülmesi ile güçteki tüketim oranı (GTO): bulunabilir. Gen Ödeme Süresi = Gerçekleştirme Maliyeti -s- Yıllık Tasarruf Miktan (6) (7) 255$ +,850 S/yıl 0.4 yıl (.7 ay) eşitlığıyle hesap edilir. Kompresör Çıkış Basıncının Düşürülmesi Basınçlı hava sistemlerinde enerjinin çokça israf edildiği diğer bir konuda, ekipmanların ihtiyaç duyduğundan daha yüksek basınçlara kadar havanın sıkıştırılmasıdır. Bilindiği üzere basınç yükseldikçe sıkıştırmak için harcanan enerji de artar. Bu nedenle basınçlı hava kullanan ekipmanlar incelenerek, asgari gerekli basınç tespit edilmeli ve kompresör çıkış basıncı buna göre ayarlanmalıdır. Gerekirse farklı seviyede basınç gereken ekipmanlar ayrı kompresör ve hatlardan beslenmelidir. Sadece hattı ayırıp hattın başında regülatör ile basıncın düşürülmesi, o hatta olacak sızıntı kayıplarını da azaltacaktır. Basınçlı hava hatlarındaki sızıntılar ve boru kesitlerinin yeterince büyük seçılmemesı gibi nedenlerle bilhassa ani hava kullanımlarında- basınç düşümleri olmaktadır. Makinaların basınç düşümlerinden etkilenmeden çalışması için genelde uygulanan yöntem kompresör çıkış basıncının (kompresör set değen) yükseltilmesidir. Bunun sonucu olarak da kompresörün harcadığı enerji de artmaktadır. Ani hava çekimlerinde hat basıncının düşmemesi için son kullanım yerlerine yakın hava tankları yerleştirilmesi yerinde olacaktır. Ayrıca hat basıncının düşmesinin diğer bir sebebi de tesisatta dar kesitli boruların kullanılmasıdır. Bu hatların yenilenmesi de bir yıldan az geri ödeme suresi olan yatırımlardandır. Aşağıdaki denklemden görüleceği üzere çıkış basıncı (P, ) artmasına bağlı olarak havayı sıkıştırmak için gerekli Burada, P h kompresör mevcut çıkış basıncı (set değeri), P 2 kompresör tavsiye edilen çıkış basıncı, P kompresör emiş basıncı, k havanın özgül ısı oranı (.4)'dır. Bir kompresöründe basıncın düşürülmesi ile bir yılda tasarruf edilecek enerji miktarı ve bunun mali karşılığı ise aşağıdaki formüller yardımı ile tahmin edilebilir. Tasarruf Edilen Enerji= MGXKK->LYÇSX(-GTO)+T] (8) Maliyet Kazancı = (Enerji Kazancı x Birim kullanma Maliyeti) (9) Burada, MG kompresör motor gücü, KK kompresörün kapasite kullanma oranı, YÇS kompresör yıllık çalışma süresi, GTO güç tüketim oranı, t kompresör motor verimidir. Örnek: Bir fabrikada yapılan enerji etüdü çalışmalarında; tesisteki makinaların çoğunluğunun 4 bar basınç ile çalıştığı, bir kısım makinaların ise 6 bar basınca ihtiyaç duyduğu tespit edilmiştir. Bu tesiste elektriğin maliyeti 0.07 Ş/kWh'dır. Makinalann sorunsuz çalışması için Tablo 9'da parametreleri verilen kompresörlerin, çıkış basıncı 7.5 bar'a set edilmiştir. Kompresör set basıncının 7,5 bar'dan sırasıyla 7, 6,8, 6,6 bar'a düşürülmesi durumunda sağlanacak enerji tasarrufu, mali tasarruf, yatırım tutarı ve geri ödeme süresi ne olur? Tablo 9. Basınçlı Hava Sistem Parametreleri Parametreler Kompresör- Kompresör-2 Kompresör-3 Mevcut kompresör çalışma basıncı, bar Hedeflenen çalışma basıncı, bar 7,0 6,8 6,6 Kompresör motor gücü, kw Kompresör motor verimi 9% 9% 9% Kompresör tipi Vidalı Vidalı Vidalı Kompresör çalışma saati (yıllık) Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54 27

9 Örnek olarak nolu kompresör için GTO (7 nolu eşitlikten): bunun parasal değeri hesaplanarak sonuçlar Tablo 'de verilmiştir. Aynı işlemler 2 ve 3 nolu kompresörler için yapılmış ve sonuçlar Tablo 0'da verilmiştir. Tablo 0. Kompresörlerin Tavsiye Edilen Azamı Set Değerlerinde Gııç Tüketim Oranı Kompresör No Güç Tüketim Oranı # 0.96 # # Aynı kompresör için yıllık enerji (8 nolu eşitlikten) ve mali tasarruflar (9 nolu eşitlikten): Tasarruf Edilen Enerji (-0,96) - 0,9 Tasarruf Edilen Enerji Tasarrufun mali karşılığı = Maliyet Kazanç= 2093 Ş/yıl = 90 x 0,9 x 8400 x = kwh/yıl x0,07 Aynı formüller yardımıyla 2 ve 3 nolu kompresörler içinde aynı işlemler yapılmış; yıllık enerji tasarrufu ve Gerçekleştirme Maliyeti Bu tasarruf görülmemektedir. tedbiri için hiçbir yatırım ön Geri Ödeme Süresi Gerçekleştirmek için yatırıma gerek olmadığından, kompresörlerin set değerlerinin değiştirildiği anda, bu tedbir kâra dönüşmeye başlar. Kompresör Emiş Havasının Dış Ortamdan Alınması Bilindiği üzere sıcaklığın düşmesi ile yoğunluk artacağından daha az güç ile daha hava sıkıştırma imkanı doğar. Yaklaşık olarak emiş havasının sıcaklığının her 3 C düşüşünde, enerji tüketimi % azalır. Genelde kompresörler, kapalı odalarda çalıştığından ve oda içinden emiş yapıldığından, dış ortama göre daha sıcak hava ile çalışırlar. Bunun yerine Şekil 2'de gösterildiği gibi bir hava kanalı ile dış ortamdan hava alınması yararlı olacaktır. Tablo. Tasarrufların Ozetı Kompresör # #2 #3 Motor Gücü Güç Düşüm Katsayısı Yıllık Çalışma Saati (h/yıl) Kapasite Kullanma Oranı Motor Verimi TOPLAM Enerji Tasarrufu (kwh/yıl) Tasarruf Edilen Para ($/yıl) Şekil 2. Enerji Tasarrufu İçin Dış Ortam Havasının Kullanımı Mühendis ve Makına - Cilt 43 Sayı 54 28

10 Sıcaklık düşümüyle tasarruf edilecek enerji miktarı aşağıdaki formül yardımı ile hesaplanabilir. DMT = (.48 kw/ay) x (7.20J/kW) x (2 ay/yıl) DMT = 86 Ş/yıl Enerji Tasarrufu = GDO x Nominal Güç x ÇS x YK / (20) Burada, ÇS çalışma süresi, YKyük katsayısı (fiili yükün tam yüke oranı), motor verimi, GDO güç düşüm oranıdır. Güç düşüm oranını sıcaklığa bağlı olarak aşağıdaki denklemden hesaplanabilir. (2) Burada, T iç ortam sıcaklığı ( C), T d dış ortam sıcaklığı ( C) dır. Örnek: Bir fabrikada yapılan enerji etüdü çalışmalarında; tesiste kullanılan adet 30 kw lik, CompAır Hydrovane model bir kompresörün hava emişinin kapalı bir ortamdan olduğu tespit edilmiştir. Kompresör yılda 8400 saat devrede olup, kompresör motor verimi ve kompresör kullanma faktörü 0.7'dir. Yıllık ortalama dış ortam sıcaklığı (T) 35 C (Phoenix, Arizona için National Climatic Data Center, Ashevılle, NC'den alınmıştır), ortalama kompresör emiş sıcaklığı ise (T ( ) 2 C (ölçüm değeri)'dır. Elektriğin demand maliyeti 7.20 $/kw, kullanma ücreti $/ kw'dir. Kompresör emiş havasının dış ortamdan bir kanalla alınması durumunda yıllık tasarruf miktarı ve. bunun geri ödeme süresi ne olur? Güç düşüm oranını (2 nolu eşitlikten) : Yıllık kullanımından tasarruf edilecek enerji miktarı Enerji Tasarrufu = GDO x Nominal Güç x ÇS x YK / (24) Enerji Tasarrufu =0.045 x 30 x 8400 x 0.70/ Enerji Tasarrufu =8702 kw Yıllık elektrik kullanımından yapılan tasarrufun parasal karşılığı (KMT) : KMT = KT x (elektrik birim kullanım ücreti) (25) KMT = 8,702 kwh/yr x Ş/kWh KMT = 597 Ş/yıl Toplam yıllık tasarrufun mali karşılığı (YMT): YMT = DMT + KMT (26) YMT = 86 J/yıl Ş/yıl YMT = 683 J/yıl Yatırım Tutarı Yatırım için 4 metre metal kanal kullanılacak olup bunun toplam fiyatı (4x25) 00Ş dır. Bu iş için gerekli işçilik bedeli ise 20 $ (8 saat adam x 5Ş/saat) dır. Toplam yatırım miktarı ise 220$ dır. Geri Ödeme Süresi Geri ödeme süresi; gerçekleştirme maliyetinin hesaplanan yıllık tasarruf miktarına bölünmesi ile (6 nolu eşitlikten) bulunabilir. Geri Ödeme Süresi = 220Ş 683 S/yıl = 0.32 yıl (yaklaşık 4 ay) SONUÇ Aylık demand enerji tasarrufu (DT) aşağıdaki bağıntıyla hesaplanır: DT = [Nominal Güç x GDO] (22) DT = [30 x 0.045] / 0'.906 DT =.48 kw Yıllık demand enerji tasarrufunun mali karşılığı (DMT): DMT = DT x (Demand tutarı) x (2 ay /yıl) (23) Bu çalışmada, sanayide az yatırımla kazanılabilecek, oldukça cazip enerji tasarruf potansiyeli ortaya konulmuştur. Çalışmanın bu bölümünde incelenen başlıca enerji tasarruf potansiyelleri; yüksek verimli motor kullanımı, basınçlı hava hadarındaki sızıntıların önlenmesi, basınçlı hava sistemlerinde düşük basınçlı hava kullanım, kompresör emiş havasının dış ortamdan alınmasıdır. Bu tasarruf potansiyellerinin enerji ve bunun mali değerinin hesabı için gerekli prosedürler açıklanmıştır. Her bir potansiyel tasarruf yöntemi için Mühendis ve Makma - Cilt 43 Sayı 54 29

11 farklı sanayi kuruluşlarında gerçekleştirilen gerçek örnekler verilerek, bunlar için tasarruf edilen enerji, enerjinin malı değen, gerekli yatırım tutarı ve gen ödeme sureleri hesap edilmiştir Bu örneklerde hesap edilen gen ödeme sureleri, standart tıp motor yerine yüksek verimli motor kullanılmasıyla 4 ay, basınçlı hava hadarındakı sızıntıların önlenmesi,7 ay, basınçlı hava sistemlerinde duşuk basınçlı hava kullanılmasıyla anında, kompresör emiş havasının dış ortamdan alınmasıyla 4 ay olarak hesaplanmıştır. Yukarıda sunulan cazip ödeme surelerinin sanayiciyi yatırıma teşvik edeceği umulmaktadır. Böylece sanayici aynı urunu daha duşuk maliyetle elde ederek, ulusal ve uluslararası alanda rekabet gucunu arttıracaktır. KAYNAKÇA. Barber A, 989 Pneumatic Handbook 7th ed, Trade and Technical Press 2. Cengel, Y. A and Boles, M. A, 998 Thermodynamics An Eııgıneeı ıng Approach, Third Edition, McGraw-Hill 3. Cerci, Y., Cengel Y. A, and Turner H.T, 995 Reducing the Cost of Compiessed Air in Industrial Facilities Thermodynamics and the Design, Analysis and Improvement of Energy Systems, ASME, AES, Cengel Y A, Cerci, Y., 2000 Opportunities To Save Energy in Industiy, 2 Turkish National Conference on Thermal Sciences and Technologies with International Participation, Conference Proceeding, Sakan a/turkey, Eneigy Policies ot IEA Countries, 200 Turkey 200 Review, International Eneigy Agency 6 Holdsworth, J., 997 Conserving Energy in Compressed Air Systems, Plant Engineering, 5 (3) Kaya D, Phelan P, Chau D, and SARAÇ H., 2002 Eneıgv Conseıvauon in Compressed-air Systems, International Journal of Energy Research, Baskıda, 8. Kaya D, Saraç H.I., Olgun H., 200 Energy Saving m Compressed An Svstems, The Fourth International Thermal Energy Congress, Çeşme/ TURKEY, Kaya D, 996 Tupras hmıl Rafinerisi Ptoses Alık Buharı Isı Enerjisinin Geri Kazanılmasının Araştırılması, Yüksek Lisans Te7i, Kocaeli Unıveı sitesi, Kocaeli 2. Nadel S, Shepard M, Grenberg S, Katz G, and Almeida A. 99, Energy Efficient Motor Systems A Handbook on Technology, Program, and Policy Opportunities Washington D C, American Council for Energy-Efficient Economy 3. National Energy Policy. 200, Report of the National Energy Policy Development Group, U S Goverment Printing Office, Washington, DC Risi, J.D., 995 Energy Savings with Compressed Air, Energy Engineering, 92(6) Saraç H.I, Kaya D, Sözbir N, Çallı, 997 Tupraş izmit Rafinerisi Proses Atık Buharı Isı Enerjisinin Geri Kazanılmasının Araştırılması, Beşinci Yanma Sempozyumu Kırazlıyayla, Bursa, Türkiye 6. Sanayide Enerji Yönetimi, 997, cilt, III, EIEI/UETM, Ankara 7. Talbott E. M., 993 Compressed Air Systems A Guidebook On Energy and Cost Savings, Second Edition, The Fairmont Press, Inc, Ltburn, GA Terrell R.E., 999 Improving Compressed Air System Efficiency- Know What You Really Need, Energy Engineering, 96(), 7-5 DAHA ETKİN BİR ODA İÇİN ÜYELİK ÖDENTİLERİMİZİ ZAMANINDA ÖDEYELİM. MotorMaster Data base, 993, Washington State Energy Office, WA 30 Mühendis ve Makma - Cilt 43 Sayı 54

12 bil bul Değerli Okuyucularımız, Geçmiş yıllarda dergimizin sayfalarında yer verdiğim^ Bıl-Bul köşesini sizlerin ilgisine sunmaya devam ediyoruz, bu sayımızda 4 soru ile karşınızdayız. Soruların yanıtlarını bir sonraki sayıda vereceğiz. Soruların yanıtlarını bize faks veya e-posta yoluyla ulaştıranlardan doğru yanıtı verenler arasında yapılacak çekiliş sonucunda bir Okurumuza yayınlarımızdan hediye edeceğiz. (Mühendis ve Makina Yayın Kurulu, MMO Yönetim Kurulu ve Oda Çalışanları çekilişe katı/y mai / ar ) Hem kendinizi sınayacağınızı hem de hoşça zaman geçireceğinizi umduğumuz köşemizi ilcimize sunuvoruz. (fax : e-posta- yayin@rrtmo.drp.tr) AĞUSTOS SAYISININ (5) YANITLARI )D 2)C 3) D 4) D Mühendis ve Makina - Cilt: 43 Sayı: 54 3