ENDÜSTRİYEL FANLARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTIRILMASI (*) İbrahim Çakmanus, Tuğba Akpınar

Transkript

1 ENDÜSTRİYEL FANLARDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTIRILMASI (*) İbrahim Çakmanus, Tuğba Akpınar Özet Günümüzde çevre kirliliğinin azaltılması ve ekonomik nedenlerle fosil yakıt tüketiminin azaltılması amacıyla enerjinin verimli kullanılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma yönünde yoğun çabalar gözlenmektedir. Bu bağlamda mevcut tesislerde enerji verimliliğinin artırılması da öneme sahiptir. Bu çalışmada mevcut fanlarda enerji verimliliğinin artırılması konusu incelenmiştir. 1. Giriş Fanlar, havayı basınçlandırarak belirli bir akış yolu içinde hareket etmesini (bir yerden başka bir yere naklini) sağlayan türbo makinalardır. İyi bir fan istenilen performansı yerine getirirken az enerji tüketen (yüksek verimli), mümkün olduğunca az gürültülü ve ömür boyu maliyeti düşük olan fandır. Fanlar; bina HVAC sistemleri, demir çelik, cam, çimento, ahşap sanayi, karayolu ve demir yolu tünel havalandırması, madencilik, elektrik santralları (soğutma kulelerinde ve kazan besleme havası için vb.), otopark havalandırması, petrokimya, kimya, rüzgar tüneli, taşımacılık, demir çelik, şeker, kağıt, çevre teknolojileri, endüstriyel havalandırma gibi değişik sektörlerde kullanım alanına sahip cihazlardır. Fanlar sanayide ve ticari binalarda önemli oranda elektrik tüketen makinalardır. Türkiye de sanayide verimleri yüksek olmayan çok sayıda fan vardır. Bu nedenle enerji verimliliğinin artırılmasında fanların ve fan sistemlerinin verimliliklerinin artırılmasının katkısı olacaktır. Fan sistemlerinde enerjinin verimli kullanılması seçim, tasarım, imalat ve işletme süreçlerinin optimize edilmesi ile sağlanır. Çünkü fanların ömür boyu maliyeti içinde enerjinin oranı %90, ilk yatırım maliyeti ise %10 civarındadır. Bunun anlamı; bir işletme için en iyi fanın ilk yatırım maliyeti en düşük fan olmadığıdır. Bu nedenle fan, ömür boyu maliyeti minimum olacak şekilde seçilmelidir. Tasarımcılar genellikle sistem debisi ve basıncı belirlenirken tasarımda emniyet faktörleri dikkate alırlar, mal sahipleri de ilerideki olası kapasite artışı için bir marj olmasını isterler. Bunlar ve geçmişte fan tasarımlarında bilgisayar teknolojilerinin olmaması, eskime gibi nedenler mevcut fanlarda enerji verimliliğinin artırılmasında potansiyel oluşturur. Burada bir başka faktör de fan imalatçıları kendilerine verilen debi, basınç ve sıcaklık değerleri için en verimli noktada seçim yaparlar. Eğer işletmede yukarıdaki nedenlerle bu değerlerin dışına çıkılırsa fan verimsiz çalışır. 2. Fan Çeşitleri Fanlar; aksiyal fanlar, santrifüj fanlar, aksiyal-santrifüj fanlar, çatı tipi fanlar, jet fanlar, propeller fanlar şeklinde sınıflandırılabilir. Aksiyal fanlar karayolu, metro vb. tünellerinde havalandırma ve duman kontrol fanları şeklinde (ayrıca jet fanlar), soğutma kulelerinde ve soğutma grubu kondenserlerinde kullanılır. Ayrıca son yıllarda otoparklarda havalandırma ve yangın fanları olarak da kullanılmaktadır. Santrifüj fanlar çimento, petokimya, ağaç, kağıt, cam, maden gibi çok değişik sektörde kullanılmaktadır. Motor güçleri 1 kw ile MW lar mertebelerinde olabilmektedir. Bu fanlar havayı mil ekseninde emip radyal yönde basınçlandırarak çıkış ağzına gönderen fanlardır. Bu işlem fan çarkının dönmesi sonucu ortaya çıkan santrifüj hızlar ve kuvvetler yardımı ile olmaktadır. Endüstride genellikle bu fanlar kullanılmaktadır. Santrifüj fanlar tek emişli veya çift emişli olarak seçilebilirler. Ancak genel uygulama tek emişli fanlar şeklindedir. Çift emişli fanlar paralel bağlı iki fan gibi düşünülebilir ve debiyi artırmak için kullanılırlar. (*) 14. Uluslar arası Enerji ve Çevre Teknolojisi Sistemleri Fuar ve Konferansı nda (ICCI) sunulmuştur.

2 3. Fan Seçimi 3.1. Fanların Performans Değerleri Fanlar, V (m 3 /s veya m 3 /h) debideki havayı P basıncına yükselterek çalıştığı sistemin basınç kayıplarını yenerek bir yerden bir yere iletirler. Bir binanın havalandırılmasında dışarıdan alınan taze hava klima santralinde ısıtılıp veya soğutularak fan ile basınçlandırılması suretiyle tüm binaya dağıtılması, bir endüstriyel tesiste atık gazların filtrelenerek atmosfere atılması, çimento farin değirmen fanı örnek verilebilir. Fanlarda havanın hareketi akışkanlar mekaniğinin temel prensipleri ile açıklanabilir. Fan gücü N = Vx P /(3600x102xη fan ) [1] Şeklinde ifade edilir. η fan sürtünmeler ve kaçaklar nedeniyle tahrik motorundan fandaki hidrolik güce dönüşüme kadar meydana gelen kayıpları ifade eder. Fan Performans değerlerinde düzeltme yapılması Fan performans eğrileri genellikle deniz seviyesi (1 bar atmosfer basıncı) ve 15ºC hava sıcaklığı esas alınan standart koşullar için hazırlanır. Bu şartlardaki havanın yoğunluğu ρ=1.205 kg/m 3 - referans yoğunluk- olarak alınır. Ancak fanlar genellikle bu referans şartların dışında çalışırlar. Öneğin yüksek rakımlı yerlerde, deniz kıyısında ama yüksek sıcaklıkta veya hem yüksek rakımlarda ve de yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler. Fanın bu gibi koşullarda çalışabilmesi için fan kanunlarında gösterilen yoğunluk düzeltmelerinin (rakım ve sıcaklık için) yapılması gerekir. Bunun için ideal gaz denkleminden (PV=mRT) yararlanılır. Bu denklem yoğunluk için düzenlenirse m/v=ρ=p/(rt ) olur. Havanın yoğunluğu yerin rakımına (atmosfer basıncının değişmesi nedeniyle) ve prosesin sıcaklığına bağlı olarak değişir. Yoğunluk tablolardan doğrudan alınabilir veya ideal gaz denkleminden hesaplanabilir. Fan kanunları (fan denklemleri) Fan kanunları en genel hali ile aşağıdaki gibi yazılabilir. için : V 1 =V 2 x (D 1 /D 2 ) 3 x (n 1 /n 2 ) x 1 [2a] Basınç için: P 1 =P 2 x (D 1 /D 2 ) 2 x (n 1 /n 2 ) 2 x (ρ 1 /ρ 2 ) [2b] Güç için: N 1 =N 2 x (D 1 /D 2 ) 5 x (n 1 /n 2 ) 3 x (ρ 1 /ρ 2 ) [2c] Gürültü için: L 2 - L 1 = 50 Log 10 (D 2 /D 1 ) + 50 Log 10 (n 2 /n 1 ) [2d] Fan kanunlarından yararlanılarak bir durum için bilinen değerlerden hareketle yoğunluk, devir sayısı, rotor çapı gibi parametrelere bağlı olarak yeni bir durumda çalıştırılması durumundaki debi, basınç, güç, gürültü hesaplanabilir. 4. Fanlarda Enerji Verimliliği Endüstride kullanılan fanlar yüksek güç tüketen cihazlar olup arıza, bakım veya başka nedenlerle durdurulmadığı sürece çalışırlar. Bu nedenle fanın ömrü boyunca tüketeceği enerji, bu fanın imalat (ilk yatırım) maliyetinin yüzlerce katı olabilmektedir. Dolayısıyle yıllık çalışma süreleri fazla olan tesislerde enerji verimliliği önemlidir. Bu nedenle ömür boyu maliyeti (ilk yatırım ve ömür boyu enerji maliyetlerinin toplamı) az olan fan seçilmelidir. Bu bağlamda, fabrikalarda eski fanların incelenerek verimlerinin hesaplanması ve fizibilite etüdü yapılarak yenilenmesi yararlı olmaktadır. Bu yenilemeler ilk yatırım maliyeti getirse de aşağıda görüleceği üzere kendini kısa sürede amorti eden yatırımlar olabilmektedir. Fan verimi fandan alınan hidrolik gücün fan şaftında fana verilen güce oranı şeklinde tanımlanır. N Vx P h p /(3600x102) η = = [3] N şaft ϖxtshaft şeklinde hesaplanabilir. Terimin paydasındaki ifade fandan elde edilen teorik hirolik gücü, payda işe şaft gücünü ifade etmektedir. Tşaft fan torku olup aşağıdaki gibi yazılır. T = m& r c r c [4a] shaft ( ) 2 u2 1 u1

3 Bu eşitlik santrifüj fanlar için geçerlidir. Aksiyal fanlarda çap doğrultusu ile akış doğrultusu bir birinden çok farklı olduğu için r 1 ve r 2 yarı çapları yerine kanadın ortasından geçen r m yarı çapı esas alınarak, T = mr c c = ρ Vr c c [4b] şhaft ( ) m ( u2 u1) m u 2 u1 eşitliği yazılabilir. Burada ω=2πn/60 (rad/sn), n (d/d) fanın devir sayısı, T shaft : şafta verilmesi gereken tork (Nm), r 1 ve r 2 sıarasıyla giriş ve çıkış yarıçapları (m), c u1 ve c u1 sırasıyla giriş ve çıkışta akışkanın mutlak hızının teğetsel bileşenleridir (m/s). Görüldüğü üzere şaft gücü fanın içinden geçen kütesel debiye, fanın açısal hızına, rotor yarı çapına, emiş ağzı yarı çapına cu terimleri nedeniyle ise kanat eni, kanat açısı gibi parametrelere bağlıdır. Fanlarda enerji verimliliğini etkileyen başlıca unsurlar rotor ve kanat geometrisi, kanat sayısı, hidrolik kayıplar (türbülans, vorteksler, kanatların akışa kılavuzluk edememesi, sürtünme, kaçaklar vb.), yataklardaki sürtünmeler, tahrik sistemi ve motor kayıplarıdır. Örneğin santrifüj fanlarda kanat verimi kanat tipine göre %60 ile %92 arasında değişmektedir. Dolayısıyla fan verimliliğinin artırılması için optimizasyon (örneğin airfoil, kanat açısı, kanat eni, emiş ağzı çapı, rotor çağı, kanat sayısının belirlenmesi vb.), fan imalat teknolojisinin iyileştirilmesi gerekir. 5. Mevcut Fan Sistemlerinin İyileştirilmesi Mevcut bir fan sisteminde iyileştirme yapılabilmesi için öncelikle mevcut durumun belirlenerek kayıt altna alınması gerekir. Bunun için fanın debisi, fan emişinde ve çıkışındaki statik basınç, sıcaklık, motorun çektiği akım, voltaj, cosϕ, motor verimi ölçülür veya var olanlar tablodan alınır. Bu ölçümlerden sonra fan hidrolik gücü, şebekeden çekilen güç hesaplanır. Bu iki değer birbirine oranlanarak fan sisteminin (fan, kayış-kasnak veya kaplin, motor komple) toplam verimi (η toplam = η fan xη akt xη ηot ) ve buradan hareketle de fan verimi [η fan = η t /( η akt x η mot )] hesaplanır. Böylece fanda verim ve gerekiyorsa kapasite artış potansiyeli ortaya konulur. Tablo 1 ve Tablo 2 de iki farklı çimento fabrikasında bulunan yüksek güçlü fanların sahada yapılan ölçüm değerler verilmiştir. Tablo 1 Çimento fabrikası A daki ölçüm değerler verilmiştir. Ölçüm Değerleri Fanın Adı (m3/h) Basınç T (⁰C) Fan Verimi % N elektrik 1. baca gazı fanı baca gazı fanı Farin değirmeni sistem fanı Fırın elektro filtre fanı VKS sistem filtre fanı Tablo 1 de örneğin eski baca gazı fanında mevcutta %49 civarında olan verimin %80 civarına çıkarılması mümkündür. Emniyetli bir yaklaşımla buradaki artışın %25 civarında olacağı ve şebekeden çekilen güçteki azalmanın (0.25x1067 kw=) 267 kw civarında olacağı ifade edilebilir. Bunun parasal değeri ise (267 kwx7000 h/yılx0.18 TL/kWh=) TL/yıl olmaktadır. Tablodaki diğer fanlar için de benzer değerlendirme yapılabilir. Tablo 2 Çimento fabrikası B deki ölçüm değerler verilmiştir.

4 Ölçüm Değerleri Fanın Adı (m3/h) Basınç T (⁰C) Fan Verimi % N elektrik Farin baca gazı fanı Elektro fanı farin değirmen fanı Kömür değirmeni fanı Tablo 2 de örneğin farin baca gazı fanında %49 civarında olan verimin %75-80 civarına çıkarılması mümkündür. Emniyetli bir yaklaşımla buradaki artışın %25 olacağı ve buna göre şebekeden çekilen güçteki azalmanın (0.25x972 kw=) 243 kw civarında olacağı ifade edilebilir. Bunun parasal değeri ise (243 kwx7000 h/yılx0.18tl/kwh=) TL/yıl olarak hesaplanır. Diğer fanlar için de benzer değerlendirme yapılabilir. Verimlilik artışı potansiyeli olan fanlar yukarıdaki tablolarda koyu renk ile işaretlenmiştir. Verimlilik artışı potansiyeli tespit edilen bir fanın tasarımında; (3) ve (4) denklemleri kullanılarak kanat açıları, kanat sayıları, rotor ölçüleri vb. ölçülerde gerekli değişiklikler yapılarak (3) denklemindeki verim maksimum düzeye (%85 lere) gelinceye bilgisayar programı ile değişiklikler yapılır. Fan verimleri günümüzde %80-85 civarına kadar çıkarılabilmektedir. Ancak çimento fabrikalarında olduğu üzere tozdan kaynaklanan aşınma, sıcaklık nedeniyle malzemenin mukavemet değerlerinin düşmesi, toz yapışması, çevresel kuvvetler gibi faktörler de tasarımda dikkate alınmalıdır. Optimum bir tasarım elde edildikten sonra bunun kontrolu için şekil 1 de gösterildiği üzere CFD (Computational Fluid Dynamics) analizi yapılarak nihai karar verilir. Şekil 1. Fanlarda CFD simulasyonu örnekleri.

5 Yukarıda belirtildiği şekilde ölçümü yapıldıktan sonra mal sahibi tarafından onaylanıp siparişe bağlanan ve imalatı yapılarak halen çalışmakta olan iki fanın imalat öncesi ve sonrasındaki değerler ve elde edilen tasarruflar aşağıda iki örnekte açıklanmıştır. Uygulama örneği 1: Bir çimento fabrikası tarafından bir filtre fanında motor değiştirilmeden (şebekeden yaklaşık aynı akım çekilerek) debi artışı yapılıp yapılamayacağının incelenmesi talep edilmiştir. Tarafımızca yapılan ön hesaplarda sadece rotor değiştirilip verim artışı sağlanarak fan kapasitesinin m 3 /h den m 3 /h e çıkarılabileceği hesaplanmıştır. Fabrika bu hesapları onaylayıp siparişe bağlandıktan sonra detaylı tasarım ve CFD analizleri yapıldıktan sonra rotorun imalat ve montajı tamamlanmıştır. Fabrika yetkilileri ile birlikte yapılan ölçümde fan debisinin m 3 /h olduğu belirlenmiştir. Yapılan hesap sonucunda fan veriminin %82 olduğu belirlenmiştir. Bir başka ifade ile motor gücü artırılmadan verim artışı sağlamak suretiyle debi önceki duruma göre %45 civarında artırılmıştır. Fanın iyileştirme öncesi ve sonrasındaki değerleri aşağıda verilmiştir. Fan tipi : Tek emişli, santrifüj, filtre fanı Elektrik motoru (m 3 /h) Toplam basınç Çalışma Sıcaklığı ( C) Verim (%) Motor devri (d/d) Önceki durum , İyileştirilmiş durum , Tasarruf: Aynı motor gücü ile yukarıda belirtilen oranda hava debisi artışı sağlanmıştır. Bu değer yaklaşık 160 kw güce karşılık gelmektedir. Fanın yılda 7000 saat çalıştığı ve enerji maliyetinin 0.18 TL/kWh olduğu kabul edilirse yıllık parasal tasarruf (160 kwx7000 hx0.18 TL/kWh=) TL/yıl olmaktadır. Bu işin ilk yatırım bedeli ise yaklaşık TL olmuştur. Buna göre basit amortisman süresi (90.000/ =) 6 ay olmaktadır. Bu fan Haziran 2009 dan bu yana %82 civarında bir verimle çalışmaktadır. Uygulama örneği 2: Bu uygulama bir MDF entegre fabrikasındaki kurutma fanıdır. Burada Firmaca, kapasite değişikliği olmadan şebekeden çekilen elektriksel gücün azaltılıp azaltılamayacağının incelenmesi istenmiştir. Yukarıda belirtildiği üzere bu uygulamada da iyileştirme öncesi ve sonrasında fabrika sahasında debi, statik basınç, şebekeden çekilen akım, voltaj değerleri ölçülmüştür. Böylece mevcut fanın hidrolik gücü, şebekeden çekilen elektriksel güç ile fan verimi hesaplanarak verimde yapılabilecek artış belirlenmiştir. Mevcut ve iyileştirilmiş duruma ilişkin bilgiler aşağıda verilmiştir. Elektrik motoru (m 3 /h) Toplam basınç Çalışma Sıcaklığı ( C) Verim (%) Motor devri (d/d) Şebekeden çekilen elektrik gücü Önceki durum , İyileştirilmiş durum , Tasarruf: ( =) 441 kw olmaktadır. Fanın yılda 7000 saat çalıştığı ve enerji maliyetinin yine 0.18 TL/kWh olduğu kabul edilirse yıllık parasal tasarruf (441x7000x0.18=) TL/yıl olmaktadır. Bu işin ilk yatırım bedeli ise yaklaşık TL olmuştur. Buna göre amortisman süresi 4 aydan daha kısa olmaktadır. Bu fan Kasım 2009 dan bu yana belirtilen verimle çalışmaktadır (şebekeden çekilen güç yaklaşık 970 kw çekmektedir). 6. Sonuç Enerji verimliği için fanlar, sistem ve prosesin ihtiyacına uygun biçimde tasarlanıp imal edilmelidir. Mevcut fanlarda öncelikle mevcut durumun analizi ve ölçümler yapılarak tasarruf potansiyeli belirlenmelidir. Günümüz teknolojisinde fanın cinsine bağlı olarak %70-85 arasında verim değerleri elde etmek mümkündür. Bunun için CFD simulasyonları ve diğer bilgisayar programları ile fanlar optimize edilebilmektedir. Bu kapsamda endüstrideki 200 kw nın üzerindeki güçlerde fanların öncelikle incelenmesi yararlı olacaktır. Tekrarlamak

6 gerekirse iyileştirme potansiyelinin nedenleri; emniyet faktörü ve kapasite artırım düşünceleri nedeniyle sisteme uygun fanın seçilmemiş olması (genellikle büyük fan seçimi), tasarım sürecinde verimliliğin yeterince sağlanamaması, zaman içinde fanların verimliliklerinin azalması ve proses ihtiyaçlarının değişmesidir. Enerji verimliliğinin artırılmasında fana ilave olarak tahrik sitemi (kayış kasnak varsa kapline dönme), elektrik motoru (örneğin 90 kw a kadar EFF1 motor kullanımı) ve kontrol stratejileri (değişken debili sistemlerde paralel işletme, frekans invertörü uygulamaları) da önemli olup konu sistem olarak ele alınmalıdır. Abstract One of these days, reducing environmental pollution and economic reasons to reduce fossil fuel consumption efficient use of energy and renewable energy sources to benefit from intensified efforts in the direction observed. In this context, the existing facilities to increase energy efficiency is important. In this study, to increase energy efficiency in existing fan issues examined. Studies in existing industrial fan is significant potential for energy savings, and most of the project have been identified in a short time can redeem itself. Kaynaklar [1] Çakmanus, İ., Endüstriyel Fanlar: Tasarım, İmalat ve Enerji Verimliliği. Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Yayınları, no:23, Ankara, Yazarlar; İbrahim Çakmanus: Makina Mühendisliği bölümlerinde olmak üzere KTÜ'de lisans, ODTÜ'de yüksek lisans, Gazi Üniversitesi'nde doktora eğitimini tamamlamıştır. Halen iş yaşamını serbest mühendis olarak ÇAKMANUS Müh. Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti. de ( sürdürmektedir. Çalışma alanları; a) fanlar, endüstriyel filtreler, soğutma kulelerinde tasarım ve imalat danışmanlığı, b) binalarda ve sanayide enerji verimliliği danışmanlık hizmetleri; c) Binalarda HVAC tasarımıdır (SMM). Binalarda Sürdürülebilirlik: Ömür Boyu Maliyete İlişkin Yaklaşımlar ve Endüstriyel Fanlar: Tasarım, İmalat ve Enerji Verimliliği isimli iki kitabı ile çeşitli makaleleri vardır. ASHRAE, Makina Mühendisleri Odası, Türk Tesisat Mühendisleri Derneği, Isı Bilimi ve Tekniği Derneği ve Uygulamalı Termodinamik Derneği üyesidir. Tuğba Akpınar: 1985 doğumludur. Gazi Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde lisans eğitimini tamamlamıştır. Eğitimi süresinde HVAC tasarımı ile ilgili bir mühendislik firmasında çalışmış olup halen ÇAKMANUS Mühendislik Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti de çalışmaktadır.