Bir Kimyasal Üretim Tesisinde Absorbsiyonlu Soğutucu ile Atık Isı Geri Kazanımı

Transkript

1 Bir Kimyasal Üretim Tesisinde Absorbsiyonlu Soğutucu ile Atık Isı Geri Kazanımı İbrahı m Mert Yıldırım 1, Durmuş Kaya 2, Muharrem Eyidoğan 2, Fatma Çanka Kılıç 3 ve Necmi Cemal Özdemir 4 1 Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, TÜRKİYE (ibo_mert@hotmail.com) 2 Department of Energy Systems Engineering, Kocaeli University, Kocaeli, TURKEY (durmuskaya@hotmail.com, muharrem_eyidogan@hotmail.com) 3 Department of Electrical and Energy Technologies, Kocaeli Vocational School, Kocaeli University, Kocaeli, TURKEY (fatmacanka@hotmail.com) 4 Department of Electrical Engineering, Kocaeli University, Kocaeli, TURKEY (necmi.ozdemir@kocaeli.edu.tr Özet Günümüzde soğutma sistemlerinin elektrik enerjisi tüketmesi ve elektrik enerji maliyetlerinin yüksek olmasından dolayı atık ısı kaynağı ile çalışan absorbsiyonlu soğutma sistemleri önem kazanmıştır. Enerji kaynağı olarak her türlü atık ısıl ısı enerjiyi kullanabilen absorbsiyonlu soğutma sistemleri, atık ısı dışında ek bir enerjiye ihtiyaç duymamalarından dolayı soğutma ve iklimlendirme uygulamalarında tercih edilmektedirler. Bu çalışmada, bir kimyasal üretim tesisinde mevcut mekanik chiller kullanımı yerine kojenerasyon atık ısısının absorbsiyonlu chillerde kullanılması ile yapılabilecek enerji tasarruf potansiyeli incelenmiştir. Çalışma kapsamında mevcut kojenerasyon atık ısının kullanım potansiyeli araştırılmış ve tesiste kullanılan mekanik soğutucuların uygulama öncesi enerji tüketimleri ile soğutma yükleri belirlenmiştir. Mevcut mekanik soğutucuların yerine kojenerasyon atık ısısı kullanılarak absorbsiyonlu soğutuculara dönüştürülmesi ile elde edilecek tasarruf miktarı hesaplanmıştır. Abstract Nowadays, absorption cooling systems are gaining importance because of the excessive electricity consumption and the high energy costs of the cooling systems. Absorption cooling systems, which can use any type of heat energy as an external energy source and they are preferred for cooling and air conditioning applications because they do not need an additional energy source. In this study, it was aimed to increase energy efficiency by using cogeneration waste heat in an absorption chiller instead of using existing mechanical chiller in a chemical production plant. In the scope of the study, the usage potential of existing cogeneration waste heat was investigated and energy consumption and cooling loads of the mechanical coolers were measured in the pre-application period. The amount of energy savings was also calculated in the case of replacing existing mechanical coolers with absorption coolers by using cogeneration waste heat. Keywords Waste Heat, Absorption Chiller, Energy Saving I. GİRİŞ Günümüzde tüm doğal kaynaklar, insan uygarlığının küresel gelişimi için abartılı olarak kullanılmaktadır. Bunlar arasında enerji kaynakları insan faaliyetleri için en önemli unsur haline gelmektedir. Yakıt ve elektrik fiyatlarının artması, küresel ısınma ve iklim değişiklikleri insanlığı enerjinin verimli kullanımına, atık ısı kaynaklarının değerlendirilmesine ve yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanma yoluna itmektedir. Atık ısıdan faydalanılarak yapılan ısıtma sistemlerinin soğutma da yapabilecek şekilde geliştirilmesi absorbsiyonlu soğutucu sistemlerini öne çıkarmaktadır. Bu sistemler özellikle kimya sektöründe gereksinim duyulan soğutma yükünü karşılayarak çevre ve enerji verimliliği konusunda önemli rol oynamaktadır. Bu çalışma kapsamında incelenen kimyasal üretim tesisinde, elektrik ve ısı üretimi için 4 adet kojenerasyon sistemi (gaz motoru) bulunmaktadır. Kojenerasyon sistemi gündüz ve puan saatlerde çalışmakta gece ise kapatılarak şebekeden elektrik satın alınmaktadır. Gaz motorlarının soğutulması için yüksek sıcaklık (HT) hattından çıkan sıcak su soğutulmak üzere radyatörlere gönderilmekte ve atık ısı olarak atmosfere atılmaktadır. Kimyasal üretim tesisinde, proseste ihtiyaç duyulan soğutmanın sağlanması için 2 adet mekanik soğutucu kullanılmaktadır. Mekanik soğutucularda kullanılan kompresör soğutucu akışkanın basıncını arttırmak için yüksek miktarda elektrik enerjisi tüketmektedir. Önerilen bu uygulamadaki amaç, tesisteki 3 adet gaz motoru atık ısısı kullanılarak mevcut mekanik soğurucuların yerine absorpsiyonlu soğutucunun gündüz ve puan saatlerinde çalıştırılmasıyla yapılacak enerji tasarrufunu ortaya koymaktır. 205

2 II. ABSORPSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİ Absorpsiyonlu soğutma sistemi; buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanın basıncının arttırılması amacıyla kullanılan kompresörün yerine, termal bir mekanizmayla soğutucu akışkanın basıncının arttırılması prensibine dayanmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde kullanılan bu mekanizma termik sıkıştırıcı olarak adlandırılmaktadır [1]. Genel olarak absorbsiyon prensibi, karşılıklı çözünürlüğü olan maddelerin yüksek sıcaklıklarda daha az, düşük sıcaklıklarda ise daha fazla çözünür olmasıdır. Absorbsiyonlu sistemlerde ise genellikle iki akışkan çiftinden oluşan solüsyon (lityum bromür+su veya amonyak+su) solüsyonları kullanılmaktadır. Bunlardan biri lityum bromür-su çifti, lityum bromür absorban, su ise soğutucudur. Diğeri ise su amonyak çifti, su absorban amonyak soğutucudur. Absorpsiyonlu soğutmada absorban sıvı, diğer madde (soğutucu akışkan) ise absorbe edildiğinde gaz fazındadır. Karışımdaki absorban oranı yüksek soğutucu oranı düşük ise konsantre veya kuvvetli eriyik, absorban oranı düşük soğutucu oranı yüksek ise zayıf eriyik olarak adlandırılır [2]. Sistemin Çalışma Prensibi Absorbsiyonlu sistem buhar sıkıştırmalı soğutma sistemine benzemesine karşılık burada kompresörün yerini absorber, sıvı pompası ve generatör almıştır. Çalışma akışkanının generatörde buharlaşarak eriyikten ayrılması için generatör ısısı verilmektedir. Buharlaşan akışkan kondenserde Qk ısısını vererek sıvı hale geçmektedir. Yüksek basınçta sıvı haldeki çalışma akışkanının basıncı düşürülerek evaporatöre gelmekte ve burada ortamdan Qe ısısını alarak buharlaşmaktadır. Akışkan buharı daha sonra absorbere giderek generatörden gelen zayıf eriyikle birleşerek zengin eriyiği oluşturmaktadır. Bu sırada absorberden ısısı çekilmelidir. Absorberde oluşan zengin eriyik bir sıvı pompası yardımıyla ısı değiştiriciden geçirilerek bir miktar ısı alır ve generatöre gönderilir [3]. soğutma suyu giriş çıkış sıcaklıkları ise Termokupl ile ölçülmüştür. Yaptığımız ölçümlerle mekanik soğutucuların soğutma kapasitesi hesaplanmıştır. Soğutma kapasitesine göre 2000 kw soğutma kapasiteli Li-Br solüsyonlu çift kademe absorbsiyonlu soğutucu seçilmiştir. IV. UYGULAMA ÖNCESİ SONUÇLAR Kojen Ceket Suyu Atık Isı Potansiyeli ***Projede, soğutma ihtiyacını karşılamak adına yaz aylarında 3 adet, kış aylarında ise 2 adet kojenerasyon ünitesinin atık ısısından faydalanılacaktır. A. Mevcut Durum Soğutma Yükü Hesaplamaları (Kış ayları) III. MATERYAL VE YÖNTEM Gaz türbini ceket suyunun debisi Ultrasonik Debimetre ile ceket suyu gidiş dönüş sıcaklıkları ise Termokupl ile ölçülmüştür. Ceket suyunun soğutulmaya gönderildiği radyatör fanlarının ve ceket suyu sirkülasyon pompalarının elektriksel tüketimi Enerji Analizörü ile ölçülmüştür. Yaptığımız ölçümlerle mevcut atık ısının potansiyeli hesaplanmıştır. Proje uygulanması ile gündüz ve puant zamanlarda devre dışı kalacak olan her bir mekanik soğutucunun elektrik enerjisi ölçümü Enerji Analizörü ile gerçekleştirilmiştir. Mekanik soğutucuların soğutma kapasitesinin belirlenmesi için soğutma suyu debisi, Ultrasonik Debimetre ile, 206

3 ****Kış aylarında 2 adet kojenerasyon sisteminin ceket suyu atık ısısı kullanılacaktır. 2 adet kojenerasyon sisteminde ceket suyundan elde edilen atık ısı miktarı, absorbsiyonlu chillerde elde edilecek olan soğutma için gerekli atık ısı miktarından fazladır. Bu nedenle 2 radyatörün toplamda 16 adet radyatör fanının yarısı devre dışı kalacak ve kalan yarısı çalışmaya devam edecektir. Devre dışı kalacak olan 8 adet radyatör fanının toplam enerji tüketimi 19,20 kw tır. Mevcut Durum Soğutma Yükü Hesaplamaları (Yaz ayları); ***** Kış aylarında 2 adet kojenerasyon sistemininin ceket suyu atık ısısı kullanılacaktır. 2 adet sistemin sirkülasyon pompalarının toplam enerji tüketimi 25,00 kw tır. 207

4 ****Yaz aylarında 3 adet kojenerasyon sisteminin ceket suyu atık ısısı kullanılacaktır. 3 adet kojenerasyon sisteminde ceket suyundan elde edilen atık ısı miktarı, absorbsiyonlu chillerde elde edilecek olan soğutma için gerekli atık ısı miktarından fazladır. Bu nedenle 3 radyatörün toplamda 24 adet radyatör fanının 14 tanesi devre dışı kalacak ve 10 tanesi çalışmaya devam edecektir. Devre dışı kalacak olan 14 adet radyatör fanının toplam enerji tüketimi 33,60 kw tır. B. Mevcut Durum Toplam Soğutma Gücü (Teknik Doküman) ******** Yaz aylarında 3 adet kojenerasyon sisteminin ceket suyu atık ısısı kullanılacaktır. 3 adet sistemin sirkülasyon pompalarının toplam enerji tüketimi 37,50 kw tır. 208

5 Hem kış aylarında (2 adet kojen ceket suyu atık ısısı kullanılırken) hem de yaz aylarında (3 adet kojen ceket suyu atık ısısı kullanılırken) kojenerasyon ceket suyundan atılan ısı miktarının, absorbsiyon chillerin gereksinim duyduğu ısı miktarından fazla olması sebebiyle gerekli soğutmanın sağlanabileceği hesaplamalarda görülmektedir. V. UYGULAMA SONRASI ENERJİ TASARRUF HESABI Mevcut durumda bulunan kojen-radyatör sirkülasyon pompaları uygulama sonrasında hem absorbsiyonlu chilleri hem de radyatörü besleyecektir. Absorbsiyonlu chiller uygulaması ile kojen ceket suyu absobrsiyonlu chillerde soğuyacağı için mevcut durumda suyun soğutulmasında kullanılan radyatörlerin bir kısmının enerji tüketimi de ortadan kalkacak ve enerji tasarrufu sağlanacaktır. Absorbsiyonlu chiller yalnızca gündüz ve puant saatlerde çalıştırılacağı için gece saatlerinde mevcut soğutma sistemleri kullanılmaya devam edecektir. Uygulama sonrası durumda kojenerasyon gaz motoru ile absorbsiyonlu chiller arasında su sirkülasyonunu sağlayacak olan sirkülasyon pompasının birim enerji tüketiminin 75,00 kw olacağı hesaplanmıştır. Tasarruf Hesabı 209

6 VII. REFERANSLAR [1] GORALI,E., Güneş Enerjili Absorpsiyonlu Soğutma Sistemi Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Enerji Enstitüsü s.1-2,14, İstanbul, 2007 [2] YALÇIN,E.,KAVAKLI,A., Absorbsiyonlu soğutma sistemleri ile egzoz gazı atık ısısından faydalanarak otobüs kliması sistemleri için kaynatıcı tasarımı BAÜ, FBE Dergisi,C.12, S.1, s , 2010 [3] ŞENCAN,A.,SELBAŞ,R.,YAKUT,A.K., Su/Lityum Bromid Ve Üçlü Hidroksit Karışımlarıyla Çalışan Absorbsiyonlu Sistemlerin Performanslarının Karşılaştırılması Teknoloji, Yıl 5, s.3-4, 8, 2002 VI. SONUÇ Günümüzde mekanik (chiller) soğutma sistemlerinin elektrik enerjisi tüketmesi ve enerji maliyetlerinin yüksek olmasından dolayı atık ısı ile çalışan absorbsiyonlu soğutma sistemleri önem kazanmıştır. Bu çalışmada, absorpsiyonlu soğutma sistemlerinde atık ısı kullanımının bir kimyasal üretim tesisindeki enerji tasarrufuna etkisi incelenmiş ve bu uygulamaya yönelik fizibilite çalışması yapılmıştır. Yapılan fizibilite çalışmasında bu uygulama ile yıllık ,00 kwh enerji tasarrufu elde edileceği belirlenmiştir. Bu projenin geri ödeme süresi 4,42 yıl olarak hesaplanmıştır. 210