1. Giriş FANLAR Fanlar havayı bir yerden alarak bir başka yere ileten hidrolik makinalardır. Binalarda ve sanayide sıklıkla kullanılan cihazlardır. Sanayide %20 civarındaki enerjiyi fanlar tüketir. Fanların tasarımı, seçimi ve işletilmesinde enerji verimliliğine dikkat edilmelidir.
2.Fan Performans Değerleri Fan debisi Santrifüj fanların sağlayabileceği debi giriş çapı, devir sayısı kanat giriş açısı, aksiyal fanlarda ise gövde çapı, göbek çapı ve devir sayısı gibi parametrelere bağlıdır. Fan basıncı Fan basıncı, ΔP t = [(1/2)xρxv 2 x[f(l/d e )+] şeklindeki basınç kayıplarını karşılayabilmelidir.
Fan hidrolik gücü (kw) V debide (m 3 /h) ve P t (Pa) basınçtaki bir fanın hidrolik (N, kw) gücü (fanın ürettiği hidrolik güç), N V P / 3600x102 t Toplam verim t fan tah motor
Elektrik motoru gücü (kw) N m VP t / 3600x102 t Sahada debi, basınç, elektrik şebekesinden çekilen akım ve voltaj değerleri ölçülerek toplam verim ve yukarıdaki toplam verim eşitliğinden yararlanarak fan verimi hesaplanabilir.
3.Fan Seçimi Fanların tasarımında teorik (matematiksel) bir yöntem bulunmamaktadır. Literatür, deneme yanılma, geçmiş tecrübeler ve kısıtlar dikkate alınarak testler ve bilgisayar modelleri ile tasarım yapılır. Bu yaklaşımlarla rotor çapı, giriş çapı (aksiyal fanlarda göbek çapı), kanat sayısı, kanat açısı ve eğriliği, motor gücü, verim ve gürültü düzeyi vb. hesaplanır.
Bir fanın performansı, 1. Fanın tasarımı, 2. Çalışma noktası (debi ve basınç karakteristikleri), 3. Fanın boyutları, 4. Rotorun devir sayısı, 5. Fan içinden geçen gazın yoğunluğu, sıcaklığı, 6. Sistem dirençleri, gibi faktörlere bağlıdır.
4. Binalarda fan kullanımı 1. Klima santralları Aspiratör ve vantilatörler Mevdiven basınçlandırma Otopark yangın ve havalandırma Soğutma kuleleri Soğutma sistemleri (split klimalar vb.) Banyo, wc vb.
5. Fanın temel boyutları Bir fanı karakterize eden temel büyüklükler emiş ağzı çapı ile rotor dış çapıdır. a) Santrifüj fanlar: D 1 =10x(V/n) (1/3) D 2 = (18000/n)x(ΔP) (1/2) b) Aksiyal fanlar: d= (19000/n)x(ΔP) (1/2) D=(d 2 +61(V/n)) (1/2) D 1 V D 2 giriş ağzı çapı (inch), hava debisi (cfm), rotor çapı (inch), ΔP statik basınç (inss). n devir sayısıdır (d/d). d V n D ΔP göbek çapı (inch), hava debisi (cfm, 1 cfm=1,7 m3/h), devir sayısıdır (d/d). dış çap (inch), statik basınç (inss).
6. Fan Kanunları Fan karakteristik sayılarından hareketle aşağıdaki bağıntılar elde edilebilir. Bu bağıntılara fan kanunları adı verilir. Debi Basınç Güç Gürültü 2 1 3 2 1 2 1 n n D D V V 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 n n D D P P 2 1 3 2 1 5 2 1 2 1 n n D D N N 1 2 1 2 10 1 2 50 50 n n Log D D Log L L
7. Fan Çeşitleri Fanlar değişik şekillerde sınıflandırılabilir. 1. Aksiyal fanlar, 2. Santrifüj fanlar, 3. Aksiyal-santrifüj fanlar, 4. Çatı tipi fanlar, 5. Turbo blowerlar.
Santrifüj fanlar Santrifüj fanlar çok yüksek debi ve/veya basınç değerlerine çıkabilmektedir. Montaj ve işletme esnekliğine sahiptirler. Endüstriyel alanda ve klima santrallerinde sık kullanılan fan tipidir.
Aksiyal fanlar Aksiyal fanların ana elemanları gövde, göbek, kanatlar ve motordur. Aksiyal fanlar, santrifüj fanlar kadar yüksek basınç üretemezler. Debi, basınç ve yüksekliği konumlama, motorun akışkandan korunması gibi yönlerden santrifüj fanlar kadar esnek değildir. Daha basit yapıda ve ucuzdurlar, verimleri %75 lere kadardır ancak akış tarafına kılavuz kanatlar konulmasıyla %85 lere çıkabilir.
Fan çeşidi Pervane tipi Tüp aksiyal Gövde Montaj Kısa bileziği silindirik gövde Motor desteği Göbek Gövde iç tarafı Tek kademeli vane aksiyal Silindirik gövde Gövde içinde veya dışında İki kademeli vane aksiyal Uzun silindirik gövde Gövde içinde, iki kademe arasında (veya dışarıda) Kılavuz kanat Yok Yok Fan çıkışında Yok veya kademeler arasında Göbek-kanat ucu 0-40 30-50 45-80 50-80 oranı (%) Statik basınç ( Pa) 0-150 100-500 250-2000 1000-3000 Göbekte kanat açısı 30-50 30-50 30-60 30-60 Kanat ucu açısı 10-25 10-25 10-35 10-35 Fan verimi(max.%) 70 75 90 70
Elektrik Motorları- izolasyon sınıfları. İzolasyon sınıfı E B F H Resistans ile maksimum 75 80 100 125 sıcaklık artışı (C) Maks. 40C çevre sıcaklığı için motor yüzey sıcaklığı (C) 115 120 140 165 Kısa süreli dayanım sıcaklığı (C) 120 130 155 180
8. Fan Sistemlerinde Kapasite Kontrolu Tesisat sisteminin karakteristik eğrisi damperlerle veya klapelerle değiştirilebilir (kısma). Ancak bu yöntem verimlilik yönünden uygun değildir. Kontrol için fanın karakteristik eğrisinin değiştirilmesi (drallregler veya frekans invertörü ile kontrol) daha uygundur ancak burada da kayıplar vardır. Bunun için elektrik motorlarının frekans invertörleri ile devir sayılarının değiştirlebilir veya değişken hızlı tahrik sistemleri kullanılabilir.
a)sistemin karakteristik eğrisinin değiştirilmesi Damper Kontrolu Hava debisinin kontrolünde damper kontrolu en düşük ilk yatırım maliyetine sahip yöntemdir. Bu yöntemde, çalışma noktası fan eğrisi üzerinde hareket eder. Kontrol, fanın emişindeki veya çıkışındaki bir damperin kısılması ile yapılır (debi sistem direncinin artırılması veya azaltılması). lt (mmss ) D C B A 3 V ( m /h )
HER BİR FANIN DEBİSİ Q(m ³/h) b)fan Performans Eğrisinin Değiştirilmesi Değişken kanatlı damper kontrolu (drallregler): Burada fanın girişine değişken kanatlı damper yerleştirilir. Bu yapı fanın karakteristik eğrisini değiştirir. Bu kontrol şekli damper kontrolündan daha verimlidir. n1>n2>n3>n4 A B C D n4 n3 n2 n1
Hız kontrolu (frekans invertörleri): Fan kanunlarından hatırlanacağı üzere fanın debisi devir sayısı ile doğru orantılı, basıncı ise karesel olarak değişir. Çekilen güç debi ve basıncın çarpımı olduğu için devir sayısının küpü ile değişir. En verimli kapasite kontrol şekli fan hızının frekans invertörleri-sürücü- ile değiştirilmesidir. Hız kontrolü prosesin belirli bir bölümündeki basınç, sıcaklık, hız gibi değişkenlerin bir saha elemanı tarafından algılanıp bir PLC ye kaydedilecek bir algoritma vasıtasıyla yapılabilir.
A B C n3 n2 n1 HER BİR FANIN DEBİSİ Q(m³/h)
c) Birden Fazla fanın birlikte kullanılması Fanların paralel bağlanması Burada iki veya daha fazla sayıdaki fan paralel olarak çalıştırılır. Paralel çalışmada her basınç değeri için fanların debileri toplanarak toplam debi bulunur. Bu yöntem özellikle büyük güçlü tesislerde enerji verimliliği, fanların kısmen yedeklenmesi, işletme ve bakım esnekliği sağlanması için faydalı olabilir. Burada bir fan çalışırken duran fana doğru ters akış olmaması için fanların çıkış ağızlarına fan çalışmadığında kapalı kalacak damperler konulmalıdır. Yer sorunu ve bağlantılar için olabilecek kısıtlar paralel bağlamanın dezavantajlarıdır.
SABİT DİRENÇ FAN1 FAN2 FAN3 SABİT BASINÇ HER BİR FANIN DEBİSİ Q(m³/h)
Fanların seri bağlanması İki veya daha fazla sayıdaki fan seri olarak çalıştırılır. Seri bağlamada her debi için fanların basınçları toplanarak toplam basınç bulunur. Bu uygulama tek bir fanın basıncının yetmediği durumlarda veya daha küçük kapasiteli bir fanın booster fan olarak kullanılması için tercih edilir. Böylece ana fanın basıncının en uzaktaki düşük debi ihtiyacı olan bir branşman için seçilme zorunluluğu ortadan kalkar.
1 2 3 4 5 1 2 3 5 1 2 5 1 2 1 3 1 HER BİR FANIN DEBİSİ Q(m ³/h)
9. Mevcut Fanlarda Performans Ölçümü
a) Pitot tüpü ile debi ölçümü Bu ölçüm tekniğinde debi dolaylı olarak hesaplanır. Burada fanın hizmet ettiği tesisatın uygun bir noktasında dinamik basınç ve sıcaklık ölçümleri yapılır. Pd v K 1 v 2 2 2 P t g V=vxAx3600 (/m 3 /h) A Akış kesiti (m 2 ) Burada v hız (/m/s), P d dinamik basınç (Pa), g gaz yoğunluğu (kg/m 3 ), K Pitot tüpü sabitidir (-). K sabiti Pitot tüplerinde 1 alınır, Prandtl ipi tüplerde ise 1 den küçük olabilir.
b) Pitot tüpü ile statik basınç ölçümü Fanların giriş ve çıkış hücrelerinde (fark basınç prosestatları ağızlarından) statik basınçlar ölçülü ve dinamik basınç buna ilave edilerek fanın toplam basıncı hesaplanır. c) Elektriksel güç ölçümü Fanın çektiği akım, voltaj, cosφ değerleri kaydedilerek, fan elektrik motorlarının verimi de dikkate alınarak fanın verimi hesaplanır. Şebekeden çekilen elektriksel güç N el =(3) 1/2 x I(amper) x V(volt) x cosφ/1000 (kw) şeklinde hesaplanır.
d) Fan hidrolik gücü N f =V(m 3 /h)xδp t (mmss)/(3600x102) (kw) e) Fan verimi Fan, motor ve kayış kasanak sistemininin toplam verimi η t =(Nf/Nel)x100 (%) ηt=η fan xη motor xη kayıs, fan verimi, η fan =ηt/(η moto rxη kayıs ). Burada η motor motor verimi (etiketten okunur veya %90 alınabilir), η kayıs kayış-kasnak sistemi verimi olup yaklaşık %94 alınabilir.
10. Örnekler Örnek 1 V=350.000 m 3 /h, ΔP=200 mmss, n=1000 d/d olan bir fanda şebekeden çekilen akım 460 Amperdir (V=380 volt, cos Φ=0.85, motor verimi % 91 kabul edilsin). a) Fan hidrolik gücü, b) Fan verimi, c) Devir sayısı frekans invertörü ile 850 d/d ye düşürülürse fanın verebileceği debi, basınç ve gücü, Hesaplayınız. Çözüm a) N h =V(m 3 /h)xδp(mmss)/(3600x102) =350000x200/(3600x102)=190 kw N el =(3) 1/2 xi(amper)xv(volt)xcosφ/1000 =1.732x460x380x0.85/1000=257 (kw) η t =(N p /N el )x100 =(190/257)x100= %74 η fan =ηt/η motor =74/0.91=%81 b) N f =V(m 3 /h)x ΔP(mmSS)/(3600x102xη fan ) = 350000x200/(3600x102x0.81) =235 kw
Debi için V 1 =V 2 x(d 1 /D 2 ) 3 (n 1 /n 2 ) Basınç için P 1 =P 2 x(d 1 /D 2 ) 2 (n 1 /n 2 ) 2 (ρ 1 /ρ 2 ) Güç için N 1 =N 2 x(d 1 /D 2 ) 5 (n 1 /n 2 ) 3 (ρ 1 /ρ 2 ) Çaplar ve yoğunluk sabit kabul edilirse; V 2 =V 1 x (n 2 /n 1 )=350000x(850/1000)=297500 m3/h P 2 =P 1 x(n 2 /n 1 ) 2 =200x(850/1000) 2 =144 mmss N 2 =N 1 x (n 2 /n 1 ) 3 = 234x(850/1000) 3 =143 kw
Örnek 2 V=25.000 m 3 /h, ΔP=450 mmss, verimi %80 olan 2 fan; a) Paralel bağlanırsa, b) seri bağlanırsa, toplam debi, basınç ve güç, ne olur? Çözüm a) Paralel bağlama: V=2x25.000=50.000 m 3 /h, ΔP=450 mmss, Nfan=50.000x450/(3600x102x0.8)=76.6 kw b) Seri bağlama: V=25.000 m 3 /h, ΔP=2x450=900 mmss, Nfan=25000x900/(3600x102x0.8)=76.6 kw
11. Mevcut Fan Sistemlerinin İyileştirilmesi Debi, fan emişinde ve çıkışındaki statik basınç, sıcaklık, motorun çektiği akım, voltaj, cos, motor verimi ölçülür. Fan hidrolik gücü, şebekeden çekilen güç hesaplanır. Fan sisteminin (fan, kayış-kasnak veya kaplin, motor komple) verimi (η toplam = η fan x η akt x η ηot ) hesaplanır. 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 fanların sahada yapılan ölçüm değerler verilmiştir.
Tablo 1. Çimento fabrikası A daki ölçüm değerleri. Fanın Adı 1. bacagazı fanı 2. bacagazı fanı Farin değirm. sistem fanı Fırın elektro filtre fanı VKS sistem filtre fanı MİD air fanı Debi (m3/h) Basınç (mmss) Ölçüm Değerleri T (⁰C) Fan Verimi % N elektrik (kw) 361.070 460 330 49 1067 132.390 660 20 82 320 761.590 1130 85 86 2980 383.200 140 250 50 328 166.900 550 85 67 374 40.800 40 480 12 41
Tablo 2. Çimento fabrikası B deki ölçüm değerleri. Ölçüm Değerleri Fanın Adı Debi (m3/h) Basınç (mmss) T (⁰C) Fan Verimi % N elektrik (kw) Farin baca gazı fanı Elektro filtre fanı 1. farin değirmen fanı Kömür değirmeni fanı 469.700 325 352 49 972 250.800 160 115 68 181 237.300 185 115 66 207 67.000 1135 100 76 308
Verim Artışı sağlanması Verimlilik artışı potansiyeli olan fanlar yukarıdaki tablolarda kırmızı renk ile işaretlenmiştir. Verimlilik artışı potansiyeli tespit edilen bir fanın tasarımında; kanat açıları, kanat sayıları, rotor ölçüleri vb. ölçülerde gerekli değişiklikler yapılır. Denklemindeki fan verimi maksimum düzeye (örneğin %80-85) gelinceye bilgisayar programı ile değişiklikler yapılır. Not: 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 nedeniyle biraz fedakarlık yapılabilir. Optimum tasarım elde edildikten sonra bu tasarımın kontrolü için CFD (Computational Fluid Dynamics) analizi yapılarak nihai karar verilir.
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 320.000 m 3 /h den 450.000 m 3 /h e çıkarılabileceği hesaplanmıştır. Bu artışın sağlanabilmesi için denklem (1) deki η değeri maksimize edilmiştir. Bu değer ise emiş çapı, rotor çapı, kanat giriş ve çıkış açılarına, girişte ve çıkışta kanat enine, devir sayısına bağlıdır. Bu parametreler gerektiği kadar değiştirilerek fan bir boyutlu tasarım ile optimize edilmiştir. Tasarım CFD simülasyonu ile kontrol edilmiş ve gerekli değişiklikler yapılmıştır. Fanın imalatı ve montajı tamamlanmıştır.
Fabrika yetkilileri ile birlikte fan çalışırken yapılan ölçümde fan debisinin 463.000 m 3 /h olduğu belirlenmiştir. Yapılan hesap sonucunda fan veriminin %82 olduğu belirlenmiştir. Motor gücü artırılmadan verim artışı sağlamak suretiyle debi önceki duruma göre %45 civarında artırılmıştır. Fanın iyileştirme öncesi ve sonrasındaki değerleri aşağıda verilmiştir. Elektrik motoru (kw) Debi (m 3 /h) Toplam basınç (mmss) Çalışma Sıcaklığı ( C) Verim (%) Motor devri (d/d) Önceki durum 400 İyileştirilmiş durum 400 320,000 463,000 220 210 60 994 220 210 82 994
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=) 201.600 TL/yıl olmaktadır. Bu işin ilk yatırım bedeli yaklaşık 90.000 TL olmuştur. Buna göre basit amortisman süresi (90.000/201.600=) 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. Bu uygulamada da öncelikle mevcut durumu sahada ölçülmüş ve verimlilik artış potansiyeli değerlendirilmiştir. Verim maksimum olacak şekilde fan tasarımı optimize edilerek CFD simülasyonu yapılmış ve imalatı yapılacak hale getirilmiştir. İmalat ve montaj gerçekleştirilmiştir. Fan yerine monte edilmiş ve çalışırken debi, statik basınç, şebekeden çekilen akım, voltaj değerleri ölçülmüştür.
Elektrik motoru (kw) Debi (m 3 /h) Toplam basınç (mmss) Çalışma Sıcaklığı ( C) Verim (%) Motor devri (d/d) Şebekeden çekilen elektrik gücü (kw) Önceki durum 1600 443,000 630 180 58 1000 1411 İyileştirilmiş durum 1600 540,000 500 180 81 1000 970
Tasarruf: Saatlik (1411-970=) 441 kw olmaktadır. Fanın yılda 7000 saat çalıştığı ve enerji maliyetinin yine 0.18 TL/kWh olduğu kabul edilirse yıllık parasal tasarruf (441x7000x0.18=) 555.660 TL/yıl olmaktadır. Bu işin ilk yatırım bedeli yaklaşık 150.000 TL olmuştur. Buna göre amortisman süresi 4 aydan daha kısa olmaktadır. Bu fan Kasım 2009 dan bu yana belirtilen verimle çalışmaktadır (şebekeden yaklaşık 970 kw çekmektedir).
12. 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 %80-85 arasında verim değerleri elde etmek mümkündür. CFD simülasyonları ile fanlar optimize edilebilmektedir.
İyileştirme 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, İhtiyaçların zaman içinde değişmesi, 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, sürücü uygulamaları) uygulanması.
Teşekkürler