Öğrenci No: Adı Soyadı:

Transkript

1 Final Sınavı :00 Öğrenci No: Adı Soyadı: İmza SORU. a) Debi nedir, debi ölçerler nelerdir? En hassas ve basit debi ölçme nasıl yapılır, avantajı ve dezavantajı nedir? Debinin enerji tasarrufu açısından önemini belirtiniz. b) Bir boruda akışkan hızı ölçülmüşse hızı nasıl belirlenir? c) Çapı 20 cm olan bir boruda ölçülen akışkan hızı 2 m/s ise akışkanın debisi m 3 /h birimi ile ne olur? Sözkonusu debinin %20 sinin fazlalık olduğu; akışkanın su, başlangıç ve çıkış sıcaklıklarının sırasıyla 20 o C ve 90 o C olduğu bilindiğine göre sözkonusu sistemde güç kaybını hesaplayınız. SORU 2. Enerji tasarrufu nedir? Enerji tasarruf yöntemlerini yazarak orman endüstrisinden örnekleyiniz. Enerji tasarrufu, enerji verimliliği ve enerji taraması kavramlarını belirterek karşılaştırınız. SORU 3. Atık ısı geri kazanım yöntemlerini yazarak kısaca açıklayınız. SORU 4. 4 m x 6 m taban alanlı ve 4 m yükseklikte 00 m 3 kapasiteli kurutma fırınının sıcaklığı 80 o C ve dış ortam sıcaklığı 0 o C dir. Fırın duvarları 2 cm iç sıva (k is = 0.70 W/mK), 20 cm tuğla (0.60 W/mK) ve 20 mm dış sıva (k ds =.00 W/mK) olarak yapılmıştır. Fırının iç yüzey ve dış yüzey ısı transfer katsayıları aynı ve 25 W/m 2 K dir. Fırından saatte 70 o C sıcaklıkta (h = 283 kj/kg) 00 kg nemli hava atılmaktadır. Fırına verilen enerji kaynağının gücü 350 kw dir. Isı kayıpları dışındaki enerji fırın duvarlarının ısıtılması ve kerestenin kurutulmasında kullanılmakta, saatte 70 o C sıcaklıkta (h = 283 kj/kg) 2000 kg nemli hava dışarı atılmaktadır. Enerji elektrik enerjisi olarak uygulanmakta olup, birim fiyatı 0.40 TL/kWh dir. Faiz oranı %5 dir. Fırının ısı yalıtımı (yan duvarlar) yapılarak enerji tasarrufu yapılması planlanmıştır. Yalıtımda kullanılacak malzemenin kalınlığı 6 cm, ısı iletim katsayısı 0.04 W/mK, birim fiyatı 25 m 2, montaj maliyeti, 30 TL/m 2 dir. Varsayımlar: Fırında yan duvarlar dışında ısı kayıpları ihmal edilmiştir. Yan duvarlarda enfiltrasyon ısı kayıpları ihmal edilmiştir. 7 günde bir parti (00 m 3 ) ve yılda 50 parti kereste kurutulmaktadır. Hesaplar yıllık dönem üzerinden yapılacaktır. a) Fırının başlangıç hallindeki Sankey diyagramını çiziniz. b) Fırının yalıtılmış haldeki Sankey diyagramını çiziniz. c) Fırının yalıtımsız ve yalıtımlı halinin 0 yıllık ekonomik analizini yapınız, tablosunu hazırlayınız. Soru No Puan Program Çıktısı

2 Final Sınavı :00 CEVAPLAR SORU. a) Debi nedir, debi ölçerler nelerdir? En hassas ve basit debi ölçme nasıl yapılır, avantajı ve dezavantajı nedir? Debinin enerji tasarrufu açısından önemini belirtiniz. b) Bir boruda akışkan hızı ölçülmüşse hızı nasıl belirlenir? c) Çapı 20 cm olan bir boruda ölçülen akışkan hızı 2 m/s ise akışkanın debisi m 3 /h birimi ile ne olur? Sözkonusu debinin %20 sinin fazlalık olduğu; akışkanın su, başlangıç ve çıkış sıcaklıklarının sırasıyla 20 o C ve 90 o C olduğu bilindiğine göre sözkonusu sistemde güç kaybını hesaplayınız. CEVAP. a) Debi, birim zamanda birim kesitten geçen akışkan miktarıdır. Venturimetre, diyafram, savak, lüle ve sukbe kesit daralması ilkesine göre çalışan debi ölçerlerdir. Sıvı ya da gaz türü akışkanların belirli bir ağırlık veya hacimdeki miktarının, bir kapta toplanma süresinin belirlenmesi, en hassas ve basit debi ölçüm yöntemidir. Bu yöntem genellikle diğer debi ölçüm cihazlarının kalibrasyonu için de kullanılmakla birlikte; debinin küçük olduğu, akışın süreksiz olduğu ve yüksek doğrulukta sonuçlara gerek duyulduğu durumlarda da kullanılabilir. Basit olmaları nedeniyle kullanılmakta olan bu sistemler genellikle büyük olup, yavaştırlar. Akışkanların kanal içinde akarken debilerinin belirlenmesi enerji hesaplarında önemli yer tutmaktadır. Debinin gereğinden yüksek olması; kullanılan makinanın enerji harcamasını artırdığı gibi, fazla miktarda harcanan debinin taşıdığı enerji de kayıp olarak değerlendirilir. Q = u A b) Bir boruda akışkan hızı ölçülebilirse; debi, akışkan hızı ve boru kesiti arasındaki ilişkiye bağlı olarak ifade edilen süreklilik eşitliği aracılığı ile hesaplanabilir. Q akışkan debisi olmak üzere, süreklilik eşitliği aşağıdaki gibi ifade edilir. Buna göre, akışkan hızının belirlenebildiği kesiti belirli borularda/kanallarda bu bağıntı kullanılarak debi hesaplanabilir. Q = u A c) Örneğin; çapı 20 cm = 0.20 m, hızı 2 m/s olan akışkanın debisi A = π D2 4 Q = u π D2 4 Q = 2 [m/s] Q = m 3 /s h = 3600 s Q = m3 s Q = m 3 /h Fazlalık debi: Q k = 0.20 x Q π x (0.20 m) s h Q k = 0.20 x m 3 /h Q k = m 3 /h Güç kaybı:

3 Final Sınavı :00 N k = m C (T ç T g ) Kütlesel (m) ve hacimsel debi arasında aşağıdaki bağıntı geçerlidir. m = γ Qk Suyun yoğunluğu γ = 000 kg/m 3 m = 000 [kg/m 3 ] x [m 3 /h] m = 4526 kg/h N k = 4526 [kg/h] 4.86 [kj/kg ] (90 20) [ ] N k = kj/h N k = kj h N k = kj/s W = J/s N k = kj s N k = kw h 3600 s kw kj/s SORU 2. Enerji tasarrufu nedir? Enerji tasarruf yöntemlerini yazarak orman endüstrisinden örnekleyiniz. Enerji tasarrufu, enerji verimliliği ve enerji taraması kavramlarını belirterek karşılaştırınız. CEVAP 2. Enerji tasarrufu, üretimde, konforumuzda ve iş gücümüzde herhangi bir azalma olmadan enerjiyi verimli kullanmak, israf etmemektir. Başka bir ifade ile, aynı işi daha az enerji kullanarak yapmaktır. Enerjinin güvenilir, zamanında, kesintisiz ve çevreye uyumlu temin edilmesi politikası çerçevesinde yerli ve yenilenebilir enerji kaynaklarından enerji üretimine yönelmenin yanı sıra, ağırlık verilmesi gereken temel bir politika da; enerji verimliliğinin arttırılmasıdır. Enerji tasarruf yöntemleri: ) Yüksek verimli motor kullanımı 2) Basınçlı hava sistemindeki kaçakların giderilmesi 3) Basınçlı hava sistemlerinde düşük basınçlı hava kullanımı 4) Kompresör havasının dış ortamdan alınması 5) Isı geri kazanım sistemleri 6) Yakıtların karşılaştırılması 7) Kazanlarda verim arttırılması a. Kazanlarda hava-yakıt oranının optimize edilmesi b. Kazanlarda yakma havasının ısıtılması 8) Sıcak ve soğuk yüzeylerin yalıtımı 9) Yüksek verimli aydınlatma 0) Pencerelerde yansıtıcı film kullanılması ) Diğer tasarruf yöntemleri Enerji tasarrufu ve enerji verimliliği iki farklı kavramdır. Daha az enerji kullanmak (tasarruf) ve enerjiyi daha akıllıca kullanmak için (verimlilik) yapılabilecek bazı şeyler de vardır. Enerji tasarrufu enerjinin daha az kullanılmasına yol açan bir davranıştır. Odadan çıktığınız zaman ışıkları kapatmanız, alüminyum ve karton kutuları geri dönüşüm kutularına atmanız enerjiden tasarruf etmenin yollarıdır. Enerji

4 Final Sınavı :00 verimliliği ise aynı fonksiyonu gerçekleştirmek için daha az enerjiye ihtiyaç duyan teknolojilerin kullanılmasıdır. Enerji verimliliği, binalarda yaşam standardı ve hizmet kalitesinin, endüstriyel işletmelerde ise üretim kalitesi ve miktarının düşüşüne yol açmadan, birim hizmet veya ürün miktarı başına enerji tüketiminin azaltılmasını ifade eder. Enerji taraması enerji tasarruf potansiyelinin belirlenmesi ve verimliliğin geliştirilmesi için en önemli aşamadır. SORU 3. Atık ısı geri kazanım yöntemlerini yazarak kısaca açıklayınız. CEVAP 3. Atık ısının geri kazanılmasında reküperatif ve rejeneratif olmak üzere iki ana gruba ayrılan ısı değiştiricileri kullanılmaktadır. Reküperatörler Bu sistemlerde baca gazı ile hava ısıtılması metal ya da seramik ayırıcılar üzerinden ısı değişimi ile gerçekleşmektedir. İç içe geçirilmiş metal malzemeler kullanılarak ışınım yoluyla havanın ısıtılması sağlanmaktadır. İmalatı ve uygulanması kolaydır. Bu sistemlerde parçacıklar içermeyen atık gaz mümkün olan en küçük çaplı borulardan geçirilerek ısı transfer yüzey alanı arttırılır; ısıtılacak akışkan yönlendirici plakalar yoluyla birden fazla geçiş yaparak ısı transfer süresi artırılmış olur. Yüksek verimli ısı transferi için tercih edilen bu sistemler hacimsel sıkıntı olmayan tesislerde tercih edilmektedir. Rejeneratörler Yüksek sıcaklık ve büyük kapasiteli sistemlerde, demir- çelik vb. büyük tesislerde tercih edilmektedir. Toz ve parçacık birikimleri nedeniyle zamanla verimlilik düşüşü görülür ve gazların karışması önlenemez. Isı Boruları Isı boruları vakum altında çalışma sıvısı doldurulmuş iki ucu kapalı metal borudur. Sıcak kesimde kaynayıp buharlaşan çalışma sıvısı, soğuk bölgeye doğru hareket eder. Soğuk bölgeye geldiğinde taşıdığı ısıyı boru cidarlarından dışarı vererek yoğuşur ve yoğuşma ısısının ısıtılacak akışkana geçmesini sağlar. Hiçbir mekanik katkı olmadan düşük basınç altında düşük sıcaklıklarda da buharlaşarak-yoğuşarak doğal ısı pompası olarak çalışır. Isı geri kazanım verimliliği % 80 e kadar çıkar. 30 C 500 C baca gazı sıcaklıklarına kadar çalışabilir. Bakırın ilettiğinden 00 kere daha fazla ısı transferi sağlar. Çok hafif bir yapısı vardır. Mekanik bakım, ilave güç kullanımı, soğutma suyu ve yağlama gerektirmez. Dış yüzey kirlenme oranı düflük olduğu için daha düflük fan/pompa motor gücü ile sistem verimliliği yükseltilmiş olur. Boruları birbirlerinden bağımsız çalıfltığı için bir-iki boru da çıkabilecek sorun sistem verimliliğini ve çalıflmasınıetkilemez. Ekonomizerler Besi suyu ısıtıcıları düz borulu veya kanatlı borulu olarak imal edilirler. Genellikle kazan besi suyu ön ısıtılmasında kullanılırlar. Besi suyunun 60 C arttırılması yaklaşık olarak kazanın yakıt giderini % azalmaktadır. Gaz tarafında ısı transfer alanının ısı transferine yeterli düzeyde olması için genellikle kullanılan kanat seçiminin doğru olarak yapılması şarttır. Doğru yapılmayan kanat seçimleri ısı transferine karşı direnç oluşturabilmektedir. Bu seçim yapılırken kanatlı halde elde edilen ısı transferi kanatsız halde elde edilen

5 Final Sınavı :00 ısı transfer oranına bakmak gerekir. Bu oran Kanat Etkinliği olarak tanımlanmaktadır ve Ek>>2 değerinde olması gerekir. SORU 4. 4 m x 6 m taban alanlı ve 4 m yükseklikte 00 m 3 kapasiteli kurutma fırınının sıcaklığı 80 o C ve dış ortam sıcaklığı 0 o C dir. Fırın duvarları 2 cm iç sıva (k is = 0.70 W/mK), 20 cm tuğla (0.60 W/mK) ve 20 mm dış sıva (k ds =.00 W/mK) olarak yapılmıştır. Fırının iç yüzey ve dış yüzey ısı transfer katsayıları aynı ve 25 W/m 2 K dir. Fırından saatte 70 o C sıcaklıkta (h = 283 kj/kg) 00 kg nemli hava atılmaktadır. Fırına verilen enerji kaynağının gücü 350 kw dir. Isı kayıpları dışındaki enerji fırın duvarlarının ısıtılması ve kerestenin kurutulmasında kullanılmakta, saatte 70 o C sıcaklıkta (h = 283 kj/kg) 2000 kg nemli hava dışarı atılmaktadır. Enerji elektrik enerjisi olarak uygulanmakta olup, birim fiyatı 0.40 TL/kWh dir. Faiz oranı %5 dir. Fırının ısı yalıtımı (yan duvarlar) yapılarak enerji tasarrufu yapılması planlanmıştır. Yalıtımda kullanılacak malzemenin kalınlığı 6 cm, ısı iletim katsayısı 0.04 W/mK, birim fiyatı 25 m 2, montaj maliyeti, 30 TL/m 2 dir. Varsayımlar: Fırında yan duvarlar dışında ısı kayıpları ihmal edilmiştir. Yan duvarlarda enfiltrasyon ısı kayıpları ihmal edilmiştir. 7 günde bir parti (00 m 3 ) ve yılda 50 parti kereste kurutulmaktadır. Hesaplar yıllık dönem üzerinden yapılacaktır. a) Fırının başlangıç hallindeki Sankey diyagramını çiziniz. b) Fırının yalıtılmış haldeki Sankey diyagramını çiziniz. c) Fırının yalıtımsız ve yalıtımlı halinin 0 yıllık ekonomik analizini yapınız, tablosunu hazırlayınız. T = 00 saat için 00 m3 CEVAP 4. Genel enerji denklemi (sistemde ısı üretilmiyor): Q g = Q ç + Q d Q ç = Q k + Q h Burada; ısıl güç için Q sembolü yerine N kullanılmıştır. a) Mevcut halde Sankey diyagramı için çözüm - Isı kaybı Duvar ısı kayıp yüzey alanı: A = 2 x (2x8 + 2x5) 4 A = 04 m 2? Toplam ısı transfer katsayısı K = + l is + l t + l ds + h i k is k t k ds h d

6 Karadeniz Teknik Üniversitesi Final Sınavı :00 K = K = 2.6 W/m 2 K Kayıp ısı miktarı: N = K A (T i T d ) N = 2.6 [W/m 2 K] x 04 [m 2 ] (80 0) ( ) N = 5725 W N = kw Yıllık çalışma süresi: t = 00 saat enerji kaybı: Q k = N x t Q k = [kw] x 00 [h/yıl] Q k = kwh - Hava ile ısı kaybı Atılan hava miktarı m h = m h x t m h = 2000 [kg/h] x 00 [h/yıl] m h = kg Q h = m h x h h Q h = [kg] x 283 [kj/kg] Q h = [kj] kj = x 0 3 kwh Q h = [kj] x x 0 3 kwh kj Q h = 5735 [kwh] Fırına giren enerji miktarı: Q g = N t Q g = 350 [kw] x 00 [h] Q g = [kwh] Fırından çıkan toplam ısı miktarı Q ç = Q k + Q h Q ç = Q ç = 8890 [kwh] Fırında depolanan enerji miktarı: Enerji denkleminden Q d = Q g Q ç Q d = Q d = 60 [kwh] Şekil 2. Kurutma fırını mevcut hal Sankey Diyagramı

7 Karadeniz Teknik Üniversitesi Final Sınavı :00 b) Yeni halde Sankey diyagramı için çözüm Yeni hal için toplam ısı transfer katsayısı: K 2 = + l is + l t + l ds + l y + h i k is k t k ds k y h d K 2 = K 2 = 0.5 W/m 2 K Kayıp ısı miktarı: N 2 = K 2 A (T i T d ) N 2 = 0.5 [W/m 2 K] x 208 [m 2 ] (80 0) ( ) N 2 = 7426 W N 2 = kw Yıllık enerji kaybı: Q k2 = N x t Q k2 = [kw] x 8400 [h/yıl] Q k2 = [kwh/yıl] - Hava ile ısı kaybı Atılan hava miktarı (ilk haldekinin ayınısı) m h = m h x t m h = 2000 [kg/h] x 8400 [h/yıl] m h = [kg/yıl] Q h = m h x h h Q h = [kg/yıl] x 283 [kj/kg] Q h = [kj/yıl] kj = x 0 3 kwh Q h = [kj/yıl] x x 0 3 kwh kj Q h = [kwh/yıl] Fırına giren enerji miktarı: Q g = N t Q g = 350 [kw] x 8400 [h/yıl] Q g = [kwh/yıl] Fırından çıkan toplam ısı miktarı Q ç = Q k + Q h Q ç = Q ç = 3840 [kwh/yıl] Fırında depolanan enerji miktarı: Enerji denkleminden Q d = Q g Q ç Q d = Q d = [kwh/yıl] Şekil 3. Kurutma fırını yalıtımlı hal için Sankey diyagramı

8 Final Sınavı :00 Ancak; Bu durumda, mevcut enerji kaynağının verilen güçte çalışması gerekmez. Çünkü, ısı kaybı kwh/yıl kwh/yıl = kwh/yıl azalmıştır. Fırında depolanan enerji miktarı: Enerji denkleminden Q d = Q g Q ç Q d = Q d = [kwh/yıl] Bu durumda, toplam kullanılabilir enerji miktarı kwh/yıl kwh/yıl = kw/yıl olacaktır. Son durumda Sankey diyagramı aşağıdaki şekli alır. c) Ekonomik analiz Şekil 4. Giriş gücü azaltılmış halde Sankey diyagramı Mevcut halde maliyet: Mevcut halde ısı kaybına bağlı enerji tüketimi: Q k = kwh/yıl Enerji maliyeti: EM = EF x Q k EM = 0.40 [TL/kWh] x [kwh/yıl] EM = TL/yıl Gider denklemi (X: yıl) Y = EM x X Yalıtımlı halde maliyet: - Yalıtımlı halde ısı kaybına bağlı enerji tüketimi: Q k2 = kwh/yıl Enerji maliyeti: EM 2 = EF x Q k2 EM 2 = 0.40 [TL/kWh] x [kwh/yıl] EM 2 = 2495 TL/yıl - Yalıtım maliyeti: Malzeme maliyeti: MM = MF x A MM = 25 [TL/m 2 ] x 208 [m 2 ] MM = 5200 TL İşçilik maliyeti: İM = İF x A İM = 30 [TL/m 2 ] x 208 [m 2 ] İM = 6240 TL Yalıtım maliyeti: YM = MM + İM YM =

9 Final Sınavı :00 YM = 440 TL Gider denklemi (X: yıl) Y = YM + EM x X Faiz hesabı: F = F x ( + r) n a) Toplam ısı transfer katsayısı K = + l + l 2 + l 3 + h i k k 2 k 3 h d K = K =. 62 W/m 2 b) Isı akısı q = K (T i T d ) q =.62 [W/m 2 ] (20 ( 3)) [ ] q = W/m 2 c) Yalıtılmış halde toplam ısı transfer katsayısı, ısı akısı ve ısı tasarrufu - Isı transfer katsayısı K y = + l + l 2 + l h i k k 2 k h d K y = K y = W/m 2 - Isı akısı q y = K y (T i T d ) q y = 0.62 [W/m 2 ] (20 ( 3)) [ ] q y = W/m 2 - Birim ısı tasarrufu q tas = q q y q tas = q tas = 23 W/m 2 SORU 5. Bir demir-çelik endüstrisinde ısıtma amaçlı enerji kaynağı olarak doğal gaz kullanılmaktadır. Tesiste baca gazı ısı geri kazanımı için eküperatör kullanılmıştır. Sistemde baca gazının eküperatör giriş sıcaklığı C, çıkış sıcaklığı 50 o C dir. Baca gazı debisi 4000 kg/h, özgül ısısı 0.25 kcal/kg o C dir. Suyun eküperatöre giriş sıcaklığı 0 o C, çıkış sıcaklığı 90 o C dir. Tesis yılda 7000 saat çalışmaktadır. Kayıplar ihmal edilmiştir. a) Baca gazından sağlanacak yıllık enerji tasarrufunu b) Üretilecek sıcak su debisini a) Tasarruf edilen enerji %90 verimle elektrik enerjisine dönüşebileceğini ve elektrik enerjisi birim fiyatının 0.4 TL/kWh olduğunu varsayarak yıllık parasal tasarrufu hesaplayınız. CEVAP 5. m gaz = 4000 kg/h Cp gaz = 0.25 kcal/kg t gaz = 350 Cp su = kcal/kg t su = 0 t su2 = 90

10 Final Sınavı :00 t gaz2 = 50 Z = 7000 saat/yıl a) Eküperatörde duman gazından elde edilen ısı suya aktarılır. Kayıplar ihmal edildiğine göre bu durumda Qgaz = Qsu olarak ifade edilebilir. Baca gazından sağlanacak enerji tasarrufu Q gaz = m gaz Cp gaz (t gaz t gaz2 ) bağıntısı ile hesaplanır. Q gaz = 4000 [kg/h] x 0.25 [kcal/kg ] (350 50)[ ] Q gaz = kcal/h Yıllık enerji tasarrufu: ET = Q gaz Z ET = [kcal/h] x 7000 [saat/yıl] ET = kcal/yıl b) Üretilebilir sıcak su miktarı: Suyun eküperatörde alacağı ısı miktarı: Q su = m su Cp su (t su2 t su ) Üretilebilir sıcak su debisi: m su = Q su Cp su x (t su2 t su ) Alınan verilen ısı miktarı aynı olacağından (kayıplar ihmal edilmiş) Q su = Q gaz = kcal/h [kcal/h] m su = [kcal/kg ] x (90 0) [ ] m su = 2000 kg/h c) Tasarruf edilen enerji miktarı kcal/yıl olup, %90 verimle elektrik enerjisine dönüşeceğinden, bunun 0.90 x = kcal/yıl kadarı yararlı enerji olarak hesaplanır. kwh = 860 kcal olduğuna göre, elektrik enerjisi karşılığı E elk = [kcal/yıl] kwh 860 kcal E elk = kwh olarak bulunur. Elektrik enerjisi bakımından parasal tasarruf TAS = E elk x EBF TAS = [kwh/yıl] x 0.4 [TL/kWh] TAS = TL/yıl